DE2711864A1

DE2711864A1 - Stromstabilisierungskreis

Info

Publication number: DE2711864A1
Application number: DE19772711864
Authority: DE
Inventors: Daniel Johannes Gerard Janssen
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1976-03-31
Filing date: 1977-03-18
Publication date: 1977-10-06
Also published as: SE7703485L; DK137077A; BE853005A; JPS6037484B2; NL7603321A; FR2346766B1; US4117391A; DE2711864C2; SE433674B; GB1540951A; FR2346766A1; NL177858B; NL177858C; CA1116234A; JPS52120359A; IT1085213B

Description

ρ .·:■· ; ■■■ ■ : ' - PHK. 8-351.

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' * * 5-2-1977.

•Stromstabilisierungskreis".

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stromstabilisierungskreis mit einer ersten und einer zweiten Anschlussklemme, einem mit einem ersten und einem zweiten Eingang versehenen Differenzverstärker mit einer definierten "off-set"-Spannung, dessen erster Eingang mit der ersten Anschlussklemme verbunden ist, einem ersten Widerstand, der zwischen der ersten Anschlussklemme und dem zweiten Eingang des Differenzverstärkers liegt, einem ersten Transistor, dessen Steuerelektrode mit dem Ausgang des Differenzverstärkers gekoppelt ist und dessen Hauptstroinstrecke zwischen dem zweiten Eingang des Differenzverstärkers und

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einer Ausgangsklemme liegt, wobei zwischen der Ausgangskleninie und der zweiten Anschlussklemme eine Belastung vorgesehen werden kann.

Ein derartiger Stromstabilisierungskreis, bei dem die "off-set"-Spannung des Differenzverstärkers einer zwischen dem ersten Eingang und der ersten Anschlussklemme vorgesehenen Bezugsspannungsquelle entnommen wird, ist aus dem Artikel "Dynamic Loads Requires No Additional Power Supplies" von R.Wober, veröffentlicht in der U.S.Zeitschrift "Electrical Design Use", Heft 20, März 20, 1975, Nr. 6, Seiten 76 und 77 bekannt. Die Bezugsspannungsquelle wird dabei durch eine in einem Hilfskreis vorgesehene Reihenbelastung aus mehreren Dioden gebildet.
Dies weist den Nachteil auf, dass die "off-set"-Spannung, die von der von der Bezugsspannungsquelle abgegebenen Bezugsspannung abgeleitet wird, nicht genau definiert ist, weil die Bezugsspannung einerseits nicht linear mit der Temperatur ändert und andererseits von der Stromeinstellung der Dioden in der genannten Reihenschaltung abhängig ist. Weiter sind die minimale Arbeitsspannung am Kreis und der Strom im Hilfskreis des Kreises relativ gross, was einerseits zu einem beschränkten Anwendungsbereich führt und andererseits macht, dass der Kreis sich weniger dazu eignet, in integrierter Form verwirklicht

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zu werden.

Die Erfindung bezweckt nun, eine neue

Konzeption eines Stromstabilisierungskreises zu verwirklichen, der auf einfache Weise die genannten Nachteile vermeidet.

Der Stromstabilisierungskreis nach der Erfindung weist dazu das Kennzeichen auf, dass zum Erhalten der definierten "off-set"-Spannung der Differenzverstärker mit einem zweiten und einem dritten Transistor versehen ist, deren Stromdichten auf untereinander verschiedene Werte eingestellt und deren Emitter miteinander verbunden sind.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Stromstabilisierungskreises sind die mit einander verbundenen Emitterelektroden des zweiten und des dritten Transistor, wobei die Emittoroberflache des dritten Transistors grosser gewählt worden ist als die des zweiten Transistors über eine erste Stromquellenschaltung mit der zweiten Anschlussklemme verbunden sind die Kollektorelektroden über eine Stromspiegelschaltung mit der ersten Anschlussklemme verbunden und bildet die Steuerelektrode des zweiten Transistors den ersten Eingang des Differenzverstärkers und die Steuerelektrode des dritten Transistors den zweiten Eingang des Differenzverstärkers.

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Diese Ausführungsforin bietet den Vorteil,

dass auf sehr einfache Weise eine definierte "off-set"-Spannung verwirklicht worden ist.

Nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erf indungsgeinässen Stroms tabili si erungskrci ses enthalt dieser Kreis einen vierten Transistor, dessen Steuerelektrode an den Kollektor des dritten Transistors angeschlossen ist, wobei der Kollektor an die erste Anschlussklemme angeschlossen ist und der Emitter einerseits mit der Steuerelektrode des ersten Transistors und andererseits über eine zweite Stromquellenschaltung mit der zweiten Anschlussklemme verbunden ist. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass durch die hohe Stromverstärkung der Kaskadenschaltung des vierten und des ersten Transistors im Verhältnis zum Strom durch die Belastung nur ein sehr geringer Speisestrom durch den Differenzverstärker fliesst, und ausserdem den zusätzlichen Vorteil, dass wegen der Tatsache, dass die Ströme im zweiten und dritten Transistor gegenüber dem im ersten Transistor fliessenden Strom klein sind, dieser StromstabiIi sierungskreis sehr s t a b11 ist.

Nach einer weiteren Ausführungsforni des

erf indungsgeinässen Stroms tabi ] lsi eruiigskro i ses nntli.'il t die Stromspiegelschaltung eine im Ko]J eklorkrei s des zwei ten Transistors vorgesehene Diodenscha1tung und

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eine im Kollektorkreis des dritten Transistors vorgesehene Hauptstromstrecke eines fünften Transistors, dessen Steuerelektrode mit dem Kollektor des zweiten Transistors verbunden ist und wobei die Oberflächen der HalbleiterUbergänge der Diodenschaltung und der Emitterbasis des fünften Transistors grosser sind als die Oberflächen des Basis-Emitter-Uberganges des dritten Transistors und wobei der fünfte Transistor und der erste Transistor dem zweiten, dritten und vierten Transistor komplementär sind.

Diese bevorzugte Ausführungsform bietet den Vorteil, dass der Stromstabilisierungskreis bei einer minimalen Wirkspannung, die etwas grosser ist als der Spannungsabfall an einem Halbleiterübergang, funktionieren kann.

Ein Ausführungsbeispial der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen bekannten Stromstabilisierungskreis,

Fig. 2 ein Ausführuiigsbeispiel des erfindungsgemässen Stromstabilisierungskreises,

Fig. 3 eine graphische Darstellung, wobei der Ausgangsstrom als Funktion der Wirkspannung über den Stabilisierungskreis des in Fig. 2 dargestellten

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Ausführungsbei spiels aufgetragen ist.

Der in Fig. 1 dargestellte Stromstabilisierungskreis onthU.lt eine erste und eine zweite Anschlussklemme 1 und 2 und einen Differenzverstürker 3 mit einer definierten "off-set"-Spannung.

Der erste Eingang 9 des Differenzverstärkers 3 ist fiber eine nicht dargestellte Bezugs spanmingsquelle mit der Anschlussklemme 1 verbunden und der zweiter Eingang 10 mit dem Emitter eines Transistors 5« Die Ausgangsspannung dieses Differenzverstärkers wird über einen Ausgang k der Basis eines Transistors 5 zugeführt, dessen Emitter über einen Widerstand f> nid. t der ersten Anschlussklemme 1 verbunden ist, wodurch die von der Bezugsspannungsquelle erzeugte "off-set"-Spannung des Differenzverstärkers 3 über den Widerstand angeschlossen ist. Weiter ist der Kollektor des Transistors 5 an eine Ausgangskleinme 7 angeschlossen. Zwischen der Ausgangsklenime 7 und der zweiten Anschlussklemme 2 liegt eine Belastung 8. Weiter wird über einen Leiter 11 von der Anschlussklemme 2 dem Differenzverstärker 3 Speisestrom zugeführt, der über einen Leiter 12 zur ersten Anschlussklemme 1 abfliesst.

Die Grosse des durch die Belastung 8 fliessenden Stromes ist innerhalb des Kirkgebietes des Differonzverstärkers durch die über den Widerstand 6

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angeschlossene "off-set"-Spannung und den Wert dieses Widerstandes bestimmt und ist dadurch von der zwischen den Anschlussklemmen 1 und 2 angeschlossenen Spannung unabhängig.

Der erfindungsgemässe Stromstabilisi crung·=- kreis und die besonderen Vorteile dieses Kreises werden an Hand des in Fig. 2 detailliert dargestellten Ausfuhrungsbeispiels ηfllier erläutert, wobei entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen angegeben sind.

1Ö Der Differenzverstärker 3 enthalt einen

zveitcn Transistor I3 und einen dritten Transistor 1Ί, deren Emitterelektroden miteinander und über einen als Stromquelle geschalteten Transistor 15 und einen Leiter 11 mit der Anschlussklemme 2 verbunden sind. Veiter sind die Basis des Transistors I3 aⁿ den ersten Eingang und die Basis des Transistors 1A an den zweiten Eingang des Differenzverstärkers 3 angeschlossen.

Zum Erhalten einer definierten "off-set"-Spannung ist die erste Eingangsklemine 9 des Differenz-Verstärkers 9 mit der ersten Anschlussklemme 1 verbunden und sind die Stromdichten des zweiten Transistors 13 und des dritten Transistors 1't auf untereinander verschiedene Werte eingestellt. Diese unterschiedlichen Stromdichten sind in diesem Ausführungsbeispiel d:>-durch verwirklicht worden, dass einerseits die 01><τ-fläche des Emitters des Transistors 1'| einige· Mal«',

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in diesem Ausflllirungsbeis])io] dreimal, grosser ausgebildet ist als die Oberfläche des Emitters des zweiten Transistors 13 und ist andererseits eine Stromspiegelschaltung, die aus einem als Diode geschalteten Transistor 16 und einem fünften Transistor 17 besteht, 7.v.i sclicn den Kollektoren des zweiten und dritten Transistors 13 bzw. λ U und dem Leiter 12 angeordnet. Dabei sind die Transistoren 16 und I7 derart bemessen, dass die Kollektorströme der Transistoren I3 und 1^i einander entsprechend gehalten werden. Infolge der gleichen Kollektorströme und der ungleichen Emitteroberflachen verhalten sich die Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren 13 und 1h wie der Logarithmus des Verhältnisses der RcziprokwerIe ihrer Emitteroberflachen.

Die Basis-Emitter—Spannung des T_ransistors 1 k ist dadurch um einen Faktor 3 kleiner als die des Transistors I3 in diesem Ausführungsbeispiel.

Die Summe der Spannungen in der Masche, die aus dem Basis-Emitter-Ubergang des Transistors 13, dem Emitter-Basis-Ubergang des Transistors 1'» , dem zweiten Eingang 10 des Differenzverstärkers 3> dem Widerstand 6 und dem ersten Eingang des Differenzverstärkers 3 besteht, ist gleich Null.

Die genannte Differenz der Basis-Emitterübergänge der Transistoren I3 und 1k ist dadurch am

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Widerstand vorhanden. Der Einitterstrom des Transistors 5 wird über den Kollektor an der Ausgangsklemine 7 ^zur Belastung 8 abgegeben. Dieser Bolas lungsstroni entspricht daher dor "off-set"-Spannung geteilt durch den Wert des Widerstandes 6 und ist unabhängig von der zwischen den Anschlussklemmen 1 und 2 vorhandenen Wirkspannimg.

Die minimale Wirkspannung, bei der die

Schaltungsanordnung noch funktioniert, entspricht der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 13 und der Emitter-Kollektor-Spannung des als Stromquelle geschalteten Transistors 15. Damit bei einer Eingangsspannung von 0 Volt an der Klemme 9 die Transistoren 13 und 14 nicht gesperrt werden, sind die Oberflächen der Emitterelektroden des als Diode geschaltoten Tran— sistors 16 und des Transistors 17 ausreichend grosser gewühlt worden als die Oberfläche des Emitters des Transistors 1Ί.

An dieser Stelle sei erwähnt, dass eine "off-set"-Spannung auch dadurch erhalten werden kann, dass die Emitteroberflächen der Transistoren 13 und lh einander gleich gemacht und die Stromspiegelsclialtung in den Kollektorkreisen dieser Transistoren derart bemessen sind, dass das Verhältnis der Kollektorströme einen von Eins abweichenden Wert hat. Auch können die Emitteroborflachen der Transistoren 13 und lh einander ungleich gewühlt sowie eine Stromspiegelschaltung ver-

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wendet werden, die das Kollektorstromverhäl tnis ungleich Eins sein lässt.

Der Kreis enthalt weiter einen vierten Transistor 18, dessen lia.sis mit dem Kollektor dos dritten Transistors verbunden ist, wobei der Kollektor über einen Lei t ei" 12 mit der ersten Anschlussklemme verbunden ist und wobei der Emitter einerseits an die Basis des ersten Transistors 5 und andererseits über einen als Stromquelle geschalteten Transistor 19 an die zweite Anschlussklemme 2 angeschlossen ist. Die Transistoren 18 und 5 bilden einen Ausgangsverstärker mit einem hohen Stromverstärkungsfaktor, beispielsweise 'K)OO. Die grosso Stromverstärkung des Transistors 5 sowie der grosso Stromverstärkungsfaktor des Ausgangsverstärkers ergibt, dass die Summe des über die Stromquellen 15 und I9 fliessenden Stromes gegenüber dem an der Ausgangsklemine 7 abgegebenen Nutzstroni klein ist.

Die durch den Anschluss des Emitters des Transistors 5 an den Eingang 10 gebildete Gegenkopplung ergibt, dass der Kreis sehr stabil ist. Diese Stabilität wird dadurch, dass die Oberflächen der Emitterelektroden der Transistoren 16 und I7 aus bereits genannten Gründen relativ gross sind, auch bei hohen Frequenzen beibehalten.

Infolge dieser grossen Oberflüchen sinkt

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das Ausgongt>signal des DiffGrcii/vcrstärkers 3 «'Is Funktion der Frequenz relativ schnell und zwar um einen derartigen Wert, dass die Gesnintversl Jirkung dos Differenzverstärkers 3 und des durch die Transistoren 18 und 5 gebildeten Ausgangsverstärkers kleine:" als Eins ist bei diesen parasitären Sehwingungsf requenzcn, wobei die Phasendrehung des Ausgangsverstärkers um einen derartigen Wert geändert ist, dass die genannte Gegenkopplung nicht mehr auftritt.

Der Transistor 5 ist dem Transistor 18 komplementär. Veiter ist durch eine geeeignote Bemessung die Dasis-Emitter-Spannung des Transistors 18 derart kleiner gewählt worden als die Basis-Emittor-Spannung des Transistors 5 ι dass für den fünften Transistor 17 eine ausreichende Virkspannung erhalten worden ist. Die durch den Dasis-Emitter-Ubergang des Transistors 18 herbeigeführte Verschiebung des Spaimungspegels wird durch die vom Dasis-Emitter-Ubergang des Transistors verursachte etwas grössere, jedoch entgegengesetzte Verschiebung des Spannungspegels ausgeglichen, wodurch die niedrige minimale Virkspannung des Stromstabilisierungskreises beibehalten Avircl.

Dieser Kreis ist wegen der niedrigen minimalen Virkspannung, des sehr geringen Verluststromes der Stromquellen 15 und 19 und der grosscn Stabilität besonders dazu geeignet, in elektronischen Fernsprech-

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apparaten vcrivcndet zu werden, beispielsweise tils Stabilisierungskrois eines Doppol tonwJihl signal s genera tors, dor mit I²L ausgebildet ist. Kino derartige Belastung 8 hat eine Stromspamiungskennlinic einer Halbleiterdiode. Dadurch, dass die Basiselektroden der Transistoren 15 und 19 an die Ausgangsklemme 7 angeschlossen sind, sind diese Transistoren wegen des Diodenverhaltens der Belastung 8 auf an sich bekannte Weise als Stromquellen geschaltet.

Parallel zur Haupt stromstrecke des Transistors 5 ist ein zweiter Widerstand 20 vorgesehen, der hochohmig ist und durch den der Stabilisierungskrois startet, wenn die Anschlussklemmen 1 und 2 an einen Speisekrois angeschlossen werden, beispielsweise an eine Teilnehmerleitung.

Der Emitter des Transistors 18 ist an

einen Steuereingang 2 1 angeschlossen. Dieser Steuereingang kann auf nicht dargestellte Weise an die Anschlussklemme 1 angeschlossen werden. Der Transistor 5 wird dann gesperrt und der Belastung 8 wird kein Strom geliefert. Der Strom der Stromquelle 19 fliesst dann um den Transistor 18 herum zur Anschlussklemme 1 und damit \vird der durch die Belastung 8 fliessende Strom durch den hochohmigen Widerstand 20 bestimmt. Es sei bemerkt, dass der an die Belastung 8 abgegebene Strom eine definierte Drift von 0,15^

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pro Grad Celcius hat, welche Drift in der Belastung ausgeglichen werden kann.

In Fig. 3 ist der abgegebene Belastungsstrom als Funktion der an den Kreis angelegten Wirkspannung dargestellt für zwei verschiedene Werte des ersten Widerstandes 6. Wie aus dieser Figur hervorgeht, beträgt die minimale Wirkspannung etwa 1,2 V, die maximale Wirkspannung mindestens 8 V und der Belastungsstrom ändert sich zwischen dieser minimalen und maximalen Wirkspannung um nur k^>.

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Claims

PlINi. 8Ί31. 5-2-1977. - * - 2 7 1 Ί 8 i A PATENT A N S P H TT C H E .

1. Stromstabilisieruiipskreis mit einer ersten und einer zweiten Anschlussklemme, einem mit einem ersten und einem zweiten Eingang versehenen Differenzverstarker (3) mit einer definierten " ο ff-se t-Spaiinung, dessen erster Eingang (9) mit der ersten Anschlussklemme (1) verbunden ist, einem ersten Widerstand (6), der zwischen der ersten Anschlussklemme (1) und dem zweiten Eingang (irt) des Differenzverstärkers (3) liegt, einem ersten Transistor (5)1 dessen Steuerelektrode mit dem Ausgang (h) des Differenzverstärkers (3) gekoppelt ist und dessen Ilauptstronistrecke zwi seilen dem zweiten Eingang (1O) des Differenzverstarkers (3) und einer Ausgangskleinnie (7) liegt, wobei eine Belastung (8) zwischen der Ausgangsklenime (7) urd der zweiten Anschlussklemme (2) vorgesehen werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erhalten der definierten "off—set"-Spannung der Differenzverstärker mit einem zweiten und einem dritten Transistor versehen ist, deren Stromdichten auf untereinander verschiedene Werte eingestellt sind und deren Emitterelektroden miteinander verbunden sind.

2. Stromstabilisierungskreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, diiss die miteinander verbundenen Emitterelektroden des zweiten (IT) und des dritten (i'O Transistors über eine erste Struinquel.leiisc-lial lung

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( 1 5 ) mit dor zwo! ton Anschlussklemme (2) verbunden sind, die KoI 1 ek torelek troderi über eine Stromspiegelschaltung (i6, 17) mit der ersten Anschlussklemme (i) verbunden sind und Avobei die Steuerelektrode des zweiten Transistors (13) an den ersten Eingang (9) des Differenzvcrstürkers (3) und die Steuerelektrode des dritten Transistors (i't) an den zweiten Eingang des Differenzverstärkers (3) angeschlossen ist.

3· Stromstabilisierungskreis nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, dass die Emitteroberflache des dritten Transistors (i4) grosser ist als die des zweiten Transistors (13) und die Stromspiegelschaltung (16, 17) die Kollektorströme des zweiten und dritten Transistors gleich gross sein lässt.

h. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, dass die Emitteroberflächen des zweiten (13) und dritten (i

4) Transistors gleich gross sind und die Stromspiegelschaltung (16, I7) den Kollektorstrom des zweiten Transistors (13) ^uin einen bestimmten Faktor grosser sein lässt als der Kollektorstrom des dritten Transistors (1k ) .

5. Stromstabilisierungskreis nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, dass dieser Kreis einen vierten Transistor (18) enthält, dessen Steuerelektrode an den Kollektor des dritten Transistors (1^) angeschlossen ist, wobei der Kollektor an die erste Anschluss-

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klemme (ΐ) angeschlossen ist und der Emitter einerseits mit der Steuerelektrode dos ersten Transistors (5) und andererseits über eine zweite Stromquellanschaltung (19) mit der zweiten Anschlussklemme (2) verbunden ist.

6. Strotnstabi.lisieruiigskreis nach Anspruch

2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stroiiispie;;elsclialttmg eine im Kollektorkrcis des zweiten Transistors (13) vorgesehene Diodenschaltung (16) und eine im Kollektorkreis des dritten Transistors (1h) vorgesehene Hauptstromstrecke eines fünften Transistors (17) enthält, dessen Basis-Emitterübergang über die Diodenschaltung (16) angeschlossen ist und dessen Steuerelektrode mit dem Kollektor des zweiten Transistors (13) verbunden ist und wobei die Oberfläche des Hπ Ibleiterüberganges der Diodenschaltung (16) und die Oberflache des Emitters des fünften Transistors (17) ausreichend grosser ist als die Oberfläche des Emitters des dritten Transistors (1^), um für den zweiten Transistor (13) eine ausreichende Wirkspannung zu erhalten.

7· Stromstabilisierungskreis nach Anspruch

5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Transistor (5) dem vierten Transistor (18) komplementär ist.

8. Stromstabilisierungskreis nach Anspruch

5, dadurch gekennzeichnet, dass die Belastung eine

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Ilalbloiterdiodenkennlinie aufweist und die Stioinquel-J enscJialtungen je einen weiteren Transistor (15» 19) enthalten, deren Sleuerelektroden an die Ausgangsklemmo (7) angeschlossen sind.

9· Stroms tabilisierungskreis nach Anspruch

2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Widerstand (20), der gegenüber dem ersten Widerstand (6) gross ist, parallel zur Hauptstromstrecke des ersten Transistors (5) vorgesehen ist.

10. Stromstabilisierungskreis nach Anspruch

5, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter des vierten Transistors (18) an einen Steuereingang (21) des Stabilisierungskreises angeschlossen ist und zwar, um unter Ansteuerung eines ihm zuzuführenden Signals, den Stromstabilisierungskreis ein- bzw. auszuschalten.

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