DE4123904C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spannungsfolgerschaltung mit einem Eingang zum Anlegen einer Eingangsspannung und einem Ausgang zum Abgeben einer von der Eingangsspannung abhängigen Ausgangsspannung, und einer ersten Stromspiegelschaltung mit einem Eingangstransistor und einem Ausgangstransistor, wobei der durch den Eingangstransistor fließende Strom von der Eingangs­ spannung abhängig ist und die Ausgangsspannung in Abhängigkeit vom Strom durch den Ausgangstransistor erzeugt wird.

Eine Spannungsfolgerschaltung dieser Art kann mittels des Ope­ rationsverstärkers des von der Firma Texas Instruments Incor­ porated hergestellten Typs TL 052 aufgebaut werden, dessen Schaltbild in dem von dieser Firma herausgegebenen Handbuch "Linear Circuits, Data Book, Volume 1", 1989 auf S. 2-300 dar­ gestellt ist. Wenn dieser Operationsverstärker als Spannungs­ folger beschaltet wird, wirkt er als Impedanzwandler mit hochohmigem Eingang und niederohmigem Ausgang. Der Operations­ verstärker enthält eine Stromspiegelschaltung, wie sie aus dem Buch "Elektrische Eigenschaften linearer integrierter Schal­ tungen" der Firma VALVO in der Ausgabe vom November 1977, ins­ besondere in Bild 6.13 dargestellt ist. Der Operationsverstär­ ker als Spannungsfolger mit diesem herkömmlichen Aufbau ist nur für einen begrenzten Eingangsspannungsbereich einsetzbar, da immer dann, wenn die Eingangsspannung (je nach der Polari­ tät der verwendeten Transistoren) gegen den Wert der Versor­ gungsspannung oder gegen den Massewert geht oder diese Werte überschreitet, die Ausgangsspannung nicht mehr der Eingangs­ spannung entspricht, so daß die Spannungsfolgerfunktion nicht mehr gewährleistet ist.

Aus der US-A-42 23 276 ist ebenfalls eine Spannungsfolger­ schaltung der Art bekannt, wie sie im Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1 beschrieben ist. Diese bekannte Spannungsfolger­ schaltung ist jedoch speziell im Hinblick darauf entwickelt worden, daß sie sich für die Herstellung in Form einer inte­ grierten Schaltung eignet und daß sie gegen Schwingungser­ scheinungen unempfindlich ist.

Aus der US-A-44 89 285 ist eine Stromspiegelschaltung be­ kannt, die zwei Eingangsklemmen aufweist, der zwei Eingangs­ ströme zugeführt werden. Die Stromspiegelschaltung ist spe­ ziell so aufgebaut, daß sie einen Ausgangsstrom liefert, der dem größeren der beiden Eingangsströme proportional ist. Es findet sich in diesen beiden Druckschriften kein Hinweis dar­ auf, wie die in ihnen beschriebenen Schaltungen so kombiniert werden könnten, daß die Funktionsfähigkeit einer Spannungs­ folgerschaltung in einem großen Eingangsspannungsbereich ge­ währleistet werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spannungsfol­ gerschaltung der eingangs angegebenen Art so auszugestalten, daß sie in einem großen Eingangsspannungsbereich ihre Funk­ tionsfähigkeit beibehält.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß dem Ausgangstransistor der ersten Stromspiegelschaltung ein weiterer Eingangstransistor zugeordnet ist, der mit diesem Ausgangstransistor eine zweite Stromspiegelschaltung bildet, und daß in der Kollektorleitung des weiteren Eingangstran­ sistors eine Konstantstromquelle angebracht ist, die in die zweite Stromspiegelschaltung einen konstanten Strom einprägt.

In der erfindungsgemäßen Spannungsfolgerschaltung bleibt die Ausgangsspannung auch dann noch auf einem hohen Spannungswert, wenn die Eingangsspannung den Wert der Versorgungsspannung an­ nimmt oder über diesen Wert ansteigt. Dadurch können nachfol­ gende Schaltungen, die abhängig davon, ob die Eingangsspannung hoch oder niedrig ist, bestimmte Funktionen ausführen sollen, auch im Grenzfall einer sehr hohen Eingangsspannung immer noch die entsprechende, der hohen Eingangsspannung zugeordnete Funktion ausführen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Patentan­ spruch 2 gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnah­ me auf die Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Spannungsfolgerschaltung zeigt.

Die in der Zeichnung dargestellte Spannungsfolgerschaltung enthält eine erste Stromspiegelschaltung mit zwei PNP-Transi­ storen Q1 und Q3. Der Transistor Q1 ist dabei der Eingangs­ transistor, und der Transistor Q3 ist der Ausgangstransistor. In die direkte Verbindung zwischen den verbundenen Basis-Anschlüssen der beiden Transistoren Q1 und Q3 und dem Kollektor des Eingangs­ transistors Q1 ist im Falle der hier zu beschreibenden Schal­ tung ein PNP-Transistor Q2 eingefügt, dessen Emitter mit den Basis-Anschlüssen der beiden Transistoren Q1 und Q3 verbunden ist und dessen Kollektor an Masse liegt. Im Falle der hier zu beschreibenden Spannungsfolgerschaltung ist in die Kollektor­ leitung des Eingangstransistors Q1 eine Diode D eingefügt, deren Zweck noch erläutert wird. Der Basis-Anschluß des Tran­ sistors Q2 ist an die Kathode der Diode D angeschlossen.

Die in der Spannungsfolgerschaltung zu verarbeitende Eingangs­ spannung wird der Eingangsklemme 10 zugeführt, die direkt mit dem Basis-Anschluß eines NPN-Transistors Q5 verbunden ist. Der Kollektor-Anschluß dieses Transistors Q5 ist mit dem Basis-An­ schluß des Transistors Q2 und der Kathode der Diode D verbun­ den. Der Emitter-Anschluß des Transistors Q5 ist mit dem Emit­ ter-Anschluß eines weiteren NPN-Transistors Q6 verbunden, der symmetrisch zum Transistor Q5 in die von den Transistoren Q1 und Q3 gebildete Stromspiegelschaltung eingefügt ist. Der Kol­ lektor-Anschluß des Transistors Q6 ist mit dem Kollektor-An­ schluß des Transistors Q3 verbunden. Die miteinander verbunde­ nen Emitter-Anschlüsse der beiden Transistoren Q5 und Q6 sind an eine Konstantstromquelle K1 angeschlossen, deren zweiter Anschluß an Masse liegt.

Mit den verbundenen Kollektor-Anschlüssen der Transistoren Q3 und Q6 ist auch der Basis-Anschluß eines NPN-Transistors Q7 verbunden, zwischen dessen Emitter-Anschluß und Masse ein Wi­ derstand R liegt. Der Kollektor-Anschluß des Transistors Q7 ist ebenso wie die Emitter-Anschlüsse der Transistoren Q1 und Q3 mit einer Versorgungsspannungsleitung 15 verbunden, an der die positive Versorgungsspannung V_cc liegt. Der Basis-Anschluß des Transistors Q6 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Emitter-Anschluß des Transistors Q7 und dem Widerstand R ange­ schlossen. Die Ausgangsspannung wird mittels der Ausgangsklem­ me 20 von diesem Verbindungspunkt abgegriffen.

Die bisher beschriebene Spannungsfolgerschaltung ist voll funktionsfähig und liefert an ihre Ausgangsklemme 20 eine von der Eingangsspannung an der Eingangsklemme 10 abhängige Aus­ gangsspannung, solange die Eingangsspannung innerhalb eines vorgegebenen Bereichs bleibt. Wenn beispielsweise die Ein­ gangsspannung etwa in der Mitte zwischen dem Massewert und dem Wert der positiven Versorgungsspannung V_cc liegt, fließt durch den Transistor Q5 ein Strom, dessen Wert durch die Konstant­ stromquelle K1 bestimmt ist, und aufgrund der Eigenschaften der Stromspiegelschaltung in Zusammenwirkung mit dem Transi­ stor Q7 fließt im Idealfall der gleiche Strom durch den Tran­ sistor Q6. Ein Teil des Kollektorstroms des Transistors Q3 wirkt als Basisstrom für den Transistor Q7, durch dessen Kol­ lektor-Emitter-Strecke ein Strom fließt, der am Widerstand R einen solchen Spannungsabfall erzeugt, daß die Ausgangsspan­ nung an der Ausgangsklemme 20 gleich der Eingangsspannung an der Eingangsklemme 10 ist.

Wenn aber die Eingangsspannung gegen den Wert der Versorgungs­ spannung V_cc geht, fließt praktisch der gesamte Strom, der von der Konstantstromquelle K1 festgelegt wird, durch die Basis- Emitter-Strecke des Transistors Q5, so daß für den Transistor Q6 kein Strom mehr übrigbleibt. Dies würde bedeuten, daß auch durch den Transistor Q3 kein Strom mehr fließen kann, so daß demgemäß auch der vom Strom durch den Transistor Q3 ange­ steuerte Transistor Q7 in den gesperrten Zustand versetzt wird. Da im gesperrten Zustand des Transistors Q7 kein Strom durch den Widerstand R fließt, geht in diesem Zustand die Aus­ gangsspannung an der Ausgangsklemme 20 auf den Wert Null. Dies würde aber bedeuten, daß die Ausgangsspannung nicht mehr der Eingangsspannung entspricht, wie dies für eine Spannungsfol­ gerschaltung gewünscht wird.

Um das geschilderte nachteilige Verhalten zu vermeiden, ent­ hält die Schaltung einen weiteren PNP-Transistor Q4, der so in die Schaltung eingefügt ist, daß er zusammen mit dem Transi­ stor Q3 eine zweite Stromspiegelschaltung bildet. Der Transi­ stor Q4 bildet dabei den Eingangstransistor für die zweite Stromspiegelschaltung, und der Transistor Q3 bildet deren Aus­ gangstransistor. Wie bei einer Stromspiegelschaltung üblich, ist beim Eingangstransistor Q4 der Kollektor-Anschluß mit dem Basis-Anschluß verbunden. Zwischen dem Kollektor-Anschluß und Masse ist eine zweite Konstantstromquelle K2 eingefügt.

Durch Hinzufügen der zweiten Stromspiegelschaltung aus den Transistoren Q3 und Q4, die bewirkt, daß durch den Ausgangs­ transistor Q3 stets ein durch die Konstantstromquelle K2 ein­ geprägter Strom fließt, wird ein Sperren des Transistors Q7 verhindert, auch wenn aufgrund einer hohen Eingangsspannung an der Eingangsklemme 10 im Bereich der Versorgungsspannung V_cc praktisch der gesamte Strom der Konstantstromquelle K1 durch den Transistor K5 fließt und für den den Transistor Q3 enthal­ tenden Schaltungszweig kein Strom mehr übrigbleibt. Der auf­ grund der zweiten Stromspiegelschaltung in den den Transistor Q3 enthaltenden Schaltungszweig eingeprägte Strom gewährleistet somit, daß auch bei hohen Eingangsspannungen die Spannung an der Ausgangsklemme 20 noch eine Aussage darüber zuläßt, ob die Eingangsspannung hoch oder niedrig ist. Die Spannungsfolger­ funktion bleibt somit in einem sehr großen Bereich der Ein­ gangsspannungen erhalten, sogar dann, wenn die Eingangsspan­ nung über den Wert der Versorgungsspannung V_cc ansteigt.

Die Diode D ist in die Kollektorleitung des Transistors Q1 eingefügt, um zu verhindern, daß bei einer Eingangsspannung, die größer als die Versorgungsspannung V_cc ist, kein Strom aus der die Eingangsspannung liefernden Quelle zur Stromquelle K2 fließen kann. Dies würde die Funktion des zusätzlichen Strom­ spiegels aufheben. Außerdem würde dies die Eingangsspannung liefernde Quelle unter Umständen in unerwünschterweise stark belasten.

Claims (3)

1. Spannungsfolgerschaltung mit einem Eingang zum Anlegen einer Eingangsspannung und einem Ausgang zum Abgeben einer von der Eingangsspannung abhängigen Ausgangsspannung, einer ersten Stromspiegelschaltung mit einem Eingangstransistor und einem Ausgangstransistor, wobei der durch den Eingangstransi­ stor fließende Strom von der Eingangsspannung abhängig ist und die Ausgangsspannung in Abhängigkeit vom Strom durch den Ausgangstransistor erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgangstransistor (Q3) der ersten Stromspiegelschaltung (Q1, Q3) ein weiterer Eingangstransistor (Q4) zugeordnet ist, der mit diesem Ausgangstransistor (Q3) eine zweite Stromspie­ gelschaltung (Q3, Q4) bildet, und daß in der Kollektorleitung des weiteren Eingangstransistors (Q4) eine Konstantstromquel­ le (K2) angebracht ist, die in die zweite Stromspiegelschal­ tung (Q3, Q4) einen konstanten Strom einprägt.

2. Spannungsfolgerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Konstantstromquelle (K2) so eingestellt ist, daß sie einen Strom einprägt, der in der Größenordnung von 1/10 des Stroms liegt, der in der ersten Stromspiegelschaltung (Q1, Q3) fließt.

3. Spannungsfolgerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Kollektorleitung des Eingangstran­ sistors (Q1) der ersten Stromspiegelschaltung (Q1, Q2) eine Diode (D) eingefügt ist, die einen Stromfluß von der Eingangs­ klemme (10) zu diesem Eingangstransistor (Q1) verhindert.