DE3114877A1

DE3114877A1 - Stromspiegelungsschaltung / stromsymmetrieschaltung

Info

Publication number: DE3114877A1
Application number: DE19813114877
Authority: DE
Inventors: Katsumi Hiratsuka Kanagawa Nagano
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1980-04-14
Filing date: 1981-04-13
Publication date: 1982-02-11
Also published as: DE3114877C2; JPS605085B2; US4412186A; JPS56144612A

Description

PATENTANWÄLTE F.W. HEMMESICh'c GESD iivräcLETt:·" DT GBOSSE · F. POLLMEIER ⁷³

5.4.1981 - 1 -

Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha, 72 Horikawacho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi , Kanagawa-ken (Japan)

Stromspiegelungsschaltung/
Stronisymmetrieschaltung

Gegenstand dieser Erfindung ist eine Stromspiegelungsschaltung oder Stromsymmetrieschaltung. Gegenstand dieser Erfindung ist insbesondere aber eine Stromspiegelungsschaltung oder Stromsymmetrieschaltung, die auch dann, wenn sie aus NPN-Transistören hergestellt ist, eine hohe Genauigkeit in ihrem Stromspiegelungs-Übertragungsverhältnis aufzuweisen hat.

Eine Stromspiegelungsschal tung/Stromsymmetrie sch al tung wird oft dann eingesetzt, wenn ein auf den Eingangsstrom angepaßter Ausgangsstrom erreicht werden soll. Bereits wohlbekannt ist die Verwendung der als eine konventionelle Schaltung ausgeführten verbesserten Wi1son-Stromvnrsorgung als Stromspiegel ungsschal tuny odor Stronisymmetrieschaltung.

Aus Fig. 1, mit der die Ersatzschaltung der verbesserten Wilson-Stromversorgung dargestellt ist, geht hervor, daß zu dieser Stromversorgung vier angepaßte und bipolare Monolith-Transistoren gehören, und zwar die vier Transistoren Ql, Q2, Q3 und Q4. Die Basis-Anschlüsse der Transistoren Ql und Q2 sind miteinander verbunden, der Kollektor-Anschluß des Transistors Ql ist · * i η rn a 1 <ι uf die miteinander verbundenen Bas i s-Ans« Ii 1 üsse <ie führt und zum anderen auch auf den Strom-Ί ingany.anschl uß 1.

Der Transistor Q2, dieser Transistor führt den Ausgangsstrom auf den Verbrauchet, ist mit seinem Kollektor-Anschluß auf diesen Verbraucher 2 geführt,

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.... ^D 31H877

PATENTANWÄLTE F.W. HEMMERIC-H --G¹ERD UlUtLER ^: Dr GRKDSSE · F. POLLMEIER 73

- bh -

5.4.1981 - 2 -

Die Emitter-Anschlüsse der Transistoren Ql und Q2 sind jeweils mit den Kollektor-Anschlüssen der Transistoren Q3 und Q4 verbunden. Die Basis-Anschlüsse der beiden Transistoren Q3 und Q4 sind miteinander verbunden und sind weiterhin auch noch auf den Kollektor-Anschluß des Transistors Q4 geführt. Die Wmitter-Anschlüsse der Transistoren Q3 und Q4 stehen mit der ersten Stromversorgungsklemme 3 in Verbindung, während die Eingangsstromversorgung und der Verbracuher 2 auf die zweite Stromversorgungski emme 4 geführt sind.

Diese Art der Stromversorgung hat den Vorteil, daß dann, wenn eine Anpassung der vier Transistoren gegeben ist die KoI 1 ek tor-Eni i tter-Spannung V^ der Transistoren Q3 und Q4 jeweils gleich der Basis-Emitter-Spannung V.jr ist.Das Verhältnis zwischen den Kollektorströmen der Transistoren Q3 und Q4 ist somit frei vom Early-Effekt, (d.h. von dem Phänomen, daß sich bei festem und konstantem Basisstrom der Kollektorstrom linear mit der Kollektor-Emitter-Spannung verändert).

Das aber bedeutet, daß das Stromspie go 1ungs-Übertragungsverhaitnis sehr gut ist. Das Stromspiegelungs-Übertragungsverhältnis ^- ist mit der nachstehend angeführten Gleichung gegeben:-

^r P//?+ 2) 1 - 2 (1)

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(Nur 1).
In diese Gleichung eingesetzt sind:-

I. = der Eingangsstrom, d.h. der KoI lektorstrotn des Transi stors Ql.

I = der Ausgangsstrom, d.h. der Kollektorstrom des Transistors Q2

= die gemeinsame Emitter-Stromverstärkung.

Wie aus der Gleichung zu erkennen ist, liegt der Fehler im zweiten System der Gleichung, und die Größe oder der Betrag dieses Fehlers ist dem Quadrat von ^umgekehrt proportional. Der Emitter-Stromverstärkungswert /■"' des NPN-Tr ansi stör s ist hoch, während der PNP-Transistör einen viel kleineren Emitter-Stromverstärkungswert /* aufzuweisen hat, der für gewähnlich nur ein Zehntel des Emitter-Stromverstärkungswertes p von NPN-Transistören ist. Das aber bedeutet, daß dann der Fehlerbetrag groß ist, wenn diese Stromversorgungsschaltung aus PNP-Transistören hergestellt ist, daß in diesem Falle aber auch keine Anpassung zwischen Ausgangsstrom und Eingangsstrom erwartet werden kann.

Fig. 2 zeigt nun noch eine andere konventionelle Stromspiegelungsschaltung oder Stromsymmetrieschaltung mit PNP-Transistören. Bei dieser Schaltung sind die Basis-Anschlüsse der einander angepaßten PNP-Tiansistoren Q5 und Q6 miteinander verbunden, sind die beiden Emitter-Anschlüsseauf die Klemme 7 geführt, ist der KoI 1 ek tor-Ansc.il υβ des Transistors Q6 mit dem Verbraucher 8 verbunden und führt den Ausgangsstrom Io. Der Emitter-Anschluß des PNP-Transistors

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PATENTANWÄLTE F.W. HEMMCRICH · ■ .i HD BICJ'i MRt D.:GRDSSE · F. POLLMt IER 73 52

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Q7 ist mit den Basis-Anscnlüssen der Transistoren Q5 und Q6 verbunden, die liteinander verbunden sind. Der Basis-Aschluß des Transistors Q7 ist auf den Kollektor-Anschluß des Transistors Q5 geführt, während der Kollektor-Anschluß des Transistors Q7 mit der zweiten Stromversorgungsklemme 6 verbunden ist. In dieser Schaltung ist der Ausgangsstrom Io dann gleich dem Eingangsstrom -1i, wenn der Basisstrom des Transistors Q7 vernachlässigbar ist, (die Emitter-Stromverstärkung pi st - und das ist zuvor bereits angesprochen worden - nicht groß, PNP-Transistor, und der Basisstrom kann nicht vernachlässigt werden).

Bei dieser Schaltung ist ti i e KoI1 ktor-Emitter-Spannung jedoch nicht fest οd■:r konstant, d.h. diejenige des Transistors Q6. Das bedeutet, daß dann, wenn sich die Spannung an der Ausgangsklemme 9 verändert, sich auch die Kollektor-Emitter-Spannung V„_F verändert, und zwar die des Transistors Q6.Der Kollektorstrom erfährt also durch den (zuvor angeführten) Early-Effekt eine Veränderung. Deshalb unterliegt auch das Verhältnis zwischen dem Eingangsstrom Ii und dem Ausgangsstrom Io Veränderungen und Schwankungen Eine hohe Genauigkeit kann somit nicht erwartet werden.

Die Erfindung stellt sich somit die nachstehend angeführten Aufgaben:-

Eine Stromspiegelungsschaltung/Stromsymmetri eschaltung zu schaffen, die auch dann, wenn PNP-Transistören verwendet werden, ein gutes Stromspiegelungs-Übertragungsverhalten aufzuweisen hat.

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PATENTANWÄLTE F.W. HEMMERICH "-G&FiO MÜLLER -K-GROSSE · F. POLLMEIER ⁷³

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Eine Stromspiegelungsschaltung/Stromsymmetrieschaltung zu schaffen, die vom Early-Effekt frei ist.

Die Erfindung löst die ihr gestellten Aufgaben dadurch, daß sie eine Schaltung mit zwei Grundstufen vorsieht, die jeweils drei Transistoren aufweisen. In der ersten Stufe sind die Basis-Anschlüsse der einander angepaßten ersten und zweiten Transistoren miteinander verbunden, sind die jeweils zutreffenden Emitter-Anschlüsse auf die erste Stromversorgungsklemme geführt. Der dritte angepaßte Transistor ist mit seinem Emitteranschluß auf die vorerwähnten und miteinander verbundenen Basis-Anschlüsse geführt und mit seinem Basis-Anschluß auf den Kollektor-Anschluß des zweiten Transistors. In der zweiten Stufe sind die Basis-Anschlüsse des angepaßten vierten Transistors und des angepaßten fünften Transistors miteinander verbunden, während die jeweils zutreffenden Kollektor-Anschlüsse jeweils auf einen Stromanschluß und auf einen Verbraucher geführt sind. Der angepaßte sechste Transistor ist mit seinem Emitter-Anschluß auf die gemeinsamen und miteinander verbundenen Basis-Anschlüsse des angepaßten vierten Transistors und des angepaßten fünften Transistors geführt und mit seinem Basis-Anschluß auf den Kollektoranschluß des vorerwähnten vierten Transistors. Die jeweils zutreffenden Kollektor-Anschlüsse des zuvor angeführten dritten Transistors und des zuvor erwähnten sechsten Transistors sind mit einer Bezugsspannung verbunden, beispielsweise jeweils mit der zweiten Stromversorgungsklemme und mit der dritten Stromversorgungsklemme.

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Gegenstand der Erfindung ist mit eine Stromspiegelungssc haltung bzw. Stromsymmetrieschaltung mit einer ersten Stufe (20) und mit einer zweiten Stufe (30). Zur ersten Stufe gehören die beiden Transistoren (Q-|i> Q-12)· deren Basis-Anschlüsse miteinander verbunden sind und «leren Kd I lektor-Anschl üsse auf einen Stromversorgung·..anschl u[3 geführt sind. Zur zweiten Stufe gehören die beiden Transistoren (Q]4» Q τ c), deren Basis-Anschlüsse ebenfalls miteinander verbunden sind und deren Kollektor-Anschlüsse jeweils auf die Emitter-Anschlüsse der beiden zur ersten Stufe gehörenden Transistoren geführt sind. Einer jeden Stufe ist weiterhin auch noch ein weiterer Transistor (Q-io, Qig) zugeordnet, die mit ihren Kollektor-Anschlüssen jeweils auf die Basis-Anschlüsse des jeweils zugehörigen Transistorpaares geführt sind. Der Basis-Anschluß des zur ersten Stufe gehörenden weiteren Transistors ist auf den Kollektor-Anschluß von einem der zum ersten Paar gehörenden Transistoren geführt, während der Basis-Anschluß des zur zweiten >tufe gehörenden weiteren Transistors mit dem KoI Ie- tor-An^c :hluß des zum zweiten Paar gehörenden gegenüberliegenden Transistors verbunden ist.

Die Erfindung soll nachstehend nun anhand des in Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles (der in Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele) näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in:-

Fig. 1 Ein schematisches Schaltbild einer Stromspiegelungsschal tung/Stromsymmetrieschaltu ng konventioneller Art.

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Fig. 2 Ein schematisches Schaltbild einer Stromspiegelungsschal tung/Strom symmetrie se hai tung konventioneller Art.

Fig. 3 Eine einfache Stromspiegelungsschaltung/ Stromsymmetrieschaltung dieser Erfindung.

Fig. 4 Ein anderes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes.

Fig. 5 Eine in Anwendung der Schaltungsprinzipien nach Fig. 4 vereinfachte Schaltung.

Wie nun aus Fig. ·' zu erk· nnen ist, wird eine Stromspiegel ungsschal ti. rig/Stromsymmetrieschaltung bevorzugt die eine ers¹·; Stufe 20 und eine zweite Stufe 30 aufzuweisen hai, Zur eisten Stufe gehören ein angepaßter erster Fransisior, ein angepaßter zweiter Transistor und ein angepaßter dritter Transistor, die als angepaßte PNP-Transistören Q-Ii₅ Q-i? und Q,^ ausgeführt sind. Zur zweiten Stufe gehören die angepaßten Transistoren vier, fünf und sechs, die als angepaßte Transistoren Q₁₄. Q₁₅ und Q₁₆ augeführt sind.

In der ersten Stufe 20 sind die Emitter-Anschlüsse des angepaßten ersten PNP-Transistors Q₁₁ und des angepaßten zweiten PNP-Tr .<nsi stors Q-J₂ Jeweils mit dem ersten Stromversorgun isanschluß 10 verbunden. Die Basis-Anschlüsse der transistoren Q₁, und Q₁₂ sind miteinander verbunden und auf diese miteinander verbundenen Basis-Anschlüsse der Transistoren Ο-,·, und Q₁₂ ist der Emitter-Anschluß des angepaßten dritten PNP-Transistors Q13 geführt. Dieser Transistor Q₁₃ ist dann auch no» h mit seinem Basis-Anschluß

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auf den Ko1lektor-Anschluß des Transistors 12 geführt, während der Kollektor-Anschluß dieses Transistors Q₁O mit dem zweiten Stromversorgungsanschluß 15 verbunden ist.

Wie weiterhin aus Fig. 3 /u erkennen ist, sind in der zweiten Stufe 30 die Emitter-Anschlüsse des angepaßten vierten PNP-Transi stors Q₁* und des angepaßten fünften PNP-Tr an;,i stors (Kr jeweils mit den Kollektor-Anschlüssen der Transistoren Q,, und Q-jP verbunden. Miteinander verbunden sind die Basisanschlüsse dieser Transistoren Q₁* und Q-ic· 0^{er an}~ gepaßte sechste PNP-Transi stör Q_lfi ist mit seinem Emitter-Anschluß auf die miteinander verbundenen Basis-Ascnhlüsse der beiden Transistoren Q,- und Q₁₅ geführt und mit seinem Basis-Anschluß auf den Kollektor-Anschluß des zuvor angeführten Transistors Q-... Über seinen Kollektor-Anschluß ist der Transistor Q_lf- mit dem dritten ', l.romver sor (junysans chi uß verbunden. Vorzugsweise w-rden diη zweiten und dritten Stromversorgungsansch!üsse derart ausgelegt, daß sie am gleichen Potential liegen, beispielsweise am Erdungspotential. Die jeweils zutreffenden Kollektor-Anschlüsse der Transistoren Q-,- und Q₁^ ind auf die Stromquelle 13 und auf den Verbraucher l4- geführt.

Sind die Transistoren Q-,-, und Q₁₆ einander angepaßt und sind die jeweils zutreffenden Emitter-Anschlüsse der Transistoren Q₁-, und Q₁^ mit der ersten Stromversorgungsk 1 einme oder mit dem ersten Stromversorgungsanschluß 10 verbunden, dann sich auch die Emitter-Basis-Übergangsspannungen der beiden Transistoren Q₁₁ und Q₁₂ gleich und identisch. Das

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wiederum hat ebenfalls zur Folge, daß auch die Emitter-Ströme Irin ^un<^ ^Fl? ^^er Transistoren Q,·, und Qi_? gleich und identisch sind, und auch noch gleich IE. Daraus folgt, daß der Kollektorstrom der Transistoren Q₁₁ und Q,p gleich und identisch ist. Es ist al so ...

¹CIl ^{= 1}Cl₂ = * · IE (2).

Auch die Basisströme der Transistoren, d.h. die Ströme I_ß·,, und L,₂ sind gleich und identisch.Es ist also ....

¹BIl ^{= 1}Bl₂ = -^r- . IE (3).

Für diese Gleichungen gil':-

oC = gemeinsame Hasisstromverstärkung, P = gemeinsame üni tters tromverstärkung.

Wei terhin gi11 :-

oc = (4).

Damit kann der Emitterstrom für den Transistor Q-,., mit der nachstehend angeführten Gleichung berechnet werden :.. . .

Damit kann der Basissirom für ilen Transistor Q^, d.h. der Basisstrom I,,^ wie folgt berechnet werden:

2
τ = JLJr if (f,)

1 η ι τ ρ·¹¹- . . . . . \Ό j

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PATENTANWÄLTE F.W. HEMMER]Ch) -"ci&Rp MrIHrLER- --0."SRQSSE · F. POLLMEIER 73

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Dieser Basisstrom I₀₁₀ wird nun zum Kollektorstrom Ip-J₂ des Transistors Q₁₂ addiert. Dabei erhält man den Emitterstrom U₁- des Transistors Q₁₅ aus der nachstehend angeführten Gleichung:-

^!E15 "^ -¹E ⁺ OC-¹E (7).

während man andererseits den Emitterstrom für den Transistor Q,- aus der nachstehend gegebenen Glei chung berechnen kann:....

¹EH ⁼ *-■ ¹E (8)

Damit wird jeweils der Basisstrom für die Transi storen Q-j. und Q-J₅ wie folgt berechnet: ...

¹BH ⁼ ~ß~ · ¹E

Der Emitterstrom Lj_fi für den Transistor Q,g kann mit der nachstehend gegebenen Gleichung berechnet werden:-

2 2

¹ElB β '¹E ⁺ TT ^[l ⁺ [CF · ¹E

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3 I

^R'- p.'SROSSE · F. POLLMEIER 73 521 "" -^:- - bh -

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Aus diesem Grunde erhält man den Basistrom aus der nachstehend angeführten Gleichung:...

BlG

i ^ · ¹

Dieser Basisstrom I_D1/- wird zum KoI Iketorstrom des

D I D

Transistors Q,, addiert. Man erhält also den Eingangsstrom mit der nachstehend gegebenen Gleichung:-

¹CU ^{+ 1}BlG

= OC

2 cc

Für den Ausgangsstrom, d.h. für den KoI1ektorstrom des Transistors (Kr gilt die nachstehend angeführte Gleichung:-

- I

(14)

I Für das Stromsp i eg<^% 1 ungs verhä 1 tni s ( ~

ij i 1 t. s OHi ι L die tun. tiii l-ohond iiii tjt· f uhr Le G I c i -- i c h u η (j :

OC ( 1 +

(15),

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/3

Durch das Einsetzen des B- griffe?» ( —^- wird die Gleichung für da- Stromspiegelungs-übertra-

-) für gungsverhaitnis /L wie folgt umgeformt:...

λ - -¹^

+ —

2 , ο₊ _}]Ζ

dann ist xj/μ-

Ist nun viel größer Is ein

viel kleiner als 1 (eins). Damit iber kann die vorhergehende Gleichung so ausgedrückt werden, daß sie annähernd wie folgt lautet:-

1 -

(17)

In dieser Gleichung zeigt der zweite Begriff auf der rechten Seite der Gleichung die Abweichung vom idealen übertragungsverhältnis.

Werden Gleichung (1) und Gleichung (17) miteinander verglichen, dann ist der Fehler/die Abweichung im Stromspiege1ungs-übertragungsverhältnis dieser Gleichung viel kleiner als dies bei der Schaltung konven· tioneller Art der Fall ist. Damit liegt aber auch das Stromspiegelungs-Übertragungsverhältnis der mit der Erfindung geschaffenen Schaltung auch dann viel näher am Indealwert, wenn PNP-Transistören verwendet werden, deren Emitterstromverstärkung P viel kl ei te·'

■λλλλλγι ι η T η 1

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R POLLMEIER

^{f f}

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- bh 5.4.1981

- 13 -

als die Emitterstromverstärkung von NPN-Transistören.

Und in dieser Schaltung sind die Kollektor-Emitter-Spannungen des Transistors Q-.-, und des Transistors Q,„ auf den gleichen Wert festgelegt. Wenn der erste Stromanschluß 10 an Erdungspotential liegt, dann hat das Basispotential Vl des Transistors Q₁₃ den mit nachstehend gegebener Gleichung zu berechnenden Wert: . ...

^V1 = -

- ^V

BE13

⁼ "^2V

Das bedeutet, daß der Transistor Q₁O eine Kollektor-Emitter-Spannung von 2Vnr hat. Für das Kollektorpotential V2 des Transistors Q₁₁ gilt die nachstehend angeführte Gleichung:...

^{V2 = V1} -^VBE15 ^{+ V}BE14

Das wiederum hat zur Folge, daß dann, wenn gleich V^₁₅ ist, auch

V2 = Vl

ist.

(19)

Deshalb ist auch die KoI 1 t-ktor-Emi tter-Spannung des Transistors Q₁₁, dh. die '.pannung V_rc, gleich 2V_Dr.

Il Lt DL

Das wiederum hat zur Folcji , daß die KoI lektor-Emi tter-Spannungen der Trans i ·. Loren Q₁₁ und Q₁₂ auf den gleichen Wert festgelegt sind, so daß das Stromspiegel ungs-Übertr agungsverhäl tni s vom Early-Effekt nicht beeingflußt wird.

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Fig. 4 zeigt nun ein anderes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes. Boi diesem Ausführungsbeispiel erhalten der angepai3te dritte Transistor Q^ und der angepaßte sechste Transistor Q₁₆ - beide Transistoren sind PNP-Transistören - jeweils über die Verstärker 40 und 50 Basis-Signale auf geschaltet. Zum Verstärker 40 gehören ein invertierender Eingang 41 und ein nichtinvertierender Eingang 42. Dem invertierenden Eingang 41 wird eine erste Bezugsspannung V r , aufgehaltet, während der nichti ηvertierende Eingang 42 mit dem KoI lek t.or-Ansc.h 1 uß des Transistors Q-|2 verbunden ist.

Der Verstärker 50 hat ein >n invertierenden Eingang 51 und einen nichtinvertierenden Eingang 52. Dem invertierenden Eingang 51 wird eine zweite Bezugsspannung V fj, auf geschal tet und der nichtinvertierende Eingang 52 ist mit dem Kollektor-Anschluß des Transistors Q-,, verbunden .

Bei diesem Ausführungsbeispiel kann eine Änderung des Wertes der Bezugsspannung an der ersten Stromversorgungsk1emme 10 eine Änderung des Kollektorpotentials beim Transistor Q₁₂ hervorrufen. So nimmt die Ausgangsspannung des Verstärkers 40 dann einen hohen Wert an, wenn die l· jIlektorspannung des Transistors Q₁₂ größer ist als die Bezugsspannung V_ref|· Das hat wiederum zur Folge, daß auch die Basisspannung des Transistors Q-,η ansteigt. Sodann wird auch das Potential oder die Spannung am gemeinsamen Basis-Anschluß der Transistoren Q₁₁ und Q₁₂ erhöht, so daß als Folge davon der Kollektorstrom des Transistors Q₁^ verringert oder abgeschwächt wird. Dieser Rückkopplungseinfluß hält solange an, bis daß die Kollektorspannung/das Kollektorpotential des Transistors Q₁₂ auf einen Wert heruntergebracht worden ist, der der Bezugsspannung V ^₁

λ er λ

I'm ι 11J ι "ι «»"/«· ι I I I «\ I Ί H. ι: Ii HL til' Ινιι >ι ί 1 I \ι ι,ι ujou ■ ι ν ·<- ι,... ι. ιι_. . . _ ...

^8- 31Η877

entspricht. Wenn das KoIlektorpotential auf einen Wert abfällt, der unter dem der Bezugsspannung V ^-, liegt, dann werden entgegengesetzt gerichtete Maßnahmen getroffen, durch welche das Kollektorpotential wieder auf einen Wert gebracht wird, der gleich dem Wert der Bezugsspannung V _f1 ist .

Der gleiche Vorgang und die gleiche Wirkung sind auch für den Verstärker 50 und fur den angepaßten sechsten Transistor Q₁₆ und den angepaßten vierten Transistor Q,. zu verzeichtu n. Das aber bedeutet wiederum, daß der Wert des öl 1ektorpotentials des Transistors Q-.» auf den Wer' der Bezugsspannung V festgelegt ist.

Mit Fig. 5 dargestellt ist ein die Schaltungsprinzipien nach Fig. 4 aufweisendes vereinfachtes Ausfuhrungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes. In diesem Falle besteht der Verstärket 40 aus einem NPN-Transistor Q_?Q und aus einer Konstantstromquel1e 44. Mit seinem Emitter-Anschluß ist der NPN-Transi stör Q™ auf die Basis des dritten angepaßten PNP-Transistors Qio geführt, mit seinem Basis-Anschluß auf den Kollektor-Anschluß des angepaßten zweiten Transistors Q-J₂ und mit seinem Kollektor-Anschluß auf die erste Stromversorgungsklemme 10. ine Konstantstromquelle 44 ist schaltungsmäßig zwischen dem Emitter-Anschluß des Transistors Q2Q und Erde/Masse angeordnet.

Der Verstärker 50 besteht aus einem NPN-Transistör Q_?1 und aus einer KonstantstromquelIe 54. Mit seinem Emitter-Anschluß ist der NPN-Transistor Q^ auf den Basis-Anschluß des angepaßten sechsten NPN-Transistors Q₁₆ geführt, mit seinem Basis-Anschluß suf den angepaßten vierten PNP-1 ransistor Q₁₄ über dessen Kollektor-Anschluß und mit seinem Kollektoranschluß auf die Stromveri.m gungsklemme 10. Die Konstantstromquelle 54 ist schaltungsmäßig an den. Emitter-Anschluß des Transistors Q21 angeschlossen.

13ÖÖ66/Ö7Ö7

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5.4.198

Steht bei diesem Ausführlungsbeispiel am ersten Stromversorgungsanschluß 10 eine Spannung von ⁺ Vpp an, dann gilt für die Kollektorspannung Vl des Transistors Q,ρ die nachstehend angeführte Gleichung:...

^{V1 = V}CC " ^VBE12 " ^VEB13 ^{+ V}BE20 (20).

In diese Gleichung sind die nachstehenden Größen ei ngesetzt: -

^VBE12' ^VBE13 ^{und V}BE20 ⁼

der Transistoren Q-io» Qi-3 '"¹^ Q?n·

Sind nun die Spannungen V_R[-,„, ^rfit ^un<^ ^RFPO 9 V_RF, dann gilt für Vl die nachstehend angeführte Gleichung :-

^V1 = ^VCC - ^VBE

Steigt unter den gegebenen Umständen der Wert des KoI 1 ektorpotenti al s des Trmsistois Q-,- an, dann hat dies zur Folge, daß auch d :r Wert des Basispotentials des Transistors Q-,₃ größer wird. In diesem Falle ist aber auch ein Ansteigen des am Emitter von Transistor Q₁O anstehenden Potentials - und das ist das Basispotential von Transistor Q^ - ^zu verzeichnen. Das hat wiederum zur Folge, daß dann, wenn der Kollektorstrom des Transistors Q₁- schwächer wird, auch eine Abschwächung des am Kollektor von Q₁₂ anstehenden Potentials erfolgt. Das wiederum bedeutet, daß das Potential Vl auf den mit Gleichung (21) ausgewiesenen Wert festgelegt ist.

λλλλλλ / η ι

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Der Verstärker 50 besteht aus einem NPN-Transistör Qp₁ und aus einer Konstantstromquelle 54. Das Kollektorpotential V2 des Transistors Q-,- kann mit nachstehender Gleichnung berechnet werden:....

^{= V1} - ^V8E15 -^VBE16 ^{+ V}BE21

In diese Gleichung sind die Größen V_Dr1[:, V_Dirli. und

DL I b Ii t I D

V_D„, jeweils als Basis-Emitter-Spannungen der Tran

o Lc I

sistoren Q₁₅. Q₁₆ und Q₂₁ eingesetzt. Sind diese eingesetzten Größen identisch und gleich V_R[7, dann gilt für V2 die nachstehend angeführte Gleichung:..

Vl - V
' BE

^VCC " ^2VBL· (23),

Aus Gleichung (23) geht ganz klar hervor, daß die Spannungsdifferenz zwischen der Stromversorgungsklemme 10 und der KoI1ektor spannung V2 des Transistors Q₁₄ einmal 2V_ß[. ist. Damit ergibt sich die für V„~ erforderliche Spannung aus der nachstehend angeführten Gleichung:

(24).

Und bei der Spannunq V13 handelt es sich um die Spannung, welche für di<> Strotuuuel Ie 13 erforderlich ist. Damit aber ist die*-·.· Schal ung auch bei einer geringen V.,p wirksam, nämlich bi-i der zuvor beschriebenen Spannung V_c„.

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Andererseits wiederum besteht bei dieser Schaltung /wischen dem Ei ngangsstrotn I. und dem Ausgangsstrom I das nachstehend dargestellte Verhältnis. Wenn die jeweils zutreffenden Etui tterströme der Transistoren Ρ·,-, und Q-|2» nämlich die Ströme Ι^·,-, und Ir-jp identisch und gleich I,- sind, dann gilt für Ini-i die nachstehend angeführte Gleichung: ....

Ύ*

¹BIl ^{= !}B12 ⁼ ~~~fi ' ¹E

Damit kann der Emi tter strom des Transistors Q -. ^ mit der nachstehend angeführten Gleichung berechnet werden :...

² <4
β - ¹E (²⁶)

und der Basisstrom mit der nachfolgenden Gleichung

2 ¹X
^!B13 ⁼ ~Γ~~ ¹

Bei einem Basisstrom von I des Transistors Q_9n

B20 ^2Ü

gilt die nachstehend angeführte Gleichung:-

Bei der Größe «*-„ handelt es sich um die gemeinsame Basisstromverstärkung des NPN-Transistors. Aus diesem Grunde kann der Wert für die Stromstärke der Konstantstromquelle 44 anhand der nachstehenden Gleichung be-

v-nr-l-inn+

19 -

PATENTANWÄLTE F.W. HEMMERICH · GfRD Knü1^.ER^:-^:D^:-GROSSf: · P. POLLMEIER 73

5.4.1981

^TE20

ft ^Z ^t Λ

μ l - ^

(29)

und für den Emi tterstrom des Transistors Q₁₁- gilt die nachstehend angeführte Gleichung:...

¹ElS ⁼ ÖL - I_E - I₆₂₀ (30)

Damit kann der Kollektorstrom des Transistors Q-, - und das ist der Ausgangsstrom I - anhand der folgenden Gleichung berechnet werden:...

¹O

Demgegenüber gilt für den Eingangsstrom I- die nachstehend angeführte Gleichung:...

I. = Oi² · ¹E - ¹B₂I ⁽³²>·

Die Stromstörke det Konsta-itstromquel Ie 54 - und das ist der Strom ! _i)4 - wifd mit nachstehender Gleichnung berechne L:....

r₄ = *4- (2Ir - -^- )+ T^B-^ (33)

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■·.--■ - bh -

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31U877 - ²⁰ -

Aus Gleichung (31) und Gleichung (32) geht ganz klar hervor, daß für I. = I die folgende Bedin gung gegeben i st: -

^!B20 ^XB21

Die Gleichung (29) kann somit wie folgt umgeformt werden :...

Wenn für Ι_Β?0 die Gleichun, (35) eingesetzt wird, kann auch die Gleichung (3) in der nachstehend angeführten Weise umgeform . werden:...

³ n²

^LB21 V₁-^₁; ; ^A54 _Λ Σ> *E

2
Io

Unter Heranziehung der Gleichungen (34), (35) und (36), ge I ten' für .
dingungen :-

gelten' für I. = I die nachstehend angeführten Be-

· ^!44 '" ßl β 4 ·■■ ¹E

^aI54· ' ^{37)·

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31U877 - ²¹ -

Die Gleichung (37) kann dadurch noch erweitert werden,

daß für β der Begriff ( ^——'- ) eingesetzt wird

und für I₄₄ der Begriff k . I₄₄. Es ergibt sich die nachstehend angeführte Gleichung: ...

(3 5

^!44 M¹ -¹^) ⁺ 2 . k . (1-öL) = I₅₄ .... (38),

I₅₄

wobei k > 1 ist.

Annäherungsweise \·Λ Ir^ mit der Gleichung (39) bestimmt: ...

I₅₄ ^r ÖL . I₄₄ (39),

Das bedeutet, daß dann, wenn der Wert der Stromstärke der Konstan tstromquel l'-ri 44 und 54 derart ausgelegt ist, daß damit, die Zuordnungen und Gegebenheiten nach Gleichung (37), Gleichung (38) oder Gleichung (39) erfüllt sind, der Au gangsstrom I gleich und identisch dem Li ng mgsstn in I^ ist. Darüber hinaus ist es auch noch möglich, das Stromspiegelungs-übertragungsverhältnis zu änd<rn, beispielsweise dadurch, daß Widerständezwisehen die jeweils zutreffenden Emitter der Transistoren (K. und (K^, und dem ersten Stromversorgungsansch1uß IO geschaltet werden. Wird der Wert dieser Widerstände geändert, dann ändert sich damit auch das Stromspiegelungs-übertragungsverhältni s.

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*> 1 1 / Q7 7 5.4.1

3114^// - 22 -

Weiterhin gilt, daß dann, wenn die Emitterzonen der Transistoren Q₁₁ und Q-,- geändert und variiert werden, auch das Stromspiegelungs-übertragungsvernal tnis/L-geändert wird . Zudem können statt der dargestellten sechs antjeρdßLeπ PNP-Tr ans i s Loren auch NPN-Transistoren Verwendung finden.

Weil so viele Änderungen und Variationen möglich sind, soll die Erfindung nicht nuv auf das beschriebene Ausführungsbeispiel boschrän¹-t sein, sondern alles erfassen, was unter lie Patentansprüche und in den Umfang der Erfinduni fällt

λ r\ f\ f\ r· λ ι r\ Ί r\

Claims

: "V' :":.^:. O Ί 31H877

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10. April 1981 gr.ni 73 521

Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha, 72 Horikawacho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa-ken (Japan)

Patentansprüche

/ i). Stromsymmetrierungsschaltung die aus einer ersten ^~^y und einer zweiten Stufe (20, 30) besteht und zum Anschluß an eine Stromversorgung dient, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stufe mindestens je zwei Eingangsund Ausgangsanschlüsse aufweist, wobei diese Stufe einen Ausgleich zwischen den Eingangssignalen an den beiden Eingangsanschlüssen, welche von der Stromversorgung beaufschlagt werden, herbeiführt, so daß ein erster und ein zweiter Strom erzeugt wird, die beide über eine Vorrichtung (13) den Eingangsanschlüssen der mit Ausgangsanschlüssen versehenen zweiten Stufe aufgeschaltet werden,

und daß die beiden auf den Eingangsstrom ansprechenden Stufen einen Ausgangsstrom erzeugen, der im wesentlichen gleich dem Eingangsstrom ist.
2. Stromsymmetrierungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stufe aus einem ersten, einem zweiten und einem dritten Transistor (Q. , °-ι->' °-i r>) besteht, welche jeweils einen Emitter-, einen Basis- und einen Kollektor-Anschluß besitzen, wobei der Emitter-Anschluß des ersten und des zweiten Transistors auf die Stromversorgung geführt ist, während der Emitter-Anschluß des dritten Transistors auf die miteinander verbundenen Basis-Anschlüsse des ersten und des zweiten Transistors geführt ist,

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und sein Basis-Anschluß mit dem Kollektor-Anschluß des zweiten Transistors verbunden ist, daß zur zweiten Stufe ein vierter, ein fünfter und ein sechster Transistor (Q₁₄/ Q₁5' Q-ig) gehören, die ebenfalls jeweils einen Emitter-, Basis- und Kollektor-Anschluß aufweisen, wobei die Basis-Anschlüsse der vierten und fünften Transistoren miteinander verbunden sind, während deren Emitter-Anschlüsse jeweils auf die zutreffenden Kollektor-Anschlüsse der ersten und zweiten Transistoren geführt sind,

und daß weiterhin der Kollektor-Anschluß des vierten Transistors mit dem Eingangsanschluß und der Kollektor-Anschluß des fünften Transistors mit dem Ausgangsanschluß verbunden ist, während der sechste Transistor mit seinem Emitter-Anschluß auf die miteinander verbundenen Basis-Anschlüsse des vierten und fünften Transistors geführt ist, und sein Basis-Anschluß mit dem Kollektor-Anschluß des vierten Transistors gekoppelt ist.
3. Stromsymmetrierungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Basis-Anschluß des dritten Transistors mit dem Ausgang eines ersten Differentialverstärkers verbunden ist, dessen nicht invertierender Eingang mit dem Kollektor-Anschluß des zweiten Transistors verbunden ist, während der Basis-Anschluß des sechsten Transistors mit dem Ausgang eines zweiten Differentialverstärkers verbunden ist, dessen nicht invertierender Eingang mit dem Kollektor-Anschluß des vierten Transistors verbunden ist, und daß der invertierende Eingang jedes Differentialverstärkors mit jeweils einer Bezugsspannungsquelle in Verbindung steht.

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4. Stromsyiivmetrierungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Basis-Anschluß des dritten Transistors mit dem Emitter-Anschluß dos siobentan Transistors verbunden ist, dessen Basis-Anschluß wiederum auf den Kollektor-Anschluß des zweiten Transistors geführt ist, und dessen Kollektor-Anschluß mit der Stromversorgung in Verbindung steht, während der Basis-Anschluß des sechsten Transistors auf den Emitter-Anschluß eines achten Transistors geführt ist, dessen Basis-Anschluß wiederum mit dem Emitter-Anschluß des vierten Transistors verbunden ist, und dessen Kollektor-Anschluß mit der Stromversorgung in Verbindung steht.
5. Stromsymmetrierungsschaltung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Transistoren um PNP-Transistoren handelt.
6. Stromsymmetrierungsschaltung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Transistoren um NPN-Transistoren handelt.

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