DE3344413A1

DE3344413A1 - Praezisionsstromquellenschaltung

Info

Publication number: DE3344413A1
Application number: DE19833344413
Authority: DE
Inventors: Rudy Johan Van De Sunnyvale Calif. Plassche
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1982-12-28
Filing date: 1983-12-08
Publication date: 1984-06-28
Also published as: GB2132829B; CA1214880A; JPS6364085B2; FR2538577A1; JPS59134911A; GB2132829A; IT8324364A0; US4542332A; IT8324364A1; FR2538577B1; DE3344413C2; IT1170277B; GB8333821D0; NL8205013A

Description

PHN 10.531 "--''-I" -:. .. \ ^: - -" 10-10-1983

"Präzisionsstromquellenschaltung".

Die Erfindung betrifft eine Präzisionsstromquellenschaltung zum Erzeugen einer Anzahl Ströme mit gegenseitig genauen Verhältnissen der Werte, mit ~ einer Stromverteilerschaltung zum Erzeugen einiger Ströme mit im wesentlichen gleichen Werten und - einer Permutationsschaltung zum Umschalten der Ströme der Stromverteilerschaltung nach einem zyklisch permutierenden Muster auf Ausgänge der Permutationsschaltung, so dass an diesen Ausgängen Ströme mit Mittelwerten, die ein gegenseitig genaues Verhältnis aufweisen, und mit einer Welligkeit zur Verfügung stehen, deren Komponenten vom Unterschied in den Strömen der Stromverteilungsschaltung bestimmt werden.

Eine derartige Präzisionsstromquellenschaltung ist beispielsweise in einem Digital-Analog-Wandler verwendbar, bei dem eine binär gerichtete Reihe von Strömen mit gegenseitig genauen Werteverhältnissen erforderlich ist.

Eine derartige Präzisionsstromquellenschaltung, bei der das dynamische Austauschprinzip ausgenutzt wird, ist aus der US-PS 3 782 172 und-aus der US-PS k 125 803 bekannt. Es wird dabei ausgegangen von einer Stromverteilerschaltung, die eine Anzahl von Strömen erzeugt, die durch die begrenzte Genauigkeit des Integrationsvorgangs nur im wesentlichen gleiche Werte aufweisen. Mit einer Permutationsschaltung werden diese Ströme zyklisch permutierend auf Ausgänge der Permutationsschaltung umgeschaltet. Der Strom an jedem Ausgang besteht aus einem Gleichstrom mit dem gewünschten Wert und einer überlagerten Welligkeit, deren Komponenten durch die gegenseitigen Unterschiede der Ströme der Stromverteilerschaltung bestimmt werden. Der Gleichstromwert an einem Ausgang ist gleich dem Mittelwert der Ströme der Stromverteilerschaltung. Über die Zykluszeit der Permutationsschaltung gerechnet hat die Welligkeit

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Ό ·

einen Mittelwert gleich O. Die Welligkeit kann dadurch ausgefiltert werden, dass an jedem Ausgang der Permutationsschaltung ein Filterkondensator angeordnet wird.

Ein Nachteil der Ver\iendung dieser Filterkondensatoren besteht darin, dass sie durch ihren grossen Wert nicht mitintegriert werden können, sondern der integrierten Schaltung extern zugefügt werden müssen. Hierzu sind zusätzliche Anschlussstifte an der integrierten Schaltung erforderlich, wodurch zusätzlich Kosten entstehen. Beispielsweise für einen 16-Bit-Digital/Analog-Wandler mit einer derartigen- Präzisionsstromquellenschaltung werden 16 zusätzliche Anschlussstifte benötigt.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Präzisionsstromquellenschaltung mit dynamischen Austauschprinzip anzugeben, in der die Störwelligkeit ohne Verwendung externer Filterkondensatoren nahezu beseitigt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mit einer Präzisionsstromquellenschaltung eingangs erwähnter Art dadurch gelöst, dass eine Detektorschaltung, die synchron mit dem Auftreten der Ströme der Stromverteilerschaltung an wenigstens einem der Ausgänge der Permutationsschaltung die Abweichung der Werte dieser Ströme von einem Referenzstrom detektiert und synchron damit eine Anzahl von Aus- gangssignalen erzeugt, und eine Steuerschaltung für nahezu jedes Ausgangssignal der Detektorschaltung vorgesehen ist_s die den betreffenden Strom der Stromverteilerschaltung derart regelt, dass die Abweichung verringert wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es möglich ist, die Abweichung eines jeden der Ströme der Stromverteilerschaltung zu detektieren und mit Hilfe dieser detektierten Abweichungen die Ströme der Stromverteilerschaltung derart nachzuregeln, dass jede Welligkeitskomponente und damit die Welligkeit nahezu beseitigt wird. Die Ströme an den Ausgängen der Permutationsschaltung haben dabei die genauen Verhältnisse ihrer Werte, ohne dass diese Ströme noch von Filterkondensatoren gefil=· tert zu werden brauchen.

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Weiter bietet die Präzisionsstromquellenschaltung nach der Erfindung den Vorteil, dass bei der Kaskadenschaltung eine Wechselwirkung aufeinanderfolgender Präzisionsstromquellenschaltungen vermieden wird, denn bei der Kaskadenschaltung der bekannten Präzisionsstromquellenschaltung wirkt sich die Welligkeit der einen Stufe in die Ausgangsströme der folgenden Stufe aus.

Eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen Präzisionsstromquellenschal·tung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzstrom gleich einem der Ströme der Stromverteilerschaltung ist. In diesem Fall wird der Wert der übrigen Ströme dem Wert des als Referenz ausgewählten Stroms der Stromverteilerschaltung angeglichen. Für den Referenzstrom braucht die Detektorschaltung kein Ausgangssignal zu erzeugen, so dass dafür auch keine.Steuerschaltung erforderlich ist.

Eine weitere Ausführungsform einer Präzisionsstromquellenschaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsschaltung einen ersten Widerstand, der mit dem betreffenden Ausgang der Permutationsschaltung verbunden ist und den Strom an diesem Ausgang in eine Spannung umwandelt, eine Verstärkerschal·tung, deren erster Eingang über einen Trennkondensator mit dem betreffenden Ausgang der Permutationsschal·tung und deren zweiter Eingang, mit einer Referenzspannung und deren Ausgang über einen zweiten Widerstand mit dem ersten Eingang verbunden ist, und eine Verteilerschal·tung enthält, deren Eingang mit dem Ausgang der Verstärkerschaltung verbunden ist und deren mehrere Ausgänge mit je einer Steuerschaltung verbunden sind und die synchron mit dem Auftreten der Ströme der Stromverteilerschal·tung an dem mit dem ersten Widerstand verbundenen Ausgang der Permutationsschal·tung das Ausgangssignal· der Verstärkerschaltung zum betreffenden Ausgang der Verteilerschal·tung weiterschaltet. Der Trennkondensator und der über den zweiten Widerstand, der im allgemeinen einen hohen Widerstandswert besitzen muss, gegengekoppelte Verstärker führen die art ersten Widerstand gebildete Spannung dem ersten Eingang zu. Der Verstärker verstärkt

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den der Wellgkeitskomponente der Spannung am ersten Widerstand proportionalen Unterschied zwischen dieser Spannung und der Referenzspannung am zweiten Eingang. Der Trennkondensator hat einen Kapazitätswert, der sehr viel kleiner als der Wert der Filterkondensatoren bei der bekannten Präzisionsstromquellenschaltung ist, so dass er in der Schaltung integrierbar ist. Die verstärkte Spannung wird von der Verteilerschaltung derart auf die Steuerschaltungen verteilt, dass die von einem bestimmten Strom verursachten Spannung der für diesen Strom vorgesehenen Steuerschaltung zugeführt wird.

Eine weitere Ausführungsform, bei der jede der Steuerschaltungen mit einem logischen Signal gesteuert wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass zum Umsetzen des Ausgangssignals der Verstärkerschaltung in ein digitales Ausgangssignal die Verstärkerschaltung mit der Verteilerschaltung über einen !Comparators verbunden ist, dessen erster Eingang an den Ausgang der Verstärkerschaltung, dessen zweiter Eingang am eine zweite Referenzspannung und dessen einem Ausgang an den Eingang der Verteilerschaltung angeschlossen ist. Der Komparator vergleicht eine jede der Ausgangsspannungen der Verstärkerschaltung mit einer Referenzspannung, was in Abhängigkeit von der grösseren oder kleineren Ausgangsspannung eine logische "1" oder "O" als Ausgangssignal ergibt, Die Verteilerschaltung schaltet ein jedes dieser logischen Signale zur betreffenden Steuerschaltung weiter.

Wenn der Referenzstrom gleich einem der Ströme der Stromverteilerschaltung ist, ist wieder eine weitere Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Widerstand von einem Schalter überbrückt wird, der den zweiten Widerstand synchron mit dem Auftreten des Referenzstroms der Stromverteilerschaltung an dem mit dem ersten Widerstand verbundenen Ausgang der Permutationsschaltung kurzschliesst. Hierdurch erscheint am Ausgang des Komparators kein Ausgangssignal, wenn der als Referenz ausgewählte Strom an dem mit dem ersten Widerstand verbundenen Ausgang der Permutationsschaltung erscheint. Auch lädt sich hier-

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durch der Trennkondensator aui", bis die Spannung daran gleich dem Unterschied der vom Referenzstrom gebildeten Spannung am ersten Widerstand und der Referenzspannung am zweiten Eingang des Verstärkers ist. Ση den übrigen Intervallen der Zykluszeit der Permutationsschaltung arbeitet die Verstärkerschaltung als Stromspannungswandler, der die Unterschiede der übrigen Ströme zum Referenzstrom in Spannungen umwandelt, die am Ausgang des Verstärkers verstärkt erscheinen.

Eine weitere Aus fülumngs form ist noch dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Widerstand einen sehr grossen Wert hat. In diesem Fall arbeitet der Verstärker als Komparator, so dass der getrennte Komparator im Prinzip nicht mehr erforderlich ist.

Eine weitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltungen je eine Zählschaltung enthalten, die abhängig vom logischen Signal am betreffenden Ausgang der Verteilerschaltung eine Anzahl logischer Signale erzeugt. Die Zählschaltungen können einfache Zähler sein, deren Stand um eins erhöht oder erniedrigt wird in Abhängigkeit vom logischen Signal an den Ausgängen der Verteilerschaltungen. . ;

Nach einer weiteren Ausführungsform kann jede Steuerschaltung noch einen Digital/Analog-Wandler enthalten, der die Ausgangssignale einer Zählschaltung in einen analogen Ausgangsstrom umwandelt, mit dessen Hilfe der betreffende Strom der Stromverteilerschaltung geregelt wird.

Eine andere Ausführungsform, bei der die Signale der Detektionsschaltung nicht erst in ein logisches Signal, sondern direkt in ein analoges Steuersignal umgewandelt werden, ist dadurch gekennzeichnet, dass jede Steuerschaltung einen Integrator enthält, der das Signal am betreffenden Ausgang integriert und mit dessen Hilfe der betreffende Strom der Stromverteilerschaltung geregelt wird.

Die genaue Weise, auf die das Steuersignal die Ströme der Stromverteilerschaltung regelt, ist auch von der Art des Aufbaus der Stromverteilerschaltung abhängig.

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Nach einer Ausführungsform, bei der die Stromverteilerschaltung von einer Anzahl parallel geschalteter Transistoren gebildet wird, deren Emitter über gleiche Widerstände mit einem gemeinsamen Punkt mit einer festen Spannung verbunden sind, ist der Ausgang einer Steuerschaltung an den Emitter eines Transistors angeschlossen. Hierbei wird beispielsweise mittels eines Stromspiegels über einen Operationsverstärker ein Strom in den Kollektor-^Emitterwegen der parallel geschalteten Transistoren erzeugt. Da die Widerstände mit einem gemeinsamen Punkt mit fester Spannung verbunden sind, wird durch den grösseren oder kleineren Strom durch einen Emitterwidex?- stand der Kollektorstrom eines Transistors geändert, ohne dass sich dabei die Kollektorströme der anderen Transisto= ren ändern, so dass sich die Summe der Kollektorströme ändert.

Eine andere Ausführungsform, bei der die Strom= verteilerschaltung von einer Anzahl parallel geschalteter Transistoren gebildet wird, deren Emitter über gleiche Widerstände mit einem gemeinsamen Punkt verbunden sind, dem ein Konstantstrom zugeführt wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass die logischen Ausgangssignale einer jeden Zählschaltung in einen Pufferspeicher eingeschrieben werden und am Ende eines Zyklus der Permutationsschaltung gleichzeitig Schalter ein- bzw. ausschalten, die weitere

Widerstände parallel zu einem Emitterwiderstand schalten«, Vorzugsweise werden diese Schalter durch Feldeffekttransistoren gebildet. Bei Stromverteilerschaltungen, bei denen von einem konstanten Summenstrom ausgegangen wird, befindet sich der gemeinsame Anschlusspunkt der Emitter nicht auf einer Festspannung, sondern ist schwebend ausgeführt. Beispielsweise ist dies der Fall bei kaskadengeschalteten Präzisionsstromquellen, bei denen der Aus= gangsstrom an einem der Ausgänge der Permutationsschaltung als Suinmenstrom der Stromverteilerschaltung einer folgenden Stufü dient, in diesem Fall würde die Zufuhr eines Regelstroms zu einem Emitter eines Transistors direkt einen Anstieg des Summenstroms zur Folge haben. Dies ist

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nicht erlaubt, da der Suinmenstrorn konstant bleiben soll. Auf diese Weise wäre es daher nicht möglich, die Ströme der Stromverteilerschaltung aneinander anzugleichen. Durch das Einschalten und Ausschalten von Widerständen g parallel zu den Emitterwiderständen kann das gegenseitige Verhältnis der Ströme ohne Änderung des Summenstroms geändert werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen Fig· 1 eine erste Ausführungsform einer Präzisionsstromquellenschaltung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer Präzusionsstromquellenschaltung nach der Erfindung, Fig. 3 eine dritte Ausführungsform einer Präzisionsstromquellenschaltung' nach der Erfindung,

In Fig. 1 ist schematisch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemässen Präzisionsstromquellenschaltung dargestellt.

Im allgemeinen enthält eine derartige Präzisions-Stromquellenschaltung eine Stromverteilerschaltung 1, die eine Anzahl im wesentlichen gleicher Ströme zu einer Permutationsschaltung 13 liefert, die diese Ströme zyklisch permutierend auf die Ausgänge schaltet. Die Gleichströme an diesen Ausgängen weisen eine Welligkeit auf, die durch die Ungleichheit der Ströme der Stromverteilerschaltung 1 gebildet wird. Eine Detektionsschaltung 30 detektiert die aus jedem Strom der Stromverteilerschaltung 1 herrührende Welligkeitskomponente und führt sie der für diesen Strom bestimmten Steuerschaltung des Satzes vom Steuerschaltungen 50 zu. Diese Steuerschaltung erzeugt einen. Regelstrom, mit dem der betreffende Strom derart nachgeregelt wird, dass die Welligkeitskomponente nahezu verschwindet.

Die Stromverteilerschaltung 1 wird in dieser Ausführungsform durch parallelgeschaltete Transistoren 2, 3, k und 5 gebildet, deren Emitter über gleiche Widerstände 6, 7, 8 und 9 mit einem gemeinsamen Anschlusspunkt 10 verbunden sind, der eine Festspannung führt und in diesem Fall der negative Speiseanschlusspunkt ist. Die

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gemeinsame Basis der Transistoren 2, 3, 4 und 5 wird von einem Verstärker 11 angesteuert, dessen Eingang an den Ausgang einer Stromquelle 12 angeschlossen ist. Der Verstärker 11 regelt die Spannung an der gemeinsamen Basis derart, dass die Summe der Ströme an den Ausgängen 20 und

21 der Permutationsschaltung 13 gleich dem Strom der Stromquelle 12 ist. Die Ausgangsströme i., i^, i^ und ir sind durch die beschränkte Genauigkeit des Integrationsvorgangs nur im wesentlichen aneinander gleich und in diesem Fall durch die Aufteilung des Stroms 21 der Stromquelle 12 nahezu gleich I . Die Ströme i.. , i_o, i„ und i. gelangen an die Eingänge 14, 15, 16 und 17 der Permutationsschaltung 13· Die Permutationsschaltung 13 wird von einer Schaltung

22 gesteuert, beispielsweise von einem Schieberegister, das selbst wieder von einem Taktgeber 23 gesteuert wird.

Die Wirkung der Permutationsschaltung 13 ist in den bereits genannten US-Patentschriften 3 982 172 und 4 125 803 ausführlich beschrieben. Hier genügt es zu erwähnen, dass die Permutationsschaltung 13 einen jeden der Ströme i.. , i , io und i^ zyklisch permutierend in vier Zeitintervallen, die miteinander die Zykluszeit T bilden, nach einem jeden der Ausgänge 18, 19> 20 und 21 der Permutationsschaltung 13 weiterschaltet. An einem jeden der Ausgänge 18, 19» und 21 erscheinen also nacheinander die Ströme X₁, i„, i„ und i.. Der Gleichstrom an einem jeden der Ausgänge 18, 19j 20 und 21 ist gleich dem Mittelwert I der Ströme i , ip, i und ir. Um diesen Mittelwert I herum weisen die Ausgangsströme eine Welligkeit auf, deren Komponenten durch die Ungleichheit der Ströme I₁, i„, i„ und ij, gebildet werden. An den Ausgängen 24, 25 und 26 der Präzisionsstromquellenschaltung erscheinen, abgesehen von der Welligkeit, Gleichströme, deren Gleichstromstärke genau gleich 21 , I bzw. I ist.

In der Ausgangsleitung zum Ausgang 25 liegt ein Widerstand 27 mit dem Widerstandswert R1, der den Strom in dieser Ausgangsleitung in eine Spannung umwandelt. Der Ausgang 19 der Permutationsschaltung 13 ist mit dem Eingang 31 einer Detektionsschaltung 30 verbunden. Der Ein-

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gang 31 ist mit Hilfe eines Trennkondensators 35 mit Kapazitätswert C an den invertierenden Eingang 33 eines Verstärkers 32 angeschlossen, dessen nicht invertierender Eingang 34 eine feste Spannung führt, in diesem Fall eine Spannung gleich Null. Der Ausgang 36 ist über einem Widerstand 37 mit dem Widerstands-wert R„ mit dem invertierenden Eingang 33 verbunden. Der Widerstand 37 kann mit einem Schalter 38 mit Hilfe eines Signals S₁ kurzgeschlossen werden, das vom Taktgeber 23 abgeleitet wird. Der Ausgang 36 ist weiter mit dem invertierenden Eingang eines Komparators 4θ verbunden, dessen nicht invertierender Eingang 42 eine Referenzspannung und in diesem Fall die gleiche feste Spannung wie der Eingang 34 des Verstärkers 32 führt. Der Ausgang 43 des Komparators 4θ ist mit dem Eingang 46 einer Decoderanordnung 4-5 verbunden. Diese Decoderanordnung 45 wird beispielsweise durch einen getakteten Zweibit-Zähler mit einem 1-zu-4-Decoder gebildet, von dem nur die drei Ausgänge 47, 48 und 49 verwendet werden.

Die Detektorschaltung JO arbeitet wie folgt. Im ersten Intervall der Zykluszeit der Permutationsschältung 13 erscheint am Widerstand 27 beispielsweise eine dem Strom I₁ entsprechende Spannung V₁. Synchron damit wird mittels des Signals S₁ der Schalter 38 geschlossen, wodurch der Eingang 33 die gleiche Spannung führt xvie der Eingang 3^> d.h. eine Spannung gleich Null Volt. Der Kondensator. 35 lädt sich auf, bis er die dem Strom X₁ entsprechende Spannung V führt. Die Eingänge 41 und 42 führen ebenfalls eine Spannung von 0 V, so dass die Spannung am Aus- ■ ijanfi 43 des Komparatoirs 4θ gleich 0 V ist. Dieses Signal gelangt an einen Ausgang der Decoderanordnung 45, die nicht mit einer Steuerschaltung weiterverbunden ist.

Im zweiten Zeitintervall erscheint beispielsweise eine i_ entsprechende Spannung V_ am Widerstand 37· Synchron hiermit wird der Schalter 38 geöffnet. Der, Widerstandswert R₂ des Widerstands 37 ist so gross, dass die Zeitkonstante zum Aufladen des Kondensators 35 sehr gross ist. Dabei wird der Kondensator 35 nicht auf eine Spannung V₀ aufgeladen, sondern die Spannung an diesem Kondensator

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bleibt gleich V₁-. Der Verstärker 32 mit dem Rückkopplungswiderstand 37 arbeitet hierdurch als Stromspannungswandler, der den Stromunterschied i.-ip in. eine Verstärkerausgangs»= spannung umwandelt, die am Ausgang 36 erscheint. Diese

S Ausgangs spannung gelangt an den Eingang 41 des !Comparators 4θ. Abhängig davon, ob die Ausgangsspannung des Verstärkers 32 grosser öder kleiner als die Spannung von 0 V am Eingang' 42 ist, ist die Spannung am Ausgang 43 des !Comparators 4θ hoch oder niedrig, was als ein logisches Signal mit dem Wert "1" oder "0" verwendet wird. Die Decoderanordnung 45 schaltet dieses Signal synchron zum Ausgang kj der Detektorschaltung 30 weiter.

Es sei bemerkt, dass der Wert R„ des Widerstands 37 auch unendlich gross gewählt werden kann. In diesem Fall arbeitet der Verstärker 32 schon als Komparator, so dass der Komparator 4θ entfallen kann.

Auf gleiche Weise erscheinen im dritten und vierten Zeitintervall der Zykluszeit am Ausgang 36 des Verstärkers 32 Spannungen, die den jeweiligen Stromunter-= schieden i..-i~ und i^-ir proportional sind. Hierbei bleibt die Spannung am Kondensator 35 gleich V₁. Die verstärkten Spannungen am Ausgang 36 setzt der Komparator 4θ in' logische Signale um, die die Decoderanordnung nach den Ausgängen 48 und 49 weiterschaltet.

Auf diese Weise erscheint an einem jeden der Ausgänge kj_r 48 und 49 synchron mit der Intervallzeit der Permutationschaltung 13 ein logisches Signal mit einem Wert, den die grössere oder kleinere Abweichung des jeweiligen Stroms ijj, i„ und ij, von dem als Referenz gewähl= ten Strom i.. der Stromverteilerschaltung 1 bestimmt. Die Decoderschaltung 45 sorgt dafür, dass die Spannung an einer» Ausgang bis zum entsprechenden Intervall des folgenden Zyklus der Permutationsschaltung 13 sich nicht ändert.

Die Ausgänge 47» 48 Lind 49 der Detektorschaltung sind an die Eingänge 5I» 52 und 53 von drei auf gleiche Weise aufgebauten Steuerschaltungen angeschlossen. Die Steuerschaltungen sind mit Zählschaltungen 54, 5^ und 36 versehen, deren Ausgänge 57, 58 und 59 mit den Eingängen

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von Digital/Analog-Wandler 60, 61 und 62 mit Ausgängen 63, 6k und 65 verbunden sind.

Der Zähler $h ist beispielsweise ein Sechs-Bit-Zähler mit einem Vorzeichenbit, das die Stromrichtung am Ausgang 63 des Sechs-Bit-Digital/Analog-Wandlers 60 festlegt. Der Digital/Analog-Wandler 60 erzeugt keinen Ausgangsstrom, wenn der Zählerstand gleich Null ist. Abhängig vom Wert des logischen Signals am Ausgang kj wird die Stellung des Zählers $k um eins inkrementiert oder dekrementiert. Diese Stellung wird an den Ausgängen 57 in sechs logische Signale übersetzt, die mit Hilfe des Sechs-Bit-Digital/Analog-Wandlers 6O in einen analogen Ausgangsstrom umgewandelt werden. Dieser Strom erreicht den Emitter des Transistors 3» was abhängig von einem Anstieg oder Abfall der Spannung am Widerstand 7 einen Abfall bzw. Anstieg des Stroms i_ ergibt. Auf gleiche Weise werden mit dem Ausgangsstrom der Digital/Analog-Wandler 61 und 62 die Ströme i„ und ij, nachgeregelt.

Die geänderten Ströme i„, i„ und i. werden in einem folgenden Zyklus wieder mit dem Referenzstrom X₁ verglichen. Durch die Änderung der Ströme ip, i_ und ir ändert sich auch der Mittelwert der Ströme X₁, χ , i und Xl. Die Summe der Ströme an den Ausgängen 20 und 21 der Permutationsschaltung I3 muss, abgesehen vom Eingangsstrom des Verstärkers 11, gleich dem Strom 21 der Stromquelle 12 sein. Der Verstärker 11 regelt die gemeinsame Basisspannung jetzt derart, dass diese Bedingung erfüllt wird, so dass auch der Mittelwert der Ströme X₁, i , i und ±i gleich I ist. Auf oben beschriebene Weise werden die Ströme i_?, i„ und i. so lange nachgeregelt, bis sie nahezu gleich dem Strom i.. sind, und gleichzeitig wird i nachgeregelt, bis er gleich I ist. An den Ausgängen 24, 25 und 26 der Präzisionsstromquellenschaltung stehen dabei Ströme nahezu ohne Welligkeit zur Verfügung, die sich genau wie 21 :I :I verhalten.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Präzisionsstromquellenschaltung wird an Hand der Fig. 2 näher erläutert. Hier sind gleich Teile mit gleichen

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Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet.

Die Detektorschaltung 30 enthält wieder einen über den Widerstand 37 gegengekoppelten Verstärker 32, dessen Eingang 33 über den Kondensator 35 ^mit dem Ausgang 19 der Permutationsschaltung 13 verbunden ist und dessen Eingang 34 eine Referenzspannung von 0 V führt. Der Ausgang 36 des Verstärkers 32 ist mit der Decoderanordnung k-5 direkt verbunden. Der Widerstand 37 kann wieder vom Schalter 38 kurzgeschlossen werden.

Im ersten Zeitintervall der Zykluszeit der Permutationsschaltung 13 ist der Schalter 38 geschlossen, so dass am Ausgang 36 des Verstärkers 32 kein Signal vorhanden ist, und der Kondensator 35 lädt sich auf eine Spannung V₁ auf, die der Strom i.. am Widerstand 27 erzeugt.

In den folgenden Intervallen der Zykluszeit ist der Schalter 38 geöffnet. Der Wert R„ des Widerstands 37 ist wiederum so gross, dass sich die Ladung des Kondensators 35 nicht ändert. Der Verstärker 32 mit dem Widerstand 37 arbeitet dabei wiederum als Stromspannungswandler. Am Ausgang 36 des Verstärkers 32 erscheinen nacheinander Spannungen, die den Stromunterschieden X₁-I₅,, X₁ -i„ und i.-ir proportional sind. Diese verstärkten Spannungen schaltet die Decoderschaltung 45 auf die jeweiligen Ausgänge 47» 48 und 49 weiter. Die Ausgänge 47, 48 und 49 sind wieder mit den Eingängen 5I » 52 und 53 von drei Steuerschaltungen im Block 50 verbunden. Die Steuerschaltungen werden von Integratoren gebildet, die Verstärkern 70, 71 und 72 enthalten, deren invertierende Eingängen von den Widerständen 79» 80 und 81 mit den Eingängen 5I» 52 und 53 verbunden und über Kondensatoren 73» 74 und 75 gegengekoppelt sind. In den Ausgangsleitungen der Integratoren liegen Widerstände 76, 77 und 78. Die Ausgänge 63» 64 und 65 der Steuerschaltungen sind wiederum an die Emitter der Transistoren 7» 8 und 9 angeschlossen. Die Spannung am Ausgang 47 integriert der Integrator mit dem Verstärker 70, wonach die integrierte Spannung vom Widerstand 76 in einen Strom umgewandelt wird. Mit diesem Strom wird der Kollektorstrom ±_o des Transistors 3 nachgeregelt, so dass der Unterschied gegenüber dem

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Strom I₁ verkleinert wird. So auch, werden die Ströme i und i„ von den Strömen an den Ausgängen 6k und 65 nachgeregelt. Der Verstärker 11 steuert dabei die Spannung an der gemeinsamen Basis derart, dass der Mittelwert der Ströme i.. , i„, i„ und ir gleich I bleibt. In folgenden Zyklen der Permutationsschaltung 13 werden die Ströme ±_o, i und in so lange nachgeregelt, bis sie gleich i.. sind. An den Ausgängen 2k, 2$ und 26 der Präzisionsstromquellenschaltung stehen dabei Ströme zur Verfügung, die sich wie 21 :I :I verhalten und nahezu keine Welligkeit aufweisen.

Bei der ersten und der zweiten Ausführungsform wird die gemeinsame Basis der Transistoren 2, 3> k und 5 der Stromverteilerschaltung vom Verstärker 11 auf einer im wesentlichen festen Spannung gehalten. Die Stromverteilerschaltung 1 arbeitet als Stromspiegel, wobei der Strom I in den Köllektorleitungen der Transistoren 2, 3» k und 5 wiederhergestellt wird.

Statt der Stromquelle 12 und des Verstärkers 11 kann die gemeinsame Basis auch dadurch auf einer festen Spannung gehalten werden, indem diese Basis zum Beispiel mit der Basis eines als Diode geschalteten Transistors verbunden wird, dessen Emitter mit einem gleichen Widerstand mit dem gemeinsamen Punkt und dessen Kollektor mit einer hochohmigen Stromquelle verbunden ist.

Bei dieser Art von Stromverteilerschaltung befindet sich die gemeinsame Basis auf einer festen Spannung in bezug auf den eine feste Spannung führenden gemeinsamen Anschlusspunkt der Emitterwiderstände, der beispielsweise mit dem negative. Speiseanschlusspunkt verbunden ist. Hierdurch kann der Strom eines Transistors der Stromverteilerschaltung durch die Zufuhr eines Stroms zum Emitter nachgeregelt werden, ohne dass dies den Strom eines anderen Transistors der Stromverteilerschaltung direkt beeinflusst. Die Summe der Ströme der Transistoren der Stromverteilerschaltung darf dabei ansteigen oder abnehmen.

Bei einer Stromverteilerschaltung, bei der der gemeinsame Anschlusspunkt der Emitterwiderstände mit einer Stromquelle verbunden ist, wie es bei kaskadengeschalteten

Präzisionsstromquellen der Fall ist, darf kein R_egelstroin einem Emitter zugeführt werden, weil der Summenstrom gleich der Strom der Stromquelle bleiben muss. In diesem Fall ist eine schwebende Steuerung zu verwenden.

Eine dritte Ausführungsform einer Präzisionsstromquellenschaltung mit einer derartigen schwebenden Steuerung wird nachstehend an Hand der Fig. 3 näher erläutert. Gleiche Teile sind wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Die Stromverteilerschaltung enthält wieder parallelgeschaltete Transistoren 2, 3» 4, 5» deren Emitter gemeinsam übex· Widerstände 6, 7» 8 und 9 ^mit einer Stromquelle 80 verbunden sind, die beispielsweise der Ausgangs=· strom einer vorangehenden Präzisionsstromquellenschaltung ist. Der Widerstand 6 hat einen Wert I/3 R₁, und die Widerstände 7» 8 und 9 haben einen Wert 4- R₁. Parallel zum Widerstand 7 können Widerstände 81, 82 und 83 mit jeweiligen Werten R^, % R und 2 R₁ mittels Feldeffekttransistoren 84, 85 und 86 geschaltet werden. Auch können Widerstände 87, 88 und 89 mit Hilfe von Transistoren 90, 9I und 92 parallel zum Widerstand 8 und Widerstände 93» 9^ und 95 mittels Transistoren 96, 97 und 98 parallel zum Widerstand 9 geschaltet werden. Die Summe der Ausgangsströme I₁, i_p, i„ und ijL der Stromverteilerschaltung ist gleich dem Strom Vl der Stromquelle 80, Die Pe rmu tat io ns schaltung 13 schaltet die Ströme wieder zyklisch permutierend auf die Ausgänge 18, 19, 20 und 21. Die Detektorschaltung 30 ist auf gleiche Weise wie gemäss der Beschreibung an Hand der Fig. 1 aufgebaut. An den Ausgängen 47, 48 und 49 erscheinen in den aufeinanderfolgenden Intervallen des Zyklus logisches Signale, deren Wert durch die grössere oder kleinere Abweichung der Ströme i„, i„ und ir vom Strom 1* bestimmt wird, und diese Signale gelangen an die Eingänge 5I> 52 und 53 der Zähler 110, 111 und 112. Abhängig vom Wert des logischen Signals am Ausgang 47 wird der Zählerstand um eins inkrementiert oder dekrementiert. Für eine Regelung sowohl nach oben als auch nach unten wird von einem Zähler=· stand ausgegangen, bei dem die Widerstände 82, 88 und 94

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zu den jeweiligen Widerständen 7> 8 und ^l) parallelgeschaltet sind. Der Widerstand 6 hat einen Wert von I/3 R, der gleich dem Wert der Parallelschaltung der Widerstände 7 und 82, 8 und 88, 9 und $k mit jeweiligen Werten R₁ und -f R. ist, damit in der Ausgangslage die Ströme i.. , i„, i„ und ir im wesentlichen einander gleich sind.

Der Zählerstand des Zählers 110 gibt an seinen Ausgängen drei logische Signale ab, die an einen Pufferspeicher 125 gelangen, der die logischen Signale bis zum Ende eines Permutationszyklus festhält. Auch werden in den folgenden Intervallen der Zykluszeit die logischen Signale entsprechend dem Zählerstand der Zähler 111 und 112 in die Pufferspeicher 126 und 127 eingeschrieben. Am Ende des vollständigen Permutationszyklus werden die Signale der Pufferspeicher 125, 126 und 127 gleichzeitig freigegeben. Der Pufferspeicher I25 erzeugt an den Ausgängen 130, 131 und 132 drei logische Signale, die die Transistoren 84, 85 und 86 steuern, so dass eine bestimmte Kombination der Widerstände 81 und 82 und 83 zum Widerstand 7 parallel geschaltet wird. Auch wird mit Hilfe logischer Signale an den Ausgängen 14O, 141 und 142 des Pufferspeichers 126 eine Kombination der Widerstände 87, 88 und 89 zum Widerstand 8 und mittels logischer Signale an den Ausgängen I50, I5I und 152 des Pufferspeichers 127 eine Kombination von Widerständen 93» 94 und 95 zum Widerstand 9 parallelgeschaltet. Das Verhältnis der Ströme i , i , i und ίκ ändert sich hierdurch gleichzeitig, wobei die Summe der Ströme I₁, i„, i„ und i^ gleich 4 I bleibt. Die Pufferspeicher· 125, 126 und 127 sind dabei erforderlieh, weil durch die Bedingung der Konstanz des Summenstroms die Verhältnisse zwischen den Strömen nicht unabhängig voneinander änderbar sind. Im folgenden Zyklus der Permutationsschaltung werden die Ströme i„, i~ ^und· i-h erneut mit i.. verglichen. Die Ströme i₂, i„ und i^ werden auf diese Weise so lange nachgeregelt, dass die Ströme i^ i_p, i„ und ijL einander gleich sind. Dabei stehen an den Ausgängen 24, 25 und 26 Ströme ohne Welligkeit mit dem genauen Verhältnis 2I_o:I_q:I_o zur Verfügung.

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Bei den dargestellten Ausführungsformen ist die Anzahl der Ausgänge der Permutationsschaltung immer gleich der Anzahl von Eingängen der Permutationsschaltung. Ausserdem ist das gegenseitige Grössenverhältnis der Ströme an den Ausgängen der Permutationsschaltung immer nahezu gleich eins. Bei einer erfindungsgemässen Präzisionsstromquellenschaltung kann die Anzahl der Ausgänge sich jedoch auch von der Anzahl der Eingänge der Permutationsschaltung unterscheiden, kann die Anzahl der Ströme, die in einer Periode der Zykluszeit einem Ausgang zufliesst, ungleich eins sein und kann die Anzahl der Ströme, die in einer Periode der Zykluszeit einem Ausgang zufliesst, verschieden sein.

So kann beispielsweise die Stromverteilerschaltung fünf nahezu gleiche Ströme an fünf Eingänge einer Permutationsschaltung mit zwei Ausgängen liefern. Die Ströme werden beispielsweise so weitergeschaltet, dass am einen Ausgang immer zwei und am anderen Ausgang immer drei Ströme nach einem zyklisch permutierenden Muster erscheinen.

Durch wiederholtes Addieren und Subtrahieren der Signale an diesen Ausgängen können die gegenseitigen Abweichungen der Ströme der Stromverteilerschaltung erhalten werden, aus denen wieder Steuersignale abgeleitet werden, mit denen die Ströme der Stromverteilerschaltung einander angeglichen werden. Die Ströme an den zwei Ausgängen der Permutationsschaltung weisen dabei ein genaues Stärkeverhältnis von 2:3 auf. Auf diese Weise ist es· möglich, alle Verhältnisse von 4:1, 3:2, 2:3 und 1:4 herzustellen. Weiter können die Ströme der Stromverteilerschaltung einschaltbar gemacht werden. Hiermit können im 'Beispiel einer Permutationsschaltung mit fünf Eingängen und zwei Ausgängen alle Verhältnisse zwischen 4:1 und 1:4 verwirklicht werden. Auch hierbei können durch wiederholtes Addieren und Subtrahieren wieder die gegenseitigen Unterschiede der eingeschalteten Ströme der Stromverteilerschaltung erhalten werden, mit deren Hilfe diese Ströme einander angeglichen werden können.

Es wird klar sein, dass im Rahmen der Erfindung

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dem Fachmann eine Vielzahl von Abwandlungen der gegebenen Ausführungsbeispieleu zur Verfügung stehen.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE:

1.V Präzisionsstromquellenschaltung zum Erzeugen einer Anzahl Ströme mit gegenseitig genauen Verhältnissen der Werte, mit

- einer Stromverteilerschaltung zum Erzeugen einer Anzahl von Strömen mit im wesentlichen gleichen Werten, und

- einer Permutationsschaltung zum Umschalten der Ströme der Stromverteilerschaltung nach einem zyklisch permutierenden Muster auf Ausgänge der Permutationsschaltung, so dass an diesen Ausgängen Ströme mit Mittelwerten, die ein gegenseitig genaues Verhältnis aufweisen und mit einer Welligkeit zur Verfügung stehen, deren Komponenten vom Unterschied in den Strömen der Stromverteilungsschaltung bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass

- eine Detektorschaltung zum Detektieren der Abweichung

der Stromstärke dieser Ströme synchron mit dem Erscheinen der Ströme der Stromverteilerschaltung an wenigstens einem der Ausgänge der Permutationsschaltung und zum damit synchronen Erzeugen einer Anzahl von Ausgangssignalen, und

- eine Steuerschaltung für nahezu jedes Ausgangssignal

der Detektorschaltung vorgesehen ist, die den betreffenden Strom der Stromverteilerschaltung derart regelt, dass die Abweichung verringert wird.

2. Präzisionsstromquellenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzstrom gleich einem der Ströme der Stromverteilerschaltung ist.

3. Präzisionsstromquellenschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorschaltung enthält

- einen ersten Widerstand, der mit dem betreffenden Ausgang der Permutationsschaltung verbunden ist und den Strom an diesem Ausgang in eine Spannung umwandelt,

- eine Verstärkerschaltung, deren erster Eingang über einen Trennkondensator mit dem betreffenden Ausgang der

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Perrautationsschaltung, deren zweiter Eingang- mit einer Referenzspannung und deren Ausgang über einen zweiten Widerstand mit dem ersten Eingang verbunden ist und eine Verteilerschaltung, deren Eingang mit dem Ausgang der Verstärkerschaltung verbunden ist und deren mehrere Ausgänge an je eine Steuerschaltung angeschlossen sind und die synchron mit dem Auftreten der Ströme der Stromverteilerschaltung an dem mit dem ersten Widerstand verbundenen Ausgang der Permutationschaltung das Ausgangssignal der Verstärkerschaltung zum betreffenden Ausgangder Verteilerschaltung weiterschaltet.

k. Präzisionsstromquellenschaltung nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass zum Umsetzen des Ausgangssignals der Verstärkerschaltung in ein digitales Ausgangssignal die Verstärkerschaltung mit der Verteilerschaltung über einen Komparator verbunden ist, dessen erster Eingang an den Ausgang der Verstärkerschaltung, zweiten Eingang, der an eine zweite Referenzspannung und dessen Ausgang an den Eingang der Verteilerschaltung angeschlossen ist.

5· Präzisionsstromquellenschaltung nach Anspruch 3 oder k, bei der der Referenzstrom gleich einem der Ströme der Stromverteilerschaltung ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Widerstand von einem Schalter überbrückt wird, der den zweiten Widerstand synchron mit dem Auftreten des Referenzstroms der Stromverteilerschaltung an dem mit dem ersten Widerstand verbundenen Ausgang der Permutationsschaltung kurzschliesst.

6. Präzisionsstromquellenschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Widerstand einen sehr hohen Wert hat.

7. Präzisionsstromquellenschaltung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltungen je eine Zählschaltung enthalten, die abhängig vom logischen Signal am betreffenden Ausgang der Verteilerschaltung eine Anzahl logischer Signale erzeugt.

8. Präzisionsstromquellenschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Steuerschaltung einen Digital/Analog-Wandler enthält, der die Ausgangssignale

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der Zählschaltung in einen, analogen Ausgangsstrom umwandelt, mit dessen Hilfe der betreffende Strom der Stromverteilerschaltung geregelt wird.
9. Präzisionsstromquellenschaltung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass jede Steuerschaltungen einen Integrator enthält, der das Signal am betreffenden Ausgang der Verteilerschaltung integriert und wobei mit Hilfe dieses integrierten Signals der betreffende Strom der Stromverteilerschaltung geregelt wird.

10. Präzisionsstromquellenschaltung nach Anspruch 8 oder 9> bei der die Stromverteilerschaltung durch eine Anzahl parallel geschalteter Transistoren gebildet wird, deren Emitter über gleiche Widerstände mit einem gemeinsamen Punkt an eine Festspannung angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang einer Steuerschaltung an den Emitter eines Transistors angeschlossen ist.

11. Präzisionsstromquelleiaschaltung nach Anspruch 7» bei der die Stromverteilerschaltung durch eine Anzahl parallel geschalteter Transistoren gebildet wird, deren Emitter über gleichen Widerstände mit einem gemeinsamen Punkt verbunden sind, dem ein Konstantstrom zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die logischen Ausgangssignale einer jede Zählschaltung in einen Pufferspeicher eingeschrieben werden und am Ende eines Zyklus der Permutationsschaltung gleichzeitig Schalter ein- bzw. ausschalten, die weitere Widerstände parallel zu einem Emitterwiderstand schalten.

12. Präzisionsstromquellenschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter durch Feldeffekttransistoren gebildet werden.

13· Präzisionsstromquellenschaltung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Konstantstrom gleich einem Ausgangsstrom einer vorangehenden Präzisionsstromquellenschaltung ist.

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