DE4326282C2 - Stromquellenschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromquellenschaltung mit einem Stromspiegel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 oder 2 (US 4 808 907).

Eine solche Stromquellenschaltung mit einem Stromspiegel ist aus der US 4 808 907 bekannt, wobei der Stromspiegel aus zwei npn-Bipolar-Transistoren aufgebaut ist. Die Verstärkerstufe ist als Operationsverstärker aufgebaut, an dessen invertierendem Eingang der an dem ersten Lastelement erzeugte Istwert anliegt und dessen nichtinvertierendem Eingang der Sollwert zugeführt wird. Das von dem Operationsverstärker zu steuernde Stellglied ist als pnp-Bipolar-Transistor ausgebildet, dessen Basiselektrode mit der Basiselektrode einer ebenfalls als pnp-Bipolar-Transistor ausgebildeten Ausgangsstufe verbunden ist.

Diese bekannte Stromquellenschaltung kann als integrierte Schaltung mittels bekannter Bipolar-Technologien hergestellt werden, wobei solche Technologien verwendbar sind, die zu geringem Energieverbrauch und geringen Versorgungsspannungen führen.

Neben diesen Vorteilen weist diese bekannte Stromquellenschaltung jedoch den Nachteil der Verwendung eines Operationsverstärkers auf, dessen Aufbau in der Regel eine erhebliche Anzahl von Bauelementen erfordert, womit viel Chipfläche verbraucht und infolgedessen die Herstellung als integrierter Schaltkreis teuer wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Stromquellenschaltung der eingangs genannten Art anzugeben, die einfach aufzubauen und daher kostengünstig herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 oder 2 gelöst.

Hiernach stellt die Verstärkerstufe lediglich ein Tran­ sistorelement mit einem Lastelement, vorzugsweise ein ohmscher Widerstand oder eine aktive Last, dar, wobei dessen Steuerelektrode der Istwert zugeführt wird. Bei Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltung mit Feldeffekttransistoren wird der Sollwert im wesent­ lichen durch den Wert der Schwellspannung dieses Tran­ sistorelementes der Verstärkerstufe einschließlich ei­ ner vergleichsweise klein auslegbaren Steuerspannung für den durch dieses Transistorelement fließenden Strom gebildet. Werden dagegen Bipolar-Transistoren einge­ setzt, bildet die Basis-Emitter-Spannung im Arbeits­ punkt des Transistorelementes der Verstärkerstufe den Sollwert.

Schließlich kann bei Verwendung eines Transistors als aktiver Last dessen Steuerelektrode mit den Steuerelek­ troden der den Stromspiegel bildenden Transistoren ver­ bunden werden, wodurch der Einfluß des durch das Ver­ stärkerelement fließenden Stromes auf die strombestim­ mende Schwelle des zugehörigen Transistorelementes ver­ mieden wird. Dies führt zu einer weiteren Verbesserung der Unabhängigkeit der Ausgangsströme der erfindungsge­ mäßen Stromquellenschaltung von Schwankungen der Be­ triebsspannung.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungs­ beispielen dargestellt und erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Stromquellenschaltung als Stand der Technik gemäß der US 4 808 907,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Stromquellenschaltung als Ausführungsbeispiel mit einem Transistorelement als Verstärkerstufe zur Erzeugung und Verstärkung einer Regelabweichung und

Fig. 3 eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2.

Die bekannte Stromquellenschaltung nach Fig. 1 ist im Gegensatz zu derjenigen in der US 4 808 907 beschriebenen Schaltung nicht mit Bipolar-Transistoren, sondern mit Feldeffekttransistoren aufgebaut. Dabei bilden zwei MOS-Feldeffekttransisto­ ren T₃ und T₄ vom p-Kanaltyp eine Stromspiegelschal­ tung, indem die Gate- und die Drain-Elektrode des Tran­ sistors T₃ auf dem gleichen Potential liegen. Der Ein­ gangsstrom I_e dieses Stromspiegels wird von einem n-Ka­ nal-Transistor T₂ entsprechend dem von einem Operati­ onsverstärker OP an die Gate-Elektrode geführten Span­ nungspegel geregelt. Der Ausgangsstrom I_a der Strom­ spiegelschaltung wird über einen Lastwiderstand R_L ge­ führt und dessen Spannungsabfall U_RL als Istwert dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP zu­ geführt. Am nichtinvertierenden Eingang des Operations­ verstärkers OP liegt als Sollwert eine Referenzspannung U_ref, die extern erzeugt werden kann. Somit bildet die­ ser Operationsverstärker OP zusammen mit dem als Stell­ glied wirkenden Transistor T₂ und dem Lastwiderstand R_L eine Regeleinrichtung eines Regelkreises, dessen Regel­ größe der Ausgangsstrom I_a darstellt. Der Wert dieses Stromes I_a ergibt sich aus dem Quotienten aus der Refe­ renzspannung U_ref und dem Widerstandswert des Wider­ standes R_L.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nach Fig. 1 weist eine außerordentliche Ausgangsstromkonstanz auf, die unter anderem darauf zurückzuführen ist, daß der Ausgangsstrom I_a des Stromspiegels (T₃, T₄) über den Lastwiderstand R_L geführt wird, der somit als Sensor für den Istwert wirkt, wodurch der Einfluß der Kanal­ längenmodulation der Transistoren T₂ und T₄ sowie die Schwellspannungs-Differenz der Transistoren T₃ und T₄ auf diesen Ausgangsstrom I_a erfaßt und damit auch aus­ geregelt wird. Ein weiterer Vorteil ist dadurch gege­ ben, daß der Lastwiderstand R_L auf Bezugspotential liegt, da hiermit die Möglichkeit gegeben ist, den Spannungsabfall U_RL am Lastwiderstand R_L als schwellen­ spannungsabhängige Referenzspannung in anderen Schal­ tungsteilen zu verwenden.

Zur Erzeugung von Stromsenken bzw. Stromquellen werden nach Fig. 1 Stromsenkentransistoren T₅₁ und T₅₂ bzw. Stromquellentransistoren T₆₁ und T₆₂ eingesetzt. Die Gate-Elektroden dieser ge­ nannten Transistoren sind mit der Gate-Elektrode des Transistors T₂ bzw. mit der Gate-Elektrode des Tran­ sistors T₄ verbunden. Somit stehen an den entsprechen­ den Ausgängen A_S1 und A_S2 bzw. A_q1 und A_q2 konstante Ausgangsströme I_S1 und I_S2 bzw. I_q1 und I_q2 zur Verfü­ gung, die jeweils verschiedene Vielfache des Stromes I_e bzw. I_a darstellen.

Das weitere Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unter­ scheidet sich von demjenigen nach Fig. 1 lediglich da­ durch, daß als Verstärkerstufe ein n-Kanal-MOS-Tran­ sistor T₁ mit einem in dessen Drain-Stromkreis geschal­ teten Lastwiderstand R_LV vorgesehen ist. Zur Steuerung des Transistors T₂ wird die Drain-Elektrode des Tran­ sistors T₁ mit der Gate-Elektrode des Transistors T₂ verbunden. Die an dem Lastwiderstand R_L erzeugte Soll­ wertspannung U_RL wird auf die Gate-Elektrode des Tran­ sistors T₁ geführt. Der Sollwert wird dabei im wesent­ lichen durch die Schwellspannung U_T des MOS-Transistors T₁ einschließlich einer vergleichsweise klein auslegba­ ren Steuerspannung (effektive Steuerspannung) für den durch diesen MOS-Transistor T₁ fließenden Strom gebil­ det. Diese Schaltungsanordnung weist nicht den Nachteil gemäß der Schaltung nach Fig. 5 auf und ist daher für sehr kleine Versorgungsspannungen U_Bat geeignet. Im üb­ rigen bleiben die im Zusammenhang mit dem Ausführungs­ beispiel nach Fig. 1 beschriebenen Vorteile erhalten.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird gegenüber demjenigen nach Fig. 2 der ohmsche Widerstand R_LV durch ein aktives Lastelement, nämlich einen p-Kanal- MOS-Transistor T₇ ersetzt. Da der durch den Transistor T₁ fließende Strom I_V bei schwankender Betriebsspannung U_B im wesentlichen durch den Spannungsabfall an dem Widerstand R_LV bestimmt ist, wird nunmehr mittels des Transistors T₇, dessen Gate-Elektrode auf dem gleichen Potential wie die Steuerelektroden der den Stromspiegel bildenden Transistoren T₃ und T₄ liegt, ein konstanter Strom I_V erzeugt. Dadurch wird der Einfluß dieses Stro­ mes auf die strombestimmende Schwelle des Transistors T₁ vermieden, so daß die Unabhängigkeit der Ausgangs­ ströme I_qi und I_si weiter verbessert wird.

Die in CMOS-Technologie ausgeführten Stromquellenschal­ tungen gemäß den Fig. 1 bis 3 können auch durch Ver­ tauschung der Transistortypen mit entsprechender Anpas­ sung der Spannungspolarität aufgebaut werden.

Schließ­ lich besteht auch die Möglichkeit der Verwendung von Bipolar-Transistoren für die erfindungsgemäße Stromquellenschaltung, wodurch der an den Transistoren T₂ und T₄ gemäß den nach den Fig. 1 bis 3 aufgebau­ ten Ausführungsbeispielen auftretende Early-Effekt aus­ geregelt wird.

Claims (7)

1. Stromquellenschaltung mit einem Stromspiegel (T₃, T₄), dessen Ausgangsstrom (I_a) über ein erstes Lastelement (R_L) geführt wird und dessen Eingangsstrom (I_e) über ein von einer Verstärkerstufe steuerbares Stellglied (T₂) eingestellt wird, wobei die Verstärkerstufe in Abhängigkeit der Abweichung eines am ersten Lastelement (R_L) erzeugten Istwerts von einem Sollwert das Stellglied (T₂) ansteuert, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) die Verstärkerstufe ist aus einem Transistorelement (T₁) und einem zweiten Lastelement (R_LV, T₇) aufgebaut,
• b) das Transistorelement (T₁) ist als Feldeffekttransistor ausgebildet und
• c) der Sollwert wird im wesentlichen durch den Schwellwert des Transistorelementes (T₁) der Verstärkerstufe gebildet (Fig. 2, 3).

2. Stromquellenschaltung mit einem Stromspiegel (T₃, T₄), dessen Ausgangsstrom (I_a) über ein erstes Lastelement (R_L) geführt wird und dessen Eingangsstrom (I_e) über ein von einer Verstärkerstufe steuerbares Stellglied (T₂) eingestellt wird, wobei die Verstärkerstufe in Abhängigkeit der Abweichung eines am ersten Lastelement (R_L) erzeugten Istwerts von einem Sollwert das Stellglied (T₂) ansteuert, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) die Verstärkerstufe ist aus einem Transistorelement (T₁) und einem zweiten Lastelement (R_LV, T₇) aufgebaut,
• b) das Transistorelement (T₁) ist als Bipolar-Transistor ausgebildet und
• c) der Sollwert wird durch die Basis-Emitterspannung im Arbeitspunkt des Transistorelementes (T₁) der Verstärkerstufe gebildet.

3. Stromquellenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Lastelement ein ohmscher Widerstand (R_LV) ist (Fig. 2).

4. Stromquellenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Lastelement eine aktive Last, insbesondere ein Transistor (T₇) ist (Fig. 3).

5. Stromquellenschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode des Transistors (T₇) mit den Steuerelektroden der den Stromspiegel bildenden weiteren Transistoren (T₃, T₄) verbunden ist (Fig. 3).

6. Stromquellenschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle verwendeten Transistoren (T₁ bis T₇) als MOS- Transistoren ausgebildet sind (Fig. 2, 3).

7. Stromquellenschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Transistoren als Bipolar-Transistoren ausgebildet sind.