DE3604530C2

DE3604530C2 -

Info

Publication number: DE3604530C2
Application number: DE3604530A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Yokohama Kanagawa Jp Hiyama
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Audio Video Engineering Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba AVE Co Ltd
Priority date: 1985-02-14
Filing date: 1986-02-13
Publication date: 1988-07-28
Also published as: KR860006870A; JPS61187406A; JPH0367366B2; US4647840A; DE3604530A1; KR900001169B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Stromspiegel nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 (DE-Z- "Regelungstechnik", H. 1, 1969, S. 12-16).

Stromspiegel werden vielfältig, insbesondere in integrierten Schaltungen eingesetzt. Die Druckschrift DE-Z-"Regelungstechnik", Heft 1, 1969, Seiten 12-16, zeigt die Verwendung eines Stromspiegels als Gegentakt-Eintaktumsetzer (Fig. 13b) sowie als Teil der Ausgangsstufe (Fig. 14a) eines Verstärkers. In beiden Fällen wird von der üblichen Grundschaltung des Stromspiegels Gebrauch gemacht, die aus zwei Transistoren gleichen Leitungstyps besteht, deren Emitter zusammen an Masse geschaltet sind, deren Basen verbunden sind und von denen der eine durch eine Verbindung zwischen der Basis und dem Kollektor als Diode geschaltet ist. Der Kollektor des einen Transistors dient als Eingang, der des anderen als Ausgang des Stromspiegels.

Die Druckschrift GB-Z-"Journal of Physics E", Vol. 7, No. 11, 1974, Seiten 921-923, offenbart die Verwendung eines identischen Stromspiegels in einer Mikrostromquelle. In diesem Fall wird der Eingangsstrom für den Stromspiegel von der Basis eines Eingangstransistors gewonnen, dessen Emitter mit einer einstellbaren Konstantstromquelle und dessen Kollektor mit Masse verbunden sind. An den Ausgang des Stromspiegels ist der Emitter eines Ausgangstransistors angeschlossen, dessen Basis mit dem Emitter des vorgenannten Eingangstransistors verbunden ist und dessen Kollektor den hochohmigen Ausgangsanschluß darstellt.

Die Druckschrift "Patent Abstracts of Japan", E-87, Vol. 3, No. 10, 29. 01. 1979, betreffend JP-A-53-139 163, offenbart eine Konstantspannungsquelle, die zwischen zwei Versorgungsspannungsanschlüssen einerseits eine Reihenschaltung aus einer Konstantstromquelle und einem als Diode geschalteten Transistor und andererseits die Reihenschaltung aus einem ersten Widerstand, der Kollektor-Emitter-Strecke eines zweiten Transistors und einem zweiten Widerstand aufweist. Die Basis des zweiten Transistors ist mit dem Verbindungspunkt der ersten Reihenschaltung verbunden, so daß die Basis des zweiten Transistors mit einem konstanten Potential beaufschlagt wird, durch den zweiten Transistor demzufolge ein konstanter Emitter- und damit auch konstanter Kollektorstrom fließt. Am Kollektorwiderstand des zweiten Transistors wird die konstante Spannung abgegriffen.

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 entwickelt, die lediglich mit einer Trockenzelle (mit einer Spannung von 1,5 V) als Stromquelle auskommen. Integrierte Schaltungen für diese Geräte sollen möglichst noch arbeiten, wenn die Spannung der Trockenzelle auf 0,9 V gesunken ist.

Fig. 1 zeigt eine bekannte Stromspiegelschaltung mit einem Paar integrierter Transistoren 110 und 112, deren Basis. Emitter-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 _C=V _BE≈0,6 V). Die Speisespannung V _CC muß ausreichend darüber liegen, wenn der Transistor 114 im Arbeitsbereich gehalten werden soll. Hierdurch ist ein Betrieb mit niedrigen Spannungen ausgeschlossen.

Eine verbesserte Stromspiegelschaltung ist in der JP-A- 60-33 717 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.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der eingangs angegebenen Art 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.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine bekannte Schaltung eines Stromspiegels und

Fig. 2 und 3 Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Transistoren 310 und 312 sind gepaarte Transistoren, 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 Eingangsstromqelle 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 Lastwiderstand 322 und über eine zusätzliche Stromquelle 324 mit dem Stromversorgungsanschluß 360 verbunden. Damit der Ausgangsstrom I _out dem Eingangsstrom I _IN gleicht, soll der von der Stromquelle 324 gelieferte Strom gleich dem von der Stromquelle 320 gelieferten 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 310 ist. Geht man davon aus, daß die Basisströme der Transistoren 310 und 312 vernachlässigbar sind, dann ergeben sich in dieser Schaltung für den Kollektorstrom I _C ₃₁₀ des Transistors 310 und den Kollektorstrom I _C ₃₁₂ des Transistors 312 folgende Gleichungen:

I _C ₃₁₀=I _IN + I₃₂₀ (1)
I _C ₃₁₂=I _out + I₃₂₄ (2)

In diesen Gleichungen stellt I _IN den Wert des Stroms dar, der vom Kollektor des Transistors 314 zum Stromeingangsknotenpunkt A fließt, während I _out der Wert des Stroms durch den Lastwiderstand 322 ist.

Da die Ströme der beiden Stromquellen 320 und 324 gleich sind und die beiden Kollektorströme I _C ₃₁₀ und I _C ₃₁₂ gleich sind, ist auch der Ausgangsstrom I _out gleich dem Eingangsstrom I _IN, das heißt I _out=I _IN.

Das Potential am Stromeingangsknotenpunkt A in Fig. 2 ist

V _A=V _CE ₃₁₀=V _BE ₃₁₀-V _BE ₃₂₆ (3)

Der Temperaturkoeffizient dieses Potentials ergibt sich zu

Die beiden Differentiale

in Gleichung (2) haben denselben konstanten Wert von -2×10^-3. Gleichung (4) wird daher zu

Dies bedeutet, daß der Temperaturkoeffizient praktisch Null ist.

Betrachtet man den Temperaturkoeffizienten von V _A genauer, dann stellt man fest, daß

enthält. Nachfolgende Gleichung (5) entspricht Gleichung (3)

Die rechte Seite der Gleichung (5) enthält nicht V _BE, deren Temperaturkoeffizient groß ist

sondern enthält V _T. Der Temperaturkoeffizient von V _T ist sehr gering, nämlich

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

Es sei angenommen, daß I₃₂₀=I _IN ist und N=100. Daraus folgt

V _A (25°C)=V _T ln 200=0,138 V (7)

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

Die Kollektor-Emitter-Spannung des NPN Tansistors 310 muß wenigstens 0,11 V betragen, damit der Transistor nicht gesättigt ist. Bei V _CE=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=I _IN und N=100 sind, dann ergeben sich das Potential am Punkt A bei 75°C (V _A (75°C)) bzw. bei -25°C (V _A(-25°C)) wie folgt

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 _BE 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 Ausgangsanschluß 380. 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 Ausgangsanschluß 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 _IN ist. Diese Ströme können aber auch verschieden sein.

Claims

1. Schaltungsanordnung, umfassend einen Stromspiegel mit einem ersten Transistor (310), dessen Emitter mit einem ersten Spannungsversorgungsanschluß (300) verbunden ist, dessen Kollektor mit einem Stromeingang (A) derSchaltungsanordnung und mit seiner Basis verbunden ist, und einem zweiten Transistor (312) gleichen Leistungstyps wie der erste Transistor (310), dessen Emitter mit dem Emitter des ersten Transistors (310) verbunden ist, dessen Basis mit der Basis des ersten Transistors verbunden ist und dessen Kollektor mit einem Ausgang (OUT) der Schaltungsanordnung verbunden ist,
eine an den Stromeingang (A) angeschlossene Eingangsstromquelle (314, 316, 318), und
eine zwischen den Ausgang (OUT) und einen zweiten Spannungsversorgungsanschluß (360) geschaltete Last (322),
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Stromquelle (320) zwischen die verbundenen Basen von erstem und zweitem Transistor (310, 312) und den zweiten Spannungsversorgungsanschluß (360) geschaltet ist, und
daß in die Verbindung zwischen Basis und Kollektor des ersten Transistors (310) eine für den Strom der Stromquelle (320) in Durchlaßrichtung geschaltete Diodenanordnung (326) angeordnet ist, die eine pn-Übergangsfläche aufweist, die größer ist als die Basis-Emitter-Übergangsfläche des ersten Transistors (310).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den zweiten Spannungsversorgungsanschluß (360) und den Kollektor des zweiten Transistors (312) eine zweite Stromquelle (324) geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere für den Strom der Stromquelle (412) in Durchlaßrichtung geschaltete Diodenanordnung (410), die eine pn-Übergangsfläche aufweist, die größer ist als die Basis-Emitter-Übergangsfläche des zweiten Transistors (312), zwischen den Kollektor und die Basis des zweiten Transistors (312) geschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Last einen Widerstand (322) umfaßt.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (310), und der zweite Transistor (312) npn-Transistoren sind.