DE3716577C2 - Stromspiegelschaltung großer Leistungsfähigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromspiegelschaltung großer Leistungsfähigkeit, wie aus DE-elektrotechnik 58, H 1/2, 23. Januar 1976, S. 26, 27 bekannt, von der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgegangen wird, 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.

Weiterhin ist aus der DE 27 11 864 C2 eine Stromstabilisierungsschaltung bekannt. Diese umfaßt einen Differenzverstärker, der einen NPN-Transistor ansteuert. Eingangsseitig ist der Differenzverstärker über einen Widerstand mit einem Schaltungsanschluß der Schaltungsanordnung verbunden und liegt somit an einer Versorgungsspannung. Bei dieser Schaltungsanordnung ist desweiteren der Rückkoppelwiderstand und die Ausgangslast mit dem Kollektor verbunden.

Bekanntlich sind Stromspiegelschaltungen solche Schaltungsanordnungen, 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 Differentialschaltungen Anwendung, ferner auf dem Gebiet der Oszillatorschaltungen 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 Stromspiegelschaltungen mit pnp-Transistoren bekannt. Diese besetzen auf dem Halbleitersubstrat eine Fläche, die wenigstens fünf mal größer ist als diejenige eines pnp-Transistors 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 I₀ ergibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromspiegel­ schaltung zu schaffen, die sehr genau arbeitet und nur wenig Siliziumfläche der integrierten Schaltung besetzt.

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 erläutert:

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 R2 mit dem genannten Pol der Speise­ spannung V_C als auch mit dem Kollektor C8 eines npn-Transi­ stors T8 verbunden, der erfindungsgemäß den aus seinem Emitter E8 austretenden gespiegelten Strom I₀ an einen Knoten A abgibt, der die Spannung V₀ hat.

Der Ausgang des Verstärkers ist über eine elektrische Verbindung 5 direkt an die Basis B8 des Transistors T8 angeschlossen.

Wie aus dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel hervor­ geht, besitzt der Verstärker 2 eine Differentialzellenstruk­ tur, die aus zwei npn-Transistoren T1 und T2 besteht, deren Emitter E1 bzw. E2 miteinander und über eine Stromquelle I_G mit Masse verbunden sind. Die Basiselektroden B1 bzw. B2 der Transistoren T1 und T2 bilden die Eingänge des Verstärkers 2, an die die erwähnten elektrischen Verbindungen 3 bzw. 4 angeschlossen sind.

Die Kollektoren C1 und C2 der Transistoren T1 bzw. T2 sind über die Dioden D1 bzw. D2 mit der Speisespannung V_C und mit der Basis B3 eines Transistors T3 bzw. mit der Basis B4 eines Transistors T4 verbunden.

Der Transistor T3 ist ein pnp-Transistor. Sein Emitter E3 ist direkt mit der Speisespannung V_C verbunden, während sein Kollektor C3 über eine Diode D3 mit Masse verbunden ist.

Der Transistor T4 ist ebenfalls ein pnp-Transistor. Sein Emitter E4 ist direkt mit der Speisespannung V_C verbunden, während sein Kollektor C4 mit dem Kollektor C6 eines Tran­ sistors T6 verbunden ist, der ein npn-Transistor ist und dessen Emitter E6 mit Masse und dessen Basis B6 mit dem Kollektor C3 des Transistors T3 verbunden ist.

Der Kollektor C6 des Transistors T6 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 T8, der an seinem Emitter E8 den gespiegelten Strom I₀ abgibt, in einer Darlington-Schaltung 6 mit einem zweiten npn-Transistor T7 zusammengeschaltet. Entsprechend der üblichen Darlington-Konfiguration ist der Emitter E7 des Transistors T7 direkt mit der Basis B8 des Transistors T8 verbunden, während sein Kollektor C7 mit dem Kollektor D8 verbunden ist.

Die Basis B7 des Transistors T7 der Darlington-Schaltung 6 ist über die elektrische Verbindung 5 direkt an den Kollek­ tor C6 des Transistors T6 angeschlossen, der den Ausgang des Verstärkers 2 bildet.

Der gespiegelte Strom I₀ wird von der Operationsverstärker­ stufe vom Transkonduktanz-Typ gesteuert, die den erforder­ lichen Basisstrom für den npn-Transistor T8 liefert.

In der Stromspiegelschaltung gemäß der Erfindung herrscht eine Gleichheitsbeziehung zwischen dem gespiegelten Strom I₀ und dem Referenz-Strom I_R, der durch das Verhältnis zwischen dem ersten Widerstand R1 und dem Rückkopplungswiderstand R2 gemittelt ist. Durch einfaches Ändern des Verhältnisses der beiden Widerstände R1 und R2 lassen sich deshalb größere oder kleinere gespiegelte Ströme erzeugen.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit der aus den Transistoren T7 und T8 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 R1 muß wenigstens 300 mV betragen, um zu vermeiden, daß der Tran­ sistor T1, 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 V₀ 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 (T8) ein npn-Transistor ist, dessen Kollektor (C8) 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 (T8) in einer Darlington-Schaltung (6) angeordnet ist.

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