DE3604530A1 - Stromspiegelschaltung - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine StromspiegeLschaLtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1,
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Stromspiegel werden oft in integrierten Schaltungen verwendet, und es sind viele verschiedene Schaltungen für Stromspiegel entwickelt worden. Eine Anforderung an Stromspiegel ist, daß der Betriebsstrom unabhängig von der Temperatur der Schaltung ist. Außerdem müssen Stromspiegel in integrierten Schaltungen für tragbare Geräte oder elektronische Miniaturgeräte mit einer niedrigen Versorgungsspannung arbeiten können. In der letzten Zeit hat man tragbare Geräte oder elektronische Miniaturgeräte entwickelte die lediglich mit einer Trockenzelle (mit einer Spannung von 1^,5 V) als Stromquelle auskommen. Integrierte Schaltungen für diese Gerate sollen möglichst noch arbeiten, wenn die Spannung der Trockenzelle auf 0,9 V gesunken ist.

"2 20 Fig. 1 zeigt eine bekannte Stromspiegelschaltung mit einem Paar integrierter Transistoren 110 und 112, deren Basis-Emittei—Strecken parallelgeschaltet sind. Kollektor und Basis des Transistors 110 sind direkt miteinander verbunden. Der Kollektor des Transistors 110 ist mit dem KoLlektor eines Transistors 114 verbunden. Der Transistor 114, ein Widerstand 116 und eine Signalquelle 118 stellen eine Eingangsstromquelle dar. Bei diesem Schaltungsaufbau kann der Transistor 114 nicht im Arbeitsbereich gehalten werden, wenn seine Emitterspannung und seine Kollektorspannung gleich einer Basis-Emitter-Durchlaßspannung (etwa 0,6 V) werden. (Die Kollektorspannung des Transistors 110 und damit die Kollektorspannung des Transistors 114 beträgt bei dem Schaltungsaufbau von Fig. 1 V_£ = ν_βΕ#0,6 V). Die Speisespannung V__ muß ausreichend darüber liegen, wenn der Transistor im Arbeitsbereich gehalten werden soll. Hierdurch ist ein

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Betrieb mit niedrigen Spannungen ausgeschLossen

ι / Eine verbesserte StromspiegeLscha Itung ist in der JP-A- 60-33717 offenbart. Bei jener StromspiegeLschaLtung sind eine Stromquelle und ein Widerstand hinzugefügt, wodurch ein Betrieb bei niedrigen Speisespannungen ermöglicht wird. Diese Schaltung besitzt jedoch keine gute Temperaturcharakteristik. Im allgemeinen muß die Schaltung im Temperaturbereich von -25°C bis 75°C arbeiten können. Wenn angenommen wird, daß die Temperatur 75°C oder -25°C erreicht, dann gerät ein Transistor der Stromspiegelschaltung in die Sättigung und gelangt somit aus seinem Arbeitsbereich heraus. Außerdem ist bei dieser Schaltung an. den Stromeingangsknotenpunkt ein Widerstand angeschlossen, dessen Wert bei der Fertigung einer Streuung unterliegt, womit das Potential an diesem Stromeingangsknotenpunkt entsprechende Toleranzen aufweist.

/1 Aufgabe der Erfindung ist es, eine Stromspiegelschaltung zu schaffen, die einen einfachen Aufbau besitzt, in der Lage ist, mit niedrigen Speisespannungen zu arbeiten und einen weiten Temperaturbereich aufweist. Ferner soll das Potential am Stromeingangsknotenpunkt stabil sein.

Ausgehend von der eingangs genannten Stromspiegelschaltung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine bekannte Schaltung eines Strom-

spiegeis und

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Fig. 2 und 3 Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Transistoren 310 und 312 sind gepaarte Transistören, das heißt sie haben gleichen Leitungstyp und gleiche Eigenschaften, vorzugsweise sind sie auf demselben Chip ausgebildet. Die Basen und die Emitter beider Transistoren sind jeweils miteinander verbunden. Die zusammengeschalteten Emitter sind mit einem Bezugsspannungsanschluß 300 (Schaltungsmasse) verbunden. Der Kollektor des Transistors 310 ist mit dem Stromeingangsknotenpunkt A verbunden, an den von einer Eingangsstromquelle ein Eingangsstrom geliefert wird. Die Eingangsstromquelle setzt sich aus einem Transistor 314, einem Widerstand 316 und einer Signalquelle 318 zusammen. Die zusammengeschalteten Basen der Transistoren 310 und 312 sind über eine Stromquelle 320 mit einem Stromversorgungsanschluß 360 verbunden. Der Kollektor des Transistors 312 ist über einen Ausgangsanschluß 380 mit einem Lastwidei— stand 322 und über eine zusätzliche Stromquelle 324 mit dem Stromversorgungsanschluß 360 verbunden. Damit der Ausgangsstrom I_out dem Eingangsstrom 1... gleicht, soll der von der Stromquelle 324 gelieferte Strom gleich dem von der Stromquelle 320 ge lieferten Strom sein. Zwischen Kollektor und Basis des Transistors 310 ist ein als Diode geschalteter Transistor 326 geschaltet. Der Emitter des als Diode geschalteten Transistors 326 besitzt eine Übergangsfläche, die N mal größer als diejenige des Emitters des Transistors ist. Geht man davon aus, daß die Basisströme der Transistoren 310 und 312 vernachlässigbar sind, dann ergeben sich in dieser Schaltung für den Kollektorstrom Ip₃₁Q des Transistors 310 und den Kollektorstrom Ir₃₁? ^^es Transistors 312 folgende Gleichungen:

^{= 1}IN ^{+ X}320

T=T+T ^XC312 ¹OUt ^X324

9/Ο/4Π

COS« 9 V

In diesen Gleichungen stellt I₁-, den Wert des Stroms dar,

der vom Kollektor des Transistors 314 zum Stromeingangsknotenpunkt A fließt, während I . der Wert des Stroms durch den Lastwiderstand 322 ist.

Da die Ströme der beiden Stromquellen 320 und 324 gleich

sind und die beiden Ko I lektor st röme I.,₁₍, undl_r71, gl

sind, ist auch der Ausgangsstrom I . gleich dem Eingangs-

ou* strom I_1n, das heißt l_Q[jt = 1^.

Das Potential am Stromeingangsknotenpunkt A in Fig. 2 ist ^VA " ^VCE310 ~ ^VBE310 " ^VBE326 ...(3) Der Temperaturkoeffizient dieses Potentials ergibt sich zu

_ *^VBE310 *^VBE326

- i ι

St "dl

Die beiden Differentiale "dl und ^T

in Gleichung (2) haben denselben konstanten Wert von -2 χ 10 . Gleichung (4) wird daher zu

A — = 0

Dies bedeutet, daß der Temperaturkoeffizient praktisch Null ist.

Betrachtet man den Temperaturkoeffizienten von V. genauer, dann stellt man fest, daß -^Va V_y C= -~-> enthält. Nach-

folgende Gleichung (5) entspricht Gleichung (3) 35

10/11/12/13

_{v = v ln} _ _n J32JL .

¹S ^{N 1}S

Die rechte Seite der Gleichung (5) enthält nicht V_BE, deren

Temperaturkoeffizient groß ist t) V_oc

C = I

2 χ

-λ sondern enthält V,. . Der Temperaturkoeffizient von V_ ist sehr gering, nämlich

. = — = 0,086 χ 10"³ VZ⁰C ...(6)

Demzufolge ändert sich das Potential V. am Stromeingangsknotenpunkt A selbst bei großen Änderungen der Temperatur der Schaltung kaum.

Es sei angenommen, daß Ι·ζ,_η = I_M ist und N = 100. Daraus folgt

V_A(25°C) = V_Tln 200 = 0,138 V ..Λ7)

Gleichung (7) bedeutet, daß V. stabil ist, nämlich einen festen Wert besitzt.

Die Kollektor-Emitter-Spannung des NPN Transistors 310 muß wenigstens 0,11 V betragen, damit der Transistor nicht gesättigt ist. Bei V„p = 0,138 V ist der Transistor im Arbeitsbereich.

Nimmt man einmal beispielhalber an, daß die Temperatur auf 75°C ansteigt oder auf -25°C sinkt, daß I₃₂₀ = Ι_χΝ und N = 100 sind, dann ergeben sich das Potential am Punkt A bei

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e> « * ■» <i β

75°C (V_A(7S°C)> bzw. bei -25⁰C (V_A(-25°O) wie folgt

av av

V_A(75°C) = V.C25°C) +5Ox ■ x -r

A A QVj Bj

= 0,138 + 50 χ In 200 χ 0,086 χ 10~³

= 0,161 V

V_AC-25°C) = V.(25°C) - 50 χ A A

= 0,138 - 50 χ In 200 χ 0,086 χ 1θ"³

= 0,115 V

Diese Werte bedeuten, daß die beiden Transistoren 310 und 314 nicht in die Sättigung kommen.

Da der Transistor 326, der eine Pegelschiebefunktion hat, vorgesehen ist, kann das Potential am Stromeingangsknotenpunkt A niedriger sein als die Spannung V_ßE eines einzelnen Transistors (etwa 0,6 V). Dies bedeutet, daß die Stromspiegelschaltung gemäß der Erfindung mit einer relativ niedrigen Speisespannung arbeiten kann.

Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Fig. 3 sind die gleichen Bezugszeichen zur Bezeichnung gleicher Schaltungsteile wie in Fig. 2 verwendet.

In Fig. 3 ist ein als Diode geschalteter Transistor 410 zwischen die Basis und den Kollektor des Transistors 312 geschaltet. Eine Stromquelle 412 liefert einen konstanten Strom gleichermaßen an die Transistoren 326 und 410. Bei dieser Schaltungsanordnung liefern die Stromquelle 412 und der Transistor 410 einen zusätzlichen Strom, und der Transistor 410 bewirkt eine Senkung des Potentials am Ausgangs-

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anschluß 330. Daher kann die Schaltung mit niedriger Speisespannung arbeiten und das Potential des Ausgangsanschlusses stabilisieren. Außerdem kann der Einfluß des Early-Effekts zwischen dem Stromeingangsknotenpunkt und dem Ausgangsan-Schluß reduziert werden.

Der Widerstand 316 in den Fig. 2 und 3 kann .durch eine Stromquelle ersetzt werden. Die Beschreibung der Stromspiegelschaltung von Fig. 2 erfolgte unter der Voraussetzung^, daß der Strom I320 gleich dem Strom I-j. ist. Diese Ströme können aber auch verschieden sein.

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Stromspiegelschaltung, umfassend einen Stromversorgungsanschluß (360), einen Bezugsspannungsanschluß (300),

   einen ersten Transistor (310), dessen Emitter mit dem Bezugsspannungsanschluß (300) und dessen Kollektor mit dem Stromversorgungsanschluß (360) gekoppelt sind, *-

   einen zweiten Transistor (312) gleichen Leitungstyps* wie der erste Transistor (10), dessen Emitter mit dem Bezugsspannungsanschluß (300) verbunden ist, eine erste Einrichtung, die die Basen des ersten und des zweiten Transistors (310, 312) miteinander verbindet,

   eine zweite Einrichtung, die den Kollektor des ersten Transistors (310) mit einem Stromeingangsknotenpunkt (A) verbindet, und

   eine Lastschaltungsanordnung (322, 324), die zwischen den Kollektor des zweiten Transistors (312) und den Stromversorungsanschluß (360) geschaltet ist, gekennzeichnet durch

   eine Stromquellenanordnung (320), die zwischen den Strom-Versorgungsanschluß (360) und die erste Einrichtung geschal tet ist, und Ϊ

   eine Diodenanordnung (326), die eine pn-übergangsflache

   Radecfcestraße 43 6000 München 60 Tetefon (089) 883603/883604 Telex 5212313 Telegramme Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 4186237 Telegramme Patentconsult

   Ss

   aufweist, die größer ist als die Basis-Emittei—übergangsfläche des ersten Transistors (310), und die zwischen Kollektor und Basis des ersten Transistors (310) geschaltet ist, um dem Stromeingangsknotenpunkt (A) einen Strom von der

   StromqueILenanordnung (320) zuzuführen.

   2. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastschaltungsanordnung eine zweite Stromquelle (324) umfaßt, die zwischen den Stromversorgungsan- Schluß (360) und den Kollektor des zweiten Transistors (312) geschaltet ist.

   3. Stromspiegelschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastschaltungsanordnung einen Widerstand (322) umfaßt, der zwischen den Stromquellenanschluß (360) und den Kollektor des zweiten Transistors (312) geschaltet ist.

   > 4. StromqueILenanordnung nach einem der vorherigen An-

   sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor » (310) und der zweite Transistor (312) NPN Transistoren sind.

   5. Stromquellenanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zweite Diodenanordnung (410) mit einer pn-über gangsfläche, die größer ist als die Basis-Emitter-übergangs- fläche des zweiten Transistors (312), die zwischen den Kollektor und die Basis des zweiten Transistors (312) geschaltet ist, um dem Kollektor des zweiten Transistors einen Strom von der Stromquellenanordnung (412) zuzuführen.

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