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Die vorliegende Erfindung betrifft Stromgeneratoren allgemein,
und insbesondere einen gesteuerten Präzisionsstromgenerator
zur Verwendung bei integrierten Schaltungen.
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Stromgeneratoren, wie Stromquellen und Stromsenken, werden in
großen Umfang bei integrierten Schaltungen (ICs) verwendet, um
nach Bedarf Betriebsströme und Bezugsströme bereitzustellen.
Es ist durchaus üblich, sowohl positive als auch negative
Versorgungsspannungen an die IC-Vorrichtung zu legen, und das
Substrat der Vorrichtung auf eine negative Versorgungsspannung
zu beziehen. Bei derartigen Vorrichtungen ist es häufig
erwünscht, eine stabile Präzisionsstromquelle oder -senke von
der negativen Netzversorgung einzurichten, die aber auf eine
Referenzspannung anspricht.
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Es gibt zahlreiche Stromgeneratorkonstruktionen aus dem Stand
der Technik. Mehrere Konstruktionen bestehen aus einfachen
zwei und drei Transistoren-Kreisen. Diese Schaltungen sind
zwar leicht zu implementieren, es mangelt ihnen jedoch an
Präzisionsleistung. Derartige Konstruktionen unterliegen
Schwankungen in der Transistorgröße Beta, der
Transistorübergangs-Spannung, der Temperatur und der Netzversorgungsspannung.
Kompliziertere Stromgeneratorkonstruktionen mit PNP-Transistoren,
üblicherweise in einer Rückkoppelschleife, ergeben eine
Verbesserung der Leistung, sind jedoch auf den Betrieb im
Niederfrequenzbereich beschränkt. Weiterhin sind diese
Konstruktionen bei Verwendung lateraler PNP-Transistoren in sich selbst
instabil. Unerwünschte Spitzenwertbildung und Klirren können
in dem Ausgangsstrom aufgrund einer plötzlichen Veränderung
der Bezugsspannung entstehen. Ein zusätzliches Problem bei
Stromgeneratorkonstruktionen mit mehreren Stromausgängen liegt
in der Kopplung zwischen Ausgangsvorrichtungen. Eine
Veränderung in der Last auf einem der Ausgangsgeräte kann den
Stromausgang der anderen Ausgangsgeräte modulieren.
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Es wird daher ein gesteuerter Präzisionstromgenerator
gewünscht, der leicht zu implementieren ist, gegenüber
Schwankungen der Transistorgröße Beta, der
Transistorübergangsspannung, der Temperatur und der Netzversorgungsspannung
unempfindlich ist, der bei hohen Frequenzen ohne
Spitzenwertbildung und Klirren in der Ausgangsspannung den Veränderungen in
der Bezugspannung folgt, und in einer Konfiguration mit
mehreren Ausgängen das Koppeln zwischen Ausgangsgeräten
minimalisiert.
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Ein Beispiel eines verbesserten Stromgenerators ist in DE-A-
34227 16 an Hitatchi offenbart, die ein Eingangssignal zeigt,
das an ein Ende eines Eingangsspannungsteilers angelegt ist,
wobei ein Knoten des Spannungsteilers an einen Eingang eines
Operationsverstärkers gekoppelt ist, und ein Ausgang des
Operationsverstärkers mit einer Ausgangsstromstufe gekoppelt ist,
die einen Stromeinstellwiderstand hat, der mit der
Versorgungsspannung gekoppelt ist, um einen Ausgangsstrom zu
erstellen.
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Die vorliegende Erfindung stellt einen gesteuerten
Präzisionsstromgenerator zur Verfügung, wie er im Anspruch 1 definiert
ist.
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In Ausführungsformen der Erfindung erstellt ein Stromgenerator
einen Ausgangsstrom, der auf eine Bezugsspannung anspricht.
Der Stromgenerator besteht aus einem Spannungsgenerator, der
eine Steuerspannung erstellt, die die Summe der negativen
Versorgungsspannung, einer Spannung proportional zur
Bezugsspannung und einer Offset-Spannung ist. Die Steuerspannung wird an
den Eingang eines Pufferverstärkers gelegt, der in einer
bevorzugten Ausführungsform einfach ein NPN-Transistor in einer
Emitterfolgerkonfiguration ist. Die Ausgangsspannung des
Pufferverstärkers wird an die Basen der parallelen
Ausgangstransistoren gelegt.
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Jeder Ausgangstransistor wird entsprechend skaliert und
besteht aus einem Stromeinstellemitterwiderstand, der mit der
negativen Versorgungsspannung verbunden ist. Die
Kollektorströme eines jeden Ausgangstransistors bilden die
Ausgangsströme. Die durch die Übergangsspannungen des
Puffertransistors und der Ausgangstransistoren erzeugten Spannungs-
Offsets werden präzise durch die Offset-Spannung in dem
Spannungsgenerator kompensiert.
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Als Konsequenz wird eine Spannung proportional zu der
Bezugsspannung direkt über jeden Stromeinstellemitterwiderstand
eingeprägt.
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Somit werden Ströme erzeugt, die linear auf eine
Bezugsspannung ansprechen. Diese Ausgangsströme sind gegenüber
Schwankungen in der Transistorgröße Beta, der Übergangsspannung, der
Temperatur oder der Versorgungsspannung nicht empfindlich.
Überdies spricht der Ausgangsstrom weiterhin bei hohen
Frequenzen ohne unerwünschte Spitzenwertbildung oder Klirren
linear auf eine Bezugsspannung an. Aufgrund des Ausganges mit
niedriger Impedanz des Pufferverstärkers wird das Koppeln
zwischen den Ausgangsvorrichtungen minimalisiert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Es zeigen
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Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines Stromgenerators
gemäß der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 ein schematisches Schaltbild des in dem
schematischen Schaltbild von Fig. 1 gezeigten
Operationsverstärkers;
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Fig. 3 ein detailliertes schematisches Schaltbild des
Stromgenerators geinäß der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Der Betrieb des Stromgenerators ist nach Analyse von Fig. 1
erkennbar. Die Schaltung ist in drei grundlegende Bereiche
unterteilt: einen Spannungsgenerator, einen Pufferverstärker
und eine oder mehrere Stromausgangsvorrichtungen.
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Der Spannungsgenerator besteht aus Widerständen 10 und 12, die
eine Eingangspannungsteilerschaltung bilden,
Operationsverstärker 14, Verstärkungseinstellwiderständen 16 und 18,
Widerständen 20 und 22, die eine Ausgangsspannungsteilerschaltung
bilden, und aus diodenverbundenen Transistoren 26 und 28, die
eine Offset-Spannung erstellen. Ebenfalls in Fig. 1 gezeigt
und in dem Spannungsgenerator enthalten sind Spannungen VREF
und VB. Die Bezugsspannung VREF ist eine
Eingangsspannungsquelle, die an die Eingangsspannungsteilerschaltung
angeschlossen ist. Die Spannung VB ist die Spannung, die am
Übergang zwischen Widerständen 12 und 22 und Transistor 26 anliegt
und die auch gleich der Versorgungsspannung VEE plus zwei
Übergangsspannungsabfälle ist. Sie ist keine Spannungsquelle und
ist nur zur Vereinfachung der Analyse markiert. Wenn
Widerstände 12 und 18 jeweils einen Wert von R&sub1; und Widerstände 10
und 16 jeweils einen Wert von R&sub2; haben, dann kann gezeigt
werden, daß die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers 14
ist:
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VOUT = (R&sub1;/R&sub2;)*VREF + VB
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Daher ist die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers 14
gleich einer Spannung, welche die Summe der Spannung VB plus
einer Spannung ist, die proportional zur Bezugsspannung ist.
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Diese Spannung tritt auch an einem Ende der
Ausgangsspannungsteilerschaltung auf. Das andere Ende des
Ausgangsspannungsteilers hat eine Spannung, die einfach VB ist.
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Die Spannung, die über der Ausgangsspannungsteilerschaltung
erscheint, ist dann durch den Term (R&sub1;/R&sub2;)*VREF gegeben. Diese
Spannung ist nicht eine Funktion der Versorgungsspannung VEE
oder der Spannung VB. Die Ausgangsspannungsteilerschaltung
wird dazu verwendet, diese Spannung linear zu skalieren, ehe
sie an der Basis von Transistor 24 erscheint.
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In der bevorzugten Ausführungsform bildet der Transistor 24
den Pufferverstärker. Der Transistor 24 ist in einer
Emitterfolgerkonfiguration. Die Basis von Transistor 24 ist eine hohe
Impedanz, die nicht die von der
Ausgangsspannungsteilerschaltung gelieferte Spannung belasten wird. Der Emitter von
Transistor 24 prägt die Spannung von der
Ausgangsspannungsteilerschaltung, minus einem Übergangsspannungsabfalls, über die
Basen der parallelen Ausgangsvorrichtungen 32 bis 34 ein. Die
Basen der Ausgangsvorrichtungen 32 bis 34 werden als die
Basisreferenzleitung bezeichnet. Der Emitter von Transistor 24
erstellt die Stromverstärkung, die zum Treiben der Basen
mehrerer Ausgangsvorrichtungen sowie zur Beibehaltung einer
niedrigen Impedanz an der Basisreferenzleitung erforderlich ist.
Die Stromausgangsleistungsfähigkeit von Transistor 24 ist zur
Zufuhr des Basisstroms der Ausgangsgeräte erforderlich. Die
niedrige Impedanz ist wünschenswert, da sie ein Koppeln
zwischen den Ausgangsgeräten verhindert. Das heißt, die Kapazität
des Kollektor-Basis-Überganges der Ausgangsgeräte 32 bis 34
ermöglicht ein Auftreten von Spannungsschwankungen an dem
Kollektor eines beliebigen der Ausgangsgeräte auf der
Basisreferenzleitung. Ist die Impedanz an der Basisreferenzleitung
hoch, dann ist die entsprechende Spannungsschwankung ebenfalls
hoch und ergibt eine unerwünschte Modulation aller
Stromausgänge. Ist die Impedanz der Basisreferenzleitung niedrig, dann
ist die entsprechende Spannungsschwankung niedrig und alle
Stromausgänge bleiben konstant.
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Der letzte Abschnitt der Schaltung ist die Ausgangsstromstufe,
die aus Transistoren 32 und 34 sowie Stromeinstellwiderständen
36 und 38 besteht. Einer oder mehrere Ausgangstransistoren
können verwendet werden. Die Spannung, die über den
Stromeinstellwiderständen 36 und 38 auftritt, bestimmt den
Ausgangsstrom. Ist die Spannung über diesen Widerständen linear, dann
ist der Ausgangsstrom linear. Die Spannung über der
Ausgangsspannungsteilerschaltung ist linear, aber zwei
Übergangsspannungsabfälle treten zwischen dieser linearen Spannung und den
Stromeinstellwiderständen auf. Einer der
Übergangsspannungsabfälle ist durch die Emitter-Basis-Übergangsspannung von
Puffertransistor 24 bedingt, der andere ist durch den Emitter-
Basis-Übergang eines der Ausgangstransistoren 32 oder 34
bedingt. Die vorliegende Erfindung hat eine
Offset-Korrekturschaltung. Diese Schaltung besteht aus diodenverbundenen
Transistoren 26 und 28 und Transistor 30. Diese Schaltung erstellt
eine präzise Offset-Spannung gleich der Offset-Spannung, wie
sie von Transistoren 24 und 32 oder 34 erzeugt wird, die dann
zu der linearen Spannung, die an der Basis von Transistor 24
vorliegt, hinzuaddiert wird. Somit erscheint nach den zwei
Übergangsspannungsabfällen eine lineare Spannung über den
Stromeinstellwiderständen 36 und 38. Zur Erreichung maximaler
Präzision der Offset-Korrekturschaltung werden zwei
Konstruktionsbedingungen eingehalten. Erstens entspricht die
Stromdichte durch den Transistor 26 der Stromdichte durch die
Ausgangstransistoren. Dies läßt sich durch sorgfältige Wahl der
Bauteildimensionierung als auch der Werte der Widerstände 20
und 22 in der Ausgangsspannungsteilerschaltung erzielen. Als
zweites entspricht die Stromdichte durch Transistor 28 der
Stromdichte durch Transistor 24. Dies läßt sich durch
sorgfältige Wahl der Bauteildimensionierung von Transistoren 28
und 30, die einen einfachen Stromspiegel bilden, und
Transistor 24 erzielen.
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Es wurde erwiesen, daß eine präzise lineare Spannung
proportional zu einer Bezugsspannung erzeugt und über einen
Stromeinstellwiderstand eines Ausgangsstromtransistors eingeprägt
werden kann, um einen linearen Ausgangsstrom zu erzeugen. Es
wurde ebenfalls erwiesen, daß dieser Strom nicht eine Funktion
der Transistorübergangsspannungsabfälle oder der
Versorgungsspannung ist. Eine detailliertere Beschreibung und Analyse der
vorliegenden Erfindung zeigt, wie der Ausgangsstrom der
Bezugsspannung bei hohen Frequenzen folgt.
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Eine Implementierung des Operationsverstärkers 14 ist in Fig.
2 gezeigt. Die Konstruktion des Operationsverstärkers
verwendet eine drei NPN-Transistorkonstruktion. Transistoren 40
und 42 bilden ein Eingangstransistorenpaar. Ein Vorspannstrom
wird von Emitterwiderstand 46 erstellt. Die Ausgangsspannung
wird über Lastwiderstand 44 entwickelt und von Transistor 48
gepuffert. Diese Schaltung kann bei extrem hoher Frequenz
betrieben werden, wenn sie mit integrierten, vertikalen NPN-
Transistoren konstruiert ist. Aufgrund der geringen Anzahl von
Transistoren ergibt sich eine geringe parasitäre Kapazität und
die Schaltung ist leicht zu bauen. Aufgrund der Konstruktion
aus nur NPN ist die Schaltung auch in sich selbst stabil.
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Die letzte Implementierung der bevorzugten Ausführungsform,
einschließlich der Konstruktion des Operationsverstärkers,
sowie andere Verbesserungen sind in Fig. 3 gezeigt.
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Dioden 50 und 52 sind in der endgültigen Konstruktion des
Operationsverstärkers vorhanden, um einen relativ konstanten
Vorspannstrom durch Transistoren 40 und 42 zu halten.
Insbesondere werden diese Dioden hinzugefügt, um die Veränderungen
in VB und die Basis-Emitter-Spannungen von Transistoren 40, 42
und 48 zu kompensieren. Die genaue Anzahl von erforderlichen
Dioden kann eine andere sein als zwei, in Abhängigkeit von der
letztendlichen Wahl von Widerstandsverhältnissen und
Netzversorgungsspannungen.
Kondensator 54 wird hinzugefügt, um die
Ausgangsimpedanz von Transistor 24 bei hohen Frequenzen zu
verringern. Widerstand 60, an der Basis von Transistor 30,
verringert den Ausgangsstrom von Transistor 30, um den
zusätzlichen Strom zu kompensieren, der von den Basisströmen der
Ausgangstransistoren erzeugt wurde. Diese Kompensation ist
erforderlich, um die richtige Stromdichte in Transistor 24
aufrechtzuerhalten. Widerstand 58 an der Basis von Transistor
28 ist erforderlich, um die von Transistor 28 erzeugte Offset-
Spannung leicht zu erhöhen. Hierbei wird die Spannung an der
Basis von Transistor 24 leicht erhöht und daher die Spannung
über den Stromeinstellwiderständen 36 und 38 leicht erhöht.
Diese zusätzliche Spannung ist dazu erforderlich, den
Alphastromverlust der Ausgangsstromtransistoren zu kompensieren.
Das heißt, ein Teil des in den Emittern von
Ausgangstransistoren 32 und 34 gesetzten Stromes geht aufgrund von Basisstrom
verloren. Eine zusätzliche Stufe gemeinsamer Basis kann an dem
vorliegenden Stromausgang hinzugefügt werden, um die
Hochspannungsleistung des Stromgenerators zu verbessern, aber mit dem
Preis, daß zusätzliche Basisstromverluste entstehen. Ein
zusätzlicher Widerstand 56 an der Basis von Transistor 26 kann
zu einer weiteren leichten Erhöhung des Stromes eingeschlossen
werden, wenn diese Kaskadenanordnung verwendet wird.
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Der Wert der Widerstände 56, 58 und 60 läßt sich leicht
berechnen. Es kann gezeigt werden, daß der Wert jeweils der
Widerstände 56 und 58 im wesentlichen gleich dem Wert von
Widerstand 22 sein sollte. Im Fall von Widerstand 60 ist der
Wert ungefähr gleich dem Verhältnis des gesamten
Ausgangsstromes gegenüber dem Kollektorstrom von Transistor 30,
geteilt durch den Gegenwirkleitwert von Transistor 30.
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Ein zusätzliches Merkmal der endgültigen Implementierung des
Stromgenerators ist das der Leistungsverringerung. Woimmer
möglich werden Transistorkollektoren auf Masse zurückgeführt,
anstatt auf die positive Leistungszufuhr Vcc. Dies wurde bei
den Kollektoren von Transistoren 40, 48 und 24 getan.
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Es wurde also gezeigt, daß die bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung einen Ausgangsstrom erzeugt, der einer
Bezugsspannung folgt. Diese Spannung ist nicht eine Funktion der
Transistorgröße Beta, der Übergangsspannung, der Temperatur oder
der Versorgungsspannung. Das Tracking ist bei hohen Frequenzen
ohne Spitzenwertbildung oder Klirren in dem Ausgangsstrom
möglich. Die Ausgangstransistoren sind so voneinander
isoliert, daß Veränderungen in der Spannung einer der
Ausgangstransistorkollektoren keine entsprechende Modulation
in den verbleibenden Ausgangsströmen erzeugt.