DE2656077B2 - Konstantstromquelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Konstantstromquelle, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzt ist. Insbesondere handelt es sich um eine in monolithisch integrierter Schaltung ausbildbare Konstantstromquelle, welche sehr niedrige Ströme zur Vorspannung von Schaltungsteilen liefert.

Ein Problem beim Entwurf monolithisch integrierter Schaltungen besteht darin, daß sich Widerstände hoher Werte, also etwa im Bereich von 50 kOhm aufwärts, nur sehr schwer realisieren lassen, insbesondere wenn die Widerstandswerte einigermaßen genau bei sogenannten Pinch-Widerständen eingehalten werden sollen, die durch zwei aufeinanderfolgende Diffusionsschritte ausgebildet werden. Ferner benötigt man bei integrierten Schaltungen auch Konstantstromquellen für niedrige Ströme bis unter den Mikroamperebereich. Die Konstantstromquelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei der allerdings der erste Widerstand in der Basisleitung des zweiten Transistors liegt, ist aus der

US-PS 39 21 013 bekannt.

In der US-PS 39 21 013, auf weiche auch der Aufsatz »Integrierbare Grundschaltungen für analoge Signale« der Autoren van Kessel und vande Piasschein »Philips Technische Rundschau« 32, Nr. 1, Seiten 1 —8 zurückgeht, werden diese Probleme behandelt. Dort wird einem Ausgangstransistor einer Konstantstromquelle eine Basis-Emitter-Spannung (Vbe) zugeführt, welche sich ergibt aus

a) der Spannung Va? des als Diode geschalteten und sich so selbst vorspannenden Eingangstransistors, durch dessen Emitter-Kollektor-Strecke man einen relativ hohen Eingangsstrom fließen läßt, abzüglich

b) des Spannungsabfalls an einem Vorwiderstand, durch welchen man einen Strom fließen läßt, der praktisch gleich dem durch die Emitter-Kollektor-Strecke des Ausgangstransistors fließenden Strom ist.

Infolge der niedrigeren Spannung Vbe des Ausgangstransistors über dessen Basis-Emitter-Strecke ein als i^iOuC geSCiiaitCter z-WiSCiicfiirariSiSiur gcSCii.äitct iSi, iSi der seine Emitter-Kollektor-Sixecke durchfließende Ausgangsstrom relativ klein verglichen mit dem Eingangsstrom. Bei diesen bekannten Schaltungen muß man jedoch, wenn man einen sehr kleinen Ausgangsstrom wünscht, den Vorwiderstand wesentlich größer werden lassen, ah, es der Verringerung des Ausgangsstromes entspricht. Auf diese Weise kommt man schnell

in zu einer unteren Grenze des mit in integrierter Form auf kleiner Fläche realisierbaren Widerständen erreichbaren Ausgangsstromes.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine Konstantstromquelle anzugeben, welche ohne hochoh-

j) mige Widerstände sehr kleine Ausgangsströme liefern kann. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der Erfinder hat nämlich festgestellt, daß man zu einer Verkleinerung eines für Vorspannungszwecke vorgesehenen Stromes ohne zw.üt^.liche Widerstände kommen kann, wenn man die bekannte Stromquelle so abwandelt, daß man einen weiteren Vorwiderstand zwischen Basis und Kollektor des Zwischen transistors einfügt, dessen Kollektorstrom durch diesen Wider-5 stand fließt. Der Spannungsabfall an dem weiteren Vorwiderstand verringert die Spannung Vgr des Endtransistors noch weiter als das Vbh des Zwischentransistors und verringert auf diese Weise den Ausgangsstrom. Der Strom kann zunehmend verklei-

SO nert werden, wobei der Wert des weiteren Vorwiderstandes nur mäßig erhöht zu werden braucht, weil der diesen Wiederstand durchfließende Strom mit Anwachsen des Widerstandes nicht nennenswert abnimmt.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran-Sprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 bis 3 verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Konstantstromquelle und

M) Fig.4 bis 6 typische Eingangsschaltungen für die in den F i g. 1 bis 3 dargestellten Konstantstromquellen.

Die in F i g. 1 dargestellte Konstantstromqiielle hat einen Eingangsanschluß 71, einen Ausgangsanschluß T₃ und einen beiden gemeinsamer, Anschluß T₂. Für den Betrieb der drei Transistoren Q\, Q₂ und Q₃ ist im wesentlichen die folgende Gleichung maßgebend:

V_BE = (kT/q)\n [I_t/A_8tJ_s) (I)

Vbe = Basis-Emitter-Spaniiung des Transistors;

k =-■ BoUzmann-Konstanie;

q = Elektronenladung;

T = Betriebstemperatur des Transistors;

Ie = Emitterstrorn des Transistors;

Abe = wirksame Basis-Emitter-Übergangsfläche und

Js = die Stromdichte Ie/A für Vbe=0.

Es sei angenommen, daß die Transistoren Qu Q> und Qj Basis-Err.'.iter-Übergänge mit den gleichen Dotierprofilen haben und bei praktisch der gleichen Temperatur Γ betrieben werden, so daß in allen drei Fällen die Stromdichte /sgleich sind. Bei normalen Betriebstemperaturen, etwa 300° K, beträgt der Wen von kT/q 26 mV. Die Werte Vbe, /fund Abe werden im folgenden mit den jeweils zugehörigen Transistor kennzeichnenden Zusätzen versehen. Es sei ferner angenommen, daß die Transistoren Qu Qi und Qi qualitativ hochwertig sind, so daß ihre Basisströme Ibqu Ibq2 und Ibqi vernachlässigbar klein gegenüber ihren Kollektorströmen Icq\, Icq2 bzw. Icqi sind. Dann sind die Kollektorströme Icqi, Icq2

jCvvciiS pfaKiiSCii giCiCn uCTi CntSprcCncndcn

Emitterströmen Ieq\, Ieq2 bzw. Ieqi. Aus Gleichung i können dann die folgenden Gleichungen abgeleitet werden:

In {l_EQX A_BEQZ I, Q₂A_KEQi ) »— 1
In U_f:QiA_BIQS 1_ΚΰίΑ_ΒΚφ) l3i

Die nachstehenden Gleichungen 4 und 5 ergeben sich aus dem ohmschen Gesetz, wobei R-, und R die Widerstandswerte der ebenso bezeichneten Widerstände sind.

HhQl

VBEQl

~ Cflü2 + h Ql +

Die Gleichungen 4 und 5 lassen sich zu den nachstehe den guten Näherungen reduzieren.

Durch Zusammenfassung der Gleichungen 2 und 6 bzw. 3 und 7 ergeben sich die nachstehenden Gleichungen 8 und 9 für die Widerstände R\ und R.

R₁ = ikT/qI_EQ2)U\(ι _Κΰ,Α_ΗΙΰΖΙι.^2Α,_ηΩι) (8)
R ■--■ (kT/ql_EQ2) In V._liQ2A_mQX '<).q>A„_E(j2) (9)

Eine Addition der Gleichungen 8 und 9 führi zur Gleichung(IO)

(R, + R) = ikT/<il_EQ₂) In (i_ttfl/4_e,._tf.v /, _QsA_BIQS)

Für eine gewünschte Beziehung zwischen den Strömen Ieq\ und Ieoi< die jeweils praktisch gleich dem dem Anschluß T\ zugeführten Eingangsstrom bzw. dem an der Klemme T) abgenommenen Ausgangsstrom sind, kann Ieqi mit einem Wert zwischen Ieq\ und Ieqi gewählt werden, so daß Il\ + R irgendeinen bequemen Widerstandswert erhalten kann.

Beispielsweise sei angenommen, daß

AbEQ\ ' AbEO2

sei, und daß man einen Eingangsstrom von etwa 1 niA (1000 Mikroampere) vorsehen möchte und einen Ausgangsstrom von etwa 10OnA erhalten will. Ri+ R liegt dann im Bereich von 2000 Ohm. Der Eingangsstrom wird um den Faktor 10 000 verringert, und — da bei normalen Transistorbetriebsiemperaturen um 300° K kT/qgleich 26 mV ist - ergibt der Ausdruck

(kT/q)\n (IeqiAbeqiIlkviA_Bi.Q\)

eine Größe von 240 mV. Auflösung der Gleichung 10 nach Ieqi ergibt mit 240 mV geteilt durch 2000 Ohm einen Wert von 120 μΑ. Kennt man Ieq₂, dann lassen sich aus den Gleichungen 8 und 9 die Werte Ri und R berechnen. Ri ergibt sich aus kT/'q = 2o mV geteilt durch Ieqi gleich 120 μΑ und In(I πιΑ/Ι20μΑ) - also 2,12 zu einem Wert von 460 Ohm; entsprechend wird R !540 Ohm. Der dem Anschluß 71 zugeführte Eingangsstrom ist gleich Ieqi (1000 μΑ) plus einem Strom, der im wesentlichen gleich //^(also 120 μΑ) ist, also 1120 μΑ.

Das Verhältnis R zu R_t ist im vorstehenden Beispiel 4:1 und läßt sich somit in rnonr .thisch integrierter. Schaltungen becjUcm rcalisicicii. N'iium man in Gleichung 9 R = 4 /?, an und faßt diese Gleichung mit Gleichung 1 zur Eliminierung von R] zusammen, dann kann man einen Wert Ieq₂ (150 μΑ) erhalten, der nach Rück^insetzung in die Gleichungen 8 und 9 zu Werten von Ri (303 Ohm) und R (1210 Ohm) führt, die genau im Verhältnis 1 :4 stehen.

Kehren wir zum ursprünglichen Beispiel zurück und vermerken, daß R\ + R mit 2000Oh-Ji etwa 1200 mal kleiner als R\ allein wäre, wenn man R durch eine unmittelbare Verbindung ersetzen würde. Hierbei würde ein Spannungsabfall 240 mV zwischen Vbeq- und Vbeoi am Widerstand /?, abfallen, der einen Strom vor. der Größe des Ausgangsstroms führen würde, nämlich 10OnA. R] müßte dann in der bekannten Schaltung einen Wert von 2,4 MOhm haben, und ein solcher Wert läßt sich mit den derzeit verfügbaren Techniken in integrierter Form nicht vernünftig realisiersn.

Bei der Konstantstromquelle gemäß den US-PS 39 21 013 hängt der Ausgangsstrorn logarithmisch vom E^: ;gangsstrom ab: Wenn der Eingangsstrom ansteigt, dann steigt auch der Ausgangsstrom, jedoch weniger stark. Bei den hier beschriebenen Konstantstromquellen steigt der Ausgangsstrom über einen unteren Bereich des anwachsenden Eingangsstroms jeaoch weniger als logarithmisch an und sinkt über einen oberen Bereich wachsenden Eingangsstrorr"; Häufig läßt sich diese Charakteristik ausnutzen, um einen konstanteren Ausgangssirom für einen gegebenen Eingangsstrombereich zu erhalten, als es mit bekannten Konstantstromquellen der Fall war. Bei einer Anwendung, wo die Konstanz des Ausgangsstromwertes der wichtigste Gesichtspunkt ist, ergibt sich für die Wahl von Rt + R ein breiterer Bereich. Da die Gleichungen 8. 9 und 10 nicht linear sind, ₍"eht man beim Entwurf am besten so vor, daß man sich Kurvenscharen für einen Entwurfsbereich verschafft wobei jede Kurve normierte Werte R, und R über dem Verringerungsfaktor des normierte·; Eingangsstromes für einen vorgegebenen Bereich von Eingangss'.romänderungen wiedergibt, und dann eine geeignete Bemessung für den jeweiligen Anwendungszweck auswählt.

Fig. 2 zeigt eine gegenüber Fig. 1 abgewandelte Ausführungsform einer Konstantstromquelle. Sie eignet sich insbesondere ocnn, wenn ein konstanter Ausgangsstrom trotz Änderungen des Eingangsstromes gewünscht wird, der Ausgangsstrom iedoch nicht so sehr

weit unter einen minimalen Eingangsstrom herabgesetzt werden sull. Man kann nämlich die Betriebsweise der Fig. 1 mit einem negativen Wert für R simulieren, wenn der absolute Wert von R\ kleiner als derjenige von R₂ ist. Bei einem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 mit einem Widerstand R\ von 3 kOhm und einem Widerstand R von 1140 0hm erhält man die in der untenstehenden Tabelle angegebenen Werte. Um die gleichen Ergebnisse bei einer Schaltung gemäß F i g. 1 zu erhalten, müßte der Widerstand R\ ebenfalls 3 kOhm sein, der Widerstand R müßte dagegen einen negativen Wert von - I860 Ohm haben: Solch ein negativer Wert ist jedoch unpraktisch. Mit anderen Worten kann man die Schaltung gemäß F i g. 2 für Betriebsbedingungen

■> einsetzen, wo eine Schaltung gemäß F i g. 1 schlecht realisierbare Werte der Bauelemente (negativen Widerstand) erfordern würde. In der nachfolgenden Tabelle ist der Strom /«vder dem Anschluß T\ der Schaltung gemäß F i g. 2 /ugeführte Strom und der Strom loin der

in Strombedarf am Anschluß Tj.

'is	10 [i	A	30 μ Λ	100	y. A	300 ;;.	Λ	1 γπΛ
Inn	4.3	■λ.Λ	0.2 Ά	7	X ι.\	S.5	■ι \	S.0 -J.A

3 m A

10 mA

Der Strom Ι,,ι ι ändert sich nur über einem Bereich ■; 2 : 1 trot/ Kingangsstromänderungcn ///vim Bereich von 1000:1.

F i g. 3 zeigt eine weitere Abwandlung der Schaltung gemäß Fig. I, die sich für Ra und R=, jeweils praktisch gleich R, bzw. R; sehr ähnlich wie die Sehaltiinr von -ι. F i g. 1 verhält, wenn Iiqi wesentlich größer als lit./1 ist. jedoch von diesem Verhalten etwas abweicht, wenn //_f).> nur wenige Male so groß wie I/o 1 ist.

Man kann verschieden galvanische Koppclschaluingen zum Ersatz der unmittelbaren Verbindung f Ii y, /wischen Kollektor und Basis des Transistors Q\ in den Schaltungen gemäß den F" i g. 1 bis 3 verwenden, um für den Transistor Qi eine Kollektor-Basis-Gleichstromrückkopplung zur Bestimmung von V_eFQ₂ zu realisieren Beispielsweise kann man einen in Kollektorgrundschal- >m tung betriebenen Transistorverstärker benutzen, I ro 2 erscheint dann nicht als Anteil des T, zugeführten Eingangsstromes. Die Transistoren Q_u Q₂ und Q_} können auch durch gleich aufgebaute bekannte Verbundtransistoren aus jeweils mehreren Einzeltransi- π stolen ersetzt werden, beispielsweise durch Darlington-Schaltungen.

Die F i g. 4. ~i und b /eigen verschiedene typische Schaltungen zur Zuführung von Fingangs.strom /11 einer Konstanlstroniquelle. wie sie in den F i g. 1, 2 oder 3 fl;irprstrllt sind (irmiiß FiP 4 wird der durch den Widerstand Ri\ zum Anschluß 7Ί fließende Eingangssirom nach dem ohmsehen Gesetz durch den Spannungsabfall an Ri\ bestimmt, also durch die von der .Spannungsquelle .S' gelieferte Spannung \\ abzüglich Vni,y„ dividiert durch den Widerstand Ri\. Bei F ι g. 5 ist cm η-leitender Vcrarmungsfcldeffekttransistor (Ji für die Zuführung eines praktisch konstanten Eingangsstronies zum Anschluß T\ vorgesehen, bei F i g. b handelt es sich cni-prechend um einen p-lcitenden Vcrarmungsfeldcffekttransistor Q,. Die Konstantstromquellc kann in diesen Beispielen vorzugsweise für einen konstanten Ausgangsstrom ausgelegt werden, wobei Veränderungen der Leitungseigenschaften des Widerstandes R·, des Kanals von Qi oder des Kanals von Q=, möglich sind.

Hierzu 1 Filatt Zeichiiuimen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Konstantstromquelle mit drei bipolaren Transistoren gleichen Leitungstyps, deren erster (Q 1) mit seinem Kollektor an einem Eingangsanschluß (TX) und mit seinem Emitter an einen Eingangs- und Ausgangskreis der Konstantstromquelle gemeinsamen Anschluß (Tl) geführt ist und mittels einer Kollektor-Basis-Rückkopplung fü· die Leitung im wesentlichen des gesamten Eingangsstroms über seine Emitter-Kollektor-Strecke zum gemeinsamen Anschluß (T2) vorgespannt ist, wobei ferner die Basis-Emitter-Strecke des zweiten Transistors (Q 2) in Reihe mit einem ersten Widerstand (R 1) parallel zur Basis-Emitter-Strecke des ersten Transistors (Qi) geschaltet ist und der Kollektor des zweiten Transistors über eine Verbindung mit seiner Basis zusammengeschaltet ist und die zwischen einem Punkt dieser Verbindung und einem Punki des EmittenLseises des zweiten Transistors (Q2) auftretende Spannung der Basis-ErnitterStrecke des dritten Transistors (Q 3) zugeführt wird, dessen Kollektor mit dem Ausgangsanschluß (T3) der Konstantstromquelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen Kollektor und Basis des zweiten Transistors (Q 2) zur Verringerung der Basis-Emitter-Spannung des dritten Transistors (Q 3) einen zweiten Widerstand (7?; enthält.

2. Konstantstromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzei.hnet, daß der erste Widerstand (R 1) in die Verbindung des Emitters des zweiten Transistors (Q 2) mit dem gemeinsamen Anschluß (T2) eingefügt ist (F ig. 2).

3. Konstantstromquelle nac.· Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des dritten Transistors (Q3) ohne Zwischenschaltung einer nennenswerten Impedanz an den gemeinsamen Anschluß (T2) geführt ist.

4. Konstantstromquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des dritten Transistors (Q3) ohne Zwischenschaltung einer nennenswerten Impedanz an den Emitter des zweiten Transistors (Q 2) geführt ist.