DE3411507C2

DE3411507C2 - Stromspiegelschaltung

Info

Publication number: DE3411507C2
Application number: DE3411507A
Authority: DE
Inventors: Hisakazu Yokohama Hitomi
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1983-03-31
Filing date: 1984-03-28
Publication date: 1986-03-06
Also published as: DE3411507A1; US4596960A; JPS59181803A; GB2139030A; GB2139030B; GB8406736D0; JPH0115201B2

Abstract

In einer Stromspiegelschaltung sind mehrere Transistorpaare (Q1, Q2; Q3, Q4) vorgesehen, wobei die Basen der Transistoren eines Paares jeweils zusammengeschaltet sind. Einer der beiden Kollektoren jedes Transistorpaares ist mit einem entsprechenden Eingangsanschluß (11, 14) verbunden, während der andere Kollektor jeweils an einen entsprechenden Ausgangsanschluß (11, 12) gekoppelt ist, von dem aus selektiv ein Ausgangsstrom eingespeist wird. Einer von einem Paar von Emitterwegen, die den Eingangsstrom liefern, und der andere, verbleibende Emitterweg, über den der Ausgangsstrom eingeführt wird, sind jeweils gemeinsam an eine erste bzw. eine zweite ohmsche Schaltung (15 = R5; 16 = R6) geschaltet, damit die Eingangsströme und die Ausgangsströme selbst dann gemeinsam fließen, wenn nur eines der Transistorpaare in Betrieb ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromspiegelschaltung nach dein Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Stromspiegelschaltungen in verschiedensten Anordnungen sind beispielsweise aus der DE-AS 24 45 135 und der DE-OS 32 21 852 bekannt.

Darüber hinaus existieren auch Stromspiegelschaltungen mit mehreren Eingangs- und mehreren Ausgangsanschlüssen, bei denen die Eingangsanschlüsse selektiv Eingangsströme eingespeist werden und über die Ausgangsanschlüsse selektiv Ausgangsströme eingespeist bzw. entnommen werden.

F i g. 1 zeigt den Aufbau einer herkömmlichen Stromspiegelschaltung mit einem solchen Aufbau. Die Stromspiegelschaltung 1 besitzt zwei Transistorpaare Q1, Q 2 bzw. Q 3, Q 4, deren Basen jeweils zusammengeschaltet sind. Jeder Emitter dieser Transistoren Q 1 bis Q4 liegt über entsprechende Widerstände Ri, R 2, R 3 und R 4 auf Masse. Es sind Mittel vorgesehen, mit deren Hilfe in die Basen der Transistorpaare Qi, Q2 und Q3, Q4 Basisströme eingespeist werden. Hierzu ist eine Verbindung 10a vorgesehen, die den Kollektor mit der Basis des Transistors Q1 verbindet. Eine Verbindungsleitung verbindet den Kollektor mit der Basis des Transistors Q 4.

Die Kollektoren der Transistoren Q \ und Q4 der Stromspiegelschaltung 1 sind an einen Eingangsanschluß 5 bzw. 6 angeschlossen. Den Eingangsanschlüssen 5 und 6 entsprechen Ausgangsanschlüsse 8 und 9, die an die Kollektoren der Transistoren Q2 bzw. QZ angeschlossen sind.

Die Stromspiegelschaltung 1 arbeitet wie folgt:
Von einem Steuerstrom-Eingangsanschluß wird über eine Schaltvorrichtung 3 abwechselnd ein Steuerstrom / an die Eingangsanschlüsse 5 und 6 der Stromspiegelschaltung 1 gegeben. Wenn man nun annimmt, daß sich der Umschalter in der Schaltvorrichtung 3 auf der Seite

ίο des Eingangsanschlusses 5 befindet, so gelangt ein Eingangsstrom /|( = I) an den Kollektor des Transistors Q I. Da die Basen der Transistoren Q1 und Q 2 zusammengeschaltet sind, und da der Kollektor und die Basis des Transistors Qi ebenfalls zusammengeschaltet sind, gleicht die am Transistor Q1 entstehende Basisspannung Vbe ι der am Transistor Q 2 entstehenden Basisspannung Vbe2- Hierdurch fließt ein Ausgangsstrom I₂ durch den Kollektor des Transistors Q Z Der oben geschilderte Vorgang findet in praktisch gleicher Weise dann statt, wenn ein Eingangsstrom U( = I)an den Eingangsan^chluß 6 gegeben wird. Dadurch, daß der Eingangsstrom U durch den Kollektor des Transistors Q 4 fließt, kann ein Ausgangsstrom /3 durch den Kollektor des Transistors Q 3 fließen.

Wer.n die Kennlinien der Transistoren Q 1, Q2 und die Kennlinien der Transistoren Q 3, Q4 gleich sind, sind auch die Widerstandswerte der Widerstände R 1, R 2 und die Widerstandswerte der Widerstände R3,R4 gleich. Somit wird der Eingangsstrom /1 genau so groß wie der Ausgangsstrom I₂, und der Eingangsstrom U wird genau so groß wie der Ausgangsstrom /j. Für das Beispiel nach Fig. 1 gilt mithin die Beziehung I₂ = Ii wegen I\=U ( = 1), und weil die Eingangs-Musgangs-Stromverhältnisse (hll\) und (hlU) ebenfalls »1« sind.

In der Praxis ist es jedoch schwierig, die Widerstandswerte der Widerstände R 1 und R 2 bzw. der Widerstände R 3 und R 4 exakt in Übereinstimmung zu bringen, so daß in Wirklichkeit Schwankungen der Widerstandswerte vorhanden sind. Selbst wenn man die Stärke der Eingangsströme /1 und U gleich machen könnte, würden die Werte von I₂ und I₃ als Ausgangsströme nicht stets gleich groß sein, und zwar aufgrund der Schwankungen der Widerstandswerte.

Wenn z. B. die Abweichung der Widerstandswerte zwischen den Widerständen R 1 und R 2 und die Abweichung der Widerstandswertc zwischen den Widerstünden R 3 und Λ 4 jeweils 3% betragen würde, so ergäbe sich folgende Beziehung:

A h

Ri R2

R4 R3

= 0,97,

= 1.03

Im ungünstigsten Zustand erhält man demnach

A = /2

Rl Rl

RA
Λ3

_ 1,03

0,97

1,06

Es ergibt sich also eine Abweichung von 6% zwischen den Ausgangsströmen h und /).

So, wie es Schwierigkeiten bereitet, die Widerstandswerte genau miteinander in Übereinstimmung zu bringen, bereilet es außerdem Schwierigkeiten, die Kennlinien zwischen den Transistoren Q 1 und Q2 sowie zwischen den Transistoren Qi und QA miteinander in Übereinstimmung zu bringen. Der Einfluß der Kennli-

nienunlerschiede dieser Transistoren auf die Ausgangsströme h und h kann jedoch vernachlässigt werden angesichts des Einflusses der Schwankungen der Widerstandswerte.

Wie aus der obigen Betrachtung hervorgeht, werden aufgrund des Einflusses der Schwankungen der Widerslandswerte der Widerstände Ri, R2, R3 und A4 die -Stärken der Ausgangsströme h und Ij, die abhängig von den jeweiligen Eingangsströmen 1\ und U erzeugt werden, selbsi dann nicht gleich, wenn die Eingangsströme /ι und U übereinstimmen. Es ist daher nicht möglich, die erforderlichen Eingangs-/Ausgangs-Stromverhältnisse (hll\) und (hlU) von «1« exakt zu erhalten.

Bei der herkömmlichen Stromspiegelschaltung 1 besteht also das Problem, daß, wenn mehrere Ausgangsströme durch mehrere Eingangsströme erhalten werden, es unmöglich ist, die gegenseitigen Eingangs-/Ausgangs-Stromverhältnisse mit praktisch beliebiger Genauigkeit zu erhalten.

Wenn andererseits die Eingangs-ZAusgangs-Stromverhältnisse (hll\) und (Ij/U) auf einen willkürlichen, von »1« abweichenden Wert eingestellt werden soll, so muß man das Widerstandsverhältnis zwischen den Widerständen R 1 und R 2 und das zwischen R 3 und R 4 auf einen geeigneten Wert einstellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromspiegelschaltung zu schaffen, die gegenüber der beschriebenen insoweit verbessert ist, als bei selektiver Erzeugung mehrerer Ausgangsströme durch mehrere selektiv eingespeiste Eingangsströme die gegenseitigen Eingangs/Ausgangs-Stromverhältnisse im Vergleich zum Stand der Technik genauere Werte aufweisen können.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

In der erfindungsgemäßen Schaltung fließt Strom durch den ersten und durch den zweiten ohrr.schen Widerstand auch dann, wenn nur ein Transistorpaar arbeitet. Daher lassen sich die Eingangs-ZAusgangs-Stromverhällnisse mit praktisch beliebiger Genauigkeit auf einen gewünschten Wert einstellen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. I eine Schaltungsskizze einer herkömmlichen Stromspiegelschaltung,

F i g. 2 eine Schaltungsskizze einer ersten Ausfühiimgsform einer erfindungsgemäßen Stromspiegelschaltung.

F i g. 3 und 4 Schaltungsskizzen von Ersatzschaltungen entsprechend jeweils einem bestimmten Betriebszustand der Stromspiegelschaltung nach F i g. 2,

Fig. 5 eine Schaltungsskizze einer speziellen erfindungsgemäßen Stromspiegelschaltung, die zur Steuerung des Schwingungs-Ausgangssignals eines Multivibrators eingesetzt wird, und

F i g. 6A und 6B Impulsdiagramme von an dem Kondensator nach Fig.5 bzw. am Ausgang des Multivibrators entstehenden Spannungen.

Wie F i g. 2 zeigt, besitzt eine erfindungsgemäße Stromspiegelschaltung 10 ein erstes Transistorpaar Q 1 und Q 2, dessen Basen zusammengeschaltet sind, und ein /weites Transistorpaar Q3 und Q 4, dessen Basen ebenfalls /usammengeschaltet sind. Diese Stromspiegelschaltung besitzt außerdem eine erste und eine zweite BasisMromspciseschaltung 10a bzw. \0b. mit denen den Basen des ersten Transistorpaares Q\,Q2 bzw. des /weiten Transistorpaares Q3, Q4 Ströme zugeführt werden. Außerdem besitzt die Schaltung einen ersten Widerstand R 5, der mit einem Anschluß gemeinsam an die Emitter der Transistoren Q 1 und Q 4 angeschlossen ist und dessen anderer Anschluß auf Masse liegt, wobei das Massepotential das Bezugspoteniial ist. Die Schaltung besitzt weiterhin einen zweiten Widerstand Ro, der mit einem Anschluß gemeinsam an die Emitter der Transistoren Q 2 und Q 3 angeschlossen ist und der mit seinem anderen Anschluß auf Masse liegt. Die Stromspiegelschaltung ist derart aufgebaut, daß ein erster Eingangsstrom h über eine (nicht dargestellte) Eingangsstrom-Schaltvorrichtung und den ersten Eingangsanschluß 11 an den Kollektor des Transistors Q 1 gelangt, so daß über einen ersten Ausgangsanschluß 12 am Kollektor des Transistors Q 2 der erste Ausgangsstrom Λ erhalten wird. Ein zweiter Eingangsstrom U gelangt über den zweiten Eingangsanschluß 14 an den Kollektor des Transistors Q4, wodurch man über einen zweiten Ausgangsanschluß 13 am Kollektor des Transistors Q 3 den zweiten Ausgangsstrom h erhält.

Ober die erste bzw. die zweite Basisstromspeiseschaltung 10a bzw. 106 sind der Kollektor und die Basis des Transistors Q 1 bzw. der Kollektor und die Basis des Transistors Q 4 miteinander gekoppelt.

Aufgrund des in der Zeichnung dargestellten und oben beschriebenen Schaltungsaufbaus der erfindungsgemäßen Stromspiegelschaltung nach F i g. 2 sind zwischen dieser und der herkömmlichen Stromspiegelschallung 1 nach F i g. 1 folgende Unterschiede vorhanden: In der herkömmlichen Stromspiegelschaltung liegen die Widerstände R\ und R4 individuell an dem Emitter des Transistors Q\ bzw. Q4, denen gemäß F i g. 1 die Eingangsströme I₁ bzw. I_A zugeführt werden. In der erfindungsgemäßen Stromspiegelschaltung sind die Widerstände R I und R 4 ersetzt durch den gemeinsamen Widerstand R 5. Während gemäß F i g. 1 die Widerstände R 2 und R 3 individuell an die Emitter der Transistoren Q2 bzw. ζ) 3 angeschlossen sind, in die die Ausgangsströme h bzw. /3 fließen, ist gemäß F i g. 2 statt dessen der gemeinsame Widerstand R 6 vorgesehen.

Die Stromspiegelschaltung 10 arbeitet wie folgt: Der erste und der zweite Eingangsstrom U bzw. U werden selektiv an den ersten bzw. den zweiten Eingangsanschluß 11 bzw. 14 gelegt, so daß die Stromspiegelschaltung 10 arbeitet. Es soll nun der Fall betrachtet werden, daß der erste Eingangsstrom in den ersten Eingangsanschluß 11 eingespeist wird. In diesem Fall arbeitet lediglich das erste Transistorpaar Q\,Q2, deren Basen zusammengeschaltet sind, während das zweite Transistorpaar (J 3, ζ> 4 im Ruhezustand verbleibt. F i g. 3 zeigt für diesen Zustand eine Ersatzschaltung 20 der Stromspiegelschaltung 10.

Wenn man in F i g. 3 annimmt, daß die Basisspannung Va/ an dem ersten Transistorpaar Q 1, Q 2 mit V»£i bzw. V«£2 bezeichnet werden, so erhält man die Beziehung:

= V«i^₂ + R 6/₂

Die Beziehung zwischen dem Kollektorstrom k und der Basisspannung Vhf. eines Transistors ist durch folgende Gleichung gegeben:

wobei ν, die Temperaturspannungskomponente V₁ =

(q: Elementarladung, k: Boltzmann-Konitante, T:

absolute Temperatur) und Is der Sättigungsstrom ist.

Der erste Ausgangsstrom /2, der an den ersten Ausgangsanschluß 12 abgegeben wird, ist aus den Gleichungen (1) und (2) durch folgende Beziehung gegeben:

Als nächstes soll der Fall betrachtet werden, daß der zweite Eingangsstrom U in den zweiten Eingangsanschluß 14 eingespeist wird. In diesem Fall arbeitet das Transistorpaar Q 3, ζ) 4, während das erste Transistorpaar Q 1, Q 2 im Ruhezustand verbleibt. F i g. 4 zeigt für diesen Zustand eine Ersatzschaltung 30 der Stromspiegelschaltung 10. Die Ersatzschaltung 30 ist symmetrisch zu der obigen, in F i g. 3 gezeigten Ersatzschaltung 20 aufgebaut. Tatsächlich sind die beiden Ersatzschaltungen bezüglich ihrer Arbeitsweise im wesentlichen identisch. Daher stellt sich der zweite Ausgangsstrom /3 am zweiten Ausgangsanschluß 13 folgendermaßen dar:

Folglich kann man in der Stromspiegelschaltung 10 dadurch, daß man am ersten Eingangsanschluß 10 den ersten Eingangsstrom /1 eingibt, an dem ersten Ausgangsanschluß 12 den ersten Ausgangsstrom h gemäß der obigen Gleichung (3) erhalten. Am zweiten Ausgangsanschluß 13 erhält man gemäß Gleichung (4) den zweiten Ausgangsstrom /3, indem man den zweiten Eingangsstrom /4 in den zweiten Eingangsanschluß 14 einspeist.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, erhält man in der erfindungsgemäßen Stromspiegelschaltung den ersten und den zweiten Ausgangsstrom h bzw. /3 gemäß Gleichung (3) bzw. (4). Hieraus folgt, daß die Beziehung zwischen dem ersten Eingangsstrom /1 und dem ersten Ausgangsstrom /2 nach Maßgabe der Gleichung (3) und die Beziehung zwischen dem zweiten Eingangsstrom /₄ und dem zweiten Ausgangsstrom /3 nach Maßgabe der Gleichung (4) vollständig identisch sind, wenn I-, = /4. Die Stromspiegelschaltung 10 wird also im Gegensatz zu der herkömmlichen Stromspiegelschaltung 1 im keiner Weise durch Schwankungen der Widerstandswerte beeinflußt, wenn der erste und der zweite Ausgangsstrom /2 bzw. /3 gleich groß werden.

Tatsächlich liegt in der Stromspiegelschaltung 10 nach der Erfindung eine gewisse Schwankung (Nicht-Übereinstimmung) in den Werten des ersten und des zweiten Ausgangsstroms h und /3 vor, und zwar aufgrund des. Einflusses der Kennlinienunterschiede zwischen, dem ersten bis vierten Transistor Ql bis Q 4. Diese Schwankungen sind jedoch so klein, daß sie vernachlässigbar sind. Weiterhin lassen sich diese Schwankungen einfach dadurch reduzieren, daß man die Emitterpotentiale Ve der Transistoren Q1 bis Q 4 auf hohe Werte einstellt.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, vermag die erfindungsgemäße Stromspiegelschaltung 10 nahezu sämtliche Schwankungen der Werte zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsstrom h und /3 zu eliminieren, was bei der herkömmlichen Stromspiegelschaltung 1 ein Problem darstellt Die erfindungsgemäße Verbesserung läßt sich durch einfache Mittel erzielen.

Für die obige Ausführungsform wurde der Fall erläutert, daß die jeweiligen EingangS'/Ausgangs-Stromverhäitnisse (hU\) und (h/U) beide den Wert »1« hatten.

d.h., es bestand die Beziehung Λ5 = Λ6. Es ist jedoch auch möglich, ein praktisch beliebiges Eingangs-/Ausgangs-Stromverhältnis mit einem von »1« abweichenden Wert zu erhalten, wenn man einen anderen Wert für das Widerstandsverhältnis R 5IR 6 wählt.

Fig. 5 zeigt den Aufbau einer Schaltung, bei der die erfindungsgemäße Stromspiegelschaltung 10 beispielsweise in einer Multivibratorschaltung M eingesetzt ist, die man als FM-Modulator in einem Videobandgerät verwenden kann.

Die Stromspiegelschaltung 10 besteht aus den Transistoren Qi bis <p4 und den Widerständen R 5 und Λ 6, und sie wird eingesetzt, um das Schwingungs-Ausgangssignal eines an sich bekannten Multivibrators einer Oszillatorschaltung M zu steuern. Die Schaltung enthüll Transistoren <?7 bis <?12, Widerstände Rl bis RIO, Dioden D 1 und D 2 und einen Kondensator C.

In Fig.5 bedeutet /5die Eingangsstromqucllc (modulierte Eingangssignale, z. B. Luminanzsignale), und die Transistoren QH und ζ) 12, Dioden D3 und DA und Widerstände R 11 und R12 bilden eine Eingangsstrom-Schaltvorrichtung für die Stromspiegelschaltung 10.

V_1x ist ein Anschluß für eine Versorgungsspannung, und OUT ist ein Ausgangsanschluß für ein Schwingungssignal.

In diese Oszillatorschaltung M wird eine Spannung 6.4 (Fig.6A) des Kondensators C durch den Ausgangsstrom /2 und /3 der Stromspiegelschaltung 10 gesteuert. F i g. 6a zeigt den Verlauf der Spannung 6/4 am Kondensator C. Die Anstiegszeit t\ und die Abfallzeit h des Spannungsverlaufs 6/4 ergeben sich durch folgende Beziehung:

wobei Vres die Schwingungs-Ausgangsspannung des Multivibrators M und C die Kapazität des Kondensators Cist.

Wie oben angedeutet, hängen die Anstiegszeit U und die Abfallzeit h des Spannungsverlaufs 6Λ am Kondensator C ab von den Ausgangsströmen /2 und /3 der Stromspiegelschaltung 10. Die Oszillatorschaltung M gibt ein Schwingungssignal 65 (F i g. 6B) am Ausgang OUT auf der Grundlage des Signals 6/4 ab. Da der Amplitudenwert der Spannungswelle 6/4 des Kondensators C konstant ist, hängt das Tastverhältnis (ir.b) des Schwingungs-Ausgangssignals 6ß von den Stärken der Ausgangsströme h und /3 ab. Obschon sich das Tastvcrhältnisfa:i>/des Schwingungs-Ausgangssignals 6ßdurch die Gradienten des Schwingungssignals während der Zeiten t\ und ft bestimmt, hängen die Gradienten selbst von den Ausgangsströmen h und /3 der Stromspiegelschaltung 10 ab. Das Tastverhältnis des Schwingungssignals 6ß wird möglichst genau auf den Wert »1« eingestellt, um Probleme aufgrund Oberschwingungen, insbesondere von Schwingungen erster Ordnung, zu vermeiden. Obschon die Stärken der Ausgangsströme I₂ und /) gleich groß sein soll, läßt sich diesem Erfordernis in sehr einfacher Weise durch die erfindungsgemäße Stromspiegelschaltung 10 Rechnung tragen.

Wird die erfindungsgemäße Stromspiegelschaltung 10 zur Steuerung des Schwingungs-Ausgangssignals des Multivibrators der Oszillatorschaltung M eingesetzt, wie es oben beschrieben wurde, so besteht weiterhin die Möglichkeit die Schaltvorrichtung bei einer niedrigeren Spannung zu betreiben, als es bei den bisher üblichen Schaltungen möglich war.

In Abwandlung der oben beschriebenen Ausführungsform, bei welcher unter Verwendung von zwei Sätzen von Transistorpaaren zwei Eingangsanschlüsse und zwei Ausgangsanschlüsse vorgesehen sind, können mich drei oder mehr Eingangsanschlüsse sowie drei oder mehr Ausgangsanschlüsse vorgesehen sein, wobei dann drei oder mehr Transistorpaare verwendet werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

15

ίο

45

SO

55

60

65

Claims

Patentansprüche:

1. Stromspiegelschaltung mit zwei Transistorpaaren (Q 1, Q 2; Q 3, Q 4) mit jeweils einer Basisstromspeiseschaltung, wobei die Basen der jeweiligen Transistorpaare untereinander gekoppelt sind und jeweils der Kollektor eines Transistors eines Paares an einen entsprechenden von zwei Eingangsanschlüssen (11,14) angeschlossen ist welchen selektiv Eingangsströme zugeführt werden, während jeweils der Kollektor des anderen Transistors eines Paares an einen entsprechenden von zwei Ausgangsanschlüssen (12, 13) angeschlossen ist, denen selektiv Ausgangsströme entnehmbar sind, und wobei Ohm'sche Widerstände (R 5, R 6) in den Emitterzuleitungen der Transistoren vorgesehen sind, gekennzeichnet durch einsn ersten Ohm'schen Widerstand (R 5), der gemeinsam in die Emitterzuleitung des jeweils einen Transistors der Transistorpaare (Qi, Q2; Q3, Q4) geschaltet ist, und durch einen zweiten Ohm'schen Widerstand (R 6), der gemeinsam in die Emitterzuleitung des jeweils anderen Transistors der Transistorpaare geschaltet ist.

2. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Basisstrom-Speiseschaltungen (10a, lOtydadurch gebildet ist, daß der Kollektor und die Basis des mit einem Eingangsanschluß (11, 14) verbundenen Transistors (Qt; Q 4) des zugehörigen Transistorpaares (Qi, Q 2; Q 3, Q 4) miteinander verbunden sind.

3. Stromspiegelschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verhältnisse der selektiv über die Ausgangsanschlüsse (12, 13) fließenden Ausgangsströme zu den selektiv über die Eingangsanschlüsse (11,14) fließenden Eingangsströmen auf »1« eingestellt sind.