DE3041591A1

DE3041591A1 - Stromspiegelschaltung

Info

Publication number: DE3041591A1
Application number: DE19803041591
Authority: DE
Inventors: Takashi Yokohama Kanagawa Okada
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1979-11-05
Filing date: 1980-11-04
Publication date: 1981-05-14
Also published as: GB2063608B; GB2063608A; DE3041591C2; US4467289A; CA1152582A; FR2469038A1; NL8006055A; FR2469038B1

Description

DiPl-Ug-H-MITSCHERUCH _ft D-8000 MrQNCHEM 22

Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN "Jf' ' StemsdprfstraßelO

Dr. rer.nat. W. KÖRBER ® ^(O095 * ²⁹ Dipl.-Ug. J. SCHMIDT-EVERS

PATENTANWÄLTE

4. November 1.?8o

SONY CORPORATION

7—35 Kitashinagawa 6-chome

Shxnagawa-ku

TOKYO/JAPAN

STRORSPI EGELSCHALTUNG

Die Erfindung betrifft allgemein eine Stromspiegelschaltung und insbesondere eine Stromspiegelschaltung zum Umsetzen eines einzigen Eingangsstroms in einen einzigen Ausgangsstrom, der das η-fache des Eingangsstroms ist,, oder zum Umsetzen eines einzigen Eingangsstroms in mehrere Ausgangsströme, deren Werte frei wählbar ist,

Herkömmliche Stromspiegelschaltungen zum Umsetzen eines einzigen Eingangsstroms in einen Ausgangsstrom, der im wesentlichen gleich dem Eingangsstrom ist, uerden mit Bezug auf Fig. 1 näher erläutert. 'Fig. 1 zeigt eine derartige Stromspiegelschaltung mit einer Stromquelle 1, einem 1. Transistor CL, dessen Kollektor-Emitter-Strecke mit der Stromquelle 1 und einer Bezugsspannungsquelle verbunden ist, einem

2. Transistor Q₉, dessen Basis und Kollektor gemeinsam mit der Basis des T-. Transistors Q. verbunden sind und dessen Emitter mit der Bezugsspannungsquelle verbunden Lst^ und einem

3. Transistor CU, dessen Basis-Emitter-Strecke parallel zur

13ÖÖ2G/Q88S

Kollektor-Basis-Strecke des 1. Transistors Q₁ geschaltet ist und dessen Kollektor mit einem Ausgangsanschluß 2 verbunden ist.

Bei dieser herkömmlichen Stromspiegelschaltung ergibt sich der Basisstrom i,^ des 3. Transistors Q„ zu:

h- + 2
re . . /-λ

^xb3 - ET +1 b ^Ki)f

te

mit h_f = Stromverstärkung der Transistoren Q₁ bis Q-, i, = Basistrom der Transistoren Q₁ und Q₂. Andererseits beträgt der Eingangsstrom I₁ von der Stromquelle 1:

h ² + 2h

2h~ + 2 fe

h_fB

Weiter ergibt der Ausgangsstrom I„, der am Kollektor des Transistors Q„ erhalten uiird sich zu:

ι .ifalliif. . _{t (3)}

^L2 * h« + 1 ^xb \^J^·

fe

Aus den Gleichungen (2) und (3) ergibt sich I„ zu:

I₂ = * I₁ (4).

^hfe ^{+ 2h}fe ^{+ 2}

Aus der Gleichung (4) ergibt sich die Stromverstärkung (Stromverstärkungsfaktor, Stromgeuinn) I₂/L dieser Stromspiegelschaltung im wesentlichen zu 1, unabhängig von dem Ue rt h„ .

Fig, 2 zeigt eine weitere herkömmliche Stromspiegelschaltung, bei der der Schaltungsaufbau der gleiche uie bei der ersten Stromspiegelschaltung ist mit der Ausnahme, daß der Ausgangsstrom I„ von dem Kollektor des Transistors Q„ abge nommen wird und der Kollektor des Transistors Q„ mit der Versorgung +B verbunden ist.

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3Ö41591

-1Q-

Bei dieser zweiten Schaltungsanordnung ergibt sich der Ausgangsstrom I„ uie folgt in gleicher Ueise uie bei der ersteren Schaltungsanordnung gemäß:

² " h_f.² ₊ h,. ₊ 2 ^I1 C5).

Die Gleichung (5) zeigt, daß die zweite herkömmliche Schaltungsanordnung auch geeignet ist, wenn der Ausgangsstrom I„ im wesentlichen gleich dem Eingangsstrom I. sein muß, unabhängig von einer Schwankung von h„ .

Bei der zweiten herkömmlichen Schaltungsanordnung entspricht jedoch der Ausgangsstrom I_ nicht dem Eingangsstrom L, wenn der Eingangsstrom mit hoher Frequenz von beispielsweise 30 MHz schwankt aufgrund der Wirkung der Speicherverzögerungszeit der Transistoren Q₁ und Q₂, da kein Stromueg vorliegt, der die Basisströme der Transisto ren Q₁ und Q₂ freigibt.

Aus vorstehendem ergibt sich, daß mittels der herkömmlichen Schaltungen eine Stromverstärkung von I„/L erhältlich ist, die mit hoher Genauigkeit bei Eins liegt. Uenn jedoch ein Ausgangsstrom, der das η-fache des Eingangsstroms ist, erforderlich ist, ist die Stromverstärkung Io/I* nicht genau gleich η abhängig von dem Aufbau der vorstehend erläuterten Schaltungsanordnungen.

Uenn gemäß Fig. 3 beispielsweise der Emitterbereich (die Emitterfläche) des Emitters Q₂ ¹ doppelt so groß ist uie derjenige der Transistoren Q₁ und Q₃ (beispielsweise), ergibt sich der Basisstrom des Transistors Q₇ ¹ zu 2i, und ergibt sich der Basisstrom i_fa3 des Transistors Q₃ zu:

- ^2hfe * ³ . ¹b3 - h_f8 + 1 * ^xb (6).

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Der Eingangsstrom I₁ ergibt si ehr gemäß: & ²

+ 3h« +■ 3
₌ Je fe_ .

h_{fe +} r

Der Ausgangsstrom I₂ ergibt sich gemäß; 2h„ ^ + 3h

· i_b —- (8).

! « i_b —

h_{fe +}r·

Aus den Gleichungen (7) und (8) ergibt sich die Stromverstärkung I₂^¹I ^dieser Schaltungsanordnung gemäSTi

V ^fe 'fe

^{1 h}fe f^3hff³

Die Gleichung (9) zeigt, daß die- Koeffizienten von h_f sich zwischen Nenner und Zähler unterscheiden, ueshalb die Stromverstärkung I₂/L nicht genau gleich 2 gemacht uerden kann. Insbesondere dann, uenn der Uert für h„ klein ist oder die Frequenz des Eingangsstroms I_-. hoch ist, uird die Stromverstärkung I„/I,, ueniger genau.

In einenr ueiteren Fall kann, wenn mehrere Ausgangsströme mit entweder unterschiedlichen Werten zueinander oder mit gleichem Uert erforderlich sind, die erstere herkömmliche Schaltung so ausgebildet uerden, daß sie mehrere Ausgangstransistoren enthält. Uie in Fig. 4 dargestellt, sind, uenn beispielsueise 3 verschiedene Ausgangsströme I₇₁* ^22' *23* deren Verhältnis zum Eingangsstrom I₁ beträgt ρ bzu. q bzu. r, von Ausgangsanschlüssen 21 bzu. 22 bzu. 23 erforderlich sind, 3 Ausgangstransistoren Q^₁* Q30 ^υπα" Q33 erforderlich, deren Emitterbereichs-Verhältnis zum Emitterbereich des Transistors Q₁ beispielsueise ρ bzu. q bzu. r beträgt und muß der Emitterbereich des Transistors Q₂ zum (p + q + r)-fachen des Emitterbereichs des Transistors Q. gemacht uerden.

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3041531

In diesem Fall ergibt sich der Basisstrom i, _ des Transistors Q₂ zu:

i_b2 = (P + q + r) . i_b (10).

Daher ergibt sich die Summe der Emitteratröme der Transistoren Q₃₁* Q₃₂ ^und Q₃₃ ^Zü:

{(p+q+r) . (h_fe+i) + i) . i_fa —— (11).

Daher ergibt sich die Summe der Basisstrome der Transistoren Q₃₁* Q32» ^33 ^zu:

.- _ f(p+q+r) . (h +1) +1 }

^xb3 - — ' ^Xb (12).

Daher wiederum ergibt sich der Eingangsstrom I₁ gemäß: ^=hfe ^Lb

h_f8 +____ _ _lfa ___ ₍₁

^hfe⁺¹

Der Ausgangsstrcm I₇₁ ergibt sich aus Gleichung (6) gemäß:

! ρ i₍p₊r₊q). Pfe+V "■ }^hfe . .

²¹ (p + q + r) (h_fe + 1) ^lb

L 2_l /·„ j_ P \ L.

' ^hfe . i_b (14).

^hfe⁺

Aus den Gleichungen (13) und (14) ergibt sich der Ausgangsstrom I₇₁ weiter gemäß:

I _ ρ ""ι* ⁺ (^{1 +} ) ^hfe ^{21 h2 +}

(15).

DIe anderen Ausgangsströme I„₂ ^una> 103 uerjden durch Ersetzen des Koeffizienten ρ durch q bzw. r in Gleichung (15) erhalten.

In der Gleichung (15) sind jedoch die Koeffizienten von h„ sehr verschieden zuischen Nenner und Zähler, so daß die Stromverstärkung I^^/I. nicht genau zu ρ uerden kann. Daher sind mit den herkömmlichen Schaltungsanordnungen mehrere Ausgangsströme mit genauem Stromverhältnis zum Eingangsstrom nicht erreichbar.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Stromspiegelschaltung anzugeben, bei der die Stromverstärkung genau η betragt unabhängig von dem Uert von h„ der Transistoren.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird eine Stromspiegelschaltung vorgesehen, die aufueist eine Versorgung, eine Reihenschaltung aus einer Stromquelle und der Kollektor-Emitter-Strecke eines ersten Transistors, der zuischen der Versorgung an einer Bezugsspannungsquelle angeschlossen ist, eine zweite Transistorschaltung mit einer Steuerelektrode, die mit der Basis des ersten Transistors verbunden ist und mit einem Hauptstromfifed, der zuischen der Basis des ersten Transistors und der Bezugsspannungsquelle angeschlossen ist, eine dritte Transistorschaltung mit einer Steuerelektrode, die mit dem Kollektor des ersten Transistors verbunden ist und mit einem Hauptstrompfad, dessen einer Anschluß mit der Basis des ersten Transistors verbunden ist, und eine dritte Transistorschaltung mit einer Steuerelektrode, die mit der Basis des ersten Transistors verbunden ist und mit einem Hauptstrompfed, dessen einer Anschluß mit der Bezugsspannungsquelle verbunden ist.

Die Erfindung gibt also eine Stromspiegelschaltung an, bei dem mehrere Ausgangsströme erreichbar sind, deren Uert

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unabhängig von dem Uert von h» der Transistoren frei wählbar Ist. Uelter gibt die Erfindung eine Stromspiegelschaltung an, bei der der Ausgangsstrom unmittelbar auf den Eingangsstrom bei auch hohen Frequenzen von beispielsweise 3G FlHz anspricht.

Die Erfindung uird anhand der In der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 bis 3 jeweils schematische Darstellungen herkömmlicher Stromspiegelschaltungen mit einem einzigen Ausgang,

Flg. 4 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Stromspiegelschaltung mit mehreren Ausgängen,

Fig. 5 bis 7 und Fig. 11 bis 13 jeweils schematische Darstellungen einer Stromspiegelschaltung mit einem einzigen Ausgang gemäß der Erfindung,

Fig. 8 bis 10 und Fig. 14 bis 16 jeweils schematische Darstellungen einer Stromspiegelschaltung mit mehreren Ausgängen gemäß der Erfindung,

Die herkömmlichen Stromspiegelschaltungen wurden anhand der Fig. 1 bis 4 bereits erläutert.

Im folgenden wird zunächst anhand Flg. 5 ein Ausführungsbeispiel einer Stromspiegelschaltung gemäG der Erfindung erläutert.

In FIg. 5 ist eine Reihenschaltung aus einer Stromquelle 1 und der Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors Q₁ zwischen einer Versorgung +B und der Bezugsspannungsquelle angeschlossen, wobei die Basis und der Kollektor einer Transistors Q- gemeinsam mit der Basis des Transistors CL verbunden sind, wobei der Emitter mit der Bezugsspannungsquelle verbunden ist, wobei die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors Q₃ in Reihe zur Kollektor-Basis-Strecke des Tran-

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sistors Q, geschaltet-ist und uobei die Kollektor-Emitter-Strscke eines Transistors Q. zwischen der Versorgung +B und der Bezugsspannungsquelle angeschlossen ist, uobei dessen Basis mit der Basis des Transistors Q₁ verbunden ist. Der Ausgangsstrom I_ uird von einem Ausgangsanschluß 2 abgeleitet, der mit dem Kollektor des Transistors Q₃ verbunden ist.

Bei der so ausgebildeten Stromspiegelschaltung ist der Ausgangsstrom I„, der das η-fache des Eingangsstroms I- ist, genau dadurch erreichbar, daß das Verhältnis der in den Tran-

2 sistoren Q* bis Q. fließemdsn Stroms beträgt 1 : η : 1 ; η -1, In Fig. 5 uerden die Anteile bzu. Verhältnisse der Emitterbereiche der Transistoren Q₁ bis Q, gewählt gemäß

2 14

1 : η : 1 : η - 1.

Bei ainer derartigen Schaltung ergibt der Ausgangsstrom I_ sich g,emäß:

_T Jh_fe ²+ (n+1)h_Fe t

I = — (16).

^hfe ^{+ 1}
Der Basisstrom i, ₃ des Transistors Q- ergibt sich gemäß:

i_b3

η hp + n² + η

fe

Folg.lich ergibt sich der Eingangsstrom I₁ gemäß:

h_fe ² + (n-M) h_fe -I- n² 4- _n I = ι (18).

h_fe + 1

Daher srgibt sich die Stromverstärkung : (stromge

uinn) I₂^¹I ^bei dieser Schaltung zu:

h_fe

_fG ² + (n+1) h_fe + n² + η

_fe

30020/0880

Aus der Gleichung (19) ergibt sich, daß die Stromverstärkung l~/l. im wesentlichen η beträgt, da die Koeffizienten für h„ 2 und h„ im Nenner und im Zähler

re r e

gleich sind.

Im Fall der Schaltung gemäß Fig. 5 sind die in den Transistoren Q₁ bis Q_/ fließenden Ströme durch die Verhältnisse der Emitterbereiche jedes Transistors definiert, sie können jedoch auch durch andere Vorgehensweisen definiert sein.

Fig. 6 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Anteül der Ströme durch die Anzahl der Transistoren in jeaer Transistorschaltung definiert ist. In diesem Fall besteht die zweite Transistorschaltung Q„ aus zwei parallel geschalteten Transistoren Q-. und Q„_?, besteht die dritte Transistorschaltung aus dem Transistor Q„ und besteht die vierte Transistorschaltung Q, aus drei parallel geschalteten Transistoren CL₁ Q.« und Qa₃.

Die Stromverstärkung L/L entspricht der Gleichung (19), uobe^; in diesem Fall gilt η = 3.

Eine weitere Ausführung ist in Fig. 7 dargestellt, bei der die Ströme der Transistorschaltungen durch Anschließen von Widerständen K₁, R~ und R. zwischen den Emittern der Transistoren Q₁, Q₇ bzw. Q. und der Bezugsspannungsquelle definiert sind. Die Uiderstandswerte der Widerstände R₁, R₉

und R. betragen r,., r7n bzw. r,(n -1) . Die Stromverstärkung Io/I-i ergibt sich gemäß Gleichung (19).

Die Fig. 5 bis 7 zeigen jeweils Ausführungsbeispiele der Erfindung bei denen ein einziges Ausgangssignal herausgeführt wird, wobei jedoch die Erfindung auch für Stromspiegelschaltungen verwendbar ist, die mehrere Ausgangsströme bzw. Ausgangssignale herausführen.

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Anhand Fig. 8 uird ein Ausführungsbeispiel dieser Art einer Stromspiegelschaltung gemäß der Erfindung näher erläutert, uobei diejenigen Bauelemente, die zuvor mit Bezug auf Fig. 4 erläutert uorden sind, gleiche Bezugszeichen aufueisen. Bei der Schaltung gemäß Fiq. 8 ist zu der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4 ein Transistor Q, hinzugefügt, uobei dieser Transistor Ll, eine zueite Stromspiegelschaltung Cl^vi„ mit dem Transistor Q„ bildet, der gleichzeitig eine erste Stromspiegelschaltung CM₁ mit dem Transistor Q. bildet.

Wenn beispielsweise 3 Ausgangsströme L,, I „„, I _?~, deren Verhältnis zum Eingangsntrom I. o:q:r:1 ist, erforderlich sind, sind die in den Transistoren Q₁, Q_ und Q, fließenden Ströme gemäß einem Verhältnis untereinander von

1:n:n -1 geuählt, mit η = p+q+r. In Fig. 8 uird das Verhältnis der Emitterbereiche der Transistoren CL, Q„ und

2
Q. zu 1:n:n -1 geuählt, uährend dasjenige der Transistoren ^31' ^32' ^33 9^ΘΙΤ1^β p:q:r gewählt ist.

□ei einer derart ausgebildeten Stromspiegelschaltung gemäß der Erfindung ergibt sich die Stromverstärkung I₉₁ZT₁ in folgender Ueise.

Der Basisstrom i, _ des Transistors G)_ ergiot sich qemäß:

^{= n>i}b

der Basisstrom i . des Transistors Q. eryibt sich gemäß: i_b4 = (n² - D · i_b (21).

Weiter ergibt sich die Summe der Emitterströme der Tran^(h

sistoren Q-2-1» Q^9» Q^3 9^emäß:

fe ^{+ 1}^
= (n · h_fe + n² + n) · i_b (22J.

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-1P-

üadurch ergibt, sich die uröüe des ha-^i n.n¹' ro^ I ., Γransistören Ll₇₁, H₇₉, Q- ₇ z<;:

^bJ

üaüurch ergibt sich auch der Lincjanijastrom I₁ zu:

^T1 ■= ^hfe ' ^Lb ^{+ 1}D₃

h_fe ² + (n+1) · h . + π (n+1)

f B

Andererseits uird ein Ausganqsstrom T aus der 'jieichuny (22; abgeleitet gemäß:

pfh₍,²+('n+1)h_Pf

I₀₁ = -Ll^ : i-JCs' —- (25).

Uaher ergibt sich die Stromverstärkung 1,,../T₁ aus den Gleichungen (24) und (2B) qemHß:

I₂₁ ^hfe^{2 + (n + 1) h}fe

(26).

1 h_fe + (n + 1 j h_fe + π (π + 1 )

Die anderen Stromv/erstärkungen I₉₇Zl₁ und I^/I.. werden in gleicher Ueise dadurch erhalten, daß anstelle ρ in der Gleichung (26) q bzu. r gesetzt uird.

Aus der Gleichung (26) ist erkennbar, daß Koeffizienten von

2
h_ und h„ zwischen Wenner und Zähler gleich sind ueshalb die Stromverstärkung I₉₁Zl₁ uie eruünscht sehr nahe an ρ ist, Hei der Schaltung gemäß Fig. 8 sind alle in den Transistoren Q₁ bis Q. fließenden Ströme durch das Verhältnis der Emitterbereiche jedes Transistors definiert, uobei diese Ströme auch durch die Anzahl dieser Transistoren oder durch Anschließen von Widerständen an den Emitter jedes Transistors

BAD 1 30020/0888

mi t gleichem Emitterbp reich ι,Εγγπ tte rfläche) definiert uerden können.

FIq. 9 zeigt ein anderes Ausf ühr'm^i'e: üpiel der Stromspiegelschaltung gemäß der Erfindung, bei den mehrere Ausgangsströme mit dem nleichfn Wert uie der Eingangsstrom erhalten werden. Tp Fig. 1 sind die Frnitterberei ehe dnr Transistoren Q₁ bis U, allp iln^:rh und sind Widerstände K_n, R- und R zuischen den jeueiligen Emittern der Transirtoren Q₁, Q₉ bzu. Q, und der Rezun^ppannunqsauBlle angeschlossen. Das Verhältnis der Emitterbereiche der Transistoren Q^₁, Qt₉ und Q„t beträgt 1:1:1 und der Emitterbereich jedes Transistors ist qleich dem des Transistor:;. Q₁, so daß qi 11 η = ρ + q + r = 1 + 1 + 1 = 3. Daher sind die Uidemtandsuerte der Widerstände R₁, R„ una K. gewählt gemäß r,., r,/3 bzu. r..(3 -1), damit das Verhältnis der in den Transistoren Q₁, U₉ und Q. fließenden Ströme 1 : η : η -1 beträgt.

Gemäß der vorstehenden Erläuterung wird die Summe der Ausgangsströme I + I₉ + T₉T, die das 3-fache des Eingangsstroms I₁ ist, durch Anschließen der Widerstände R₁, R₉ und R., deren Uiderstandsuerte r,., r,/3 bzw. £*/Q sind, zuischen die entsprechenden Emitter der Transistoren Q₁, Q₉ und Q. und der Bezugsspannungsnuelle erhalten.

Jedoch ist es zusätzlich zur Vorgehensueise gemäß Fig. 8 und 9 auch möglich, den Anteil bzu. das Verhältnis der in den Transistoren Q₁, Q₉ und Q, fließenden Ströme durch Vorsehen von η Transistoren für den Transistor Q₉ und von η -1 Transistoren für den Transistor Q, zu erreichen.

Fig. 10 zeigt eine Weiterbildung der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 8 mit P:q:r = 1:2:3 und mit η = p+q+r = 6. Die in den Transistoren Q„ bis Q fließenden Ströme sind durch

1 4

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Emitteruiderstände R-, R„, R₃*» ^30* R-vz ^unc' R34 bestimmt mit Uiderstandsuerten: von ι«, Γ-./6, r«, r„/2, r„/3 bzu. Γ./35. Die Arbeitsweise dieser Schaltungsanordnung ist die gleiche uie bei der gemäß Fig. 8, uobei die Ausgangsströme 12-1 * *22* *23 *™ ^UBsentli^ch^{en 1}I* 21« bzu. 31. gleich sind entsprechend der Gleichung (26) durch Einsetzen von 1_r 2 bzu. 3 für p.

Anhand Fig. 11 uird ein ueiteres Ausführungsbeispiel der Stromspiegelschaltung gemäß der Erfindung erläutert.

In Fig. 11 ist eine Reihenschaltung aus einer Stromquelle 1 und der Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors Q₁ zuischen der Versorgung +B und der Bezugsspannungsquelle angeschlossen, sind die Basis und der Kollektor eines Transistors Q₇ miteinander mit der Basis des Transistors Q₁ verbunden, uobei der Emitter des Transistors Q„ mit der Bezugsspannungsquelle verbunden ist, ist die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors Q- in Reihe mit der Kollektor-Ba-sis-Strecke des Transistors Q₁ angeschlossen und ist die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors Q- zuischen dem Kollektor des Transistors Q₃ und der Bezugsspannungsquelle angeschlossen, uobei die Basis mit der Basis des Transistors -Q₁ verbunden ist. Der Ausgangsstrom I„ uird vom Ausgangsanschluß 2 erhalten, der mit dem Verbindungspunkt der Kollektoren der Transistoren Q₃ und Q. verbunden ist.

Bei der uie vorstehend ausgebildeten Stromspiegelschaltung gemäß der Erfindung ist der Ausgangsstrom I₉, der das n-fache des Eingangsstroms I₁ ist^ genau dadurch erhältlich, daß das Verhältnis bzu. der Anteil der in den Transistoren Q₁ bis Q. fließenden Ströme zu 1;m:1:mn-1 geuählt ist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 11 ist das Verhältnis der Emitterbereiche ,der Transistoren Q₁ bis Q. zu 1sm:1:mn-1 gewählt. Der Ausgangsstrom I„ ergibt sich aus den im folgenden erläuterten Gleichungen*

^lS 3 0020/08 8

-21-Der Basisstrom i. ₃ des Transistors Q₃ ergibt sich gemäß:

^b3 h_f*_e + 1

(mh„ + mn + m) i. (27).

Daher ergibt sich der Ausgangsstrom L, der die Summe der Kollektorströme der Transistoren Q„ und Q. ist, gemäß:

L^ fml-i J. m i-i J. tn \ i J-K

'fe

Im h„ + mn + m) i, + h„ (mn -

^hfe

(2mn+m-1)h_fe

(28),

während sich der Eingangsstrom I₁ ergibt gemäß:

¹I = ^Lb3 ⁺ ^hfe ' ^£b

+ (m + 1 )h„ + mn +

^hfe^{+ 1}

Aus den Gleichungen (28) und (29) ergibt sich die Stromverstärkung I₂/I«| zu"

I₂ (mn + m - 1) h_fe ² + (2mn + m - 1) h_fg

¹I h„ ² + (m + 1) h_p + mn + m

^{re re} (30).

In der Gleichung (30) ergibt sich Io/i-i ^^ür m = 1 zu:

^l2 _n ^hfe^{2 + 2 h}fe π

s

^hfe ^{+ 2 h}fe ^{+ π}

Die Gleichung (31) zeigt, daß dann wenn der Strom des Tran sistors Q„ gleich dem der Transistoren GL und Q₃ wird die

Stromverstärkung I₉/L im wesentlichen zu η wird, da die

Koeffizienten von '.. h„ und h„ zwischen Nenner und Zähler gleich sind. Das heißt, die Transistoren CL, Q₂» Q3

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müssen so ausgebildet werden, daß die Ströme gleich fließen damit der Ausgangsstrom I„ das η-fache des Eingangstrom I₁ bei dieser Stromspiegelschaltung wird.

Im Fall der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 11 sind die in den Transistoren Q- bis Q. fließenden Ströme durch das Verhältnis der Emitterbereiche der Transistoren definiert, wobei diese Ströme auch in anderer Weise definiert werden können.

Fig. 12 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung bei dem das Verhältnis der Ströme durch-die Anzahl der Transistoren jeder Transistorschaltung definiert ist.

In diesem Fall besteht die 4. Transistorschaltung Q, aus mehreren parallel geschalteten Transistoren Q₄₁* Q42» ·"· · Die Stromverstärkung dieser Schaltung ergibt sich in gleicher Weise aus der Gleichung (31).

Andere Weiterbildungen der Erfindung sind in Fig. 13 dargestellt, bei der die Ströme der Transistorschaltungen durch Anschließen von Widerständen R₁, R„ und R, zwischen den Emittern der Transistoren Q₁, Q« bzw. Q. und der Bezugsspannungsquelle definiert sirvd. Die Widerstandswerte der Widerstände R₁, R₂ und R. betragen r<., r. bzw. r,./(n-1). Die Stromverstärkung \„/\. dieser Schaltungsanordnung ergibt sich ebenfalls aus Gleichung (30) bzw. (31).

In den Fig. 14 bis 16 sind Weiterbildungen der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 11 dargestellt, wobei mehrere Ausgangsströme vorgesehen sind, deren Werte nach Wunsch wählbar sind,

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 14 sind diejenigen Bauelemente, die denjenigen entsprechen,die mit Bezug auf Fig. 4 erläutert worden sind, mit gleichen Bezugszeichen versehen, wobei die 4. Transistorschaltung aus parallel

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geschalteten Transistoren Q.,., Q.« und Q-₃ der Schaltungs anordnung gemäß Fig. 4 zugefügt ist und upbei die Kollekt&ren der Transistoren Q,., (J^₂ ^unQl Q43 ^mit °*εη Kollektoren der Transistoren (Jt₁, Q₃₂ bzu. CUg. verbunden sind. Diese Transistoren Q44* Q49» ^43 bilden Stromspiegelschaltungen CM₂₁* ^C(V122 ^bzu· ^CM23 ^{mit dem Trans}i^stor Qo* ^{der auc}^ ^eine Stromspiegelschaltung GN₁ mit dem Transistor Q₁ bildet*

Bei der vorstehenden Schaltungsanordnung ist, uenn es beispielsueise erforderlich ist, daß das Stromverhältnis der Ausgangsströme I₂^ ^I22* ^"23 ^zum Eingangsstrom I- p:qrr;1 beträgt, das Verhältnis der Ströme der Transistoren Q₁, Q₂, Q/-1» Q₄₂ ^unci Q43 ^zu 1:m:a:b:c gewählt, uobei nr = 1 für diese Schaltung gemäß der Erläuterung zu Fig. 11 geeignet ist. Im Fall der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 14 ist dieses Verhältnis der Ströme der Transistoren Q₁, Q„, Qa-* Q_a2 und CL₃ durch das Verhältnis der Emitterbereiche dieser Transistoren definiert. Dabei sind a, b, c gewählt gemäß a = p(n-i)/n, b = q(n-1)/n bzw. c = r(n-1)/n, mit π = p+q+r, und das Verhältnis der Emitterbereiche der Transistoren Q^₁* Q₃₂ ^ur)d Q₃₃ zu p:q:r geuählt, um Ausgangsströme zu erhalten, deren Verhältnis zum Eingangsstrom I- gleich p:q:r:1 ist.

Beispielsweise uird die Stromverstärkung !„-/I- uie folgt aus den folgenden Gleichungen abgeleitet.

Die Summe der Basisströme ij_„ der Transistoren Qg Q₃ ergibt sich gemäßt

hp + η + 1
i = _!£_ . ι _ (32)

h_{fe +} 1
Daher ergibt sich der Eingangsstrom I^ gemäß:

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^hfe '

^{2 h}fe + " * ¹ (33).-

Der Ausgangsstrom I-, Ist die Summe der KollektorstrSme der Transistoren Q₃₁ und Cf₄₁ und ergibt sich daher gemäß:

- ^hfe	• 5 - **	• ^ab	a . i_h	)	,-"" 1 ' h
= P- i	f^hfe^{2 +}		*η ^hfe**
	^hfe
	h ² + :		(34 ..
p.	^hfe⁺ '
d3 ^{+ h}fe ·
(n+1) h_fe
+ 1
-^hfe

Aus den Gleichungen (33) und (34} ergibt sich die Strom verstärkung I₂₁/!.. gemäß:

!SI ρ

^{1 h}fe ^+2hfe⁺ⁿ⁺¹

Aus Gleichung (35) ist erkennbar, daß die Stromverstärkung I₀₁Zl₁ im wesentlichen ρ entspricht, da die Koeffizienten

von h„ und h„ zwischen Nenner und Zähler gleich sind. re re

Die anderen Stromverstärkungen I₂₂/!,. und !03^¹I ^{uercien in} gleicher Ueise aus der Gleichung (35) erhalten durch Ersetzen von q bzw. r für p.

In Fig. 14 sind die Ströme der Transistoren Q₁, Q₂, Q₃₁* ^Q32* ^Q33* ^Q41* ^Q42 ^{Und Q}43 ^{alle durcn das} Verhältnis der Emitterbereiche jedes Transistors definiert, wobei diese Ströme auch durch die Anzahl dieser Transistoren oder durch Verbinden von Uiderständen mit den Emittern dieser Transistoren definiert werden können.

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In Fig. 15 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem mehrere Ausgangsströme mit dem gleichen LJert uie der des Eingangsstroms erhalten uerden. Hier sind p=q=r=1, n=3, n-1=2 und a=b=c=2/3 die Werte für die jeueiligen Koeffizienten. Die Emitterbereiche (bzu. Emitterflächen) der Transistoren Q₁, Q„, Q-x-i» ^3?> ^33' Q,., Q.„ und Q₄₃ sind alle gleich ausgebildet und die Emitter der Transistoren Q₁, Q„, Q,., Q₄₇ und Q₄₃ sind mit der Bezugsspannungsquelle über entsprechende Widerstände R₁, R_?, Ra-j» Rio bzu. R. 2 verbunden, deren Uiderstandsuerte T₁, r., 3r,./2, 3r₁/2 bzu. 3r₁/2 betragen, uobei T₁ ein geuünschter oder Solluert ist.

Fig. 16 zeigt eine Weiterbildung der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 14, mit p:q:r = 1:2:3, mit η = p+q+r = 6 und damit a = p(n-1)/n = 5/6, b = q(n-1)/n = 10/6 bzu. c = r(n-1)/n = 15/6.

Die in den Transistoren Q₁, Q₂, Q₃₁, Q₃₂, Q₃₃, Q₄₁, Q₄₂ und Q₄₃ fließenden Ströme sind durch Emitteruiderstände R₁, R„, R₃₁, R32» ^33* ^Ai' ^42 '-^IZU· R/3 definiert, deren Uiderstandsuerte r^ r^ 2r₂, I₂, 2r₂/3, ör^/5, 3T.J/5 bzu. 2r_<]/5 betragen. Die Arbeitsueise ist bei dieser Schaltungsanordnung gleich der gemäß Fig. 14 und die Ausgangsströme L., I₂₂ und I₇₃ entsprechen im uesentlichen I₁, 2I₁ bzu, 3I₁ entsprechend der Gleichung (35) durch Einsetzen von 1 bzu. 2 bzu. 3 für p.

Selbstverständlich sind noch andere Ausführungsformen möglich.

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Claims

Dipl.-Ing. H. MITSCHERLICH D-8000 MÖNCHEN 22

Dipi.-Ing. K. GUNSCHMANN Steinsdorfstraße 10

Dr. rer. not. W. KÖRBER ^ <⁰⁸⁹⁾ * ^{29 66 8}*

Dipl.-Ing. J. SCHMIDT-EVERS
PATENTANWÄLTE

4. November 19 8o

SONY CORPORATION

7-35 Kitashinagawa 6-chome

Shinagawa-ku

TOKYO/JAPAN

ANSPRÜCHE

Stromspiegelschaltung, mit
a einer Versorgung,

b einer Reihenschaltung aus einer Stromquelle und der Kollektor-Emitter-Strecke eines ersten Transistors, wobei die Reihenschaltung zwischen der Versorgung und einer Bezugsspannungsquelle angeschlossen ist, und

c einer zweiten Transistorschaltung mit einer Steuerelektrode, die mit der Basis des ersten Transistors verbunden ist, und mit einem Hauptstrompfad zwischen der Basis des ersten Transistors und der Bezugsspannungsquelle,
gekennzeichnet durch

A eine dritte Transistorschaltung (Q-,) mit einer mit dem Kollektor des ersten Transistors (Q.) verbundenen Steuerelektrode und mit einem Hauptstrompfad, dessen einer Anschluß mit der Basis des ersten Transistors

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(Q₁) verbunden ist,und

B eine vierte Transistorschaltung (CL) mit einer mit der Basis des ersten Transistors (Q₁) verbundenen Steuerelektrode und mit einem Hauptstrompfad, dessen einer Anschluß mit der Bezugsspannungsquelle verbunden ist.

2. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der andere Anschluß des Hauptstrompfades der dritten Transistorschaltung (Q₃) mit einem Ausgangsanschluß (2) verbunden ist und daß der andere Anschluß des Hauptstrompfades der vierten Transistorschaltung (Q₄J mit der Versorgung (+B) verbunden ist.

3. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß das Stromverhältnis zwischen dem ersten Transistor (Q₁), der zweiten Transistorschaltung (Q,,) und der vierten Transistorschaltung (Qa) 1 : η : (π -1) beträgt und daß ein Ausgangsstrom (i), der das η-fache des Eingangstrom (i.) von der Stromquelle (1) ist, von dem Ausgangsanschluß (2) erhältlich ist.

4. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß 2., 3., 4. Transistorschaltung aus einem 2., einem 3. bzw. einem 4. Transistor (Q₂* Q₃ bzw. Q.) bestehen und daß das Stromverhältnis durch das Verhältnis der Emitterbereiche zwischen 1., 2. und 4. Transistor (Q₁* Q₂* Q4) bestimmt ist.

5. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß das Stromverhältnis durch die Anzahl der Transistoren (Q₂-, Qa-) der 2. und der 4. Transistorschaltung

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— 3— (Q₂, Q₄) bestimmt ist.

6. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß 2., 3. und 4. Transistorschaltung aus einem 2., einem 3» bzu. 4. Transistor (Q₉, Q~, Q,X bestehen und daß Emitteruiderstände (R₁, R₉, R.) mit den Emittern wan 1. bzu. 2. bzu. 4. Transistor (Q₁, Q_, Q.) verbunden sind zum Definieren des Stromverhältnisses zwischen 1., 2. und 4. Transistor (Q^, Q₂, Q₄).

7. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die 3. Transistorschaltung aus mehreren parallel geschalteten Transistoren (Q₃-) besteht mit entsprechenden Ausgangsanschlüssen (2i) verbunden sind.

8. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß das Stromverhältnis zwischen der 1. Transistorschaltung CQ₁)* der 2. Transistorschaltung (Q₉) und

I ₂ s„

der 4. Transistorschaltung (Q.) 1 : η : (n -1) beträgt und daß die Summe der an den Ausgangsanschlüssen (2i) erhaltenen Ausgangsströme (I₂-) das η-fache des Eingangsstroms (I₁) ist, der von der Stromquelle (1) erhalten ist.

9. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß 2., 3. und 4. Transistorschaltung aus einem 2. bzu. einem 3. bzu. einem 4. Transistor (Q₉, Q-, Q₄) bestehen und daß das Stromverhältnis durch das Verhältnis der Emitterbereiche zuisi
Q₉, Q.) bestimmt ist,

Emitterbereiche zuischen 1., 2. und 4. Transistor (Q₁,

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10-. Stromspiegelschaltung nach AnsJ-ruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß das Stromverhältnis durcf= die Anzahl der Transistoren (Q₂-* Q₄-) der 2. bzw. dir 4. Translstorschältung · bestimmt ist.

11. Stromspiegelschaltung nach- Anspruch 8, dadurch gekennzeichent,

daß 2. und 4. Transistorschaltung aus einem 2. bzu. einem 4. Transistor (Q₉, Q.) bestehen und daß- Widerstände (R₁* R_?, R/) mit de'a Emittern des 1., des 2. bzu. des 4. Transistors (Ö*, Q₂, Q^) verbunden sind zum Bestimmen des Stromverhaltnisses zwischen dem 1.., dem 2. und dem 4. Transistor (Q«t -Q₂' '$■&)·

12. St rom spiegel s chaltung nach einem dör Ansprüche 8 bis T1, dadurch gekennzeich'net,

daß ein Ausgangsstrom (I^) jedes der mehreren parallel geschalteten Transistoren einen Solluert besitzt durch entsprechendes jeueiliges Ausbilden der Verhältnisse der Emitterbereiche zwischen den parallel geschalteten mehreren Transistoren»

13. Stromspiegelschaltung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet,

daß ein Ausgangsstrom (i^.) jedes der mehreren parallel geschalteten Transistoren einen Solluert besitzt durch Anschließen von Emitteruiderständen (R₃-) mit Solluerten an die Emitter der parallel geschalteten mehreren Transistoren.

14. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der andere Anschluß des Hauptstrompfäds der 3. Transistorschaltung (Q₃) und der andere Anschluß des Haupt-

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strompfads de' 4. Transistorschaltung (Qa) mit einem Ausgangsansc '.u0 (2) verbunden sind.

15. Stromspiege' schaltung nach Anspruch 14, dadurch geünnzeichnet,

daß das St '> mverhältnis zwischen der 1. Transistorschaltung 2*), der 2. Transistorschaltung (Q₂), der 3. Transi^Torschaltung (Q₃) und der 4, Transistorschaltunf M^) 1:1:1: (n-1) beträgt und daß von dem Ausg r.gsanschluß (2) ein Ausgangsstrom (l„) erhältlicf -.st, der das η-fache des Eingangsstroms (I₁) von der^;tromquelle (1) ist.

16. Stroms egelschaltung nach Anspruch 15, dadurr gekennzeichnet,

daß 2 3. und 4. Transistorschaltung aus einem 2., eine' 3. bzu. einem 4. Transistor (Q , Q_, Q.) beste^1 und daß das Stromverhältnis durch.das Verhältnis ier Emitterbereiche zwischen dem 1., dem 2., dem 3. >nd dem 4. Transistor (Q , Q₂, Q„, Q.) bestimmt ist.

17. F fomspiegelschaltung nach Anspruch 15,

adurch gekennzeichnet,

oaS das Stromverhältnis durch die Anzahl der Transistoren der 2., der 3. und der 4. Transistorschaltung (Q₇, Q₃, Q,) bestimmt ist.

3. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,

daß 2., 3. und 4. Transistorschaltung aus einem 2., einem 3. bzu. einem 4. Transistor (Q„, Q^, Q^) bestehen und daß Emitteruiderstände (R_-., R_, R.) mit den Emittern des 1., des 2. bzu. des 4. Transistors (Q₁, Q_, Q ) verbunden sind zum Bestimmen des Stromverhält-

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nisses zuischen dem 1., dem 2. und dem 4. Transistor (Q₁, Q₂, Q₄).

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19. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die 3. Transistorschaltung (Q-) aus mehreren parallel geschalteten Transistoren (Q„.) besteht, daß die 4. Transistorschaltung (Q.) aus parallel geschalteten Transistoren (Q, . ) besteht und daß ein Kollektor jedes Transistors (QW-) der 3. Transistorschaltung und ein Kollektor jedes 'Transistors (Q/,-) der 4. Transistorschaltung miteinander an jeueiligen mehreren Ausgangsanschlüssen (2i) verbunden sind.

20. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,

daß das Stromverhältnis' zuischen· der 1. Transistorschaltung (Q₁), der 2. Transi-storschalfung (Q₂)'» ^der 3. Transistorschaltung (Qt) und der 4. Transistorschaltung (Q^) 1:1:1: (n-1) beträgt.

21. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Emitterbereiche zuischen den mehreren parallel geschalteten Transistoren (Q-.) der 3. Transistorschaltung gleich dem der 4. Transistorschaltung gebildet ist, um Ausgangsströme von den mehreren Ausgangsanschlüssen (2i) zu erhalten, die das gleiche Verhältnis untereinander besitzen.

22. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 20. oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die'2. Transistorschaltung aus einem Transistor (Q₂). besteht.

23. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß' Emitteruiderstände (R^, R₂, R..) mit dem

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Transistor, detrr 2. Transistor und den mehreren parallel geschalteten Transistoren- (CL.) der 4, Transistorschaltung verbunden sind zum Definieren des Stromverhältnisses zwischen der 1. Transistorschaltung, der 2. Transistorschaltung und~der 4. Transistorschaltung, wobei die Uiderstandsuerte der Emitterwiderstände (R_4i) der Transistoren (Qa-) der 4. Transistorschaltung gleich sind, und daß die mehreren Transistoren (Q,-) der 3. Transistorschaltung so ausgebildet sindj daß ein Strom gleichen Stromwertes zu jedem fließt, um einen Ausgangsstrom (l„.) an den Ausgangsanschlüssen: (2i) mit gleichem Stromwert zu erhalten.

24. Stromspiegelschaltung nach- Anspruch 22_t dadurch gekennzeichnet,.

daß Uiderstan.de" (R₁, R„, #3-* ^a ) "¹^ °^ⁿ Emittern des 1. Transistors (Q-,.), des 2. Transistors- (U₂)* <*®^Γ üen· reren parallel geschalteten Transisttjren (Q^-) der 3» Transistorschaltung und den mehreren parallel geschalteten Transistoren (Qa-) der 4, Transistorschaltung ver bunden sind zum Definieren des Stromverhältnisses zwischen der 1. Transistorschaltung, der 2. Transistorschaltung, der 3« Transistorschaltung und der 4. Transistorschaltung, wobei das Verhältnis der Uiderstandswerte der Emitterwiderstände (R3·) zwischen den Transistoren (Q3.;) der 3. Transistorschaltung gleich demjenigen zwischen den Transistoren (Qa-) der 4. Transistorschaltung ist, damit Ausgangsströme (I^.) von den Ausgangsanschlüssen (2i) abnehmbar sind, deren Verhältnis untereinander das Reziproke des Verhältnisses der Uiderstandswerte der Emitteruiderstände (R3-» R*·) der 3. Transistorschaltung (Q₃) und der 4. Transistorschaltung (Q₄) ist.

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