DE3047685A1 - Temperaturstabile spannungsquelle - Google Patents

Description

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Licontia Patent-Verwaltungs-G.m.b.H. Theodor-Stern-Kai 1, 6000 Frankfurt 70

Heilbronn, den 03.12.1980

SE2-HN-ma-kü

HN 80/54

Temperaturstabile Spannungsquelle

Die Erfindung geht nach Figur 3 aus .von einer temperaturstabilen Spannungsquelle mit einem ersten basisgekoppelten Transistorpaar (T,, T„) in zwei parallel geschalteten Stromzweigen (P₁/ P_?), wobei der Transistor (T~) im zweiten Stromzweig (P_) einen Emitterwiderstand (R_) aufweist, mit einem zweiten, einen Stromspiegelverstärker bildenden, basisgekoppelten Transistorpaar (T₃, T.) aus zum ersten Paar komplementären Transistoren, wobei je ein Transistor jedes Paares in einem der beiden Stromzweige (P₁/ P_?) liegt, mit einem zweiten Widerstand (R₁) in Serie zu dem Stromzweigepaar (P₁, P_?), mit einem, einen fünften Transistor (T,) enthaltenden, dritten Strompfad (Ρ~) , wobei die Basiselektrode des fünften Transistors mit dem keinen zusätzlichen ohmschen Widerstand enthaltenden ersten Stromzweig (P,) verbunden ist und mit einem aus einer Stromquelle (I ) und

einem Transistor T₇ bestehenden Aktivierungsstrorazweig, wobei der mit den Basiselektroden der Transistoren (T-, T„) des ersten Transistorpaars verbundene Emitter des Transistors T_ den Schaltungsausgang für die stabilisierte Spannung (U__„) bildet.

In elektrischen Schaltungen, insbesondere in komplexen integrierten 'Schaltungen sind Referenzspannunqsquellen erforderlich, die eine von der Temperatur, der Belastung und der Amplitude der Speisespannunq unabhänqige konstante Ausgangsspannung liefern. Hierfür eignet sich insbesondere eine bekannte Schaltung, wie sie in der Figur 1 dargestellt ist. Diese sogenannte "Widlar-Schaltung" oder Bandgap-reference-

Schaltung ist beispielsweise in der Zeitschrift 1970 IEEE, International Solid - State Circuits Conference, Seiten 158 - 159, veröffentlicht.

Die Schaltung gemäß der Figur 1 besteht aus drei parallel geschalteten Stromzweigen P., P„ und P,, mit je einem npn-Transistor T-, T_ und T₃. Zwischen die Spannungsquelle U₀ und die Schaltung aus den drei parallel geschalteten Stromzweigen P, bis P_ ist eine Konstantstromquelle geschaltet, die den Strom I„ liefert. Der Transistor T„ wird als Diode mit kurz-geschlossener Basis-Kollektorstrecke betrieben. Der Transistor T₃ wird über den Widerstand R- spannungsgegengekoppelt. Am Kollektor von T-stellt sich die Basisemitterspannung der Transistor T-ein. Unter der Voraussetzung, daß I« im Stromzweig P„ gleich I₃ im Stromzweig P₃ ist, liefert die Schaltung an der Ausgangsklemme A die temperaturunabhängige Referenzspannung

R₁ R₁
^UREF ~ ^UBE2 ⁺ R₃ ^UT^Xn R₃

wenn die Summe

iHi 4. ^l * Z- ' ^ln ik - η i=5t-R₃ e₀ R₂

Dabei ist VU der Temperaturdurchgriff der Basis-Emitterspannung des Transistors T„ mit einem Wert von ca. - 2 mV/⁰C. K ist die Boltzmannkonstante und e_Q die Elementarladung.

Nach den obigen Gleichungen ist die Temperaturunabhängigkeit der Schaltung gemäß Figur 1 vom Verhältnis der drei in der Schaltung enthaltenden Widerständen R-, R_ und R_ abhängig. Die Temperaturunabhängigkeit wird beispielsweise dann erreicht, wenn die Widerstände R, und R_ zehn mal kleiner als der Widerstand R₁ sind. Unter diesen Bedingungen stellt sich bei Verwendung von Silizium-Transistoren am Ausgang A die Spannung U_REF = 1,205 V ein. Diese Spannung wird vom Bandabstand des Halbleitermaterials bestimmt und deshalb als Bandgap-reference-Spannung bezeichnet.

Bei der Schaltung nach der Figur 1 stört insbesondere, daß 3 ohmsche Widerstände innerhalb der Schaltung aufeinander exakt abgestimmt werden müssen. Außerdem unterliegt der Speisestrom I strengen Anforderungen bezüglich seines Absolutwertes und seiner Temperaturunabhängigkeit.

Deshalb bildet die in Figur 2 dargestellte, gleichfalls bekannte Schaltung bereits eine Verbesserung der Schaltung nach der Figur 1, da die Schaltung nach der Figur 2 nur noch 2 ohrasche Widerstände R₁ und R_ enthält. Die Schaltung nach der Figur 2 enthält einen Stromspiegelverstärker aus den Transistoren T. und T₃, so daß die Ströme I₁ und I_ gleich groß sind. In Reihe zu dem als Diode geschalteten Transistor T. des Stromspiegelverstärkers ist ein Transistor T₁. geschaltet, dessen Basis mit dem Emitteranschluß des Transistors T₇ verbunden ist, wobei dieser Emitter des Transistors T₇ zugleich den Ausgangsanschluß A für die temperaturstabilisierte Spannung U₀₇.,,, bildet.

Kfcir

Auch das Transistorpaar aus den Transistoren T₁ und T₀ ist als Stromspiegelverstärker geschaltet, wobei der als Diode betriebene Transistor T₂ den Emitterwiderstand R enthält. Der Strom durch den dritten Strompfad P- ergibt sich aus der Differenz des eingespeisten Stromes I_ und der Summe der Strome, die durch die Strompfade P. und P„ fließen. Bei dieser Schaltung ist die Referenzspannung tipp- am Ausgang A ca. 2,5 V groß. Dies ergibt sich aus der Beziehung:

^ÜREF - ^{2 Ü}BE1 ⁺ ίς ^UT " ^lnFa·

Die beiden Basisemitterspannungen fallen am Transistor T-. und am Transistor T₅ ab, während der restliche Spannungsanteil durch das Widerstandsverhältnis R₁ZR₀ und das Flächenverhältnis der aktiven Transistorflächen innerhalb der Transistoren T₁ und T₀ bedingt ist. Die Spannung U j st dann temperaturunabhängig, wenn gilt:

+ —^ " — InFa = 0.
^R2 ^e0

Dabei ist Fa das Verhältnis der Emitterfläche des Transistors T» zur Emitterfläche des Transistors T-. Die Bedingung gemäß der zuletzt angegebenen Formel ist bei einem Flächenverhältnis Fa = 5 beispielsweise dann gegeben , wenn das Widerstandsverhältnis

^Rl

—■ = 28,8 ist.

^R2

Bei der Schaltung gemäß der Figur 2 wird als vorteilhaft empfunden, daß die Ströme I₁ und I₉ von der stabilisierten Spannung IL_1x,.^ abgeleitet werden, während der Transistor T_c

KJbit D

im dritten Stromzweig P₃ den überschüssigen Speisestrom I - (I₁ + I₉) abführt. Ferner werden nur noch die beiden ohmschen Widerstände R₁ und R„ benötigt. Als nachteilig wird empfunden, daß das Widerstandsverhältnis der Widerstände R- und R₉ relativ groß ist und auch bei erheblicher Vergrößerung des Flächenverhältnisses Fa nicht unbeschränkt reduziert werden kann. Hierzu wird in Figur 5 auf die Kurve a verwiesen. Die Kurve a zeigt das Verhältnis R₁/R„ in Abhängigkeit vom Flächenverhältnis Fa bei völliger Temperaturkompensation. Aus der Kurve ist ersichtlich, daß bei einem Flächenverhältnis Fa == 5, das Verhältnis R₁ZR₂ = 28,8 ist. Dieses große Widerstandsverhältnis läßt sich mit der erforderlichen Genauigkeit in integrierten Schaltkreisen nur sehr schwer beherrschen.

Eine Reduzierung des Widerstandverhältnisses war mit Hilfe der Schaltung gemäß der Figur 3 möglich. Diese Schaltung, von der die Erfindung ausgeht, ist aus der Zeitschrift 1980 IEEE, Seite 219, bekannt. Sie unterscheidet sich von der Schaltung nach der Figur 2 im wesentlichen dadurch, daß die Ströme I₁ und I₉ durch die Stromzweige P₁ und P₉ gemeinsam über den Widerstand R, abfließen, Die beiden Stromzweige P₁ und P₂ enthalten auch nur je 2 Transistoren, wobei das Transistorpaar T₃ und T. einen Stromspiegelverstärker bildet. Die Transistoren des Tran-

sistorpaares T, und T„ sind komplementär zu den Transistoren T₃ und T₄ des Stromspiegelverstärkers. Die Ausgangsspannung Up am Ausgang A wird an der Emitterelektrode des Transistors T-, die mit den Basiselektroden der Transistoren T. und T₂ verbunden ist, abgegriffen. Der dritte Stromzweig P_ enthält den Transistor T,, dessen Basis an

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die miteinander verbundenen Kollektoren der Transistoren T, und T₃ im Stromzweig P₁ angeschlossen ist. Über diesen dritten Stromzweig P₃ fließt der überschüssige Speisestrom Ig - (I₁ + I₂) ab. Der Lastwiderstand R_LAST ist in die Emitterzuleitung eines Transistors T₇ geschaltet, dessen Kollektor an der Versorgungsspannurig U_g liegt.

Die Basiselektrode des Transistors T₇ ist mit den Emittern der Transistoren T_c, T₀ und T. in den drei Stromzweigen verbunden. Am Widerstand R_LASm liegt dann die stabilisierte Referenzspannung U „„ an. Für U _ gilt:

^UREF - ^ÜBE1 ^{+ 2} * R7 ^üT

Dabei ist Fa wiederum das Flächenverhältnis zwischen den Emitterflächen des Transistors T₇ und des Transistors T-. Aufgrund der flächengleichen Transistoren T₃ und T. gilt I₁ - I₂.

Die Spannung U-.-,, bei der Schaltung nach der Figur 3 ist dann vollkommen temperaturstabilisiert, wenn die Bedingung

=0

"2 ^e0

erfüllt ist. Für diese Bedingung gilt die Kurve b gemäß der Figur 5. Aus dem Kurvenverlauf ist ersichtlich, daß sich beispielsweise bei einem Verhältnis Fa = 5 für das Verhältnis R-r/R, ^der Wert 7,2 ergibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schaltung gemäß der Figur 3 weiter zu verbessern, wobei insbesondere das Widerstandsverhältnis R-j/^R ₂ ^noch stärker reduziert

werden soll. Diese Aufgabe wird bei einer Schaltung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sowohl die Transistoren des ersten Paares, als auch die des zweiten Paares untereinander ungleich große aktive Transistorflächen aufweisen, wobei innerhalb des ersten Transistorpaars der mit dem Emitterwiderstand versehene Transistor im zweiten Stromzweig die größere aktive Transistorfläche und innerhalb des zweiten Transistorpaars der Transistor im ersten Stromzweig die größere aktive .Transistorfläche aufweist.

Die Transistorpaare werden von den Transistoren T- und T_? bzw. von den Transistoren T₃ und T. gebildet, wobei der Transistor T. im Stromzweig P« als Diode betrieben wird.

Der Transistor T„ im Stromzweig P_ hat einen Emitterwiderstand R-, während der Widerstand R₁ zu beiden parallel geschalteten Stromzweigen P- und P_ in Serie geschaltet ist. Die Schaltung ist in ihrem Aufbau im wesentlichen identisch mit der Schaltung gemäß der Figur 3. Wesentlich ist jedoch nunmehr, daß auch die Transistoren T₃ und T. des Stromspiegelverstärkers unterschiedlich große Flächen aufweisen, wobei die Flache des Transistors T₃ größer als die des Transistors T. sein muß. Das Flächenverhältnis der Emitterfläche des Transistors T₃ zur Emitterfläche des Transistors T. ist als Fb bezeichnet, es gilt dann für die stabilisierte Spannung am Ausgang A der Schaltung:

⁰REF = ^ÜBE1 + <1 + Fb) '\ V* ^(Fa ' ^Fb) '

Die Referenzspannung ist dann temperaturstabilisiert, wenn gilt:

+ ~ (1 + Fb) " — ' In (Fa ' Fb) = 0. R e

Diese Bedingung ist für die Kurvenschar C gemäß der Figur 5 bei den sich aus den Kurven ergebenden Werten erfüllt. Die oberste Kurve gilt für das Verhältnis Fb = 2, was bedeutet, daß die Emitterfläche des Transistors T~ doppelt so groß ist, wie die des Transistors T-. Bei einem gleichzeitig bestehenden Verhältnis Fa = 5 ergibt sich für das Widerstandsverhältnis R₁ZR₂ ein Wert von ca. 3,3. Noch günstiger werden die Verhältnisse bei Fb = 3. Dies ergibt sich aus der mittleren Kurve der Kurvenschar C. Dann wird bei einem Verhältnis Fa = 5 das Widerstandsverhältnis R₁ZR,- den Wert 2,14 annehmen. Wählt man Fb = 5 entsprechend der untersten Kurve der Kurvenschar C, so erhält man Widerstandsverhältnisse R₁ZR-, die nur geringfügig über dem Wert 1 liegen. Diese kleinen, gut reproduzierbaren Widerstandsverhältnisse sind in der integrierten Schaltungstechnik leicht zu realisieren. Es werden hierzu relativ kleine geometrische Abmessungen benötigt. Die unterschiedlich großen Emitterflächen der Transistoren T_ und T. lassen sich gleichfalls sehr ein-' fach herstellen, da es sich bei diesen Transistoren beim Ausführungsbeispiel um laterale pnp-Transistoren handelt.

Eine einsatzfähige Schaltung mit weiteren Verbesserungen ergibt sich aus der Figur 6. Die in den vorangegangenen Figuren angedeutete Stromguelle für den Strom I„ wird durch den Schaltungsteil mit den Transistoren T,_Q bis T₁₄ und den Widerständen R₁₀ und R₁₇ gebildet. Dabei handelt es sich bei den Transistoren T₁₃ und T₁ . um einen üblichen Stromspiegelverstärker, bei dem der Transistor T₁₃ als Diode betrieben wird und über den Transistor T₁₄ der Ausgangsstrom I fließt. Die Transistoren T₁₃ und T₁₄ sind an der Basis miteinander gekoppelt. Im Stromzweig des Transistors T₁₃ liegt der Transistor T_1? mit dem Emitterwiderstand R₁₉. Das Basispotential des Transistors T₁, wird mit Hilfe der in Serie geschalteten, als Dioden betriebenen Transistoren T₁₀ und T eingestellt. Der Kollektorwiderstand R₁₀ des Transistors T._Q ist mit der

Spannungsquelle U verbunden. Mit Hilfe dieser Einströmschaltung erhält man einen Strom I_e, der weitgehend von Schwankungen der Versorgungsspannung U₀ unabhängig ist.

In die eigentliche temperaturstabile Spannungsquelle aus den Stromzweigen P., P« und P_ wurde noch der Transistor T_ eingefügt, der in ansich bekannter Weise als Verstärker für den Basisstrom der Transistoren T₃ und T. des Stromspiegelverstärker dient. Das Einfügen eines Basisstromverstärkers in einen Stromspiegelverstärker ist beispielsweise aus der USPS 3813607 bekannt. Die Emitterbasisstrecke des pnp-Transistors T„ liegt parallel zur Basiskollektorstrecke des Transistors T.. Der Kollektor des Transistors T₀ ist mit Bezugspotential verbunden. Durch das Einfügen des Basisstromverstärkers T₀ fließt somit im Kollektor von T₄ ein Strom, der sich praktisch nicht mehr von dem durch T- fließenden Strom unterscheidet.

Bei der Schaltung gemäß der Figur 6 wurde der Transistor T₆ durch den Komplementär-Darlington-Transistor T, und T ersetzt. Dieser Komplementär-Darlington-Transistor erhöht den Stromverstärkungsfaktor, so daß unter anderem Laständerungen am Ausgang in weiten Grenzen ausgeglichen werden können. Dieser positive Effekt wird noch durch den Darlington-Ausgangs-Transistor T₇ und T_ unterstützt.

Zur Unterdrückung parasitärer Schwingungen im MHz-Bereich, die bei jedem rückgekoppelten Verstärker durch die Phasendrehung der Transistorsteilheit auftreten, ist eine Neutralisation erforderlich. Hierzu ist die Kapazität C. zwischen dem Emitter des Transistors T_? und der Kollektorelektrode des Transistors T, vorgesehen. Diese Kapazität kann relativ klein sein, so daß sie als MOS-Kondensator leicht in eine integrierte Halbleiterschaltung eingefügt werden kann. Ein Kapazitätswert C, .£^ 30 pP hat sich bewährt, Mit C_e ist die parasitäre Substratkapazität am Kollektor des Transistors T, bezeichnet. Zur Linearisierung der Phasendrehung der Steilheit der Transistoren T_c und T,.

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dient dei- zusHtssi i.t!ho Widerstand U,, der zwischen die Emitterelektrode des Transistors T- und die Emitter-

elektroden der Transistoren T₃ und T. geschaltet ist. Dieser Widerstand darf jedoch nicht beliebig groß sein, da das sonst resultierende Spannungsungleichgewicht an den Kollektorelektroden der Transistoren T₃ und T₄ die Stabilität der Ausgangsspannung in Frage stellen würde. Der Widerstand R_ wird daher vorzugsweise so dimensioniert, daß die Kollektorspannungen an den Transistoren T, und T_ bzw. T₃ und T. etwa gleich groß sind. Bei einem Ausführungsbeispiel hat sich ein Widerstandswert R₃ = 2 kJi. bewährt.

Die Basisemitterstrecke eines Transistors T,_g kann zusätzlich in die Emitterleitung des Transistors T, eingefügt werden, wobei dieser zusätzliche Transistor zur Erzeugung eines Impulses benutzt werden kann, der dann aufgrund der Durchsteuerung des Transistors T.^ am Kollektor dieses Transistors auftritt, wenn über die Transistoren T_g und T, Strom fließen kann. Mit dem Transistor Τ_Ί_ kann somit

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ein definierter Impuls exakt in dem Moment erzeugt werden, wenn am Schaltungsausgang die gewünschte stabilisierte Spannung ansteht.

Wie bereits erwähnt wurde, besteht bei der Schaltung nach der Figur 6 der Lasttransistor aus dem Darlington T- und T- , wobei die Basiselektrode des Transistors T- an den gemeinsamen Anschlußpunkt der Stromzweige P, bis P_ angekoppelt ist. In der Emitterzuleitung des Transistors T₇ liegt der Spannungsteiler aus den Widerständen R , und R _. Der Abgriff dieses Spannungsteilers liegt am Referenzpotential U_R„_F, das temperaturstabilisiert ist und den Wert 1,205 V aufweist. Am Lastwiderstand R_r , der parallel zu dem Spannungsteiler aus den Widerständen R .. und R™₇ liegt, fällt somit eine stabilisierte Spannung ab, für die gilt

^RT1
^ÜSTAB - ^UREF ^{1+X^⁾'

BAD ORIGINAL

Bei einem realisierten Ausführunqsbeispiel für einen Span nunqnboreich der .Spnnnunq tJ„ zwischnn 3 und 20 VoIV., und bei einem Flächenverhaltnis Fb = 3 und Fa = 5 wurden die Widerstände wie folgt dimensioniert:

R₁₀ - 50 R₁₂ = 1 k-Λ. R₂ = 1,4 R₁ = 3,0

BAD ORIGINAL

Claims (9)

1. • η η

   Licentia Patent-Verwaltunqs-G.m.b.H. Theodor-Stern-Kai 1, 6000 Frankfurt 70

   Heilbronn, den 03.12.1980

   SE2-HN-ma-kü

   HN 80/54

   Patentansprüche

   ( 1)/Temperaturstabile Spannungsquelle mit einem ersten Basisgekoppelten Transistorpaar (T,, T₂) in zwei parallel geschalteten Stromzweigen (P,, P₃), wobei der Transistor (T_) im zweiten Stromzweig (P-) einen Emitterwiderstand (R-) aufweist, mit einem zweiten, einen Stromspiegelverstärker bildenden, Basis-gekoppelten Transistorpaar (T₃, T₄) aus zum ersten Paar komplementären Transistoren, wobei je ein Transistor jedes Paares in einem der beiden Stromzweige (P₁, P₀) liegt, mit einem zweiten Widerstand (R.)

   x «έ x

   in Serie zu dem Stromzweigepaar (P, , Pj, mit einem, einen fünften Transistor (Tg) enthaltenden, dritten Strompfad (P-), wobei die Basiselektrode des fünften Transistors mit dem keinen zusätzlichen ohmschen Widerstand enthaltenden ersten Stromzweig (P-.) verbunden ist und mit einem aus einer Stromquelle (I ) und einem Transistor T₇ bestehenden Aktivierungsstromzweig, wobei der mit den Basiselektroden der Transistoren (T,, T„) des ersten Transistorpaars verbundene Emitter des Transistors T- den Schaltungsausganq für die stabilisierte Spannung (U_RE_) bildet, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Transistoren des ersten Paares als auch die des zweiten Paares untereinander ungleich große aktive Transistorflächen aufweisen, wobei innerhalb des ersten Transistorpaars (T,, T₂) der mit dem Emitterwiderstand (R₂) versehene Transistor (T₂) im zweiten Stromzweig (P₂) die größere aktive Transistorfläche und innerhalb des zweiten Transistorpaars (T₃, T.) der Transistor (T₃) im ersten Stromzweig (P,) die größere aktive Transistorfläche aufweist.
2. 2) Temperaturstabile Spannungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenverhältnis der Transsistoren des ersten Transistorpaars (T,, T₃) 5 ist.
3. 3) Temperaturstabile Spannungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenverhältnis der Transistoren des zweiten Transistorpaars (T₃, T.) 3 oder 5 beträgt.
4. 4) Temperaturstabile Spannungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor im dritten Stromzweig (P₃) über einen Widerstand (R₃) mit dem allen Stromzweigen (P₁, P₅, P ο) gemeinsamen ersten Anschlußpunkt verbunden ist.
5. 5) Temperaturstabile Spannungsquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R-) im dritten Stromzweig (P-J so bemessen ist, daß die an den Kollektoren miteinander verbundenen Komplementärtransistoren in den beiden anderen Stromzweigen (P₁, P_?) etwa gleiche Kollektorpotentiale aufweisen.
6. 6) Temperaturstabile Spannungsquelle nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor im dritten Stromzweig (P_) ein Komplementär-Darlington-Transistor (T_g/ T_g ) ist.
7. 7) Temperaturstabile Spannungsquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den dritten Strompfad (P₃) zur Auskoppelung eines Schaltimpulses bei Erreichen der stabilisierten Gleichspannung am Schaltungsausgang ein Schalttransistor (T ₅) eingefügt ist.
8. 8) Temperaturstabile Spannungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterelektrode des mit einem Emitterwiderstand (R~) versehenen Transistors (T„) im zweiten Stromzweig (P-) über einen Kondensator (C.) mit den Kollektoren der im ersten Stromzweig (P,) liegenden Transistoren (T₁, T^) verbunden ist, an die auch die Basiselektrode des fünften Transistors (T_c) im dritten Strom-

   zweig (P~) angeschlossen ist.
9. 9) Temperaturstabile Spannungsquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromspiegelverstärker (T₃, T.) einen weiteren, der Basisstromeinspeisung dienenden Transistor (Tg) aufweist, dessen Basis-Emitterstrecke parallel zur Kollektor-Basisstrecke des Transistors (T₄) im zweiten Strompfad (P_?) geschaltet ist, während der Kollektor des zusätzlichen Transistors

   (T₀) mit Massepotential verbunden ist. ο