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Ringstromquelle
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Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Ringstromquelle
nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist bereits eine Ringstromquelle dieser
Art bekannt, bei der die Basis des ersten pnp-Transistors mit dem Kollektor desselben
Transistors kurzgeschlossen ist, so daß der erste und der zweite pnp-Transistor
zusammen als Stromspiegel wirken. Ferner ist bei dieser Ring stromquelle die Basis
des zweiten npn-Transistors mit dem Kollektor dieses-Transistors kurzgeschlossen.
Zur Auskopplung des von der Ringstromquelle gelieferten Stroms 1 ist ein dritter
pnp-Transistor vorcl gesehen, dessen Emitter an die positive Betriebsstromleitung
und dessen Basis an die beiden Basen des ersten und des zweiten pnp-Transistors
angeschlossen ist. Der Strom 1 wird dann vom Kollektor dieses dritten pnpcl Transistors
geliefert. Durch den durch die beiden pnp-Transistoren gebildeten Stromspiegel wird
die Gleich heit der Kollektorströme in den beiden npn-Transistoren
erzwungen.
Da der erste npn-Transistor gegenüber dem zweiten npn-Transistor die n-fache Emitterfläche
hat, ist die Basis-Emitter-Spannung des ersten npn-Transistors kleiner als die diejenige
des zweiten npn-Transistors.
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Dies wird durch den Spannungsabfall an dem gegenkoppelnden Emitterwiderstand
des ersten npn-Transistors ausgeglichen, so daß sich unter Vernachlässigung der
endlichen Stromverstärkungen in jedem Kollektor der Strom U I = T . ln n (1) 9 einstellt.
Von diesem theoretischen Wert treten aufgrund endlicher Stromverstärkungen im Ring
zum Teil erhebliche Abweichungen auf, insbesondere deshalb, weil im Interesse niedriger
Betriebsspannungen bei dieser bekannten Ringstromquelle auf Basisstromverstärker
verzichtet ist.
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Darüber hinaus ist zwar auch bereits eine Ringstromquelle nach der
Gattung des Hauptanspruchs bekannt, bei der die oben erwähnten Kurzschlußleitungen
zwischen der Basis und dem Kollektor des ersten pnp-Transistors und zwischen der
Basis und dem Kollektor des zweiten npn-Transistors durch je einen Basisstromverstärker
ersetzt sind.
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Der erste Basisstromverstärker ist dabei als pnp-Transistor ausgebildet,
mit seinem Emitter än die Basis des ersten pnp-Transistors, mit seiner Basis an
den Kollektor des ersten pnp-Transistors und mit seinem Kollektor an die negative
Betriebsstromleitung angeschlossen. Der zweite Basisstromverstärker ist als npn-Transistor
ausgebildet, mit seinem Emitter an die Basis des zweiten npn-Transistors, mit seiner
Basis an den Kollektor des zweiten npn-Transistors und mit seinem Kollektor an die
positive Betriebsstromleitung angeschlossen. Diese Ringstromquelle
hat
aber den Nachteil, daß auch die Basis stromverstärker, insbesondere aus Stabilitätsgründen,
nicht unbedenklich sind.
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Bei den beiden oben beschriebenen bekannten Ringstromquellen kommen
die Abweichungen vom theoretischen Verhalten der Ringstromquelle dadurch zustande,
daß man in den Querzweigen nicht, wie es notwendig wäre, die freien Kollektorströme
der sich gegenüberliegenden Transistoren eines Querzweiges miteinander vergleicht,
sondern man schaltet beispielsweise bei dem zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiel
den Kollektorstrom des ersten pnp-Transistors vermehrt um die Basisstromsumme der
beiden pnp-Transistoren gegen den Kollektorstrom des ersten npn-Transistors. Ähnliches
gilt für den zweiten Zweig. Weniger nachteilig, aber immer noch merkbar, sind diese
Fehler bei dem an zweiter Stelle beschriebenen, die Basisstromverstärker enthaltenden
Ausführungsbeispiel. Die störenden Basisströme verursachen eine Abweichung vom theoretischen
Gleichgewichtspunkt der Schaltung, für den dann Gleichung (1) gilt. Um den theoretischen
Gleichgewichtspunkt zu erreichen, müßte man eigentlich die Emitterströme der gegenüberliegenden
Transistoren in beiden Querzweigen miteinander vergleichen, ersatzweise wenigstens
die freien Kollektorströme, wenn man - wie in integrierten Schaltungen - von nur
geringfügigen Abweichungen der Stromverstärkungen sowohl zwischen dem ersten und
zweiten pnp-Transistor als auch zwischen dem ersten und zweiten npn-Transistor ausgehen
kann.
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Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Ring stromquelle mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sie
die theoretischen Möglichkeiten der Ringstromquelle
weitestgehend
ausschöpft und einen gut reproduzierbaren Temperaturkoeffizienten des Stromes liefert.
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Die theoretisch richtigen Ströme 1 können dabei npnq Transistoren
entnommen werden, die hierzu besonders vorgesehen sind und deren Basen an die Basis
des zweiten npn-Transistors und deren Emitter an die negative Betriebsstromleitung
angeschlossen sind. Sie können aber auch in der Weise entnommen werden, wie es bei
den bekannten, eingangs beschriebenen Ringstromquellen der Fall ist.
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Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ringstromquelle
ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen: Figur 1 und Figur 2 das elektrische Schaltbild zweier bekannter Ringstromquellen,
Figur 3 das elektrische Schaltbild der erfindungsgemäßen Ringstromquelle.
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Beschreibung der Erfindung In den Bandgap-Referenzschaltungen der
bipolar integrierten Schaltungstechnik wird mittelbar oder unmittelbar die sogenannte
Ringstromquelle benutzt, um einen Strom mit bestimmtem Temperaturgang zu gewinnen.
Die einfachste Ausführungsform dieser Ring stromquelle ist in Figur 1 dargestellt.
Durch den Stromspiegel T1, T2 wird die Gleichheit der Kollektorströme in den Transistoren
T3 und T4 erzwungen.
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Da der Transistor T3 gegenüber dem Transistor Th die n-fache Emitterfläche
hat, ist die Basis-Emitter-Spannung. des Transistors T3 kleiner als diejenige des
Transistors
T4. Dies wird durch den Spannungsabfall am Widerstand R ausgeglichen, so daß sich
unter Vernachq lässigung der endlichen Stromverstärkungen in jedem Kollektor der
Strom UT 1 = R ln n (1) cl 9 einstellt. Von diesem theoretischen Wert treten aufgrund
endlicher Stromverstärkungen im Ring zum Teil erhebliche Abweichungen auf, insbesondere
dann, wenn im Interesse niedriger Betriebsspannungen auf Basisstromverstärker (Transistoren
T5, T6 in Figur 2) verzichtet werden muß.
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Mitunter sind die Basisstromverstärker auch aus Stabilitätsgründen
nicht unbedenklich. Die AbWeichungen vom theoretischen Verhalten der Ringstromquelle
kommen dadurch zustande, daß man in den Querzweigen der Transistoren T1 und T3 und
der Transistoren T2 und T4 nicht -wie es notwendig wäre - die freien Kollektorströme
der sich gegenüberliegenden Transistoren eines Querzweiges miteinander vergleicht,
sondern man schaltet in Figur 1 z. B. den Kollektorstrom des Transistors T1 vermehrt
um die Basisstromsumme der pnp-Transistoren gegen den Kollektorstrom des Transistors
T3. Ähnliches gilt für den aus den Transistoren T2 und T4 bestehenden Zweig.
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Weniger nachteilig, aber immer noch merkbar, sind diese Fehler in
der Schaltung nach Figur 2. Die störenden Basisströme verursachen eine Abweichung
vom theoretischen Gleichgewichtspunkt der Schaltung, für den dann Gleichung (1)
gilt. Um den theoretischen Gleichgewichtspunkt zu erreichen, müßte man eigentlich
die Emitterströme der gegenüberliegenden Transistoren in beiden Querzweigen miteinander
vergleichen, ersatzweise wenigstens die freien Kollektorströme,
wenn
man - wie in integrierten Schaltungen - von nur geringfügigen Abweichungen der Stromverstärkungen
zwischen sowohl den Transistoren T1 und T2 als auch den Transistoren T3 und T4 ausgehen
kann.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu überwinden
und eine Lösung zu bringen, die die theoretischen Möglichkeiten der Ringstromquelle
weitestgehend ausschöpft, weil die vorteilhaften Eigenschaften dieser Quelle, insbesondere
auch gut reproduzierbarer Strom-Temperaturkoeffizient, auch in einem über die Anwendung
in der Bandgap-Referenz hinausgehenden breiten Anwendungsspektrum nutzbar sind.
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Die erfindungsgemäße Lösung ist in Figur 3 dargestellt.
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Figur 3 zeigt eine in monolithisch integrierter Technik ausgeführte
Ringstromquelle mit einem ersten pnp-Transistor T1 und einem zweiten pnp-Transistor
T2, deren Emitter jeweils mit der positiven Betriebsstromleitung 10 verbunden und
deren Basen miteinander verbunden sind. Die erfindungsgemäße Ringstromquelle enthält
außerdem einen ersten npn-Transistor T3 und einen zweiten npn-Transistor T4. Der
Kollektor des ersten npn-Transistors T3 ist an den Kollektor des ersten pnp-Transistors
T1 und der Kollektor des zweiten npn-Transistors T4 an den Kollektor des zweiten
pnp-Transistors T2 angeschlossen. Die Basen der beiden npn-Transistoren T3, T4 sind
miteinander verbunden. Der erste npn-Transistor T3 hat eine n mal so große Emitterfläche
wie der zweite npn-Transistor T4. Der Emitter des ersten npn-Transistors T3 ist
über einen gegenkoppelnden Emitterwider stand R und der Emitter des zweiten npn-Transistors
q T4 unmittelbar an die negative Betriebsstromleitung 11 angeschlossen. Erfindungsgemäß
ist ein dritter, als Basisstrom
-Regeltransistor wirkender npn-Transistor
TT vorgesehen, dessen Basis an die vom Kollektor des ersten pnp-Transistors T1 zum
Kollektor des ersten npn-Transistors T3 führende Verbindungsleitung und dessen Kollektor
an die positive Betriebsstromleitung 10 angeschlossen ist. Ferner ist ein dritter
pnp-Transistor T9 vorgesehen. Der Emitter des Transistors T9 ist mit der positiven
Betriebsstromleitung 10 verbunden. Die Basis des Transistors T ist an die Basis
des Transistors T1 9 und an die Basis des Transistors T2 angeschlossen. Der Kollektor
des Transistors T9 ist an den Kollektor eines vierten npn-Transistors T10 angeschlossen,
der eine n mal so große Emitterfläche hat wie der zweite npn-Transistor Th Die Basis
des Transistors T1o ist an den Kollektor desselben Transistors T1o und an die Basis
des Transistors T3 und des Transistors T4 angeschlossen. Der Emitter des Transistors
T10 ist unmittelbar an den Emitter des Transistors T und über einen gegenkoppelnden
Emitterwiderstand R /2 an die negative cl Betriebsstromleitung 11 angeschlossen.
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Erfindungsgemäß ist ferner ein fünfter, als Basisstrom-Regeltransistor
wirkender npn-Transistor T8 vorgesehen, dessen Basis an die vom Kollektor des Transistors
T2 zum Kollektor des Transistors T4 führende Verbindungsleitung angeschlossen ist
und dessen Emitter über einen Widerstand R mit der negativen Betriebsstromleitung
11 verbunden ist. Ferner ist ein vierter pnp-Transistor T15 vorgesehen, dessen Kollektor
an den Kollektor des Transistors T8 angeschlossen ist, dessen Emitt-er mit der positiven
Betriebsstromleitung 10 verbunden und dessen Basis an die Basen der Transistoren
T1, T2 und T ange-9 schlossen ist. Ferner ist eine zum Anlaufen der Ringstromquelle
diendende Anlaufschaltung vorgesehen.
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Diese Anlaufschaltung besteht aus einem ersten hochohmigen Widerstand
R2, einem zweiten hochohmigen Widerstand R3 und aus einem fünften pnp-Transistor
D. Die Basis dieses Transistors D ist einerseits über den Widerstand R3 an die negative
Betriebsstromleitung 11 und andererseits über den Widerstand R2 an die Basis und
an den Kollektor des vierten pnp-Transistors T15 angeschlossen, wobei der Kollektor
des Transistors D an die Basis desselben Transistors D und der Emitter des Transistors
D an die positive Betriebsstromleitung 10 angeschlossen ist.
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Zur Auskopplung zweier von der Ringstromquelle zu liefernder Ströme
1 sind zwei weitere npn-Transistoren q T13 und T14 vorgesehen, deren Basen an die
Basis des Transistors T4, deren Emitter an die negative Betriebsstromleitung 11
angeschlossen sind und deren Kollektoren jeweils einen Auskopplungsstrom 1 liefern.
Die beiden q Transistoren T13 und T14 haben dabei dieselbe Emitterfläche E wie der
Transistor T4.
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Zur Auskopplung zweier weiterer von der Ringstromquelle zu liefernder
Ströme 1 Iq' sind zwei weitere pnp-Transistoren q T11, T12 vorgesehen, deren Basen
an die Basis des Transistors T angeschlossen sind, deren Emitter mit der 15 positiven
Betriebsstromleitung 10 verbunden sind und deren Kollektoren jeweils einen der beiden
Auskopplungsströme I t liefern.
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q Die Basen der Transistoren T und T8 sind über einen Kondensator
C miteinander verbunden.
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In die Emitterzuleitungen der Transistoren Tg, T1, T2, T15, T11, T12
sind Symmetrierwiderstände R1 eingefügt.
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In der beschriebenen, er-findungsgemäßen Schaltung nach Figur 3 ist
der Vergleich freier Kollektorströme auch nicht erreicht, denn die Basisströme aus
den Transistoren T und T8 werden den Vergleichs zweigen entnommen. Diese Basis ströme
fließen aber - im Gegensatz zu den Schaltungen nach Figur 1 und Figur 2 - in gleicher
Richtung, und es läßt sich in erster Näherung auch die Gleichheit dieser Basis ströme
erzwingen. Dies verursacht aber für- die Schaltung noch keine Abweichung vom theoretischen
Gleichgewichtspunkt, sondern ergibt lediglich, daß die ausgekoppelten Arbeitsströme
an den pnp-Transistoren T11 und T12 um den Basisstrom des Transistors T8 bzw. T
T größer sind als diejenigen der npn-Transistoren T13 und Allgemein sind die theoretisch
richtigen Ströme denjenigen Transistoren zu entnehmen, deren Basisanschlüsse mit
dem Basisanschluß des Transistors T3 (die Bezeichnung T3 ist hier als funktionale
Bezeichnung zu verstehen, gekennzeichnet durch nE und den gegenkoppelnden Emitterwiderstand
R ) zusammengeschaltet sind, in Figur 3 cl also den npn-Transistoren T und T 13
1k Die Funktionsweise der Schaltung nach Figur 3 ist folgende: Zum Anlaufen der
Schaltung dient der Schaltungsteil R2, D, R3. Die Diode D erhält über den hochohmigen
Widerstand R3 (in Figur 3 deshalb als Pinch-Widerstand gekennzeichnet) einen kleinen
Vorstrom. Die an der Diode D damit aufgebaute Flußspannung liefert über den Widerstand
R2 (ebenfalls hochohmig) einen kleinen Anlaufstrom auf die gemeinsame Basi-sleitung
der pnp-Transistoren T1,
T2, Tg, ) T11, T12 und T Dieser Anlaufstrom
über den Widerstand R2 reduziert sich im Gleichgewichts zustand der Schaltung von
selbst auf einen vernachlässigbar kleinen Restwert. Solche Anlaufschaltungen sind
in vielfältigen Ausführungen denkbar, die ausgewählte Form ist lediglich eine Frage
der Zweckmäßigkeit, wie überhaupt der Gebrauch von Anlaufschaltungen eine Frage
der Zweckmäßigkeit ist - die Funktionsweise der Schaltung ist davon nicht abhängig.
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Aus den Kollektoren der pnp-Transistoren T1, T2, T9, T11, T12, T in
Figur 3 sollen immer Ströme gleicher Größe 15 fließen. Um dies zu unterstützen,
wurden zum Ausgleich von Offsetspannungen die Symmetrierwiderstände R1 in die Emitterleitungen
dieser pnp-Transistoren eingefügt. In einfacheren Fällen kann man auf die Widerstände
R1 verzichten.
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Der in der Anlauf-Phase noch erste kleine Strom aus dem Kollektor
des Transistors T9 versorgt nun auch die zusammengeschalteten Basen der npn-Transistoren
T3, T4, T10 (als Diode geschaltet), T13, T14 mit Anlaufstrom, so daß auch die Kollektoren
dieser npn-Transistoren erste kleine Ströme ziehen. Die Anlaufströme aus den Kollektoren
der Transistoren T3 und T4 sind jedoch kleiner als der von den pnp-Kollektoren gelieferte
Strom, weil die Übersetzung vom Transistor T10 auf den Transistor T3 mit einem größeren
Gegenkoppelungswiderstand am Emitter des Transistors T3 ausgerüstet ist und die
Übersetzung vom Transistor T10 auf den Transistor T4 mit einer geringeren Emitterfläche
beim Transistor T4 arbeitet.
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Die Basisstrom-Regeltransistoren T T und T8 (für die Basisströme der
npn-Transistoren T3, T4, T10, T13, T14 ist der Basisstrom-Regeltransistor T7 und
für die Basisströme der pnp-Transistoren T1, T2, Tag, T11, T12, T der Basisstrom-Regeltransistor
T8 vorgesehen) 15 werden deshalb in Flußrichtung angesteuert, und der Transistor
T8 führt den Basen der genannten pnp-Transistoren zusätzlichen Strom zu, so daß
die Ströme in allen Kollektoren in Richtung auf den Gleichgewichtspunkt der Schaltung
ansteigen. Der Transistor T übernimmt aber jetzt auch unabhängig vom Gleichgewichtszustand
der Schaltung so viel Strom, daß das Übersetzungsverhältnis vom Transistor T10 auf
den Transistor T3 auf etwa eins ansteigt. Die Abweichung von eins ist durch den
benötigten Basisstrom für die npn-Reihe und den Basisstrom des Transistors T7 verursacht
und stört die Präzision der eigentlichen Vergleichsschaltung aus den Transistoren
T3 und T4 nicht, weshalb auch die pnp-Auskoppeltransistoren T11, T12 mit ihren Basisanschlüssen
parallel zu den Basen der Transistoren T10, T3 und T4 liegen dürfen. Jetzt fließt
im Kollektor des Transistors T3 und in den pnp-Kollektoren nahezu der gleiche Strom,
so daß die ansteuernde Basis spannung am Transistor T7 nachgibt, der Transistor
T T also keine weitere Stromsteigerung erfährt und damit das Übersetzungsverhältnis
vom Transistor T10 auf den Transistor T3 in der Nähe von eins konstant gehalten
wird.
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Durch geringfügiges Überschreiten von eins wird der Basisstrom für
die npn-Transistoren frei. Dieser Basisstrom wird letztlich vom Transistor T als
zusätzlicher Gegenkopplungsstrom für den Transistor T10 übernommen.
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Wichtig zu erkennen ist, daß der Transistor T7 seinen damit beschriebenen
Regelpunkt unabhängig davon erreicht, ob die Gesamtschaltung schon ihren End-Gleichgewichtszustand
einnimmt oder nicht. Dieser End-Gleichgewichtszustand wird nun dadadurch erreicht,
daß der Transistor T8 weiteren Basis strom für die pnp-Reihe so lange zur Verfügung
stellt, bis die Gegenkoppelungsspannung am Emitter des Transistors T3 gerade ausreicht,
um den Stromnachteil des Transistors T4 -(aufgrund seiner kleineren Emitterfläche)auszugleichen.
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Dann führen die Transistoren T3 und T4 gleiche Kollektorströme, die
bis auf die Basisströme der Transistoren T und T8 gleich den pnp-Kollektorströmen
sind. Jetzt T8 gibt auch das Basispotential des Transistors T8 nach, und die Regelvorgänge
kommen zur Ruhe. Nimmt man aufgrund einer Störgröße an, daß der End-Gleichgewichtszustand
geringfügig überschritten wird, dann wird der Transistor T4 stromstärker als der
Transistor T3 - umgekehrt bei Unterschreitung des Gleichgewichtszustandes.
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Da in den pnp-Kollektoren weiterhin immer gleich große Ströme fließen,
entsteht zwischen den Basen der Transistoren T und T8 ein gegenphasiges Störsignal,
weshalb sich beide Regelschleifen mit nur einer Kapazität C zwischen den beiden
(hochohmigen) Basispunkten absenken lassen. Geht man von den Dimensionierungsangaben
der Figur 3 aus, dann ist festzustellen, daß die Basisstromregler T und T8 im End-Gleichgewichtszustand
gleiche Grundlastströme führen (Grundlast läßt die nötigen Basisströme außer Ansatz):
Die Transistoren T3 und T10 nehmen je einen pnp-Kollektorstrom auf und hauben deshalb(wegen
gleicher Emitterflächen) auch gleiche Basis-Emitter-Spannungen.
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Da der Transistor T10 nur den halben Gegenkoppelungswiderstand im
Emitterzweig hat, muß der Transistor T7 einen zweiten Strom von der Größe eines
pnp-Kollektorstromes in den Gegenkoppelungswiderstand R /2 einführen.
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cl Der Transistor T8 nimmt von vornherein aus dem Transistor T15
einen pnp-Kollektorstrom auf, mithin sind die Grundlastströme durch die Transistoren
T7 und T8 von gleicher Größe, so daß auch die Basisströme dieser Transistoren gleich
sind. Abweichungen zwischen den beiden Basis strömen ergeben sich erst dadurch,
daß der Transistor T7 zusätzlich einen Strom von der Größe des Gesamtbasisstromes
der npn-Transistorreihe T10, T3, T4, 13 T übernehmen muß und der Transistor T8 zusätzlich
den Basisstrom der pnp-Transistorreihe T9, T1, T2, T15, T115 T12 führt. Diese zusätzlichen
Ströme sind im allgemeinen nicht von gleicher Größe. Da aber die Basis ströme der
Transistoren T7 und T8 in gleicher Richtung fließen, bewirkt nur die aus der Differenz
der Zusatzströme herrührende Differenz der Basis ströme der Transistoren T7 und
T8 eine Abweichung vom theoretischen Gleichgewichtszustand der Schaltung.
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Es ist zu erwähnen, daß man die Stromübersetzung kleiner als eins
vom Transistor T10 auf die Transistoren T3 und T4 im Anlauf der Schaltung auch mit
anderen Dimensionierungsvorschriften als den in Figur 3 angegebenen erreichen kann.
Auch ist es nicht erforderlich, daß die Transistoren T1, T2 und Tg gleiche Kollektorströme
führen.