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Konstantstrom-Schaltung
Beschreibung Die Erfindung betrifft eine Konstantstrom-Schaltung
mit Isolierschicht-Feldeffekttransistoren.
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Neuerdings werden integrierte Schaltungen mit Isolierschicht-Feldeffekttransistoren
(im nachfolgenden mit FET abgekürzt), wie etwa MOS-Feldeffekttransistoren auf verschiedenen
Gebieten von elektrischen Schaltungen verwendet. Die dadurch erreichte Entwicklung
hinsichtlich der Herabsetzung der Herstellungskosten und der Erhöhung des Integrationsgrades
sind beträchtlich.
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Bisher wurden integrierte Schaltungen mit FETs bei digitalen Schaltungen
in großem Umfange verwendet; die Verwendung auf dem Gebiet von analogen Schaltungen
war jedoch relativ selten.
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Bei einer Analogschaltung, insbesondere bei einer Hochleistungs-Analogschaltung,
wie etwa einem Operationsverstärker, einem D/A-Wandler, einem A/D-Wandler, einer
Bezugsspannungs-Quellenschaltung usw., ist zur stabilen Vorspannung der Schaltung
eine Konstantstrom-Schaltung erforderlich. Die oben beschrieben&i Analogschaltungen
werden allgemein in einem grossen Stromversorgunsspannungsbereich betrieben und
die oben erwähnte Konstantstrom-Schaltung muß dermaßen beschaffen sein, daß auch
bei einer Veränderung der Stromversorgungsspannung ein stabiler Konstantstrom abgegeben
wird.
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Bisher sind als derartige Konstantstrom-Schaltungen eine Schaltung,
die eine Bezugsspannungsschaltung mit einem Konstantspannungselement, wie etwa einer
Zenerdiode od. dgl. und Diffusionswiderständen verwendet, und eine Stromschaltung
bekannt, die einen Feldeffekttransistor des Verarmungstyps verwendet. Die Durchbruchs
spannung der in der Analogschaltung verwendeten Zenerdiode muß bei etwa 4 V oder
weniger liegen. Um eine Zenerdiode mit einer derart niedrigen Durchbruchs spannung
in einer monolithischen integrierten Schaltung zu erzeugen, ist ein besonderer Diffusionsbereich
mit hoher Konzentration und damit ein zusätzlicher Diffusionsvorgang erforderlich.
Andererseits werden bei der herkömmlichen integrierten Schaltung nur Feldeffekttransistoren
vom Anreicherungstyp als FETs verwendet, so daß zur Ausbildung eines FETs vom Verarmungstyp
in einer derartigen integrierten Schaltung beispielsweise ein zusätzlicher Ionenimplantations-Verfahrensschritt
durchgeführt werden muß. Dieser zusätzliche Verfahrens-
schritt
senkt die Herstellunosausbeute bei integrierten Schaltungen und ist daher nicht
zur Realisierung der oben erwähnten Konstantstromschaltung geeignet.
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Demgegenüber besteht eine wesentliche Aufgabe der Erfindung darin,
eine Konstantstromschaltung zu schaffen, die auf einem kleinen Chipbereich realisiert
werden kann und die auch bei einer Anderung der Stromversorgungsspannung einen stabilen
Konstantstrom abgibt.
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Eine weitere wesentliche Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine
Konstantstromschaltung zu schaffen, die mit hoher Ausbeute realisiert werden kann.
Außerdem soll die erfindungsgemäße Konstantstromschaltung beispielsweise zur Vorspannung
einer Analogschaltung in einer peripheren Analogschaltungsanordnung geeignet sein,
die durch einen Mikroprozessor. Dabei soll die Analogschaltung die Schaltungsoperationen
nur dann durchführen, wenn sie von einem Chipwählsignal vom Mikroprozessor in der
Wählstellung gehalten wird. Sie soll jedoch keine elektrische Leistung verbrauchen,
wenn sie sich nicht in der Wählstellung befindet.
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Erfindungsgemäß ist eine Konstantstromschaltung vorgesehen, die aufweist:
Eine erste Reihenschaltung aus 1 Feldeffekttransistoren, eine zweite Reihenschaltung
aus m Feldeffekttransistoren und eine dritte Reihenschaltung aus n Feldeffekttransistoren,
wobei die Reihenschaltungen Jeweils zwischen zwei Stromversorgungsklemmen liegen
und 1, m und n voneinander verschiedene positive ganze Zah-
len
sind, sowie eine erste Stromquelle, eine zweite bzw. eine dritte Stromquelle, die
Jeweils in Abhängigkeit von einem durch die erste, zweite bzw. dritte Reihenschaltung
fließenden Strom einen entsprechenden Strom abgeben, und eine Ausgangsschaltung,
die einen Strom abgibt, der gleich der Summe der von der ersten und dritten Stromquelle
abgegebenen Ströme minus dem von der zweiten Stromquelle abgegebenen Strom ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Verhältnis
der von der ersten, zweiten und dritten Stromquelle abgegebene Ströme gewähl mit:
m² (n - l) : n² (m - l) 1 : : l² (n - m) l² (n - m) Eine weitere erfindungsgemäße
Ausführungsform einer Konstantstromschaltung weist auf: Eine Spannungsteilerschaltung
zur Erzeugung einer ersten Vorspannung, die durch Multiplikation einer Spannung
zwischen zwei Klemmen (beispielsweise der Stromversorgungsklemmen) mit einem konstanten
Faktor A (O L A L 1) erhalten wird, einer zweiten Vorspannung, die durch Multiplikation
der gleichen Spannung mit einem von A verschiedenen konstanten Faktor B (O 4 B c
1) erhalten wird, und einer dritten Vorspannung, die durch Multiplikation der gleichen
Spannung mit einem von A und B verschiedenen konstanten Faktor C (O < C - 1)
erhalten wird, sowie eine erste Stromquelle mit einem MOS-FET, dessen Eingang die
erste Vorspannung zugeführt wird, eine zweite Stromquelle mit einem MOS-FET, dessen
Eingang die zweite Vorspannung zuge-
führt wird, eine zweite Stromquelle
mit einem NOS-FET, dessen Eingang die zweite Vorspannung zugeführt wird, eine dritte
Stromquelle mit einem MOS-FET, dessen Eingang die dritte Vorspannung zugeführt wird,
sowie eine Ausgangsschaltung, die einen Strom abgibt, der durch Subtraktion des
von der zweiten Stromquelle abgegebenen Stromes von der Summe der von der ersten
und dritten Stromquelle abgegebenen Ströme erhalten wird, wobei das Stromverhältnis
zwischen erster, zweiter und dritter Stromquelle beträgt: A (A - C) : A (A - B)
1 : : B (B - C) C (B - C) Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die
Konstantstrom-Schaltung eine erste Vorspannungsquelle zur Erzeugung eines ersten
Vorspannungspotentials mit dem Wert A, eine zweite Vorspannungsquelle zur Erzeugung
eines zweiten Vorspannungspotentials mit dem Wert B, eine dritte Vorspannungsquelle
zur Erzeugung eines dritten Vorspannungspotentials mit dem Wert C, wobei A, B und
C voneinander verschieden sind, eine erste Stromquelle zur Erzeugung eines Stroms
in Abhängigkeit vom ersten Vorspannungspotential, eine zweite Stromquelle zur Erzeugung
eines zweiten Stroms in Abhängigkeit vom zweiten Vorspannungspotential, eine dritte
Stromquelle zur Erzeugung eines dritten Stroms in Abhängigkeit vom dritten Vorspannungspotential,
sowie eine Ausgangsschaltung zur Erzeugung eines Stromes, der durch Subtraktion
des zweiten Stromes von der Summe des ersten und dritten Stroms erhalten wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindung: gemäßen
Konstantstrom-Schaltung beträgt das Stromverhältnis zwischen erstem, zweitem und
drittem Strom: A (A - C) A (A - B) 1 : : B (B - C) B (B - C) Außerdem ist eine Schaltung
vorgesehen, bei der die erste, zweite bzw. dritte Vorspannungsquelle eine erste
Anzahl von l-Eelc effekttransistoren, eine zweite Anzahl von m-Feldeffekttransistort
bzw. eine dritte Anzahl von n-Feldeffekttransistoren aufweist, di< jeweils in
Reihe zwischen zwei Potentialquellen liegen, wobei 1, m und n positive ganze Zahlen
sind.
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bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
die eine der beiden Klemmen mit dem Ausgang einer Inverterschaltung verbunden, deren
Eingang mit einer Steuereingangsklemme verbunden ist.
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Demnach sieht die Erfindung eine Konstantstrom-Schaltung vor, die
besonders für integrierte Halbleiterschaltungen geeignet ist und über einen weiten
Veränderungsbereich im Leistungspotential hinweg stabil arbeitet. Die erfindungsgemäße
Konstantstromschaltung weist eine Vorspannungseinrichtung zur Erzeugung eines erster
bis dritten Vorspannungspotentials, eine erste Stromquelle zur Erzeugung eines ersten
Stroms in Abhängigkeit vom ersten Vorspannungspotentials, eine zweite Stromquelle
zur Erzeugung eines zweiten Stroms in Abhängigkeit vom zweiten Vorspannungspotential,
eine
dritte Stromquelle zur Erzeugung eines dritten Stroms in Abhängigkeit
vom dritten Vorspannungspotential sowie eine Einrichtung zur Erzeugung eines Ausgangskonstantstromes
durch Subtraktion des zweiten Stroms von der Summe aus erstem und drittem Strom.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen
näher beschrieben. Es zeigt: Fig. 1 ein Schaltbild einer bekannten Konstantstrom-Schaltung,
die eine Zenerdiode und Diffusionswiderstände verwendet; Fig. 2 ein Schaltbild einer
bekannten Konstantstrom-Schaltung, die einen FET vom Verarmungstyp verwendet; Fig.
3 ein Blockschaltbild, das den Aufbau der erfindungsgemäßen Konstantstrom-Schaltung
darstellt; Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung; Fig.
5 ein Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung; Fig. 6 A
und 6 B Schaltbilder von weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
sowie ein Diagramm zur Erläuterung der darin ablaufenden Vorgänge;
Fig.
7 A und 7 B Schaltbilder eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung;
Fig. 8 ein Schaltbild eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
und Fig. 9 A und 9B ein Blockschaltbild und ein Schaltbild einer weiteren Verbesserung
der erfindungsgemäßen Konstantstrom-Schaltung.
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Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer bekannten Konstantstrom-Schaltung.
Diese Schaltung weist eine Zenerdiode 1, n-Kanal-FETs 2, 3 und 4 sowie Diffusionswiderstände
5 und 6 auf. Da die Durchbruchs spannung der Zenerdiode 1 gegenüber einer Spannungsänderung
zwischen den Stromversorgungsklemmen 7 und 8 relativ konstant ist, ist die Spannung
am Widerstand 6 auch gegenüber der Änderung der Stromversorgungsspannung stabil.
Damit kann auch bei Änderung der Stromversorgungsspannung ein stabiler Ausgangskonstantstrom
erhalten werden, in dem der durch den Widerstand 6 fließende Strom; über eine Stromspiegelschaltung
aus den FETs 3 und 4 an einer Klemme 9 abgenommen wird.
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Um jedoch eine Zenerdiode mit einer derart niedrigen Durchbruchs
spannung zu erhalten, daß diese mit einer niedrigen Stromversorgungsspannung arbeiten
kann, wie es-bereits oben beschrieben wurde, ist ein PN-Ubergang mit einer hohen
Störstellenkonzentration erforderlich. Zur Realisierung einer derartig hohen Konzentration
ist ein neuer zusätzlicher spezieller Diffusionsverfah-
rensschritt
erforderlich. Auch der Diffusionswiderstand 6 nimmt bezüglich eines aktiven Elements,
wie etwa eines FETs od. dgl., eine große Chipfläche ein. Damit ist die in Fig. 1
dargestellte bekannte Schaltung nicht für integrierte Schaltungen mit FET's geeignet.
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Fig. 2 zeigt eine weitere bekannte Konstantstrom-Quellenschaltung,
die lediglich durch einen FET 10 vom Verarmungstyp realisiert ist. Obwohl diese
Konstantstrom-Schaltung gegenüber einer Änderung der Stromversorgungsspannung stabil
ist und sie im Hinblick auf die Schaltungskonstruktion sehr einfach ist, muß trotzdem
ein FET vom Verarmungstyp vorgesehen werden, der eine leichte Schwankung in der
Schwellenwertspannung im Halbleitersubstrat aufweist. Dies macht jedoch einen zusätzlichen
lonen-Implantations-Verfahrensschritt erforderlich, um einen FET vom Anreicherungstyp
zu erzeugen. Es ist möglich, die meisten Analogachaltungen ebenso wie die Digitalschaltungen
lediglich aus FETs vom Anreicherungstyp herzustellen und im allgemeinen werden lediglich
aus FETs vom Anreicherungstyp aufgebaute Schaltungen vorzugsweise in Massenproduktion
hergestellt. Bei dieser Situation ist es nicht wirtschaftlich, lediglich für ein
Bauelement in der Konstantstrom-Schaltung einen neuen zusätzlichen besonderen Verfahrensschritt
durchzuführen, durch den in der Praxis die Herstellungsausbeute vermindert wird,
was sich in einer Erhöhung der Chipkosten niederschlägt. Damit ist die in Fig. 2
dargestellte Schaltung nicht für Konstantstrom-Schaltungen geeignet.
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Anhand von iig. 3 wird nun ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der
erfindunsgemäßen Konstantstrom-Schaltung beschrieben.
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Dabei sind Klemmen 17 und 18 mit Potentialquellen niedriger Impedanz
verbunden, wie etwa Stromversorgungsklemmen od. dgl. Zwischen den Klemmen 17 und
18 ist eine erste Reihenschaltung 11 aus 1 EETs, eine zweite Reihenschaltung 12
aus m rETs und eine dritte Reihenschaltung 13 aus n FETs geschaltet, wobei 1, m
und n voneinander verschiedene positive ganze Zahlen sind. Eine Strom quellenschaltung
14 gibt einen Strom ab, der der Summe der Ströme entspricht, die größenmäßig durch
die erste und dritte Reihenschaltung 11 bzw. 13 fließt. Eine Stromquelle 15 gibt
an ihrer Ausgangsklemme 16 einen Strom ab, der der Differenz zwischen dem durch
die zweite Reihenschaltung 12 fließenden Strom und dem Ausgangsstrom der Stromquelle
14 entspricht.
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Anhand von Fig. 4 wird nun das Prinzip der Betriebsweise der oben
beschriebenen Konstantstrom-Schaltung näher erläutert. Im allgemeinen kann die Strom-Spannungs-Kennlinie
eines im gesättigten Bereich arbeitenden FET durch die folgende Gleichung dargestellt
werden: Id = @/2 (VG - Vt)² ........ (1) wobei die Steilheit
Id der Drainstrom des FET, Vt die Schwellenwertspannung, W die Breite des Kanals
des FETs, L die Länge des Kanals, tox die Dicke des Catefilms, die Dielektrizitätskonstante
des Gatefilms und P die Beweglichkeit der Träger im Kanalbereich kennzeichnet.
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Es wird nun angenommen, daß bezüglich der in Abhängigkeit von der
ersten bis dritten Reihenschaltung 11 bis 13 in Fig. 3 fliessenden Ströme quadratische
Kurven, die üblicherweise durch die obige Gleichung 1 dargestellt werden, in drei
verschiedenen Formen wie folgt erhalten wurden.
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y1 = a1 (b1 x - C)² ........ (2) y2 = a2 (b2 x - C)² ........ (3)
y3 = a3 (b3 x - )2 ........ (4) Der Einfachheit halber wird die Konstante C bezüglich
der Schwellenwertspannung bei allen drei Gleichungen gleich gewählt.
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Die Differenz Y1 zwischen den Gleichungen (2) und (3) ergibt: Y1
= y1 - y2 = (a1b1² - a2b2²)x² - 2C (a1b1 - a2b2) x + C2 (a1 - a2) (5) In ähnlicher
Weise ergibt die Differenz Y2 zwischen den Gleichungen(3) und (4): = y2 - y3 = (a2b2²
- a3b3²) x² - 2C (a@b@ - a3b3) x + C2 (a2 - a3) ........ (6)
Die
Bedingungen dafür, daß Y1 und Y2 lineare Funktionen der Variablen x darstellen,
sind wie folgt: a1b1² = a2b2² ........ (7) laib a2b22 3 Wenn diese Bedingungen erfüllt
sind, so wird die Differenz Y zwischen den Gleichungen (5) und (6) durch die folgende
Gleichung dargestellt: Y = Y1 - Y2 = -2C (a1b1 - 2a2b2 + a3b3) x + C2 (a1 + a3 -
2a2) - (9) Damit die Gleichung (9) nicht von der Variablen x abhängig ist, ist es
erforderlich, daß die folgende Bedingung erfüllt ist: a1b1 - 2a2b2 + a5b3 = 0 ........
(10) Unter der Annahme, daß die Bedingungen (7), (8) und (10) gleichzeitig erfUllt
sind, ist die Differenz Y damit wie folgt invariabel: Y = C2 (a1 + a3 - 2a2) ........
(11)
In den Fig. 4 sind die Kurven 22, 23 und 24 die den Gleichungen
(2), (3) und (4) entsprechendenquadratischen Kurven. Unter der durch die Gleichung
(7) dargestellten Bedingung, bei der quadratische Ausdruck gleich Null wird, wird
die Differenz zwischen den Gleichungen(2)und (3) durch eine gerade Linie 25 dargestellt.
Unter der durch die Gleichung (8) dargestellten Bedingung, bei der der quadratische
Ausdruck gleich Null wird, wird in gleicher Weise die Differenz zwischen den Gleichungen
(3) und (4) durch eine gerade Linie 26 dargestellt. Der senkrechte Abstand zwischen
den geraden Linien 25 und 26, d. h. die Differenz zwischen den Gleichungen (9) und
(10) ist durch eine horizontale gerade Linie 27 gegeben unter der Bedingung gemäß
Gleichung (10), bei der der lineare Ausdruck gleich Null wird.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das nach der oben
beschriebenen Betriebsweise arbeitet, ist in Fig. 5 dargestellt.
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Die Betriebsweise diese bevorzugten Ausführungsbeispiels wird nun
anhand von Fig. 5 näher erläutert. Dabei weisen die zu den in Fig.
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3 dargestellten gleichen Bauteile die gleichen Bezugszeichen auf.
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In einer ersten Reihenschaltung 11 in der 1 FETs 111, 112, ... und
113 in Reihe geschaltet sind, wobei ihre Gate-Elektroden jeweils mit den entsprechenden
Drain-Elektroden kurzgeschlossen sind, haben die entsprechenden Feldeffekttransistoren
die gleiche Konfiguration und der durch jeden FET fließende Strom wird durch die
folgende Gleichung dargestellt: ß1 Id1 = . (VG1 - VT)² ........ (12) 2
In
gleicher Weise sind in einer zweiten Reihenschaltung 12 m m: is 121, 122 .. und
123 in Reihe geschaltet, wobei ihre Gate-Elektroden mit den entsprechenden Drain-Elektroden
kurzgeschlossen sind, die entsprechenden FETs die gleiche Konfiguration aufweisen
und der durch jeden FET fließende Strom durch die folgende Gleichung gegeben ist:
ß2 Id2 = (VG2 - VT)² ........ (13) 2 n ähnlicher Weise sind in einer dritten Reihenschaltung
13 nrETs 131, 132, ... und 133 in Reihe geschaltet, wobei ihre Gate-Elektroden mit
den entsprechenden Drain-Elektroden kurzgeschlossen sind, die entsprechenden FETs
die gleiche Konfiguration aufweisen und der durch jeden FET fließende Strom durch
die folgende Gleichung gegeben ist: ß3 Id3 = (VG3 - VT)² ........ (14) 2 Wenn eine
Spannung VDD zwischen den Klemmen 17 und 18 anliegt, so erfüllen die Gate-Source-Spannungen
VG1, VG2 und VG3 der FETs in den entsprechenden Reihenschaltungen 11 bis 13 und
die Spannung VDD die durch die folgende Gleichung gegebene Beziehung: 1 . VG1 =
m . VG2 = n . VG3 ........ (15)
Entsprechend den oben beschriebenen
Differenzen Y1 und Y2 gemäß Gleichung (5) und (6) ergeben sich die folgenden Gleichungen:
Io1 = Id1 - Id2 ........ (16) Io2 = Id2 - Id3 ........ (17) In ähnlicher Weise ergibt
sich die Differenz gemäß Gleichung (9) in entsprechender Weise: Io = Io1 - Io2 =
Id1 + Id3 - 2Id2 ........ (18) Bezüglich der Schaltungskonstruktionen kann in anderen
Worten eine Schaltung mit im wesentlichen der gleichen Aufgabe wie das oben genannte
Prinzip der Betriebsweise durch eine Schaltungskonstruktion realisiert werden, bei
der ein doppelt so großer Strom wie er durch die zweite Reihenschaltung fließt von
der Summe der Ströme subtrahiert wird, die durch die erste und dritte Reihenschaltung
fließen.
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In Fig. 5 stellt ein FET 141 eine Stromquelle dar, der einen Ausgangsstrom
liefert, der von dem durch die erste Reihenschaltung 11 fließenden Strom Id1 abhängig
ist. Das Verhältnis des Ausgangsstroms des FET 141 zum Strom Id1 wird bestimmt durch
das Verhältnis der Konfigurationen des FET 141 und der die erste Reihenschaltung
11 bildenden FETs 111, 112, ... und 113, d. h. das Konfigu-
rationsverhältnis
der Kanalbereiche, wie es durch ß in Gleichung (1) gegeben ist. Der Einfachheit
halber wird das Verhältnis zwischen den ß's gleich 1 gewählt. In gleicher Weise
liefert ein FET 142 einen Strom, der dem durch die dritte Reihenschaltung 13 fließenden
Strom Id3 entspricht, und an einem Verbindungspunkt 143 werden die Ströme Id1 und
Id3 addiert. Andererseits liefert ein FET 151 einen Ausgangsstrom der von dem durch
die zweite Reihen schaltung 12 fließenden Strom Id abhängig ist. Der FET 151 hat
ein Konfigurationsverhältnis bezüglich des Leitwerts ß, das doppelt so groß ist
wie das der die zweite Reihenschaltung 12 bildenden FETs 121, 122, ... und 123 (d.
h., das Verhältnis zwischen den ß's ist gleich 2). Damit ist der Ausgangsstrom des
FET 151 im wesentlichen gleich 2 1d2. Die FETs 161 und 162 sind gegenüber den anderen
FETs in Fig. 5 vom entgegengesetzten Leitungstyp und der am Verbindungspunkt 143
aufaddierte Summenstrom aus Id1 + Id3 wird durch die Stromspiegelschaltung invertiert,
die duich die FETs 161 und 162 gebildet wird. Die Summe dieses invertierten Stromes
minus (Id1 + Id3) und des Stromes Id2 vom FET 151, d. h. ein Strom 21d2 - (Id1 +
Id3), fließt durch einen FET 163, so daß an einer Ausgangsklemme 16 ein durch eine
aus den FETs 163 und 164 gebildete Stromspiegelschaltung invertierter Ausgangsstrom
Io, d.h.
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ein Strom Id1 + Id3 - 2Id2 abgenommen werden kann.
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Setzt man die Gleichungen(12), (13), (14) und (15) in die Gleichung
(18) ein, so ergibt sich die folgende Gleichung:
1 1 2 Io = 1/2
( ß1 + ß3 - ß2) VDD² l² n² m² - (1/l ß1 + 1/n ß3 - 2/m ß2) VDD . VT + 1/2 (ß1 +
ß2 - 2ß2) VT² ........ (19) Wird die Gleichung (19) partiell mit einer Variablen
VDD differenziert, so ergibt sich sich die folgende Gleichung:
Damit der Ausgangsstrom lo nicht von der Veränderlichen VDD abhängig ist, ist es
lediglich erforderlich, daß der Wert der Gleichung(20) unabhängig vom Wert von VDD
gleich Null wird. Dies bedeutet, daß die notwendige Bedingung darin besteht, daß
die folgenden Gleichungen gleichzeitig erfüllt werden: 1 1 2 ß1 + ß3 - ß2 = 0 ........
(21) l² n² m² 1 +l3 - 2 (22) 1 ß1 + Die durch die Gleichung (21) gegebene Bedingung
entspricht den durch die Gleichungen (7) und (8) gegebenen Bedingungen und die durch
die Gleichung (22) entspricht der durch die Gleichung (10) dargestellten Bedingung.
Aus den obigen Gleichungen (21) und (22) kann die folgende Beziehung abgeleitet
werden:
1 n - m 1² n - m ß1 = 2 . ß = . ß3 ........ (23) m² n -
1 n² m - 1 Setzt @@@ die Gleichung (@@) in die Gleichung (10) ein, so er-@@ht sich
die folgende Beziehung: (1 - m) (1 - n) @@ = 1/2 ß1, @@ ........ (24) l² Damit ist
bewiesen, daß Io nicht von den Stromversorgungsspannung VDD aphängig ist. Die Gleichungen
(23) und (24) sind Grundgleichungen zur Bestimmung der Parameter der entsprechenden
Blemen te in der erfindungsgemäßen Konstantstrom-Schaltung. Durch Verändern der
Gleichung (2@) ist das Stromverhältnis (Id1 : 2Id2 : Id3 zwischen der ersten, zweiten
und dritten Stromquelle bestimmt durch: m² (n - 1) n² (m - 1) 1 : : ........ (23')
l² (n - m) l² (n - m) Es wird nun ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Konstantstrom-Schaltung
gegeben, das auf der Basis der obigen Grundleichungen praktisch durchgeffihrt wurde.
Dies wird anhand von Fig. 6 näher erläutert. Dabei sind wieder gleiche Bauteile
wie in lig. 5 mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Bei dem in Fig. 6 dargestellten
Beispiel betragen die Parameter 1 = 1, m = 2 und n = 3. Damit wird die Gleichung
(23) entsprechende chung gleich:
13 ~ 3t; . ( In entsprechender
Weise wird ein Ausgangsstrom Io durch die folgende Gleichung gegeben: Io = ß1 VT
........ (2,@) Unter der oben beschriebenen Bedingung nimmt der durch die abige
Gleichung (@) dargestellte Strom in die folgende li@en: form an: Io1 = ß1 VT (VDD
- 3/@ @1 ........ (@@@) Auch der durch die Gleichung (1@) das dargeste lte m @ nimmt
die folgende lineare form an: Io2 = ß1 VT (VDD - 5/2 VT) ........ (12') Die entsprechenden
geraden Linien, die den Gleichungen (16') und (17') entsprechen, sind in Fig. gen
mit entsprechenden bezugszeichen 251 bzw. 261 versehen. Diese geraden Linien entsprechen
den geraden Linien 25 bzw. 26 in Fig. 4, auf die bei der Erklärung der Betriebsweise
Bezug genommen wurde. Bei einer praktischen FET-Schaltung gelten die Gleichungen
(12), (13) und (14) nur für Gate-Source-Spannungen VG1, VG7 und VG3, die größer
sind als die Schwellenwertspannung VT, und bei Gate-Source-Spannungen, die kleiner
sind als die Schwellenwertspannung VT, werden die Ströme
Id1, Id2
und 1d3 gleich Null. I)amit folgen die durch die geraden Linien 251 und 261 dargestellten
Ströme lo1 und 102 im Falle eine praktischen Schaltung den durchgezogenen Kurven
51 und 61 in Fig.
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6 B. Der durch die Kurve 51 dargestellte praktische Strom lo1 folgt
einer geraden Linie bei einer Stromversorgungsspannung von V1)1) / 2VT und der durch
die Kurve 61 dargestellte praktische Stron 10? folgt einer geraden Linie bei einer
Stromversorgungsspannung von VDD # 3 VT. Zusätzlich dazu folgt der praktische Ausgangsstrom
Io, wie es durch eine gestrichelte Linie 71 dargestellt ist, bei einer Stromversorgungsspannung
von VDD # 3 VT einer horizontalen geraden Linie 271 entsprechend Gleichung (24).
Wenn damit FETs mit eine^ Schwellenwertspannung von VT = 1 V verwendet werden, so
kann eine Konstantstrom-Quelle vorgesehen werden, die einen Konstantstrom im Bereich
der Stromversorgungsspannung von VDD 2 liefern kann. Zusätzlich dazu wurde bewiesen,
daß für die Werte ß1 = 5 x 10-6 (A/V²), ß2 = 20 x 10-6 (A/V²) und ß3 = 45x10-6 (A/V²)
ein Strom Io = 5 µA an der Klemme 16 erhalten werden kann. Damit kann mit sehr kleinen
Bauelementen, wie sie durch die Wert ß1, ß2 und ß3 gekennzeichnet sind, ein sehr
geringer Konstantstromwert erhalten werden.
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Anhand von Fig. 7 wird nun ein weiteres bevorzugtes Ausführungs beispiel
der erfindungsgemäßen Konstantstrom-Schaltung beschrieben Dabei sind wieder die
gleichen Bauteile wie in Fig. 5 mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Mit
dem Bezugszeichen 200 ist eine Spannungsteilerschaltung zum Teilen einer Spannung
zwischen den Eingangsklemmen 17 und 18 gekennzeichnet. Beispielsweise
sind
die Details der Spannungsteilerschaltung 200 in Fig. 7B dargestellt. Das Bezugszeichen
201 kennzeichnet eine Spannungsversorgungsklemme zur Zuführung einer ersten Vorspannung,
die dadurch erhalten wird, daß die zwischen den beiden Klemmen 17 und 18 anliegende
Spannung geteilt wird. Bei dem in Fig. 7B dargestellten Beispiel wurde ein Spannungsteilungsfaktor
A mit 1 : 4 gewählt. Auch das Bezugszeichen 202 kennzeichnet eine Spannungsversorgungsklemme
zur Zuführung einer zweiten Vorspannung, wobei bei dem in Fig. 7B dargestellten
Beispiel der Spannungsteilungsfaktor B mit 1/2 gewählt wurde. Das Bezugszeichen
203 kennzeichnet eine Spannungsversorgungsklemme zur Zuführung einer dritten Vorspannung,
wobei bei dem in Fig. 7B dargestellten Beispiel der Spannungsteilungsfaktor C mit
3 : 4 gewählt wurde.
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Wenn eine Stromversorgungsspannung VDD zwischen den Klemmen 17 und
18 anliegt, so wird von einer ersten Stromquelle, die aus einem mit der ersten Vorspannung
vorgespannten FET 141 besteht, ein Strom Id1 von einer zweiten Stromquelle, die
aus einem mit der zweiten Vorspannung vorgespannten FET 151 besteht, ein Strom Id2
und von einer dritten Stromquelle, die aus einem mit der dritten Vorspannung vorgespannten
FET 143 besteht, abgenommen: ß1 2 Id1 = ---- (A . VDD - VT) (25) ß2 Id2 = (B . VDD
- VT)² ........ (26) 2 ß3 Id3 = (C . VDD - VT)² ........ (27) 2
Auf
der Basis der Gleichungen (25), (26) und (27) ergibt sich ein Ausgangsstrom Io an
der Klemme 16 wie folgt: Io = Id1 + Id3 - 2 Id2 1/2 = (ß1 A² + ß3 C² - ß2 B²) VDD²
+ (ß1 A + ß3 C - ß2 B) VDD . VT 1 2 + 1 (ß1 + ß3 - ß2) VT ........ (28) Aus der
obigen Gleichung ergibt sich, daß die Bedingung, daß der Ausgangsstrom Io unabhängig
von der Variablen VDD ist, durch # Io die Beziehung = 0 erfüllt ist, woraus sich
die folgenden # VDD beiden Bedingungen ableiten lassen: ß1 A2 + ß3 C² ~ ß2 B2 =
0 (29) ß1 A + ß! C - ß2 B = 0 ........ (30) Aus den Gleichungen (29) und (30) ergeben
sich die Beziehungen zwischen ß1, ß2 und ß3 wie folgt: B (B - C) C (B - C) ß1 =
# ß2 = # ß3 ........ (31) A (A - C) A (A - B) Setzt man Gleichung (31) in Gleichung
(28) ein, so ergibt sich die folgende Beziehung:
Io = ##########
.ß1 VT² ........ (32) Daraus ist offensichtlich, daß auch bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der an der Klemme 16 abgenommene Ausgangsstrom Io nicht von der Stromversorgungsspannung
VDD abhängig ist. Die Gleichungen (31) und (32) stellen Grundgleichungen zur Bestimmung
der Parameter der entsprechenden Bauelemente gemäß dem in Fig. 7 dargestellten bevorzugten
Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Konstantstrom-Schaltung dar. Aus Gleichung
(31) wird das Stromverhältnis zwischen erster, zweiter und dritter Stromquelle wie
folgt berechnet: Id1 : Id2 : Id3 = 1 : ###### : ###### .....(33) Im Falle der beispielsweise
dargestellten Spannungsteilerschaltung in Fig. 7 B nehmen die Spannungsteilerfaktoren
die Werte A = 1/4, B = 1/2 und C = 3/4 an. Werden diese numerischen Werte in Gleichung
(32) eingesetzt, so erhält man: Io = 1/6 ß1 VT² Wenn ß1 = 60 x 10-6 (A/V²) gewählt
wird, so ergeben sich die Werte B2 = 60 x 10 6 (A/V2) und ß3 = 20 x 10-6 (A/V2).
Wenn VT = 1 V gewählt wird, so kann damit ein Strom Io r 10 µA abgenommen werden.
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Es sollte hier angemerkt werden, daß Gleichung (33) praktisch gleich
der Gleichung (23') ist. Die Faktoren A, B und C in Gleichung (33) sind nämlich
jeweils gleich in ihrem Verhältnis zu 1 und 1 und es ergibt sich aus Gleichung (33)
die Gleichung 1' m und 11 1 (23'), indem man A, B und C durch 1, m und ñ ersetzt.
In ähnlicher Weise sind die Faktoren 1, m und n in Gleichung (23') entsprechend
gleich in ihrem Verhältnis den Faktoren 1/A, 1/B und 1/C und es ergibt sich damit
auch aus Gleichung (23') die Gleichung (33), indem 1. m und n in Gleichung (23')
durch 1/A, 1/B und 1/C ersetzt werindem l, m und n in Gleichung (23') durch 1, 3und
ersetzt werden.
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Anhand von Fig. 8 wird nun eine weitere bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. Allgemein ist eine aus komplementären FET-Bauelementen
zusammengesetzte integrierte Schaltung durch die Tatsache gekennzeichnet, daß der
Leistungsverbrauch selbst dann, wenn eine Stromversorgungsspannung angelegt ist,
sehr gering ist, wenn die Schaltung sich nicht in Betrieb befindet. So ist es beispielsweise
in einem System möglich, bei dem eine Operation eines A/D-Wandlers durch einen Mikrocomputer
gesteuert wird, den Leistungsverbrauch in einer Analogschaltung, wie etwa einem
A/D-Wandler oder dgl. durch Vorsehen einer Schaltungseinrichtung zu vermindern,
bei der eine Konstantstrom-Schaltung einen Konstantstrom liefert, wenn der A/D-Wandler
sich entsprechend einem Steuersignal vom Mikrocomputer im Betriebszustand befindet,
die Konstantstrom-Schaltung jedoch die Zuführungdes Konstantstroms unterbricht,
wenn der A/D-Wandler sich außer Betrieb befindet. In Fig. 8 ist mit dem Bezugszeichen
103 eine Steuerklemme gekennzeichnet und ein an diese
Klemme 103
angelegtes Steuersignal wird invertiert und einer Impedanzwandlung durch eine Inverterschaltung
100 unterzogen, die aus den komplementären FETs 101 und 102 gebildet wird, und das
Ausgangssignal wird am Punkt 17 abgegeben. Wenn die Konstantstrom-Schaltung in einen
Betriebszustand gebracht wird, so wird der FET 101 eingeschaltet, so daß der Punkt
17 ein Potential aufweist, das durch das Spannungsteilungsverhältnis der Impedanz
der Konstantstrom-Schaltung, vom Punkt 17 aus gesehen, zur Impedanz des FET 101
bestimmt wird. Obwohl dieses Potential am Punkt 17 kaum konstant gehalten werden
kann, kann der Konstantstrom-Schaltungsabschnitt einen stabilen Konstantstrom an
seiner Ausgangsklemme 16 über einen weiten Bereich der Spannungsänderung am Punkt
17 hinweg liefern, wie es bereits oben beschrieben wurde.
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Wenn andererseits die Konstantstrom-Schaltung außer Betrieb gesetzt
wird, so wird der FET 101 gesperrt und der FET 102 eingeschaltet, so daß kein Strom
durch irgendeines der Bauelemente in der Konstantstrom-Schaltung fließt. Dadurch
wird die Zuführung eines Stromes von der Ausgangsklemme 16 unterbrochen.
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Im nachfolgenden werden weitere Verbesserungen der erfindungsgemäßen
Konstantstrom-Schaltung beschrieben. Wenn bei den in den Fig. 6 und 7 beschriebenen
bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung die zwischen den Klemmen 17 und
18 anliegende Eingangsspannung (beispielsweise eine Stromversorgungsspannung) extrem
hoch werden sollte, so nehmen die durch die entsprechenden Reihenschaltungen fließenden
Ströme Id1, Id2 und Id3 stark zu, wie es in Fig. 4 bei den Kurven 22, 23 und 24
dargestellt ist. Damit
besteht bei den bevorzugten Ausführungsbeispielen
in Fig. 6 und 7 die Höglichkeit, die Genauigkeit des Konstantstromwertes herabzusetzten,
wenn eine hohe Eingangsspannung anliegt.
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bei dem in Fig. 9 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Schaltung
vorgesehen, in der bei Zunahme der Eingangsspannung die Zunahme der praktisch der
Konstantstrom-Schaltung gemäß der Erfindung zugeführten Spannung unterdrückt werden
kann, die Stabilität der Schaltung verbessert und auch eine Zunahme des Leistungsverbrauchs
unterdrückt wird. In Fig. 9A ist mit dem Bezugszeichen 10 eine erfindungsgemäße
Konstantstromschaltung bezeichnet, wie es in den Fig. 6 und 7 dargestellt ist. Das
Bezugszeichen 300 bezeichnet einen widerstand und das 3ezugszeichen 400 eine zusätzliche
vingangsklemme. Wenn die Eingangsspannung zunimmt, so steigt aufgrund der Einfügung
des Widerstands 300 eine daran abfallende Spannung an, so daß der durch die Reihenschaltung
in der Konstantstrom-Schaltung 10 fließende Strom von der quadratischen Kennlinie
abweicht und sic der linearen Kennlinie annähert. Folglich kann eine abrupte Zunahme
des Stroms unterdrückt und aufgrund der Unterdrückung des Stroms durch die Reihenschaltung
die Genauigkeit des Ausgangsstroms verbessert werden.
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B Der gleiche Vorteil ergibt sich auch bei dem in Fig. 9¢dargestellten
verbesserten Ausführungsbeispiel, bei dem ein Widerstand 300' zwischen der Eingangsklemme
17 der Spannungsteilerschaltung 200 im Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 und der zusätzlichen
Eingangs klemme 400 eingefügt ist.
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Wenn die Spannung am Punkt 17 in den Fig. 9 A und 9 B mit VDD, gegeben
ist und das Symbol gemäß den Gleichungen (15) und (25), (26) und (27) durch das
Symbol VDD, ersetzt wird, so ist leicht zu verstehen, daß die Betriebsweise der
Konstantstromschaltung sich selbst nicht wesentlich ändert.
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Da der durch den Widerstand 300 in Fig. 9 A fließende Strom im allgemeinen
größer als der durch den entsprechenden Widerstand 300' in Fig. 9 B fließende Strom,
kann der Widerstand 300 in Fig.
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9 A einen kleineren Widerstandswert haben, so daß die Schaltung in
Fig. 9 A als integrierte Schaltung besser realisierbar ist.
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Wie bereits oben beschrieben wurde, sieht die erfindungsgemäße Konstantstrom-Schaltung
Mittel zur Zuführung eines kleinen Konßtantstromes gegenüber einem weiten Veränderungsbereich
der Stromversorgungsspannung vor. Darüberhinaus sind bei einer Realisierung dieser
Schaltung in Form einer integrierten Schaltung Widerstände mit hohem Widerstandswert
nicht erforderlich und es werden lediglich solche aktiven Bauelemente bei der Schaltungsintegration
verwendet, die nur eine kleine Fläche benötigen. Darüberhinaus sieht die Erfindung
Schaltungseinrichtungen vor, die für die Schaltungsintegration sehr geeignet sind
und die keine zusätzlichen Verfahrensschritte oder Änderungen erfordern. Damit weist
die Erfindung einen großen Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik auf.
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L e e r s e i t e