DE2925008A1

DE2925008A1 - Integrierte strom-treiberschaltung

Info

Publication number: DE2925008A1
Application number: DE19792925008
Authority: DE
Inventors: Warren Allen Christopherson
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1978-06-30
Filing date: 1979-06-21
Publication date: 1980-01-10
Also published as: JPH02892B2; GB2024550A; US4346312A; FR2430037B1; FR2430037A1; JPS556992A; GB2024550B

Description

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

gg/eb

Integrierte Strom-Treiberschaltung

Die Erfindung betrifft eine integrierte Strom-Treiberschaltung mit einem Treibertransistor, dessen Kollektor an einen Ausgangsanschluß und dessen Emitter an ein Bezugspotential angelegt ist.

Strom- und Spannungs-Treiberschaltungen sind in großer Zahl bekannt. Im Laufe der Zeit sind die Anforderungen hinsichtlich geringerer Verlustleistung, größerer Schnelligkeit, engerer Toleranzen und niedrigerer Kosten beträchtlich gestiegen. Bei

den bekannten Treiberschaltungen sind einzelne der genannten Probleme gelöst. Es sei beispielsweise auf folgende Veröffentlichungen hingewiesen:

M. D'Agostino; "High Speed Low Power Gate"; RCA Technical Notes; TNN. 792; September 25, 1968; Seiten 112.

D. M Taylor and D» E. Davis; "Logic Signal Level Shift Circuit" IBM Technical Disclosure Bulletin; Vol. 12, No. 2; Juli 19.69; Seiten 296-7

A. Brearley, S. Platt and R. Wilson; "Voltage Conversion Circuit"; IBM TDB; Vol. 18, No. 4; Sehtember 1975; Seiten 1031-2; und

E. Calao and E. F. Culican; "Totem-Pole Driver For High Capacitance Doads"; IBM TDB; Vol. 18; No. 11; April 1976; Seiten 3649-50.

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!Diese Veröffentlichungen befassen sich mit Pegelverschiebeeinrichtungen und/oder Strom-Treiberschaltungen, die einen Differenzialverstärker als Kernstück enthalten. Keine in diesen bekannten Schaltungen verwendet jedoch beide gegenphasigen Ströme eines nach dem Stromübernahmeprinzips arbeitenden Stromschalters.

Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe unter Ausnutzung beider gegenphasiger Ströme eines nach dem Strom-

;übernahmeprinzip arbeitenden Stromschalters die Eigenschaften ι

einer Strom-Treiberschaltung zu verbessern und außerdem unerwünschte Veränderungen dieser Eigenschaften zu kompensieren.

|Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen niedergelegt.

'Zusammenfassend kann die Erfindung darin gesehen werden, daß

ί j

leine relativ einfache, integrierte Strom-Treiberschaltung mit jeinem Eingangsemitterfolger ausgestattet wird, dem als Verstärker ein nach dem Stromübernahmeprinzip arbeitender, emitterr gekoppelter Stromschalter nachgeschaltet ist. Die beiden gegen-; phasigen Ausgänge dieses Stromschalters sind jeweils über J einen Emitterfolger auf den Eingang eines Ausgangstreibers i geführt. Den Eingängen des Ausgangstreibers werden damit zwei j gegenphasige Signale zugeführt, wobei die Koppelungsnetz- · werke so ausgeführt sind, daß sie durch Gleichlauf unerwünsch- t te Schwankungen kompensieren. Die beiden Ausgangssignale des ; Stromschalters ergeben für den Ausgangstreiber den doppelten ^: Signalspannungshub. Gleichzeitig können Vorkehrungen getroffen \ werden, durch die eine Sättigung des Treibertransistors ver- ; hindert wird. ^:

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

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ORIGINAL INSPECTED

Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Strom-Treiberschaltung und :

Fig. 2 das Schaltbild der in integrierter Technik ausgeführten, erfindungsgemäßen Strom-Treiberschaltung mit einem zusätzlichen, für diesen vorgesehenen

! Bezugspegelgenerator.

Die erfindungsgemäße Strom-Treiberschaltung besteht aus den .im Blockschaltbild der Fig. 1 dargestellten Teilschaltungen. :An den Eingängen 10 eines Eingangsemitterfolgers 12 wird ein bistabiles, logisches Signal zugeführt. U. a. hat der Eingangsemi tterf olger 12 die Aufgabe eine Belastung der Eingangssig- ; inalquelle durch eine vorausgehende Treiberschaltung zu verhindern. Der Ausgang des Eingangsemitterfolgers 12 wird mit ' dem Eingang eines nach dem Stromübernahmeprinzip arbeitenden iStromschalters 14 verbunden, der komplementäre Ausgangssignale liefert. Jedes dieser beiden komplementären Ausgangssignale wird einem zugeordneten Emitterfolger 16 bzw. 18 zugeführt. : Diese beiden Emitterfolger liefern nahezu identische Ausgangssignale und steuern einen Ausgangstreiber 20 an, der an seinen Ausgängen 30 binäre Stromsignale liefert.

Das im einzelnen ausgeführte Schaltbild der erfindungsgemäßen Strom- Treiberschaltung ergibt sich aus Fig. 2. Dabei ist zusätzlich zu der erfindungsgemäßen Strom-Treiberschaltung ein Bezugspegelgenerator auf demselben Halbleiterchip mitintegriert. 'Dieser Bezugspegelgenerator sei im folgenden kurz beschrieben. Die Kollektor-Emitterstrecken zweier Transistoren 82 und 84 sind mit einem Widerstand 86 zwischen einem positiven Betriebspotential und Masse in Serie geschaltet. Die Basen der Transistoren 82 und 84 sind über Anschlüsse 88 und 90 mit geregelten Bezugspotentialen verbunden und gleichzeitig

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an die Emitter zweier Transistoren 92 und 94 geführt. Die beiden letztgenannten Transistoren sind Teil zweier Verteilerschaltungen. Der gemeinsame Verbindungspunkt zwischen dem Emit-i ter des Transistoren 80 und dem Kollektor des Transistors 84 ist über einen Widerstand 95 mit der Basis eines Transistors 102 verbunden, der zusammen mit einem weiteren Transistor einen ersten Differentialverstärker 100 bildet. Die Basis | des Transistors 104 ist über einen Widerstand 126 mit dem Emitter eines Transistors 96 verbunden. Zwischen der Basis und dem Kollektor des Transistors 104 ist eine Kapazität 109 angeordnet!.

Zwei Transistoren 112 und 114 bilden einen zweiten Differentialverstärker 110. Die Basen der beiden Transistoren sind jeweils an einen Kollektor der Transistoren 102 bzw. 104 des ersten Differentialverstärkers 1OO geführt. Die Basis ,des Transistors 112 ist über eine Kapazität J03 mit dem Kollektor verbunden. Die Emitter beider Transistoren 112 und 114 liegen über einem Widerstand 115 an Massepotential. Der Kollektor des Transistors 112 ist über die Serienschaltung eines Widerstandes 116 und einer Diode 117 mit dem positiven Betriebspotential verbunden, während der Kollektor des Transistors 114 direkt an dieses Betriebspotential gelegt ist.

Ein dritter Verstärker 120 besteht aus einem einzelnen Transistor 122, dessen Basis mit dem Kollektor des Transistors 104 und dessen Kollektor über einen Widerstand 124 mit dem positiven Betriebspotential verbunden ist. Der Emitter dieses Transistors 122 ist an die miteinander verbundenen Basen von Transistoren 80, 96, 98 und 99 geführt, die Emitterfolger bilden. Zwischen dem Emitter des Transistors 96 und der Basis des Transistors 104 liegt ein Widerstand 126. Die Emitter der Transistoren 96, 98, 99 und 80 liegen über einem Widerstand 128 an Massepotential. An die Basis des Transistors 84 ist ein Bezugspotential angelegt. Die Verteilung dieses Potentials an die Schaltungen auf dem Halbleiterchip erfolgt über Emitterfolgertransistoren, wie z. B. die Transistoren 94 und 42.

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ORIGINAL INSPECTED

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Es sei nun Aufbau und Funktion der eigentlichen Treiberschaltung näher betrachtet.

Am Eingang 34 der Treiberschaltung wird ein Binärsignal, also j

ein Signal mit zwei definierten logischen Pegeln, zugeführt. j

Der Eingang 34 steht mit der Basis eines Transistors 36 in j

Verbindung, der mit einem weiteren Transistor 38 und einen 1

Widerstand 39 der Eingangsemitterfolger 12 bildet. Die Kollek- j

tor-Emitterstrecken dieser Transistoren und der Widerstand j

liegen in Serie zwischen dem positiven Betriebspotential und !

Masse, über einen Anschluß 40 wird ein positives, festes Be- I

zugspotential der Basis eines einen Emitterfolger bildenden j

Transistors 42 zugeführt, dessen Emitter mit der Basis des |

Transistors 38 verbunden ist. Der gemeinsame Verbindungs- ;

punkt zwischen dem Emitter des Transistors 36 und dem Kollek- j tor des Transistors 38 steht mit der Basis eines Transistors
44 in Verbindung, der zusammen mit einem weiteren Transistor
46 einen nach dem Stromübernahmeprinzip arbeitenden Stromschalter 14 bildet. Der Emitter des Transistors 46 ist mit
dem Emitter des Transistors 44 verbunden. Widerstände 48

und 50 bilden die Lastelemente der Transistoren 44 und 46.

Über einen Anschluß wird der Basis des Transistors 46 ein, j beispielsweise von dem vorstehend beschriebenen Bezugspegel- j generator gelieferter Bezugspegel zugeführt. Die verbundenen ! Emitter der Transistoren 44 und 46 sind an den Kollektor eines ■ Widerstandes 52 geführt, dessen Emitter über einen Widerstand j 54 an Masse liegt. Das der Basis des Transistors 38 zugeführte Potential wird auch ar die Basis des Transistors 52 angelegt. \ Dieses Potential bewirbt eine genaue Steuerung des Stromes in '

den Kollektorkreisen der Transistoren 38 und 52.

I ^:

JDer Ausgang am Transistor 46 des Stromschalters ist mit der
Basis eines Transistors 56 verbunden, der einen Emitterfolger
(Gleichphase) 16 bildet. Der Emitter dieses Transistors ist
über die Reihenschaltung zweier Widerstände 57 und 58 und einer

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!Diode 60 mit Massepotential verbunden. Der Ausgang des Strom-Bchalters 14 am Transistor 44 ist mit der Basis eines weiteren !Transistors 62 verbunden, der einen weiteren Emitterfolger j(Gegenphase) 18 bildet. Der Emitter des Transistors 62 ist (über die Serienschaltung zweier Widerstände 64 und 65 und der iKollektor-Emitterstrecke eines weiteren Transistors 68 mit [Massepotential verbunden. Sämtliche eingesetzten Transistoren (gehören dem NPN-Typ an und weisen im wesentlichen die gleiche VBE-Charakteristik auf. Dies gilt auch für sämtliche Dioden, |die aus NPN-Transistoren gebildet werden, deren Basis jeweils it dem Kollektor kurzgeschlossen ist.

Die Emitterfolger 16 und 18 steuern einen einen relativ hohen Strom ziehenden Transistor 70 im Ausgangstreiber 20. Eine jDiode 72 verbindet den gemeinsamen Verbindungspunkt von Wider-

ständen 64 und 65 mit dem Kollektor des Transistors 70. Eine

■eitere Diode 74 ist zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt on Widerständen 57 und 58 und dem gemeinsamen Verbindungsjpunkt des Widerstandes 65 und des Kollektors des Transistors I68 angeordnet, mit dem auch die Basis des Transistors 70 verbunden ist. Ausgangsanschlüsse 76 sind mit dem Kollektor und Idem Emitter des Transistors 70 verbunden. Der Emitter liegt idabei vorzugsweise an festem Bezugspotential, im betrachteten 'Beispiel also an Masse. Das Betriebspotential für den Transistor 70 des Ausgangstreibers 20 wird extern über einen Lastwiderstand 78 zugeführt, der ebenfalls extern angeordnet und mit dem Anschluß 76 verbunden ist. Den Eingang der erfindungsgemäßen Strom-Treiberschaltung bildet ein Eingangs-Emitterfolger geringer Leistung. Diese Eingangs-Emitterfolger treibt iden nach dem Stromübernahmeprinzip arbeitenden Stromschalter 14. Dieser Stromschalter liefert gegenüber normalen Schaltern den doppelten AusgangsSpannungshub. Außerdem ist dieser Hub durch Wahl des Wertes des Widerstandes 54 im Emitterkreis des Transistors 52 einstellbar. Auf diese Weise werden die Transistoren 44 und 46 aus der Sättigung gehalten.

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Die beiden den Stromschalter 14 mit dem Ausgangstreiber 20 verbindenden Emitterfolger 16 und 18 sind identisch aufgebaut. ;Sie sind so aufgebaut, daß sich beispielsweise die sich aus der Anordnung auf dem Chip ergebenden Änderungen in der Basis-Emitter spannung und in der Stromverstärkung kompensieren. Der Unterschied der beiden Stromschalter-Ausgangsspannungen liefert einen nutzbaren Unterschied in den Ausgangsströmen der beiden Emitterfolger 16 und 18. Eine Stromspiegelschaltung am Emitterfolger 16 für die Gleichphase liefert den Basisstrom für den Transistor 70 des Ausgangstreibers 20 aufgrund der Differenz des Stromes der Emitterfolger. Bei der einen Polarität des Eingangssignal ist der Transistor 70 leitend und bei der anderen Polarität gesperrt.

Der durch den Transistor 68 fließende Strom entspricht etwa dem durch die Diode 60 fließenden Strom. Der Transistor 68 bildet die sog. Stromspiegelschaltung. Der über die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 68 fließende Strom wird von der Basis des Transistors 70 weggeleitet. Der über den Widerstand 65 fließende Strom fließt in die Basis des Transistors 70. Die Differenz dieser beiden letztgenannten Ströme liefert den eigentlichen Basisstrom für den Transistor 70. Dieser Differenzstrom fließt in die Basis des Transistors 70 in Ab- j hängigkeit davon, ob der durch den Widerstand 65 fließende , Strom größer oder kleiner ist als der im Widerstand 58 fixe- > jßende Strom. Der im Widerstand 58 fließende Strom entspricht \ !etwa dem durch die Diode 60 fließende Strom, wenn man von dem kleinen zusätzlichen Strom absieht, der über die Basis-Emitter-t strecke des Transistors 68 fließt. ;

Bei leitendem Transistor 44 gilt:

- ^{2 ν}ΒΕ^}/^(Ι164 ^{+ R}65^}

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^(vcc - ²

Dabei ist I₅₈ der Strom im Widerstand 5δ in mA, Ig₅ der Strom im Widerstans 65 in mA, R₅₇ der Wert des Widerstandes 57 in kOhm, R₅g der Wert des Widerstandes 5δ in kOhm, Rg₄ der Wert des Widerstandes 64 in kOhm, R^₁. der Wert des Widerstandes 65 in kOhm, V das Betriebspotential in Volt,

CO

V_BE der Basis-Emitterspannungsabfall jedes der Transistoren oder der Dioden in Volt und

AV der Signalhub in Volt.

!vorzugsweise ist R₅₇ + R₅₃ = R,. + R_g5 (3)

Damit gilt I₆₅ - I₅₈ = + AV₃Z(R₅₇ + R₅₈) (4)

Die Wahl des Vorzeichens wird von der Polarität des Signals V bestimmt.

Bei der einen Polarität des Signals ist also der Transistor 70 leitend und bei der anderen Polarität gesperrt. In beiden Zuständen fließt dabei der gleiche Basisstrom. Die Höhe des Stromes wird durch die Werte der Widerstände bestimmt und wird so hoch wie möglich gewählt.

Pestzustellen ist, daß der den Transistor 70 in den leitenden und der den Transistor 70 in den sperrenden Zustand bringende

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Basisstrom jeweils gleich groß ist. Man erreicht also einen
ausgeglichenen Gegentaktbetrieb mit gleichen Ein- und Ausschaltübergängen des Stromverlaufes am Kollektor des Transistors 70. Eine derartige Betriebsweise für viele Anwendungsfälle angestrebt.

Es ist auch festzustellen, daß der Basisstrom des Transistors
70 unabhängig ist vom Basis-Emitterspannungsabfall V_D„ im
Rahmen eines bestimmten Halbleiterchips, auf dem von der Anordnung her sämtliche Basis-Emitterspannungsabfälle gleich sind Der Strom ist demnach unabhängig von Änderungen der Betriebsspannung .

Die Diode 72 leitet erst, wenn der Transistor 70 voll leitend
ist. Die Diode 72 verhindert im leitenden Zustand, daß ein
zu hoher Strom in die Basis des Transistors 70 gelangt und
dieser Transistor in Sättigung gerät, die die Schaltgeschwindigkeit herabsetzen würde. Die Diode 74 hat eine ähnliche j Funktion für den Transistor 68, der dann leitend wird, wenn ! der Transistor 70 in den gesperrten Zustand übergeht. ;

In einem etwas abgewandelten Ausführungsbeispiel können die j

Widerstände 64 und 65 durch einen einzigen Widerstand ersetzt '■.

werden, wobei dann die Diode 72 durch eine Schottky-Diode !

ersetzt wird, die den Kollektor des Transistors 70 mit der _;

Basis verbindet. Entsprechend kann auch für die Widerstände i

57 und 58 ein einziger Widerstand vorgesehen werden, wobei ι

dann die Diode 74 durch eine weitere Schottky-Diode ersetzt ;

wird, die zwischen Basis und Kollektor des Transistors 68 J angeordnet ist.

Ein vorteilhaftes Merkmal der erfindungsgemäßen Treiberschal-
;tung besteht in der Verwendung des Bezugspegels am Anschluß j !47 zur Sperrung des Transistors 70 des Ausgangstreibers 20.
Die erfindungsgemäße Treiberschaltung bzw. mehrere von diesen

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Schaltungen sind normalerweise zusammen mit anderen Schaltungen! auf einem Halbleiterchip integriert. Dieser auf einem Halblei-

Iterchip integrierte Schaltung ist meist Teil einer größeren Gesamtschaltung, die nicht auf diesem Chip integriert ist und die an den Ausgang 76 der erfindungsgemäßen Treiberschaltung angeschlossen ist. Für Testzwecke im Rahmen der Gesamtschaltung ist es oft von Vorteil, wenn Teilschaltungen, wie die erfindungsgemäße Treiberschaltung gesperrt werden. D. h. also, der Transistor 70 des Ausgangstreibers muß während dieser Tests gesperrt sein. Dies läßt sich in einfacher Weise dadurch bewerkstelligen, daß der Bezugspegel am Anschluß 47 um einen logischen Signalhub abgesenkt wird, im betrachteten Beispiel also um etwa 0,55 Volt. Diese Absenkung bewirkt, daß der Strom im Stromschalter 14 über den Transistor 44 fließt und zwar unabhängig von der Polarität des am Eingang 34 zugeführten Signals. Damit liegt die Basis des Transistors 62 an einem niedrigeren Potential als die Basis des Transistors 56. In Übereinstimmung mit der vorstehenden Beschreibung der Betriebsweise wird dann Strom aus der Basis des Transistors 70 gezogen, so daß dieser Transistor gesperrt wird.

pa diese Steuerung über den Bezugspegel am Anschluß 47 erfolgt, jder sämtlichen Treiberschaltungen auf dem Chip gemeinsam ist, j

! I

!werden sämtliche Treiberschaltungen auf den Halbleiterchip ge- \ sperrt. Die Veränderung des Bezugspegels am Anschluß 47 erfolgt! ■über die Eingangsspannung des Bezugspegelgenerators für den oberen Signalpegel, d. h., eine Verminderung um 0,55 Volt beiwirkt eine Absenkung des Bezugspegel um einen entsprechenden ' Betrag. Das Ausgangssignal steuert den Eingang des Bezugspegelgenerators für den unteren Signalpegel an einem Anschluß i 88. Dabei wird auch die der Ausgang dieses Bezugspegelgenerators um 0,55 Volt abgesenkt, um den Transistor 70 dadurch zu sperren. Die Steuerung des Einganges für den oberen Bezugspegel erfolgt vorzugsweise über einen Chipausgang-Anschluß,

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so daß die Spannungsabsenkung von 0,55 Volt über eine angeschlossene externe Schaltung herbeigeführt werden kann.

Die erfindungsgemäße Treiberschaltung ist ausgezeichnet durch

extrem kurze Umschaltzeiten zwischen Ein- und Auszustand und |

ι umgekehrt. Die erfindungsgemäße Treiberschaltung ist in dieser J

Hinsicht anderen, bekannten Treiberschaltungen mit einseitigem ^! Ausgang überlegen.

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Claims

"S-

PATENTANSPRÜCHE

lh) Integrierte Strom-Treiberschaltung mit einem Treibertransistor, dessen Kollektor an einen Ausgangsanschluß j und dessen Emitter an ein Bezugspotential angelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein nach dem Stromübernahmeprinzip arbeitender, emittergekoppelter Stromschalter (14) vorgesehen ist, dessen einer Eingang mit einer binären Signalquelle, dessen anderer Eingang mit einem Bezugspegel und dessen beide komplementären Ausgänge jeweils über einen Emitterfolger (16, 18) mit dem Kollektor bzw. der Basis des Treibertransistors (70) gekoppelt sind.
2. Integrierte Strom-Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Emitterfolger j (16, 18) über eine Diode (74) miteinander, der Ausgang ! eines der beiden Emitterfolger über eine Diode (72) mit • dem Kollektor und dieser Ausgang außerdem mit der Basis ! des Treibertransistors (70) verbunden sind. I

|3. Integrierte Strom-Treiberschaltung nach Anspruch 2, da- ι durch gekennzeichnet, daß der Emitter des Transistors (56)j

j des ersten Emitterfolgers (16) über die Serienschaltung ; eines ersten Widerstandes (57), eines zweiten Widerstandes (58) und einer ersten Diode C60) mit einem Bezugspotential verbunden ist, daß der Emitter des Transistors (62) des zweiten Emitterfolgers (18) über die Serienschaltung eines dritten Widerstandes (64) , eines vierten Widerstandes (65) und der Kollektor-Emitterstrecke eines zusätzlichen Transistors (68) ebenfalls mit dem Bezugspotential verbunden ist, daß die Basis des zusätzlichen Transistors (68) mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt von zweitem Widerstand (58) und erster Diode (60) verbunden ist, daß die Basis des zusätzlichen Transistors (68) mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt von zweitem

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Widerstand (58) und erster Diode (60) verbunden ist, daß der gemeinsame Verbindungspunkt von erstem Widerstand (57) \ und zweitem Widerstand (58) über eine zweite Diode (74) mit dem Kollektor des zusätzlichen Transistors (68) verbunden ist, daß der Kollektor des zusätzlichen Transistors

I (68) mit der Basis des Treibertransistors (70) verbunden

^! ist und daß der gemeinsame Verbindungspunkt von drittem I Widerstand (64) und vierten Widerstand (65) über eine

dritte Diode (72) mit dem Kollektor des Treibertransistors : (70) verbunden ist.

A. Integrierte Strom-Treiberschaltung nach Anspruch 3, da-

dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Diode (60) und ' der zusätzliche Transistor (68) eine Stromspiegelschal- ^! tung bilden.

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