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Monolithisch integrierbare Begrenzerschaltung
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Die Erfindung betrifft eine monolithisch integrierbare Begrenzerschaltung
mit komplementären Transistoren, einem Signaleingang, einem Signalausgang und zwei
Versorgungsanschlüssen ür be ein Betriebspotential, bei der der Signaleingang zur
Steuerung der Basis eines Transistors und der Strom dieses Transistors zur Beaufschlagung
eines Stromfühlers und die Spannung zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors
zur Beaufschlagung eines Spannungsfühlers vorgesehen ist, bei der sowohl der Stromfühler
als auch der Spannungsfühler zur Steuerung eines aus zwei mit ihren Basisanschlüssen
miteinander verbundenen Transistoren vom selben Typ bestehenden Stromübersetzers
vorgesehen sind, bei der ferner die Basis-Rollektorstrecke des einen der beiden
Transistoren des Stromübersetzers kurzgeschlossen und der Kollektor des anderen
dieser Transistoren zur Steuerung des Signalausgangs vorgesehen ist.
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Begrenzerschaltungen dieser Art sind zum Beispiel in "IEEE Transactions
on Consumer Electronics", Vol. CE-24, No. 3 (August 1978), Seite 330/331, beziehungsweise
in der DE-OS 26 42 146 beschrieben.
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Bei den bekannten Begrenzerschaltungen wird als Stromfühler ein Widerstand
und als Spannungsfühler eine Zenerdiode eingesetzt. Die als Spannungsfühler und
damit als Schwellwerterzeuger eingesetzte Zenerdiode führt dazu, daß die Begrenzerschaltung
auch in einen Arbeitspunktbereich gelangen kann, in dem die Zenerdiode ihr Rauschmaximum
hat. Sie wirkt dann als Rauschgenerator im Regelkreis der Begrenzerschaltung. Um
die daraus resultierenden Rausch- und Stabilitätsprobleme zu beherrschen-, sind
Tiefpässe mit relativ hohen Kapazitäten und damit ein entsprechend erhöhter Platzbedarf
der Begrenzerschaltung auf dem Halbleiterchip erforderlich. Ferner bedingt die Verwendung
einer Zenerdiode oder einer Serienschaltung mehrerer enerdioden erhebliche Einschränkungen
für die Wahl des Einsatzpunktes der Regelung.
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Weiterhin vergrößern die erwähnten Tiefpässe die Tot-und Anlaufzeit
der Regelung. Sie führen außerdem zu einem stärkeren Uberschwingen der Regelgröße,
das heißt im vorliegenden Falle der Verlustleistung in dem durch die Begrenzerschaltung
zu schützenden Leistungselement, zum Beispiel einem Verstärkertransistor. Schließlich
haben Zenerdioden einen positiven Temperaturkoeffizienten, so daß die Regelempfindlichkeit
mit wachsender Temperatur abnimmt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, die bekannte Begrenzerschaltung so zu
verbessern, daß die geschilderten Nachteile vermieden sind.
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Dies geschieht erfindungsgemäß, indem als Spannungsfuhler ein Transistor
mit Jeweils durch einen Widerstand Uberbrückter Emitter-Basisstrecke und Kollektor-Basi
5-strecke verwendet ist.
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Die bekannte Begrenzerschaltung ist in Fig. 1, Einzelheiten und Varianten
der Erfindung in Fig. 2 bis 6 dargestellt.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Begrenzerschaltung ist der Signaleingang
E an die Basis eines npn-Transistors t1 - des zu schützenden Leistungselements -
gelegt, dessen Kollektor mit dem Versorgungseingang für das erste Versorgungspotential
+V und dessen Emitter über den als Stromfühler dienenden Widerstand r1 an den Signalausgang
A gelegt ist.
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Die den Stromübersetzer bildenden zwei Transistoren t2 und t3 sind
ebenfalls vom npn-Typ und sind über ihre Basisanschlüsse unmittelbar miteinander
verbunden. Außerdem ist die Kollektor-Basisstrecke des Transistors t2 kurzgeschlossen
und mit der Anode der Zenerdiode z verbunden, deren Kathode Über einen Widerstand
r3 am ersten Versorgungspotential +V liegt. Der Emitter des Transistors t2 ist unmittelbar
mit dem Emitter des Transistors t1 verbunden und liegt somit über dem Stromfühler
r1 am Signalausgang A. Der zweite Transistor t3 des Stromübersetzers liegt mit seinem
Emitter unmittelbar am Signalausgang A.
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Der Signaleingang E liegt ferner über einen Widerstand r4 am Kollektor
des Transistors t3, der außerdem unmittelbar mit der Basis eines pnp-Transistors
t4 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors t4 liegt an dem Eingang für das
zweite Betriebspotential -V, das zweckmäßig
als Bezugspotential
(Masse) verwendet ist. Der Emitter dieses Transistors t4 liegt unmittelbar am Signaleingang
E und damit an der Basis des ersten Transistors t1.
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Schließlich ist noch eine Verbindung zwischen Kollektor und Basis
des Transistors t2 des Stromübersetzers über einen Widerstand r2 und der Basis des
Transistors t1 und damit dem Eingang E des Begrenzers vorgesehen, der Über die Konstantstromquelle
q an das erste Betriebspotential +V gelegt ist. Hinsichtlich der Wirkung der Schaltung
kann auf die genannte Literaturstelle "IEEE Transactions on Consumer Electronics",
Vol. CE-24, No. 3 (August 1978), Seite 330/331 verwiesen werden.
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Ein gemäß der Erfindung zu verwendender Spannungsfühler ist in Fig.
2 dargestellt. Er besteht aus einem Transistor T (im Beispielsfall aus einem npn-Transistor).
Dabei ist der Emitter Über den Widerstand R2 mit der Basis und der Kollektor über
den Widerstand R1 mit der Basis verbunden. Die Spannung zwischen Eingang und Ausgang
ist gemäß U = UBE (1 + R1/R2) - (1 + R1/)2mV/K gegeben, worin UBE die Basis-Emitterspannung,
R1 und R2 die Ohmwerte dieser Widerstände und 2mV/R den Temperaturkoeffizienten
bedeuten (2mV/K = 2 Millivolt pro Grad Kelvin).
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Die Ausgestaltung der in Fig. 1 dargestellten Begrenzerschaltung mit
dem in Fig. 2 dargestellten und gemäß der Erfindung zu verwendenden Spannungsftihler
ist in Fig. 3 dargestellt.
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Der den Spannungsftihler darstellende Transistor T ist in diesem Fall
durch einen npn-Transistor T gegeben, der mit seinem Kollektor am Anschluß für das
erste Betriebspotential +V liegt. Der durch die beiden Widerstände R1 und R2 gebildete
Spannungsteiler verbindet den Kollektor des Transistors T mit seinem Emitter, während
im Teilerpunkt die Basis des Transistors T angeschlossen ist. Ferner liegt der Emitter
des Transistors T über den Widerstand R3 am Kollektor des Transistors t2 und damit
an der Basis des Transistors t2 und damit auch des Transistors t3. Schließlich verbindet
ein weiterer Widerstand R4 die Basis des Transistors t3 mit ihrem Emitter und damit
mit dem Signalausgang A. Die Zenerdiode Z der in Fig. 1 dargestellten Schaltung
ist somit durch den Transistor T und den den Ausgang A mit dem Eingang für das erste
Betriebspotential +V verbindenden und aus der Serienschaltung der vier Widerstände
R1 bis R4 bestehenden Spannungsteiler ersetzt, an dessen Teilerstellen die Basis,
der Kollektor des Transistors T beziehungsweise die Basis des Transistors t2 und
t3 Jeweils angeschlossen ist.
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Der Einsatzpunkt der Regelung kann durch die Spannung U Über das Widerstandsverhältnis
R1/R2 frei gewählt werden, wodurch ein entscheidender Vorteil gegenüber der in Fig.
1 dargestellten bekannten Schaltung gesichert ist.
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Weiterhin ist das Auftreten von Rausch- und Stabilitätsproblemen auf
Grund dieser Schaltungsmaßnahmen und der Vermeidung der Zenerdiode z mit Erfolg
vermieden, so daß zur Beseitigung ihrer Nachteile schaltungstechnische Maßnahmen,
also die genannten Tiefpaßfilter, nicht erforderlich sind. Man erkennt weiter, daß
die von der Erfindung vorgeschlagene Maßnahme mit einer Erhöhung der Regel'geschwindigkeit
und damit mit einer Reduktion der
Wärmeentwicklung in der - ebenfalls
als monolithisch aufgebauter IC dargestellten und vorzugsweise mit der Begrenzerschaltung
in einem Halbleiterchip zusammengefaßten - Leistungsschaltung verbunden ist.
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Man erkennt außerdem, daß der SpannungsfUhler gemäß Fig. 2 im Gegensatz
zu einer Zenerdiode einen starken negativen Temperaturkoeffizienten ihres elektrischen
Verhaltens hat, der durch die Einstellung des Widerstandsverhältnisses R1/R2 beeinflußbar
ist. Damit sinkt mit steigender Temperatur der zu begrenzende Strom des zu steuernden
Leistungselements erheblich ab, was die Zuverlässigkeit der Schaltung fordert.
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Bei der monolithischen Auslegung der Schaltung gemäß Fig. 3 in pn-Isoliertechnik
empfiehlt es sich, wenn man die beiden Transistoren t1 und T möglichst nebeneinander
in der gleichen Isolierwanne unterbringt.
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Die in Fig. 4 dargestellte Begrenzerschaltung gemäß der Erfindung
unterscheidet sich von der Schaltung gemäß Fig. 3 durch die Anwesenheit eines weiteren
npn-Transistors T+ und eines weiteren Widerstands R2, sowie dadurch, daß die Kollektor-Basisstrecke
des npn-Transistors T durch die Parallelschaltung der Kollektor-Emitterstrecke des
Transistors T+ und dem durch die Serienschaltung der drei Widerstände R1, R+2 und
R2 gebildeten Spannungsteiler überbrückt ist, wobei der Kollektor von T und der
Kollektor von T an dem vom ersten Betriebspotential +V beaufschlagten Ende des Spannungsteilers,
also am Widerstand R1 die Basis von T+ am Teilerpunkt zwischen R1 und R2, die Basis
des Transistors T und der Emitter des Transistors T+ am Teilerpunkt zwischen R2
und R2 und der Emitter von T am Teilerpunkt zwischen h
und dem
- in gleicher Weise wie bei der Anordnung gemäß Fig. 3 - mit R2 in Reihe geschalteten
und andererseits mit dem Kollektor von t2 verbundenen Widerstand R3 liegt.
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Als besonderer Vorteil dieser Schaltung ist festzustellen, daß die
Transistoren T und T+ mit dem Transistor t1 zweckmäßig in einer gemeinsamen Wanne
vereinigt werden können, so daß die als Temperaturfühler wirksamen Transistoren
T und T+ unmittelbar neben dem eine merkliche Wärmequelle darstellenden Transistor
t1 - also dem zu schÜtzenden Leistungselement - sich befinden, und durch die Verwendung
von zwei Temperaturfühlern T+ und T (im Gegensatz zu Fig. 3 mit nur einem Temperaturfühler
T) der wirksame negative Temperaturkoeffizient noch vergrößert wird.
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Weiter empfiehlt es sich zur weiteren Erhöhung des negativen Temperaturkoeffizienten
den Widerstand R1, also den den Kollektor des Transistors T beziehungsweise T+ mit
der Basis dieses Transistors verbindenden Widerstand, an der kühlsten Stelle des
die Schaltung aufnehmenden Chips zu placieren.
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Die aus Fig. 2 und Fig. 3 ersichtliche Ausgestaltung einer Schaltung
gemäß der Erfindung läßt sich auch für die Regelung anwenden, wenn das Leistungselement
T1 der obere Transistor eines Gegentaktverstärkers ist. Soll die Leistungsregelung
sich auf den unteren Transistor eines Gegentaktverstärkers richten, so empfiehlt
sich die Anwendung der aus Fig. 5 ersichtlichen Schaltung.
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Das zu schützende Leislungselement t1 ist .in diesem Falle mit seinem
Kollektor am Ausgang A angeschlossen, Awah-* rend sein Emitter über den Stromfühlerwiderstand
r1 an den Anschluß für das zweite Betriebspotential -V gelegt
ist.
Der Signaleingang E liegt wieder an der Basis des als npn-Transistor ausgestalteten
Leistungselements und außerdem am Emitter eines dem Transistor t4 entsprechenden
pnp-Transistors t4. Der Kollektor dieses Transistors t4 liegt am zweiten Betriebspotential
-V, während seine Basis in analoger Weise wie beim Transistor t4 über einen Widerstand
rq mit dem Kollektor und damit mit der Basis von t1 und dem Signaleingang E verbunden
ist.
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Ferner liegt die Basis des pnp-Transistors t4 am Kollektor des npn-Transistors
t3, der den einen Transistor der Stromübersetzerstufe bildet.
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Demzufolge ist die Basis dieses Transistors t mit der Basis des zweiten
Transistors t2 des Stromübersetzers verbunden, der ebenfalls durch einen npn-Transistor
gegeben ist. Die Basis dieses Transistors +2 ist wiederum unmittelbar an den Emitter
dieses Transistors gelegt und * liegt außerdem Über den Widerstand r2 an der Basis
des zu schützenden unteren Transistors t1 eines Gegentakt-* verstärkers, über den
Widerstand R3 an den Spannungsfühler gemäß der Erfindung und über den Widerstand
Rq am zweiten Betriebspotential -V.
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Der Spannungsfühler besteht wiederum aus dem dem Transistor T entsprechenden
npn-Transistor T , der mit seinem Kollektor an den Signalausgang A angeschlossen
und über den Widerstand R1 mit einer Verbindung zwischen seinem Kollektor und seiner
Basis und über den Widerstand R2 mit einer Verbindung zwischen seiner Basis und
seinem Emitter versehen ist. Der Emitter dieses Transistors T liegt wiederum über
einen Widerstand R3 am Kollektor und an der Basis des Transistors t2 des Strom-Ubersetzers,
die ihrerseits Über den Widerstand R4 am zweiten Betriebspotential -V angeschlossen
ist.
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Will man die Ausgangstransistoren eines Gegentaktverstärkers unter
Anwendung einer Begrenzerschaltung gemäß der Erfindung schützen, so wird der obere
Transistor tl in der aus Fig. 3 ersichtlichen Weise und der untere Transistor t1
in der aus Fig. 5 ersichtlichen Weise geschaltet. Zu bemerken ist ferner, daß der
Spannungsfühler auch bei einer der Fig. 5 entsprechenden Anordnung in der aus Fig.
4 ersichtlichen Weise ergänzt werden kann.
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In Fig. 6 ist eine etwas abgewandelte Begrenzerschaltung für den Schutz
der beiden Transistoren t1 und t1 eines Gegentaktverstärkers dargestellt.
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Bei dieser Schaltung ist der obere Transistor t1 des Gegentaktverstärkers
Über einen Stromfüfilerwiderstand r1 an das erste Betriebspotential +V und mit seinem
Emitter an den Ausgang A der Begrenzerschaltung gelegt. Außerdem ist der Kollektor
des Transistors t1 mit dem Emitter des einen pnp-Transistors darstellenden Transistor
t2 des diesem Leistungstransistor t1 zugeordneten StromUbersetzers verbunden. Schließlich
liegt'der Kollektor der Leistungsstufe t1 am Kollektor des npn-Transistors T, der
den Hauptteil eines ersten Spannungsfühlers bildet, der - entsprechend der Lehre
der Erfindung - durch die Überbrückungswiderstände R1 und R2 ergänzt ist.
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Ein Widerstand R3 stellt die Verbindung zwischen dem Emitter des ersten
Spannungsfühlers T mit dem Kollektor-und Basisanschluß eines weiteren npn-Transistors
t6 dar, der zusammen mit einem npn-Transistor t5 unter Bildung eines Stromspiegels
zusammengeschaltet ist. Der Emitter des Transistors t6 und der Emitter des Transistors
t5
liegen am Signalausgang A der Begrenzerschaltung. Der Kollektor
des Transistors t5 des Stromspiegels ist mit dem Kollektor und der Basis des ersten
Transistors t2 des StromÜbersetzers verbunden.
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Im Gegensatz zu den Ausgestaltungen gemäß Fig. 1, 3 bis 5 besteht
hier der StromUbersetzer aus zwei pnp-Transistoren t2 und t3, wobei der Kollektor
des Transistors t2 mit seiner Basis und der Basis des anderen pnp-Transistors t3
unmittelbar verbunden ist. Der Kollektor des pnp-Transistors t3 ist mit der Basis
des Transistors t4 und außerdem über den Widerstand r4 mit dem Ausgang A verbunden.
Der Emitter des Transistors t2 des StromUbersetzers liegt unmittelbar am Kollektor
des Leistungstransistors t1, der Emitter des Transistors t3 des Stromübersetzers
am Anschluß für das erste Betriebspotential +V.
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Der Transistor t4, ein npn-Transistor, ist mit seinen Emitter über
den Widerstand r5 mit dem AnschluB A der Schaltung und mit seinem Kollektor mit
der Basis des zu stabilisierenden Leistungstransistors T1 sowie mit dem Kollektor
eines weiteren pnp-Transistors t7 verbunden.
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Die Basis dieses Transistors t7 bildet den einen Eingang E des Gegentaktverstärkers.
Sie ist über eine Konstantstromquelle q an den Anschluß für daß erste Betriebspotential
+V geschaltet, der andererseits unmittelbar mit den Emitter des Eingangstransistors
t7 verbunden ist.
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Der untere Transistor der Cegentaktstute t1 ist ebenfalls ein npn-Transistor.
Er lift mit seinem Kollektor Über den Stroiftlhlerwiderstand r1 am Ausgang A der
Begrenzerschaltung und außerdem am Kollektor des wiederum
durch
einen npn-Transistor T gegebenen SpannungstUhlers und schließlich am Eingang einer
zweiten Strombersetzerstufe. Schließlich liegt der Emitter dieses Tran-1 sistors
t1 am zweiten Betriebspotential -V und seine Basis am Kollektor eines pnp-Transistors
t7* sowie am Kollektor eines npn-Transistors t*4.
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Die Basis des pnp-Transistors t7 liegt über eine zweite * Konstantstromquelle
q am Anschluß für das erste Betriebspotential oV und außerdem am zweiten Eingang
E des Gegentaktverstärkers. Die Basis des Transistors t4 wird unmittelbar vom Kollektor
des einen Transistors t des zweiten Stromübersetzers und andererseits Über einen
Wi-* derstand r4 vom zweiten Betriebspotential -V beaufschlagt.
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Der zweite Stromübersetzer besteht aus den beiden pnp-* * Transistoren
t3 und t2. Der Emitter des bereits genannten Transistors t3 liegt am Ausgang A der
Schaltung, der Emitter des ebenfalls bereits genannten Transistors t2 ist, wie bereits
bemerkt, mit dem Kollektor des Leistungstransistors t1 und des npn-Transistors T
des SpannungsfUhlers verbunden.
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Dieser zweite SpannungsfUhler, bestehend aus dem Tran-* * * sistor
T und den beiden Widerständen R1 und R2, ist in derselben Weise.wie der erste Spannungsfühler
T, R1 und R2 und entsprechend Fig. 2 zusammengesetzt.
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Zu erwähnen sind noch die beiden npn-Transistoren t5* und t6*, die
zusammen, in derselben Weise wie die Transistoren t5 und t6, einen Stromspiegel
bilden.
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Zu diesem Zweck sind die Transistoren t6 beziehungsweise t6 durch
Kurzschluß ihrer Basis-Kollektorstrecken Jeweils als eine Diode geschaltet und mit
ihrer Basis mit
der Basis des Transistors t5 beziehungsweise t5
verbunden. Der Kollektor des Transistors t5 liegt am Kollektor des pnp-Transistors
t2 des StromUbersetzers, sein Emitter am zweiten Betriebspotential -V und seine
Basis am Kollektor beziehungsweise der Basis des Transistors t Der Emitter des Transistors
t6 liegt ebenfalls am zweiten Betriebspotential -V. Die beiden Stromspiegelschal-*
* tungen t5, t6 beziehungsweise t5 und t6 spiegeln den über den Transistor t6 beziehungsweise
t6 fließenden Strom auf den Transistor t2 beziehungsweise t2, wobei * die Transistoren
t3 beziehungsweise t3 nur dann leitend werden, wenn der zugehörige Stromftthler
r1 beziehungsweise r; feststellt, daß der Über den Jeweiligen Leistungstransistor
t1 beziehungsweise t1 flieBende Strom zu groß wird. Dasselbe gilt, wenn der zugehörige
SpannungsfÜhler ein Ausscheren der Spannung und damit eine zu starke Wärmeentwicklung
in dem zugehörigen Leistungselement t1 beziehungsweise t1 feststellt. Die Transistoren
t4 und t4 dienen dazu, den Stromfluß über den Transistor t1 beziehungsweise t1 in
den beiden Fällen zu begrenzen.
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Die Anwendung der Stromspiegel t5, t6 und t5, t6 ist im Falle einer
monolithisch integrierten Ausgestaltung dann nötig, wenn die beiden Transistoren
t1 und T beziehungsweise t1 und T Jeweils in einer gemeinsamen Isolatlonswanne zusammengefaßt
sind. Dann kann man nämlich die Schaltungsteile T, R1, R2, R3, t6 beziehungsweise
R1, R2, R3, t6 zwischen dem Kollektor und dem Emitter von t1 beziehungsweise t1*
anschließen. Verzichtet man auf die Vorteile des Zusammenlegens von t1 und T beziehungsweise
t1 und T in einer gemeinsamen Isolationswanne, so können t5 und t6 beziehungsweise
t5* und t6* entfallen. Die Schaltungsteile T, R1, R2, R3 beziehungs-
weise
T*, R1*, R2*, R3* liegen dann zwischen dem gemeinsamen Punkt der BasisanschlÜsse
von t2, t3, dem Kollektor von t2 und dem Ausgang A beziehungsweise zwischen dem
gemeinsamen Punkt der Basisanschlüsse von t2, t3, dem Kollektor von t2 und dem negativen
Betriebspotential -V.
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Falls das Leistungselement, also der Transistor t1 beziehungsweise
der Transistor t1, ein pnp-Transistor ist, kann man ohne weiteres der Erfindung
entsprechende Schaltungen analog Fig. 3 bis 6 angeben.
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In allen Fällen ist es angebracht, wenn bei den beiden Stromübersetzern
der Transistor t2 beziehungsweise der ihm entsprechende Transistor t2 eine kleinere
Basis-Emitter-Schwellspannung als der Transistor t3 beziehungsweise der ihm entsprechende
Transistor t+3 hat.
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3 Bei der Realisierung in monolithischer IC-Technik bedeutet es,
daß der Transistor t2 beziehungsweise t2 eine größere Basis-Emitterfläche als der
Transistor t3 beziehungsweise t3 aufweist.
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6 Figuren 11 Patentansprüche
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