DE3125765C2 - - Google Patents
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- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
- G05F3/00—Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
- G05F3/02—Regulating voltage or current
- G05F3/08—Regulating voltage or current wherein the variable is dc
- G05F3/10—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics
- G05F3/16—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
-
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-
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Description
Die Erfindung betrifft eine Konstantstromquelle
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.
Bei einer herkömmlichen Konstantstromquelle, wie sie in
den Fig. 1 und 2 dargestellt und nach der Zeitschrift "Electronics", 17. Aug. 1970, S. 92-95
bekannt ist, gilt zwischen der
Basis/Emitter-Spannung
V BE eines darin verwendeten Transistors
und dessen Emitterstrom I E folgende Gleichung:
mit
k = Boltzmann-Konstante,
T = absolute Temperatur,
q = Elektronenladung,
I s = Sättigungsstrom in Sperrichtung.
k = Boltzmann-Konstante,
T = absolute Temperatur,
q = Elektronenladung,
I s = Sättigungsstrom in Sperrichtung.
Zwischen dem Sättigungsstrom I s in Sperrichtung und einer
Emitter/Basis-Übergangsfläche A des Transistors gilt
folgende Gleichung:
I s = γ · A (2)
wobei γ eine Proportional-Konstante ist.
Bei der herkömmlichen Schaltung gemäß Fig. 1 ergibt sich,
da die Basis/Emitter-Spannung eines Transistors Q₁ gleich
der des anderen Transistors Q₂ ist, folgende Gleichung
aus den Gleichungen (1) und (2):
mit
I E1 = Emitterstrom des Transistors Q₁,
I E2 = Emitterstrom des Transistors Q₂,
A₁ = Emitter/Basis-Übergangsfläche des Transistors Q₁,
A₂ = Emitter/Basis-Übergangsfläche des Transistors Q₂.
I E1 = Emitterstrom des Transistors Q₁,
I E2 = Emitterstrom des Transistors Q₂,
A₁ = Emitter/Basis-Übergangsfläche des Transistors Q₁,
A₂ = Emitter/Basis-Übergangsfläche des Transistors Q₂.
Wenn der Stromverstärkungsfaktor h FE jedes der Transistoren
Q₁ und Q₂ als ausreichend groß angenommen wird, kann dessen
Basisstrom vernachlässigt werden. Folglich kann folgende
Beziehung abgeleitet werden:
I₁ = I E1 (4)
I₂ = I E2
I₂ = I E2
mit
I₁ = Kollektorstrom des Transistors Q₁,
I₂ = Kollektorstrom des Transistors Q₂.
I₁ = Kollektorstrom des Transistors Q₁,
I₂ = Kollektorstrom des Transistors Q₂.
Aus den Gleichungen (3) und (4) ergeben sich:
Da für den Transistor Q₁ folgende Gleichung gilt:
mit
V CC = Versorgungsspannung,
R₁ = Widerstandswert eines Widerstandes R₁, der mit dem Kollektor des Transistors Q₁ verbunden ist,
ergibt sich der Strom I₂ aus den Gleichungen (5) und (6) zu:
V CC = Versorgungsspannung,
R₁ = Widerstandswert eines Widerstandes R₁, der mit dem Kollektor des Transistors Q₁ verbunden ist,
ergibt sich der Strom I₂ aus den Gleichungen (5) und (6) zu:
Folglich dient der Transistor Q₂ als Absorptions-Konstant-Stromquelle,
wobei sich der Strom gemäß Gleichung (7) ergibt.
Bei der herkömmlichen Schaltung ist, da die Beziehung oder
das Verhältnis zwischen den Strömen I₁ und I₂ durch die
Gleichung (5) wiedergegeben ist, wenn das Verhältnis I₂/I₁
groß ist, beispielsweise der Strom I₂ zum hundertfachen des
Stromes I₁ gewählt ist, es notwendig, daß die Übergangsfläche A₂
zum Hundertfachen der Übergangsfläche A₁ gewählt wird.
Daher erfordert die herkömmliche Schaltung eine große Fläche,
weshalb sie nicht zur Herstellung als integrierte Schaltung
(IC) geeignet ist. Wenn nun das Verhältnis I₂/I₂ klein ist,
muß, wenn der Strom I₂ zu ¹/₁₀₀ des Stromes I₁ gewählt ist,
die Übergangsfläche A₁ zum Hundertfachen derjenigen von A₂
gewählt werden. Daher ist auch dieser Fall nicht für eine
integrierte Schaltung geeignet.
Bei der herkömmlichen Schaltung gemäß Fig. 2 gilt an der
Basis des Transistors Q₂ folgende Gleichung:
I₁R₁ + V BE1 = I₂R₃ + V BE2 (8)
mit
V BE1 = Basis/Emitter-Spannung des Transistors Q₁,
V BE2 = Basis/Emitter-Spannung des Transistors Q₂,
R₃ = Widerstandswert eines Widerstandes R₃, der mit dem Emitter des Transistors Q₂ verbunden ist.
V BE1 = Basis/Emitter-Spannung des Transistors Q₁,
V BE2 = Basis/Emitter-Spannung des Transistors Q₂,
R₃ = Widerstandswert eines Widerstandes R₃, der mit dem Emitter des Transistors Q₂ verbunden ist.
Da die folgende Gleichung (9) gilt, kann die Gleichung
(10) aus den Gleichungen (8) und (9) abgeleitet werden:
wobei R₂ der Widerstandswert eines Widerstandes R₂ ist,
der mit dem Emitter des Transistors Q₁ verbunden ist.
Wenn der Spannungsabfall über dem Widerstand R₁ bei etwa
der Basis/Emitter-Spannung V BE liegt, ist der zweite Term
in der Klammer der Gleichung (10) klein und daher vernachlässigbar.
Somit ergibt sich aus der Gleichung (10):
Somit ergibt sich der Strom I₂ zu:
Daher wirkt der Transistor Q₂ als Absorptions-Konstantstromquelle,
deren Strom durch die Gleichung (12) wiedergegeben
ist.
Da jedoch ein Widerstand einer integrierten Schaltung allgemein
durch Verunreinigungsdiffusion gebildet wird, ist die
Fläche des Widerstandes in der integrierten Schaltung proportional
dessen Widerstandswert. Im Fall der Konstantstromquelle
gemäß Fig. 2 muß, da die Beziehung zwischen den Strömen
I₁ und I₂ durch die Gleichung (11) wiedergegeben ist, wenn
der Strom I₂ beispielweise zum Hundertfachen
des Stromes I₁ gewählt ist, der Widerstand R₂ einen
Widerstandswert besitzen, der das Hundertfache desjenigen
des Widerstandes R₃ beträgt. Das heißt, die Fläche des
Widerstandes R₃ muß zum Hundertfachen derjenigen des
Widerstandes R₂ gemacht werden.
Daher wird die integrierte Schaltung großflächig, weshalb
die Schaltung gemäß Fig. 2 ebenfalls für eine integrierte
Schaltung ungeeignet ist.
Fig. 3 zeigt eine praktische Schaltung, die durch Verwendung
der Konstantstromschaltung gemäß Fig. 2 gebildet ist, um
sechs Konstantstrom-Ausgänge I₂ bis I₇ zu erreichen.
Wenn die Schaltung gemäß Fig. 3 als integrierte Schaltung
ausgebildet wird, ist die Fläche, die von einem Transistor
in der integrierten Schaltung eingenommen wird, annähernd
gleich der Fläche eines Widerstandes mit einem Widerstandswert
von 2 kΩ, der durch Verunreinigungsdiffusion gebildet
ist. Somit ergeben sich für die Konstantstromschaltung gemäß
Fig. 3 die folgenden Werte:
112 + 1 + 1 + 1 + 4,8 + 17 + 33 + 100 + 2 × 6 = 281,8
281,8/2 = 140,9.
281,8/2 = 140,9.
Das heißt, die Schaltung gemäß Fig. 3 erfordert eine Fläche,
die einem Widerstand von 281,8 kΩ oder einer Fläche, die 140,9
Transistoren entspricht.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine neuartige Konstantstromquelle
mit Transistoren in integrierter Schaltungsweise anzugeben, die selbst bei großem Stromverhältnis
geringen Flächenbedarf besitzt.
Die Aufgabe ist durch die im Kennzeichen des Patentanspruches angegebenen
Merkmale gelöst.
Es sei in diesem Zusammenhang erwähnt, daß nach der Zeitschrift
"Electronic-Praxis", 1974, H. 12, S. 94 eine Konstantstromquelle bekannt ist, die
den ersten und den zweiten Transistor sowie die zugehörigen Widerstände in derselben
Schaltungskonfiguration zeigt, wie sie Bestandteil des Patentanspruches ist.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1-3 jeweils Schaltbilder herkömmlicher Konstantstromquellen,
Fig. 4 u. 5 jeweils Schaltbilder von Ausführungsbeispielen
von Konstantstromquellen gemäß
der Erfindung.
Herkömmliche Stromquellen wurden anhand der Fig. 1
bis 3 bereits erläutert.
Ein erstes Beispiel der Konstantstromquelle gemäß der
Erfindung wird nun mit Bezug auf Fig. 4 erläutert.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Kollektor eines
Transistors Q₁ über einen Widerstand R₁ mit dem Versorgungsanschluß
T₁ verbunden, der mit einer Spannung +V CC versorgt
ist, wobei dessen Emitter an Masse liegt.
Die Transistoren Q₂ und Q₃ sind basisseitig gemeinsam mit
dem Kollektor des Transistors Q₁ verbunden und sind emitterseitig
jeweils über Widerstände R₂ bzw. R₃ an Masse gelegt.
Der Emitter des Transistors Q₂ ist auch mit der Basis des
Transistors Q₁ verbunden. Der Emitter des Transistors Q₃ ist
mit der Basis eines Transistors Q₄ verbunden, dessen Emitter
an Masse liegt (geerdet ist).
Gemäß dem Schaltungsaufbau gemäß Fig. 4 gilt bezüglich der
Basen der Transistoren Q₂ und Q₃:
V BE1 + V BE2 = V BE3 + V BE4 (13)
mit
V BE3 = Basis/Emitter-Spannung des Transistors Q₃,
V BE4 = Basis/Emitter-Spannung des Transistors Q₄.
V BE3 = Basis/Emitter-Spannung des Transistors Q₃,
V BE4 = Basis/Emitter-Spannung des Transistors Q₄.
Aus den Gleichungen (1) und (13) ergibt sich:
I₁ · I₂ = I₃ · I₄ (14)
mit
I₃ = Kollektorstrom des Transistors Q₃,
I₄ = Kollektorstrom des Transistors Q₄.
I₃ = Kollektorstrom des Transistors Q₃,
I₄ = Kollektorstrom des Transistors Q₄.
Wenn zur Vereinfachung folgende Bedingung erfüllt wird:
V BE1 = V BE2 = V BE3 = V BE4 = V BE (14a)
ergeben sich die Ströme I₁, I₂ und I₃ zu:
Aus den Gleichungen (14) bis (17) ergibt sich der Strom
I₄ zu:
Wie erwähnt, kann die Schaltung gemäß Fig. 4 die Konstantströme
I₂ bis I₄ erzeugen, die durch die Gleichungen (16)
bis (18) wiedergegeben sind. Beim Beispiel der Erfindung
gemäß Fig. 4 können alle Transistoren Q₁ bis Q₄ mit gleicher
Übergangsfläche bzw. Übergangszone versehen werden, d. h.,
daß keine große Übergangsfläche erforderlich ist.
Somit ist die Konstantstromquelle gemäß Fig. 4 vorteilhaft,
wenn sie als integrierte Schaltung ausgebildet werden soll.
Für den Fall der herkömmlichen Schaltung gemäß Fig. 2
gilt folgende Gleichung:
Dagegen gilt für die erfindungsgemäße Schaltung gemäß
Fig. 4 ausgehend von Gleichung (15):
Wenn daher der Bezugs-Strom I₁ bei den Schaltungen gemäß
Fig. 2 und gemäß Fig. 4 gleich ist, ist der Widerstandswert
R₁ gemäß Gleichung (20) kleiner als der Widerstandswert
(R₁ + R₂) gemäß der Gleichung (19) um einen Betrag,
der der Spannung V BE entspricht.
Als Ergebnis kann die Fläche, die durch den Widerstand R₁
eingenommen wird, (bzw. in Fig. 2 durch die Widerstände
R₁ und R₂), der den Strom I₁ bestimmt, verringert werden,
weshalb die Schaltung gemäß Fig. 4 zur Ausbildung als
integrierte Schaltung geeignet ist.
Fig. 5 zeigt eine Schaltung, die unter Verwendung der
Schaltung gemäß Fig. 4 gebildet ist und die Ausgangs-Konstantströme
ähnlich denen gemäß Fig. 3 erzeugt.
Bei der Schaltung gemäß Fig. 5 ergeben sich folgende Werte:
106 + 33 + 1 + 2 × 12 = 164 (kΩ)
164/2 = 82.
164/2 = 82.
Daher erfordert die Schaltung gemäß Fig. 5 lediglich die
Fläche, die einen Widerstand mit 164 kΩ bzw. 82 Transistoren
in einer integrierten Schaltung entspricht.
Dieser Wert entspricht 58% der Fläche der Schaltung gemäß
Fig. 3. Folglich ist die Schaltung gemäß Fig. 5 vorteilhaft
bei Ausbildung als integrierte Schaltung.
Weiter hängen, wenn die Ausgangsströme I₂ und I₃ der
Schaltung gemäß Fig. 3 mit den Strömen I₇ und I₈ der Schaltung
gemäß Fig. 5 verglichen werden, die Ströme I₂ und I₃
der Schaltung gemäß Fig. 3 von vier Widerständen R₁ bis
R₄ ab, während die Ströme I₇ und I₈ der Schaltung gemäß
Fig. 5 von lediglich dem Widerstand R₁ abhängen.
Deshalb werden die Ströme I₂ und I₈ weniger gestreut.
Selbst wenn die Ströme I₇ und I₈ gestreut werden, ist deren
Streuungsrichtung gleich. Das heißt, daß die Schaltung
gemäß Fig. 5 ebenfalls zur Ausbildung als integrierte
Schaltung geeignet ist.
Wenn auch nicht dargestellt, kann ein Emitterwiderstand
mit jedem der Transistoren Q₁ und Q₄ verbunden werden.
Selbstverständlich sind noch andere Ausführungsformen
möglich.
Claims (1)
- Konstantstromquelle mit Transistoren eines Leitfähigkeitstyps, die zwischen erstem und zweitem Spannungsanschluß einer Spannungsquelle geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet,
daß vier Transistoren (Q₁, Q₂, Q₃, Q₄) vorgesehen sind,
daß der Kollektor bzw. der Emitter des ersten Transistors (Q₁) mit dem ersten (T₁) bzw. dem zweiten Spannungsanschluß verbunden sind, wobei ein erster Widerstand (R₁) zwischen dem Kollektor und dem ersten Spannungsanschluß (T₁) geschaltet ist,
daß der Emitter des zweiten Transistors (Q₂) mit dem zweiten Spannungsanschluß über einen zweiten Widerstand (R₂) verbunden ist,
daß der Emitter des dritten Transistors (Q₃) mit dem zweiten Spannungsanschluß über ein drittes Impedanzglied (R₃) verbunden ist,
daß der Emitter des vierten Transistors (Q₄) mit dem zweiten Spannungsanschluß verbunden ist,
daß die Basis des ersten Transistors (Q₁) mit dem Emitter des zweiten Transistors (Q₂) verbunden ist,
daß der Kollektor des ersten Transistors (Q₁) mit den Basen des zweiten und des dritten Transistors (Q₂, Q₃) verbunden ist,
daß der Emitter des dritten Transistors (Q₃) mit der Basis des vierten Transistors (Q₄) verbunden ist und
daß jeweils eine Stromnutzungseinrichtung zwischen dem ersten Spannungsanschluß (T₁) und mindestens einem der Kollektoren von zweitem, drittem und viertem Transistor (Q₂, Q₃, Q₄) angeschlossen ist.
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