DE2522437C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Temperaturmeßwertwandler mit mehreren in einer monolithischen Schaltung integrierten Transistoren.

Elektrische Temperaturfühler, wie sie bislang zur Verfügung stehen, sind entweder überhaupt nicht oder nur unter Schwierigkeiten in einen monolithischen Schaltungsbaustein einbeziehbar, der geeignete Stromversorgungs- und Ausgangsverstärkerschaltungen aufweist, wie es zur Ausbildung eines als bauliche Einheit gestalteten Temperaturmeßwertwandlers erforderlich ist. Das Vorhandensein eines Bedarfs nach einem solchen Meßwertwandler ist leicht einzusehen, wenn Vergleiche mit bereits vorhandenen Temperaturmeß- und -regeleinrichtungen angestellt werden. Ein solcher Meßwertwandler darf keinen Leitungsanschluß zu entfernt gelegenen Stellen zwecks Versorgung mit einer stabilisierten Spannung, oder zur Verstärkung, zur Skaleneichung oder zur Durchführung anderer Maßnahmen am Ausgangssignal, damit dieses zur Messung oder Regelung verwendet werden kann, erfordern. Außerdem soll die Verlustleistung in einem solchen Meßwertwandler nach Möglichkeit sehr viel niedriger sein als bei vergleichbaren Einrichtungen mit Temperaturmeßfühlern wie sie bislang zur Verfügung stehen.

Die heute verfügbaren Temperaturmeßfühler sind nicht ohne weiteres für brauchbare Meß- und Regeleinrichtungen verwendbar. Thermoelemente haben verhältnismäßig niedrige Ausgangssignale, die schwierig auf stabile Weise zu verstärken sind. Außerdem erfordern Thermoelemente eine Kompensation an ihrer nicht erwärmten Übergangsstelle. Meßwertfühler mit Widerständen oder Thermistoren arbeiten nicht linear, sondern sind von der angelegten Speisung abhängig. Der Hauptnachteil solcher Meßfühler besteht jedoch darin, daß ihre Ausgangsspannungen oder -ströme nicht mit den Werten einer bekannten Temperaturskala eichbar sind.

Ein bereits bekannter, der eingangs genannten Gattung entsprechender Wandler (US-PS 38 09 929) weist eine Fühlereinrichtung mit Schalterwirkung und temperaturabhängigem Übergang auf, die einen Logikausgang hervorbringt. Das Ausgangssignal dieser Anordnung ist nicht der Temperatur direkt proportional.

Bei einem anderen, bereits bekannten Temperaturmeßwertwandler (US-PS 34 21 375) ist eine mit Wechselstrom erregte Brückenschaltung vorgesehen, bei der die Basis/Emitter-Spannung eines leitenden Transistors oder die Spannung am Übergang einer Diode als Temperaturfühler benutzt wird. Auch diese Anordnung ist nicht mit den Werten einer bekannten Temperaturskala eichbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Temperaturmeßwertwandler der eingangs genannten Gattung mit möglichst einfachen Mitteln so auszubilden, daß sein Ausgangssignal mit besonders hoher Genauigkeit und besonders großer Empfindlichkeit der zu messenden Temperatur proportional und direkt in Werten einer bekannten Temperaturskala eichbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Meßwertwandler zwei mit verschiedenen Stromdichten arbeitende Transistoren, mindestens eine das Verhältnis der Stromdichten dieser Transistoren bei Temperaturänderungen auf einem von 1 verschiedenen Wert konstant haltende Stromumkehrschaltung und eine die Differenz der Basis/Emitter-Spannungen dieser Transistoren als Maß für die Temperatur erfassende Differentialverstärkerschaltung aufweist.

Möglichkeiten zur vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 5 angegeben.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Schaltschema eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Temperaturmeßwertwandlers als Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 und 3 Schaltbilder zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung, und

Fig. 4 ein Schaltbild des in Fig. 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Schaltungsanordnung eines Temperaturmeßwertwandlers gemäß der Erfindung weist zwei Anschlüsse 10 und 12 auf, die mit dem positiven bzw. negativen Pol einer (nicht dargestellten) Stromversorgungseinrichtung verbunden sind. Ein Ausgangssignal, das sich bei Schwankungen der Temperatur proportional zu dieser ändert, wird am Anschluß 14 abgegeben. Ein Spannungsregler 16 ist parallel zu der Versorgungsspannung angeordnet. Er dient dazu, die Betriebsspannung zu stabilisieren und eine Bezugsspannung zu liefern, die an den äußeren Anschlüssen 10 und 12 zur Verfügung steht.

Ein Temperaturmeßfühler 18 ist parallel zu dem Spannungsregler angeordnet. Ein Ausgang des Temperaturmeßfühlers 18 ist mit einem Eingangsanschluß eines Differentialverstärkers 20 verbunden, dessen anderer Eingang an einen Anschluß 22 geführt ist. Ein Ausgang des Differentialverstärkers 20 liegt an der Basis eines Transistors 24, dessen Emitter an den Stromversorgungsanschluß 12 angeschlossen und dessen Kollektor mit einem Anschluß 14 verbunden ist. Die positive Versorgungsspannung an dem Anschluß 10 ist über eine Diode 26 und einen Widerstand 28 an den Kollektor des Transistors 24 gelegt.

Wenn der in Fig. 1 dargestellte Temperaturmeßfühler 18 ein Ausgangssignal liefern kann, das sich direkt proportional mit den Änderungen der Temperatur ändert und direkt in Werten einer bekannten Temperaturskala geeicht werden kann, kann der Meßwertwandler entweder als Proportionalregler oder als Zweipunktregler (on/ off controller) eingesetzt werden. Ist beispielsweise der Anschluß 14 mit dem Anschluß 22 verbunden, so bilden der Differentialverstärker 20 und der Ausgangskreis einschließlich des Transistors 24 einen Operationsverstärker. Das zwischen den Anschlüssen 10 und 14 abnehmbare Ausgangssignal ist dann direkt der Temperatur proportional. Eine solche Schaltung bildet ein Thermometer oder einen Proportional- Temperaturregler. Wird dagegen eine Bezugsspannung an den Anschluß 22 gelegt, so wird ein Ausgangssignal immer dann an dem Anschluß 14 abgegeben, wenn die Ausgangsspannung des Temperaturmeßwertwandlers niedriger als diese Bezugsspannung ist. Eine solche Schaltung bildet einen Zweipunktregler.

Wie schon erwähnt, liefern die gegenwärtig bekannten Temperaturmeßfühler kein Ausgangssignal, das in direktem Zusammenhang mit einer bekannten Temperaturskala steht. In einer monolithischen integrierten Schaltung sind fast alle Schaltungselemente temperaturempfindlich. Wahrscheinlich ist der am meisten verwendete temperaturabhängige Parameter die Basis/ Emitter-Spannung eines NPN-Transistors. Zur Erläuterung wird auf den Artikel "Silicon Transistor Biasing For Linear Collector Current Temperature Dependence" von J. S. Brugler im "IEEE Journal of Solid State Circuits, Seiten 57-58, Juni 1957, verwiesen. Der temperaturempfindliche Wert der Basis/ Emitter-Spannung eines NPN-Transistors ist aber zur Verwendung bei einem geeichten Meßfühler nicht ohne weiteres geeignet. Der Wert der Basis/Emitter-Spannung ändert sich mit den Parametern bei der Bearbeitung und kann im Streubereich der Herstellung eines Transistors um +100 mV schwanken. Auch ist die Basis/Emitter-Spannung zu keiner Temperaturskala direkt proportional, weil der Transistor einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, was zur Folge hat, daß die Basis/Emitter-Spannung mit steigender Temperatur absinkt. Es wurde gefunden, daß die Differenz der Basis/Emitter-Spannung mit verschiedenen Stromdichten arbeitender Transistoren einen wesentlich praktischeren und sinnvolleren Parameter darstellt.

Fig. 2 zeigt eine Schaltung mit zwei Transistoren 30, 32, die mit Widerständen 34 bzw. 36 in Reihe geschaltet und zwischen einer Spannungsquelle +V und dem Massepotential angeordnet sind. Der Kollektor eines jeden dieser Transistoren 30, 32 ist mit seiner eigenen Basis und einem entsprechenden Eingang eines Differentialverstärkers 38 verbunden.

Wenn die Transistoren 30, 32 aneinander angepaßt sind und gleiche Emitterflächen aufweisen, und wenn die Widerstände 34, 36 gleiche Werte haben, wird auch bei Temperaturänderungen kein Ausgangssignal von dem Differentialverstärker 38 abgegeben. Wenn jedoch die Stromdichte in einem der Transistoren 30, 32 verschieden von der Stromdichte in dem anderen Transistor ist und das Verhältnis des Kollektorstroms des einen Transistors zu dem Kollektorstrom des anderen Transistors bei Temperaturänderungen konstant bleibt, liefert der Differentialverstärker 38 eine Ausgangsspannung, die der absoluten Temperatur direkt in Grad Kelvin (°K) proportional ist. Unterschiedliche Stromdichten sind dadurch erreichbar, daß bei gleichen Emitterflächen der beiden Transistoren 30, 32 die Kollektorströme verschieden groß gemacht werden, daß die Kollektorströme gleich groß und die Emitterflächen der beiden Transistoren verschieden groß gemacht werden, oder daß diese beiden Möglichkeiten miteinander kombiniert werden. Jeder der Transistoren 30, 32 weist einen negativen Temperaturkoeffizienten auf. Wenn die beiden Transistoren 30, 32 bei verschiedenen Stromdichten betrieben werden, sind die Temperaturkoeffizienten der beiden Transistoren verschieden groß. Der Differentialverstärker 38 liefert ein Ausgangssignal, das dem Unterschied zwischen diesen beiden Temperaturkoeffizienten entspricht. Genauer gesagt liefert der Differentialverstärker 38 ein Ausgangssignal, das der Differenz der Basis/Emitter-Spannungen der Transistoren 30, 32 entspricht. Diese Differenz beträgt:

Hierin ist k die Boltzmannsche Konstante, T die absolute Temperatur in (°K), q die Elementarladung. I _{c 1} und I _{c 2} sind die Kollektorströme bzw. Emitterstromdichten der Transistoren 30 bzw. 32.

Allerdings ist die in Fig. 2 dargestellte Schaltung nur dazu vorgesehen, das Prinzip der Erfindung, zumindest partiell, zu erläutern. Die Eingänge zum Differentialverstärker 38 "schwimmen" beispielsweise und können nicht ohne weiteres in Bezug auf eine Bezugsspannung gesteuert werden. Außerdem kann die in Fig. 2 dargestellte Schaltung nicht ohne weiteres als integrierte Schaltung ausgebildet werden, die einen genau bestimmten Verstärkungswert liefert, weil jede in einer solchen vorhandene Rückkopplungsmöglichkeit dazu neigt, die Kollektorströme der Transistoren 30 und 32 zu verändern. Aus der obigen Gleichung (1) ist zu erkennen, daß eine derartige Veränderung oder Beeinflussung der Kollektorströme die Fähigkeit der Schaltung zur Temperaturermittlung zunichte machen würde.

Auch die in Fig. 3 dargestellte Schaltung dient zur Veranschaulichung des Grundprinzips der Erfindung. Wie in Fig. 3 dargestellt, ist eine Stromquelle 40 über einen Transistor 42 mit dem Massepotential verbunden, ebenso mit der Basis der Transistors 42 und der Basis des Transistors 44. Der Kollektor des Transistors 44 ist über einen Widerstand 46 an eine Spannungsquelle +V angeschlossen. Der Emitter des Transistors 44 ist über einen Widerstand 48 mit Masse verbunden. Eine Ausgangsspannung wird am Widerstand 46 zwischen den Anschlüssen 50 und 52 abgegeben.

Wenn die Transistoren 42 und 44 aneinander angepaßt sind und mit verschiedenen Stromdichten betrieben werden, so erscheint die Differenz ihrer Basis/ Emitter-Spannungen an dem Widerstand 48. Diese Spannungsdifferenz ist in der obigen Gleichung (1) zum Ausdruck gebracht, wobei I _{c 1} und I _{c 2} die Kollektorströme oder Stromdichten der Transistoren 42 bzw. 44 sind. Es gilt:

Δ V _be = V _{be 1} - V _{be 2} = i _{c 2} R₄₈, (2)

wobei i _{c 2} der Kollektorstrom des Transistors 44 ist. Somit folgt:

Aus diesen Gleichungen ist zu erkennen, daß der Kollektorstrom i _{c 2} des Transistors 44 der absoluten Temperatur proportional ist und sich linear ändert, wenn das Verhältnis der Stromdichten der Transistoren 42 und 44 konstnat bleibt und von 1 verschieden ist. Durch entsprechende Festlegung des Widerstandes 46 wird es möglich, daß die Ausgangsspannung zwischen den Anschlüssen 50 und 52 direkt in (°K) geeicht werden kann.

Leider bleibt das Verhältnis der Kollektorströme oder der Stromdichten bei der in Fig. 3 dargestellten Schaltung bei Temperaturänderungen praktisch nicht konstant, weil der Kollektorstrom des Transistors 42 durch die Stromquelle 40 festgelegt ist. Wenn das Verhältnis der Stromdichten der Transistoren 42 und 44 bei Temperaturänderungen nicht konstant bleibt, wird die an den Anschlüssen 50 und 52 abgenommene Ausgangsspannung nicht direkt der Temperatur proportional sein. Aus Gleichung (3) kann entnommen werden, daß, obgleich sich die Basis/ Emitter-Spannungen der Transistoren 42 und 44 bei Änderungen der Temperatur verändern, der Strom durch den Widerstand 46 und somit die Spannung zwischen den Anschlüssen 50 und 52 nicht der Temperatur direkt proportional ist. Wenn jedoch dafür gesorgt werden kann, daß der von der Stromquelle gelieferte Strom sich bei Temperaturschwankungen direkt proportional zu diesen ändert, so ist, wie aus der Gleichung (3) hervorgeht, auch die an den Anschlüssen 50 und 52 abgenommene Ausgangsspannung der Temperatur direkt proportional.

Der in Fig. 4 veranschaulichte erfindungsgemäße Temperaturmeßwertwandler überwindet die geschilderten Schwierigkeiten. Durch den in Fig. 4 gezeigten Spannungsregler 16 wird eine verhältnismäßig stabile und geregelte Versorgungsspannung bereitgestellt. Eine zwischen den Anschlüssen 10 und 12 für die Versorgungsspannung in Reihe mit einem Widerstand 56 geschaltete Zenerdiode 54 hat ihren Zenereffekt (Lawinendurchbruch) bei einer vorbestimmten Spannung wie beispielsweise 6,2 V. Ohne zusätzliche Schaltmittel hat die an dem Meßfühler 18 liegende Spannung beim Eintreten des Zenereffekts einen Wert, der durch die Zenerdiode 54 bestimmt ist, und hängt von dem durch die Zenerdiode 54 fließenden Strom ab. Um die Abhängigkeit von der Spannung zu verringern, die von der Zenerdiode 54 gehalten werden kann, ist deren Anode über einen Widerstand 58 mit der Basis eines Transistors 60 verbunden, dessen Emitter an den Anschluß12 angeschlossen ist. Wenn die Spannung zwischen den Anschlüssen 10 und 12 die Durchbruchsspannung der Zenerdiode 54 und die Basis/Emitter-Spannung des Transistors 60 überschreitet, fließt ein Strom zu der Basis des Transistors 60; dies hat einen Stromfluß durch letzteren zur Folge, der gleich dem Produkt aus dem Basisstrom und der Stromverstärkung β des Transistors ist. Demgemäß steigt der Strom durch den Spannungsregler 16 bei zunehmender Spannung an den Anschlüssen 10 und 12 um einen Betrag an, der beträchtlich größer ist als derjenige, der ohne den Transistor 60 erreicht worden wäre. Die Stromzunahme, die sich durch die Einwirkung des Transistors 60 ergibt, verringert die dynamische Impedanz oder den Innenwiderstand des Spannungsreglers 16 und hält dadurch eine besser geregelte und stabilere Spannung an seinen Anschlüssen aufrecht.

Der Kollektor des Transistors 60 ist mit dem Kollektor eines Transistors 61 und der Basis eines weiteren Transistors 62 verbunden. Somit wird der Kollektorstrom des Transistors 62 durch den Kollektorstrom des Transistors 60 gesteuert. Als Folge davon wird der durch den Spannungsregler 16 fließende Strom mindestens gleich dem Produkt aus dem Basisstrom des Transistors 60, dem Stromverstärkungsfaktor β des Transistors 60 und dem Stromverstärkungsfaktor β des Transistors 62. Der Kollektor des Transistors 62 ist an den Emitter eines Transistors 63 und die Basis eines weiteren Transistors 64 angeschlossen. Daher wird der Basisstrom des Transistors 64 vom Transistor 62 geliefert. Da der Kollektorstrom des Transistors 64 gleich dem Basisstrom des letzteren, multipliziert mit seinem Stromverstärkungsfaktor β ist, wird im Minifall der gesamte, durch den Spannungsregler 16 fließende Strom gleich dem Basisstrom des Transistors 60, multipliziert mit dem Produkt der Stromverstärkungsfaktoren der Transistoren 60, 62 und 64. Wenn man beispielsweise eine Stromzunahme von 1 mA durch den Spannungsregler 16 hindurch annimmt und einen Stromverstärkungsfaktor β von 100 für jeden der Transistoren 60, 62 und 64, so tritt eine Stromzunahme von 1 nA durch die Zenerdiode 54 hindurch auf, wobei der verbleibende Strom zwischen den Transistoren 60, 62 und 64 aufgeteilt wird. Eine derartige Stromzunahme von 1 nA an der Zenerdiode 54 stellt im Vergleich zu der vorgenannten Stromzunahme von 1 mA eine vergleichsweise sehr geringe Zunahme der Spannung zwischen den Anschlüssen 10 und 12 dar.

Der Emitter des Transistors 61 ist über einen Widerstand 65 mit dem Anschluß 10, und sein zweiter Kollektor mit der Basis des Transistors 63 verbunden. Der Transistor 63 wird, wie in der Zeichnung dargestellt, in invertierter Betriebsart betrieben, wobei sein Kollektor mit dem Anschluß 12 und sein zweiter Emitter mit der Anode der Zenerdiode 54 verbunden ist. Der Transistor 63 legt einen Mindest- Kollektorstrom für den Transistor 62 und einen durch die Zenerdiode 54 fließenden Mindeststrom fest, derart, daß diese Bauelemente innerhalb ihres normalen Betriebsbereichs arbeiten, so daß dadurch die Auswirkungen des Reststromes und ähnliche Probleme, wie man sie bei Betriebsbedingungen mit niedrigem Strom antrifft, unterbunden werden. Der Transistor 61 legt einen Mindest-Kollektorstrom für den Transistor 60 fest und steuert den Transistor 63 an.

In dem obigen Beispiel, wo der Spannungsregler 16 einen Strom von 1 mA führte, führt die Zenerdiode 54 nur einen Strom von 1 nA, was nicht ausreicht, diese Zenerdiode zu betreiben, ohne auf störende Effekte zu treffen. Daher ergeben der Transistor 63 und der Widerstand 56 in ihrer Kombination einen Stromfluß von annähernd 20 µA durch die Zenerdiode 54. Der Transistor 63 ergibt im Transistor 62 einen Kollektorstrom von annähernd 10 µA und der Transistor 61 einen Kollektorstrom im Bereich von 10 . . . 20 µA. Somit wirken die Transistoren 61 und 63 als Stromquellen zur Festlegung der Betriebsströme der Zenerdiode 54 und der Transistoren 60 und 62 in einer Höhe, die hinreichend über den entsprechenden Reststromwerten liegt. Der Transistor 64 weist natürlich einen Kollektorstrom auf, der nur geringfügig niedriger als der durch den Spannungsregler 16 fließende Strom ist. Die Stromquellen zur Festlegung der Mindest-Betriebsstromwerte haben keine Auswirkung auf den Verstärkungsfaktor des Spannungsreglers 16, weil die Stromänderung und nicht etwa der Betrag des Stromes die Höhe der Spannungsänderung zwischen den Anschlüssen 10 und 12 bestimmt.

Ein Sperrschicht-Kondensator 66 ist zur Kollektor/ Basis-Strecke des Transistors 60 parallel geschaltet, und eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 67 und einem Sperrschicht-Kondensator 68 ist zur Kollektor/ Basis-Strecke des Transistors 64 parallel geschaltet. Durch diese Bauelemente wird eine Frequenzkompensation für die Schaltung geschaffen, weil diese mit einer verhältnismäßig hohen Verstärkung betrieben wird und ohne eine derartige Kompensation zu Schwingungen neigen würde.

Die Feststellung der Temperatur wird mittels des Meßfühlers 18 dadurch erreicht, daß der Unterschied der Basis/Emitter-Spannungen der Transistoren 70, 71, 72 und 73, die bei verschiedenen Stromdichten arbeiten, an einen Widerstand 74 angelegt werden. Unter der Annahme, daß zunächst die Auswirkung eines Widerstandes 75 außer acht gelassen wird, indem man diesen als kurzgeschlossen ansieht, ist die an den Widerstand 74 angelegte Spannung gleich der Summe der Basis/Emitter-Spannungen der Transistoren 70 und 71, vermindert um die Basis/Emitter-Spannungen der Transistoren 72 und 73. Wie schon erwähnt und anhand der obigen Gleichung (1) dargelegt, muß das Verhältnis der Stromdichten der Transistoren 70 und 71 zu den Stromdichten der Transistoren 72 und 73 bei Änderungen der Temperatur konstant bleiben, wenn die an den Widerstand 74 angelegte Spannung direkt zur Temperatur proportional sein soll. Wenn die Kollektorströme der Transistoren 70, 71, 72 und 73 der absoluten Temperatur proportional sind, bleibt das Verhältnis der Stromdichten bei Änderungen der Temperatur konstant.

Neben seiner Verbindung mit der Basis des Transistors 70 ist der Emitter des Transistors 71 an den Kollektor und die Basis des Transistors 76 angeschlossen. Ein Widerstand 77 ist zwischen den Emitter des Transistors 76 und den Anschluß 12 geschaltet. Aus den obigen Erläuterungen, insbesondere anhand von Fig. 3, folgt, daß, wenn der Kollektorstrom des Transistors 70 der absoluten Temperatur proportional ist, der Unterschied der Basis/Emitter-Spannungen der Transistoren 70 und 76, der an dem Widerstand 77 liegt, auch der absoluten Temperatur proportional ist. Wenn die Spannung an dem Widerstand 77 der absoluten Temperatur proportional ist, so ist damit der Kollektorstrom des Transistors 76 der absoluten Temperatur proportional. Da die in den Basen der Transistoren 70 und 76 fließenden Ströme vernachlässigbar niedrig sind, ist der Kollektorstrom des Transistors 71 gleich dem Kollektorstrom des Transistors 76. Er ist also auch proportional der absoluten Temperatur. Der Kollektor des Transistors 70 ist über den Widerstand 75 mit dem Emitter eines Transistors 78 und außerdem direkt mit der Basis des Transistors 72 verbunden. Da der in die Basis des Transistors 72 fließende Strom vernachlässigbar niedrig ist, wird der Kollektorstrom des Transistors 78 gleich dem Kollektorstrom des Transistors 70. Sucht der Kollektorstrom des Transistors 78 anzusteigen, so wird eine Ansteuerung der Basis des Transistors 71 geliefert, die die Ansteuerung der Basis des Transistors 70 erhöht und bewirkt, daß dessen Leitfähigkeit gesteigert wird, so daß sein Kollektorstrom gleich dem Kollektorstrom des Transistors 78 bleibt. Somit bilden die Transistoren 70, 71 und 76 eine Stromumkehrschaltung.

Die Basis des Transistors 70 ist mit der Basis eines Transistors 79 verbunden, dessen Emitter über einen Widerstand 80 an dem Anschluß 12 liegt und dessen Kollektor mit dem Emitter des Transistors 72 verbunden ist. Hat beispielsweise der Transistor 79 eine zehnmal so große Emitterfläche wie der Transistor 70 und führt er im Vergleich zu diesem halb soviel Strom, so ergibt sich ein Stromdichtenverhältnis beider von 20 : 1. Der Spannungsunterschied zwischen den Basis/Emitter-Spannungen der Transistoren 70 und 79, der der absoluten Temperatur proportional ist, tritt an dem Widerstand 80 auf. Wenn der Kollektorstrom des Transistors 70 der absoluten Temperatur proportional ist, ist auch der Kollektorstrom des Transistors 79 der absoluten Temperatur proportional. Der Kollektorstrom des Transistors 72 ist gleich dem Kollektorstrom des Transistors 79, weil der in die Basis des Transistors 73 fließende Strom vernachlässigbar gering ist. So kann gefolgert werden, daß die Kollektorströme der Transistoren 71 und 72 der absoluten Temperatur proportional sind. Diese Kollektorströme werden vom Kollektor eines Transistors 81 geliefert, der zusammen mit den Transistoren 82 und 83 eine Stromumkehrschaltung bildet. Der Emitter des Transistors 81 ist über einen Widerstand 84 mit einer Leitung 86 verbunden. Ein Widerstand 87 ist zwischen die Leitung 86 und den Emitter des Transistors 82 geschaltet. Die Basis und der Kollektor des Transistors 82 werden an die Basis des Transistors 81 und den Emitter des Transistors 83 angeschlossen. Außerdem wird der Kollektor des Transistors 81 an die Basis des Transistors 83 angeschlossen.

Die von den Transistoren 81, 82, 83 gebildete, sehr genaue Stromspiegel- oder Stromumkehrschaltung ergibt gleiche Ausgangsströme aus den Transistoren 81 und 83. Der Ausgangsstrom aus dem Transistor 81 verteilt sich gleichmäßig auf die Transistoren 71 und 72. Der Strom aus dem Transistor 83 durchfließt die Transistoren 78 und 70 sowie den Widerstand 75. Die Summe der Basis/Emitter-Spannungen der Transistoren 70 und 71 liegt an dem einen Ende des Widerstandes 75. Die Spannung am anderen Ende des Widerstands 75 hat den Betrag der Summe der Basis/ Emitter-Spannungen der Transistoren 73 und 72 zuzüglich des Spannungsabfalls am Widerstand 74.

Wie zuvor erwähnt, ist der Kollektorstrom des Transistors 81 der absoluten Temperatur proportional, weil die Kollektorströme der Transistoren 71 und 72 der absoluten Temperatur proportional sind. Wenn der Kollektorstrom des Transistors 82 dazu neigt, auf einen Wert anzusteigen, der größer ist als die Summe der Kollektorströme der Transistoren 71 und 72, wird die Basis des Transistors 83 angesteuert und verändert die Ansteuerung der Basis des Transistors 81. Daher hält der Transistor 83 den Kollektorstrom des Transistors 81 auf einem Wert, der gleich der Summe der Kollektorströme der Transistoren 71 und 72 ist. Die Widerstände 84 und 87 sind angepaßt, und daher ist der Kollektorstrom des Transistors 81 gleich dem Kollektorstrom des Transistors 82. Wenn man zunächst von dem Einfluß eines Widerstandes 88 absieht, der zwischen den Emitter und den Kollektor des Transistors 83 geschaltet ist, ist der Kollektorstrom des Transistors 82 gleich dem Kollektorstrom des Transistors 83. Außerdem ist der Kollektorstrom des Transistors 83 gleich dem Kollektorstrom des Transistors 78. Es ist daher ersichtlich, daß die Stromumkehrschaltung, die die Transistoren 81, 82 und 83 enthält, erzwingt, daß der Kollektorstrom des Transistors 70 gleich dem Kollektorstrom des Transistors 81 ist. Da der Kollektorstrom des Transistors 81 der absoluten Temperatur proportional ist, so muß auch der Kollektorstrom des Transistors 70 der absoluten Temperatur proportional sein.

Bei einer verwirklichten Schaltung entsprechend dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung waren die Kollektorströme der Transistoren 71, 72, 76 und 79 gleich 50 µA, und die Kollektorströme der Transistoren 70 und 73 gleich 100 µA. Die Emitterflächen der Tansistoren 71, 72, 76 und 79 waren zehnmal so groß wie die Emitterflächen der Transistoren 70 und 73. Folglich verteilt sich der Kollektorstrom des Transistors 81 gleichmäßig auf die Kollektorströme der Transistoren 71 und 72. Daher werden sowohl Unterschiede in den Kollektorströmen als auch Unterschiede in den Emitterflächen dazu eingesetzt, die Transistoren bei verschiedenen Stromdichten zu betreiben.

Der Kollektor des Transistors 73 ist mit dem Emitter eines Transistors 89 verbunden, dessen Kollektor über einen Widerstand 91 an den Anschluß 10 angeschaltet ist. Die Basis des Transistors 89 ist an den Kollektor des Transistors 83 angeschlossen. Somit sind die Transistoren 73 und 89 in einer Kaskaden-Schaltung angeordnet. Eine solche Kaskaden- Schaltung unterbindet die Möglichkeit, daß irgend eine Änderung der Kollektorspannung sich auf den Kollektorstrom des Transistors 73 auswirkt.

Da der Kollektorstrom des Transistors 73 der absoluten Temperatur direkt proportional ist, so ergibt sich daraus ein Spannungsabfall an dem Widerstand 91, der ebenfalls direkt der absoluten Temperatur proportional ist. Dieser Spannungsabfall wird an einen Eingang des Differentialverstärkers 20 angelegt. Der Widerstand 75 kompensiert geringfügige Schwankungen am Ausgang der Stromumkehrschaltung, und der Widerstand 88 schafft positive Startbedingungen für die Stromumkehrschaltung, die die Transistoren 81, 82 und 83 umfaßt.

Der Transistor 78 liefert an den Transistor 89 eine Vorspannung, die höher als die Vorspannung am Transistor 73 ist. Der Emitter eines Transistors 92 ist mit dem Anschluß 10 verbunden, der Kollektor und die Basis dieses Transistors sind an die Leitung 86 angeschlossen. Die Leitung 86 ist an die Basis des Transistors 61 im Spannungsregler 16 und an die Basis eines Transistors 93 angeschlossen. Da die Kollektorströme der Transistoren 81 und 82 der absoluten Temperatur proportional sind, ist auch die Basis/Emitter- Spannung des Transistors 92 der absoluten Temperatur proportional. Daher sind die an die Transistoren 61 und 93 zur Festlegung der Arbeitspunkte gelieferten Ströme ebenfalls der absoluten Temperatur proportional. Der Emitter des Transistors 93 ist über einen Widerstand 94 an den Anschluß 10 angeschaltet, und der Kollektor dieses Transistors 93 ist mit den Emittern von zwei Transistoren 97 und 98 verbunden. Folglich wirkt der Transistor 93 als Stromquelle, die sich mit den Änderungen der Temperatur verändert und die Kollektorströme der Transistoren 97 und 98 liefert.

Da es bei monolithischen Schaltungen einfacher ist, Widerstände genau aneinander anzupassen als Transistoren, werden die Widerstände 84 und 87, die gut aneinander angepaßt sind, in der Stromumkehrschaltung eingesetzt. Demnach ist das Stromumkehrverhältnis der Anpassung der Widerstände proportional, und daher ist die Schaltung einfacher auszubilden, um Ausgangsströme aus der Stromumkehrschaltung zu erhalten, die aneinander angepaßt sind.

Der Differentialverstärker 20 umfaßt die beiden Transistoren 97 und 98, die eine Differentialverstärkerstufe bilden. Die Transistoren 97 und 98 sind aneinander angepaßt, so daß bei gleichen Basis/Emitter-Spannungen an beiden Transistoren die Kollektorströme gleich groß sind. Der Kollektor des Transistors 97 ist mit einer Seite einer Stromumkehrschaltung verbunden, die die Transistoren 99, 100 und 101 umfaßt. Der Kollektor des Transistors 98 ist mit der anderen Seite der Stromumkehrschaltung verbunden. Insbesondere ist der Kollektor des Transistors 98 mit der Basis des Transistors 99 und dem Kollektor des Transistors 100 verbunden, und der Kollektor des Transistors 97 ist mit dem Kollektor des Transistors 101 verbunden. Der Kollektor des Transistors 99 ist an den Anschluß 10 angeschaltet, und der Emitter dieses Transistors ist mit den Basen der Transistoren 100 und 101, und - über einen Widerstand 102 - mit dem Anschluß 12 verbunden. Die Emitter der Transistoren 100 und 101 sind zusammen an den Anschluß 12 angeschlossen.

Wenn die an die Basis des Transistors 97 gelieferte Eingangsspannung gleich der an die Basis des Transistors 98 gelegten Spannung ist, so herrschen die folgenden Bedingungen in der Stromumkehrschaltung: Wenn der Kollektorstrom des Transistors 98 wesentlich größer als der Kollektorstrom des Transistors 100 ist, führt der Transistor 99 einen Basisstrom und ist ausreichend leitfähig, um die Leitfähigkeit des Transistors 100 zu erhöhen. Diese Wirkung hält so lange an, bis der Kollektorstrom des Transistors 100 im wesentlichen gleich dem Kollektorstrom des Transistors 98 ist, mit einem geringen und vernachlässigbaren Strom, der in die Basis des Transistors 99 fließt. Da die Basis/Emitter-Spannung des Transistors 101 gleich der Basis/Emitter-Spannung des Transistors 100 ist, wird der Kollektorstrom des Transistors 101 gleich dem Kollektorstrom des Transistors 100. Der Kollektor des Transistors 101 ist mit der Basis eines Transistors 103 verbunden. Wenn die Basisansteuerungen der Transistoren 97 und 98 einander gleich sind, ist der Kollektorstrom des Transistors 97 gleich dem Kollektorstrom des Transistors 98, und daher dem Kollektorstrom des Transistors 101 gleich. Somit wird an die Basis des Transistors 103 kein Basisstrom geliefert, und dieser Transistor ist also nicht-leitend.

Wenn die an die Basis des Transistors 97 gelieferte Spannung von derjenigen Spannung verschieden ist, die der Basis des Transistors 98 zugeführt wird, so liegen die folgenden Bedingungen vor: Der Kollektorstrom des Transistors 98 bleibt gleich dem Kollektorstrom des Transistors 100, der seinerseits gleich dem Kollektorstrom des Transistors 101 bleibt. Bei einer unterschiedlichen Ansteuerung an den Basen der Transistoren 97 und 98 bleiben die Kollektorströme dieser Transistoren unterschiedlich. Der Betrag des Unterschiedes zwischen den Kollektorströmen der Transistoren 97 und 98 ist gleich dem Betrag des Unterschiedes zwischen den Kollektorströmen der Transistoren 97 und 101. Daher wird diese Differenz an die Basis des Transistors 103 gebracht. Der Kollektor des Transistors 103 ist mit dem Anschluß 10, und sein Emitter mit der Basis eines Transistors 104 verbunden, der dem in Fig. 1 dargestellten Transistor 24 entspricht. Das Eingangssignal an der Basis des Transistors 103 ist ausgangsseitig mit dem Stromverstärkungsfaktor β multipliziert und wird auf die Basis des Transistors 104 gegeben, der seinerseits, wie oben erläutert, ein Ausgangssignal entwickelt. Diese Schaltungsanordnung schafft eine verhältnismäßig hohe Verstärkung, so ergab sich in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Verstärkung von 80 000fach.

Durch die Verbindung des Anschlusses 14 mit dem Anschluß 22 wird der Differentialverstärker aufgrund der Rückkopplung vom Ausgang zu einem seiner Eingänge zum Operationsverstärker. Ein Widerstand 105 wird zwischen den Anschluß 22 und die Basis des Transistors 98 geschaltet. Eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 106 und einem Kondensator 107 ist an den Anschluß 22 und den Kollektor des Transistors 97 angeschlossen. Diese Bauteile ergeben eine Frequenzkompensation, so daß die erfindungsgemäße Schaltung nicht schwingt, wenn an ihr eine Rückkopplung vorgesehen wird.

Die Basis eines Transistors 108 ist mit einem Emitter des Transistors 104 verbunden, während der Kollektor dieses Transistors mit der Basis des Transistors 103, und der Emitter desselben mit dem Anschluß 12 verbunden ist. Ein Widerstand 109 ist zwischen den Emitter des Transistors 103 und die Basis des Transistors 108 geschaltet. Ein Widerstand 110 ist zwischen einen Emitter des Transistors 104 und den Anschluß 12 gelegt. Der Transistor 108 stellt den Ausgangsstrom fest und schafft eine Strombegrenzung für die erfindungsgemäße Schaltung. Das bedeutet, daß die an dem Widerstand 110 anliegende Spannung auf die Basis/Emitter-Strecke des Transistors 108 gegeben wird, und daß bei Überschreitung der Spannung um einen vorbestimmten Betrag der Transistor 108 leitend gemacht wird. Wenn der Transistor 108 leitend ist, so fließt ein Strom durch diesen Transistor und von der Basis des Transistors 103 fort, so daß eine verhältnismäßig starke Belastung am Ausgang, wie beispielsweise ein Kurzschluß, nicht die erfindungsgemäße Schaltung zerstört. Der Widerstand 109 legt einen Mindest-Betriebsstrom für den Transistor 103 fest und unterbindet die Möglichkeit eines Leckstromes über den Transistor 104. Ein Widerstand 28 stellt eine eingebaute Vorlast (internal pull-up load) dar, und ein Transistor 111 wird als Sperrdiode betrieben, so daß der Anschluß 14 mit einem Potential arbeiten kann, das positiver als das an den Anschluß 10 gelegte Potential ist. Der Transistor 111 entspricht der in Fig. 1 dargestellten Diode 26.

Der zweite Emitter des Transistors 104, der mit dem Kollektor des Transistors 108 verbunden ist, bildet eine Sättigungs-Klemmschaltung (saturation clamp). Wenn der Transistor 103 anfängt, leitend zu werden, geht der Transistor 104 in den Sättigungszustand über. Der durch den Transistor 104 fließende Strom wird durch den äußeren (nicht dargestellten) Lastwiderstand und den Widerstand 110 begrenzt. Unter diesen Bedingungen ist jedoch der Betriebsstrom durch den Transistor 103 übermäßig hoch. Wenn der Transistor 104 in die Sättigung übergeht, so injiziert der Kollektor wieder positive Ladungsträger (Löcher) in seine Basiszone. Somit übernimmt der zweite Emitter, der als Kollektor wirkt, den Strom von der Basis des Transistors 103, um die Sättigung des Transistors 104 zu begrenzen.

Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wurden die vorgenannten Bauelemente mit den folgenden Werten erfolgreich eingesetzt:

Widerstand 76260 Ohm Widerstand 74940 Ohm Widerstände 77, 80  1,56 Kiloohm Widerstände 67, 105 und 106  3 Kiloohm Widerstand 65  4,5 Kiloohm Widerstände 84 und 87  5 Kiloohm Widerstand 94  6 Kiloohm Widerstände 58, 91 und 110 30 Kiloohm Widerstände 102 und 109 40 Kiloohm Widerstand 28 50 Kiloohm Widerstand 56100 Kiloohm Widerstand 88300 Kiloohm Kondensator 68 10 pF Kondensatoren 66 und 107 30 pF

Claims (5)

1. Temperaturmeßwertwandler mit mehreren in einer monolithischen Schaltung integrierten Transistoren, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei mit verschiedenen Stromdichten arbeitende Transistoren (30, 32; 42, 44; 70, 79), mindestens eine das Verhältnis der Stromdichten dieser Transistoren bei Temperaturveränderungen auf einem von 1 verschiedenen Wert konstant haltende Stromumkehrschaltung (70, 71, 76; 81, 82, 83) und eine die Differenz der Basis/Emitter- Spannungen (Δ V _be ) dieser Transistoren als Maß für die Temperatur (T) erfassende Differentialverstärkerschaltung (20) aufweist.

2. Temperaturmeßwertwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er außer einem ersten Transistor (70) und einem zweiten Transistor (79) noch einen dritten Transistor (71) und einen vierten Transistor (72) aufweist, daß die Stromumkehrschaltung dazu dient, das Verhältnis der Summe der Werte der Kollektorströme des ersten Transistors (70) und des dritten Transistors (71) zur Summe der Werte der Kollektorströme des zweiten Transistors (79) und des vierten Transistors (72) konstant zu halten, und daß die Differentialverstärkerschaltung so ausgebildet ist, daß sie die Differenz der Summe der Werte der Basis/Emitter- Spannungen des ersten und dritten Transistors (70, 71) und der Summe der Werte der Basis/ Emitter-Spannungen des zweiten und vierten Transistors (79, 72) als Maß für die Temperatur (T) erfaßt.

3. Temperaturmeßwertwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des ersten Transistors (70) mit der Basis eines fünften Transistors (76) verbunden und ein erstes Impedanzglied (77) zwischen den Emittern des ersten und fünften Transistors (70, 76) angeordnet ist.

4. Temperaturmeßwertwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des fünften Transistors (76) in Reihe mit dem Emitter des dritten Transistors (71) angeordnet ist.

5. Temperaturmeßwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Stromumkehrschaltung (70, 71, 76) mit einem ersten Ausgang, der in Reihe mit dem Kollektor des ersten Transistors (70) geschaltet ist, und einen zweiten Ausgang, der in Reihe mit dem Kollektor des dritten Transistors (71) geschaltet ist, aufweist.