EP0237086B1

EP0237086B1 - Stromspiegelschaltung

Info

Publication number: EP0237086B1
Application number: EP87200162A
Authority: EP
Inventors: Karl-Heinz Matthies
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH; Philips Gloeilampenfabrieken NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH; Koninklijke Philips NV
Priority date: 1986-02-07
Filing date: 1987-02-03
Publication date: 1991-07-10
Anticipated expiration: 2007-02-03
Also published as: DE3603799A1; JPS62230106A; DE3771237D1; EP0237086A1; JP2542605B2; US4779061A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromspiegelschaltung mit einem ersten PNP-Transistor, dessen Emitter mit einer Spannungsquelle gekoppelt ist und dessen Kollektor und Basis mit einem Knoten zum Zuführen eines Eingangsstromes gekoppelt sind, und mit wenigstens einem zweiten PNP-Transistor, dessen Emitter mit der Spannungsquelle und dessen Basis mit der Basis des ersten Transistors gekoppelt ist und dessen Kollektor den Ausgang zum Abgeben eines Ausgangsstromes bildet, und mit einer mit weiteren Transistoren aufgebauten Kompensationsschaltung, die dem Knoten einen Kompensationsstrom zuführt, der im wesentlichen der Summe der Basisströme des ersten und zweiten Transistors entspricht.
Eine Stromspiegelschaltung ist z.B. aus dem Buch von Jovan Antula, Schaltungen zur Mikroelektronik, OldenbourgVerlag, 1984, Seite 56 bis 59, bekannt. Die Funktion einer Stromspiegelschaltung besteht darin, einen Ausgangsstrom zu erzeugen, der in einem festen Verhältnis zum Eingangsstrom steht. Eine Stomspiegelschaltung hat bekanntermaßen einen niedrigen Eingangswiderstand und einen hohen Ausgangswiderstand. Der Ausgangsstrom ändert sich bei Belastung also nur sehr wenig. Weiterhin ist eine solche Schaltung weitgehend unabhängig von Temperatureinflüssen.
In der bekannten Schaltung ist bei hohen Gleichstromverstärkungsfaktoren der Eingangsstrom ungefähr gleich dem Ausgangsstrom. Der Symmetriefehler der Stromspiegelschaltung, der von den Basisströmen der beiden Transistoren hervorgerufen wird, ist bei hohen Gleichstromverstärkungsfaktoren nahezu vernachlässigbar.
Hauptsächlich werden Stromspiegelschaltungen in integrierten Schaltungen eingesetzt. Bei der Verwendung von PNP-Transistoren kann nun folgendes Problem auftreten. Die Stromverstärkung hängt wesentlich von der Emitterfläche eines PNP-Transistors ab. Eine Veränderung der Emitterfläche bedeutet eine Veränderung der Stromverstärkung. Es können bei der Fertigung von integrierten Schaltungen, die wenigstens eine Stromspiegelschaltung mit PNP-Transistoren enthalten, solche Exemplarstreuungen auftreten, daß die Symmetriefehler nicht mehr vernachlässigbar werden.
Aus der US-A-4 103 249 entsprechend der DE-PS 28 46 202 ist eine PNP-Stromspiegelschaltung bekannt. Diese umfaßt zwei PNP-Transistoren, die so geschaltet sind, daß die Emitter- und Basis-Anschlüsse parallel liegen. Der erste der beiden PNP-Transistoren ist außerdem als Diode geschaltet, indem die Basis mit dem Kollektor verbunden ist. Die Kollektoren beider Transistoren liegen respektiv an Anschlußpunkten einer Stromvorspannungsschaltung, die die Gleichströme in den Transistoren steuert. Diese werden so eingestellt, daß sie im Betrag um die Summe der Basisströme, die von den Transistoren fließen, sich im wesentlichen unterscheiden. Die Stromvorspannungsschaltung 10 ist mit zwei NPN-Transistoren ausgestattet, deren Kollektoren die Ströme in den PNP-Transistoren ziehen. Die Emitter der NPN-Transistoren sind über Widerstände mit einem dritten bzw. vierten PNP-Transistor verbunden. Alle PNP-Transistoren werden normalerweise gleichzeitig hergestellt, um identisch zu sein. Die Basisanschlüsse der PNP-Transistoren der Stromvorspannungsschaltung 10 sind miteinander verbunden sowie mit dem Kollektor-Basis-Anschluß eines als Diode geschalteten NPN-Transistors, und mit der Basis eines weiteren NPN-Transistors. Die Kollektoren der PNP-Transistoren und die Emitter der letztgenannten NPN-Transistoren liegen gemeinsam an einer Gleichstromquelle. Die letztgenannten NPN-Transistoren der Stromvorspannungsschaltung 10 bilden einen NPN-Stromspiegel, ihre Basis-Emitter-Anschlüsse sind parallelgeschaltet, während der Kollektoranschluß des nicht als Diode geschalteten Transistors des NPN-Stromspiegels mit dem Emitteranschluß eines der erstgenannten NPN-Transistoren der Stromvorspannungsschaltung verbunden ist.
In der US-A-4 103 249 bzw. der DE-PS 28 46 202 ist weiterhin ein Betriebszustand beschrieben, in dem die Summe der Basisströme der Transistoren des PNP-Stromspiegels identisch ist mit der Summe der Basisströme der PNP-Transistoren der Stromvorspannungsschaltung. Diese Basisströme werden über einen der erstgenannten NPN-Transistoren der Stromvorspannungsschaltung 10 dem Strom hinzugegeben, der diesem Transistor aus dem PNP-Stromspiegel zufließt und die Summe der Basisströme von dessen Transistoren enthält.
Aus der US-A-4 525 683 ist ein Stromspiegel mit einer Schaltungsanordnung zum Auslöschen von Basisstromfehlern bekannt. In dieser Schrift ist angegeben, daß bei einer Stromverstärkung der Stromspiegeltransistoren unterhalb des Wertes 50 der Basisstromfehler ansteigt und somit ein einfacher Stromspiegel aus zwei Transistoren mit niedriger Stromverstärkung unbrauchbar wird.
Die Schaltungen nach dem Stand der Technik sind verhältnismäßig kompliziert aufgebaut. Die bekannten Schaltungen weisen aufgrund ihres komplizierten Aufbaus einen Phasen-Frequenzgang auf, der zu einer erhöhten Schwingneigung führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art die obigen Nachteile zu beheben und die Schaltungsanordnung in einfacher Weise so auszubilden, daß die Symmetriefehler verringert werden.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der Kompensationsschaltung ein dritter PNP-Transistor, dessen Basis mit dem Knoten und dessen Emitter mit der Spannungsquelle gekoppelt ist, seinen Kollektorstrom über eine EmitterBasis-Strecke eines vierten PNP-Transistors, dessen Kollektor an einem Bezugspotential liegt, einem invertierenden Verstärker zuführt, der dem Knoten von seinem Ausgang einen Strom zuleitet, der im wesentlichen gleich der Summe der Basisströme des ersten, zweiten und dritten PNP-Transistors ist. Dabei kann der Emitter des dritten Transistors über einen vierten Widerstand mit der Spannungsquelle gekoppelt sein.
In der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird mit Hilfe der Kompensationsschaltung der von den Basisströmen der beiden Stromspiegeltransistoren hervorgerufene Symmetriefehler kompensiert.
Es sei erwähnt, daß aus der US-PS 39 16 331 eine Kompensationsschaltung für einen Eingangstransistor bekannt ist, der ein Eingangssignal an seiner Basis empfängt und dieses zu einer Differenzverstärkerstufe weiterleitet. Dabei wird der Basisstrom des Eingangstransistors kompensiert, in dem aus dem Strom aus seinem Kollektor ein Kompensationsstrom gewonnen wird. Damit soll der Eingangswiderstand dieser Schaltungsanordnung erhöht werden.
In einer ersten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Emitter des ersten Transistors über einen ersten Widerstand, und der Emitter des zweiten Transistors über einen zweiten Widerstand, der nahezu den gleichen Wert wie der erste aufweist, mit der Spannungsquelle gekoppelt ist. Mit dem ersten und zweiten Widerstand wird verhindert, daß durch Streuungen bedingte unterschiedliche Basis-Emitter-Spannungen der beiden Stromspiegeltransistoren die Funktion der Stromspiegelschaltung verändern.
Zur Verbesserung der dynamischen Eigenschaften der Stromspiegelschaltung ist ein dritter Widerstand zwischen der Basis des ersten Transistors und dem Knoten angeordnet. Mit Hilfe dieses dritten Widerstandes wird erreicht, daß ein Impuls im wesentlichen unverzerrt über die Stromspiegelschaltung übertragen wird. Dabei sollte der dritte Widerstand im wesentlichen den gleichen Wert wie der erste Widerstand aufweisen.
In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der von der Kompensationsschaltung, die weitere PNP-Transistoren enthält, erzeugte Kompensationsstrom in gleicher Weise von der Emitterfläche der PNP-Transistoren in der Kompensationsschaltung abhängt wie die Summe der Basisströme des ersten und zweiten Transistors von ihrer Emitterfläche.
In der Kompensationsschaltung wird ein Kompensationsstrom erzeugt, dessen Größe abhängig ist von der Emitterfläche der in der Kompensationsschaltung verwendeten PNP-Transistoren. Die bei der Fertigung von integrierten Schaltungen auftretenden Streuungen der Emitterfläche zwischen verschiedenen Exemplaren bewirkt einen jeweils anderen Gleichstromverstärkungsfaktor, da der Gleichstromverstärkungsfaktor von der Emitterfläche eines Transistors abhängt. Es tritt jedoch keine Änderung des Verhältnisses der Emitterflächen der verschiedenen Transistoren in der integrierten Schaltung untereinander auf. Daher werden der Kompensationsstrom und die Summe der Basisströme des ersten und zweiten PNP-Transistors von der Emitterfläche der Transistoren bestimmt.
Der Strom am Ausgang des Verstärkers entspricht dem Basisstrom des ersten, zweiten und dritten PNP-Transistors. Um bei verschiedenen Exemplaren von integrierten Schaltungen, die die Stromspiegelschaltung enthalten, d.h. die verschiedenen Exemplare der Stromspiegelschaltung haben unterschiedliche Emitterflächen, die von den ersten beiden PNP-Transistoren hervorgerufene Summe der Basisströme kompensieren zu können, weist die Emitterfläche des dritten bzw. des vierten PNP-Transistors ein konstantes Verhältnis zu der Emitterfläche des ersten bzw. zweiten PNP-Transistors auf. Der vierte Widerstand und der Gleichstromverstärkungsfaktor des Verstärkers müssen so gewählt werden, daß der Verstärker einen Strom abgibt, der der Summe der Basisströme des ersten, zweiten und dritten Transistors entspricht. Der Wert des vierten Widerstandes kann nun so gewählt werden, daß dieser im wesentlichen gleich dem doppelten Wert des ersten Widerstandes ist und der Gleichstromverstärkungsfaktor des invertierenden Verstärker so, daß dieser einen Wert von 3 hat. In diesem Fall ist der Basisstrom des dritten PNP-Transistors ungefähr so groß wie der halbe Summenstrom der Basisströme des ersten und zweiten PNP-Transistors.
In einer Ausführungsform für den invertierenden Verstärker ist vorgesehen, daß dieser einen ersten NPN-Transistor enthält, dessen Kollektor und Basis mit der Basis des vierten PNP-Transistors und dessen Emitter mit dem Bezugspotential gekoppelt sind, und einem zweiten NPN-Transistor, dessen Emitterfläche im wesentlichen gleich der dreifachen Emitterfläche des ersten NPN-Transistors ist und dessen Basis mit der Basis des ersten NPN-Transistors und dessen Emitter mit dem Bezugspotential und dessen Kollektor mit dem Knoten gekoppelt ist. Der Verstärker ist hier als eine einfache Stromspiegelschaltung aus NPN-Transistoren ausgebildet, die in der Regel eine so hohe Verstärkung haben, daß die durch die Basisströme hervorgerufenen Symmetriefehler kaum bemerkbar sind.
Anhand der Zeichnung wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert:
Der Eingangsstrom Ye fließt einem Knoten 1 zu, der die Kompensationsschaltung 2 und den Kollektor eines ersten PNP-Transistors 3, die Basis eines zweiten PNP-Transistors 4 und einen Anschluß eines Widerstandes 5 verbindet. Der andere Anschluß des Widerstandes 5 ist an die Basis des Transistors 3 angeschlossen. Der Emitter des Transistors 3 ist über einen Widerstand 6 und der Emitter des Transistors 4 über einen Widerstand 7 an eine Spannungsquelle Ub angeschlossen. Der Ausgangsstrom Ya der Stromspiegelschaltung wird vom Kollektor des Transistors 4 geliefert. Die Widerstände 6 und 7 sollten so gewählt werden, daß an ihnen eine Spannung abfällt, die größer ist als ein Drittel der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 3 oder 4. Bevorzugt werden sollte ein solcher Wert, bei dem ein Spannungsabfall auftritt, der der Hälfte der Basis-Emitter-Spannung eines Transistors 3 oder 4 entspricht. Mit den Widerständen 6 und 7 wird verhindert, daß durch Streuungen bedingte unterschiedliche Basis-Emitter-Spannungen des Transistors 3 bzw. 4 die Funktion der Stromspiegelschaltung verändern.
In der Kompensationsschaltung 2 ist die Basis eines PNP-Transistors 8 mit dem Knoten l verbunden, dessen Emitter über einen Widerstand 9 mit der Spannungsquelle Ub verbunden ist und dessen Kollektor an den Emitter eines PNP-Transistors l2 angeschlossen ist. Der Kollektor des Transistors l2 ist an Masse gelegt und dessen Basis mit der Basis und dem Kollektor eines NPN-Transistors l0 verbunden. Der Emitter dieses Transistors l0 ist ebenso wie der Emitter eines NPN-Transistors ll an Masse gelegt, dessen Basis mit der Basis des Transistors l0 verbunden ist und dessen Kollektor an den Knoten l angeschlossen ist. Die Transistoren l0 und ll bilden eine einfache Stromspiegelschaltung, bei der nur sehr kleine vernachlässigbare Symmetriefehler auftauchen, da in der Regel die Gleichstromverstärkung eines NPN-Transistors sehr hoch ist.
Die Emitterfläche des Transistors 8 bzw. des Transistors l2 ist gleich der Hälfte der Emitterfläche des Transistors 3 bzw. des Transistors 4. Die Emitterfläche des Transistors ll ist gleich der dreifachen Emitterfläche des Transistors l0. Die Emitterfläche des NPN-Transistors l0 kann z.B. gleich einem Sechstel und die Emitterfläche des NPN-Transistors ll gleich der Hälfte der Emitterfläche des Transistos 3 bzw. des Transistors 4 sein. Der aus den NPN-Transistoren l0 und ll gebildete invertierende Verstärker weist einen Gleichstromverstärkungsfaktor von 3 auf. Der Wert des Widerstandes 9 ist gleich dem doppelten Wert des Widerstandes 6 bzw. des Widerstandes 7.
Mit Hilfe der Stromspiegelschaltung soll ein Ausgangsstrom erzeugt werden, der in einem festen Verhältnis zum Eingangsstrom steht, z.B. einem Verhältnis von eins. Bei der bekannten Schaltungsanordnung, d.h. ohne den Widerstand 5 und die Kompensationsschaltung 2 weist die Stromspiegelschaltung einen Symmetriefehler auf, der durch die beiden Basisströme der Transistoren 3 und 4 hervorgerufen wird. Mit Hilfe der Kompensationsschaltung 2 wird ein Kompensationsstrom erzeugt, der der Summe der Basisströme der Transistoren 3 und 4 entgegenwirkt. Dieser Kompensationsstrom ist ungefähr gleich dem doppelten Basisstrom des Transistors 8.
Eine solche Stromspiegelschaltung wird in der Regel in einer integrierten Schaltung eingesetzt. Die Emitterflächen der Transistoren können bei den verschiedenen Exemplaren der integrierten Schaltung unterschiedlich sein. Diese Emitterflächen verändern sich relativ zueinander nicht, sondern nur die absolute Größe der Emitterfläche eines Transistors kann sich verändern. Da die Gleichstromverstärkung der Transistoren abhängig von der Emitterfläche ist, weisen unterschiedliche Exemplare der Stromspiegelschaltung auch unterschiedliche Gleichstromverstärkungen auf. Mit einer Änderung der Gleichstromverstärkung, ergibt sich auch eine Änderung der Basisströme der Transistoren 3 und 4. Da sich die Emitterflächen der Transistoren 8, 9, l0 und ll ebenfalls ändern, ändert sich auch deren Gleichstromverstärkung und somit der Kompensationsstrom. Die erfindungsgemäße Stromspiegelschaltung kann also auch angewendet werden, wenn die Gleichstromverstärkungen sehr klein sind, da sich die Symmetriefehler, die sich bei der bekannten Stromspiegelschaltung auswirken würden, kompensiert werden.
Der Widerstand 5, der den gleichen Wert hat wie der Widerstand 6 bzw. der Widerstand 7 verbessert die Übertragungseigenschaften der Stromspiegelschaltung. Bei einem Eingangsstromimpuls würde ohne diesen Widerstand 5 der Ausgangsstromimpuls einen sehr langsamen Flankenanstieg aufweisen. Durch den Widerstand 5 ergibt sich eine höhere Flankensteilheit. In einer praktischen Schaltungsrealisierung wurden für die Widerstände 5, 6 und 7 ein Wert von 5 kOhm und für den Widerstand 9 ein Wert von 10 kOhm gewählt. Wie sich in praktischen Untersuchungen gezeigt hat, ist die Stromspiegelschaltung auch weitgehend unabhängig von Temperaturschwankungen.

Claims

Stromspiegelschaltung mit einem ersten PNP-Transistor (3), dessen Emitter mit einer Spannungsquelle (Ub) gekoppelt ist und dessen Kollektor und Basis mit einem Knoten (1) zum Zuführen eines Eingangsstromes (Ye) gekoppelt sind, mit wenigstens einem zweiten PNP-Transistor (4), dessen Emitter mit der Spannungsquelle (Ub) und dessen Basis mit der Basis des ersten Transistors (3) gekoppelt ist und dessen Kollektor den Ausgang zum Abgeben eines Ausgangsstromes (Ya) bildet, und mit einer mit weiteren Transistoren aufgebauten Kompensationsschaltung (2), die dem Knoten (1) einen Kompensationsstrom zuführt, der im wesentlichen der Summe der Basisströme des ersten und zweiten Transistors (3, 4) entspricht,
dadurch gekennzeichnet, daß in der Kompensationsschaltung (2) ein dritter PNP-Transistor (8), dessen Basis mit dem Knoten (1) und dessen Emitter mit der Spannungsquelle gekoppelt ist, seinen Kollektorstrom über eine EmitterBasis-Strecke eines vierten PNP-Transistors (12), dessen Kollektor an einem Bezugspotential liegt, einem invertierenden Verstärker (10, 11) zuführt, der dem Knoten (1) von seinem Ausgang einen Strom zuleitet, der im wesentlichen gleich der Summe der Basisströme des ersten, zweiten und dritten PNP-Transistors (8, 3, 4) ist.
Stromspiegelschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des ersten Transistors (3) über einen ersten Widerstand (6), und der Emitter des zweiten Transistors (4) über einen zweiten Widerstand (7), der nahezu den gleichen Wert wie der erste aufweist, mit der Spannungsquelle (Ub) gekoppelt ist.
Stromspiegelschaltung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Widerstand (5) zwischen der Basis des ersten Transistors (3) und dem Knoten (1) angeordnet ist.
Stromspiegelschaltung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Widerstand (5) im wesentlichen den gleichen Wert wie der ersten Widerstand (6) aufweist.
Stromspiegelschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der von der Kompensationsschaltung (2), die weitere PNP-Transistoren enthält, erzeugte Kompensationsstrom in gleicher Weise von der Emitterfläche der PNP-Transistoren in der Kompensationsschaltung (2) abhängt wie die Summe der Basisströme des ersten und zweiten Transistors (3, 4) von ihrer Emitterfläche.
Stromspiegelschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des dritten Transistors (8) über einen vierten Widerstand (9) mit der Spannungsquelle gekoppelt ist.
Stromspiegelschaltung nach Anspruch 6 in integrierter Schaltungstechnik,
dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterfläche des dritten und des vierten PNP-Transistors (8, 12) im wesentlichen gleich der Hälfte der Emitterfläche des ersten PNP-Transistors (3) ist, daß der Wert des vierten Widerstandes (9) im wesentlichen gleich dem doppelten Wert des ersten Widerstandes (6) ist und daß der invertierende Verstärker (10, 11) einen Gleichstromverstärkungsfaktor von drei hat.
Stromspiegelschaltung nach Anspruch 7 in integrierter Schaltungstechnik,
dadurch gekennzeichnet, daß der invertierende Verstärker einen ersten NPN-Transistor (10) enthält, dessen Kollektor und Basis mit der Basis des vierten PNP-Transistors (12) und dessen Emitter mit dem Bezugspotential gekoppelt sind, und einen zweiten NPN-Transistor (11), dessen Emitterfläche im wesentlichen gleich der dreifachen Emitterfläche des ersten NPN-Transistors (10) ist und dessen Basis mit der Basis des ersten NPN-Transistors (10) und dessen Emitter mit dem Bezugspotential und dessen Kollektor mit dem Knoten (1) gekoppelt ist.