DE69014017T2 - Regulierte Konstantstromenergieversorgung. - Google Patents

Regulierte Konstantstromenergieversorgung.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine geregelte Konstantstrom-Speiseschaltung zur Verwendung bei z.B. einer ECL (emittergekoppelte Logik) oder dergleichen.
    • Stand der Technik
  • Fig. 1 zeigt eine ECL-Schaltung, die eine herkömmliche geregelte konstantstrom-Speiseschaltung verwendet. Die Schaltung ist ein Differenzverstärker, bei dem die jeweiligen Emitter eines Paares bipolarer Transistoren Q&sub6; und Q&sub7; miteinander verbunden sind, so daß Ströme, die in den Transistoren Q&sub6; und Q&sub7; fließen, in eine geregelte Konstantstrom-Speiseschaltung 30 fließen. In dieser Schaltung ist ein bipolarer Transistor Q&sub8; ein Emitterfolger, der eine Ausgangsstufe bildet. Zum anderen umfaßt die Konstantstromschaltung 30 eine Vorspannungsschaltung 31, die zwischen Masse und eine Spannungsquelle geschaltet ist, die eine Versorgungsspannung Vcc liefert, um eine vorbestimmte Spannung V&sub0; aus der von der Spannungsquelle und der Masse gelieferten Spannung zu erzeugen. Die Spannung V&sub0; wird an die Basis eines bipolaren Transistors Q1 angelegt. Der kollektor des Transistors Q&sub1; ist mit den Emittern der Transistoren Q&sub6; und Q&sub7; verbunden, und der Emitter des des Transistors Q&sub1; ist über einen Widerstand R mit Masse verbunden.
  • Bei dieser Schaltung fließt ein in der folgenden Gleichung ausgedrückter Strom I in den kollektor des Transistors Q&sub1;, an den die von der Vorspannungsschaltung 30 erzeugte Spannung V&sub0; angelegt wird.
  • I = {hfe / (1 + hfe)} x {(V&sub0; - VBE) / R} . . . (1)
  • Als Folge wird eine vom Emitter des Transitors Q&sub8; erzeugte Spannung V&sub1; wie folgt.
  • V&sub1; = Vcc - RI - VBE ... (2)
  • Hier werden, wenn eine Temperaturcharakteristik für die Spannung V&sub1; erforderlich ist, die von einer externen Spezifikation abhängt, benötigte Konstanten, einschließlich hfe, VBE und R, ausgewählt, und die Vorspannungsschaltung 31, die die geeignete Spannung V&sub0; erzeugt, wird entworfen. Das heißt, auf welchen Wert (Mittelwert) die Ausgangsspannung V&sub0; der Vorspannungsschaltung 31 unter der Annahme, daß Vcc nicht schwankt1 einzustellen ist, in welchem Ausmaß ein Temperaturfaktor festzulegen ist und in welchem Ausmaß die Abhängigkeit von der Vcc- Schwankung zu unterdrücken ist, werden zu wichtigen Problemen.
  • Beim Entwurf der herkömmlichen Vorspannungsschaltung besteht jedoch, unter Berücksichtigung der obigen Probleme, das Problem, daß, auch wenn eine gegenüber Temperaturänderungen stabile Vorspannungsschaltung zur Verfügung gestellt werden kann, die Vorspannungsschaltung gegenüber Änderungen der Versorgungsspannung Vcc äußerst unstabil ist.
  • Beispiele der herkömmlichen Vorspannungsschaltung werden hier in Fig. 2(a), 2(b) und Fig. 3 dargestellt. Bei der in Fig. 2(a) gezeigten Schaltung wird eine Versorgungsspannung Vcc durch einen Widerstand R&sub4;&sub1; verringert, die verringerte Spannung V&sub0; wird an einen kollektor eines bipolaren Transistor Q&sub4;&sub1; angelegt und gleichzeitig durch einen Widerstand R&sub4;&sub2; zwischen dem kollektor und der Basis des Transistors Q&sub4;&sub1; und einen Widerstand R&sub4;&sub3; zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors Q&sub4;&sub1; geteilt, um einen geeigneten Strom zu veranlassen, in den Transistor Q&sub4;&sub1; zu fließen. Die Ausgangsspannung V&sub0; wird folglich stabilisiert.
  • Fig. 2(b) zeigt eine Schaltung, bei der eine Versorgungsspannung Vcc dem kollektor und der Basis eines bipolaren Transistors Q&sub4;&sub2; direkt bzw. über einen Widerstand R&sub4;&sub4; zugeführt wird, so daß eine Ausgangsspannung V&sub0; vom Emitter des bipolaren Transistors Q&sub4;&sub2; entnommen wird. Die Ausgangsspannung V&sub0; wird über einen Widerstand R&sub4;&sub5; an die Anode einer Diode D angelegt, wobei die Anode der Diode D mit der jeweiligen Basis der bipolaren Transistoren Q&sub4;&sub3; und Q&sub4;&sub4; verbunden ist. Die Ausgangsspannung V&sub0; wird über einen gemeinsamen Widerstand R&sub4;&sub6; an die kollektoren der Transistoren Q&sub4;&sub3; und Q&sub4;&sub4; angelegt, und ein Massepegel wird den Emittern der Transistoren Q&sub4;&sub3; und Q&sub4;&sub4; über einen gemeinsamen Widerstand 47 zugeführt. Ferner ist der kollektor eines Transistors Q&sub4;&sub5; mit der Basis des Transistors Q&sub4;&sub2; verbunden, der Emitter des Transistors Q&sub4;&sub5; ist mit Masse verbunden, und die Spannung V&sub0; wird der Basis des Transistors Q&sub4;&sub5; über den Widerstand R&sub4;&sub6; zugeführt. Bei dieser Vorspannungsschaltung ändert sich das Anodenpotential der Diode D entsprechend der Schwankung von V&sub0;, so daß sich die in den jeweiligen Transistoren Q&sub4;&sub3; und Q&sub4;&sub4; fließenden Ströme ändern und sich deshalb der im Transistor Q&sub4;&sub5; fließende Strom ändert, wenn sich der in den Transistoren Q&sub4;&sub3; und Q&sub4;&sub4; fließende Strom ändert, wodurch die Spannung V&sub0; stabilisiert wird.
  • Fig. 3 zeigt weiter eine Schaltung, bei der eine Versorgungsspannung Vcc durch einen Widerstand R&sub4;&sub8; verringert wird, um eine Ausgangsspannung V&sub0; zu erhalten. Das heißt, die Spannung V&sub0; wird von einem Abtastverstärker 41 erfaßt, und ein Ausgang V&sub2;, der der Schwankung der erfaßten Spannung entspricht, wird einer Stromquelle 42 zugeführt, die zwischen einen Widerstand R und Masse geschaltet ist, um dadurch einen Stromwert zu verändern. Spezifisch ist die Schaltung von der Art einer Gegenkopplung, bei der, wenn die Spannung V&sub0; hoch wird, der Ausgang V&sub2; hoch wird, so daß I&sub0; hoch wird, um dadurch die V&sub0; auf den ursprünglichen Wert zu verringern. Folglich kann, obwohl die Gegenkopplungsfunktion auch gegen die Schwankungen der Vcc erzeugt wird, um es möglich zu machen, die Schwankung der Ausgangsspannung V&sub0; zu vermindern, die Schwankung nicht bis auf Null unterdrückt werden. Da das Verhältnis der Schwankung der Vcc zur Schwankung der V&sub0; auf der Basis der Verstärkung des Abtastverstärkers 41 bestimmt wird, kann das Verhältnis der Schwankung klein gemacht werden, indem die Verstärkung groß gemacht wird. Wenn die Verstärkung groß gemacht wird, besteht jedoch die Gefahr, daß Schwingung auftritt. Obwohl in Betracht gezogen wird, einen Kondensator in der Schaltung zum Unterdrücken der Schwingung vorzusehen, bringt dann nicht nur die Bereitstellung eines solchen kondensators eine Vergrößerung der IC-Chipfläche mit sich, sondern es gibt einen Fall, wo ein kondensator, bedingt durch deren Größe, nicht gebildet werden kann.
  • Die herkömmlichen Konstanstrom-Speiseschaltungen besitzen daher insofern ein Problem, als die Ausgangsspannung V&sub0; der Vorspannungsschaltung gemäß der Eingangsspannung Vcc schwankt, praktisch z.B. wenn die Vcc um 1V schwankt, schwankt die Vorspannung V&sub0; um etwa 50mV. Bei der Absicht, die Schaltung zur Unterdrückung der Schwankung zu realisieren, bestand weiter ein Problem darin, daß die Schaltung große Ausmaße erreicht.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine geregelte Konstantstrom-Speiseschaltung zur Verfügung zu stellen, die klein ist und die von einer Versorgungsspannung abhängende Schwankung eines Ausgangs einer inbegriffenen Vorspannungsschaltung unterdrücken kann.
  • Erfindungsgemäß umfaßt die geregelte Konstantstrom-Speiseschaltung:
  • eine mit einer ersten und zweiten Spannungsquelle verbundene Vorspannungsschaltung zum Abgeben einer vorbestimmten Ausgangsspannung sowie einen Transistor (FET) mit einer Basis (Gate), die mit einem Ausgangsanschluß der Vorspannungsschaltung verbunden ist, einem Emitter (Source) der mit der ersten und zweiten Spannungsquelle über einen ersten bzw. zweiten Widerstand verbunden ist, und einem kollektor (Drain), der als Ausgangsanschluß wirkt.
    • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 zeigt den Aufbau der Differenzverstärkerschaltung mit einer herkömmlichen geregelten Konstantstrom-Speiseschaltung.
  • Fig. 2 und 3 zeigen Anordnungen von herkömmlichen geregelten Konstantstrom-Speiseschaltungen.
  • Fig. 4 zeigt den Aufbau einer Ausführung der erfindungsgemäßen geregelten Konstantstrom-Speiseschaltung.
  • Fig. 5 zeigt den Aufbau der Differenzverstärkerschaltung mit einer Konstantstromschaltung, die eine spezifischere Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • Fig. 6 bis 8 sind jeweils modifizierte Ausführungen der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 9A und 9B zeigen ein Beispiel der geregelten Konstantstrom-Speiseschaltung von Fig. 5 bzw. die Beziehung zwischen I und Vc.
    • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
  • Wenn eine Ausgangsspannung einer Vorspannungsschaltung 10 in Fig. 4 durch V&sub0; dargestellt wird, wird die V&sub0; wie folgt ausgedrückt.
  • V&sub0; = V&sub0; + k ΔVcc ... (3)
  • wo ΔVcc die Größe der Schwankung von Vcc darstellt. Zum anderen wird ein Strom I, der in einem Transistor Q&sub1; fließt, wie folgt ausgedrückt.
  • I = (ΔVcc / r) + (1/R + 1/r)(V&sub0; - VBE) ... (4)
  • Dann angenommen, daß Vcc = V&sup0;cc + ΔVcc. Wenn die Gleichung (3) in die Gleichung (4) eingesetzt wird,
  • I = (ΔV&sup0;cc / r) + (1/R + 1/r)
  • + ΔVcc[(k-1)/r + k/R] ... (5)
  • Um die Schwankung des Stromes I infolge der Schwankung der Vcc zu unterdrücken wird es folglich ausreichen, einen kleinen Faktor zu bilden, mit dem ΔVcc in der Gleichung (5) multipliziert wird, und um die Schwankung von V&sub0; auf Null zu bringen, wird es ausreichen, die jeweiligen Werte der Widerstände R und r so zu wählen, daß die folgende Gleichung aufgestellt wird.
  • R/r = k/(1-k) ... (6)
  • Mit Verweis auf Fig. 4 und 5 der begleitenden Zeichnungen wird im Folgenden eine Ausführung der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben.
  • Fig. 4 zeigt als Beispiel eine Ausführung der erfindungsgemäßen geregelten Konstantstrom-Speiseschaltung, bei der ein Transistor Q&sub1; ein NPN-Typ ist. Eine Spannung Vcc wird von einer ersten Spannungsquelle Vcc einer Vorspannungsschaltung 10 geliefert, und ein Massepegel wird der Vorspannungsschaltung 10 von einer zweiten Spannungsquelle (der Masse) geliefert, so daß der Transistor Q&sub1; eine Ausgangsspannung V&sub0; auf der Basis von Vcc und dem Massepegel erzeugt. Die Basis des Transistors Q&sub1; wird mit einer Ausgangsspanung der Vorspannungsschaltung 10 gespeist, der Emitter des Transistors Q&sub1; ist mit der ersten Spannungsquelle über einen ersten Widerstand r und mit der zweiten Spannungsquelle über einen zweiten Widerstand R verbunden, und der Kollektor des Transistors Q&sub1; wirkt als Ausgangsanschluß, durch den ein konstantstrom I fließt.
  • In bezug auf die Ausgangsspannung V&sub0; wird hier nur im Fall der Vorspannungsschaltung 10 k wie in der Gleichung (3) ausgedrückt erhalten. Das heißt, die Vcc schwankt, so daß eine proportionale Konstante k der Größe der Schwankung und ein fester Wert V&sub0; erhalten werden. Zieht man die Gleichung (5) in Betracht, erfolgt die Anordnung auf der Basis der für die Vorspannungsschaltung 10 erforderlichen Temperatureigenschaften. Das heißt, durch angenehmes Auswählen eines Faktors, mit dem die Vcc multipliziert wird, kann die notwendige Abhängigkeit von der Vcc-Schwankung erhalten werden. Wenn die Werte für den ersten und zweiten Widerstand r und R so gewählt werden, daß die Gleichung (6) hergestellt wird, kann die Abhängigkeit von der Vcc beseitigt werden.
  • Fig. 5 zeigt ein Beispiel, bei dem die erfindungsgemäße Ausführung der geregelten Konstantstrom-Speiseschaltung in einer Differenzverstärkerschaltung einer ECL verwendet wird.
  • Bei dieser Ausführung wird ein Transistor Q&sub2; als Vorspannungsschaltung 10 benutzt. Die Vcc ist mit dem Kollektor und der Basis des Transistors Q&sub2; direkt bzw. über einen Widerstand R&sub1; verbunden, so daß die V&sub0; vom Emitter des Transistors Q&sub2; entnommen wird. Die Schwankung der Ausgangsspannung V&sub0; wird mit Hilfe eines durch die Transistoren Q&sub3; und Q&sub4; gebildeten Stromspiegels erfaßt, der mit dem Emitter des Transistors Q&sub2; über die Widerstände R&sub2; bzw. R&sub3; verbunden ist, und ein in einem Transistor Q&sub5; fließender Strom wird durch einen im Transistor Q&sub4; fließenden Strom gesteuert, um die Ausgangsspannung V&sub0; zu stabiisieren.
  • Die anderen Elemente, die die geregelte Konstantstrom-Speiseschaltung bilden, sind die gleichen wie in Fig. 4. Ein Konstantstrom fließt von den jeweiligen Emittern eines Transistorpaares Q&sub6; und Q&sub7; in einen Transistor Q&sub1;, und ein Differenzausgang wird vom kollektor des Transistors Q&sub7; erhalten. In der Schaltung ist trotz der Schwankung der Vcc die Ausgangsspannung der Vorspannungsschaltung 10 stabil, so daß ein stabiler Konstantstrom von den differentiell verstärkenden Transistoren Q&sub6; und Q&sub7; in den Transistor Q&sub1; fließt.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungen beschränkt, sondern kann verschiedenartig abgewandelt werden.
  • Beispielsweise kann, wie in Fig. 6 gezeigt, ein Schaltungselement, z.B. eine Diode D1, zwischen die erste Spannungsquelle Vcc und den ersten Widerstand, in Fig. 4 gezeigt, geschaltet werden, so daß die Temperaturcharakteristik der Konstantstromes I verändert werden kann. In diesem Fall wird, wenn n Dioden D1 in Reihe dazwischen geschaltet werden und wenn die zwischen den Dioden D1 und dem Transistor Q1 entwickelte Spannung durch VBE dargestellt wird
  • I = IO - (1/R + 1/r) VBE wenn die Diode D1 vorhanden ist,
  • I = IO - (1/R + (1-n)/r}VBE wenn keine Diode D1 vorhanden ist.
  • Folglich kann das Vorzeichen des Konstantstromes I verändert werden, oder der Kontantstrom I kann in bezug auf die Temperaturänderung der Spannung VBE justiert werden, wenn die Diode D1 vorhanden ist.
  • Der Aufbau von Fig. 4 wird auch durch den von Fig. 7 dargestellt, wenn die Spannungsquellen Vcc und V'cc miteinander zusammenwirken.
  • Der Transistor Q&sub1; kann z.B. ein PNP-Typ sein. In diesem Fall wird der Emitter mit einer positiven (zweiten) Spannungsquelle über einen zweiten Widerstand R und mit einer negativen (ersten) Spannungsquelle über einen ersten Widerstand r verbunden. Ferner kann, wie in Fig. 8 gezeigt, der bipolare Transistor Q&sub1; durch einen FET (Feldeffekt-Transistor) ersetzt werden. In diesem Fall entsprechen die Basis, der Emitter und der Kollektor dem Gate, der Source bzw. dem Drain.
  • Fig. 9A zeigt ein Beispiel der Differenzverstärkerschaltung, die die erfindungsgemäße Kontantstromschaltung verwendet, und Fig. 9B zeigt die aus dem Beispiel gewonnenen Ergebnisse.
  • Wie oben beschrieben, kann erfindungsgemäß die Ausgangsschwankung der Vorspannungsschaltung, die von der Schwankung der Versorgungsspannung abhängt, durch die Verbindungsbeziehung zwischen den Transistoren und den Widerständen aufgenommen werden, so daß die Größe des Schaltkreises nicht zunimmt und ein stabiler kontantstrombetrieb sichergestellt werden kann.

Claims (6)

1. Geregelte Konstantstrom-Speiseschaltung mit:
einer ersten Spannungsquelle (Vcc);
einer zweiten Spannungsquelle;
einer mit der ersten und zweiten Spannungsquelle verbundenen Vorspannungsschaltung (10) zum Abgeben einer vorbestimmten Ausgangsspannung (V&sub0;), wobei die Vorspannungsschaltung (10) einen Ausgangsanschluß hat;
einem ersten Widerstand (R);
einem Transistor (Q1), der eine mit dem Ausgangsanschluß der Vorspannungsschaltung (10) verbundene Basis1 einen über den ersten Widerstand (R) mit der zweiten Spannungsquelle verbundenen Emitter und
einen als ein Ausgangsanschluß wirkenden Kollektor hat; gekennzeichnet durch
einen zweiten Widerstand (r), der den Emitter mit der ersten Spannungsquelle (Vcc) verbindet.
2 Speiseschaltung nach Anspruch 1, wobei eine dritte Spannungsquelle (Vcc') die erste Spannungsquelle (Vcc) aufweist und mit dem zweiten Widerstand (r) verbunden ist.
3. Speiseschaltung nach Anspruch 1, die weiterhin mindestens eine Diode (D1) aufweist, die zwischen die erste Spannungsquelle (Vcc) und den zweiten Widerstand (r) geschaltet ist.
4. Geregelte Konstantstrom-Speiseschaltung mit:
einer ersten Spannungsquelle (Vcc);
einer zweiten Spannungsquelle;
einer mit der ersten und der zweiten Spannungsquelle verbundenen Vorspannungsschaltung (10) zum Abgeben einer vorbestimmten Ausgangsspannung (Vo), wobei die Vorspannungs schaltung (10) einen Ausgangsanschluß hat;
einem ersten Widerstand (R);
einem Transistor (Q1), der ein mit dem Ausgangsanschluß der Vorspannungsschaltung (10) verbundenes Gate, eine über den ersten Widerstand (R) mit der zweiten Spannungsquelle verbundene Source und
eine als ein Ausgangsanschluß wirkende Drain hat; gekennzeichnet durch
einen zweiten Widerstand (r), der die Source mit der ersten Spannungsquelle (Vcc) verbindet.
5. Speiseschaltung nach Anspruch 4, wobei eine dritte Spannungsquelle (Vcc') die erste Spannungsquelle (Vcc) aufweist und mit dem zweiten Widerstand (r) verbunden ist.
6. Speiseschaltung nach Anspruch 4, die weiterhin mindestens eine Diode (D1) aufweist, die zwischen die erste Spannungsquelle (Vcc) und den zweiten Widerstand (r) geschaltet ist.
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