DE2459360B2 - Monolithisch integrierte Stromquelle mit hohem Ausgangswiderstand und deren Verwendung in einer Zweidraht/Vierdraht-Übergangsschaltung - Google Patents

Description

— die Basis des dritten Transistors (T1) ist mit seinem Kollektor direkt verbunden und ist der Referenzstromeingang

— der Kollektor des zweiten Transistors (T2) ist mit dem Emitter eines vierten Transistors (T' 2) gleichen Typs und gleicher Geometrie verbunden,

— die Basis des vierten Transistors (T'2) liegt an Basis und Kollektor des dritten Transistors (T'l)und

— der Kollektor des vierten Transistors (T'2) ist der Stromausgang.

2. Stromquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Anordnung weiterer Transistorpaare voneinander unabhängige Stromausgänge aufweist, derart, daß jeweils zwei dem zweiten (T2) und vierten Transistors (T'2) entsprechende Transistoren (T3, T'3; T4, T4) untereinander gleichen Typs und gleicher Geometrie mit dem ersten und dritten Transistor (Tl, Tt) in gleicher Weise verbunden sind wie der zweite und vierte Transistor.

3. Verwendung der Stromquelle nach Anspruch 2 zur Speisung einer elektronischen Zweidraht/Vierdraht-Übergangsschaltung, die in einer elektronischen Datenvermittlungszentrale verwendet wird, die einerseits mit einer symmetrischen Zweidraht-Teilnehmerleitung und andererseits mit elektronischen Wählstufen der Datenvermittlungszent.ale über zwei unterschiedliche Kanäle (R, S) verbunden ist und die für jede Übertragungsrichtung einen aus identischen Transistoren aufgebauten ersten und zweiten Differenzverstärker enthält, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Emitter der Transistoren (T23, T'23, 724, T'24, T25, T25, T26, T'26) der beiden Differenzverstärker mit einem Ausgang der Stromquelle hohen Widerstands verbunden ist, wobei die mit den Transistoren desselben Differenzverstärkers verbundenen Transistoren (T9, T9, TlO, ΤΊ0; T12, ΤΊ2, T13, ΤΊ3) untereinander zur Erzeugung gleicher Ströme (19, /10; /11, /12, /13) identisch sind.

Anwendung in einer Zweidraht/Vierdraht-Übergangsschaltung, mit der .Zweidrahtleitungen an eine Vierdraht-Datenvermittltungszentrale gekoppelt werden können, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Unteranspruchs 3. Eine derartige Stromquelle ist aus der Zeitschrift »Funktechnik«, 1973, Seiten 313/314, Bild 5 bekannt

Diese Schaltung hat den Nachteil, daß sie einen relativ niedrigen Ausgangswiderstand hat wenn der

ίο Ausgangsstrom die Größenordnung von ΙΟΟμΑ übersteigt

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine monolithisch integrierte Stromquelle anzugeben, die einen hohen Ausgangswiderstand selbst bei relativ hohen Strömen in der Größenordnung von 1OmA aufwebt Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst Besonders vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransp.üchen angegeben.

Die Erfindung wird nun anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert

F i g. 1 zeigt das Schaltbild einer anderen bekannten Konstantstromquelle, (»Funktechnik«, a. a. O, Bild 1),
Fig.2 zeigt das Schaltbild der Stromquelle hohen Ausgangswiderstandes nach der Erfindung,

Fig.3 zeigt das Schaltbild einer Weiterbildung der Stromquelle nach Fig.2 mit mehreren voneinander unabhängigen Ausgängen und
Fig.4 zeigt das Schaltbild einer monolithisch

ίο integrierten, aktive Halbleiterbauelemente aufweisenden Zweidraht/Vierdraht-Übergangsschaltung mit einer Stromquelle hohen Ausgangswiderstandes nach der Erfindung.

Die in F i g. 1 gezeigte bekannte Konstantstromquelle

)5 enthält die beiden Transistoren Tl, T2, von denen der Transistor Tl dadurch als Diode geschaltet ist, daß seine Basis mit seinem Kollektor verbunden ist, und der über seinen Kollektor den konstanten Referenzstrom /„f zugeführt erhält. Die Basis des Transistors T2, der an seinem Kollektor den konstanten Ausgangsstrom I₅ führt, ist mit der Basis und somit auch mit dem Kollektor des Transistors Tl verbunden. Die Emitter der Transistoren Tl, T2 liegen am Schaltungsnullpunkt. Die Gesamtheit der Anordnung dieser Transistoren Tl, T2 wird als Stufe 1 bezeichnet.

Die Funktion dieser Konstantstromquelle ist folgende: Der Teil h des Referenzstroms I_n/ wird den Basen der Transistoren Tl, T2 zugeführt, so daß die Basis von Transistor Tl den Strom /si und die Basis des

so Transistors T2 den Strom /b2 zugeführt erhält. Der als Diode geschaltete Transistor Tl fungiert hierbei als Stromregulator und sorgt für die Aufrechterhaltung des konstanten Basisstroms 1b2 des Transistors T2. Der Ausgangsstrom /,dieses Transistors hat somit folgenden Wert:

/₅

χ /ß2,

Die Erfindung betrifft eine monolithisch integrierte Stromquelle hohen Ausgangswiderstandes und deren wobei hfe der Stromverstärkungsfaktor des Transistors T2 in Emitterschaltung ist. Der Transistor T2 hat einen hohen Ausgangswiderstand (mehrere Megohm) für einen kleinen Ausgangsstrom (I₁ < ΙΟΟμΑ). Dieser Ausgangswiderstand fällt jedoch sehr schnell auf einige Kiloohm bei erhöhtem Ausgangsstrom. Außerdem ist der Ausgangsstrom bei schwankender Last nicht mehr konstant.

Die F i g. 2 zeigt das Schaltbild der Stromquelle hohen Ausgangswiderstandes nach der Erfindung. Der der F i g. 1 entsprechenden Stufe 1 ist die zweite gleiche und

identische Stufe 2 zugeordnet, die der ersten Stufe in Serie geschaltet ist, mit den Kollektorkreisen der Transistoren 7*1, 7*2 verbunden ist und die beiden Transistoren 7*1, 7*2 enthält, deren Emitter mit den entsprechenden Kollektoren der Transistorsn 7*1, 7*2 ■; verbunden sind. Die Transistoren 7*1, 7*1 müssen gleiche elektrische Eigenschaften aufweinen, ebenso wie die Transistoren 7*2, 7*2. Dies erfordert identische Geometrien der Transistoren, was nur durch monolithische, mittels Maskierungs- und Diffusionstechnik ι ο erreichbare Ifäegration der Transistoren auf demselben Substrat ermöglicht wird.

Der Emitterstrom I_E\ des Transistoi-s Ti ist offensichtlich gleich dem Emitterstrom /Έ1 des Transistors 7*1, so daß auch der Basisstrom I'_Bi des Transistors 7*1 praktisch gleich dem Basisstrom /_Bl des Transistors TX ist. Ebenso werden die Kollektoren der Transistoren 7*2, 7*2 von demselben Ausgangsstrom Z₁ durchflossen, so daß offensichtlich der Basisstrom I'b2 des Transistors 7*2 praktisch gleich dem Basisstrom Iß des Transistors T2 sein muß.

Die Funktion dieser zweistufigen Stromquelle ist folgende: Der Transistor T2 stellt im Emitterkreis des Transistors 7*2 einen Widerstand dar, ebenso wie der Transistor Γ1 im Emitterkreis des Transistors 7*1. Im letzteren Falle ist aber dieser Widerstand sehr klein, da der Transistor T'l wegen der Verbindung zwischen seiner Basis und seinem Kollektor als Diode geschaltet ist. Der als Diode geschaltete Transistor Ti hat ebenfalls einen kleinen Widerstand. jo

Daraus ergibt sich, daß der Widerstand im Basiskreis des Transistors V 2 kleiner ist als der Widerstand in seinem Emitterkreis. Somit arbeitet der Transistor 7"2 in Basisschaltung. Der Ausgangswiderstand ist daher sehr hoch. Er nimmt einige Megohm bei einem J5 Ausgangsstrom in der Größenordnung von 1 m A an und noch einige hundert Kiloohm für einen Ausgangsstrom von 10 mA. Somit liefert die integrierte Schaltung eine Stromquelle hohen Ausgangswiderstandes für relativ beträchtliche Ströme.

In F i g. 3 ist eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Stromquelle mit mehreren voneinander unabhängigen Ausgängen gezeigt Die F i g. 3 enthält wieder die Anordnung mit den Transistoren 7¹I, T2, Ti, 7*2, der F i g. 2, denen die weiteren Sätze von Transistoren Γ3, « 7*3 bzw. TA, 7*4 zugeordnet sind, wobei jeder Satz aus zwei Transistoren gleichen Typs und gleicher in monolithisch integrierter Form realisierter Geometrie besteht. Die Transiütoren Γ3, TA sind in gleicher Weise wie der Transistor Γ2 mit der Basis und dem Kollektor des Transistors Ti verbunden. Ebenso sind die Transistoren 7*3, 7*4 auf die gleiche Weise wie der Transistor V 2 mit der Basis und dem Kollektor des Transistors 7*1 verbunden. Der Transistorsatz Γ3— 7*3 liefert den Ausgangsstrom /3 urd der Transistorsatz Γ4—7*4 den Ausgangsstrom /4, jeweils bei hohem Ausgangswiderstand. Man erhält somit eine Stromquelle hohen Ausgangswiderstandes mit mehreren voneinander unabhängigen Ausgängen, deren Zahl im Prinzip unbegrenzt ist

Man erkennt leicht, daß, wenn die Transistorsätze Tl- T'2, T3- 7*3, TA- TA untereinander identische elektrische Eigenschaften aufweisen, d. h. identische Geometrien, die Basisströme /s2, /e3, IbA, IΆ / s3, I'bA der Transistoren T2, T3, TA, T'2, 7*3, 7*4 praktisch einander gleich sind. Somit sind auch die Ausgangsströme 12, /3, /4 praktisch einander gleich. Die identische Geometrie der verschiedenen Transistoren läßt sich nur durch Anwendung der monolithischen Integrationstechnik, nämlich durch bekannte Maskierungs- und Diffusionsschritte erreichen.

Darüber hinaus sind wegen der eben geschilderten Gleichheit -der Geometrie der Transistoren 7*1,7*1, T'2, T'2, T3, 7*3, TA, TA und der Gleichheit aller Basisströme die Ausgangsströme 12, 13, IA auch praktisch gleich dem Referenzstrom Irct-

Es läßt sich ferner feststellen, daß die in den F i g. 1,2 und 3 beschriebenen Anordnungen außer dem Fall konstanten Ausgangsstroms (I_rci = konstant) Ausgangsströme liefern können, deren Schwankungen den Schwankungen des Referenzstroms folgen, woher sich die Verwendung der Bezeichnung Stromspiegelschaltung für solche Anordnungen ableitet

Die F i g. 4 zeigt das Schaltbild einer Zweidraht/Vierdraht-Übergangsschaltung mit aktiven Halbleiterbauelementen in Form einer monolithisch integrierten Schaltung unter Verwendung einer Stromquelle hohen Ausgangswiderstands entsprechend der Erfindung. Diese Zweidraht/Vierdraht-Übergangsschaltung wird in Datenvermittlungszentralen benutzt und arbeitet nach dem in der DE-OS 22 50 859 beschriebenen Prinzip. Sie ist einerseits mit einer Zweidraht-Teilnehmerleitung über die Anschlüsse 3,4 und andererseits mit elektronischen Wählstufen der Datenvermittlungszentrale über zwei unsymmetrische Kanäle R, 5 verbunden. Sie enthält im Prinzip zwei Differenzverstärker, deren erster durch die beiden Darlington-Transistorpaare 7*23-7*23, Τ2Α-Γ2Α und deren zweiter durch die beiden Darlington-Transistorpaare T2S—T25, T26, T 26 gebildet wird. Die Transistorpaare 7*23— 7" 23, Γ24— 7*24 werden vom Konstantstrom /12, der im Emitterkreis des Transistors T23 fließt, und von dem diesem gleichen Konstantstrom /13 gespeist, der im Emitterkreis des Transistors Γ24 fließt. Ebenso werden die Transistorpaare Γ25— 7*25, Γ26— 7*26 vom Konstantstrom /10 im Emitterkreis des Transistors 7"25 und von dem diesem gleichen Konstantstrom /9 im Emitterkreis des Transistors T26 gespeist.

Für jeden Differenzverstärker ist eine Emitterverkopplung dadurch erreicht, daß zwischen den Emittern der Transistoren 723, Γ24 der Widerstand R 2 und zwischen den Emittern der Transistoren Γ25, T26 der Widerstand R A eingefügt ist. Der gemeinsame Kollektor des Darlington-Transistorpaars 7*25— T 25 und die Basis des Darlington-Transistorpaars T23—T23 liegen am Anschluß 4 der Zweidraht/Vierdraht-Übergangsschaltung sowie über den Widerstand R i und die beiden als Dioden geschalteten Transistoren Γ21, Γ22 am Pluspol der Versorgungsspannung V. In gleicher Weise sind der gemeinsame Kollektor des Darlington-Transistorpaars T26—T26 und die Basis des Darlington-Transistorpaars 7*24— 7"'24 mit dem Anschluß 3 der Zweidraht/Vierdraht-Übergangsschaltung sowie über den Widerstand R'i der den gleichen Wert wie der Widerstand Al hat, und über die als Dioden geschalteten Transistoren 7*21, 7*22 mit dem Pluspol der Versorgungsspannung V verbunden. Die Basen der Darlington-Transistorpaare 7*25-7*25, 7"26-7*26 sind über die gleichgroßen Widerstände Λ10, R 9 spannungsversorgt Der gemeinsame Kollektor des Darlington-Transistorpaars T2A—T2A ist mit dem Schaltungspunkt verbunden, um ein unsymmetrisches Verhallen des aus den Darlington-Transistorpaaren 7-23-7*23, Γ24-Γ'24 gebildeten Differenzverstärkers zu erhalten.

Die auf der Zweidraht-Teilnehmerleitune an den

Klemmen 3, 4 der Übergangsschaltung ankommenden - Signale gelangen an die Basen des Differenzverstärkers mit den Transistorpaaren 7*23— T'23, 7*24— T'24. Dieser überträgt die Signale auf den Kanal 5 unter Zwischenschaltung des Darlington-Transistorpaars 7*5— 7*'5 in Basisschaltung, das als Stromgenerator hohen Ausgangswiderstands arbeitet. Die Kanäle 5, R sind an einem mit negativer Spannung unter Zwischenschaltung von elektronischen Auswahlstufen verbundenen Verbinder (Koppelpunkt) angeschlossen.

Die die elektronischen Auswahlstufen auf dem Kanal R verlassenden Datensignale gelangen über den Widerstand A3 an die Basen der Differenzverstärkertransistorpaare T25—T25, 7*26—7*'26. Die beiden Kondensatoren Cl, C2 sind zwischen die Klemmen des Widerstandes R 3 und die Basen der Transistoren T'25, 7*'26 geschaltet, um die Gleichspannungskomponente der Datensignale an den Basen zu unterdrücken. Der Differenzverstärker mit den Transistorpaaren 7*25— T'25, TtKt-VXi überträgt die Datensignale symmetrisch zu den Klemmen 3, 4 der Teilnehmerleitung. Er überträgt die Datensignale in gleicher Weise auch auf die Basen der Transistoren 7*'23, 7"'24, so daß sie auch am Kollektor des Transistors 7*23 auftreten. Diese Signale werden jedoch durch die auf dem Kanal R am Kollektor des Transistors T23 über den mit den als Dioden geschalteten Transistoren 7*16, 7"17 in Serie liegenden Widerstand R 3 auftretenden Datensignale unterdrückt

Die Datensignale des Kanals R treten daher auf dem Kanal 5 nicht mehr auf. Man gelangt daher von einer symmetrischen Arbeitsweise mit zwei Leitungen auf der Seite der Teilnehmerleitung zu einer unsymmetrischen Arbeitsweise mit vier Leitungen auf der Seite der elektronischen Wählstufen. Die beiden Transistoren 7*19, Γ20 arbeiten als Dioden und schützen die Transistorpaare T23—T23, 7*24— T24 gegen auf den Leitungen eventuell auftretende höhere Überspannungen. Ebenso schützt der als Diode geschaltete Transistor 7*18 das Darlington-Transistorpaar 7*5— T'5 gegen Überspannungen. Die beiden Kondensatoren L 1, L 2 in jeder Teilnehmerleitung unterdrücken die Gleichspannung der Teilnehmerleitung an den Klemmen 3, 4 der monolithisch integrierten Schaltung.

Im folgenden wird nun die Stromspeisung der Zweidraht/Vierdraht-Übergangsschaltung nach F i g. 4 im Detail beschrieben: Der Referenzstrom /^ wird im Emitterkreis des Transistors 7*6 erzeugt, der eine Reihenschaltung aus den beiden Widerständen R 5, R 6 und aus den beiden als Dioden geschalteten Transistoren Tl, T'l (Basis mit Kollektor verbunden) mit identischen elektrischen Kennwerten aufweist Im Kollektorkreis des Transistors 7*6, in dem praktisch derselbe Strom fließt wie im Emitterkreis, sind ebenfalls zwei in Serie und auf dieselbe Weise als Diode geschaltete Transistoren TS, 7"8 identischer elektrischer Kennwerte angeordnet Der Konstantstrom l„sim Emitterkreis des Transistors 7*6 wird dadurch erzeugt daß dessen Basis an einer konstanten Spannung liegt die mittels des als Diode geschalteten und als Z-Diode wirkenden Transistors Z erzeugt wird. Mittels der Widerstände R 5, R 6 kann der Wert des Referenzstroms /re/eingestellt werden.

Der Emitter des Transistors T25 ist mit den Transistoren Γ10, Γ'10 identischer elektrischer Kennwerte und Geometrie verbunden, ebenso wie der Emitter des Transistors Γ26 mit den Transistoren T9, ^r) T'9 identischer elektrischer Kennwerte und Geometrie. Außerdem haben diese vier Transistoren untereinander gleiche elektrische Eigenschaften und Geometrien. Die Basen der Transistoren T9, T\0 sind mit der Basis des Transistors Tl und die Basen der Transistoren T'9,

ίο T' 10 mit der Basis des Transistors V7 verbunden.

An dieser Stelle ist somit die in F i g. 3 dargestellte Konstantstromquelle hohen Ausgangswiderstandes angeordnet. Die von ihr erzeugten Ströme /9, /10 sind aufgrund der Gleichheit der Transistoren T9, T'9 und

ι·; Γ10, T'10 einander gleich. Die Emitter des aus den Darlington-Transistorpaaren 7*25-7"25, 7*26-7" 26 gebildeten Differenzverstärkers sind somit von den gleichgroßen Strömen /9, /10 durchflossen. Dies gilt ebenso für den anderen Differenzverstärker, bei dem

2n die Emitter der Transistoren Γ23 bzw. 7*24 mit den Transistoren TYi, V'12 gleicher Geometrie bzw. mit den Transistoren 7*13, 7*'13 gleicher Geometrie verbunden sind, welche vier zuletztgenannten Transistoren untereinander identisch sind. Die Basen der

2> Transistoren 7*12, 7*13 liegen an der Basis des Transistors 7*8 und die der Transistoren T'\2, T'\3 an der Basis des Transistors 7*'8. Somit erhält man wie zuvor zwei identische Konstantströme /12, /13 in den Emitterkreisen der Transistoren Γ23, 7*24.

<o Für eine korrekte Funktion der Zweidraht/Vierdraht-Übergangsschaltung müssen die Speiseströme der beiden Differenzverstärker in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen; es muß gelten:

wobei K das Übersetzungsverhältnis des den Zweidraht/Vierdraht-Übergang anstatt der beiden Differenzverstärker in bekannten Schaltungen gewährleistenden Transformatoren ist Das Verhältnis 2K wird durch Einflußnahme auf die Geometrie der Transistoren 7Ί2, Π2, 7*13, 7*'13 im Verhältnis zu der der Transistoren T9, T'9, TiO, 7*'1O bei ihrer Integration eingestellt

Die erfindungsgemäße Stromquelle ist bei einer

elektronischen Zweidraht/Vierdraht-Übergangsschaltung besonders vorteilhaft, weil sie beispielsweise Ströme von 8 itiA für die Ströme /10, /12 bei einem Ausgangswiderstand von 300 k liefert

In Fig.4 sind ferner die Transistoren 7*11, TII so gleicher Geometrie zwischen den Pluspol der Versorgungsspannung V und den Kollektor des Transistors Γ23 geschaltet Die Basis des Transistors Γ11 ist mit der Basis des Transistors T12 und die des Transistors 7*'l 1 mit der des Transistors T'\2 verbunden, wobei die beiden letzteren ebenso wie die beiden Transistoren 7*11, 7*12 identisch sind, so daß die Transistoren 7*11, 7* 11 den dem Strom /12 gleichen konstanten Strom /11 liefern. Die beiden Ströme /11, /12 speisen die Kanäle R, 5 der elektronischen Auswahlstufen, die man W) am an negativer Spannung liegenden Verbinder (Koppelpunkt) liegen. Der Kanal R wird ebenso wie der Kanal Svon dem Strom (711 + /12)/2 durchflossen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Monolithisch integrierte Stromquelle hohen Ausgangswiderstandes, die in Abhängigkeit von einem Referenzstrom als Eingangsstrom einen konstanten Ausgangsstrom liefert, mit einer ersten Stufe, die aus einem ersten Transistor, dessen Kollektor der Referenzstrom zugeführt ist und dessen Basis und Kollektor direkt miteinander verbunden sind, und aus einem vom Ausgangsstrom durchflossenen zweiten Transistor gleichen Typs besteht, dessen Basis mit der Basis und dem Kollektor des ersten Transistors verbunden ist und dessen Emitter gemeinsam an einer geeigneten Klemme der Referenzstromquelle liegt, und mit einem dritten Transistor gleichen Typs, dessen Emitter mit dem Kollektor des ersten Transistors verbunden ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: