NL8102337A

NL8102337A - Stroomspiegel-circuit met hoge uitgangsimpedantie en geringe verliezen.

Info

Publication number: NL8102337A
Application number: NL8102337A
Authority: NL
Original assignee: Ates Componenti Elettron
Priority date: 1980-05-12
Filing date: 1981-05-12
Publication date: 1981-12-01
Also published as: FR2482382B1; GB2078036A; DE3118617A1; JPS578818A; FR2482382A1; GB2078036B; IT1209219B; IT8021976A0

Description

E 3099-17 * <1 t - p & c

Stroomspiegel-circuit met hoge uitgangsimpedantie en geringe verliezen.

De uitvinding heeft betrekking op een transistor-stroomgenerator en in het bijzonder op een stroomspiegel-circuit, in het bijzonder geschikt voor gebruik in lineaire geïntegreerde circuits voor lage voedingsspanningen.

Het is bekend twee transistoren te schakelen als een stroomspiegel 5 en deze opstelling te gebruiken bij het ontwerp van geïntegreerde circuits. Een circuit van deze soort is afgebeeld in fig. 1. De beide transistoren Tj en zijn identiek en van het NPN-type. De basis en de emitter van de transistor zijn aangesloten op de basis respektievelijk emitter van de transistor . De collector van de transistor is verbonden met 10 de basis van de beide transistoren en via een weerstand met de positieve voedingsleiding +v . de collector van de transistor T- is met de voedings- CC & leiding verbonden via een belastingsweerstand R .

Xl

Bij bestudering van de werking van het circuit blijkt dat een stroom

V — V cc BE

I = —-- vloeit door de tak a, waarin V _ de spanning van de basis- a R^ — Bi 15 emitter-keerlaag van de transistor T. is. Als de basisstromen I worden ver-

1 B

waarloosd ten opzichte van de collectorstromen, wat toelaatbaar is als de stroomversterking van de transistoren voldoende groot is, is de stroom door de tak b gelijk aan I . Daar de beide transistoren gelijk zijn en dezelfde 3.

basis-emitter-spanning V hebben, is de stroom door de tak d identiek aan 20 de stroom door de tak b. De tak £ wordt doorlopen door een stroom Ic die ongeveer identiek is aan de stroom door de tak £, waardoor Ic = I&. De belasting R^ wordt derhalve doorlopen door een konstante stroom die wordt bepaald door voorafbepaalde circuitparameters.

Een circuit van deze soort kan worden opgezet met twee transistoren 25 die van elkaar verschillen ten aanzien van de afmetingen en de constructie-eigenschappen, waarbij geldt I = KI , waarin K een konstante is. Verder is C 3 het duidelijk dat de beide transistoren ook van het PNP-type in plaats van het NPN-type kunnen zijn.

Een bekende verbetering van het stroomspiegel-circuit uit fig. 1 is 30 afgebeeld in fig. 2 en staat bekend als de stroomspiegel volgens Wilson, waarbij een stroomspiegel bestaande uit de transistoren en dient voor het sturen van de basisstroom I van de transistor T0 en daardoor van zijn collectorstroom I = £Ιβ, waarin β, de stroomversterkingsfaktor van de transistor is- 35 De transistor werkt als stroomsonde die gevoelig is voor de emitter-

stroom I van de transistor T„. De basis van de transistor T. is verbonden E Z X

met de basis van de transistor T^· ^ collector van de transistor is verbonden met de emitter van de transistor en is rechtstreeks aangesloten 8102337 \ > ' - 2 - op de basis van de transistor T^. De collector van de transistor is verbonden met de basis van de transistor T2, waarin derhalve de totale stroom samengesteld uit de ingangsstroom 1^ en de collectorstroom van de transistor T1 samenkomt.

5 De referentiestroom I kan bij deze uitvoering konstant worden gehouden.

Daar de collectorstroom van de transistor T , I = öcl_, met de" emitterstroom

2 Q E

is gekoppeld via de parameter c*£ die een functie is van de collector-emitter-spanning , hangt de uitgangsstroom Iq = Ic op zijn beurt af van de waarde van deze spanning. Dit circuit verzekert derhalve niet dat de 10 uitgangsstroom 1^ konstant blijft.

Een ideale stroomgenerator vertoont een oneindig hoge inwendige weerstand en een inwendige spanningval gelijk aan 0. Een feitelijke stroomgenerator moet eigenschappen hebben die de eigenschappen van een ideale generator zo goed mogelijk benaderen. Naar mate de benadering beter is, 15 is derhalve de feitelijke stroomgenerator beter.

Het circuit van een feitelijke stroomgenerator moet derhalve een hoge uitgangsimpedantie en een zeer lage spanningval hebben, waarbij met spanningval de minimale spanning wordt bedoeld die nodig is opdat het circuit zijn typerende bedrijfseigenschappen kan handhaven.

20 Het spiegelcircuit volgens Wilson heeft een uitgangsimpedantie die veel groter is dan die van een circuit met geaarde emitters volgens fig. 1, β met een verhouding j : 1, maar zijn spanningval is groter en bedraagt in feite

V = V + V

min CE sat T2 BE T3 25 waarin V de collector-emitter-spanning van de transistor T bij CL· sat ^ de verzadigingsgrens is en VRF ^ de basis-emitter-spanning van de transistor T3 is.

Voor een circuit volgens fig. 1 geldt echter

V = V

min CE sat T2.

30 Er zijn andere schakelingen ontworpen teneinde een betere benadering te verkrijgen van de eigenschappen van een ideale stroomgenerator. Er is bijvoorbeeld een stroomspiegel-circuit soortgelijk aan dat uit fig. 1 bekend waarbij geschikte weerstanden R^, in serie zijn geschakeld met de emitters van de transistoren. Deze uitvoering maakt het mogelijk de 35 uitgangsimpedantie te vergroten met een faktor (1 + R^/r^.) ten opzichte yan het bekende circuit uit fig. 1, waarin r^ de inwendige weerstand van de emitter van de transistor van de uitgangstak voorstelt, maar de toegenomen spanningval over de emitterweerstand verhoogt de spanningval 8102337 ΐ' <% - 3 - zeer aanzienlijk.

Een verdere bekende constructie is de cascade-stroomspiegel volgens fig.

3. Bij deze schakeling wordt de transistor in het aktieve werkgebied gehouden door middel van de transistor T3 die als diode is aangesloten en 5 waarvan de basis is verbonden met de collector, terwijl de transistor door middel van de transistor de emitterstroom voor de transistor T4 levert en daardoor zijn uitgangsimpedantie verhoogt.

Dit maakt het niet mogelijk, de spanningval te verlagen onder de waarde V . = V__ _ + v_ . _ mm BE T2 CE sat T4 10 waarin V de basis-emitter-spanning van de transistor T0 is en V„

Bo T2 Cu ScLt de verzadigingsspanning van de transistor T4 is. De verbetering van de uitgangsimpedantie ten opzichte van het circuit uit fig. 1 is identiek aan de verbetering verkregen met de stroomspiegel volgens Wilson, dat wil & zeggen een faktor : 1.

15 De uitvinding verschaft een stroomgenerator-circuit met een eerste aansluiting voor aansluiting op een ingang-stroomgenerator, tweede en derde aansluitingen voor verbinding met de aansluitingen van een voedingsspanning en een getransistoriseerd hoofd-stroomspiegel-circuit met een ingangstak en tenminste twee uitgangstakken voor aansluiting op respektieve belastingen, 20 een circuit voor het vergelijken en versterken van de stroom en een getransistoriseerd tweede stroomspiegel-circuit, waarbij het tweede stroom-spiegel-circuit een ingangstak heeft die is verbonden met één van de uitgangstakken van de hoofd-stroomspiegel-circuit en een uitgangstak die is verbonden met een eerste ingang van het circuit, waarbij het circuit een tweede 25 ingang heeft die is verbonden met de ingang-stroomgenerator en een uitgangs-aansluiting die is verbonden met de ingangstak van het hoofd-stroomspiegel-circuit.

Daardoor is het mogelijk een stroomspiegel-circuit te verkrijgen met de laagste spanningval die kan worden verkregen in een getransistoriseerd 30 stroomspiegel-circuit, terwijl tevens een uitgangsimpedantie wordt verkregen die hoger is dan die van bekende circuits met lage spanningval, zodat deze uitvoering bijzonder geschikt is voor gebruik in geïntegreerde circuits met lage voedingsspanning.

De uitvinding wordt hieronder nader toegelicht aan de hand van de 35 tekening, die betrekking heeft op enige uitvoeringsvoorbeelden.

Pig. 1 is een schema van de meest eenvoudige uitvoering van een bekend stroomspiegel-circuit.

Fig. 2 is een schema van een bekend stroomspiegel-circuit volgens Wilson.

81 0 23 3 7 -¾ - 4 - %

Fig. 3 is een schema van een bekend circuit met in cascade geschakelde stroomspiegels.

Fig. 4 is een schema van een stroomspiegel-circuit volgens de uitvinding. Uit fig. 4 blijkt dat het circuit zes transistoren , T2, Tg, Tg 5 en Tg omvat, waarbij de transistoren , T2 en Tg van het bipolaire PNP-type zijn en de transistoren T^, Tg en Tg van het bipolaire NPN-type zijn.

De transistor T^ is in de stroomspiegel-opstelling verbonden met de transistoren T^ en Tg. Dit circuit is in fig. 4 omgeven met een streeplijn 10 en aangegeven met A.

De transistoren T^ en Tg zijn aangesloten als een stroomspiegel en zijn samengevat in een streeplijn-rechthoek aangeduid met B.

De collector van de transistor T^ en de collector van de transistor T2 zijn verbonden met de collectoren van de transistoren Tg respektievelijk 15 T.. De collector van de transistor T_ is verbonden met een ingang-stroom-4 b generator en de basis van de transistor Tg, door middel van het knooppunt D.

Het circuit bestaande uit de transistor Tg en het knooppunt D is aangegeven met de streeplijn-rechthoek C.

20 De emitters van de transistoren T^, T^ en Tg zijn verbonden met de positieve aansluiting +V van een voedingsbron en de emitters van de

CC

transistoren T., T_ en Tr zijn verbonden met de negatieve aansluiting 4 5 o van dezelfde voedingsbron.

Volgens fig. 4 bestaat het stroomspiegel-circuit uit slechts twee 25 transistoren (T2 en Tg) die samenwerken met de transistor T^. In het algemeen kunnen echter vele andere transistoren op dezelfde wijze samenwerken met de transistor T^.

Elk van de transistoren die op deze wijze is verbonden met de transistor T^ en daarmee een stroomspiegel vormt, levert een stroomgenerator 30 bestemd voor het sturen van andere circuits. Eén van deze transistoren, bijvoorbeeld de transistor T2 uit het schema, is verbonden met de stroomspiegel B, die de collectorstroom 1^ detecteert en deze overbrengt naar de basis van de transistor T., waardoor de stroom I_ kan worden gestuurd

o C

ten opzichte van de ingangsstroom 1^ en door middel van de transistor Tg 35 kan worden geregeld.

De collectorstroom Ig van de transistor Tg (en eventuele verdere transistoren die op de bovengenoemde wijze zijn aangesloten) wordt eveneens automatisch gestuurd en geregeld op identieke wijze.

Dit stroomspiegel-circuit maakt het dus mogelijk de collectorstroom I

81 0 2 3 3 7 V*» » t - 5 - te regelen door rechtstreekse sturing, in tegenstelling tot de methode toegepast bij de stroomspiegel volgens Wilson.

Met het oog op de eenvoud van berekening zal hier het geval worden beschouwd waarbij naast de transistoren T2 en n-1 transistoren identiek 5 met de transistoren en T^ zijn verbonden met de basis van de transistor T .

De basisstroom van de transistor bedraagt

O

ir = i. - i _ = i. - £ic B6 i C5 1 B5 (waarin de emitterstromen, collectorstromen en basisstromen zijn aangeduid 10 met I respektievelijk I respektievelijk I , gevolgd door het nummer van de transistor in de vorm van een index).

De basisstroom van de transistor T,. hangt met de stroom 1^ samen volgens de betrekking

Zc = IB5 + XB4 + IC4 = XB5 + XB4 + ^1B4 15 zodat als I_ . = I _ geldt _ B4 b5 3 I„ T = C B5 2 +β

De basisstroom van de transistor Tr bedraagt β XB6 1i " 2 +/S 1C (1)

De collectorstroom van de transistor Tg die de stroomspiegel A binnentreedt 20 bedraagt

ZC6~P' ΓΒ1 + XBl “ 1B2 + n XB

waarin Ιβ de basisstroom van de transistor T3 en de overige op soortgelijke wijze aangesloten transistoren is. Gemakshalve kan worden gesteld dat I = I.

B BZ

ƒ3 ' geeft de stroomversterking van de PNP-transistoren aan (in het algemeen 25 geringer dan de stroomversterker β> van de NPN-transistoren van hetzelfde geïntegreerde circuit). Daar I = I /β 1, bedraagt de basisstroom van de

BZ C

transistor T^ ^ 81 0 23 3 7 B1 = (Π+1) β7'

De collectorstroom van de transistor Tg heeft dan de waarde 30 Ic6 = (n+D^f^ Ic + (n+1) 1?_ = (n+i) £^±-3 lc (2) en daar I__ = JS blinkt uit de vergelijkingen (1) en (2) dat c6 156 a 2 A« + 2

Xi " 2 +β 1C + Xc

Daar de versterkingsfaktor veel groter is dan 2 voor zowel de NPN-transistoren als de PNP-transistoren, is de volgende benadering geldig 35 jkl. =£lc + (n+l)Ic

Daar het aantal transistoren dat is aangesloten in de stroomspiegel (A) verwaarloosbaar is ten opzichte van de stroomversterkingsfaktor β , geldt I (3)

i C

- 6 -

In elk geval kan met methoden die bekend zijn bij het ontwerp van lineaire circuits de invloed van de basisstromen op de collectorstromen tot een minimum worden teruggebracht, zodat de vergelijking (3) des te sterker geldt.

5 Het circuit volgens de uitvinding heeft een spanningval van V = V min CE sat T3 waarin V de collector-emitter-spanning van de transistor T, bij

Cu ScLu -J

bedrijf aan de verzadigingsgrens aangeeft.

De spanningval heeft derhalve een konstante waarde en is gelijk 10 aan de minimale waarde die kan worden verkregen in een getransistoriseerd stroomspiegel-circuit.

De uitgangsimpedantie van het circuit volgens de uitvinding is hoger dan die van bekende circuits die eveneens een lage konstante spanningval vertonen. Het circuit volgens de uitvinding heeft een uitgangs-15 impedantie die maal groter is dan die van. een stroomspiegel met geaarde emitters volgens fig. 1 en heeft derhalve een waarde die tweemaal zo hoog is als de uitgangsimpedantie van de stroomspiegel volgens Wilson of de in cascade geschakelde stroomspiegels. Het circuit volgens de uitvinding benadert derhalve beter dan de bekende circuits de eigenschappen van een 20 stroomgenerator. Het maakt het derhalve mogelijk, voedingsspanningen toe te passen die lager zijn dan de voedingsspanningen die nodig zijn voor bekende circuits, welke eigenschap bijzonder belangrijk is voor bepaalde toepassingen met lage voedingsspanning.

Hoewel een enkele uitvoeringsvorm is afgebeeld en beschreven, is het 25 duidelijk dat vele varianten mogelijk zijn. Zo kunnen bijvoorbeeld de rechtstreekse verbindingen tussen de basis en de collector van de transistoren en van een circuit uit fig. 4 worden uitgevoerd door middel van een basis-emitter-keerlaag van een transistor. Verder kunnen de bipolaire transistoren geheel of gedeeltelijk worden vervangen door veldeffekt-30 transistoren, waarbij het circuit natuurlijk moet worden aangepast.

% 81 0 2 3 3 7

Claims

1. Stroomgenerator met een eerste aansluiting voor verbinding met een ingang-stroomgenerator, tweede en derde aansluitingen voor verbindingen met de aansluitingen van een voedingsbron en met een getransistoriseerd 5 hoofd-stroomspiegel-circuit met een ingangstak en tenminste twee uitgangs-takken voor verbinding met respektieve belastingcircuits, een circuit voor het vergelijken en versterken van stroom en een getransistoriseerd tweede stroomspiegel-circuit, waarbij het tweede stroomspiegel-circuit een ingangstak heeft die is verbonden met een van de uitgangstakken van het hoofd-10 stroomspiegelcircuit en een uitgangstak die is verbonden met een eerste ingang van het circuit, waarbij het circuit een tweede ingang heeft die is verbonden met de ingang-stroomgenerator en een uitgang die is verbonden met de ingangstak van het hoofd-stroomspiegel-circuit.

2. Circuit volgens conclusie 1, met het kenmerk dat het hoofd-stroom- 15 spiegel-circuit een eerste transistor, een tweede transistor en tenminste één derde transistor bevat die elk een eerste aansluiting, een tweede aansluiting en een stuuraansluiting hebben, waarbij de stuuraansluiting van de tweede transistor en de stuuraansluiting van de of elke derde transistor is of zijn verbonden met de stuuraansluiting van de eerste transistor en 20 waarbij de eerste aansluiting van de eerste transistor, de eerste aansluiting van de tweede transistor en de eerste aansluiting van de of elke derde transistor zijn verbonden met dezelfde pool van 'de voedingsbron, waarbij een koppelorgaan aanwezig is tussen de tweede aansluiting en de stuuraansluiting van de eerste transistor, waarbij het tweede stroomspiegel-25 circuit een vierde en een vijfde transistor bevat die elk zijn voorzien van een eerste en een tweede aansluiting en een stuuraansluiting, waarbij de stuuraansluiting van de vijfde transistor is verbonden met de stuuraansluiting van de vierde transistor, terwijl de stuuraansluiting en de tweede aansluiting van de vierde transistor met elkaar zijn verbonden via een 30 koppelorgaan en waarbij de eerste aansluitingen van de vierde en vijfde transistor zijn verbonden met de andere pool van de voedingsbron dan de pool waarop de transistoren uit het hoog-stroomspiegel-circuit zijn aangesloten, terwijl de tweede aansluiting van de vijfde transistor de uitgangstak is van het tweede stroomspiegel-circuit en de tweede aansluiting van de 35 vierde transistor de ingangstak is van het tweede stroomspiegel-circuit.

3. Circuit volgens conclusie 2, met het kenmerk dat het circuit voor het vergelijken en versterken van stroom een comparator-knooppunt bevat en een zesde transistor waarvan een eerste aansluiting is verbonden met de pool van de voedingsbron waarop de vierde en de vijfde transistor zijn 81 0233 7 - 8 - , t » "V aangesloten, terwijl een tweede aansluiting de uitgangstak van het circuit vormt en een stuuraans lui ting is verbonden met het comparator-knooppunt, welk knooppunt is verbonden met de eerste en tweede ingangsaansluiting van het circuit. 5

4. Circuit volgens conclusie 3, met het kenmerk dat de eerste, tweede, derde, vierde, vijfde en zesde transistor bipolaire transistoren zijn, waarbij de eerste aansluiting, de stuuraansluiting en de tweede aansluiting van elk der transistoren de emitter respektievelijk basis respektievelijk collector van die transistoren zijn. 10

5. Circuit volgens conclusie 3, met het kenmerk dat de eerste, tweede, derde, vierde, vijfde en zesde transistor veldeffekt-transistoren zijn, waarbij de eerste aansluiting, de stuuraansluiting en de tweede aansluiting van elk der transistoren de bron respektievelijk poort respektievelijk afvoer van die transistoren zijn. 15

6. Circuit volgens één of meer der conclusies 1 tot en met 5, met het kenmerk dat het gehele circuit is geïntegreerd tot een monolytisch halfgeleider-blok. 81 023 3 7