DE69001795T2

DE69001795T2 - Stromspiegel.

Info

Publication number: DE69001795T2
Application number: DE9090115278T
Authority: DE
Inventors: Michael John Gay
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1989-09-27
Filing date: 1990-08-09
Publication date: 1993-09-09
Anticipated expiration: 2010-08-10
Also published as: GB2236444A; JPH03119814A; US5057792A; HK183495A; KR940006365B1; EP0419819B1; JP2861346B2; GB8921799D0; DE69001795D1; KR910007240A; EP0419819A1

Description

Diese Erfindung betrifft Stromspiegel und insbesondere einen Niederspannungs-Stromspiegel, der in bipolarer Technologie verwirklicht ist.
Einfache Stromspiegel, beispielsweise der einfache Stromspiegel 2, der in Fig. 1 gezeigt ist, sind aus dem Stand der Technik gut bekannt. Jedoch sind solche Ausgestaltungen häufig unzureichend genau, insbesondere, wenn sie mit Elementen geringer Verstärkung, wie zwei lateralen pnp-Transistoren 4 und 6, verwirklicht werden. Das Verhältnis des Ausgangsstroms 12 zu dem Eingangsstrom 11 des einfachen Stromspiegels 2 ist gegeben durch:
worin β die Stromverstärkung der pnp-Transistoren ist. Somit ist für kleine Werte von β die Genauigkeit des einfachen Stromspiegels schlecht.
Zwei Schaltkreise 10 und 20, die üblicherweise verwendet werden, dieses Problem zu lösen, sind in den Fig. 2a und 2b gezeigt. Jedoch besitzen diese Schaltkreise einen Hauptnachteil dahingehend, daß zwei Basis/Emitter-Übergangszonen in Reihe an dem Eingangsknoten sind, beispielsweise die Basis/Emitter-Übergangszonen der Transistoren 12 und 14 der Fig. 2a, was die erforderliche Eingangsspannung verglichen mit dem einfachen Stromspiegel der Fig. 1 verdoppelt.
Da ferner der Stromspiegel 10 der Fig. 2a einen Transistor 14 hat, der nur durch den Basisstrom der Transistoren 12 und 16 vorgespannt ist, kann der Stromspiegel 10 an Anstiegsgeschwindigkeitsproblemen leiden.
Die Patentanmeldung im vereinten Königreich Nr. GB-A-2086682 beschreibt eine Kaskadenanordnung von Stromspiegelverstärkern.
Es ist eine Zielsetzung der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Stromspiegel zu schaffen, bei dem die obigen Nachteile überwunden sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Stromspiegelschaltkreise geschaffen, umfassend:
einen Eingangsknoten;
einen ersten einfachen Stromspiegel eines ersten Halbleitertyps, der einen mit dem genannten Eingangsknoten gekoppelten Eingang und einen Ausgang aufweist;
einen zweiten, einfachen Stromspiegel eines zweiten Halbleitertyps, der einen mit dem genannten Ausgang des genannten ersten, einfachen Stromspiegels gekoppelten Eingang und einen Ausgang aufweist;
einen dritten, einfachen Stromspiegel des genannten ersten Halbleitertyps, der einen mit dem genannten Ausgang des genannten zweiten, einfachen Stromspiegels gekoppelten Eingang hat; und
einen Ausgangsknoten, der mit dem genannten zweiten, einfachen Stromspiegel gekoppelt ist, damit er die Summe des Eingangsstroms und des Ausgangsstroms des genannten zweiten einfachen, Stromspiegels erhält, der in eine gemeinsame Klemme desselben fließt, wobei der Stromspiegelschaltkreis dadurch gekennzeichnet ist, daß der dritte, einfache Stromspiegel einen mit dem genannten Eingangsknoten gekoppelten Ausgang hat.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfassen der erste und der zweite einfache Stromspiegel bipolare Transistoren vom pnp-Typ und umfaßt der zweite einfache Stromspiegel bipolare Transistoren vom npn-Typ. Jedoch kann der komplementäre Transistortyp auch für jeden der Stromspiegel verwendet werden.
Die Erfindung wird nun näher in beispielhafter Weise von der Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 einen gutbekannten Stromspiegelschaltkreis zeigt;
Fig. 2a u. 2b kompliziertere Stromspiegelschaltkreise nach dem Stand der Technik zeigen, und
Fig. 3 einen Stromspiegelschaltkreis gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Der Stromspiegelschaltkreis 28 der Fig. 3 umfaßt einen ersten, einfachen Stromspiegel 30, einen zweiten, einfachen Stromspiegel 32 und einen dritten, einfachen Stromspiegel 34. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste Stromspiegel 30 und der dritte Stromspiegel 34 vom pnp-Typ und der zweite Stromspiegel 32 ist vom npn-Typ.
Der erste Stromspiegel 30 umfaßt einen ersten und einen zweiten pnp-Transistor 36 und 38. Der erste Transistor 36 ist als eine Diode gekoppelt. Die Emitterelektrode des ersten Transistors 36 ist zusammen mit der Emitterelektrode des zweiten Transistors mit einer positiven Versorgungsleitung 40 gekoppelt und die Basiselektroden des ersten und zweiten Transistors sind miteinander gekoppelt. Die Kollektorelektrode des ersten Transistors 36 bildet den Eingang des ersten Stromspiegels 30, der mit einem Eingangsknoten 29 gekoppelt ist, und die Kollektorelektrode des zweiten Transistors 38 bildet den Ausgang des ersten Stromspiegels 30, der mit einem Eingang des zweiten Stromspiegels 32 an dem Knoten 33 gekoppelt ist.
Der zweite Stromspiegel 32 umfaßt einen ersten und einen zweiten npn-Transistor 42 und 44. Der erste Transistor 42 ist als eine Diode gekoppelt. Die Emitterelektrode des ersten Transistors 42 ist zusammen mit der Emitterelektrode des zweiten Transistors 44 mit einem gemeinsamen Anschluß 37 gekoppelt, der mit einem Ausgangsknoten 31 verbunden ist. Die Basiselektroden des ersten und des zweiten Transistors sind zusammengekoppelt. Die Kollektorelektrode des ersten Transistors 42 bildet den Eingang des zweiten Stromspiegels 32 und die Kollektorelektrode des zweiten Transistors 44 bildet den Ausgang des zweiten Stromspiegels 32, der mit einem Eingang des dritten Stromspiegels 34 an dem Knoten 35 gekoppelt ist.
Der dritte Stromspiegel 34 umfaßt einen dritten und vierten pnp-Transistor 46 und 48. Der dritte Transistor 46 ist als eine Diode gekoppelt. Die Emitterelektrode des dritten Transistors 46 ist zusammen mit der Emitterelektrode des zweiten Transistors 48 mit der positiven Versorgungsleitung 40 gekoppelt, und die Basiselektroden des dritten und vierten Transistors sind zusammengekoppelt. Die Kollektorelektrode des dritten Transistors 46 bildet den Eingang des dritten Stromspiegels 34 und die Kollektorelektrode des vierten Transistors 48 bildet den Ausgang des dritten Stromspiegels 34, der mit dem Eingangsknoten 29 gekoppelt ist.
Eine elementare Analyse zeigt, daß, wenn die Stromverstärkungen der Spiegel 30, 32 und 34 gleich M1, M2 bzw. M3 sind, die Gesamtstromverstärkung, das heißt das Verhältnis des Ausgangsstroms 12 zu dem Eingangsstrom 11, des Schaltkreises 28 gegeben ist durch:
Wenn die Verstärkung des pnp- bzw. npn-Stromspiegels
sind, dann ist die Gesamtverstärkung des Schaltkreises:
Umordnen dieser Gleichung ergibt:
Somit wird verglichen mit dem einfachen Spiegel (Gleichung (1)) der Verstärkungsfehler verringert um einen Faktor
Durch Untersuchung der Fig. 3 sieht man, daß irgendwelche Änderungen der an den Ausgangsknoten 31 angelegten Spannung nur zwischen dem Emitter- und Kollektoranschluß der Transistoren 38 und 44 erscheint. Die Verstärkungen M1, M2 des ersten 30 bzw. zweiten 32 Stromspiegels werden infolgedessen durch den Early-Effekt in Antwort auf die an den Ausgangsknoten 31 gelegte Spannung abgeändert, wodurch bewirkt wird, daß der Schaltkreis eine endliche Ausgangsimpedanz hat. Es wird auf die Gleichung 2 bezug genommen und angenommen, daß die Stromspiegel eine nominale Einheitsverstärkung (das heißt M1, M2, M3 = 1) wie bei der bevorzugten Ausführungsform haben, so sieht man, daß Änderungen von M2 eine geringe Wirkung auf die Gesamtverstärkung haben, die sich jedoch gemäß etwa der Hälfte der Änderungen von M1 ändert. Es folgt deshalb, daß die Ausgangsimpedanz des Schaltkreises ungefähr zweimal derjenigen der Impedanz des ersten Stromspiegels 30 ist. Da der erste Stromspiegel 30 bei ungefähr der Hälfte des Eingangsstroms I1 arbeitet, wie es der zweite und der dritte Stromspiegel 32 und 34 macht, folgt, daß die Ausgangsimpedanz des Stromspiegels 28 ungefähr viermal diejenige eines einfachen Stromspiegels 2 ist, der in Fig. 1 gezeigt ist.
Der Stromspiegelschaltkreis gemäß der vorliegenden Erfindung ist bedingungsfrei stabil, da die Verstärkung der offenen Schleife der Rückkopplungsschleife die Einheit ist. Ferner gibt es keine Ansprechgeschwindigkeitsprobleme, da alle die Einrichtungen bei ungefähr der Hälfte des Eingangsstroms arbeiten.
Zusammengefaßt schafft die vorliegende Erfindung einen Stromspiegelschaltkreis, der niedere Eingangsspannungen benötigt und eine hohe Ausgangsimpedanz aufweist. Die Rückkopplungsanordnung der Erfindung verringert den Verstärkungsfehler und schafft somit einen verbesserten Stromspiegelschaltkreis, bei dem der Ausgangsstrom genauer den Eingangsstrom spiegelt.

Claims

1. Ein Stromspiegelschaltkreis umfassend

einen Eingangsknoten (29);

einen ersten einfachen Stromspiegel (30) eines ersten Halbleitertyps, der einen mit dem genannten Eingangsknoten (29) gekoppelten Eingang und einen Ausgang (33) aufweist;

einen zweiten, einfachen Stromspiegel (32) eines zweiten Halbleitertyps, der einen mit dem genannten Ausgang (33) des genannten ersten, einfachen Stromspiegels gekoppelten Eingang und einen Ausgang aufweist;

einen dritten, einfachen Stromspiegel (34) des genannten ersten Halbleitertyps, der einen mit dem genannten Ausgang des genannten zweiten, einfachen Stromspiegels gekoppelten Eingang hat; und

einen Ausgangsknoten (31), der mit dem genannten zweiten, einfachen Stromspiegel (32) gekoppelt ist, damit er die Summe des Eingangsstroms und des Ausgangsstroms des genannten zweiten einfachen, Stromspiegels (32) erhält, der in eine gemeinsame Klemme (37) desselben fließt, wobei der Stromspiegelschaltkreis dadurch gekennzeichnet ist, daß der dritte, einfache Stromspiegel (34) einen mit dem genannten Eingangsknoten (29) gekoppelten Ausgang hat.

2. Ein Stromspiegelschaltkreis gemäß Anspruch 1, bei dem der genannte zweite, einfache Stromspiegel (32) umfaßt einen ersten (42) und einen zweiten (44) Transistor, die eine gemeinsame Basiselektrode haben, wobei die Kollektorelektrode des genannten ersten Transistors (42) mit der genannten gemeinsamen Basiselektrode gekoppelt ist und den Eingang des genannten zweiten, einfachen Stromspiegels bildet, die Kollektorelektrode des genannten zweiten Transistors (44) den Ausgang des genannten zweiten, einfachen Stromspiegels bildet und die Emitterelektroden des genannten ersten und zweiten Transistors zusammen mit der genannten gemeinsamen Klemme (37) gekoppelt sind, die mit dem genannten Ausgangsknoten des genannten Stromspiegelschaltkreises gekoppelt ist.

3. Ein Stromspiegelschaltkreis gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der genannte erste, einfache Stromspiegel (30) umfaßt einen dritten (36) und vierten (38) Transistor, die eine gemeinsame Basiselektrode haben, wobei die Kollektorelektrode des genannten dritten Transistors (36) mit der genannten gemeinsamen Basiselektrode gekoppelt ist und den Eingang des genannten ersten, einfachen Stromspiegels bildet, die Kollektorelektrode des genannten vierten Transistors (38) den Ausgang des genannten ersten, einfachen Stromspiegels bildet und die Emitterelektroden des genannten dritten und vierten Transistors zusammen mit einer ersten Bezugspotentialleitung (40) gekoppelt sind.

4. Ein Stromspiegelschaltkreis gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem der genannte dritte, einfache Stromspiegel (34) einen fünften (46) und einen sechsten (48) Transistor umfaßt, die eine gemeinsame Basiselektrode haben, wobei die Kollektorelektrode des genannten fünften Transistors (46) mit der genannten gemeinsamen Basiselektrode gekoppelt ist und den Eingang des genannten dritten, einfachen Stromspiegels bildet, die Kollektorelektrode des genannten sechsten Transistors (48) den Ausgang des genannten dritten, einfachen Stromspiegels bildet und die Emitterelektroden des fünften und des sechsten Transistors zusammen mit einer ersten Bezugspotentialleitung (40) gekoppelt sind.

5. Ein Stromspiegelschaltkreis gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei dem der genannte erste Halbleitertyp eine npn bipolare Technologie und der genannte zweite Halbleitertyp eine pnp bipolare Technologie umfaßt.

6. Ein Stromspiegelschaltkreis gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei dem der genannte erste Halbleitertyp eine pnp bipolare Technologie und der genannte zweite Halbleitertyp eine npn bipolare Technologie umfaßt.