DE2642874C3

DE2642874C3 - Stromspiegelschaltung

Info

Publication number: DE2642874C3
Application number: DE19762642874
Authority: DE
Inventors: Leslie Thomas Biandronno Varese Miskin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-09-23
Filing date: 1976-09-23
Publication date: 1981-09-10
Also published as: FR2325979B1; GB1517246A; DE2642874A1; IT1042763B; DE2642874B2; FR2325979A1

Description

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

<Tj 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.

w 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 F i g. 1 dargestellt. Die beiden

^r>5 Transistoren Ti und 7} sind gleich und beide vom Typ npn. Die Basis und der Emitter von Ti sind jeweils mit der Basis und dem Emitter von T₂ verbunden. Der Kollektor von 71 ist sowohl mit der gemeinsamen Basis beider Transistoren als auch über einen Widerstand Ri

to mit einer Versorgungsleitung V_1x verbunden. Auch der Kollektor von T₂ ist mit der Versorgungsleitung über eine durch einen Widerstand Rl dargestellte Last verbunden.

Es versteht sich, daß man eine Schaltung der

h^r> beschriebenen Art mit untereinander nach Dimensionen 'ind Kenndaten verschiedenen 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:

Dabei ist V** die Spannung des Basis-Emitter-Oberganges des Transistors Ti bei in Durchlaßrichtung vorgespanntem Übergang. Unter Vernachlässigung der Basisströme Ib bezüglich der Kollektorströme, was zulässig ist, wenn die Verstärkung der Transistoren genügend hoch ist, ist der durch den Zweig b fließende Strom gleich I₃. Da die beiden Transistoren gleich sind und die gleiche Basis-Emitter-Spannung V_be haben, ist der durch den Zweig d fließende Strom gleich dem durch den Zweig b fließende Strom. Der Zweig c wird von einem Strom /_c durchflossen, der ungefähr gleich dem Strom ist, der durch den Zweig d fließt, woraus sich ergibt:

Λ = L (2)

Dementsprechend wird der Belastungswiderstand Rl durch einen konstanten, durch vorgegebene Schaltkreisparameter 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 Kollektorströme besteht darin, die direkte Verbindung zwischen Kollektor und Basis des Transistors 71 durch die Basis-Emitter-Strecke eines dritten Transistors zu ersetzen, der von gleicher Art ist 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 Faktor, der gleich der Verstärkung Λ«· des dritten Transistors ist

Bei der Erörterung der bekannten Schaltung wurde die Abhängigkeit von Vbe von der Temperatur vernachlässigt. Bei starken Temperatursprüngen erfährt der Strom /» der, wie aus Gleichung (1) resultiert, von Vbe abhängt, starke Schwankungen. Diese Schwankungen wirken sich auf den Strom I_c aus, der demzufolge nicht mehr als konstant betrachtet werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Stromspiegelschaltung der eingangs genannten Art die temperaturbedivigten Stromschwankungen 7\i kompensieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen den zweiten und den ersten Anschluß des ersten Transistors ein Temperaturkompensationszweig geschaltet ist, der einen zweiten Widerstand und mindestens eine in Flußrichtung vorgespannte Halbleiterdiode besitzt und einen Kompensationsstrom führt, dessen Wert im wesentlichen gegeben ist durch den Quotienten aus der Spannung zwischen dem ersten und zweiten Anschluß des ersten Transistors und dem Wert des ersten Widerstands, wobei der Steueranschluß bezüglich des ersten Anschlusses in Durchlaßrichtung vorgespannt ist

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 schematisch die bereits erörterte bekannte Stromspiegelschaltung,

F i g. 2 schematisch eine Stromspiegelschaltung mit erfindungsgemäßer Temperaturkompensation,

Fig.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

ίο Temperaturkompensation.

In den verschiedenen Figuren sind einander entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei Betrachtung der Schaltung von Fig.2 erkennt man, daß es sich um eine Stromspiegelschaltung der in

i) F i g. 1 dargestellten Art handelt, wobei jedoch erfindungsgemäß ein Zweig hinzugefügt wurde, um den Temperatureinfluß auf den Strom des Kollektors des Transistors T₂ zu kompensieren. Und zwar liegt zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors Ti ein Widerstand R₂ in Serie mit zwei in der gleichen Leitungsrichtung angeordneten Dioden D\ und Di. An dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R₂ und der Diode Di ist ein Stromgenerator G angeschlossen, der dazu dient, die Dioden D\ und D₂ in Durchlaßrichtung vorgespannt zu halten. Die genannten Dioden sind aus der gleichen Art von Halbleitermaterial hergestellt und haben die gleiche Temperatur wie die Transistoren Ti und T₂.

Bei Betrachtung der Schaltung von F i g. 2 ergibt sich,

jo daß an den Enden des Widerstandes R₂ ein Spannungsabfall (2 Vie— Vbe)= Vbe vorhanden ist; dementsprechend ergibt sich, daß durch R₂ ein Strom If= VbJR₂ fließt. Unter Verwendung dieser Beziehung und der Gleichung (1) und unter der Bedingung, daß in diesem Fall die Basisströme in bezug auf die Kollektorströme vernachlässigbar sind, ergibt sich, daß im Kollektor von Ti ein Strom U = U-Yh fließt, für den unter der Annahme R\ = R₂ = R gilt:

11

' ti

V« R

y R

Kr

Da /„' im wesentlichen gleich h und Ib=Ic ist, sieht man, daß der Strom /„ der durch den Kollektor von T₂

•r, fließt, lediglich von vorgegebenen und konstanten, von der Temperatur nicht beeinflußten Parametern abhängt.

Es sei nun angenommen, daß die Verstärkung der

beiden Transistoren Ti und T₂ relativ gering ist und daß dementsprechend die Basisströme I_B bezüglich der

w Kollektorströme nicht zu vernachlässigen sind. In diesem Fall ergibt sich bei den Stromspiegelschaltungen der F i g. 1 und 2 nicht die gewünschte Symmetrie zwischen den Strömen in den beiden Zweigen. Zur Kompensation des Effektes des Stromes 2/& der im

κ 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 F i g. 3 dargestellt, wo ein npn-Transistör T₃ mit seiner Basis an den Kollektor von Ti, mit seinem Emitter an die Basis von Ti und mit seinem Kollektor an die Versorgungsleitung C_rc angeschlossen ist. Auf diese Weise wird der in den Zweig a fließende Strom:

h» 2I₁₁

/in. (T,) "

dabei ist /iff (Ts) die Verstärkung des Transistors Ts.

Dieser Strom ist sicherlich in bezug auf die Kollektorströme zu vernachlässigen.

Auch bei der Stromspiegelschaltung nach F i g. 3 ist es möglich, die erfindungsgemäße Kompensation der temperaturbedingten Stromschwankungen vorzunehmen. Dies erfolgt in analoger Weise zu der in F i g. 2 dargestellten Kompensation. Es wird also eine Gruppe von vier statt zweier in Serie geschalteten Dioden in der Weise verwendet, daß ein Spannungsabfall von 4Vi₁. zustande kommt. Das gleiche Ergebnis wird auch dadurch erhalten, daß eine an sich bekannte sogenannte VVMultiplikator-Stufe verwendet wird, die aus zwei in Serie geschalteten Widerständen A3 und Λ» sowie aus einem npn-Transistor T₄ besteht, dessen Kollektor mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Stromgenerator C und dem Widerstand R₂ verbunden ist und dessen Emitter mit den Emittern von 7Ί und T₂ verbunden ist und dessen Basis mit dem Verbindungspunkt zwischen /?3 und Ra verbunden ist. Man sieht, daß am Widerstand R₂ der Spannungsabfall (4 V^-2 Vj^= 2 V₄,. beträgt, weshalb /^2Vj_xZR₂ und es ist unter der Voraussetzung Ra = R und R₃ = 3 R der in den Kollektor von Γι fließende Strom I₃' = I₃ + Ir=

V_n. R

2\„ R

2 Kv
R

Kv

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-Trainsistor Γ5 erzielt wird, dessen Source-Anschluß mit den Basisanschlüssen der Transistoren Ti und T₂ verbunden ist dessen Gate-Anschluß mit dem Kollektor Ti verbunden ist und dessen Drain-Anschluß an die Versorgungsleitung V«. angeschlossen ist. Mit dieser Maßnahme ist die Kompensation besser als bei einem Transistor mit pn-Übergängen, und zwar dank der hohen Eingangsimpedanz des Feldeffekt-Transistors. In diesem Fall wird die Kompensation der Temperaturschwankungen dadurch erhalten, daß sowohl ein Diodenpaar Du D₂ wie bei der Schaltung nach F i g. 2, als auch ein Paar Feldeffekt-Transistoren

T₆ und Ti verwendet werden, die aus dem gleichen Halbleitermaterial hergestellt worden sind wie der Transistor T5. Wie aus dem Prinzip-Schaltbild von F i g. 4 ersichtlich ist, sind die Drain-Anschlüsse von T₆ und Ti mit der Versorgungsleitung V«. verbunden, und der Transistor T₆ ist mit seinem Source-Anschluß mit der Anode von D\ verbunden und mit seinem Gate-Anschluß mit dem Source-Anschluß von T>. Der Transistor T₇ ist mit seinem Gate-Anschluß mit dem Stromgenerator G und dem Widerstand R₂ verbunden, dessen anderes Ende mit dem Kollektor des Transistors T₁ verbunden ist. Zwischen den Gate- und den Source-Anschluß des Transistors T₆ ist ein Widerstand Rs geschaltet, um die Vorspannung der Dioden D\ und D₂ in Durchlaßrichtung zu ermöglichen.

Wird R\ = R₂ = R gesetzt, so ist der den Kollektor von Τ, durchfließende Strom // = /„+//. Es ist ersichtlich, daß:

K. - (v,_iS - Kv) R

Kv

Vas + Kv
R

Dabei ist Vos die Spannung zwischen Gate-Anschluß und Source-Anschluß eines beliebigen der Feldeffekt-Transistoren. Da

. _ K;.v + Kv ' R

ergibt sich auch in diesem Fall:

V_n. R

und somit ist l_c temperaturunabhängig.

In F i g. 5 ist eine Stromspiegelschaltung dargestellt, in der die Transistoren Ti und T₂ Feldeffekt-Transistoren sind. Die Temperaturkompensation wird erfindungsgemäß mit zwei Feldeffekt-Transistoren T₆ und T₇ erhalten, und zwar im wesentlichen in der gleichen Weise wie im Zusammenhang mit Fig.4 beschrieben wurde.

H ic r/u 2 Blau Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Stromspiegelschaltung mit zwei Transistoren, die aus der gleichen Art von Halbleitermaterial hergestellt sind und vom gleichen Leitfähigkeitstyp sind und deren 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 zwischen dem zweiten Anschluß und dem Steueranschluß des ersten Transistors ein Verbindungselement liegt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den zweiten und den ersten Anschluß des ersten Transistors (Ti) ein Temperaturkompensationszweig geschaltet ist, der einen zweiten Widerstand (R2) und mindestens eine in Flußrichtung vorgespannte Halbleiterdiode besitzt und einen Kompensationsstrom (Ir) führt, dessen Wert im wesentlichen gegeben ist durch den Quotienten aus der Spannung zwischen dem ersten und zweiten Anschluß des ersten Transistors (Ti) und dem Wert des ersten Widerstands (Ri), wobei der Steueranschluß bezüglich des ersten Anschlusses in Durchlaßrichtung vorgespannt ist

2. Schaltung nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Transistor Bipolartransistoren 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, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturkompensationszweig aus einem in Serie mit zwei Dioden (Di, D2) liegenden zweiten Widerstand (R2) besteht, wobei die Dioden (Di, D₂) aus dem gleichen Halbleitermaterial bestehen wie die Transistoren (Tu T₂) und in Durchlaßrichtung vorgespannt sind, und daß der Wert des zweiten Widerstandes (R2) im wesentlichen gleich dem des ersten Widerstandes (Ri)ist(Fig. 2).

3. Schaltung nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Transistor Bipolartransistoren 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 Bipolartransistors 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 (R2) und einer damit in Serie liegenden an sich bekannten Stufe besteht, die durch einen Spannungsteiler (R3, Ra) gebildet ist, dessen beide Enden mit dem Kollektor bzw. dem Emitter eines vierten Bipolartransistors (T4) verbunden sind, der vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die beiden anderen Transistoren (Τι, T₂) ist und dessen Abgriff mit der Basis des vierten Transistors (T*) verbunden ist (F i g. 3).

4. Schaltung nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Transistor Bipolartransistoren 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, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement aus der Gate-Source-Strecke eines ersten Feldeffekt-Transistors (T₅) besteht, dessen Drain's Anschluß mit einer Versorgungsleitung (Vcc) verbunden ist, und daß der Temperaturkompensatiocszweig aus einer Serienschaltung eines zweiten Widerstandes (R₂), zweier aus dem gleichen Halbleitermaterial wie der erste und der zweite

ίο Transistor (Ti, T₂) gebildeter pn-Übergangsdioden und zweier Gate-Source-Strecken eines zweiten und eines dritten Feldeffekt-Transistors (T₆, Ti) vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der erste Feldeffekt-Transistor (T₅) besteht und daß die Dioden (D_u D₂)

is und die beiden Gate-Source-Strecken in Durchlaßrichtung vorgespannt sind (F i g. 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 (R₂) und zweier Gate-Source-Strecken eines dritten und eines vierten Feldeffekt-Transistors (T&, Ti) vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der erste und der zweite Transistor (Ti, T₂) besteht und daß die beiden Gate-Source-Strecken in Durchlaßrichtung vorgespannt sind.