DE3431292A1

DE3431292A1 - Schaltungsanordnung zur erzeugung eines stromes

Info

Publication number: DE3431292A1
Application number: DE19843431292
Authority: DE
Inventors: Hartmut 7410 Reutlingen Seiler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1984-08-25
Filing date: 1984-08-25
Publication date: 1986-03-06

Description

R. 19575 .

20.6.1984 Ko/TEX-Un

ROBERT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 1

Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Stromes Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Stromes nach der Gattung des Hauptanspruches.

Aus der Druckschrift "Philips Technische Rundschau", 32. Jahrgang, 1971/72, Nr. 1, S. 1 - S. 12, sind bereits Schaltungsanordnungen zur Erzeugung eines Stromes bekannt. Soll dieser Strom für eine Referenzwerterzeugung verwendet werden, etwa für Meßzwecke, so ist die Temperaturabhängigkeit des Stromes besonders zu berücksichtigen. Durch Gegenkoppelungsmaßnahmen, wie sie etwa zur Temperaturstabilisierung aus der diskreten Halbleitertechnik bekannt sind, oder durch thermische oder elektrische Verkoppelung von Bauelementen mit positiven und negativen Temperaturkoeffizienten lassen sich jedoch oft nur unzureichende Genauigkeiten erzielen. Dies gilt insbesondere für monolithisch integrierte Schaltungen, bei denen ausschließlich monolithisch integrierte Komponenten verwendet werden. In dem weiten Temperaturbereich von -40 ⁰C bis +140 ⁰C kann oft ein relativer Fehler in der Größenordnung von 5 % nicht unterschritten werden. Genaue Temperaturgänge, etwa zur Temperaturmessung oder hochgenaue Temperaturkompensation des Stromes, lassen sich demnach nur mit aufwendigen Temperaturregelungen oder durch Verwendung von diskreten Präzisionswiderständen erreichen=

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Stromes

rait den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß in einfacher Weise jeder beliebige gewünschte Temperaturgang des Stromes synthetisiert werden kann. So ist es durch die Erfindung möglich, mit Hilfe einer einzigen Temperaturfunktionsstufe die Resttemperaturabhängigkeit eines auf 5 % linear vorkompensierten Stromes im Temperaturbereich von 0⁰C- 140 ⁰C auf 0,5 % zu senken. Das ist dadurch möglich, daß der Ausgangsstrom der Temperaturfunktionsstufe eine Funktion der Temperatur und des Eingangsstromes ist, so daß auch Temperaturabhängigkeiten höherer als erster Ordnung (Potenzreihenentwicklung des Temperaturganges) kompensiert werden.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben. Ist die Übertragungsfunktion der Temperaturfunktionsstufe nicht nur eine Funktion der Temperatur, sondern auch entsprechend einer Rückkopplung eine Funktion ihres eigenen Ausgangsstromes, so lassen sich besonders genaue, durch Schaltelemente sogar nicht differenzierbare, Temperaturgänge erzeugen. In monolithisch integrierter Technik lassen sich die Elemente der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besonders vorteilhaft realisieren, da eine gute thermische Koppelung der Temperaturfunktionsstufen vorliegt. Das Verhältnis der Teilerströme kann durch einen Stromspiegel mit verschiedenen Emitterflächen hochgenau eingestellt werden.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Figur 1 zeigt das Prinzipschaltbild der Erfindung, Figur 2 das elektrische Schaltbild des Ausführungsbeispieles und Figur 3 einen Temperaturgang zur Erläuterung der Wirkungsweise.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Figur 1 liefert eine Referenzstromquelle 1 einen Strom I„ an einen Stromteiler 2. Der Strom I_ kann ein temperaturabhängiger Konstantstrom sein, aber auch in Abhängigkeit weiterer Parameter stehen. Der

Stromteiler 2 ist eine stromgesteuerte Stromquelle, (Stromspiegel) wobei der Steuerstrom der Eingangsstrom I_ ist. Er besitzt η Ausgänge, durch die jeweils ein Strom hinaus oder hinein fließt, je nach Vorzeichen des Verstärkungsfaktors der Stromquelle. Die ersten n-1 Ströme fließen jeweils zu einer Temperaturfunktionsstufe 3? deren Stromübertragungsfunktion F. eine Funktion der Temperatur T ist. Die Ausgangsströme der Temperaturfunktionsstufen 3 führen auf den Eingang eines Stromsummierers 5· Der letzte Ausgangsstrom I des Stromteilers 2 führt über einen Direktpfad 4 zum Stromsummierer 5. Der Stromsummierer 5 bildet an seinem Ausgang die Summe I. der Eingangsströme.

Durch Wahl geeigneter Stromübertragungsfunktionen Fj der Temperaturfunktionsstufen 3 gelingt es, dem Ausgangsstrom I. des Stromsummierers 5 jeden beliebigen gewünschten Temperaturgang aufzuprägen» Sind die Temperaturfunktionsstufen 3 als Temperaturschalter ausgestaltet, die sich in ihrer Schaltungsstruktur lediglich durch andere Dimensionierungen unterscheiden, so daß sich ein Schaltvorgang bei einem jeweils anderen Temperaturbereich vollzieht, ist die Synthese eines beliebigen Temperaturganges sukzessiv und daher besonders einfach möglieh.

In Figur 2 ist das Schaltdiagramm eine monolithisch integrierten Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines temperaturkompensierten Stromes gemäß der Erfindung angegeben. Die Schaltung ist dabei zwischen eine obere Versorgungsspannung U_Q und eine untere Versorgungsspannung U_

ο U

als Bezugsspannung geschaltet. In der Schaltung wird eine Referenzspannung Uf, gebildet, was in an sich bekannter Weise geschieht, und zur Vereinfachung der Darstellung in Figur 2 nicht weiter dargestellt ist. Gegenüber der Bezugsspannung U_Q besitzt die obere Versorgungsspannung U ein Potential von 5 V und die Referenzspannung U_ ein Potential von 1 V.

In der Figur 2 ist ein Stromteiler oder Mehrfachstromspiegel, bestehend aus drei Transistoren T1, T2, T3 dargestellt. Der Transistor T1 stellt dabei die Eingangsdiode dar, wozu seine Basis und sein Kollektor miteinander kurzgeschlossen sind. Die Basen des Stromteilers sind

miteinander verbunden und die Emitter liegen gemeinsam an der Bezugsspannung U_Q. Der Eingangsstrom, der in Figur 1 dem Strom I„ entspricht, wird aus der Referenzspannung U über einen Widerstand R1 und aus der Versorgungsspannung UL über einen Widerstand R2 gebildet. Den Ausgangsströmen des Stromteilers durch die Transistoren T2, T3 ist damit ein Temperaturverhalten eingeprägt, das sich aus dem Temperaturverhalten des Widerstandes R1, der Referenzspannung U _ und der Eingangsdiode T1 zusammensetzt. Durch verschieden große Emitterflächen des Stromteilers T1, T2, T3 ist der Strom durch den Ausgangstransistor T2 gleich dem 0,1-fachen und der Strom durch den Ausgangstransistor T3 gleich dem 0,5-fachen des Eingangsstromes. Für jeden dieser Ausgangsströme ist zur Entkopplung und zur weiteren Verstärkung bzw. Verminderung ein Stromspiegel an der oberen Versorgungsspannung U_ vorgesehen. Der Ausgangsstrom des Transistors T2 fließt dabei durch einen Stromspiegel T²J, T5 mit dem Spiegelfaktor 0,25 und der Ausgangsstrom des Transistors T3 fließt durch einen Stromspiegel T10, T11 mit den Spiegelfaktor 1. Damit ist der Ausgangsstrom durch den Transistor T5 gleich dem 0,025-fachen und der Ausgangsstrom durch den Transistor T11 gleich dem 0,5-fachen des Eingangsstromes. Auf diese Weise kann durch geeignete Wahl der Zahl von Stromspiegeln das Vorzeichen der Ausgangsströme und durch geeignete Wahl der Spiegelfaktoren deren Proportionalitätsfaktor zum Eingangsstrom eingestellt werden.

Der Ausgangstransistor T5 bildet die gemeinsame Emitterstromquelle eines Differenzverstärkers bestehend aus zwei Transistoren T6, T7· Durch Widerstände R6, R7 in den Emitterleitungen der Transistoren T6, T7 wird in bekannter Weise der Aussteuerungsbereich des Differenzverstärkers verbreitert. Das Ausgangssignal eines Differenzverstärkers stellt bekanntlich die Differenz der Kollektorströme dar, die in der Figur 2 als Strom I_ vom Kollektor des Transistors T6 abgenommen wird. Das wird dadurch erreicht, daß der Kollektorstrom des Transistors T7 auf die Eingangsdiode T9 eines Stromspiegels T8, T9 fließt, so daß durch die Kollektoremitterstrecke des Ausgangstransistors T8 ein Strom der gleichen Stromstärke fließen muß. Da die Kollektoren der Transistoren T6, T8 miteinander verbunden sind, stellt der Strom 13 gerade die Differenz der Kollektorströme des Differenzverstärkers dar.

Das Eingangssignal eines Differenzverstärkers ist bekanntlich die Differenz der Basisspannungen. Die Spannung an der Basis des Transistors T7 ist dabei durch einen ohmsehen Spannungsteiler R4, R5 zwischen der Referenzspannung U und der Bezugsspannung U_Q festgelegt. Die Basisspannung des Transistors T6 ist dagegen durch die Diodendurchflußspannung einer Diode D festgelegt, die durch einen Widerstand R3 von der Referenzspannung U _f vorgeströmt wird. Die Diode D hat wie jede Halbleiterdiode ein ausgeprägtes Temperaturverhalten, d. h. mit steigender Temperatur verringert sich ihre Diodendurchflußspannung. Der Widerstand R3 und Diode D an der Basis des Transistors T6 verhalten sich demnach wie ein temperaturabhängiger Spannungsteiler. In Abhängigkeit von der Temperatur stellt diese Differenzverstärkeranordnung um die Transistoren T6, T7 daher einen temperaturabhängigen Stromschalter dar. Wenn bei einer bestimmten Temperatur die Kollektorströme des Differenzverstärkers gleich sind, so daß der Strom I_ gleich 0 ist, so wird bei steigender Temperatur der Strom I- zunehmen und aus dem Differenzverstärker herausfließen, da der Transistor T6 mehr Stromanteile übernimmt, entsprechend wird bei niedriger Temperatur der Transistor T7 mehr Stromanteile übernehmen, so daß der Strom 13 mit umgekehrtem Vorzeichen in den Differenzverstärker hineinfließen muß.

Der Strom 13 und der Strom 11 des Ausgangstransistors T11 des Stromspiegels T10, T11 bilden zusammen den Eingangsstrom eines weiteren Stromspiegels T12, T13, deren Emitter an der Bezugsspannung U_Q liegen. Da der Spiegelfaktor des Stromspiegels T12, T13 gleich 1 ist, stellt der Ausgangsstrom 12 durch den Ausgangstransistor T13 die Summe der Ströme 11 und 13 dar. Der Stromspiegel T12, T13 verhält sich daher wie ein Stromsummierer.

In Figur 3 ist ein Diagramm der Ströme 11, 12, 13 aufgetragen, wie sie mit Hilfe der in Figur 2 dargestellten Schaltung gemessen wurden. Als Abszisse ist die Temperatur T in Grad Celsius aufgetragen, als Ordinate die Ströme in Mikroampere. Zur besseren Darstellung ist für den Strom 13 eine gesonderte Ordinate dargestellt, welche ihren Nullpunkt etwa in Bildmitte der Figur 3 hat. Der zum Eingangsstrom des Transistors T1 proportionale Strom 11 ist in einem Bereich von 0 °C - 140 C mit einem temperaturbedingten Fehler von ca. 10 % behaftet.

-*- i y D

D / 0

Der Strom 13 als Ausgangstrom des Differenzverstärkers T6, T7 besitzt seinen Vorzeichenweehsel bei etwa 120 °C. Auserhalb des Aussteuerungs bereichs des Differenzverstärkers ist der Strom 13 proportional zum Strom 11. Der Summenstrom 12 ist darauf im Temperaturbereich von 0 ⁰C - 140 ⁰C auf ca. 0,5 % temperaturkompensiert, was einer Steigerung der Genauigkeit mit einer einzigen Temperaturfunktionsstufe um den Faktor 20 bedeutet.

- Leerseite

Claims

Η· 19575
20.6.1984 Κο/ΤΕΧ-ϋη

ROBERT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 1

Ansprüche

(1.1Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Ausgangsstromes (I.) mit einer Eingangsstromquelle (1) zur Erzeugung eines Eingangsstromes (I„) dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Stromteiler (2) jeweils wenigstens zwei zum Eingangsstrom (I„) proportionale Teilströme

Ci

(I.-I _ ) bildet, daß wenigstens ein Teilstrom (I) auf einen Eingang eines Stromsummierers (5) führt, daß wenigstens ein Teilstrom (I.-I _ ) auf den Eingang einer Temperaturfunktionsstufe (3) führt, die eine temperaturabhängige Stromübertragsfunktion besitzt, daß der Ausgangsstrom der Temperaturfunktionsstufe (3) auf einen Eingang des Stromsummierers (5) führt und daß der Ausgangsstrom (I.) der Schaltungsanordnung durch den Ausgangsstrom des Stromsummierers (5) festgelegt ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsstrom (I_) aus wenigstens einer Konstantspannungsquelle (U J über jeweils wenigstens einen Widerstand (R1) abgeleitet wird»
3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Stromteiler (2) ein erster Stromspiegel mit einem Ausgangstransistor (T2, T3) für jeden Teilstrom ist, und daß der Spiegelfaktor (k.) durch die Emitterflächen der Transistoren (T1, T2, T3) des Stromspiegels festgelegt ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Vorzeichen der Teilströme durch weitere Stromspiegel (T4, T5, T10_s T11) im Pfad der Ausgangsströme der Ausgangstransistoren festgelegt sind.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturfunktionsstufe (3) ein Temperaturschalter ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturschalter einen Differenzverstärker (T6, T7) enthält, daß die Summe der Emitterströme des Differenzverstärkers (T6, T7) proportional zum Teilstrom am Eingang des Temperaturschalters ist, und daß der Differenzverstärker (T6, T7) temperaturabhängig angesteuert wird.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß an der Basis eines Transistors (T7) des Differenzverstärkers ein mit einer Konstantspannung (U _f) betriebener Spannungsteiler (R4, R5) liegt, und daß an die Basis des anderen Transistors (T6) des Differenzverstärkers eine durch die Flußspannung einer Diode (D) festgelegte Spannung liegt, wobei die Diode (D) vorzugsweise durch einen Widerstand (R3) vorgeströmt ist.
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 oder 7 dadurch gekenzeichnet, daß der Differenzstrom (13) des Differenzverstärkers (T6, T7) durch einen zweiten Stromspiegel (T8, T9) im Pfad der Kollektorströme und durch einen, zwischen dem Differenzverstärker (T6, T7) und dem zweiten Stromspiegel (T8, T9) gelegenen, Stromabgriff für den Differenzstrom (13) gebildet wird.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dasdurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Einstellung der Steilheit des Differenzverstärkers (T6, T7) vorgesehen sind, vorzugsweise Widerstände (R6, R7) in den Emitterleitungen der Transistoren (T6, T7) des Differenzverstärkers vorgesehen sind.
10. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsummierer (5) ein dritter Stromspiegel (T12, T13) ist, wobei die Eingangsströme (11, 13) des dritten Stromsummierers (5) gemeinsam zur Eingangsdiode (T12) des dritten Stromspiegels führen.
11. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß in den Strompfad des Ausgangsstromes der Temperaturfunktionsstufe wenigstens eine Diode geschaltet ist.