DE2441745A1

DE2441745A1 - Temperatur- und versorgungsspannungsunabhaengige stromquelle

Info

Publication number: DE2441745A1
Application number: DE19742441745
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dr Ing Wilhelm
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-08-30
Filing date: 1974-08-30
Publication date: 1976-03-18
Also published as: BE832913A; IT1042053B; NL7509890A; CH585932A5; FR2283484A1

Description

24A1745

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT ' München, den 3 Q.AUG. 1974

Berlin und München Witteisbacherplatz 2

74/2034

Temperatur- und versorgungsspannungsunabhängigo Stromquelle

Die Erfindung bezieht sich auf eine temperatur- und Versorgung sspannungsunabhängige Stromquelle mit mindestens einem Transistor, deseen Kollektor über einem Konstantstromverbraucher an dem kollektorseitigen Pol der Versorgungsspannung squelle liegt und dessen Emitter über einem Emitterwiderstand mit dem emitterseitigen Pol der Versorgungsspannung squelle verbunden ist.

Bei der Integration größerer digitaler Schaltnetze bereitet die Ableitung der entstehenden Verlustwärme Schwierigkeiten. Man ist deshalb sehr an Verknüpfungsgliedern für den Aufbau derartiger Schaltnetze interessiert, die nur eine geringe Verlustleistung entwickeln. Ein solches Verknüpfungsglied ist durch die Literatursteile "Philips Technische Rundschau" 1968, Nr. 11/12, Seiten 355 bis 359 bekannt. Das Verknüpfungsglied ist zum Zwecke der besseren Übersicht in Fig. 1 dargestellt.

Das Grundelement des Verknüpfungsglieds ist ein Differenzverstärker mit emittergekoppelten Transistoren, es hat daher eine gewisse Ähnlichkeit mit gewöhnlichen ECL-Verknüpfungsgliedern. Der Widerstand Rs hat die Aufgabe, den durch den Differenzverstärker fließenden Strom unabhängig von dessen augenblicklichem Schaltzustand, annähernd konstant zu halten.

Im Gegensatz zu den ECL-Verknüpfungsgliedern, bei denen die Basis eines Transistors des Differenzverstärkers an einem

VPA 9/210/3058 She/Fdl -2-

609812/0445 " '

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festen Referenzpotential liegt, benötigt das Verknüpfungsglied nach Fig. 1 nur die geringe Verlustleistung von etwa 4 mW/Ver- ' knüpfungsfunktion. Nachteilig an dem Verknüpfungsglied gemäß Fig. 1 ist aber die hohe Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen der Temperatur und der Versorgungsspannung. Eine Änderung der Versorgungsspannung um 10 % führt zu einer Änderung des Ausgangspegels um etwa 17 %· Schwankungen in der Versorgungsspannung können daher die Störsicherheit beträchtlich reduzieren.

Dieser Nachteil kann jedoch durch eine Stromquellenschaltung beseitigt werden, bei der in einer aus der ECL-Technik bekannten Weise der Widerstand Rs durch einen geeignet gesteuerten Transistor ersetzt xst. Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine einen derartigen Transistor enthaltende Stromquelle anzugeben, die so ausgebildet ist, daß der durch den Differenzverstärker fließende Strom nicht nur von dessen augenblicklichem Schaltzustand, sondern auch von Schwankungen der Versorgungsspannung und der Temperatur unabhängig ist. Die Stromquelle soll dabei selbst nur eine geringe Verlustleistung entwickeln, sie soll zur Speisung einer größeren Anzahl von Verknüpfungsgliedern erweiterbar sein, ohne daß dadurch ihre Gesamtverlustleistung nennenswert ansteigt. Für ihre Funktion sollen vor allem Widerstandsverhältnisse maßgebend sein, während die in integrierter Aufbautechnik nur schwer genau reproduzierbaren Absolutwerte der Widerstände allenfalls eine untergeordnete Rolle spielen dürfen.

Ausgehend von einer Anordnung mit den eingangs genannten Merkmalen wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs 'angegebenen Maßnahmen gelöst.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt darin

VPA 9/210/3058 . -3-

609812/0445

Fig. 1 das bereits erwähnte bekannte Verknüpfungsglied, Fig. 2 eine kompensierte Stromquelle gemäß der Erfindung

füi>mehrere Verknüpfungsglieder nach Fig. 1 und Fig. 3 eine schematische Darstellung der für die Temperaturkompensation maßgebenden Beziehungen.

Die Fig. 2 zeigt, stellvertretend für mehrere gleiche oder ähnliche Verknüpfungsglieder, zwei nicht näher bezeichnete Verknüpfungsglieder nach Fig. 1, wobei jedoch nun die zur Stromeinprägung dienenden Widerstände Rs nach Fig. 1 durch die Transistoren T11 bis T1n mit den entsprechenden Emitterwiderständen R11 bis R1n ersetzt sind. Der Wert dieser Widerstände beträgt nur einen Bruchteil von dem Wert des Widerstands Rs.

Die Basen der Transistoren T11 bis T1n liegen am Emitter eines Transistors T2, der als Emitterfolger betrieben wird. Das · bedeutet bekanntlich, daß die an seinem Emitterwiderstand R2 abfallende Spannung die Ausgangsspannung der betreffenden Stufe bildet.

Die Steuerspannung für den Emitterfolger wird am Kollektor des Transistors T3 abgenommen, der mit einem Kollektorwiderstand R3 und einem Emitterwiderstand R4 entsprechend beschaltet ist. Die Basis des Transistors T3 ist an den Verbindungspunkt zweier Widerstände R5 und R6 angeschlossen, welche die Spannung der VersorgungsSpannungsquelle zwischen den Polen Uo und Uv (z. B. etwa 2 V) im Verhältnis ihrer Werte aufteilen. Der Widerstand R5 liegt dabei einseitig am kollektorseitigen Pol Uv (- 2 V).

Durch geeignete Wahl der Werte der Widerstände R3 bis R6 kann erreicht werden, daß die für die Steuerung des Emitterfolgers mit dem Transistor T2 wirksame Spannung UI-Uv (Fig. 2)

VPA 9/210/3058 -4-

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von der Versorgungsspannung unabhängig wird. Damit wird aber auch die für die Steuerung der Transistoren T11 bis T1n maßgebende Spannung U2-Uv, die an den Emitterwiderständen R11 bis R1n der zuletzt genannten Transistoren abfallende Spannung U3-Uv und damit der in den Kollektorkreisen dieser Transistoren fließende Strom I von der Versorgungsspannung unabhängig. Das tritt ein, wenn die .Werte der Widerstände R3 bis R6 folgende Bedingung erfüllen:

R6 = R3
R5 + Rb R"?

In dieser Beziehung ist der im Vergleich zum Widerstand R4 sehr kleine dynamische Widerstand der Basis-Emitterstrecke des Transistors T2 vernachlässigt. Gegebenenfalls muß letzterer von dem Wert des Widerstands R4 abgezogen werden.

Die Spannung U1 - Uv, U2 - Uv und U3 - Uv sind proportional der Basis-Emitterspannung U_ßE der Transistoren und damit im allgemeinen temperaturabhängig. Eine Temperaturkompensation der letzten Endes maßgeblichen Spannung U3 - Uv ist aber möglich, wenn Transistoren mit unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten verwendet werden. In vorteilhafter Weise kann dieses dadurch geschehen, daß man die Transistoren mit unterschiedlichen Emitterstromdichten betreibt. In der nachstehenden Tabelle sind konkrete Zahlenbeispiele angegeben, wobei für die Transistoren T11 bis T1n und den Transistor T3 gleiche Betriebsbedingungen gewählt wurden.

VDA 9/210/3058 -5-

60981 2/0445

	A. J	T1, T3	0	T2	780	Dim.
■Emitterfläche F_E	u_BE	34	- 1	1	/u²
Emitterstrom I„		1		,00128	mA
Emitterstromdichte ö_E =	0,0292	,6 -\| In -M 1,872	mA/^u²
Temperaturkoeffizient K™ der Emitterbasisspannung	- 1,6	718	mV/K
^UBE	800	mV

Dabei ist: k die Bolzmannkonstante = 1,38 q die Elementarladung =1,6 · 10

10 ~²³ Ws/K -18

As

Einen Überblick über die bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der vorstehenden Tabelle vorliegenden Verhältnisse, bei denen bereits die Unabhängigkeit von der Versorgungsspannung vorausgesetzt ist, gibt die Fig. 3. Das Diagramm zeigt die Abhängigkeit der Temperaturkoeffizienten von verschiedenen Spannungen gegenüber dem Potential am (negativen) Pol Uv der Versorgungsspannungsquelle. Dabei wurde angenommen, daß der Pol Uv eine Spannung von - 2000 mV gegenüber dem geerdeten Pol Uo der Versorgungsspannungsquelle aufweist.

Es bedeutet

den Temperaturkoeffizienten im allgemeinen den Temperaturkoeffizienten der Basis-Emitterspannung der Transistoren T11 bis T1n

den Temperaturkoeffizienten der Basis-Emitterspannung des Transistors T2 und
den Temperaturkoeffizienten der der Basis-Emitterspannung des Transistors T3 proportionalen Größe U·

BE1

R4 R5

VPA 9/210/3058

-6-

609812/0445

Für die Bemessung der einzelnen Elemente der Stromquelle ist, soweit dies in dem Diagramm, nach Fig. 3 in Erscheinung tritt, davon auszugehen, daß in der Regel zunächst nur die Versorgung sspannung UV, der Avsgangsstrom I bzw. die untereinander gleichen Ausgangsströme I und wegen der Kompensation der Versorgungsspannungseinflüsse auf den Ausgangsstrom bzw. die Ausgangsströme die weiter oben erwähnten Beziehungen zwischen den Widerständen R3 bis R6 festgelegt sind. Dagegen sind die Absolutwerte aller Widerstände, die Emitterströme der Transistoren T2 und T3, sowie die Emitterflächen und damit die Emitterstromdichten aller Transistoren innerhalb gewisser Grenzen zunächst noch frei wählbar. Von der Emitterstromdichte hängt aber nicht nur die Basis-Emitterspannung ti™,, sondern auch der Temperaturkoeffizient Kmm dieser Spannung ab. Man wird also gegebenenfalls erst nach mehrmaliger Variation der maßgeblichen Werte das gewünschte Ziel erreichen.

Für das Diagramm nach Fig. 3 sind die Werte der Tabelle zugrundegelegt. Weiter wird davon ausgegangen, daß die an den Widerständen R11 bis R1n abfallenden temperaturkompensierten Spannungen U3 - Uv 200 mV betragen. Dieser Spannungsabfall ist auf der Abszisse U-Uv vom Koordinatenanfang aus als ein erster Linienzweig eingetragen. An dem Endpunkt dieses Zweigs schließt ein zweiter, den Transistoren T11 bis T1n zugeordneter Zweig an, dessen Neigung und Länge durch deren Basis-Emitterspannung Ur,™ und dem Temperaturkoeffizienten Κ™™ dieser Spannung bestimmt ist. Anschließend daran folgt ein dritter, dem Transistor T2 zugeordneter Zweig, der entsprechend der geringeren Emitterstromdichte steiler verläuft.

Ergibt der Endpunkt des dritten Zweigs (T2) einen Schnittpunkt mit einer zu dem zweiten Zweig (T11 bis T1n) parallelen Geraden durch den Koordinatenanfang, dann bedeutet das* daß

VPA 9/210/3058 -7-

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die Emitterstromdichten richtig gewählt waren. Der so entstandene vierte Zweig, der für den Transistor T3 gilt und den Linienzug schließt, ist V-mal so lang, wie dei- zweite Zweig. Der Faktor V entspricht dem Verhältnis R4/R3 aus dem Emitterwiderstand R4 zu dem Kollektorwiderstand R3 des Transistors T3. Für den Schnittpunkt zwischen drittem und viertem Zweig gilt dann
U1 - Uv = ^ubE3^#r3 ^{= 172}° ^mV

^mV/K

In den meisten Fällen wird der ursprüngliche Ansatz noch nicht zum Erfolg führen. Es müssen dann andere Emitterstromdichten zugrundegelegt werder, wobei auch - entgegen dem Ausführungsbeispiel - die Emitterstromdichten der Transistoren T11 bis T1n und T3 verschieden gewählt werden können.

3 Figuren '

2 Patentansprüche

VPA 9/210/3053 -8-

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Claims

2U1745 -8-Patentansprüche

1. Temperatur- und versorgungsspannungsunabhängige Stromquelle mit mindestens einem Transistor, dessen Kollektor über einen Konstantstromverbraucher an dem kollektorseitigen Pol der Versorgungsspannungsquelle liegt und dessen Emitter über einen Emitterwiderstand mit dem emitterseitigen Pol der Versorgungsspannungsquelle verbunden ist, d a d u r c Ii gekennzeichnet, daß die Basis des genannten Transistors (T11) bzw. die Basen entsprechender Transistoren (T11 bis T1n) mit dem Emitter eines als Emitterfolger geschalteten Transistors (T2) verbunden ist bzw. sind, daß die Basis des als Emitterfolger geschalteten Transistors an den Kollektor eines weiteren, mit einem Kollektorwiderstand (R3) und einem Emitterwiderstand (R4) versehenen Transistor (T3) angeschlossen ist, dessen Basis an dem Verbindungspunkt von zwei Widerständen (R5, R6) liegt, die einen Spannungsteiler zwischen den beiden Polen (Uo, Uv) der Versorgungsspannungsquelle bilden, daß das Verhältnis aus dem Werf des am emitterseitigen Pol anliegenden Spannungsteilerwiderstands (R6) und dem Gesamtwert des Spannungsteilers (R5 + Ro) wenigstens annähernd gleich ist dem Verhältnis aus dem Kollektorwiderstand (R3) und dem Emitterwiderstand (R4) des weiteren Transistors (T3) und daß die Emitterstromdichte im Emitterfolgertransistor (T2) wesentlich geringer als in den anderen Transistoren (T11 - T1n, T3) gewähl+ ist;.

2. Stromquelle nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Emitterstromdichten durch unterschiedliche Bemessung der Emitterflächen bewirkt sind.

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-S.

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