DE2642874A1 - Stromspiegelschaltung - Google Patents

Description

Dr. phil. G. B. HAGEN
DipL-Phys. W. KALKOFF "

MÜNCHEN 71 (Solln)

Franz-Hals-Straße 21
Tel. (089)796213 795431

ACE 3642 München, 23- September 1976

K./st

SGS-ATES Componenti

Elettronioi S.p.A.

Via C. Olivetti, 2

20041 Agrate Brianza (Milano)

Italien

Stromspiegelschaltung

Priorität: 23. September 1975; Italien; Nr. 27516A/75

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromspiegelschaltung mit zwei Transistoren, die aus der gleichen Art von Halbleitermaterial hergestellt sind und vom gleichen Leitfähigkeitstyp sind und von denen jeder einen ersten und einen zweiten Anschluß sowie einen Steueranschluß aufweist, wobei der erste Anschluß und der Steueranschluß des einen Transistors jeweils mit den entsprechenden Anschlüssen des zweiten Transistors verbunden sind und der zweite Anschluß des ersten Transistors mit einer Versorgungsleitung über einen ersten Widerstand verbunden ist und wobei zwischen dem zweiten Anschluß und dem Steueranschluß des ersten Transistors ein Verbindungselement liegt.

709812/1026

Bayerische Vereinsbank 823101
Postscheck 54782-809

ACE 3642 - ^-

Die Verbindung zweier Transistoren als Stromspiegel zur Erzeugung eines konstanten Bezugsstromes ist bekannt und wird häufig bei der Projektierung integrierter Schaltkreise verwendet. Eine Schaltung dieses Typs ist in Pig. 1 dargestellt. Die beiden Transistoren T₁ und Tp sind gleich und beide vom Typ npn. Die Basis und der Emitter von T₁ sind jeweils mit der Basis und dem Emitter von Tp verbunden. Der Kollektor von T₁ ist sowohl mit der gemeinsamen Basis beider Transistoren als auch über einen Widerstand R₁ mit einer Versorgungsleitung Y_nn verbunden. Auch der Kollektor

C O

von Tp ist mit der Versorgungsleitung über eine durch einen Widerstand R_T dargestellte Last verbunden.

Es versteht sich, daß man eine Schaltung der beschriebenen Art mit untereinander naoh Dimensionen und Kenndaten verschiedenen Transistoren oder auch mit Transistoren herstellen kann, die beide vom Typ npn oder beide vom Typ pnp sind. Bei Betrachtung der Schaltung sieht man, daß über den Zweig a folgender Strom fließt:

^Vcc - ^Vbe

I_a = —— (1)

Dabei ist V-, die Spannung des Basis-Emitter-tiberganges des De

Transistors T₁ bei in Durchlaßrichtung vorgespanntem Übergang. Unter Vernachlässigung der Basisströme I^ bezüglich der Kollektorströme, was zulässig ist, wenn die Verstärkung der Transistoren genügend hoch ist, ist der durch den Zweig b fließende Strom gleich I_n. Da die beiden Transistoren gleich

sind und die gleiche Basis-Emitter-Spannung V^_e haben, ist der durch den Zweig d fließende Strom gleich dem durch den Zweig b fließende Strom. Der Zweig c wird von einem Strom I durchflossen, der ungefähr gleich dem Strom ist, der durch den Zweig d fließt, woraus sioh ergibt.: T = I₀ (2) .

CJ

709812/1026

ACE 3642 - f ~

Dementsprechend wird der Belastungswiderstand R_T durch einen konstanten, durch vorgegebene Sohaltkreisparameter bestimmten Strom durchflossen.

Wenn die Verstärkung der Transistoren gering ist und die Basisströme bezüglich der .Kollektorströme nicht mehr vernachlässigt werden können, kann die Gleichung (2) nicht mehr in erster Annäherung als gültig betrachtet werden. Eine bekannte Maßnahme zur Verringerung des Einflusses der Basisströme auf die KollektorBtröme besteht darin, die direkte Verbindung zwischen Kollektor und Basis des Transistors T₁ durch die Basis-Emitter-Strecke eines dritten Transistors zu ersetzen, der von gleicher Art iat wie die beiden Transistoren des Stromspiegels und dessen Kollektor mit der Versorgungsleitung verbunden ist. Dadurch reduziert sich der im Zweig a fließende Strom um einen Paktor, der gleich der Verstärkung h„„ des dritten Transistors ist.

Bei der Erörterung der bekannten Schaltung wurde die Abhängigkeit von V, von der Temperatur vernachlässigt. Bei starken Temperatursprüngen erfährt der Strom I_a, der, wie aus Gleichung (1) resultiert, von V^ abhängt, starke Schwankungen. Diese Schwankungen wirken sich auf den Strom I aus,

Cl

der demzufolge nicht mehr als konstant betrachtet werden kann«

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Stromspiegelschaltung der eingangs genannten Art die temperaturbedingten Stromschwankungen zu kompensieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen den zweiten und den ersten Anschluß des ersten Transistors ein Temperaturkompensationszweig geschaltet ist zur Erzeugung eines Kompensationsgleichstromes, dessen Wert im wesentlichen gleich iat der durch den Wert dea ersten Wider-

709812/1026

Standes dividierten Summe der an den Kontakten des Verbind ungselements bestehenden Spannung und der zwischen dem Steueranschluß und dem ersten Anschluß des ersten Transistors dann bestehenden Spannung, wenn der Steueranschluß in Durchlaßrichtung bezüglioh des ersten Anschlusses vorgespannt ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den" beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 s'chematisch die bereits erörterte bekannte Stromspiegelschaltung;

Pig. 2 " schematisch eine Stromspiegelschaltung mit erfindungsgemäßer Temperaturkompensation;

F.ig. 3 schematisch eine Stromspiegelschaltung mit Kompensation der Basisströme und mit erfindungsgemäßer Temperaturkompensation;

Fig. 4 schematisch eine Stromspiegelschaltung mit Kompensation der Basisströme und einer modifizierten erfindungsgemäßen Temperaturkompensation; und

Fig. 5 schematisch eine Stromspiegelschaltung mit Feldeffekt-Transistoren und mit erfindungsgemäßer Temperaturkompensation.

In den verschiedenen Figuren sind einander entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.

709812/1026

ACE 3642 - & -

Bei Betrachtung der Schaltung von Fig. 2 erkennt man, daß es sich um eine Stromspiegelschaltung der in Fig. 1 dargestellten Art handelt, wobei jedoch erfindungsgemäß ein Zweig hinzugefügt wurde, um den Temperatureinfluß auf den Strom des Kollektors des Transistors Tp zu kompensieren. Und zwar liegt zwischen dom Kollektor und dem Emitter des Transistors T₁ ein Widerstand R_? in Serie mit zwei in der gleichen Leitungsrichtung angeordneten Dioden D₁ und D . An dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R₂ und der Diode D^ ist ein Stromgenerator G- angeschlossen, der dazu dient, die Dioden D₁ und Dg in Durchlaßrichtung vorgespannt zu halten. Die genanten Dioden sind aus der gleichen Art von Halbleitermaterial hergestellt und haben die gleiche Temperatur wie die Transistoren T₁ und Tp«

Bei Betrachtung der Schaltung von Fig. 2 ergibt 3ich, daß an den Enden des Widerstandes Rp ein Spannungsabfall (2V-, - V, ) = V, vorhanden ist; dementsprechend ergibt sich unter der Annahme, daß R₁ = R_? - R, daß durch R^ ein Strom I_f = V, /R fließt. Unter Verwendung dieser Besiehung und der Gleichung (1) und unter der Bedingung, daß in dienern Fall die Basisströme in bezug auf die Kollektorström-a vernachlässigbar sind, ergibt sich, daß im Kollektor von T₁ ein Strom I₀ ' = I +Ix. fließt. Man kann daher schreiben:

cc be be cc

^a R R R R

Da I ' im wesentlichen gleich I, und I, = I ist, ο loht .-mn

Q DDO

daß der Strom I , der durch den Kollektor von T₉ fließt, lediglich von vorgegebenen und konstanten, von der Temperatur nicht beeinflußten Parametern abhängt.

709812/1026

BAD

ACE 3642 - ff -

Es sei nun angenommen, daß die Verstärkung der beiden Transistoren T.. und Tp relativ gering ist und daß dementsprechend die Basisströme I^ bezüglich der Kollektorströme nicht zu TernacMassigen sind. In diesem Fall ergibt sich bei den Stromspiegelschaltungen der Figuren 1 und 2 nicht die gewünschte Symmetrie zwiaohen den Strömen in den beiden Zv/eigen. Zur Kompensation des Effektes des Stromes 2I_x,, der im Zweig a fließt, besteht eine an sich bekannte Maßnahme, wie schon erwähnt, darin, den Kurzschluß Basis-Kollektor des Transistors 1 zu ersetzen durch die Emitter-Basis-Strecke eines weiteren Transistors. Eine Schaltung dieser Art ist in Fig. 3 dargestellt, v/o ein npn-Transistor T, mit seiner Basis an den Kollektor von T-., mit seinem Emitter an die Basis von T₁ und mit seinem Kollektor an die Versorgungs leitung Y angeschlossen ist. Auf diese Weise wird der in cc

den Zweig a fließende Strom:
^{2 1}B

dabei ist hp- (T,) die Verstärkung des Transistors T,. Dieser Strom ist sicherlich in bezug auf die Kollektorströme zu vernachlässigen.

Auch bei der Stromspiegelschaltung nach Fig. 3 ist es erfindungsgemäß möglich, eine Kompensation der temperaturbedingten Stromschwankungen vorzunehmen. Dies erfolgt in analoger Weise zu der in Fig. 2 dargestellten Kompensation. Es wird also eine Gruppe von vier statt zweier in Serie geschalteten Dioden in der Weise verwendet, daß ein Spannungsabfall von 4 V, zustandekommt. Das gleiche Ergebnis wird auch dadurch erhalten, daß eine an sich bekannte sogenannte V-. -Multiplikator-Stufe verwendet wird, die aus zwei in Serie geschalteten Widerständen R, und R, sowie aus einem npn-

709812/1026

ACE 3642 - «P-

Transistor T^ besteht, dessen Kollektor mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Stromgenerator G und dem Widerstand R_? verbunden ist und dessen Emitter mit den Emittern von T₁ und T₂ verbunden ist und dessen Basis mit dem Verbindungspunkt zwischen R- und R. verbunden ist. Wird nun R, = R und R, = 3R gesetzt, oJ.eht man, daß am Widerstand R₂ der Spannungsabfall (4V_be - 2V_be) = 2V_be beträgt, weshalb I_f = 2V_be/R und ¹B* ^=Ia ⁺ *f =

^ycc ²V , ^2¥be ⁷CC RRRR

Somit ist der Ausgangsstrom der Stromspiegelschaltung auch hier temperaturunabhängig.

In Fig. 4 ist eine weitere Stromspiegelschaltung dargestellt, in der die Kompensation der Basisströme durch einen Feldeffekt-Transistor Tc erzielt wird, dessen Source-Anechluß mit den Basisansohlüssen der Transistoren T-. und Tp verbunden ist, dessen Gate-Anschluß mit dem Kollektor T₁ verbunden ist und dessen Drain-An3chluß an die Versorgungsleitung V angeschlossen ist. Mit dieser Maßnahme ist die Kompensation besser als bei einem Transistor mit pn-Übergangen, und zwar dank der hohen Eingangsimpedanz des Feldeffekttransistors. In diesem Fall wird die Kompensation der Temperaturschwankungen dadurch erhalten, daß sowohl ein Diodenpaar D_{1 f} D₂ wie bei der Schaltung nach Fig. 2, als auch ein Paar Feldeffekt-Transistoren T/- und T₇ verwendet werden, die aus dem gleichen Halbleitermaterial hergestellt worden sind wie der Transistor Tj-- Wie aus dem Prinzip-Schaltbild von Fig. 4 ersichtlich ist, sind die Drain-Anschlüsse von Tg und T₇ mit der Versorgungsleitung V verbunden, und der Transistor Tg ist mit seinem Source-Anschluß mit der Anode von D₁ verbunden und mit seinem Gate-Anschluß mit dem Source-Anschluß von T₇. Der Transistor T₇ ist mit seinem Gate-Anschluß mit dem Stromgenerator G und dem Widerstand R_? verbunden, dessen anderes Ende mit dem Kollektor

709812/1026

ACE 3642 -■■;■". V - jar.— .' :. - ;.

des Transistors T₁ verbunden ist. Zwischen den Gate- und den Source-Änschluß des Transistors Tg ist ein Widerstand R[- geschaltet, um.die Vorspannung der Dioden D-.. und Bp in Durchlaßrichtung zu ermöglichen. .,

Wird R₁VR^i=R gesetzt, so ist der den Kollektor von T₁ durchfließende: Strom I„· = .I_n + I-,. Es ist ersichtlich, daß:

Dabe i ist Y„„ die Spannung zwischen Gate-Anschluß und So urce Anschluß eines beliebigen der JFeldeffekt-Transistoren, Da

' '- -γ. +γ
1^= ,ergibt sich auch in diesem Fall:

und- somit ist I tempera tür unabhängig.

In I¹Ig. 5 ist eine Stromspiegelschaltung dargestellt, in der die Transistoren T₁ und Tp Peldeffekt-Transiötoren sind« Die Temperaturkompensationwird erfindungsgemäß mit zwei Peldeffekt-Trahsistoren T/- und Tr₇ erhalten, und zwar im wesentlichen in der gleichen Weise wie im Zusammenhang mit Pig.■-■ 4^ beschrieben wurde.

- Patentansprüche

709812/1026

Claims (1)

1. ACE 3642

   Patentansprüche

   Stromspiegelschaltung mit zwei Transistoren, die aus der gleichen Art von Halbleitermaterial hergestellt sind und vom gleichen Leitfähigkeitstyp sind und von denen jeder einen ersten und einen zweiten Anschluß sowie einen Steuer-Anschluß aufweist, wobei der erste Anschluß und der Steuer-Anschluß des einen Transistors jeweils mit den entsprechenden Anschlüssen des zweiten Transistors verbunden sind und der zweite Anschluß des ersten Transistors mit einer Versorgungsleitung über einen ersten Widerstand verbunden ist und zwischen dem zweiten Anschluß und dem Steuer-Anschluß des ersten Transistors ein Verbindungselement liegt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den zweiten, und den ersten Anschluß des ersten Transistors (T₁) ein Temperaturkompersationszweig (R₂, D₁* D₂; E₂ - R₄, T₄; R₂, R₅, Tg, T₇, D₁, D₂; R₂, T_g, T₇, R₅) geschaltet ist zur Erzeugung eines Kompensationsgleichstromes, dessen Wert im wesentlichen gleich ist der durch den Wert des ersten Widerstandes (R₁) dividierten Summe der an den Kontakten des Verbindungselements bestehenden Spannung und der zwischen dem Steuer-Anschluß und dem ersten Anschluß des ersten Transistors (T₁) dann bestehenden Spannung, wenn der Steuer-Anschluß bezüglich des ersten Anschlusses in Durchlaßrichtung vorgespannt ist.

   2. Schaltung nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Transistor Injektionstransistoren sind und der erste Anschluß, der Steuer-Anschluß und der zweite Anschluß jedes der beiden Transistoren jeweils der Emitter, die Basis und der Kollektor sind und das Verbindungselement ein Leiter ist,

   709812/1026

   ACE 3642 - *e

   dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturkompensationszweig aus einem in Serie mit zwei Dioden (D₁, Dg) liegenden zweiten Widerstand (R₂) besteht, wobei die Dioden (D₁, Dp) aus dem gleichen Halbleitermaterial bestehen wie die Transistoren (T₁, Tp) und in Durchlaßrichtung vorgespannt sind, und dai3 der Wert des zweiten Widerstandes (R₂) im wesentlichen gleich dem des ersten Widerstandes (R₁) ist (Fig. 2).

   3· Schaltung nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Transistor Injektionstransistoren sind und der erste Anschluß, der Steuer-Anschluß jedes der beiden Transistoren jeweils der Emitter, die Basis und der Kollektor sind und das Verbindungsmittel aus der Basis-Emitter-Strecke eines dritten Injektionstransistors besteht, der vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der erste und der zweite Transistor ist und mit seinem Kollektor mit der Versorgungsleitung verbunden ist,

   dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturkompensationszweig aus einem zweiten Widerstand (Rp) und einer damit in Serie liegenden an sich bekannten Stufe besteht, die durch einen Spannungsteiler (R,, R.) gebildet ist, dessen beide Enden mit dem Kollektor bzw. dem Emitter eines vierten Injektionstransistors (T.) verbunden sind, der vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die beiden anderen Transistoren (T₁* Tn) ^^s^ ^un(* dessen Abgriff mit der Basis des vierten Transistors (T.) verbunden ist (Fig. 3).

   4. Schaltung nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Transistor Injektionstransistoren sind und der erste Anschluß, der Steuer-Anschluß und der zweite Anschluß jedes der beiden Transistoren jeweils der Emitter, die Basis und öler Kollektor sind,

   709812/1028

   dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement aus der Gate-Source-Strecke eines ersten Feldeffekt-Transistors (Tf-) besteht, dessen Drain-Anschluß mit einer Versorgungsleitung (V ) verbunden ist, und daß der Temperaturkompensationszweig aus einer Serienschaltung eines zweiten Widerstandes (Rp), zweier aus dem gleichen Halbleitermaterial wie der erste und der zweite Transistor (T₁, T₂) gebildeter pn-Übergangsdioden und zweier Gate-Source-Strecken eines zweiten und eines dritten Peldeffekt-Transistors (Tg, T₇) vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der erste Feldeffekt-Transistor (T₅) besteht und daß die Dioden (D₁, Dp) und die beiden Gate-Source-Strecken in Durchlaßrichtung vorgespannt sind (Pig. 4).

   5· Schaltung nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Transistor Feldeffekt-Transistoren sind und der erste Anschluß, der Steuer-Anschluß und der zweite Anschluß jedes der beiden Transistoren jeweils der Source-, der Gate- und der Drain-Anschluß sind und wobei das Verbindungselement ein Leiter ist,

   dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturkompensationszweig aus einer Serienschaltung eines zweiten Widerstandes (Rp) ^un<i zweier Gate-Source-Strecken eines dritten und eines vierten Peldeffekt-Transistors (Tg, T₇) vom gleiohen Leitfähigkeitβtyp wio der eroto und der zweite Transistor (T₁, T₂) besteht und daß die beiden Gate-Source-Strecken in Durchlaßrichtung vorgespannt ■sind.

   709812/1026