DE4200480A1

DE4200480A1 - Spannung-strom-wandlerschaltkreis

Info

Publication number: DE4200480A1
Application number: DE4200480A
Authority: DE
Inventors: Yasushi Nishimura
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 1991-04-15
Filing date: 1992-01-10
Publication date: 1992-10-22
Anticipated expiration: 2012-01-11
Also published as: US5164681A; JP3153569B2; JPH04316203A; DE4200480C2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Spannung-Strom-Wandlerschaltkreis mit verringerten nichtlinearen Verzerrungen.

Ein Spannung-Strom-Wandlerschaltkreis dient zum Ausgeben eines in bezug auf eine angelegte Spannung linearen Stromes. Ein einfaches Beispiel eines Spannung-Strom-Wandlerschaltkreises ist in Fig. 3 gezeigt. In diesem Schaltkreis ist die Basis eines Transistors Q der Eingang IN des Schaltkreises, und der Emitter des Transistors Q ist über einen Lastwiderstand R mit Erde verbunden, und der Kollektor ist mit einer positiven Spannungsversorgung Vcc verbunden, so daß ein Emitter-Folger-Schaltkreis gebildet wird. Bei diesem Schaltkreis gilt die folgende Gleichung 1:

wobei V_i die Eingangsspannung am Eingang IN, I_E den Strom der durch den Lastwiderstand R fließt, d. h. den Emitterstrom und V_BE die Basis-Emitterspannung des Transistors Q bedeuten.

Zusätzlich gilt die folgende Gleichung 2:

wobei I_S den Sättigungsstrom aufgrund der Charakteristik der Basis-Emitterverbindung des Transistors Q, q die Elektronenladung (1,602×10^-19C) K die Boltzmann-Konstante (1,38×10^-23J/K) und T die absolute Temperatur (°K) bedeuten.

Daher ist die Basis-Emitterspannung V_BE nicht linear zum Emitterstrom I_E und daher auch die durch die Gleichung 1 angegebene Charakteristik aufgrund der nicht linearen Charakteristik der Basis-Emitterspannung V_BE nicht linear. Nimmt man den Stromverstärkungsfaktor des Transistors Q zu h_fe an, so ist die Eingangsimpedanz des Schaltkreises etwa h_fe-mal so groß wie der Lastwiderstand R. Jedoch ist dieser Widerstand, in Fällen, wo ein hoher Eingangswiderstand benutzt wird, noch nicht ausreichend.

Um diese Schwierigkeit zu umgehen, wurde ein Schaltkreis gemäß der Fig. 4 angegeben, der eine negative Rückkopplung an einem Operationsverstärker 40 aufweist. Der nicht inventierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 40 dient als Eingangsanschluß des Schaltkreises und der Ausgangsanschluß des Verstärkers 40 ist mit der Basis des Transistors Q verbunden, so daß die Emitterspannung des Transistors Q, d. h. die Spannung, die dem Lastwiderstand R zugeführt wird, zurückgeführt wird. Nimmt man die Charakteristik des Operationsverstärkers als ideal an, d. h. ist dessen Eingangsimpedanz unendlich, die Eingangs-Offsetspannung O, und wird die Verstärkung als unendlich angenommen, so ist der Strom I_R, der durch den Lastwiderstand R fließt:

Damit entstehen keine nichtlinearen Verzerrungen aufgrund der Nichtlinearität der Basis-Emitterspannung V_BE und die Eingangsimpedanz kann unendlich gemacht werden. In der Praxis ist jedoch kein Operationsverstärker mit einer derart idealen Charakteristik verfügbar. Wäre ein Operationsverstärker mit der oben angegebenen Charakteristik erwünscht, so müßte man einen Operationsverstärker mit einer unvermeidbar kompizierten internen Struktur schaffen, was zu einer Erhöhung der Herstellungskosten führen würde.

Wie oben beschrieben wurde, sind herkömmliche Spannung-Strom-Wandlerschaltkreise insofern nachteilhaft, als die Ausgangsspannung aufgrund der nichtlinearen Charakteristik der Basis-Emitterverbindung des Transistors verzerrt wird, daß diese Verzerrungen nicht ohne einen Operationsverstärker mit einer sehr aufwendigen Struktur vermindert werden kann, und es darüber hinaus nicht möglich ist, die Verzerrungen vollkommen zu beseitigen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen Schwierigkeiten bei herkömmlichen Spannung-Strom-Wandlerschaltkreisen zu beseitigen. Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Spannung-Strom-Wandlerschaltkreis mit einfacher Struktur und einer hohen Eingangsimpedanz anzugeben, der keine nichtlinearen Verzerrungen erzeugt.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird in erfindungsgemäßer Weise gelöst durch einen Spannung-Strom-Wandlerschaltkreis mit: einem ersten Transistor, dessen Emitter als Eingangsanschluß dient; einem zweiten Transistor, dessen Basis mit der Basis des ersten Transistors verbunden ist und dessen Emitter mit einer vorbestimmten Last verbunden ist; einem ersten Strom-Spiegelschaltkreis, der entsprechend dem Strom am Kollektor des zweiten Transistors den Kollektor des ersten Transistors und eine erste Stromquelle mit einem Strom versorgt, der gleich dem Strom am Kollektor des zweiten Transistors ist; einem zweiten Strom-Spiegelschaltkreis, der in Referenz zu dem Strom einer zweiten Stromquelle dem Emitter des ersten Transistors einen Strom zuführt der gleich dem Strom der zweiten Quelle ist, wobei die zweite Stromquelle in Serie mit der ersten Stromquelle verbunden ist, so daß in der ersten und zweiten Stromquelle der gleiche Strom fließt, und wobei der erste und zweite Transistor das gleiche Emitterpotential aufweisen.

Bei dem erfindungsgemäßen Spannung-Strom-Wandlerschaltkreis ist die Basis des ersten Transistors auf der Eingangsseite mit der Basis des zweiten Transistors auf der Ausgangsseite verbunden; der Strom der gleich dem Kollektorstrom des zweiten Transistors ist, wird als Kollektorstrom dem ersten Transistor mit Hilfe des ersten Strom-Spiegelschaltkreises zugeführt, und der Strom, der diesem Strom entspricht, wird als Emitterstrom dem ersten Transistor mit Hilfe der ersten und zweiten Stromquelle und des zweiten Strom-Spiegelschaltkreises zugeführt. Damit sind die Emitterströme der Transistoren auf der Eingangs- und Ausgangsseite gleich, und damit auch die Basis-Emitterspannungen. Damit sind die Basis-Emitterspannungen, die die nicht-linearen Verzerrungen bedingen, gegeneinander ausgelöscht und können somit nicht die Last beeinflussen, d. h. der Ausgangsstrom an der Last ist proportional zu der Eingangsspannung und frei von nichtlinearen Verzerrungen.

Weiterhin wird am Emitter des Transistors auf der Eingangsseite der ein- und ausfließende Strom von der Eingangsspannungsquelle 0, so daß die Eingangsimpedanz unendlich wird.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt im einzelnen

Fig. 1 einen Schaltplan zum erläutern des Prinzips der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 ein Schaltbild eines Spannung-Strom-Wandlerschaltkreises gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 einen Schaltplan eines herkömmlichen Spannung-Strom-Wandlerschaltkreises,

Fig. 4 einen Schaltplan eines anderen Beispiels eines herkömmlichen Spannung-Strom-Wandlerschaltkreises,

Fig. 5 einen Schaltplan eines weiteren Beispiels eines Teils des erfindungsgemäßen Spannung-Strom-Wandlerschaltkreises, und

Fig. 6 einen Schaltplan, der ein weiteres Beispiel eines Teils des Spannung-Strom-Wandlerschaltkreises gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.

Fig. 1 zeigt eine Schaltung zur Erläuterung der Betriebsweise der vorliegenden Erfindung. Die Schaltung in Fig. 1 weist ein Paar von NPN-Transistoren auf. Für die nachfolgende Beschreibung wird angenommen, daß das Paar der Transistoren gleiche Charakteristiken aufweist, und eine ausreichend hohe Stromverstärkung h_fe aufweist, und daß die Basisströme unberücksichtigt bleiben können.

In der Fig. 1 wird der Emitter des ersten Transistors Q1 als Eingangsanschluß des Schaltkreises verwendet und der Kollektor ist über eine Stromquelle 12 mit der positiven Versorgungsspannung (bzw. Leistungsquelle) +Vcc verbunden. Die Basis eines zweiten Transistors Q2 ist mit der Basis des ersten Transistors Q1 verbunden, der Emitter davon dient als Ausgangsanschluß des Schaltkreises und ist über einen Lastwiderstand RA mit Masse verbunden, und der Kollektor ist mit einer Stromquelle 11 an die positive Spannungsversorgung (bzw. Leistungsquelle) +Vcc angeschlossen. Der Kollektor und die Basis des Transistors Q1 sind miteinander verbunden. Im Falle, daß die Transistoren Q1 und Q2 das gleiche Emitterpotential aufweisen, können sie als Strom-Spiegelschaltkreis aufgefaßt werden, bei dem die Seite des Transistors Q1 als Referenz dient. Die positive Spannungsquelle +Vcc ist über einen Serienschaltkreis der Stromquellen 13 und 21 mit der negativen Spannungsquelle Vee verbunden, so daß in diesen Stromquellen der gleiche Strom I3 fließt. Die Stromquellen 11, 12 und 13 bilden einen ersten Strom-Spiegelschaltkreis 1. Mit dem Strom I2 der Stromquelle 11 als Referenz werden Ströme gleich dem Strom I2 den Stromquellen 12 und 13 zugeführt.

Andererseits bildet die Stromquelle 21 und eine Stromquelle 22 einen Strom-Spiegelschaltkreis 2. Weist die Stromquelle 21 den Strom I3 auf, so wird ein Strom gleich dem Strom I3 der Stromquelle 22 zugeführt.

In der Schaltung gilt I2=I1=I3, und I3=I4, und daher I1=I4. Es fließt daher kein Strom in den Eingangsanschluß IN hinein oder aus ihm heraus, d. h. die Eingangsimpedanz ist unendlich. Wie oben beschrieben, können die Transistoren Q1 und Q2 als Strom-Spiegelschaltkreis mit der Seite des Transistors Q1 als Referenz angesehen werden. Unter der Bedingung, daß die Basisströme unberücksichtigt bleiben können, da h_fe genügend groß ist, sind die Emitterströme I1 und I2 gleich. Daher müssen die Emitterpotentiale ebenfalls gleich sein. Dies kann anhand der Tatsache, daß die Transistoren gleiche Basis-Emitterspannungen V_BE aufweisen, unter Berücksichtigung der Gleichung 2 verstanden werden. Dabei repräsentiert Vi bei dem Schaltkreis in Fig. 1 die Spannung am Eingangsanschluß und VA die Spannung am Ausgangsanschluß A. Die Schaltung arbeitet als Spannung-Strom-Wandlerschaltkreis, bei dem der Strom IA, der durch den Lasttransistor RA fließt, proportional zu Vi ist. In diesem Zusammenhang sollte berücksichtigt werden, daß bei der Schaltung in Fig. 1 Vi eine positive Spannung ist.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines Spannung-Strom-Wandlerschaltkreises gemäß dem anhand der Fig. 1 beschriebenen Prinzip und stellt eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar. Die Ausführungsform arbeitet mit positiven und negativen Eingangsspannungen und stellt einen Ausgangsstrom für externe Geräte zur Verfügung.

Gleiche Teile in der Fig. 2 sind mit gleichen Referenzzeichen wie in Fig. 1 bezeichnet. Die Basisanschlüsse der Transistoren Q3, Q4, Q5 und Q6 sind miteinander verbunden, was ebenso für die Emitteranschlüsse gilt. Da der Kollektor und die Basis des Transistors Q5 miteinander verbunden sind, bilden die Transistoren Q3, Q4 und Q5 eine Strom-Spiegelschaltung mit dem Transistor Q5 als Basis. Die Transistoren Q5, Q4 und Q3 entsprechen den Stromquellen 11, 12 und 13 in Fig. 1, so daß der erste Strom-Spiegelschaltkreis 1 gebildet wird. Der Transistor Q6 ist dem ersten Strom-Spiegelschaltkreis zugefügt, um den Ausgangsstrom für externe Geräte bereitzustellen. Die Emitter der Transistoren Q7 und Q8 sind miteinander verbunden und die Basisanschlüsse sind ebenfalls miteinander verbunden. Da der Kollektor und die Basis des Transistors Q7 miteinander verbunden sind, bilden die Transistoren Q7 und Q8 einen Strom-Spiegelschaltkreis mit dem Transistor Q7 als Basis. Der Strom-Spiegelschaltkreis entspricht damit dem zweiten Strom-Spiegelschaltkreis 2, wie er von den Stromquellen 21 und 22 in Fig. 1 gebildet wird. Der Emitter des Transistors Q2 ist über eine Konstant-Stromquelle 31 mit der negativen Spannungsquelle -VEE verbunden, und ist über den Widerstand R1 mit Masse verbunden. Der Kollektor des Transistors Q6 ist über eine Konstant-Stromquelle 32 mit der negativen Spannungsquelle -VEE verbunden und ist über einen Lastwiderstand R2 als externes Gerät mit Masse verbunden. Ein Widerstand Ri, der zwischen dem Eingangsanschluß IN und Masse verschaltet ist, dient zum Festlegen einer Eingangsimpedanz für den praktischen Gebrauch und betrifft nicht in direkter Weise die vorliegende Erfindung.

Die Betriebsweise des so aufgebauten Schaltkreises wird im folgenden beschrieben:

In dem Schaltkreis gemäß Fig. 2 wird der Stromwert I0 der Konstantstromquelle 31 dazu verwendet, einen Ruhestrom für den gesamten Schaltkreis bereitzustellen, wenn die Eingangsspannung Vi 0 ist.

Der Schaltkreis arbeitet in der oben beschriebenen Weise. Daher ist im Falle, daß Vi=0, die Spannung über den Widerstand R1 0. Entsprechend gilt I5=0 und daher auch I1=I2=I3=I4=I6=0.

Im allgemeinen wird Vi=0 gelten, und daher gilt die folgende Gleichung 4:

I1 = I2 = I3 = I4 = I6 = (I0 + I5) = (I7 + I8) (4)

wobei I8 der Strom ist der durch den Lastwiderstand R2 fließt und I7 der Strom der Konstantstromquelle 32 ist.

Im Falle, daß I0 gleich I7 gemacht wird (I0=I7), ist I5 gleich I8 (I5=I8), d. h. der Strom, der dem externen Lastwiderstand zugeführt wird, ist proportional zur Eingangsspannung. Weiter ist im Falle, daß die Eingangsspannung Vi positiv ist, I6 größer als I7 und die Differenz zwischen I6 und I7 fließt in Richtung des in Fig. 2 bei I8 angegebenen Pfeiles. Daher ist die Spannung V2 am Ausgangsanschluß B positiv. Wenn andererseits die Eingangsspannung Vi negativ ist, wird I6 kleiner als I7 sein und die Differenz zwischen I6 und I7 fließt in die bezüglich des Pfeils bei I8 entgegengesetzten Richtung. Daher ist die Spannung V2 am Ausgangsanschluß B negativ. Damit fließt der Strom von Masse durch den Widerstand R2 zu der Konstantstromquelle 32 aufgesaugt werden würde. Damit ist klar, daß der Spannung-Strom-Wandlerschaltkreis sowohl positive als auch negative Eingangsspannungen verarbeiten kann.

Wie oben beschrieben wurde, ist die Spannung des Emitters A des Transistors Q2 gleich Vi. Die Spannung V2 am Ausgangsanschluß B beträgt R2×I8 (V2=R2×I8), und es gilt I5=Vi/R1. Damit ist, im Falle, daß der Schaltkreis als Spannungsverstärker aufgefaßt wird, der Spannungsverstärkungsfaktor Av:

Wie oben beschrieben wurde, sollte bei dem Paar der Transistoren Q1 und Q2, die die Eingangs- und Ausgangsabschnitte bilden, die Spannung und der Strom so gewählt werden, daß sie einen Strom-Spiegel-Schaltkreis bilden, wenn die Transistoren Q1 und Q2 gleiches Emitterpotential aufweisen, d. h. wenn die Emitter der Transistoren Q1 und Q2 miteinander verbunden sind. Daher können die Transistoren, die einen Eingangsabschnitt und einen Ausgangsabschnitt bilden, nämlich den Teil der durch das Bezugszeichen 3 in Fig. 1 bezeichnet ist, so ausgelegt sein, daß sie einen unterschiedlichen Typ eines Strom-Spiegelschaltkreises, wie er beispielsweise in den Fig. 5 oder 6 gezeigt ist, bilden. Sowohl in der Fig. 5 als auch in der Fig. 6 bezeichnen die Referenzzeichen C1, C2, E1 und E2 die gleichen Anschlüsse wie bei der Fig. 1. Diese Strom-Spiegelschaltkreise arbeiten in gleicher Weise und weisen dieselbe Funktion auf wie der Schaltkreis aus Fig. 1.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die Transistoren Q1 und Q2 beide vom NPN-Typ. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen Typ beschränkt. Das heißt, anstatt der NPN-Transistoren könnten auch PNP-Transistoren verwendet werden, wobei die gleichen Wirkungen erzielt werden können. In diesem Falle versteht sich, daß es dann notwendig ist, die anderen Transistoren durch Transistoren des anderen Leistungstyps zu ersetzen und außerdem die Spannungen in ihrer Polarität zu ändern, um den gewünschten Schaltkreis zu realisieren.

In dem Schaltkreis der Fig. 2 wird der von nichtlinearen Verzerrungen befreite Strom durch die folgende Spannung-Stromwandlung erhalten: der Kollektorstrom I2 des Transistors Q2 wird durch den Transistor Q6 mit Hilfe der Stromspiegelschaltung mit dem Transistor Q5 als Basis erhalten. Da jedoch die Ströme I1, I3 und I4 gleich sind, kann der Stromspiegelschaltkreis auf der Basis jedes Stromes gebildet werden. Beispielsweise kann ein Transistor zugefügt werden, um einen Stromspiegelschaltkreis mit dem Transistor Q7 als Basis zu bilden. In diesem Falle wird die Last auf der Basis des Stromes I3 erhalten und die Spannungs-Stromwandlung wird erreicht.

Der Spannungs-Strom-Wandlerschaltkreis der vorliegenden Erfindung weist eine einfache Verschaltung auf. Außerdem weisen die Transistoren auf der Eingangs- und Ausgangsseite einen gleichen Emitterstrom auf, so daß die Stromverzerrungen, die aufgrund der Nichtlinearität der Basis-Emitterspannung verursacht werden, unterdrückt werden. Zusätzlich ist der ein- und ausfließende Strom von der Eingangsspannungsquelle, die mit dem Emitter des Transistors auf der Eingangsseite verbunden ist, 0, so daß die Eingangsimpedanz unendlich wird.

Claims

1. Spannung-Strom-Wandlerschaltkreis mit:
einem ersten Transistor, dessen Emitter als Eingangsanschluß dient und mit einer ersten Leistungsquelle verbunden ist und dessen Kollektor über eine erste Stromquelle mit einer zweiten Spannungsquelle verbunden ist, und dessen Basis mit dem Kollektor verbunden ist;
einem zweiten Transistor, dessen Kollektor über eine zweite Stromquelle mit einer zweiten Leistungsquelle verbunden ist, und dessen Basis mit der Basis des ersten Transistors verbunden ist, wobei die erste und zweite Stromquelle einen ersten Stromspiegelschaltkreis bilden, bei dem die zweite Stromquelle als Referenz dient;
einer dritten Stromquelle zum Einspeisen eines Stromes der gleich dem Strom der zweiten Stromquelle ist, wobei diese dritte Stromquelle zwischen dem Emitter des ersten Transistors und der ersten Leistungsquelle angeordnet ist,
und wobei in den Kollektoren und den Emittern des ersten und zweiten Transistors die gleichen Ströme fließen und der erste und zweite Transistor gleiche Emitterpotentiale aufweisen.

2. Spannung-Strom-Wandlerschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Transistor einen Stromspiegelschaltkreis bilden, bei dem der erste Transistor als Referenz dient.

3. Spannung-Strom-Wandlerschaltkreis mit:
einem ersten Transistor, dessen Emitter als Eingangsanschluß dient;
einem zweiten Transistor, dessen Basis mit der Basis des ersten Transistors verbunden ist und dessen Emitter mit einer vorgegebenen Last verbunden ist;
einem ersten Stromspiegelschaltkreis, der mit einem Strom auf der Seite des Kollektors des zweiten Transistors als Referenz, Ströme an die Seite des Kollektors des ersten Transistors und an eine erste Stromquelle zur Verfügung stellt, die gleich dem Strom auf der Seite des Kollektors des zweiten Transistors sind; und
einem zweiten Stromspiegelschaltkreis dar, bei einem Strom durch die zweite Stromquelle als Referenz einen Strom an den Emitter des ersten Transistors zur Verfügung stellt, der gleich dem Strom ist, der durch die zweite Stromquelle fließt, wobei die zweite Stromquelle mit der ersten Stromquelle seriell verschaltet ist, so daß der gleiche Strom in der ersten und zweiten Stromquelle fließt und wobei der erste und zweite Transistor gleiche Emitterpotentiale aufweisen.

4. Spannung-Strom-Wandlerschaltkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Transistor einen Stromspiegelschaltkreis bilden, bei dem der erste Transistor als Referenz dient.