DE2447517C3

DE2447517C3 - Schaltungsanordnung zur Stromteilung

Info

Publication number: DE2447517C3
Application number: DE2447517A
Authority: DE
Inventors: Arthur John Flemington N.J. Leidich (V.St.A.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1973-10-05
Filing date: 1974-10-04
Publication date: 1979-04-12
Also published as: CA1018616A; JPS5066139A; GB1477224A; DE2447517A1; FR2247006B1; FR2247006A1; US3914684A; DE2447517B2; USB403990I5; JPS5412305B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Schaltungsancrdnun-

gen zur Stromteilung gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Eine Schaltungsanordnung dieser Art ist aus der US-PS 36 89 752, insbesondere F i g. 3, bekannt Bei der bekannten Schaltungsanordnung ist zusätzlich eine dritte Gleichstromversorgung vorgesehen, die parallel zu dem bzw. den in Reihe geschalteten zweiten Halbleiterübergängen liegt und diese mit einem Strom in Durchlaßrichtung -.Orspannt, der komplementär zu dem Strom der zweiten Gleichstromversorgung ist Auf diese Weise erhält man für die zu teilenden Ströme ein temperaturunabhängiges Verhältnis, das gleich dem variierbaren Verhältnis der Ströme der zweiten und dritten Gleichstromversorgungen ist Die bekannte Schaltungsanordnung kann z.B. als analoge Vierqua-

J5 dranten-Multipliziersehaltung verwendet werden. Diese Schaltung erzeugt jedoch keine Ströme, deren Teilverhältnis umgekehrt proportional zu einer Potenz der Emitterverstärkung eines Transistors ist, wie dies in manchen Fällen notwendig sein kann.

Ausgehend von der US-PS 36 £9 752 liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Stromteilung zu schaffen, deren Ausgangsstrom proportional einem Eingangsstrom geteilt durch eine Potenz der Verstärkung h,_c eines Transistors in Emitterschaltung (Emitterverstärkung) ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise erläutert Es zeigt F i g. 1 teilweise in Blockform das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Stromteilerschaltung zur Erzeugung von Strömen, deren Beziehung einem Faktor von im wesentlichen l/A/_e entspricht

Fig.2 teilweise in Blockform das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Stromteilerschaltung zur Erzeu gung von Strömen, deren Beziehung einem Faktor von im wesentlichen Ι/Λ/*" entspricht, wobei η eine ganze Zahl größer als list,

F i g. 3 und 4 Schaltbilder bevorzugter Ausführungsformen von Stromschalterteilungen des in F i g. 1 allgemein dargestellten Typs.

In der Schaltung nach Fig. 1 befinden sich zwei Transistoren 10! und 102, deren Basiselektroden über die Basis-Emitter-Übergänge zweier weiterer Transi-

stören 103 und 104 mit einem Schaltungspunkt 105 verbunden sind. Eine Gleichstromversorgung 107 zieht einen Strom k aus dem gemeinsamen Anschluß 106 der zusammengekoppelten Emitter der beiden Transistoren 101 und 102. Diese Transistoren 101 und 102 ziehen Kollektorströme /cioi und laca über Stromverbraucher 108 und 109 aus der Stromversorgung 107. Eine weitere Gleichstromversorgung 110 dient dazu, den Basis-Emitter-Obergang des Transistors ίΟ3 in Durchlaßrichtung vorzuspannen.

Jeder der Transistoren 101,102,103 und 104 gehorcht der nachstehenden bekannten Transistorgleichung

Vorwärtsstromverstärkung in Emitterschaltung h/_e zueinander in folgender Beziehung:

//. = [h_tt + Dh =

life + I

h =

n_fe

Aus Fig. I:

^kT

In

(D

/no* =

Darin ist

Vbe die Basis-Emitter-Spannung des Transistors,

k die Boltzmann-Konstante,

T die absolute Temperatur,

q die Ladung eines Elektrons,

Ic der KollektorstFom des Transistors,

/5 der Sättigungsstrom des Transistors.

Elektrische Größen, die sich auf einen bestimmten Transistor beziehen, sind in der nachstehenden Beschreibung mit einer Indexzahl versehen, die der Bezugszahl des entsprechenden Transistors in der Zeichnung entspricht Für die Transistoren 101,102,103 und 104 sei angenommen, daß sie dasselbe Diffusionsprofil haben und daß ihre effektiven Basis-Emitter-Übergangsflächen im Verhältnis a:b:c:d zueinander stehen und daß sie auf gleicher Temperatur Γ gehalten sind. Diese Bedingungen können speziell in monolithischen integrierten Halbleiterschaltungen in guter Näherung eingehalten werden. In einem solchen Fall ist 7*ioi =· 7Ίο2 >= Tt(a = Tm = T und a/5101 = Msiw =

VetAOi = VbH102 + VatAO* · (2)

'ϋ- + In ^⁸I- = In ^

In

'(IM
d

13)

Durch Einsitzen der Ausdrücke aus den Gleichungen (5) und (4) in die Gleichung (6) „riiält man

In der Anordnung nach Fig. 1 liegen die Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren 101 und 103 dem Stromweg Ober die Basis-Emitter-Öoergänge der Transistoren 102 und 104 parallel.

Es gilt somit

"fel

no* —

«rl 02

'Γ102

Die Substitution der Gleichung (7) in die Gleichung (3) ergibt

Wenn man die Gleichung (1) in die Gleichung (2) einsetzt und vereinfacht, dann erhält man

In jedem Transistor stehen der Basisstrom Ib, der Emitterstrom l& der Ko'taktorstrom l_c und die In _

1 = In

in

In

Ia 03

"/1-104

"feiai

Die Bildung des Numerus der beiden Seiten dieser Gleichung führt zur Gleichung

ac

/(102

"/c 104

/l/rlO4

¹CIOJ

Fftr einen weiten Bereich von Stromdichten im Basis·Emitter-Übergang gilt

AfclOI

hfe\0S

wenn die Transistoren 101, 102, 103 und 104 gleiches Diffusionsprofil habea

Die Stromversorgungen 107 und 110 liefern unabhängig voneinander gewählte Stromstärken, wobei der von der Versorgung 110 gelieferte Strom notwendigerweise hoch genug ist, damit Basisströme fließen, welche die von der Stromversorgung 107 geforderten Emitterströrre der Transistoren 101 und 102 stützen. Zur Erleichterung einer Analyse der Schaltung sei das

Verhältnis des von der Stromversorgung 110 gelieferten Stroms zu dem von der Stromversorgung 107 gelieferten Strom /omit mbezeichnet Wenn der von der Stromversorgung UO gelieferte Strom m ■ k wesent lich, z. B. hundertmal, größer ist als der durch den Strombedarf k der Stromversorgung 107 angeforderte Betrag von /βίοι + /βίο«, dann fließt der von der Stromversorgung HO gelieferte Strom hauptsächlich über den selbstvorgespannten, d. h. als Diode geschaltefolgende Gleichung (10) gilt:

ml„ = /,.

+ I

(10)

Wenn man die Gleichung (10) in die Gleichung (9 einsetzt und dann davon ausgeht daß alle A^Werti

ten Transistor 103, so daß in sehr guter Näherung ι ο gleich Absind, kommt man zu folgender Gleichung (Π);

I Λ/,104 /(ΊΙΙ

h_fl._u,2 Ί/Ί-1Ο4 + I

ac I /..,.,

bdm hf,. /ti

(Il

Der Quotient

/n

Gleichung ist in ähnlicher Weise wie zuvor die Gleichung (2) abgeleitet

+ ■■■ +

muß natürlich stets zumindest etwas kleiner als 1 sein. Dann ist wenn m ■ b ■ d ■ hf_C groß gegenüber a ■ c ist (was dem üblichen Fall entspricht), der Transistor 102 wesentlich mehr leitend als der Transistor 101, und praktisch der gesamte Strom k kommt dann als Emitterstrom Imm vom Transistor 102. Der Strom der gleich

= I

Hl 1"2

I'Bl. 204- I +

hfe\ttll{hfe\ai+ 1)

ist wird dann annähernd gleich I₀ sein. Somit kann für diese Bedingungen die vorstehende Gleichung (11) in guter Näherung auf die nachfolgende Form reduziert werden:

ac

'rl η?

45

bdm h_fc

ac I_n bdm h_fc

(12)

Das heißt /cioi ist im wesentlichen proportional zu I₀ geteilt durch

Die F i g. 2 zeigt eine Abwandlung der in F i

Pig.«

dargestellten Schaltung, wo der als Diode geschaltete Transistor 103 durch eine Reihenschaltung 203 aus π als Diode geschalteten Transistoren ersetzt ist deren erster mit 203-1 und deren letzter mit 203-n bezeichnet ist Der Transistor 104 ist durch eine Anordnung 204 ersetzt in welcher der Basis-Emitter-Obergang eines einzelnen Transistors 204-1 in Reihe mit π—ί als Dioden geschalteten Transistoren liegt deren letzter mit 204-n bezeichnet ist.

Die in der Schaltung nach Fig.2 erscheinenden Spannungen haben zueinander die mit der nachfolgenden Gleichung (13) ausgedrückte Beziehung. Diese

65

'Kl 204- „ ·

(13)

Es sei angenommen, daß die Transistoren 203-1 .. 203-π in ihrem Aufbau und in ihren Kennlinien im wesentlichen einander und dem durch sie ersetzter Transistor 103 gleich sind. Die Transistoren 204-1 .. 204-π seien ebenfalls in ihrem Aufbau und in ihren Kennlinien einander und dem durch sie ersetzten Transistor 103 im wesentlichen gleich. Unter dieser Voraussetzung läßt sich die Gleichung (13) folgendermaßen vereinfachen:

+ " ^Hf. 104 · ||4)

Durch ähnliche Schritte, wie sie bei den Gleichungen (3) bis (12) durchgeführt wurden, erhält man die nachstehende Gleichung (15):

md

h_fc

Wenn n= 1 ist dann vereinfacht sich die Gleichung (15) auf die Gleichung (12).

Die Ströme /ao< und /ate können den Eingangskreisen zweier Stromverstärker zugeführt werden, deren Stromverstärkungen zueinander in einem festen Verhältnis stehen. Die Ausgangskreise dieser beiden Verstä; <:er liefern dann Ausgangsströme im Verhältnis 1 : hfc", = dann dazu verwendet werden können, die »Basis« und den »Kollektor« eines »Transistors« vorzuspannen, wie es in der nicht vorveröffentlichten US-PS 38 78 471 geschrieben ist Wenn π größer ist als 1, dann handelt es sich bei dem besagten »Transiistor«

um eine Transistorkombination in Form einer Darlingtonschaltung aus einfachen Transistoren,

Während im Fall der Fig. 1 der Transistor 104 so geschaltet ist, daß er Kollektorstrom von der Stromversorgung 107 empfängt, kann der Transistor 104 jedoch auch so geschaltet sein, daß er statt dessen Strom von der Stromversorgung 110 empfängt. Diese Alternative ist in F i g. 3 dargestellt. (In ähnlicher Weise kann auch der Transistor 204-1 in F i g. 2 so geschaltet sein, daß er Kollektorstrom von der Stromversorgung 110 statt von der Stromversorgung 107 empfängt.) Mit dieser Verbindungsart der Kollektorelektrode bleibt die Proportionierung der Ströme /002 und /noi praktisch unverändert.

Die Fig. 3 zeigt auch spezielle Schaltungsmaßnahmen zur Lieferung der Ströme m/₀ und I₀- Der Strom m/₀ wird nach dem Ohmschen Gesetz bestimmt durch die Spannung am Widerstand 302 geteilt durch dessen widerstandswert Rm:

' /I/ IMJ "~ I III JOJ
KjM,

Hierin ist

E₃₀, die von der Batterie 301 gelieferte Spannung,

Vflinoj die Basis-Emitter-Offsetspannung des Transistors 103,

Vi>t3O3 die Basis-Emitter-Offsetspannung des Transistors 303,

V_B£J04 die Basis-Emitter-Offsetspannung des Transistors 304.

m/o vorgespannt sind, läßt sich für die an der Klemme 106 erscheinende Spannung Em folgende Gleichung schreiben:

Für Siliziumtransistoren sind die Spannungen
VflQ03 und Vbem* jeweils etwa gleich 650 Millivolt. Der Strom /o fließt im Kollektorkreis des Transistors 107, dessen effektive Basis-Emitter-Übergangsfläche l//n-mal so groß wie diejenige des Transistors 304. Die in F i g. 3 neben den Emittern der Transistoren 107' und 304 in einem kleinen Kreis eingetragenen Größen geben die relativen Größen der Basis-Emitter-Übergangsflächen dieser Transistoren an. Die Kollektorströme /<noi und /cio2 der Transistoren 101 und 102 werden aus den Eingangskreisen von Stromverstärkern 305 und 306 gezogen. Diese Stromverstärker 305 und 306 sind von bekannter Bauart.

Die Ausgangskreise der Stromverstärker 305 und 306 speisen jeweils einen Stromverbraucher 307 bzw. 308. In einem Fall von besonderer Bedeutung haben die Verstärker 305 und 306 gleiche Stromverstärkungsfaktoren und bestehen die Stromverbraucher 307 und 308 aus dem Basiskreis bzw. dem Kollektorkreis eines Verstärkertransistors, dessen Stromverstärkung in Emitterschaltung hr_e gleich derjenigen des Transistors 102 ist

In der Schaltungsanordnung nach Fig.4 bestimmt der Widerstandswert Λοι eines Widerstands 401 den Wert des Stroms Z₀, der aus dem Verbindungspunkt 106 der Emitter der beiden Transistoren 101 und 102 gezogen wird. Unter der Voraussetzung, daß die als Dioden geschalteten Transistoren 303 und 304 in herkömmlicher Weise durch einen größeren Teil von t-Wh _ l/liJI>4 + I HI. JIU ~~ ^ III. Uli K₄(II KlOl

(171

ο Da Vbf. für ein Silizium-Bauelement über einen weiten Bereich von Strömen annähernd 650 Millivolt beträgt, ist der Strom h näherungsweise gleich 650 Millivolt geteilt durch Ä401. Der Stromverstärkungsfaktor G der Stromverstärker 305 und 306 wird, was den über den

> Widerstand 402 gelieferten Strom angeht, im wesentlichen gleich — m gemacht. Die Stromverstärker 305 und 306 liefern gemeinsam den kombinierten Kollektor- und Basisstrom m/o des Transistors 103 und den viel kleineren kombinierten Kuiiekiui- und SäiiSsiiOin ucS

>u Transistors 104.

Die Stromverbraucher 307 und 308 erhalten Eingangsströme von den Kollektoren der Transistoren 403 und 404. Da der Transistor 403 die gleiche Basis-Emitter-Offsetspannung (Vbe) wie der Transistor 309 hat,

r. dessen Kollektor den Strom /noi liefert, hat der Kollektorstrom /«03 des Transistors 403 ein bestimmtes Verhältnis zum Strom /002- Falls die Transistoren 309 und 403 völlig gleich ausgebildet sind, ist /ptoj gleich /cio2. Wenn andererseits die Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren 309 und 403 zwar gleiche Diffusionsprofile, jedoch unterschiedliche effektive Übergangsflächen haben, die im Verhältnis 1 : G zueinanderstehen, dann ist laoi G-mal so groß wie lao\- Durch ähnliche Maßnahmen wird der Kollektorstrom /«« des Transistors 404 in ein bestimmtes Verhältnis zum Strom /cio2 gesetzt.

In der Schaltung nach F i g. 4 ist ein Feldeffekttransistor 405 mit automatischer Vorspannung vorgesehen, der einen kleinen Strom (10-50 Mikroampere) liefert,

•to um die Leitfähigkeit im Eingangskreis des Stromverstärkere 306 auszulösen. Dies führt dazu, daß der Ausgangskreis des Stromverstärkers 306 einen Strom in Durchlaßrichtung an die als Dioden geschalteten Transistoren 103,303 und 304 liefert. Dies ist notwendig, um die Basis-Emitter-Obergangsflächen der Transistoren 104,102 und 101 in Durchlaßrichtung vorzuspannen. Diese Vorspannung führt zu einer Spannung Ei₀₆, um den Strom /0 fließen zu lassen. Der Widerstand 402 dient zur Begrenzung des Stroms m/o bei Einschwingvorgän-

gen.

Der in den Patentansprüchen verwendete Ausdruck »Halbleiterübergang« ist sehr allgemein zu verstehen, er umfaßt neben einem einfachen PN-Übergang auch den Basis-Emitter-Übergang eines als Emitterfolger

--.=. geschalteten Transistors oder einen als Diode geschalteten Transistor, z. B. einen Transistor, dessen Basis und Kollektor miteinander gekoppelt sind. Einfache PN-Übergänge können den Transistor 103 und den Emitterfolger 104 in Fig. 1 ersetzen; in Fig 2 können

bo sie die Transistoren in der Anordnung 203 und den Emitterfolger 204-1 sowie die übrigen Transistoren in der Anordnung 204 ersetzen, und in den F i g- 3 und 4 können sie die Transistoren 103, 104, 303 und 304 ersetzen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

909 615/292

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Stromteilung mit einem ersten und einem zweiten Flächentransistor vom gleichen Leitfähigkeitstyp, deren Emitter zusammengeschaltet und von einer ersten Gleichstromversorgung mit dem zu teilenden Strom beaufschlagt sind und deren Kollektorströme die beiden Teilströme darstellen, wobei der Teilstrom des zweiten Transistors groß gegen den Teilstrom des ersten Transistors ist, mit einem oder mehreren in Reihe geschalteten ersten Halbleiterübergängen, die die Basis des ersten Transistors mit einem ersten Schaltungspunkt verbinden und gleichsinnig mit dem Basis-Emitter-Übergang des ersten Transistors gepolt sind, mit einem oder mehreren in Reihe geschalteten zweiten Halbleiterübergängen, deren Anzahl gleich der Anzahl der ersten Halbleiterübergänge ist und die die Basis des zweiten Transistors ebenfalls mit dem ersten Schaltungspunkt verbinden und gleichsinnig mit dem Basis-Emitter-Obergang des zweiten Transistors gepolt sind, mit einer zweiten Gleichstromversorgung parallel zu dem bzw. den in Reihe geschalteten ersten Halbleiter-Übergängen, die diese mit einem Strom in Durchlaßrichtung vorspannt, der groß gegen den Basisstrom des ersten Transistors und deren mit dem ersten Schaltungspunkt verbundener Anschluß in bezug auf die erste Gleichstromversorgung ein Potential aufweist, das die Basis-Emitter-Obergänge des ersten und zweiten Transistors über den bzw. die mit diesen in Reihe liegenden Halbleiterübergänge in Durchlaßrichtung vorspannt, w-t/bei die vorgenannten Transistoren und Halbleiterübergänge im wesentlichen die gleiche Tempe stur haben, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisstrom des zweiten Transistors (102) der einzige Strom ist, der den bzw. die in Reihe geschalteten zweiten Halbleiterübergänge (Basis-Emitter-Obergang des Transistors 104 bzw. Basis-Emiiter-Übergänge der Reihenschaltung (204) durchfließt, daß der von der zweiten Gleichstromversorgung (110) an den ersten bzw. die in Reihe geschalteten ersten Halbleiterübergänge (Basis-Emitter-Übergänge des Transistors 103 bzw. Basis-Emitter-Übergänge der Reihenschaltung 203) gelieferte Strom (m/o) und der Strom (k) der ersten Gleichstromversorgung (107) in einem festen Verhältnis zueinander stehen und daß die Anzahl AAder ersten und die Anzahl AAder zweiten Halbleiterübergänge entsprechend der gewünschten Abhängigkeit des Stromteilungsverhältnisses von der Emitterstromverstärkung des zweiten Transistors gewählt ist, wobei das Verhältnis des Kollektorstromes des zweiten Transistors (102) zu dem Kollektorstrom des ersten Transistors (101) im wesentlichen proportional der AAten Potenz der Emitterstromverstärkung des zweiten Transistors mit A/gleich einer positiven ganzen Zahl größer als Null ist

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Halbleiterübergänge (103, 104 bzw. 203, 204) durch einen Transistor gebildet ist, dessen Kollektor mit seiner Basis verbunden ist

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der zweite Halbleiterübcrgang bzw. einer der zweiten Halbleiterübergänge der

Emitter-Basis-Übergang eines Transistors (104, 204-1) ist, dessen Basis mit dem ersten Schaltungspunkt (105) verbunden und dessen Kollektor für normalen Transistorbetrieb vorgespannt ist (Fi g. 1, 2).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der anderen ersten und zweiten Halbleiterübergänge durch einen Transistor gebildet ist, dessen Kollektor mit semer Basis verbunden ist