DE2459271B2

DE2459271B2 - Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines kompensierten Gleichstromes

Info

Publication number: DE2459271B2
Application number: DE2459271A
Authority: DE
Inventors: Hans-Heinrich 2080 Pinneberg Feindt
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1974-12-14
Filing date: 1974-12-14
Publication date: 1980-01-03
Also published as: FR2294482B1; US4019121A; JPS5184057A; CA1032619A; FR2294482A1; IT1051481B; GB1530805A; DE2459271C3; JPS5953563B2; DE2459271A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines gegenüber Temperaturänderungen und ggf. Speisespannungsänderungen weitgehend kompensierten Gleichstromes, vorzugsweise in integrierter Halbleitertechnik, mit einer ersten Stromspiegeischaltung zur Abgabe des vorgenannten Stromes und mit einem Differenzverstärker, dessen erster Steuereingang mit einer Referenzgleichspannung und dessen zweiter Steuereingang mit dem Spannungsabfall eines im Eingangsstrompfad der ersten Stromspiegelschaltung liegenden Widerstandes beaufschlagt ist und dessen Ausgang die erste Stromspiegelschaltung im Sinne einer Regelung ihres Eingangsstroms auf einen derartigen Wert steuert, daß der Spannungsabfall am Widerstand im wesentlichen gleich der Referenzspannung ist, wobei die Referenzspannung und/oder der Leitwert des Widerstandes zur Einstellung des von der Schaltungsanordnung abzugebenden Stromes einstellbar ist bzw. sind.

Bei einer bekannten Schaltung dieser Art nach Fig. 3 der DE-OS 20 60 504 ist der Differenzverstärker ausgangsseitig unmittelbar an die Basis des Eingangstransistors und der damit verbundenen Basen der Ausgangstransistoren der ersten Stromspiegelschaltung

angeschlossen und steuert den Strom durch den Widerstand bereits derart, daß die Differenz zwischen dem Spannungsabfall am Widerstand und der Referenzspannung klein gehalten wird Wenn dabei der Wert des Widerstandes oder die Referenzspannung geändert wird, ändert sich auch der vorn Differenzverstärker abgegebene Steuerstrom. Dies erfordert Änderungen der Ströme und der Basis-Emitter-Spannungen innerhalb des dort nicht näher beschriebenen Differonzverstärkers, wodurch normalerweise strom- und tempera-Unabhängige Anteile verändert werden derart, daß eine exakte Kompensation äußerer Einflüsse nicht über einen größeren Bereich des abgegebenen Stromes aufrecht erhalten werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art eine optimale Stabilisierung auch bei einer über einen gewissen Bereich einstellbaren Referenzspannung bzw. bei einer entsprechenden Änderung des Widerstandes und damit des erhaltenen Stromes zu erzielen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art der Differenzverstärker zwei emittergekoppelte Transistoren aufweist, an deren Kollektoren eine zweite Stromspiegelschaltung angeschlossen ist und von denen die Basis des ersten Transistors an die Referenzgleichspannung und die Basis des zweiten Transistors an den zur ersten Stromspiegelschaltung hin gewan dten ersten Anschluß des Widerstandes angeschlossen ist, daß in Reihe zwischen dem Widerstand und dem Eingang der ersten Stromspiegelschaltung die Kollektor-Emitter-Strecke eines dritten Transistors liegt, dessen Emitter an den ersten Anschluß des Widerstandes und dessen Basis an den Kollektor des zweiten Transistors angeschlossen ist, daß ferner eine dritte Stromspiegelschaltung vorgesehen ist, deren Ausgang den gemeinsamen Emitterstrom des ersten und des zweiten Transistors liefert und deren Eingang mit einem weiteren Ausgangsstrom der ersten Stromspiegelschaltung als Steuerstrom beaufschlagt ist

Durch die dritte Stromspiegelschaltung werden über den Differenzverstärker die Ströme der zweiten Stromspiegelschaltung entsprechend mitgesteuert, und der Strom, der einem Kollektorzweig des Differenzverstärkers für die Steuerung des dritten Transistors entnommen wird, wird auf einem konstanten Bruchteil des von der zweiten Stromspiegelschaltung zugeführten Wertes festgehalten, so daß die Ströme der Differenzverstärker-Ti ansistoren über einen größeren Strombereich gleich gehalten und somit etwaige, z. B. temperaturbedingte, Abweichungen kompensiert werden.

Es sei bemerkt, daß aus der DE-OS 23 63 624, insbesondere Fig. 2, ein aus zwei Transistoren bestehender Differenzverstärker mit an eine Stromspiegelschaltung angeschlossenen Kollektoren bekannt ist, bei dem mit dem einen Kollektor die Basis eines dritten Transistors verbunden ist, dessen Kollektorstromkreis das Ausgangssignal liefert, das dem Unterschied zwischen den beiden, dem Differenzverstärker zugeführten Steuerströmen entspricht. Die verbundenen Emitter des Differenzverstärkers sind dabei an eine Stromspiegelschaltung angeschlossen, die über einen Vorwiderstand mit einem festen Steuerstrom beaufschlagt wird; diese Stromspiegelschaltung dient in bekannter Weise lediglich als ungesteuerte Quelle für einen konstanten Strom. Bei der Erfindung dagegen wird der gemeinsame Emitterstrom ebenfalls gesteuert und so eine bessere Symmetrie der Differenzverstärkerschaltung über einen weiten Bereich der Referenzgleichspannung sichergestellt

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die Schaltungsanordnung enthält einen Differenzverstärker mit zwei npn-Transistoren 1 und 2, deren Emitter miteinander verbunden sind und über eine einen konstanten Strom liefernde Stromspiegelschaltung 3 an den negativen Pol der Speisequelle (Masse) angeschlossen sind. Ihre Kollektoren sind über eine Stromspiegelschaltung 4 mit dem positiven Pol der Speisequelle verbunden. Diese Stromspiegelschaltung besteht aus zwei pnp-Transistoren 5 und 6, deren Kollektoren an die Kollektoren der Transistoren 1 und 2 angeschlossen sind und deren Emitter über Widerstände 7 bzw. 8 am positiven Pol der Speisequelle liegen.

Der Strom des Transistors 2 durchfließt den Transistor 6 derart, daß sich eine für diesen Strom bei der betreffenden Transistorart und Temperatur richtige Basis-Emitter-Spannung einstellt Wenn der Kollektor des Transistors 6 mit seiner Basis direkt verbunden ist, wird aus dem zugeführten Strom ein für den Basisstrom erforderlicher Anteil abgezweigt Um diesen Anteil möglichst klein zu halten, wird die Basis eines zusätzlichen pnp-Transistors 9 angesteuert, dessen Kollektor an Masse liegt, während sein Emitter den Basisstrom an den Transistor 6 liefert Die so erzeugte, vom Kollektorstrom des Transistors 2 abhängige Basis-Emitter-Spannung des Transistors 6 und der Spannungsabfall am Widerstand 8 werden zusammen an der Basis des Transistors 5 wirksam und bedingen dort die Summe von Basis-Emitter-Spannung und Spannungsabfall am Emitterwiderstand 7. Wenn die Widerstände 7 und 8 gleich sind und die Eigenschaften der Transistoren 5 und 6 ebenfalls übereinstimmen, wie das bei integrierten Schaltungen sehr gut der Fall ist, so wird sichergestellt, daß zum Kollektor des Transistors 1 ein Strom fließt, der sehr genau gleich ist dem Kollektorstrom des Transistors 2.

An den Transistor 1 ist ein Emitterverstärker mit dem Transistor 11 angeschlossen derart, daß dessen Basis mit dem Kollektor des Transistors 1 und dessen Emitter mit der Basi? des Transistors 1 verbunden ist. Der Emitterstrom des Transistors 11 bewirkt im Widerstand 12 einen Spannungsabfall. Da die Ströme der Transistoren 1 und 2 infolge der Stromspiegelschaltung 4 praktisch gleich sind, stellt sich die Schaltung so ein, daß auch die an den Basen der Transistoren 1 und 2 anliegenden Spannungen übereinstimmen; die nur mit dem Basisstrom des Transistors 2 belastete, von einer Quelle 13 gelieferte Referenzspannung ί/wird somit auf den Widerstand 12 übertragen, und der Strom des Transistors 11 ist dem Produkt aus der Spannung I/und dem Leitwert des Widerstandes 12 proportional.

Der Ausgangsstrom des Transistors 11 wird einer Stromspiegelschaltung 14 zugeführt, die im Ausgangsteil pnp-Transistoren 15 und 16 enthält, deren Kollektorströme dem Eingangsstrom, dem Kollektorstrom des Transistors 11, der einen pnp-Transistor 17 durchfließt, sehr genau proportional sind. Die Basen der Transistoren 15,16 und 17 sind miteinander verbunden; in ihren Emitterzweigen liegen zugeordnete Widerstände 19, 20 und 21, mit deren Hilfe die Ströme eingestellt werden können. Die Basis und der Emitter eines Transistors 18 sind mit dem Kollektor bzw. der Basis des Transistors 17 verbunden; der Kollektor liegt an Masse. Dieser Transistor 18 liefert die Basisströme für die

Transistoren 15, 16 und 17; dem Steuerstrom h wird dafür ein um die Stromverstärkung des Transistors 18 geringerer Stromanteil entnommen. Die Wirkung der Schaltung 14 entspricht der der Stromspiegelschaltung 4, deren Transistor 5 in entsprechender Weise durch den Eingangsstrom vom Kollektor des Transistors 2 gesteuert wird. Im Kollektor Strompfad des Transistors 15 fließt der gewünschte Ausgangsstrom / der Schaltungsanordnung.

In der dargestellten Schaltung sind zwar die Basis-Emitter-Spannungen in ihrer Auswirkung auf die Ströme weitgehend kompensiert. Aus dem vom Transistor 5 gelieferten Strom wird jedoch der Basisstrom für den Transistor 11 abgezweigt, so daß der Kollektorstrom des Transistors 1 nicht exakt gleich ist dem Kcüektorstrom des Transistors 2. Dementsprechend ergibt sich zwischen den Basisspanmungen der Transistoren 1 und 2 ein Unterschied. Das kann durch eine kleine Abweichung im Wert des Widerstandes 7 für einen bestimmten Wert des Basisstromes des Transistors 11, also für eine bestimmte Spannung U, kompensiert werden. Bei abweichenden Werten von U fließen jedoch andere Basisströme zum Transistor 11. Wenn die Stromspiegelschaltung 3, die den gemeinsamen Strom /ι für die Emitter der Transistoren 1 und 2 liefert, festgelegt wäre, würden auch die Kollektorströme der Transistoren 1 und 2 unverändert bleiben. Der bei einer anderen Spannung U oder einem anderen Leitwert des Widerstandes 12 sich einstellende andere Strom h erfordert aber am Transistor 11 einen anderen Basisstrom, so daß der Kollektorstrom des Transistors 1 gegenüber dem von der Stromspiegelschaltung 4 aus dem Transistor 5 zugeführten Strom verändert würde. Für diesen anderen, vom Kollektorstrom des Transistors 2 abweichenden Strom würde sich am Transistor 1 ein anderer Basisstrom einstellen mit einem anderen Spannungsabfall am Widerstand 23 und einer anderen Basis-Emitter-Spannung am Transistor 1. Die gewünschte Proportionalität des Stromes h und des Ausgangsstromes /gegenüber der Eingangsspannung U und/oder dem Leitwert des Widerstandes 12 wäre dann nicht mehr sichergestellt.

Es wird nun jedoch der Stromspiegelschaltung 14 vom Transistor 16 ein Strom /3 entnommen, der den Transistor 26 in der Stromspiegelschaltung 3 und damit den Strom h für die Emitter der Transistoren 1 und 2 steuert Insbesondere mittels der Emitterwiderstände 20,27,29 in den Stromspiegelschaltungen 14 und 3 wird die Einstellung vorzugsweise so vorgenommen, daß der Strom /1 doppelt so groß ist wie der Strom /2. Das kann dadurch erreicht werden, daß die Ströme /2 und /3 gleich gemacht werden und daß der Strom /1 doppelt so groß ist wie /3. Aber auch andere Verhältnisse des Stromes /3 gegenüber h bzw. /1 sind grundsätzlich möglich.

Durch diese Schaltung wird erreicht, daß die Ströme durch die Stromspiegelschaltung 4 sich mit dem Strom /2 ändern. Wird z. B. I₂ größer, so steigt auch der Strom durch den Transistor 5 und dementsprechend der durch einen abweichenden Wert des Widerstandes 7 eingestellte kompensierende Stromanteil, der dann den Basisstrom für den Transistor 11 liefert, während der Kollektorstrom des Transistors 1 sehr genau gleich bleibt dem Kollektorstrom des Transistors 2.

So ist sichergestellt, daß die gewünschte Kompensation der Einflösse der Basis-Emitter-Spanmungen in einem weiten Einstellbereich erhalten bleibt

Die Referenzspannung U wird in der Regel einen Innenwiderstand 22 aufweisen, der sich z. B. aus einem Spannungsteiler ergeben kann. Um den dadurch bedingten Spannungsabfall auszugleichen und am Widerstand 12 exakt die Spannung U zu reproduzieren, ist in der dargestellten Schaltung in die Basiszuleitung ') des Transistors 1 ein Widerstand 23 eingeschaltet, der dem Widerstand 22 gleich ist Die Basisströme zu den Transistoren 1 und 2 ergeben in diesen Widerständen gleiche Spannungsabfälle, so daß die gewünschte Übereinstimmung der anliegenden Spannung erreicht ist

Wenn bei c!er dargestellten Schaltung die Referenzspannung U Null ist, werden die erwähnten Ströme ebenfalls zu Null. Wird ein endlicher Wert von U angelegt, erhält zwar die Basis des Transistors 2 eine (positive) Spannung; da aber der Strom /1 von der Strcmquellenschaltung 3 Null ist, Hießen in den Transistoren 1 und 2 keine Ströme, und der Transistor 11 bleibt gesperrt Zum Anlaufen der Schaltung ist daher ein Transistor 25 eingeschaltet derart daß seine Basis und sein Kollektor mit Basis und Kollektor des Transistors 2 und sein Emitter mit dem Kollektor des Transistors 1 und dadurch mit der Basis des Transistors 11 verbunden ist.

Wird dann eine Spannung U angelegt, so wird der Transistor 25 geöffnet und damit der Transistor 11 leitend. Dann fließt ein Strom h, und über die Stromspiegelschaltungen 14 und 3 wird auch der Strom /1 eingeleitet. Da die Basisspannungen der Transistoren 1 und 2 gleich sind, wird wegen der Verbindung des Emitters des Transistors 11 mit der Basis des Transistors 1 die Basis des Transistors 11 positiver als die Spannung an der Basis des Transistors 2; der npn-Transistor 25 erhält dann eine gegenüber dem Emitter um z. B. 0,6 V negativere Spannung und ist gesperrt

Die Basis des vom Strom /3 gesteuerten Eingangstransistors 26 der Stromspiegelschaltung 3 kann weiter mit der Basis eines npn-Transistors 36, dessen Emitter über einen Widerstand 37 an Erde liegt, verbunden sein. Zu dessen Kollektor fließt dann ein Strom Λ der dem Ausgangsstrom /proportional ist, jedoch die entgegengesetzte Polarität aufweist

Durch den Basisstrom des Transistors 11 wird ein Teil des von der Stromspiegelschaltung 4 an den Transistor 1 zugeführten Stromes entnommen, so daß dessen Kollektorstrom um einen entsprechenden Anteil geringer ist. Dieser Unterschied der Kollektorströme der Transistoren 1 und 2 kann durch unterschiedliche Ausbildung der Emitterflächen und damit der Emitterstromdichten oder aber durch entsprechend unter- schiedlich eingestellte Ströme der Transistoren 5 und 6 in der Stromspiegelschaltung, z. B. mittels der Emitterwiderstände 7 und 8, ausgeglichen werden. Ein genauerer Ausgleich ist jedoch dann möglich, wenn der Strom zum Transistor 6 in der Stromspiegelschaltung 4 gegenüber dem Koliektorstrom des Transistors 2 in entsprechender Weise korrigiert wird Das kann dadurch vorgenommen werden, daß an den Kollektor des Transistors 2 die Basis eines mit dem Kollektor an der Speisequelle (+) liegenden Transistors 30 verbunden ist, dessen Emitter von einem Transistor 31 mit Emitterwiderstand 32 ein dem Strom k gleicher Strom zugeführt wird. Da nach der Erfindung die Ströme /1 und /2 zueinander proportional sind, kann die Basis des Transistors 31 mit der Basis des Transistors 28 verbunden werden, wobei, z. B. mittels des Widerstandes 32, die gewünschte Größe des Stromes U vom Transistor 31 zum Transistor 30 hergestellt wird.

In der bisher beschriebenen Schaltung ergibt sich

noch eine gewisse Abhängigkeit von dem Stromverstärkungsfaktor B der verschiedenen Transistoren, der seinerseits von den Strömen (l\, /₂, /3, U) abhängig ist. Diese Abhängigkeit läßt sich wesentlich vermindern, wenn der Kollektor des vom Steuerstrom /3 gesteuerten Transistors 26, ggf. mittels eines Emitterverstärkers 34, über einen Widerstand 35 mit der Basis dieses Eingangstransistors 26 verbunden ist und wenn das

dieser Basis abgewandte Ende des Widerstandes 35 an die Basis des den gemeinsamen Strom /1 für die Emitter der Transistoren 1, 2 des Differenzverstärkers liefernden Transistors 28 angeschlossen ist. Dabei ist der Wert dieses Basis-Vorwiderstandes 35 vorzugsweise etwa gleich dem Wert des im Emitterzweig dieses Transistors 26 liegenden Widerstandes 27.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines gegenüber Temperaturänderungen und ggf. Speisespannungsänderungen weitgehend kompensierten Gleichstromes, vorzugsweise in integrierter Halbleitertechnik, mit einer ersten Stromspiegelschaltung zur Abgabe des vorgenannten Stromes und mit einem Differenzverstärker, dessen erster Steuereingang mit einer Referenzgleichspannung und dessen zweiter Steuereingang mit dem Spannungsabfall eines im Eingangsstrompfad der ersten Stromspiegelschaltung liegenden Widerstandes beaufschlagt ist und dessen Ausgang die erste Stromspiegelschaltung im Sinne einer Regelung ihres Eingangsstroms auf einen derartigen Wert steuert, daß der Spannungsabfall am Widerstand im wesentlichen gleich der Referenzspannung ist, wobei die Referenzspannung und/oder der Leitwert des Widerstandes zur Einstellung des von der Schaltungsanordnung abzugebenden Stromes einstellbar ist bzw. sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker zwei emittergekoppelte Transistoren (1, 2) aufweist, an deren Kollektoren eine zweite Stromspiegelschaltung (4) angeschlossen ist und von denen die Basis des ersten Transistors (2) an die Referenzgleichspannung (U) und die Basis des zweiten Transistors (1) an den zur ersten Stromspiegelschaltung (14) hin gewandten ersten Anschluß des Widerstandes (12) angeschlossen ist, daß in Reihe zwischen dem Widerstand (12) und dem Eingang der ersten Stromspiegelschaltung (14) die Kollektor-Emitter-Strecke eines dritten Transistors (11) liegt, dessen Emitter an den ersten Anschluß des Widerstandes (12) und dessen Basis an den Kollektor des zweiten Transistors (1) angeschlossen ist, daß ferner eine dritte Stromspiegelschaltung (3) vorgesehen ist, deren Ausgang den gemeinsamen Emitterstrom (I\) des ersten und des zweiten Transistors (1, 2) liefert und deren Eingang mit einem weiteren Ausgangsstrom (h) der ersten Stromspiegelschaltung (14) als Steuerstrom beaufschlagt ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dritten Stromspiegelschaltung (3) wenigstens ein weiterer Strom (1*) entnommen wird, der dem von der ersten Stromspiegelschaltung (14) gelieferten Ausgangsstrom (I) der Schaltungsanordnung proportional ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Basiszuleitung des zweiten Transistors (1) des Differenzverstärkers ein Widerstand (23) eingeschaltet ist, der dem Innenwiderstand (22) der Referenzspannungsquelle (13) wenigstens annähernd gleich ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der den verbundenen Emittern der Transistoren (I₁ 2) des Differenzverstärkers zugeführte Ausgangsstrom (I\) der dritten Stromspiegelschaltung (3) gleich ist dem Doppelten des Ausgangsstromes des dritten Transistors (11).

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der dritten Stromspiegelschaltung (3) deren Eingangsstrom (h) dem Kollektor eines Eingangstransistors (26) zugeführt wird, welcher Kollektor, ggf. mittels eines Emitterverstärkers (34), über einen Widerstand (35) mit der Basis dieses Eingangstransi-

stors (26) verbunden ist, und daß das dieser Basis abgewandte Ende des Widerstandes (35) an die Basis eines den gemeinsamen Strom (It) für die Emitter der Transistoren (1, 2) des Differenzverstärkers liefernden Transistors (28) angeschlossen ist, wobei der Wert dieses Basisvorwiderstandes (35) vorzugsweise etwa gleich ist dem Wert eines im Emitterzweig des Eingangstransistors (26) liegenden Widerstandes (27).

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Referenzspannung (U) liegende Basis des ersten Transistors (2) des Differenzverstärkers mit der Basis eines Hilfstransistors (25) verbunden ist, dessen Kollektor an den Kollektor des ersten Transistors (2) und dessen Emitter an den Kollektor des zweiten Transistors (1) des Differenzverstärkers und damit an die Basis des dritten Transistors (11) angeschlossen ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die verbundenen Kollektoren des ersten Transistors (2) des Differenzverstärkers und des zugeordneten Transistors (6) der zweiten Stromspiegelschaltung (4) die Basis eines weiteren Transistors (30) angeschlossen ist, dessen Kollektor an der Versorgungsspannung (+) liegt und dessen Emitter ein Strom (Ά) vom Kollektor eines einen weiteren Ausgang der dritten Stromspiegelschaltung (3) bildenden Transistors (31) zugeführt wird, in dessen Emitterzweig ein Widerstand (32) liegt, wobei der Strom (U) des weiteren Transistors (30) annähernd den Wert des über den dritten Transistor (11) zur ersten Stromspiegelschaltung (14) zufließenden Stromes (I₂) hat derart, daß der Strom zum zugeordneten Transistor (6) der zweiten Stromspiegelschaltung (4) entsprechend dem durch den Basisstrom des dritten Transistors (11) dem Kollektorstrom des zweiten Transistors (1) des Differenzverstärkers entnommenen Teil korrigiert wird.