DE3643573C2 - Stromverstärkungsstufe mit niedrigem Spannungsabfall - Google Patents
Stromverstärkungsstufe mit niedrigem SpannungsabfallInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromverstär
kungsstufe mit niedrigem Spannungsabfall und einem hohen
Präzisionsgrad.
Die Erfindung ist besonders nützlich im Bereich von mono
lithisch integrierten Schaltungen, sowohl in integrier
ten Systemen des analogen Typs als auch in integrierten
Systemen des Schaltungs- oder Logiktyps.
Die allgemeine Kollektorverbindung von zwei Stufen (Tran
sistoren), deren erster als Last den Eingangsleitwert
des zweiten sieht, die sog. Darlington-Verbindung, ist
weit verbreitet in Anwendungen, in denen die Notwendig
keit herrscht, einen sehr kleinen Wert für die Eingangs
admittanz 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 be
sondere Erfordernisse gekennzeichnet ist; d. h. die Span
nung zwischen dem Kollektoranschluß und dem Emitteran
schluß des "äquivalenten Transistors" in der Darlington-
Anordnung kann nicht unter den Wert der Summe von VBE
des zweiten Transistors (T₂ in den Figuren) des
Kaskadenpaares und von VCE des ersten Transistors des
Kaskadenpaares (T₁ 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 Spannungs
abfall zwischen den Anschlüssen C (Kollektor) und E
(Emitter) des Darlingtons sehr klein ist, um die Span
nungsschwankung, mit anderen Worten die dynamische Cha
rakteristik des E-Knotens oder des C-Knotens nicht über
mäßig 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 Begren
zung ist, die durch die Versorgungsspannung gesetzt ist,
die oft nur 5 V beträgt.
Eine ähnliche Schwierigkeit von untolerierbarer übermä
ßiger Begrenzung der Schwankungsmöglichkeit der Spannung
trifft man in den Ausgangsstufen, die die Darlington-Ver
bindung und einen Abtastwiderstand verwenden zur Erfas
sung und Steuerung des Stroms durch den Ausgangstransi
stor durch eine Rückführung. Auch in diesem Typ der An
wendung 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 T₁ (Treiber) nicht
mit dem Kollektor des zweiten Transistors T₂ gemäß der
typischen Darlington-Verbindung zu verbinden, sondern
mit einem Schaltungsblock, der unterschiedlich von der
"Last" oder von dem Stromspiegel ist, der durch den Aus
gangstransistor E₂ 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 VCE-Spannung des Ausgangstransistors T₂ zu vermin
dern, allerdings zum Nachteil der Präzision des Ausgangs
stroms, wie es später in der Beschreibung besser erläu
tert werden wird. Der Grad der Ungenauigkeit, wie er
durch diese bekannte Anordnung eingeführt wird, ist in
vielen Anwendungen nicht tolerierbar.
Es ist deswegen die Aufgabe der vorliegenden Erfin
dung, eine Stromverstärkungsstufe mit niedrigem Spannungs
abfall anzugeben, die zur gleichen Zeit eine hohe Präzi
sion des Wertes des Ausgangsstroms in bezug auf ein ge
gebenes Eingangssignal aufrecht erhält, der im wesentli
chen gleich demjenigen ist, der durch eine Darlington-
Stufe des konventionellen Typs angeboten wird.
Diese Aufgabe wird gemäß
der vorliegenden Erfindung mittels einer Stromverstär
kungsstufe mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 2 erreicht.
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 Tran
sistors 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, verwen
det 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 Stromverstärkungs
stufe des Darlington-Typs, dessen Basisschaltbild in
Fig. 1a und 1b gezeigt ist, und der nicht kleiner sein
kann als VBET2 + VCEsatT1, 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 Schalt
bild von Fig. 2a erläutert. Der Stromspiegel, der in
Fig. 2a durch den Block dargestellt ist, der die Bezeich
nung trägt, kann tatsächlich eine ziemlich komplizierte
Schaltungsanordnung haben, und dies kann einen Spannungs
abfall zur Folge haben, der, wenn er zu dem Spannungsab
fall der Darlington-Stromverstärkungsstufe addiert wird,
nicht vereinbar mit der verfügbaren Versorgungsspannung
ist. Ein ähnliches Erfordernis des Verminderns des Span
nungsabfalls über die C- und E-Knoten des Stromverstär
kers, um eine bessere dynamische Charakteristik zu er
lauben, kann z. B. in dem Fall einer in Fig. 2b gezeigten
Ausgangsstufe vorhanden sein, die einen Darlington ver
wendet und durch zwei Transistoren T₁ und T₂ und durch
einen Abtastwiderstand RS für die Rückkopplungsregelung
des Ausgangsstroms gebildet ist, d. h. der Spannungsab
fall über die C- und E-Knoten des Darlington begrenzt
die maximalen Spannungsschwankung, die über die Last ZL
entwickelt werden kann.
In beiden in Fig. 2a und 2b betrachteten Fällen ist es
oft üblich, den Kollektor von Transistor T₁ (Treiber)
nicht mit dem Kollektor des Ausgangstransistors T₂ zu
verbinden, um so den Spannungsabfall über die C- und
E-Knoten der Stromverstärkungsstufe nur auf die Spannung
VCEsatT2 (die Sättigungs-Kollektor-Emitter-Spannung von
Transistor T₂) zu vermindern und statt dessen den
Kollektor von Transistor T₁ 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 Verbin
dung des Kollektors von Transistor T₁ mit der Versorgungs
leitung, obwohl er im allgemeinen jede geeignete Schal
tungsanordnung haben kann.
Diese Anordnung des Standes der Technik bringt aller
dings eine Ungenauigkeit des Ausgangsstromes einer Größe,
die gleich zum Kollektorstrom des Transistors T₁ 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. Tatsäch
lich kann unter Bezugnahme auf Fig. 3a beobachtet wer
den, daß:
IE2 = IC2 + IB2
IC2 = IE2 - IB2
= IE2 - IE1
= IE2 - (IC1 + IB1)
= IE2 - (β₁ + 1) IB1
IC2 = IE2 - IB2
= IE2 - IE1
= IE2 - (IC1 + IB1)
= IE2 - (β₁ + 1) IB1
worin die Bezeichnungen wie herkömmlich sind und die
Suffixe 1 oder 2 dazu dienen, jeweils den Bezug zu Tran
sistor T₁ und T₂ der Verstärkungsstufe anzuzeigen.
Auch in dem zweiten der betrachteten Fälle kann unter
Bezugnahme auf Fig. 3b beobachtet werden, daß der auf
dem Abtastwiderstand RS gemessene Strom sein wird
IE2 = IC2 + IB2 = IC2 + IE1
= IL + IE1
= IL + IE1
es wird deswegen ein Fehler einer Größe zugelassen, der
gleich ist zu dem Basisstrom des Transistors T₂, der
unter Sättigungsbedingungen desselben Transistors T₂
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 T₁ (Treiber) mit
einem anderen Schaltungsblock ergeben, werden in einer
wirksamen Weise überwunden durch Verwenden der Stromver
stärkungsstufe, die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist.
Wie schematisch in Fig. 4 erläutert, die denselben An
wendungstyp darstellt, der bereits in den vorherigen
Fig. 2a und 3a untersucht wurde, betrachtet die Strom
verstärkungsstufe der Erfindung die Verbindung des Kol
lektors von Transistor T₁ (Treiber) mit einem Hilfsstrom
spiegel AUX1. Der Ausgangsstrom IOUT1 dieses Hilfsstrom
spiegels wird dann zu dem Ausgangsstrom IOUT2 des Strom
spiegels addiert, der durch die Verstärkungsstufe als
ein Korrekturstrom getrieben wird.
Auf diese Art kann, wenn man annimmt, daß die Stromspie
gel genau sind, leicht beobachtet werden, daß
IOUT = IOUT1 + IOUT2
IOUT1 = IC1 = IE1 - IB1
IOUT2 = IC2 = IE2 - IB2
IOUT1 = IC1 = IE1 - IB1
IOUT2 = IC2 = IE2 - IB2
und unter der Voraussetzung, daß
IB2 = IE1
ist, hat man
IOUT1 + IOUT2 = IE1 - IB1 + IE2 - IB2
= IB2 - IB1 + IE2 - IB2
= IE2 - IB1
= IB2 - IB1 + IE2 - IB2
= IE2 - IB1
Somit wird die Ungenauigkeit dieses Ausgangsstroms ver
mindert auf eine Größe, die lediglich gleich dem Basis
strom von Transistor T₁ ist, der, wie durch leichte Be
trachtungen augenscheinlich wird, um einen Faktor β²
kleiner ist als der Emitterstrom desselben Transistors
T₂ und somit ergibt sich eine Ungenauigkeit einer Größe,
die sicherlich vernachlässigbar ist.
Das Schaltbild von Fig. 4b erläutert die Stromverstär
kungsstufe der Erfindung, die auf dieselbe Schaltungssi
tuation angewendet ist, die bereits unter Bezugnahme auf
Fig. 2b und 3b untersucht worden ist.
In diesem Fall wird die Addition des Kollektorstroms von
Transistor T₁ zu dem Ausgangsstrom der Stromverstärkungs
stufe vorgenommen durch Abziehen eines Stromes vom Kno
ten C, d. h. direkt von der Last, wobei zu diesem Zweck
ein zweiter Hilfsstromspiegel AUX2 verwendet wird, wo
bei der Strom gleich dem Kollektorstrom von Transistor
T₁ ist. Auch in diesem Fall kann, wenn man annimmt, daß
die Stromspiegel genau sind, leicht beobachtet werden,
daß:
IL = IC2 + IC1
Isens = IE2 = IC2 + IC1 + IB1 = IL + IB1
Isens = IE2 = IC2 + IC1 + IB1 = IL + IB1
Die Ungenauigkeit des Ausgangsstroms führt zu einer Grö
ße, die gleich dem Basisstrom IB1 von Transistor T₁ (Trei
ber) und somit praktisch vernachlässigbar ist.
Die Beschreibung geht nun weiter, um wenige typische Bei
spiele von Schaltungssituationen zu erläutern, worin die
Verstärkungsstufe der vorliegenden Erfindung eine beson
ders wirksame Verwendung findet. In einigen integrierten
Schaltungen kann es notwendig sein, von außen mittels
einer Referenzspannung und/oder eines Referenzwiderstan
des Rref 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 (Eingangsübertragungsleitwert
stufe) OTA eine Stromverstärkungsstufe des Darlington-
Typs zum Treiben des Ausgangsstromspiegels folgt.
Die Referenzspannung Vref, die über den Referenzwider
stand Rref angelegt wird, setzt den Emitterstrom von
Transistor T₂.
Deswegen sollte der Ausgangsstrom IOUT so dicht wie
möglich zum Wert des Stromes Iref sein.
Der Maximalwert, der für die Spannung Vref zugelassen
wird, ist:
Vref,max = VS - (VBET2 + VCEsatT1) - Vds
worin:
VS = Versorgungsspannung und
Vds = für den Betrieb des Ausgangsstromspiegels notwendige Minimalabfall.
Vds = für den Betrieb des Ausgangsstromspiegels notwendige Minimalabfall.
Im allgemeinen wird die Auswahl eines bestimmten Strom
spiegels diktiert durch Präzisionserfordernisse, weil
normalerweise ein Stromspiegel mit hohen Präzisionskenn
werten eine komplexere Schaltung hat und deswegen not
wendigerweise 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
VCEsatT2 gemäß der Technik ist, die in Verminderung mit
Fig. 3a beschrieben worden ist, aber das impliziert, wie
beobachtet worden ist, die Einführung einer nicht vernach
lässigbaren Ungenauigkeit in Übertragung der Daten (d. h.
Ungenauigkeit von IOUT als eine Funktion von Vref).
Die Anwendung der Stromverstärkungsstufe der Erfindung
in diesem speziellen Fall kann, wie in dem Schaltbild
von Fig. 6 gezeigt, implementiert werden, worin die Sym
bole und die Bezeichnungen der verschiedenen Komponenten
oder Blöcke die gleichen sind, wie die, die in den vor
herigen Figuren verwendet wurden, und worin der Ausgangs
stromspiegel und der Hilfsstromspiegel AUX1 gemäß einer
der möglichen Schaltungsimplementierungen desselben ge
zeigt sind.
Wie leicht beobachtet werden kann, erlaubt die Verwen
dung der Stromverstärkungsstufe der Erfindung in diesem
besonderen Fall das Anwachsen der oberen Grenze für die
Spannung Vref, oder die Verwendung eines komplexeren
Stromspiegels (präziser) am Ausgang, z. B., wie in Fig. 6
gezeigt, eines Wilson-Spiegels, der ein hochgenauer Spie
gel ist, aber eine größere Dynamik erfordert.
In integrierten Systemen der Schaltart wird der Ausgangs
strom, d. h. der Strom, der durch die Stromverstärkungs
stufe an eine Last ZL geliefert wird, unter Rückführung
gesteuert mittels Messens über den Abtastwiderstand RS
und durch Vergleichen mit einer Referenzspannung Vref,
wie in dem Schaltbild von Fig. 7 gezeigt.
Bei Verwendung der Stromverstärkungsstufe der Erfindung
anstelle des Darlington von Fig. 7, wie in Fig. 8 ge
zeigt, ist es möglich, die Spannung zu vergrößern, die
an die Last ZL angelegt ist, und so den Minimalabfall
der Verstärkungsstufe auf nur VCEsatT2 zu vermindern und
doch ein hohes Maß an Präzision im Ausgangsstrom auf
recht zu erhalten. Tatsächlich wird der Kollektorstrom
vom Transistor T₁ (Treiber) direkt über die Last ZL zu
dem Ausgangsstrom von Transistor T₂ addiert durch Spie
geln des Kollektorstroms von T₁ durch die beiden Hilfs
stromspiegel AUX1 und AUX2, die jeweils durch die bei
den strichlierten Rechtecke von Fig. 8 dargestellt sind.
Claims (2)
1. Stromverstärkerstufe mit einem Eingangsanschluß und einem Aus
gangsanschluß, wobei die Stufe aufweist:
einen ersten Transistor (T₁) und einen zweiten Transistor (T₂), die in Kaskade geschaltet sind, wobei die Basis (B) des ersten Transi stors (T₁) den Eingangsanschluß bildet;
einen ersten Stromspiegel (AUX1), der mit dem Kollektor des ersten Transistors (T₁) verbunden ist, wobei der erste Stromspiegel betrie ben wird, um einen Ausgangsstrom (IOUT1) zu erzeugen, der gleich dem Kollektorstrom des ersten Transistors (T₁) ist; und
einen zweiten Stromspiegel, der durch den Kollektorstrom des zwei ten Transistors (T₂) angesteuert wird und betrieben wird, um einen Ausgangsstrom (IOUT2) gleich dem Kollektorstrom des zweiten Transi stors (T₂) zu erzeugen, wobei der Ausgangsstrom (IOUT1) des ersten Stromspiegels dem Ausgangsstrom (IOUT2) des zweiten Stromspiegels hinzuaddiert wird, und wobei die Ausgangsströme der beiden Strom spiegel dem Ausgangsanschluß der Stromverstärkerstufe zuführbar sind.
einen ersten Transistor (T₁) und einen zweiten Transistor (T₂), die in Kaskade geschaltet sind, wobei die Basis (B) des ersten Transi stors (T₁) den Eingangsanschluß bildet;
einen ersten Stromspiegel (AUX1), der mit dem Kollektor des ersten Transistors (T₁) verbunden ist, wobei der erste Stromspiegel betrie ben wird, um einen Ausgangsstrom (IOUT1) zu erzeugen, der gleich dem Kollektorstrom des ersten Transistors (T₁) ist; und
einen zweiten Stromspiegel, der durch den Kollektorstrom des zwei ten Transistors (T₂) angesteuert wird und betrieben wird, um einen Ausgangsstrom (IOUT2) gleich dem Kollektorstrom des zweiten Transi stors (T₂) zu erzeugen, wobei der Ausgangsstrom (IOUT1) des ersten Stromspiegels dem Ausgangsstrom (IOUT2) des zweiten Stromspiegels hinzuaddiert wird, und wobei die Ausgangsströme der beiden Strom spiegel dem Ausgangsanschluß der Stromverstärkerstufe zuführbar sind.
2. Stromverstärkerstufe mit einem Eingangsanschluß und einem Aus
gangsanschluß, wobei die Stufe aufweist:
einen ersten Transistor (T₁) und einen zweiten Transistor (T₂), die in Kaskade geschaltet sind, wobei die Basis (B) des ersten Transi stors (T₁) den Eingangsanschluß bildet und der Kollektor (C) des zweiten Transistors den Ausgangsanschluß bildet;
einen ersten Stromspiegel (AUX₁), der mit dem Kollektor des ersten Transistors (T₁) verbunden ist, wobei der erste Stromspiegel betrie ben wird, um einen Ausgangsstrom zu erzeugen, der gleich dem Kollektorstrom des ersten Transistors (T₁) ist; und
einen zweiten Stromspiegel (AUX₂), der durch den Ausgangsstrom des ersten Stromspiegels angesteuert wird, wobei der Ausgangsstrom des zweiten Stromspiegels direkt dem Strom (IL) hinzuaddiert wird, der durch eine Lot (ZL) fließt, welche mit dem Kollektor des zweiten Transistors (T₂) verbunden ist.
einen ersten Transistor (T₁) und einen zweiten Transistor (T₂), die in Kaskade geschaltet sind, wobei die Basis (B) des ersten Transi stors (T₁) den Eingangsanschluß bildet und der Kollektor (C) des zweiten Transistors den Ausgangsanschluß bildet;
einen ersten Stromspiegel (AUX₁), der mit dem Kollektor des ersten Transistors (T₁) verbunden ist, wobei der erste Stromspiegel betrie ben wird, um einen Ausgangsstrom zu erzeugen, der gleich dem Kollektorstrom des ersten Transistors (T₁) ist; und
einen zweiten Stromspiegel (AUX₂), der durch den Ausgangsstrom des ersten Stromspiegels angesteuert wird, wobei der Ausgangsstrom des zweiten Stromspiegels direkt dem Strom (IL) hinzuaddiert wird, der durch eine Lot (ZL) fließt, welche mit dem Kollektor des zweiten Transistors (T₂) verbunden ist.
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