DE2845761A1 - Schaltungsanordnung - Google Patents

Schaltungsanordnung

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DE2845761A1 DE19782845761 DE2845761A DE2845761A1 DE 2845761 A1 DE2845761 A1 DE 2845761A1 DE 19782845761 DE19782845761 DE 19782845761 DE 2845761 A DE2845761 A DE 2845761A DE 2845761 A1 DE2845761 A1 DE 2845761A1
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John Arthur Skingley
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Plessey Handel und Investments AG
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Description

Patentanwälte 2 8 Λ 5 7 S 1
Dip! -Iny Dipl.-Chem. Dipl -Ing. * ^ '
E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser
8 München 60, 20. Oktober 1978
ei5jtrasse 19
Telelon (0891 Ö3 15 10 Telex 52 12 226 pitil ii Tulugiamme Labyrinih München Posticheckkunto München 117O7B-8OO Bank Deudche Bunk München. 66/Ü5UÜU
Schaltungsanordnung
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die insbesondere als Konstantstromquelle geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung gelöst, die gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie zwei Transistoren enthält, die so angeordnet sind, daß sie Strom parallel durchlassen, wobei die an den einen Transistor angelegte Basis-Emitter-Spannung abgeleitet wird
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von der an den anderen Transistor angelegten Basis-Emitter-Spannung, und daß Mittel zum Reduzieren der an den einen Transistor angelegten Basis-Emitter-Spannung um eine Komponente, die proportional der Größe des von dem anderen Transistor durchgelassenen Stromes ist, vorgesehen sind.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform bewirken die genannten Mittel zur Reduzierung der an den einen Transistor angelegten Basis-Emitter-Spannung die Subtraktion einer Komponente, die proportional ist zu dem von dem anderen Transistor durchgelassenen Strom, von der an den anderen Transistor angelegten Basis-Emitter-Spannung; bei einer bevorzugten Ausführungsform enthalten diese Mittel einen im Kollektorstromweg des anderen Transistors angeordneten Widerstand, der derart geschaltet ist, daß der an dem Widerstand entstehende Spannungsabfall von der Basis-Emitter-Spannung des anderen Transistors subtrahiert wird.
Vorteilhafterweise ist die Schaltungsanordnung als monolithische integrierte Schaltung ausgebildet.
Die Wirkung der Reduzierung der an den genannten einen Transistor angelegten Basis-Emitter-Spannung um eine Komponente, die proportional ist zu dem durch den anderen Transistor fließenden Strom, liegt darin, daß ein Strom durch diesen einen Transistor fließt, der mit steigendem Strom durch den anderen Transistor ansteigt, bis die subtrahierte Komponente sich an den Wert des Potentialabfalls bzw. Spannungsabfalls an dem internen Emitterwiderstand des anderen Transistors annähert, zu welchem Zeitpunkt dann eine weitere Zunahme des durch den anderen Transistor fließenden Stromes und folglich seiner Basis-Emitter-Spannung um die subtrahierte Komponente versetzt bzw. verändert wird und der genannte eine Transistor eine im wesentlichen
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-Λ-
konstante Basis-Emitter-Spannung erhält und einen im wesentlichen konstanten Ausgangsstrom liefert, und zwar über einen Bereich von Stromwerten, die von dem anderen Transistor durchgelassen werden.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist besonders zur Anwendung für die Bildung einer Konstantstromquelle geeignet.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung, in der die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung Verwendung findet, ist der genannte eine Transistor so angeordnet, daß er den Endstrom für eine Differenzverstärkerstufe liefert.
Während bei der Schaltungsanordnung der durch den anderen Transistor fließende Strom weiter ansteigt, wird die subtrahierende Komponente dominierend, und der von dem anderen Transistor durchgelassene Strom nimmt ab.
Bei einer weiteren Ausführungsform, in der die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in der vorstehend erwähnten Arbeitsweise verwendet wird, ist ein Transistorverstärker vorgesehen, der einen Transistor enthält und bei dem zur Erzielung einer automatischen Polarisierung der Basis-Emitterstrecke des genannten Transistors der genannte eine Transistor so angeordnet ist, daß sein Kollektor-Emitterstromweg -in Reihe mit dem Kollektor des weiteren Transistors liegt, und der Kollektor des genannten anderen Transistors ist derart angeordnet, daß er den Basis-Polarisierungsstrom für den genannten Transistor liefert.
Der Kollektor des genannten anderen Transistors ist vorzugsweise von Signalfrequenzen entkoppelt, die von dem genannten Transistor verarbeitet werden, zur wesentlichen Reduzierung einer Signalrückkoppelung zur Basis des ge-
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nannten Transistors.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung;
Figur 2 eine Ausführungsform der Erfindung zur Lieferung des Polarisierungsslromes für eine Differenzverstärkerstufe;
Figur 3 eine Ausführungsform zur Erzeugung eines Basis— Polarisierungsstromes für einen Transistorverstärker ; und
Figur 4 eine schematische Darstellung einer Ausbildung der Anordnung nach Figur 1 als integrierte Schaltung.
Es wird nun auf Figur 1 Bezug genommen. Zwei Transistoren T1, T2 sind so angeordnet, daß sie Strom parallel durchlassen. Der Eingangsstrom zu der Schaltungsanordnung fließt über den Transistor T1, und der Ausgangsstrom fließt über den Transistor T2.
Transistor T1 und T2 weisen beide Emitter auf, die mit einem Referenzpotential 1 verbunden sind, bei dem es sich zweckmäßigerweise um Massepotential handelt. Der Transistor T1 weist einen Kollektor 2 auf,der mit der Basis 3 des Transistors T2 verbunden ist.
Der Transistor T1 weist einen Kollektorwiderstand 4 auf, dessen von dem Kollektor 2 entfernt liegendes Ende mit der Basis 5 des Transistors T1 verbunden ist.
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Beim Betrieb der Schaltungsanordnung fließt ein Eingangsstrom über den Kollektor-Emitterweg des Transistors T1. Die Verbindung zwischen dem Widerstand 4 und der Basis 5 ist derart, daß der am Widerstand 4 auftretende Spannungs- bzw. Potentialabfall aufgrund des Stromflusses subtrahiert wird von der Basis-Emitter-Spannung des Transistors T1. Dieser Spannungsabfall ist proportional der Größe des Stromflusses.
Die an den Transistor T2 angelegte Basis-Emitter-Spannung wird abgeleitet von derjenigen, die an den Transistor T1 angelegt wird (bei Abwesenheit des Widerstandes 4 wäre es dieselbe Spannung), ist jedoch um den Potentialabfall am Widerstand 4 reduziert.
Bei niedrigen Strömen hat der Widerstand 4 nur eine geringe Auswirkung, und eine Steigerung des Stromes über den Transistor T1 führt zu einem höheren Ausgangsstromfluß durch den Transistor T_. Während der über den Transistor T1 fließende Strom zunimmt, steigt der durch den Widerstand 4 erzielte Effekt, bis der daran entstehende Spannungsabfall gleich demjenigen an dem internen Emitterwiderstand des Transistors ist. Jegliche Zunahme der Basis-Emitter-Spannung des Transistors T1 wird dann durch den am Widerstand 4 entstehenden Spannungsabfall geändert, so daß der Transistor T? eine im wesentlichen konstante Basis-Emitter-Spannung empfängt, die zu einem konstanten Ausgangsstrom führt.
Eine weitere bedeutende Zunahme des durch den Transistor T1 fließenden Stromes führt dazu, daß der Spannungsabfall am Widerstand 4 dominierend wird, und der Ausgangsstrom des Transistors T2 nimmt mit steigendem Eingangsstrom durch den Transistor T1 ab.
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Wenn der durch Transistor T„ fließende Ausgangsstrom i ist und das Verhältnis der Größen des Transistors T. und T„ N ist, so ist der Ausgangsstrom gegeben durch folgende Gleichung:
i . = Ni. exp (-i. R/V ) out xn ^ v xn ' o'
worin i. der Eingangsstrom durch Transistor T1 und R der Wert des Widerstandes 4 ist, während V = kt/q ist, worin k die Boltzmann-Konstante
t die absolute Temperatur und
q die Ladung eines Elektrons ist.
Die Bedingung für konstante Ausgangsströme ist erfüllt, wenn
R = V1Xn'
unter diesen Bedingungen wird der Ausgangsstrom gleich
1OUt'= 1Xn N/e'
worin e die Basis des natürlichen Logarithmus ist, so daß für gleiche Ausgangs- und Eingangsströme gilt:
N = e .
Unter den obigen Bedingungen ist der Temperaturkoeffizient des Ausgangsstromes der Anordnung positiv und umgekehrt proportional zu der absoluten Temperatur. Dieser Koeffizient ist entgegengesetzt gleich demjenigen, der auf dem internen Emitterwiderstand eines Transistors beruht, und folglich kann ein Verstärker geschaffen werden, der aus diesem Grunde den Temperaturkoeffizient O der Verstärkung aufweist.
Der Wert des Widerstands R kann nur für einen Eingangsstrom
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i und eine Temperatur t gewählt werden.
Für andere Ströme i , = i. N exp (i. /i ),
out in ^ in' ο
und bei anderen Temperaturen gilt:
1OUt = 1Xn N
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist besonders geeignet zur Anwendung für die Polarisierung bzw. Vorspeisung einer Schaltung; zwei typische Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren 2 und 3 gezeigt, wo mit gleichen Bezugszeichen die in Figur 1 entsprechenden Elemente bezeichnet sind.
In Figur 2 wird die Anordnung nach Figur 1 in ihrem Konstantstrombereich verwendet, um einen im wesentlichen konstanten, versorgungsunabhängigen Endstrom für eine Differenzverstärkerstufe zu liefern.
Die Versorgungsspannungen werden jeweils über eine positive Leitung 6 und eine negative Leitung 1 geliefert. Der Transistor T1 ist mit seiner Kollektor-Emitterstrecke zwischen den Leitungen 6 und 1 angeordnet, wobei ein zusätzlicher Widerstand 7 in Reihe mit Widerstand 4 zwischen dem Kollektor 2 und der Leitung 6 vorgesehen ist. Der Widerstand 4 ist an seinem Verbindungspunkt mit Widerstand 7 mit der Basis 5 des"Transistors T1 verbunden.
Die Differenzstufe enthält Transistoren T_ und T., jeweils mit Kollektorwiderständen 8 bzw. 9 und Emittern 1o bzw. 11, die durch eine Verbindung 12 gekoppelt sind.
Der Transistor T„ ist so angeordnet, daß seine Kollektor-Emitters trecke zwischen der Verbindung 12 und der Leitung 1 liegt, um einen konstanten Endstrom für die Differenzstufe
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zu liefern, die aus den Transistoren T, und T. gebildet
ist. . |f ;
■fi ·
Die Werte der Schaltung sind derart gewählt, daß der über Transistor T9 fließende Strom gleich dem durch T1 fliessenden Strom ist und von der Versorgungsspannung Hm wesent lichen unabhängig ist. Typische Werte der Schaltungskomponenten sind 5,3 K (5,3 KSi) für Widerstand 7 und 25 (25 Ω) für Widerstand 4, wenn über Transistor T» ein Endstrom von 1mA aus einer 6V-Versorgungsquelle fließt.
Das Verhältnis der Grossen der Transistoren T1 und T„ ist e. Es zeigt sich, daß der durch T„ fließende Endstrom weniger als 10 % unter dem gewählten Wert liegt, und zwar für Versorgungsspannungen zwischen 4V und 8,8V, und weniger als 20 % darunter für Spannungen von 3,2V bis 10V.
Es wird nun auf Figur 3 Bezug genommen. Die Schaltungsanordnung nach Figur 1 ist für den Betrieb im abnehmenden Ausgangsstrombereich zur Rückkopplungsvorspeisung bzw. -polarisierung eines Transistorverstärkers vorgesehen. Der Verstärker enthält einen Transistor T mit einem Emitter 13, der an die Versorgungsleitung 1 angeschlossen ist. Der Transistor T weist eine Basis 14 auf, der im Betrieb Eingangssignale aus einem Anschluß 15 über einen Gleichspannungs-Entkopplungskondensator 16 zugeführt werden. Der Verstärke!? weist einen Kollektor-Lastwiderstand 17 auf, und Ausgangssignale werden an einem Anschluß 18 abgenommen, der mit dem Kollektor des Transistors T5 verbunden ist.
Der Transistor T1 ist so geschaltet, daß er Strom in Reihe mit T durchläßt, und der Emitter von T1 ist mit der Versorgungsleitung 6 verbunden, während der Kollektorwiderstand 4 mit Widerstand 17 verbunden ist, wobei die Verbindung zwischen Widerstand 4 und Basis 5 von T1 am Verbindungs-
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punkt des Widerstandes 4 mit Widerstand 17 erfolgt. Der Kollektor von T2 ist über einen Signalentkopplungs-Sandwich-Widerstand 19 mit der Basis 14 von Τς verbunden, während der Emitter von T„ mit der Leitung 6 verbunden ist. Ein Entkopplungskondensator 2o ist zwischen den Kollektor T2 und Schaltungsmasse gelegt, um einen zusätzlichen Signal-Rückkopp lungs schutz zu schaffen. Die Transistoren T1 und T2 sind von entgegengesetztem Typ wie T4-, und ihre Größen stehen im Verhältnis 1:1.
Der Kollektorstrom i des Transistors T ist gegeben durch die Gleichung:
1C = VR'1n (NB>'
worin B die Gleichstromverstärkung, d.h. h„ des Transi-" stors T5 ist. Die Wirkung der Polarisierungs- bzw. Vorspeisungsschaltung besteht darin, die Auswirkung von Änderungen der B-Transistorwerte für Transistor T_ bez. des KollektorStroms dieses Transistors zu reduzieren. Bei einem typischen Beispiel beträgt die Variation von i aufgrund von B von O#82mA bei B = 40 nach 1,18mA bei B = 200.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist geeignet zur Herstellung als integrierte Schaltung; ein Beispiel für die Auslegung einer solchen Schaltung ist in Figur 4 gezeigt.
In Figur 4 weist ein Halbleitersubstrat 21 zwei Isolationsbereiche 22 und 23 auf, wobei der Bereich 22 für die Herstellung des Transistors T1 und des Widerstandes 4, der in dieser Figur mit R bezeichnet ist, vorgesehen ist, während der Bereich 23 für die Herstellung des Transistors T2 vorgesehen ist.
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Im Bereich 22 ist ein diffundierter Basisbereich 24 für T1 abgegrenzt, und dieser Bereich 24 weist einen metallisierten Basiskontakt 25 auf, der ferner einen Anschluß des Widerstandes R bildet, der als Verlängerung des diffundierten Basisbereichs 24 ausgebildet ist und einen zweiten metallisierten Kontakt 26 aufweist. Der Transistor T1 ist ferner mit einem Kollektorbereich 27 versehen, der mit einem Metall-Kontaktbereich 28 versehen ist. Der Kollektorkontakt 28 von T1 ist mit dem zweiten Kontakt 26 des Widerstandes R über eine Metallverbindung verbunden, die durch die gestrichelte Linie 29 bezeichnet ist.
Der Transistor T„, der innerhalb des Isolationsbereiches vorgesehen ist, weist einen Kollektorbereich 3o auf, der mit einem Metallkontakt 31 verbunden ist, von dem der Ausgangsstrom abgenommen wird. Innerhalb des Bereichs 23 ist T2 mit einem diffundierten Basisbereich 32 versehen. T2 ist als Transistor mit Vielfachemitter ausgelegt, und bei diesem Beispiel weist er drei diffundierte Emitterbereiche 33 auf, die jeweils einen Metallkontakt 34 besitzen, die durch gestrichelt gezeigte Metallverbindungen 35 untereinander verbunden sind. Zwischen jedem Paar von Emitterbereichen 34 sind Basiskontakte 36 vorgesehen, die durch die gestrichelt gezeichneten Leitungen 37 untereinander verbunden sind. Die Basiselektroden des Transistors T2 sind ferner mit dem Kollektorbereich 27 von T1 durch gestrichelt gezeigte Metallverbindungen 38 verbunden. Schließlich weist der Transistor T1 einen diffundierten Emitterbereich 39 auf, der mit einem Metallkontakt 4o versehen ist, welcher mit dem Emitterkontakt 34 von T2 durch eine gestrichelt gezeigte Metallverbindung 41 verbunden ist, die ferner die Emitter beider Transistoren mit Schaltungsmasse verbindet.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann sowohl mit NPN- als auch mit PNP-Transistoren verwendet werden; vor-
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stehend sind nur einige Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Insbesondere sind weitere Anwendungen vorgesehen, die im Rahmen der Erfindung liegen.
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Claims (7)

  1. Patentanwälte
    ΟιμΙ-liuj Dipl.-Chem. Uipl-Inc].
    E.Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser 2845761
    8 München 60, 20. Oktober 1978
    £: r π b O e ι y t: ι i> t r a ij ü u 1 y
    TeUjUin (UB9) H3 U) ID
    lelux b2 11'2JO pihl il
    lolucjf,imine labyiiiilh Munchun
    f'oslbUluckkunU) Mullillul) UlQiÜ büU
    tirfnk Duulbcliü üiinh MuMüiun efa'OtiUüi)
    PLESSEY HANDEL UND INVESTMENTS AG 63oo ZUG / Schweiz
    PATENTANSPRÜCHE
    M.1 Schaltungsanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß zwei ^—'Transistoren (T1, T„) derart angeordnet sind, daß sie Strom parallel durchlassen und die Basis-Emitter-Spannung, die an den einen Transistor (T„) angelegt wird, von der an den anderen Transistor (T.) angelegten Basis-Emitter-Spannung abgeleitet ist und daß Mittel vorgesehen sind zur Reduzierung der an den einen Transistor angelegten Basis-Emitter-Spannung um eine zur Größe des von dem anderen Transistor durchgelassenen Stromes proportionale Komponente.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Reduzierung der an den einen Transistor angelegten Basis-Emitter-Spannung eine
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    Subtraktion einer zu dem von dem anderen Transistor durchgelassenen Strom proportionalen Komponente von der an den anderen Transistor angelegten Basis-Emitter-Spannung bewirkt.
  3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Reduzierung der an den einen Transistor angelegten Basis-Emitter-Spannung einen Widerstand (4) enthalten, der im Kollektorstromweg des anderen Transistors angeordnet ist und derart geschaltet ist, daß der an dem Widerstand entstehende Potentialabfall bzw. Spannungsabfall von der Basis-Emitter-Spannung des anderen Transistors subtrahiert wird.
  4. 4. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung als monolithische integrierte Schaltung ausgebildet ist.
  5. 5. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Transistoren derart angeordnet ist, daß er den Endstrom für eine Differenzverstärkerstufe liefert.
  6. 6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung einen Transistorverstärker mit einem Transistor enthält, daß zur automatischen Vorspannung bzw. Polarisierung der Basis-Emitterstrecke des Transistors dieser so angeordnet ist, daß sein Kollektor-Emitter-Stromweg in Reihe mit dem Kollektor des weiteren Transistors liegt, und daß der Kollektor dieses weiteren Transistors so angeordnet ist, daß ein Basis-Polarisierungsstrom bzw. -Ansteuerungsstrom für diesen Transistor geliefert wird.
  7. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn-
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    zeichnet, daß der Kollektor des weiteren Transistors von Signalfrequenzen entkoppelt ist, die von dem genannten Transistor verarbeitet werden, zur wesentlichen Reduzierung einer Signalrückkoppelung zur Basis dieses Transistors.
    9Q9817/Q921
DE19782845761 1977-10-21 1978-10-20 Schaltungsanordnung Ceased DE2845761A1 (de)

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