DE3643573A1

DE3643573A1 - Stromverstaerkungsstufe mit niedrigem spannungsabfall

Info

Publication number: DE3643573A1
Application number: DE19863643573
Authority: DE
Inventors: Pietro Menniti; Antonella Lanati
Original assignee: SGS Microelettronica SpA
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1985-12-23
Filing date: 1986-12-19
Publication date: 1987-07-02
Anticipated expiration: 2006-12-20
Also published as: FR2592245B1; US4733196A; IT1200915B; DE3643573C2; IT8523363A0; FR2592245A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromverstärkungsstufe mit niedrigem Spannungsabfall und einem hohen Präzisionsgrad.

Die Erfindung ist besonders nützlich im Bereich von monolithisch integrierten Schaltungen, sowohl in integrierten Systemen des analogen Typs als auch in integrierten Systemen des Schaltungs- oder Logiktyps.

Die allgemeine Kollektorverbindung von zwei Stufen (Transistoren), deren erster als Last den Eingangsleitwert des zweiten sieht, die sog. Darlington-Verbindung, ist weit verbreitet in Anwendungen, in denen die Notwendigkeit herrscht, einen sehr kleinen Wert für die Eingangsadmittanz eines Verstärkers zu erhalten, der Halbleiter- Bauelemente der Bipolarart verwendet.

Wie gut bekannt ist, haben die Stromverstärkungsstufen des Darlington-Typs einen Nachteil, der ihre Verwendung ihn vielen Anwendungen ausschließen kann, der durch besondere Erfordernisse gekennzeichnet ist; d. h. die Spannung zwischen dem Kollektoranschluß und dem Emitteranschluß des "äquivalenten Transistors" in der Darlington- Anordnung kann nicht unter den Wert der Summe von V _BE des zweiten Transistors (T ₂ in den Figuren) des Kaskadenpaares und von V _CE des ersten Transistors des Kaskadenpaares (T ₁ in den Figuren) fallen.

In dem sehr oft vorkommenden Fall, wo der Ausgangsstrom des Darlingtons verwendet wird, um eine andere Schaltung irgendeiner Art durch einen Stromspiegel zu treiben, ist es oft von fundamentaler Wichtigkeit, daß der Spannungsabfall zwischen den Anschlüssen C (Kollektor) und E (Emitter) des Darlingtons sehr klein ist, um die Spannungsschwankung, mit anderen Worten die dynamische Charakteristik des E-Knotens oder des C-Knotens nicht übermäßig zu begrenzen. Tatsächlich kann der Stromspiegel eine Art der Schaltungsausführung haben, die komplex sein kann und dies kann einen gewissen Spannungsabfall zur Folge haben, der, summiert zu dem Spannungsabfall des Darlingtons (d. h. zwischen C- und E-Knoten), dazu führen kann, daß er selbst unvereinbar mit der Begrenzung ist, die durch die Versorgungsspannung gesetzt ist, die oft nur 5 V beträgt.

Eine ähnliche Schwierigkeit von untolerierbarer übermäßiger Begrenzung der Schwankungsmöglichkeit der Spannung trifft man in den Ausgangsstufen, die die Darlington-Verbindung und einen Abtastwiderstand verwenden zur Erfassung und Steuerung des Stroms durch den Ausgangstransistor durch eine Rückführung. Auch in diesem Typ der Anwendung begrenzt der Spannungsabfall zwischen den C- und E-Knoten des Darlingtons die maximale Spannung, die über die Last der Schaltung entwickelbar ist.

Mit dem Ziel, solch einen Nachteil von Darlington-Stufen zu überwinden, insbesondere in Schaltungssituationen des oben erwähnten Typs, und somit den Spannungsabfall der Stromverstärkungsstufe zu vermindern, ist es bekannt, den Kollektor des ersten Transistors T ₁ (Treiber) nicht mit dem Kollektor des zweiten Transistors T ₂ gemäß der typischen Darlington-Verbindung zu verbinden, sondern mit einem Schaltungsblock, der unterschiedlich von der "Last" oder von dem Stromspiegel ist, der durch den Ausgangstransistor E ₂ getrieben wird, oder selbst direkt mit der Versorgungsleitung.

Diese Anordnung erlaubt, die minimale Spannung zwischen dem C- und E-Knoten der Stromverstärkungsstufe auf nur die V _CE-Spannung des Ausgangstransistors T ₂ zu vermindern, allerdings zum Nachteil der Präzision des Ausgangsstroms, wie es später in der Beschreibung besser erläutert werden wird. Der Grad der Ungenauigkeit, wie er durch diese bekannte Anordnung eingeführt wird, ist in vielen Anwendungen nicht tolerierbar.

Es ist deswegen eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stromverstärkungsstufe mit niedrigem Spannungsabfall anzugeben, die zur gleichen Zeit eine hohe Präzision des Wertes des Ausgangsstroms in bezug auf ein gegebenes Eingangssignal aufrecht erhält, der im wesentlichen gleich demjenigen ist, der durch eine Darlington- Stufe des konventionellen Typs angeboten wird. Diese Aufgabe, wie auch andere Vorteile, die durch die nachfolgende Beschreibung augenscheinlich werden, werden gemäß der vorliegenden Erfindung mittels einer Stromverstärkungsstufe erreicht, die zwei Transistoren T ₁ und T ₂ aufweist, die im wesentlichen in Kaskade verbunden sind, und dadurch gekennzeichnet ist, daß der Kollektor des ersten Transistors T ₁ (Treiber) verbunden ist mit einem Stromspiegel, dessen Ausgang dann zu dem Ausgangsstrom der Verstärkungsstufe summiert wird.

Die Erfindung und die Vorteile, die sie in bezug auf die bekannten Techniken in Relation zu den oben diskutierten technischen Problemen bietet, werden leichter erläutert unter Bezugnahme auf eine Reihe von Schaltbildern, die hier lediglich zu erläuternden und nicht begrenzenden Zwecken in der beigefügten Zeichnung dargestellt sind, worin:

Fig. 1a und 1b jeweils das typische Bild einer Stufe des Darlington-Typs und des äquivalenten Transistors erläutern,

Fig. 2a und 2b die sich darauf beziehenden Schaltbilder von zwei typischen Schaltungssituationen erläutern, die Stromverstärkungsstufen des Darlington-Typs verwenden;

Fig. 3a und 3b Stromverstärkungsstufen zeigen, die gemäß dem Stand der Technik modifiziert sind und anstelle der herkömmlichen Darlington- Stufen in ähnlichen Schaltungssituationen der Fig. 2a und 2b verwendet werden,

Fig. 4a und 4b Stromverstärkungsstufen gemäß der vorliegenden Erfindung erläutern, die in ähnlichen Schaltungssituationen, wie in Fig. 2a, 2b, 3a und 3b erläutert, verwendet werden;

Fig. 5 das Schaltbild einer Schaltung erläutert, die einen Darlington verwendet, der oft in vielen integrierten Systemen gefunden wird;

Fig. 6 die Anwendung der Stromverstärkungsstufe der Erfindung in der Schaltung von Fig. 5 erläutert;

Fig. 7 ein weiteres Schaltbild einer anderen Schaltung erläutert, die einen Darlington verwendet, der oft in vielen integrierten Systemen des digitalen oder schaltenden Typs verwendet wird, und

Fig. 8 die Anwendung der Stromverstärkungsstufe der Erfindung in der Schaltung von Fig. 7 erläutert.

In vielen Anwendungen kann der Spannungsabfall über die Knoten C und E einer weit verwendeten Stromverstärkungsstufe des Darlington-Typs, dessen Basisschaltbild in Fig. 1a und 1b gezeigt ist, und der nicht kleiner sein kann als V _BET2 + V _CEsatT1, übermäßig groß werden.

Eine Situation dieser Art kann beispielsweise in dem Fall vorkommen, worin der Ausgangsstrom des Darlington verwendet wird, um durch einen Stromspiegel eine andere Schaltung irgendeiner Art zu treiben, wie in dem Schaltbild von Fig. 2a erläutert. Der Stromspiegel, der in Fig. 2a durch den Block dargestellt ist, der die Bezeichnung trägt, kann tatsächlich eine ziemlich komplizierte Schaltungsanordnung haben, und dies kann einen Spannungsabfall zur Folge haben, der, wenn er zu dem Spannungsabfall der Darlington-Stromverstärkungsstufe addiert wird, nicht vereinbar mit der verfügbaren Versorgungsspannung ist. Ein ähnliches Erfordernis des Verminderns des Spannungsabfalls über die C- und E-Knoten des Stromverstärkers, um eine bessere dynamische Charakteristik zu erlauben, kann z. B. in dem Fall einer in Fig. 2b gezeigten Ausgangsstufe vorhanden sein, die einen Darlington verwendet und durch zwei Transistoren T ₁ und T ₂ und durch einen Abtastwiderstand R _S für die Rückkopplungsregelung des Ausgangsstroms gebildet ist, d. h. der Spannungsabfall über die C- und E-Knoten des Darlington begrenzt die maximalen Spannungsschwankung, die über die Last Z _L entwickelt werden kann.

In beiden in Fig. 2a und 2b betrachteten Fällen ist es oft üblich, den Kollektor von Transistor T ₁ (Treiber) nicht mit dem Kollektor des Ausgangstransistors T ₂ zu verbinden, um so den Spannungsabfall über die C- und E-Knoten der Stromverstärkungsstufe nur auf die Spannung V _CEsatT2 (die Sättigungs-Kollektor-Emitter-Spannung von Transistor T ₂) zu vermindern und statt dessen den Kollektor von Transistor T ₁ mit einem Schaltungsblock zu verbinden, der verschieden von der Last und von dem Stromspiegel ist, der durch die Stromverstärkungsstufe betrieben wird, wie jeweils in Fig. 3a und 3b gezeigt.

Der unterschiedliche Schaltungsblock, der mit A in Fig. 3a und 3b bezeichnet ist, ist oft eine direkte Verbindung des Kollektors von Transistor T ₁ mit der Versorgungsleitung, obwohl er im allgemeinen jede geeignete Schaltungsanordnung haben kann.

Diese Anordnung des Standes der Technik bringt allerdings eine Ungenauigkeit des Ausgangsstromes einer Größe, die gleich zum Kollektorstrom des Transistors T ₁ ist, mit sich, die in vielen Fällen nicht toleriert werden kann. Ein Beispiel kann die Anwendung sein, worin der Ausgangsstrom mit hoher Präzision gesetzt werden muß durch Steuern des Emitterstroms des Darlington. Tatsächlich kann unter Bezugnahme auf Fig. 3a beobachtet werden, daß:

I _E2 =I _C2 + I _B2 I _C2 =I _E2 - I _B2
=I _E2 - I _E1
=I _E2 - (I _C1 + I _B1)
=I _E2 - (β ₁ + 1)I _B1

worin die Bezeichnungen wie herkömmlich sind und die Suffixe 1 oder 2 dazu dienen, jeweils den Bezug zu Transistor T ₁ und T ₂ der Verstärkungsstufe anzuzeigen.

Auch in dem zweiten der betrachteten Fälle kann unter Bezugnahme auf Fig. 3b beobachtet werden, daß der auf dem Abtastwiderstand R _S gemessene Strom sein wird

I _E2=I _C2 + I _B2=I _C2+I _E1
=I _L + I _E1

es wird deswegen ein Fehler einer Größe zugelassen, der gleich ist zu dem Basisstrom des Transistors T ₂, der unter Sättigungsbedingungen desselben Transistors T ₂ nicht vernachlässigbar ist.

Solche Probleme des Präzisionsverlusts, die sich aus der Notwendigkeit des Verminderns des Spannungsabfalls über die C- und E-Knoten der Stromverstärkungsstufe durch Verbinden des Kollektors von Transistor T ₁ (Treiber) mit einem anderen Schaltungsblock ergeben, werden in einer wirksamen Weise überwunden durch Verwenden der Stromverstärkungsstufe, die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist.

Wie schematisch in Fig. 4 erläutert, die denselben Anwendungstyp darstellt, der bereits in den vorherigen Fig. 2a und 3a untersucht wurde, betrachtet die Stromverstärkungsstufe der Erfindung die Verbindung des Kollektors von Transistors T ₁ (Treiber) mit einem Hilfsstromspiegel AUX 1. Der Ausgangsstrom I _OUT1 dieses Hilfsstromspiegels wird dann zu dem Ausgangsstrom I _OUT2 des Stromspiegels addiert, der durch die Verstärkungsstufe als ein Korrekturstrom getrieben wird.

Auf diese Art kann, wenn man annimmt, daß die Stromspiegel genau sind, leicht beobachtet werden, daß

I _OUT =I _OUT1 + I _OUT2 I _OUT1 =I _C1=I _E1 - I _B1 I _OUT2 =I _C2=I _E2 - I _B2

und unter der Voraussetzung, daß

I _B2 =I _E1

ist, hat man

I _OUT1 + I _OUT2=I _E1 - I _B1+ I _E2 - I _B2
=I _B2 - I _B1 + I _E2 - I _B2
=I _E2 - I _B1

Somit wird die Ungenauigkeit dieses Ausgangsstroms vermindert auf eine Größe, die lediglich gleich dem Basisstrom von Transistor T ₁ ist, der, wie durch leichte Betrachtungen augenscheinlich wird, um einen Faktor β ² kleiner ist als der Emitterstrom desselben Transistors T ₂ und somit ergibt sich eine Ungenauigkeit einer Größe, die sicherlich vernachlässigbar ist.

Das Schaltbild von Fig. 4b erläutert die Stromverstärkungsstufe der Erfindung, die auf dieselbe Schaltungssituation angewendet ist, die bereits unter Bezugnahme auf Fig. 2b und 3b untersucht worden ist.

In diesem Fall wird die Addition des Kollektorstroms von Transistor T ₁ zu dem Ausgangsstrom der Stromverstärkungsstufe vorgenommen durch Abziehen eines Stromes vom Knoten C, d. h. direkt von der Last, wobei zu diesem Zweck ein zweiter Hilfsstromspiegel AUX 2 verwendet wird, wobei der Strom gleich dem Kollektorstrom von Transistor T ₁ ist. Auch in diesem Fall kann, wenn man annimmt, daß die Stromspiegel genau sind, leicht beobachtet werden, daß:

I _L =I _C2 + I _E1 I _sens =I _E2=I _C2 + I _C1 + I _B1=
=I _L + I _B1

Die Ungenauigkeit des Ausgangsstroms führt zu einer Größe, die gleich dem Basisstrom I _B1 von Transistor T ₁ (Treiber) und somit praktisch vernachlässigbar ist.

Die Beschreibung geht nun weiter, um wenige typische Beispiele von Schaltungssituationen zu erläutern, worin die Verstärkungsstufe der vorliegenden Erfindung eine besonders wirksame Verwendung findet. In einigen integrierten Schaltungen kann es notwendig sein, von außen mittels einer Referenzspannung und/oder eines Referenzwiderstandes R _ref einen Strom für interne Verwendungen zu setzen. In diesen Fällen ist die typische Struktur die, die in Fig. 5 gezeigt ist, worin beobachtet werden kann, daß auf eine Differentialstufe (Eingangsübertragungsleitwertstufe) OTA eine Stromverstärkungsstufe des Darlington- Typs zum Treiben des Ausgangsstromspiegels folgt.

Die Referenzspannung V _ref, der über den Referenzwiderstand R _ref angelegt wird, setzt den Emitterstrom von Transistor T ₂.

Deswegen sollte der Ausgangsstrom I _OUT so dicht wie möglich zum Wert des Stromes I _ref sein.

Der Maximalwert, der für die Spannung V _ref zugelassen wird, ist:

V _ref,max = V _s - (V _BET2 + V _CEsatT1) - V-_ds

worin:
V _s = Versorgungsspannung und
V _ds = für den Betrieb des Ausgangsstromspiegels notwendige Minimalabfall.

Im allgemeinen wird die Auswahl eines bestimmten Stromspiegels diktiert durch Präzisionserfordernisse, weil normalerweise ein Stromspiegel mit hohen Präzisionskennwerten eine komplexere Schaltung hat und deswegen notwendigerweise einen höheren Spannungsabfall darstellt. Es ist deswegen allgemeine Praxis, den Spannungsabfall wegen der ihn verursachenden Stromverstärkungsstufe auf die Grenze zu vermindern, die lediglich gleich dem Wert V _CEsatT2 gemäß der Technik ist, die in Verminderung mit Fig. 3a beschrieben worden ist, aber das impliziert, wie beobachtet worden ist, die Einführung einer nicht vernachlässigbaren Ungenauigkeit in Übertragung der Daten (d. h. Ungenauigkeit von I _OUT als eine Funktion von V _ref).

Die Anwendung der Stromverstärkungsstufe der Erfindung in diesem speziellen Fall kann, wie in dem Schaltbild von Fig. 6 gezeigt, implementiert werden, worin die Symbole und die Bezeichnungen der verschiedenen Komponenten oder Blöcke die gleichen sind, wie die, die in den vorherigen Figuren verwendet wurden, und worin der Ausgangsstromspiegel und der Hilfsstromspiegel AUX 1 gemäß einer der möglichen Schaltungsimplementierungen desselben gezeigt sind.

Wie leicht beobachtet werden kann, erlaubt die Verwendung der Stromverstärkungsstufe der Erfindung in diesem besonderen Fall das Anwachsen der oberen Grenze für die Spannung V _ref, oder die Verwendung eines komplexeren Stromspiegels (präziser) am Ausgang, z. B., wie in Fig. 6 gezeigt, eines Wilson-Spiegels, der ein hochgenauer Spiegel ist, aber eine größere Dynamik erfordert.

In integrierten Systemen der Schaltart wird der Ausgangsstrom, d. h. der Strom, der durch die Stromverstärkungsstufe an eine Last Z _L geliefert wird, unter Rückführung gesteuert mittels Messen über den Abtastwiderstand R _s und durch Vergleichen mit einer Referenzspannung V _ref, wie in dem Schaltbild von Fig. 7 gezeigt.

Bei Verwendung der Stromverstärkungsstufe der Erfindung anstelle des Darlington von Fig. 7, wie in Fig. 8 gezeigt, ist es möglich, die Spannung zu vergrößern, die an die Last Z _L angelegt ist, und so den Minimalabfall der Verstärkungsstufe auf nur V _CEsatT2 zu vermindern und doch ein hohes Maß an Präzision im Ausgangsstrom aufrecht zu erhalten. Tatsächlich wird der Kollektorstrom vom Transistor T ₁ (Treiber) direkt über die Last Z _L zu dem Ausgangsstrom von Transistor T ₂ addiert durch Spiegeln des Kollektorstroms von T ₁ durch die beiden Hilfsstromspiegel AUX 1 und AUX 2, die jeweils durch die beiden strichlierten Rechtecke von Fig. 8 dargestellt sind.

Claims

1. Stromverstärkungsstufe, die zwei Transistoren T ₁ und T ₂ aufweist, die im wesentlichen in Kaskade geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des ersten Transistors T ₁ verbunden ist mit einem Stromspiegel, dessen Ausgangsstrom im wesentlichen zu dem Ausgangsstrom der Stufe addiert wird.

2. Stufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsstrom des Stromspiegels zu dem Ausgangsstrom eines Ausgangsstromspiegels addiert wird, der durch den Kollektorstrom für Transistor T ₂ getrieben wird.

3. Stufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsstrom des Stromspiegels direkt auf eine Last addiert wird, die durch den Transistor T ₂ mittels eines zweiten Stromspiegels getrieben wird.