DE3238301A1

DE3238301A1 - Konstantstromquellenschaltung

Info

Publication number: DE3238301A1
Application number: DE19823238301
Authority: DE
Inventors: Atsushi Yokohama Kanagawa Ogawa
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1981-10-15
Filing date: 1982-10-15
Publication date: 1983-05-05
Also published as: GB2108796A; JPH0321927B2; JPS5866129A

Description

-3-K ο η s t a η t s t r omq u e 11 e η s c h a 11 u η g

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine KonstantstromqueΠ en schaltung. 5

Konstantstromquellenschaltungen haben sich als sehr hilfreich erwiesen, wenn sie in integrierten Schaltkreisen (IC) verwendet werden, und es sind zahlreiche Formen von Konstantstromquellenschaltungen entwickelt worden. Bei einer Konstantstromquellenschaltung ist es erforderlich, daß sich der Betriebsstrom einer Schaltung, die durch eine Stromversorgungsspannung betrieben wird, nicht als Ergebnis einer Änderung der Stromversorgungsspannung ändert.

Einige Konstantstromquel 1-enschaltungen, die häufig in Form von IC-Schaltkreisen realisiert worden sind, sind dahingehend mangelhaft, daß der Ausgangsstrom, der gezogen werden kann, empfindlich gegenüber Änderungen in der Stromversorgungsspannung ist. Desweiteren benötigen diese Schaltungen zusätzliche Mittel für deren Ingangsetzung.

Dementsprechend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Konstantstromquel1enschaltung zu schaffen, die einen stabilen Strom liefert, der im wesentlichen unbeeinflußt von einer Änderung in der Stromversorgungsspannung bleibt. Desweiteren liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Konstantstromquellenschaltung zu schaffen, die "selbststartend" ohne Zusatz von besonderen Ingangsetzungs-Schaltmittelη ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist zur Lösung dieser Auf'

gäbe eine Konstantstromquellenschaltung, die einen Widerstand und erste und zweite Transistoren gleichen Leitungstyps mit Emitterelektroden, die jeweils an die sich gegenüberliegende Enden des Widerstandes geschaltet sind, und mit Basiselektroden, die miteinander und mit Kollektorelektroden verbunden sind, wobei die Kollektorelektrode des ersten Transistors direkt mit den Basiselektroden gekoppelt

ist, enthält, in welcher Schaltung einer der Transistoren einen effektiven Basis-Emitter-Bereich hat, der größer als derjenige des anderen der Transistoren ist, wobei der Widerstand in den KoI1ektor-Emitter-Schaltkreis des Transistors, welcher den größeren Basis-Emitter-Bereicn hat, eingefügt ist, vorgesehen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Different!al verstärker zum Erfassen eines Kollektorpotentials des zweiten Transistors und zum Erzeugen des ersten Stroms vorgesehen ist, welcher Strom sich umgekehrt proportional mit dem Kollektorpotential des zweiten Transistors ändert, daß ein erstes und ein zweites Mittel vorgesehen sind, die zum Liefern eines zweiten Stromes und eines dritten Stromes an den ersten und den zweiten Transistor dienen, und daß ein drittes Mittel zum Steuern des ersten und des zweiten Mittels zum Ändern des zweiten und des dritten Stroms proportional zu dem ersten Strom vorgesehen ist.

Das dritte Mittel kann ein dritter Transistor sein, der nach Art einer Diode geschaltet ist und eine Stromspiegelschaltung mit dem ersten und dem zweiten Mittel zusammen bildet. In diesem Fall kann der dritte Transistor direkt mit dem Di fferential verstärker verbunden sein, oder er kann mit dem Di fferential verstärker über eine zweite Stromspiegelschaltung verbunden sein.

Entweder der erste oder der zweite Transistor kann den größeren Basis-Emitter-Bereich haben.

Die Schaltung kann ferner eine Diode enthalten, die gemeinsam mit den Kollektor-Emitter-Strecken des ersten und des zweiten Transistors verbunden ist.

Im folgenden wird nun die vorliegende Erfindung anhand der Figuren für ein Ausführungsbeispiel beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Konstantstromquellenschaltung nach dem Stand der Technik.

-δι Fig. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Konstantstromquellenschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel für die vorliegendeErfindung.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das die Konstantstrom-Charakteristik der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 verglichen mit der der Schaltung gemäß Fig. 1 verdeutlicht.

Fig. 4 zeigt ein Prinzipschaltbild einer modifizierten Form einer Schaltung gemäß Fig. 2.

Fig. 5 zeigt ein Prinzipschaltbild einer weiteren Modifikation der Schaltung gemäß Fig. 2.

Wie bereits erläutert, zeigt Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Konstantstromquel1enschaltung nach dem Stand der Technik. Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, enthält die Konstantstromquellenschaltung eineerste Stromspiegelschaltung, die einen Transistor 10 und einen Transistor 12 umfaßt, deren Stromgewinn wesentlich von deren Kollektorströmen abhängt, und eine zweite Stromspiegelschaltung, die Transistoren 14 und 16 enthält, deren Stromgewinn stets bei ungefähr 1 unabhängig von der Höhe der Kollektorströme gehalten wird. Eine weitere Schaltung dieses Typs ist in US-PS 3,629,691 offenbart. Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 wird nun beschrieben.

In einem sehr kleinen Strombereich ist der Spannungsabfall über einem Widerstand 18, der in dem Emitterstromkreis des Transistors 10 angeordnet ist, welcher einen großen Basis-Emitter-Bereich hat, vernachlässigbar. Dazu ist der Stromgewinn proportional zum Verhältnis der Basis-Emitter-Bereiche der Transistoren 10 und 12. In diesem Beispiel ist das Basis-Emitter-Bereichsverhältnis N, und N > 1. Dementsprechend wird eine positive Rückkopplungsschleife mit einem Schleifengewinn von etwa N gebildet, so daß die Stromwerte der Transistoren 10 und 12 schnell erhöht werden. Wenn der Strom soweit ansteigt, daß er einen vorbestimmten Wert Io

erreicht, beginnt der Stromunterdrückungseffekt (Stromrückkopplung durch den Widerstand 18), den Schleifengewinn bei 1 einzustellen, was zu dem Ergebnis führt, daß der Strom in diesen Zustand stabil wird. In dieser Situation gilt folgende Bezi ehung:

Io = VT/R18 χ In (N) (1)

wobei VT = kT/q, T die absolute Temperatur, k die Boltzmann'sche Konstante, und q die elektrische Ladung eines Elektrons i st.

Dieser Wert des Stroms Io ist auf der Basis der idealen Bedingung bestimmt, daß der Stromverstärkungsfaktor jedes Transistors unendlich ist und der Abfall des Stromverstärkungsfaktors ß aufgrund des Early-Effekts eines Transistors und dergl. nicht betrachtet ist.

Tatsächlich fließt indessen, wenn der Ausgangsstrom lout von einem Transistor 20 gezogen wird, die Summe der Basisströme der Transistoren 14, 16 und 20 in den Kollektor des Transistors 12. Dementsprechend sind die Arbeitsströme der Transistoren 10 und 12 ungleich abhängig von den Stromverstärkungsfaktoren der Transistoren 14, 16 und 20. Wenn die pnp-Transistören 14, 16 und 20 integriert werden, werden sie im allgemeinen als laterale Strukturen mit einem niedrigen Stromverstärkungsfaktor ß hergestellt, beispielsweise ungefähr in dem Bereich von 10 bis 40 und mit großen Änderungen von ß. Diese Tendenz ist bemerkenswerter, wenn OQ der Ausgangsstrom lout größer wird. Dementsprechend begrenzt dies den maximalen Ausgangsstrom.

Die Kollektor-Emitter-Spannungen VCE der Transistorpaare 10 u. 12 sowie 14 u. 16, die die Stromspiegelschaltungen darog stellen, sind voneinander verschieden, und deren Höhen hängen von der Stromversorgungsspannung Vcc ab. Daher wird die Höhe des Ausgangsstroms lout durch die Stromversorgungsspannung Vcc beeinflußt, wenn der Early-Effekt vorliegt, was in

dem Auftreten von WeI1igkeitskomponenten der Stromversorgungsspannung Vcc in dem Ausgangsstrom Iout resultiert.

Desweiteren beeinflußt ein Widerstand 22, der zwischen den Kollektor des Transistors 16 und eine Referenzspannungsklemme 24 für den Ingangsetzungsvorgang geschaltet ist, den Strom durch den Transistor 16, wenn sich die Stromversorgungsspannung Vcc ändert.

In Fig. 2 ist ein Prinzipschaltbild einer Konstantstromquellenschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung gezeigt. Eine Stromquelle 30 besteht aus ersten und zweiten Transistoren 32 u, 34 eines Leitungstyps (npn), deren Basisanschlüsse und deren Kollektoren mit Mitteln zum Zuführen eines Stroms, die weiter unten erklärt werden, zusammengeschaltet sind. Der Emitter des Transistors 32, der nach Art einer Diode geschaltet ist, ist direkt mit einer Referenzpotentialklemme 36 verbunden, und der Emitter des Transistors 34 ist über einen strombestimmenden Widerstand 38 mit der Referenzpotentialklemme 36 verbunden.

Die Ladungsträger-Konzentration jedes der Transistoren 32 und 34 ist so gewählt, daß sie gleichförmig ist. Der Basis-Emitter-Bereich S34 des Transistors 34 ist so gewählt, daß er größer als der des Transistors 32, nämlich S32 ist, d. h. S34/S32 = N >1. In anderen Worten ausgedrückt heißt dies, daß dann, wenn der Arbeitsstrom des Transistors 32 der gleiche wie der des Transistors 34 ist, die Emitterstromdichten der Transistoren 32 und 34 in einem Verhältnis N:l stehen. Das bedeutet, daß die Emitterstromdichte des Transistors 32 höher als die des Transistors 34 ist. Das Basis-Emitter-Bereichsverhältnis N ist nicht notwendigerweise ganzzahlig und wird üblicherweise so ausgewählt, daß es angenähert 4 ist, d. h. N ?. 4. Die Ströme der Transistoren 32 und 34 stellen sich theoretisch auf die folgenden Werte Io wie beim Stand der Technik gemäß Fig. 1 ein:

! Io - VT/R38 χ In (N) ... (2)

wobei R38 der Widerstandswert des Widerstandes 38 ist.

Der Kollektor des Transistors 34 ist mit der Basis eines Transistors 40 verbunden. Der Emitter des Transistors 40 ist mit dem Emitter des Transistors 42 über einen Widerstand 44 verbunden. Der Emitter des Transistors 40 ist desweiteren mit der Referenzpotentialklemme 36 über einen gemeinsamen Emitterwiderstand 46 verbunden, so daß die Transistoren 40 und 43 einen Di fferential verstärker 48 bilden. Die Basis des Transistors 42 ist mit einer Vorspannungsklemme 50 einer Vorspannungsschaltung 52 verbunden. Die Vorspannungsschaltung 52 hat einen Widerstand 54, der zwischen

jg eine Stromversorgungsklemme 56 und die Vorspannungsklemme 50 gelegt ist, und zwei Dioden 58 bis 60, die in Vorwärtsrichtung zwischen die Vorspannungsklemme 50 und die Referenz spannung ski emme 36 in Reihe geschaltet gelegt sind. Daher wird die Basis des Transistors 42 mit einer Vorspan-

„~ nung von 2 χ VF versorgt, wobei VF die Vorwärtsspannung jeder der Dioden 58 und 60 ist. Beispielsweise beträgt die Vorwärtsspannung VF einer Siliziumdiode etwa 0.7 V.

Der Di fferential verstärker 48 arbeitet, um eine Änderung ₂(- des Kollektorpotential des Transistors 34 zu erfassen und um einen Strom zu erzeugen, der umgekehrt proportional zu der Änderung des Kollektorpotentials des Transistors 34 verändert wird. Dieser Strom fließt in den Kollektor-Emitterpfad des Transistors 42.

Der Kollektor des Transistors 40 ist direkt mit der Stromversorgungsklemme 56 verbunden. Andererseits ist der Kollektor des Transistors 42 mit dem Kollektor eines Transistors 62, der in Form einer Diode geschaltet ist, verbunden, wobei der Emitter des Transistors 62 mit der Stromversorgungsklemme 56 verbunden ist. Die Basis des Transistors 62 ist mit den Basisanschlüssen von Transistoren 64 und 66 verbunden, die eine Stromspiegelschaltung 68 zusammen mit dem

Transistor 62 bilden. Die Emitter der Transistoren 64 und 66 sind mit der Stromversorgungsklemme 56 und die Kollektoren der Transistoren 64 und 66 mit den Kollektoren der Transistoren 32 bzw. 34 verbunden. Daher sind die Ströme 164 und 166, die durch die Emitter-Kollektor-Strecken der Transistoren 64 und 66 fließen, dieselben wie der Strom, der durch den Transistor 62 fließt, und werden durch den Strom, der durch den Transistor 62, gesteuert.

Wenn die Betriebsspannung Vcc anfänglich über die Klemmen 56 und 36 gelegt wird, erzeugt ein Strom, der durch die Vorspannungsschaltung 52 fließt, eine Vorspannung an der Vorspannungsklemme 50. Die Vorspannung schaltet den Transistor 42 in dem Different!al verstärker 48 ein, so daß ein Teil

!5 des Stroms durch den als Diode geschalteten Transistor 62 der Stromspiegelschaltung 68 fließt. Dieser Strom verursacht, daß Strom des gleichen Betrages bei den Transistoren 64 und 66 fließt und daß dann jeweils Ströme durch die Transistoren 32 und 34 der Stromquelle 30 fließen. Daher ist die gesamte Schaltung in der Lage, augenblicklich inganggesetz zu werden. Die Ströme, die jeweils durch die Transistoren 32 und 34 der Stromquelle 30 fließen, stellen sich auf dieselben Werte - wie durch die Gleichung (2) spezifiziert -ein.

Es folgt nun eine Beschreibung der Wirkungsweise für die Stabilisierung des Stroms. Zunächst wird ein Fall betrachtet, bei dem ein Ausgangsstrom Jout, der aus einem Transistor 70 gezogen wird, welcher mit dem Transistor 62 nach

QQ Art einer Stromspiege.l schaltung zusammengeschaltet ist, über einen bestimmten Stromwert Io ansteigt. Zur gleichen Zeit steigt ein Strom 166, der durch den Transistor 66 fließt, welcher denselben Betrag aufweist wie der Ausgangsstrom lout ebenfalls an. Dies verursacht, daß das Kollektor-

gg potential des Transistors 34 ansteigt, so daß der Transistor 40 derart vorgespannt wird, daß er stärker leitend wird. Der Transistor 42 wird dann weniger leitend und ein Strom 142, der durch den Transistor 42 fließt, nimmt umge-

-ΙΟΙ kehrt porportional zu den Kollektorpotential des Transistors 34 ab. Der Strom 142 fließt durch den Transistor 62 der Stromspiegelschaltung 68. Deshalb sinken die Ströme Iout sowie 166 und 164, die alle durch denselben Betrag mit dem Strom 142 durch den Transistor 62 gesteuert werden, ab. Als Ergebnis werden sowohl· der Strom 166 als auch der Ausgangsstrom Iout dieselben wie der vorbestimmte konstante Strom Io.

Umgekehrt fällt, wenn der Ausgangsstrom Iout unter den Wert des vorbestimmten Konstantstroms Io abfällt, der Strom 166 gleichwertig mit dem Ausgangsstrom Iout ab, was verursacht, daß das Kollektorpotential des Transistors 34 abfällt. Dann wird ein umgekehrter Vorgang zu dem oben erläuterten Vorgang durchgeführt, und der Strom 166 steigt auf einen Betrag an, der derselbe wie der vorbestimmte Konstantstrom ist.

Wie zuvor beschrieben, wird der Ausgangsstrom Iout automatisch so gesteuert, daß er mit dem vorbestimmten Konstantstrom Io, der in der Konstantstromquelle 30 gewonnen wird, übereinstimmt. In anderen Worten ausgedrückt heißt dies, daß die Schaltung gemäß Fig. 2 durch den negativen Rückkopplungsvorgang aufgrund des Di fferential Verstärkers 48 und der Stromspiegelschaltung 68 stabilisiert wird.

In der Schaltung gemäß Fig. 2 wird der Early-Effekt bei der Stromspiegelschaltung 68 aufgrund der Tatsache vermieden, daß die Kollektor-Emitter-Spannungen VCE der Transistoren 62, 64 u. 66 auf denselben Wert eingeregelt werden und das Kollektorpotential des Transistors 62 über den Transistor 42 auf den Wert 2 χ VF eingeregelt wird, wobei VF die Vorwärtsspannung jeder der Dioden 58 u. 60 ist. Das Basispotential des Transistors 40 und das Kollektorpotential des Transistors 66 werden auf das Basispotential des Transistors 42, d. h. 2 χ VF, eingestellt.

Der Widerstand 44 des Different!al Verstärkers 48 wirkt, um

-πι eine Schwingung der Schaltung aufgrund des Rückkopplungsvorgangs zu vermeiden, in dem Fall indessen, in dem der Schleifengewinn der Rückkopplungsschleife kleiner 1 gehalten wird, kann der Widerstand 46 fortfallen.

Das Diagramm in Fig. 3 zeigt die Konstantstromcharakteristik der Schaltung gemäß Fig. 2 im Vergleich mit der der Schaltung gemäß Fig. 1. In Fig. 3 stellt die Kurve A die Charakteristik des Ausgangsstroms I-out in Fig. 2 dar. Andererseits stellt die Kurve B die Charakteristik des Ausgangs stroms lout in Fig. lidar.

In Fig. 4 ist eine Schaltungsanordnung gemäß einer Modifikation der Schaltung, die in Fig. 2 gezeigt ist, dargestellt.

In der Schaltung gemäß Fig. 4 ist der Transistor 34, der eine größere Basis-Emitter-Zone in der Stromquelle 30 hat, nach Art einer Diode geschaltet, und der Kollektor des anderen Transistors 32 in der Stromquelle 30 ist mit der Basis

des Transistors 40 in dem Differenzialverstärker 48 verbunden. Die Transistoren 40 und 42 des Different!al Verstärkers sind von einem Leitungstyps, der errtgegengesetz dem der Transistoren 32 und 34 in der Stromquelle 30 ist. Dementsprechend sind die Kollektoren der Transistoren 40 und 42

mit der Referenzpotential klemme 36 verbunden. Der als Diode geschaltete Transistor 62 der ersten Stromspiegelschaltung 68 ist mit dem Kollektor des Transistors 42 über eine weitere Stromspiegelschaltung 72 verbunden. Die Schaltung gemäß Fig. 4 wirkt ebenfalls dahingehend, daß sie den Strom der

Schaltung wie die Schaltung gemäß Fig. 2 stabilisiert.

Fig. 5 zeigt eine Schaltungsanordnung eines weiteren modifizierten Ausführungsbeispiels für die Schaltung gemäß Fig. 2. In Fig. 5 sind die Emitter der Transistoren 32 und 34 in der Stromquelle 30 mit der Referenzpotential klemme 36 über eine gemeinsame vorwärts vorgespannte Diode 74 verbunden. Die Diode 74 wirkt dahingehend, daß sie die KoIlektor-Emitter-Spannungen VCE der Transistoren 32 und 34 in der Strom-

1 quelle 30 auf die gleichen Werte einstellt. Daher wird der Early-Effekt bei der Stromquelle 30, wie auch bei der Stromspiegelschaltung 68, vermieden.

Der

tanwalt

Leerseite

Claims

Dipl.-Ing. H. MITSCHERLiCH" "" " "--*--- D-8000 MÜNCHEN 22

Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN Steinsdorfstraße 10

Dr. re r. not. W. KÖRBER ^' (089) ' 2? 66 84

Dip..-_lng.J.SCHM«DT-EVERS 15. Oktober 1982

PATENTANWÄLTE

IS

TOKYO SHIBAURA DENKI KABUSHIKI KAISHA 72, Horikawa-cho, Saiwai-ku,
Kawasaki-shi, Kanagawa-ken, 210/Japan

Ansprüche:

( J^/Konstantstromquel1 en sch altung mit einem Widerstand, einem ersten und einem zweiten Transistor, welche vom gleichen Leitungstyp sind und deren Emitterelektroden mit den sich gegenüberliegenden Enden des Widerstandes verbunden sind, deren Basiselektroden miteinander und mit Kollektorelektroden verbunden sind, wobei die Kollektorelektrode des ersten Transistors direkt mit den Basiselektroden verbunden ist, wobei einer der Transistoren eine effektiv größere Basis-Emitter-Zone als der andere der beiden Transisto- ren hat und wobei der Widerstand in die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors, der die größere Basis-Emitter-Zone hat, eingefügt ist, dadurch gekenn ze i chnet , daß ein Different!al verstärker (48) zum Erfassen eines Kollektorpotentials des einen der beiden Transistoren (32 oder

34) und zum Liefern eines ersten Stroms (142), der sich umgekehrt proportional mit dem Kollektorpotential des zweiten Transistors ändert, vorgesehen ist, daß ein erstes und ein zweites Mittel, nämlich Transistoren (64, 66), zum Liefern eines zweiten Stroms (164) und eines dritten Stroms

(166) an den ersten und zweiten Transistor (32, 34) vorgesehen sind und daß ein drittes Mittel zum Steuern des ersten und des zweiten Mittels zum Zwecke des Änderns des zweiten und des dritten Stroms proportional zu dem ersten Strom vorgesehen ist.
2. Konstantstromquellenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Mittel ein

dritter Transistor (62) ist, der als Diode geschaltet ist und eine Stromspiegelschaltung (68) mit dem ersten und zweiten Mittel (64, 66) bildet.
3. Konstantstromquellenschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzei chnet , daß der dritte Transistor (62) direkt mit dem Different!al verstärker (48) verbunden ist.
4. Konstantstromquellenschaltung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß der dritte Transistor (62) mit dem Different!al verstärker (48) über eine zweite Stromspiegelschaltung (72) verbunden ist.
5. Konstantstromquellenschaltung nach einenLder vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (34) die größere Basis-Emitter-Zone hat.
6· Konstantstromquellenschaltung nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Transistor (34) die größere Basis-Emitter-Zone hat.
7. Konstantstromquellenschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzei chnet , daß eine Diode (74) vorgesehen ist, die gemeinsam mit den KoI-Tektor-Emitter-Strecken des ersten und des zweiten Transistors (32, 34) verbunden ist.