DE3716577A1 - Stromspiegelschaltung grosser leistungsfaehigkeit - Google Patents

Description

Stromspiegelschaltung großer Leistungsfähigkeit

Die Erfindung betrifft eine Stromspiegelschaltung großer Leistungsfähigkeit mit einem Operationsverstärker, der eingangsseitig elektrisch einerseits sowohl mit einer Referenz-Stromquelle als auch über einen ersten Widerstand mit einem Pol einer Speisespannung und andererseits über einen einen Rückkopplungswiderstand bildenden zweiten Widerstand mit dem genannten Pol der Speisespannung und ausgangsseitig mit der Basis eines Transistors verbunden ist, der einen gegenüber dem Strom der Referenz-Stromquelle gespiegelten Strom liefert.

Bekanntlich sind Stromspiegelschaltungen solche Schaltungs­ anordnungen, die einen beispielsweise von einer Referenz- Stromquelle abgegebenen Strom von einem Stromzweig in einen anderen Stromzweig übertragen können.

Stromspiegelschaltungen finden insbesondere auf dem Gebiet der integrierten Schaltungen zur Polarisierung von Differen­ tialschaltungen Anwendung, ferner auf dem Gebiet der Oszil­ latorschaltungen und in Abtast- und Halteschaltungen.

Bei Abtast- und Halteschaltungen benötigt man große Ströme, um die für solche Schaltungen typischen Kapazitäten rasch aufladen zu können.

Für die Anwendung in integrierten Schaltungen sind Strom­ spiegelschaltungen mit pnp-Transistoren bekannt. Diese besetzen auf dem Halbleitersubstrat eine Fläche, die wenig­ stens fünf mal größer ist als diejenige eines pnp-Transi­ stors kleinster Fläche. Dies ist notwendig, um große Ströme von mehr als 1 mA übertragen zu können, hat jedoch den großen Nachteil, daß eine große Siliziumfläche in der inte­ grierten Schaltung benötigt wird. Dies steht im Widerspruch zu der Tendenz, immer mehr Schaltungen pro Flächeneinheit zu integrieren.

Eine zweite bekannte Anordnung besteht darin, Stromspiegel­ schaltungen großer Leistungsfähigkeit zu integrieren, die einen Operationsverstärker umfassen, dessen Eingangsseite einerseits sowohl mit einer Referenz-Stromquelle als auch über einen ersten Widerstand mit einem Pol der Speisespan­ nung und andererseits über einen einen Rückkopplungswider­ stand bildenden zweiten Widerstand mit dem genannten Pol der Speisespannung verbunden ist. Der Ausgang dieses Verstärkers ist mit der Basis eines pnp-Transistors verbunden, der einen Strom liefert, der gegenüber dem Strom I _R der Referenz- Stromquelle gespiegelt ist. Die Gleichheitsbeziehung zwischen dem zu übertragenden Strom und dem Referenz-Strom hängt von dem Verhältnis zwischen dem ersten Widerstand des Kreises und dem Rückkopplungswiderstand sowie auch direkt von dem Parameter α des pnp-Transistors, der den gespiegel­ ten Strom liefert.

Diese zweite Art von Stromspiegelschaltungen wird im wesent­ lichen den an sie gestellten Anforderungen gerecht. Falls die zu übertragenden Ströme jedoch groß sind, tritt der Nachteil auf, daß der Parameter α des pnp-Transistors kleiner wird, woraus sich ein nicht vernachlässigbarer Fehler für den gespiegelten Strom I ₀ ergibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromspiegel­ schaltung zu schaffen, die sehr genau arbeitet und nur wenig Siliziumfläche der integrierten Schaltung besetzt und damit die vorangehend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik beseitigt.

Diese Aufgabe wird bei einer Stromspiegelschaltung der ein­ gangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß der genannte Transistor ein npn-Transistor ist, dessen Kollektor über den Rückkopplungswiderstand mit dem genannten Pol der Speise­ spannung verbunden ist.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichung näher erlautert:

Fig. 1 zeigt eine Stromspiegelschaltung gemäß der Erfindung, Fig. 2 zeigt eine detailliertere Darstellung einer Strom­ spiegelschaltung gemäß der Erfindung in einer bevor­ zugten Ausführungsform.

Mit 1 ist eine erfindungsgemäße Stromspiegelschaltung großer Leistungsfähigkeit in ihrer Gesamtheit bezeichnet.

Die Stromspiegelschaltung 1 umfaßt einen Operationsverstär­ ker 2 vom Transkonduktanz-Typ mit Differentialzelle, dessen erster Eingang über eine erste elektrische Verbindung 3 sowohl mit einer Referenz-Stromquelle I _R als auch über einen ersten Widerstand Rl mit einem Pol einer Speisespannung V _C verbunden ist. Ein zweiter Eingang des Verstärkers 2 ist durch eine zweite elektrische Verbindung 4 sowohl über einen Rückkopplungswiderstand R 2 mit dem genannten Pol der Speise­ spannung V _C als auch mit dem Kollektor C 8 eines npn-Transi­ stors T 8 verbunden, der erfindungsgemäß den aus seinem Emitter E 8 austretenden gespiegelten Strom I ₀ an einen Knoten A abgibt, der die Spannung V ₀ hat.

Der Ausgang des Verstärkers ist über eine elektrische Verbindung 5 direkt an die Basis B 8 des Transistors T 8 angeschlossen.

Wie aus dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel hervor­ geht, besitzt der Verstärker 2 eine Differentialzellenstruk­ tur, die aus zwei npn-Transistoren T 1 und T 2 besteht, deren Emitter E 1 bzw. E 2 miteinander und über eine Stromquelle I _G mit Masse verbunden sind. Die Basiselektroden B 1 bzw. B 2 der Transistoren T 1 und T 2 bilden die Eingänge des Verstärkers 2, an die die erwähnten elektrischen Verbindungen 3 bzw. 4 angeschlossen sind.

Die Kollektoren C 1 und C 2 der Transistoren T 1 bzw. T 2 sind über die Dioden D 1 bzw. D 2 mit der Speisespannung V _C und mit der Basis B 3 eines Transistors T 3 bzw. mit der Basis B 4 eines Transistors T 4 verbunden.

Der Transistor T 3 ist ein pnp-Transistor. Sein Emitter E 3 ist direkt mit der Speisespannung V _C verbunden, während sein Kollektor C 3 über eine Diode D 3 mit Masse verbunden ist.

Der Transistor T 4 ist ebenfalls ein pnp-Transistor. Sein Emitter E 4 ist direkt mit der Speisespannung V _C verbunden, während sein Kollektor C 4 mit dem Kollektor C 6 eines Tran­ sistors T 6 verbunden ist, der ein npn-Transistor ist und dessen Emitter E 6 mit Masse und dessen Basis B 6 mit dem Kollektor C 3 des Transistors T 3 verbunden ist.

Der Kollektor C 6 des Transistors T 6 bildet den Ausgang des Verstärkers 2, an den die erwähnte elektrische Verbindung 5 angeschlossen ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der npn-Transistor T 8, der an seinem Emitter E 8 den gespiegelten Strom I ₀ abgibt, in einer Darlington-Schaltung 6 mit einem zweiten npn-Transistor T 7 zusammengeschaltet. Entsprechend der üblichen Darlington-Konfiguration ist der Emitter E 7 des Transistors T 7 direkt mit der Basis B 8 des Transistors T 8 verbunden, während sein Kollektor C 7 mit dem Kollektor D 8 verbunden ist.

Die Basis B 7 des Transistors T 7 der Darlington-Schaltung 6 ist über die elektrische Verbindung 5 direkt an den Kollek­ tor C 6 des Transistors T 6 angeschlossen, der den Ausgang des Verstärkers 2 bildet.

Der gespiegelte Strom I ₀ wird von der Operationsverstärker­ stufe vom Transkonduktanz-Typ gesteuert, die den erforder­ lichen Basisstrom für den npn-Transistor T 8 liefert.

In der Stromspiegelschaltung gemäß der Erfindung herrscht eine Gleichheitsbeziehung zwischen dem gespiegelten Strom I ₀ und dem Referenz-Strom I _R, der durch das Verhältnis zwischen dem ersten Widerstand R 1 und dem Rückkopplungswiderstand R 2 gemittelt ist. Durch einfaches Ändern des Verhältnisses der beiden Widerstände R 1 und R 2 lassen sich deshalb größere oder kleinere gespiegelte Ströme erzeugen.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit der aus den Transistoren T 7 und T 8 bestehenden Darlington- Schaltung 6 hängt die Gleichheitsbeziehung auch von dem Parameter α der Darlington-Schaltung 6 ab. Dieser Parameter liegt jedoch sehr nahe bei eins.

Die Spannung an den Anschlüssen des Widerstands R 1 muß wenigstens 300 mV betragen, um zu vermeiden, daß der Tran­ sistor T 1, der Bestandteil der Operationsverstärkerstufe vom Transkonduktanz-Typ ist, in die Sättigung gesteuert wird. Trotz dieser Einschränkung ist die Ausgangsdynamik der Stromspiegelschaltung gemäß der Erfindung auch bei Verwen­ dung einer Darlington-Schaltung praktisch mit derjenigen einer herkömmlichen Stromspiegelschaltung identisch, da die Spannung V ₀ an der Klemme A gleich der Speisespannung V _C , vermindert um lediglich 1,3 V, ist.

Ein erster offensichtlicher Vorteil der Schaltung gemäß der Erfindung besteht darin, daß ein npn-Transistor, der sich mit minimalem Flächenbedarf integrieren läßt, unter Bei­ behaltung hervorragender Werte mit einem Strom arbeitet, der etwa zehn mal größer als bei einem pnp-Transistor, der die gleiche Siliziumfläche besetzt. Deshalb benötigt die erfin­ dungsgemäße Stromspiegelschaltung für hohe Ströme von mehr als 1 mA eine geringe Siliziumfläche in der integrierten Schaltung, was unter ökonomischen Gesichtspunkten von großer Bedeutung ist.

Ein anderer Vorteil besteht darin, daß die erfindungsgemäß ausgebildete Stromspiegelschaltung hoher Leistungsfähigkeit eine größere Genauigkeit besitzt als in herkömmlicher Weise ausgebildete Stromspiegelschaltungen hoher Leistungsfähig­ keit.

Claims (3)

1. Stromspiegelschaltung großer Leistungsfähigkeit mit einem Operationsverstärker, der eingangsseitig elektrisch einerseits sowohl mit einer Referenz-Stromquelle als auch über einen ersten Widerstand mit einem Pol einer Speisespannung und andererseits über einen einen Rückkopplungswiderstand bildenden zweiten Widerstand mit dem genannten Pol der Speisespannung und ausgangsseitig mit der Basis eines Transistors verbunden ist, der einen gegenüber dem Strom der Referenz- Stromquelle gespiegelten Strom liefert, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Transistor (T 8) ein npn-Transistor ist, dessen Kollektor (C 8) über den Rückkopplungswiderstand mit dem genannten Pol der Speisespannung (V _C) verbunden ist.

2. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der genannte npn-Transistor (T 8) in einer Darlington-Schaltung (6) angeordnet ist.

3. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Operationsverstärker vom Transkon­ duktanz-Typ ist.