DE2705276A1 - Konstantstromschaltung - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE F.W. HEMMERICH · GEhD MÜLLER · D. GROSSE · F. POLLMEIER 72

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Konstantetromschaltung

Diese Erfindung befaßt sich mit einer Konstantstromschaltung, die als ein Teil einer integrierten Halbleiterschaltung ausgeführt ist.

In integrierten Halbleiterschaltungen können die Parameter und Eigenschaften der zum gleichen Halbleiterchip gehörenden Dioden und Transistoren einander derart angepaßt werden, daß eine Konstantstromschaltung entsteht, deren Ausgangsstrom gleich dem Steuerstrom oder gleich dem Vielfachen des Steuerstromes ist. Eine bereits vorgeschlagene, eine Diode aufweisende Konstantstromschaltung ist in ein Halbleiterchip derart eingearbeitet, daß eine schaltungsmäßig auf den Emitter eines Ausgangstransistors geführte Steuerstufe entsteht, und das zwischen dem Emitterbereich der Diode und dem Emitterbereich des Transistors gegebene Verhältnis weist einen ausgewählten Wert von 1 : N auf. In diesem Falle besteht zwischen dem konstanten Strom I₂, der durch den Kollektor des Transistors fließt, und dem Steuerstrom I₁, der durch die Diode fließt, die mit nachstehender Gleichung ausgedrückte Zuordnung:-

I₂ZI₁ = N

Ist der Wert für N fast gleich Eins, dann entsteht eine Konstantstromschaltung extrem einfachen Aufbaues. Muß aber die Stromaufnahme oder der Stromverbrauch der gesamten Halbleiterschaltung auf einem niedrigen Wert gehalten werden, dann muß gegenüber dem Emitterbereich

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der Diode der Emitterbereich des Transistors derart ausgelegt werden, daß er um das Vielfache größer ist, was wiederum verlangt, daß der Halbleiterchip eine große und nachteilige Abmessung haben muß. Soll beispielsweise ein Konstantstrom-Ausgang von 10 mA erzielt werden können, dann muß das zwischen dem Eieitterbereich des Transistors und dem Emitterbereich der Diode gegebene Verhältnis einen Wert von 10 haben, d.h. der Transistor-Emitterbereich muß gegenüber dem Dioden-Emitterbereich 10 mal größer sein. Wird demgegenüber das Emitterverhältnis verringert, dann muß der Steuerstrom erhöht werden, was wiederum zur Folge hat, daß die Stromaufnahme oder der Stromverbrauch der integrierten Schaltung zu groß wird.

Ziel dieser Erfindung ist somit eine Konstantstromschaltung/Stromstabilisierungsschaltung für einen integrierten Schaltkreis, bei dem die Stromaufnahme oder der Stromverbrauch auf einen geringen Wert gehalten wird, ohne daß dafür der Halbleiterchip zu groß wird.

Zu der Konstantstromschaltung/Stromstabilisierungsschaltung dieser Erfindung gehören:-

(a) Eine Emitterfolger-Schaltung bestehend entweder aus einer einzigen Emitterfolger-Stufe oder aus mehreren Emitterfolger-Stufen, die in Kaskade geschaltet sind. Zu dieser Emitterfolger-Stufe oder zu jeder Emitterfolger-Stufe gehören ein Transistor und ein Widerstand, die schaltungsmäßig zwischen dem Emitter und einem Anschluß der Stromquelle angeordnet sind.

(b) Eine Ausgangsstufe. Diese Ausgangestufe als Transistor ausgeführt, dessen Basis mit dem Ausgang der Emitterf olger-Schaltung verbunden 1st, dessen Emitter auf

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den Anschluß der Stromquelle geführt ist und dessen Kollektorstrom der Ausgangsstrom ist.

(c) Mehrere Dioden, die zwischen dem Eingang der Emitterfolger-Schaltung und dem Anschluß der Stromquelle als Reihenschaltung angeordnet sind. Die Anzahl der Dioden ist dabei gleich der Anzahl der Emitterfolger-Stufen plus I.

(d) Schließlich auch noch eine Stromquellen-Vorrichtung, die den Dioden Strom zuzuführen hat.

Die Transistoren und die Dioden werden dabei in einen einzigen Halbleiterchip angeordnet und eingearbeitet.

Diese Erfindung wird nachstehend nun anhand des mit Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles (der mit Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele) näher erläutert. In der Zeichnung werden drei Ausführungsbeispiele der Konstante tromschaltung/Stromstabilisierungsschaltung wiedergegeben.

Wie aus Fig. 1 zu erkennen ist, sind die Dioden D₁.und D. als diodengeschaltete Transistoren ausgeführt, d.h. eine jede Diode besteht aus einem NPN-Transistor, dessen Kollektor und dessen Basis miteinander verbunden sind und die Anode der Diode bilden, während der Emitter dieses Transistors die Kathode ist. Die Anode der Diode D₉ ist schaltungsmäßig auf die Kathode der Diode D. geführt, und die Kathode der Diode D„ liegt an Erde. Eine Stromquelle I für den Steuerstrom ist auf die Anode der Diode D geschaltet. Bei dieser Stromquelle kann es sich um einen Widerstand handeln, der mit einer Spannungsquelle verbunden ist. Die Dioden D und D„ und die Spannungsquelle bilden eine Steueretufe.

Die Anode der Diode ϋ_χ steht mit einer Emitterfolger-Schal-

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tung in Verbindung, die als Emitterfolger-Schaltung mit einer einzigen Emitterfolger-Stufe ausgeführt ist. Diese Emitterfolger-Stufe besteht aus dem NPN-Transistor Q₁ und aus dem Widerstand R , der schaltungsinäßig zwischen dem Emitter des Transistors Q und Erde angeordnet ist. Die Basis dieses Transistors Q ist auf die Anode der Diode D₁ geführt, während der Kollektor dieses Transistors mit einer (nicht dargestellten) Stromquelle in Verbindung steht. Das hat zur Folge, daß die Basis des Transistors Q und der Emitter des Transistors Q₁ jeweils den Eingangspunkt A und den Ausgangspunkt B der Emiitterfolger-Stufe bilden.

Die Konstantetromschaltung/Stromstabilisierungsschaltung wird durch eine Ausgangsstufe vervollständigt, die als NPN-Transistor Q. ausgeführt ist. Die Basis die-

Aus gang ^&

ses Transistors ist mit dem Emitter des Transistors Q

verbunden, der Emitter des Transistors Q. liegt ♦ ^Au3 ga.ng ^s

an Erde und der durch den Kollektor fließende Strom ist der Ausganges trom, was bedeutet, daß der Laststromkreis oder der zu steuernde Stromkreis an den Kollektor des

Transistors Q. angeschlossen werden muß. Ausgang

Für die analysierende Beschreibung der Arbeitsweise oder der Funktion der mit Fig. 1 wiedergegebenen Schaltung sowie für die analysierende Beschreibung der Zuordnung und der Verknüpfung zwischen dem Strom I, der von der Stromquelle I her aufgeschaltet wird, und dem Kollektorstrom Ip des Transistors Q₁ sowie dem Ausgangsstrom I₀ des Transistors Q sei angenommen, daß J Ausgang '

die Emitterbereiche der beiden Transistoren Q und Q_{Aus an} und die Eraitterbereiche der Dioden D. und D_

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gleich sind, daß der Einfluß des Basisstromes der Transistoren Q₁ und Q. vernachlässigt werden kann 1 Ausgang "

und nicht berücksichtigt zu werden braucht. Für die Spannung V zwischen der Basis und dem Emitter von irgendeiner der Dioden und irgendeinem der Transistoren gilt die nachstehend angeführte Gleichung:-

^VBE

In dieser Gleichung ist K die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur, q die Elektronenladung (e), I der Kollektorstrom und I der Sättigungsstrom. Weil sich nun

die Dioden D, und D₀ sowie die Transistoren Q, und Q

12 ^l ^Ausgang

im gleichen Halbleiterchip befinden , ist der Wert oder die Größe von I für alle gleich, damit aber kann auch KT/q als für alle Halbleiter-Vorrichtungen im Chip gleich betrachtet werden. Aus diesem Grunde wird die Basis-Emitter-Spannung V„_ für den Transistor Q. in der nachstehend gegebenen Gleichung dadurch bestimmt und festgelegt, daß das Potential am Punkt B vom Potential am Punkt A subtrahiert wird. Die dafür zutreffende Gleichung lautet:-

₍₂ e_n Ξι

Für die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q. gilt ebenfalls die nachstehende Gleichung:-

Aus diesem Grunde kann das Verhälnis zwischen den Strömen I₁ , I₂ und I- anhand der nachstehenden Gleichung ermittelt werden:-

und schließlich auoh «it....

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Die letzte Gleichung läßt erkennen, daß das Verhältnis zwischen I₁ und I„ gleich dem Verhältnis zwischen I₂ und I ist. Soll nun das Verhältnis zwischen I und I_ gleich 1 : N werden, dann läßt sich das dadurch erreichen, daß der Wert oder die Größe für I„ so ausgelegt und arrangiert wird, daß dieser/diese gleich l/N von I₁ ist.

Damit aber kann der Steuerstrom I₁ auf einen kleinen Teil des Ausgangsstromes I„ gebracht werden, ohne daß der Emitterbereich des Ausgangestufen-Transis tors Q gegenüber jenen der Steuerstufendioden D₁ und D„ vergrößert wird, was wiederum zur Folge hat, daß die Stromaufnahme oder der Stromverbrauch der integrierten Schaltung verringert werden kann, ohne daß dabei der Halbleiterchip ungewöhnlich groß ausgelegt und ausgeführt werden muß. Ein weiterer Vorteil der Schaltung nach Fig. 1 liegt darin, daß der Ausgangsetrom I„ von der Temperatur unabhängig ist, wie dies aus der letzten Gleichung klar hervorgeht.

Es ist angenommen worden, daß die Emitterbereiche aller Transistoren und aller Dioden gleich groß sind. Wenn aber die Emitterbereiche der verschiedenen Schaltelemente unterschiedlich groß sind, dann braucht nur eine Konstante in die letzte Gleichung eingeführt zu werden. Unter der Voraussetzung, daß das Verhältnis zwischen den Emitterbereichen nicht zu groß ist, werden deshalb die Resultate so ausfallen, als wenn alle Emitterboreiche gleich groß wären. Ein Ausgangsstrom I„, der gegenüber dem Steuerstrom I- kleiner ist, kann dadurch erzielt werden, daß ein starker Strom I_ durch die Emitterfolger-Stuf· zum Fließen gebracht wird.

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Die geänderte und modifizierte Konstantstromschaltung/ Stromstabilisierungsschaltung nach Fig. 2 hat eine Emitterfolger-Schaltung mit (Ν-!) Emitterfolger-Stufen, zu denen die Transistoren Q. bis Q ., und die Widerstände R- bis R^ gehören. Auch in diesem Falle ist der NPN-Translstor Q. der Ausgangstransistor.

^Ausgang ^{ö ö}

Die Anzahl der Dioden D bis D ist gleich der Anzahl der Transistoren in der Emitterfolger-Schaltung und derAusgangsstufe (Q^ bis Q_n-1 und Q_Ausgang)· ^Der Eingangspunkt der Emitterfolger-Schaltung ist die Basis des Transistors Q , und der Ausgangspunkt der Emitter des Transistors Q . Unter Verwendung der mit Fig. 2 wiedergegebenen Schaltung läßt sich mit einem schwachen Steuerstrom I₁ ein starker Ausgangsstrom I_n+, erzielen.

Nochmals zurück zu Fig. 1: Der Basisstrom des Ausgangtransistors Q₁ kann den Emitterstrom I eines ^Ausgang e

Transistors einer früheren Stufe beeinflussen. Um dies zu vermeiden oder diesen Effekt zu verringern, wird die Schaltung nach Fig. 3 eingesetzt. Diese Schaltung unterscheidet sich von der mit Fig. 1 dargestellten Schal tung darin, daß ein Widerstand R^ schaltungsmäßig zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors angeordnet ist, der die Diode Dp bildet. Es ist ebenfalls möglich, daß in ähnlicher Weise ein Widerstand für den Stromkreis der Diode D schaltungsmäßig vorgesehen wird.

Die mit Fig. 1 bis Fig. 3 dargestellten NPN-Transistoren können durch PNP-Transistoren ersetzt werden. Dann aber sind die Dioden D mit entgegengesetzt gerichteter Polarität zu schalten, was wiederum zur Folge hat, daß der Strom in die entgegengesetzte Richtung fließt. Darüber

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hinaus kann der mit Fig« 1 und Fig. 3 dargestellte Widerstand R₁ der Emitterfolger-Stufe, können die Widerstände R₁ bis R^ der mit Fig. 2 dargestellten Emitterfolger-Stufen, durch eine Konstantstromquelle mit einem ohraschen Ausgangs-Gleichstromwiderstand ersetzt werden.

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Claims (7)

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   Patentansprüche:-

   f 1■. konstantstromschaltung mit einem Ausgangstransistor, ^—^dessen Emitter mit dem Anschluß einer Stromquelle verbunden ist, und dessen Kollektor mit dem Verbraucher-Stromkreis oder dem zu steuernden und zu regelnden Stromkreis in Verbindung steht, und mit einer Diodenschaltung, die von einer Stromquelle aus Strom zugeführt erhält und wirkungsmäßig zwischen den Eingang des Ausgangstransistors und dem Anschluß der Stromquelle geschaltet ist und deren Ausgangstransistor und Diodenschaltung auf einem einzigen Halbleiterchip angeordnet sind,
   dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Diodenschaltung (D₁, D₂) und der Basis des Ausgangstransistors (Qausaana^ ^{eine aus einer} Emitterfolger-Stufe oder aus mehreren in Kaskade geschalteten Emitterfolger-Stufen bestehende Emltterfolger-Schaltung schaltungsmäßig angeordnet ist; daß diese Emitterfolger Stufe oder jede Emitterfolger-Stufe aus einem Transistor (Q₁ oder Q₁ - Q_n-1) und aus einem Widerstand (R₁ oder R₁ - R_n-1) besteht, der zwischen den Emitter des Transistors und dem Stromquellenanschluß geschaltet ist; daß schließlich die Diodenschaltung aus mehreren Dioden (D₁ oder D₁ - D_n) besteht, die in Reihe zwischen den Eingang der Emitterfolger·- Schaltung und dem Stromquellenanschluß geschaltet sind, wobei die Anzahl der Dioden der Anzahl der Emitterfolger-Stufen plus Eins entspricht, wobei weiterhin der bzw. die zur Emitterfolger-Schaltung gehörenden Transistoren in den Halbleiterchip eingearbeitet sind.

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   ORIGINAL

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   ot
2. 2. Konstantstromschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine jede Diode als Transistor ausgeführt ist, dessen Basis und dessen Kollektor miteinander verbunden sind.
3. 3. Konstantstromschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei mindestens einer der Dioden die Transistorbasis und der Transistorkollektor über einen Widerstand miteinander verbunden sind.
4. 4. Konstantstromschaltung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterbereiche der Dioden und des Transistors oder der Transistoren der Emitterfolger-Schaltung im wesentlichen gleich groß sind.
5. 5. Konstantstromschaltung nach einem der vorerwähnten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Widerstand der Emitterfolger-Stufe oder bei den Widerständen von mindestens einer der Emitterfolger-Stufen um eine Konstantstromquelle handelt.
6. 6. Konstantstromschaltung nach einem der vorerwähnten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung der Emitterfolger-Stufe oder der ersten Emitterfolger-Stufe von der Durchlaßspannung der Dioden bestimmt wird, wohingegen die Basisspannung des Ausgangstransistors bestimmt wird vom Ausgang der Emitterfolger-Stufe oder von der letzten Emitterfolger-Stufe.
7. 7. Konstantstromschaltung nach einem der vorerwähnten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquellen-Vorrichtung aus einer Spannungsquelle und einem Widerstand besteht.

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