DE2508226C3

DE2508226C3 - Stromstabilisierungsschaltung

Info

Publication number: DE2508226C3
Application number: DE2508226A
Authority: DE
Inventors: Johannes Otto Eindhoven Voorman (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1974-03-11
Filing date: 1975-02-26
Publication date: 1980-08-07
Also published as: FR2264321B1; FR2264321A1; IT1030299B; JPS50121763A; US4016435A; DE2508226A1; GB1467126A; DE2508226B2; NL7403202A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromstabilisie-

rungsschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist z. B. aus der US-PS 35 73 504 bekannt Nachteilig bei der dort beschriebenen Schaltungsanordnung ist jedoch, daß an die Konstanz und die Temperaturunabhängigkeit der Speisespannung hohe Anforderungen gestellt werden oder konstante, temperaturunabhängige Bezugsspannungen oder -ströme müssen verwendet werden. FQr verschiedene Zwecke werden Stromquellen benötigt die einen genau einstellbaren konstanten Strom liefern. Eine derartige Stromquelle kann z. B. als Speisequelle für eine Oszillatorschaltung verwendet werden, die ein Signal mit einer konstanten Frequenz erzeugt Auch in genauen Digital-Analog-Wandlern finden derartige Stromquellen Anwendung. Um einen konstanten Strom zu erhalten, ist es unbedingt erforderlich, daß die Stromquelle von Temperaturänderungen unabhängig ist Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einstellbare Stromquelle zu schaffen, die in hohem Maße von der Temperatur unabhängig ist und bei der auch keine hohen Anforderungen an die Konstanz der Speisespannung gestellt zu werden brauchen und ferner keine Bezugsspannung oder kein Bezugsstrom benötigt

b5 wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß den im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen. Diese Schaltungsanordnung bietet darüber hinaus

den zusätzlichen Vorteil, daß sie sich in verhältnismäßig einfacher Weise als monolithisch integrierte Schaltung ausfahren läßt

Es sei hier bemerkt, daß eine Zweipolschaltung der genannten Art bereits aus der DE-OS 21 57 756 bekannt ist, deren Fig. t außerdem auch eine Stromspiegelschal- . tung zeigt Auch die Kombination eines Stromspiegels mit einer Stromquelle gemäß der o. g. US-PS 35 73 504 ist bereits bekannt, so z.B. aus Fig.2 der US-PS 36 29 692.

Um Temperaturfehler höherer Ordnung auszugleichen, ist es zweckmäßig, die Schaltung mit einer Quadrierschaltung zu versehen, der mindestens ein Strom zugeführt wird, der dem Strom proportional ist, der zwischen den !Gemmen der genannten Zweipolschaltung fließt, wobei die Quadrierschaltung einen Ausgangskreis enthält, in dem ein Strom fließt, der dem Quadrat des durch die genannte Zweipolschaltung fließenden Stromes proportional ist, welcher Ausgangskreis die Eingangsklemme der ersten Stromspiegelschaltung mit der gemeinsamen Klemme der genannten Dreipolschaltung verbindet.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt F i g. 1 eine erste an sich bekannte Stromquelle, F i g. 2 eine zweite an sich bekannte Stromquelle,

F i g. 3 schematisch eine erste Ausführungsform einer Schaltung nach der Erfindung,

F i g. 4 eine an sich bekannte Vervielfacherschaltung, jo

Fig.5 schematisch eine zweite Ausführungsform einer Schaltung nach der Erfindung und

F i g. 6 eine detaillierte Ausführungsform einer Schaltung nach der Erfindung.

F i g. 1 zeigt eine z. B. aus der US-PS 35 73 504, Fig. 2, J5 bekannte Stromquellenschaltung, die einen Strom mit einem negativen Temperaturkoeffizienten liefert. Die Schaltung enthält eine Eingangsklemme A, eine Ausgangsklemme Λ'und eine gemeinsame Klemme B. Ein erster Strt ;nweg, der zwischen den Klemmen A und B gebildet wird, enthält die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors Ti, der im dargestellten Beispiel vom npn-Typ ist. Ein zweiter Stromweg, der zwischen den Klemmen A' und B gebildet wird, enthält die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors Ti, der v> vom gleicher. Leitfähigkeitstyp wie der Transistor Ti ist, in Reihe mit einem Widerstand R\. Die Basis des Transistors Ti ist mit dem Emitter des Transistors Ti und mit dem Widerstand R\ verbunden, der andererseits mit der gemeinsamen Klemme 3 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 7Ί ist auch mit der Klemme B verbunden, wodurch der Widerstand Rt den Basis-Emitter-Übergang des Transistors 71 überbrückt. Der Kollektor des Transistors 71 ist mit der Eingangsklemme A verbunden, während der Kollektor des Transistors 5^r> Ti mit der Ausgangsklemme A 'verbunden ist.

Durch die Klemme A fließt annahmeweise ein konstanter Strom Ic Durch die Klemme A' fließt ein Strom /|. Wenn die Ströme U und I₀ in der gleichen Größenordnung liegen, sind die Basisströme der to Transistoren T₁ und T₂ annähernd einander gleich, vorausgesetzt, daß wenigstens die wirksamen Emitteroberflächen der Transistoren Ti und Ti einander gleich sind. Der Strom, der den Widerstand R₁ durchfließt, ist in diesem Falle dem Strom /1 gleich, was aus der μ Betrachtung der Richtung der Basisströme nach F i g. 1 hervorgeht. Der Strom /·, führt einen Spannungsabfall /1Ä1 über dem Widerstand R₁ herbei. Dieser Spannungsabfall überbrückt den Basis-Emitter-Übergang des Transistors T\ und ist also gleich der Basis-Emitter-Spannung Vif des Transistors T), In einer Formel ausgedrückt, gilt also:

Für V_he gilt der bekannte Ausdruck:

JtT

indem

k die Boltzmannsche Konstante,
T die Absoluttemperatur des Transistors 71,
q die Ladung des Elektrons,
Ic der Kollektorstrom des Transistors T, und
Ia der Leckstrom des Transistors beim Betrieb in der Sperrichtung sind.

Der Strom /o ist ebenfalls temperaturabhängig, welche Temperaturabhängigkeit ausgedrückt werden kann als:

I₀ = AT)fiP„ (3)

«j = BTⁱe-i^y«^lkT

T,„ = CT""

wobei Λ Äund CKonstanten sind, Jt_n die Elektronenbeweglichkeit und Vg₀ die linear extrapolierte »Gap«- Spannung bei 0° K ist (siehe z. B. »Physics of Semiconductor Devices« von S. M. Sze, S. 27, 39, 41, 269).

Unter der Bedingung, daß IJh vie! größer als 1 ist, und mit Substitution von D= A-B- Cund η = 4 — π, gilt für die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Ti:

V» =

In

In T (4)

Der Logarithmus der Temperatur kann um eine Bezugstemperatur To in einer Taylor-Reihe entwickelt werden. Wenn angenommen wird, daß T = T₀(1 +-'J— )' ^vb<*>= Vbc(T= To) und daß T_c temperatu-

[•unabhängig ist, kann der Ausdruck (4) unter Vernachlässigung von Komponenten mit einer Temperaturabhängigkeit einer höheren Ordnung als T² geschrieben werden als

V_hM -

^kT°

Es stellt sich heraus, daß bei zunehmender Temperatur die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Ti abnimmt, wodurch auch der Strom /1, der die Ausgangsklemme /!'durchfließt, abnimmt. Für /1 als

Funktion der Temperatur gilt unter Anwendung der Ausdrücke (I) und (5) dann die Gleichung

R₁

1 A-7„ / Ι7Λ²

2 '¹

A-7„ / Ι7Λ²
JR₁ \ T_n J

(6)

in der a und b positive Konstanten sind.

Der Strom /|, der die Ausgangsklemme A 'durchfließt, weist also einen negativen Temperaturkoeffizienten auf.

Fig. 2 zeigt eine z.B. aus der DE-OS 2157 756 bekannte Stromquelle, die einen Strom mit einem positiven Temperaturkoeffizienten liefert. Die Schaltung enthält eine Stromspiegelschaltung mit identischen 2"> Transistoren, im dargestellten Beispiel vom npn-Typ, welche Stromspiegelschaltung drei Klemmen besitzt, und zwar eine Summenklemme Cund zwei Klemmen D und D'. Die Summenklemme Cist mit den Emittern der Transistoren Ti und 7} verbunden, während die Basis jo des Transistors T₁ mit der Basis des Transistors 7"« verbunden ist. Der Transistor 7} ist als Diode geschaltet, indem die Basis und der Kollektor miteinander verbunden sind. Der Kollektor des Transistors T) ist mit der Klemme D' verbunden, wodurch die Emitter-Kol- r, lektor-Strecke des Transistors Ti einen ersten Stromweg zwischen den Klemmen C und D bildet Ebenso bildet die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 7i einen zweiten Stromweg zwischen den Klemmen Cund D'. w

Die Stromquelle enthält weiter eine zweite 5\rhaltnncr die drei Klemmen besitzt, und zwar die Klemmen fund E'sowie eine Summenklemme C. Die Klemmen Fund f'sind mit den Klemmen D bzw. D'der Stromspiegelschaltung verbunden. Die zweite Schaltung enthält identische Transistoren von einem dem der Transistoren der Stromspiegelschaltung entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp. Die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors Ts verbindet die Klemmen E und C miteinander, wobc^; der Emitter des Transistors 7s mit der Klemme C verbunden ist während der Transistor Ti als Diode geschaltet ist, indem der Kollektor und die Basis miteinander verbunden sind. Die Klemme D' ist über die parallelgeschalteten Kollektor-Emitter-Strekken von π Transistoren 7a, wobei in den gemeinsamen Emitterkreis ein Widerstand Rr aufgenommen ist, mit der Summenklemme C verbundea Diese π Transistoren können durch einen einzigen Transistor mit einer n-fachen wirksamen Emitteroberfläche ersetzt werden. Der gemeinsame Basiskreis der π Transistoren ist mit ω der Basis des Transistors 7s verbunden.

Werden die Basisströme in erster Linie vernachlässigt so fließt durch die Klemmen D und D'je ein Strom, der gleich der Hälfte des Stromes I₂ ist, der die Summenklemme C durchfließt weil die Basis-Emitter-Obergänge der Transistoren Ti und 7i parallel geschaltet sind. Der Strom=/2, der durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T₅ fließt, führt eine Basis-Emitter-Spannung herbei, die gleich

kT

In

2/0

ist. Der Strom 7/2, der zwischen den Klemmen E'und C

fließt, verteilt sich zum Teil über die η identischen Transistoren, so daß die Basis-Emitter-Spannung jedes dieser Transistoren gleich

AT

₁
In

*
In I_n

ist. Der Strom -, h führt außerdem einen Spannungsabfall eleirh ~ Λ R₂ iiher dem Widerstand R₂ herbei Die

Basis-Emitter-Spannung des Transistors Tj muß gleich der Summe der Basis-Emitter-Spannung eines der η Transistoren Tt und des Spannungsabfalls über dem Widerstand Ri sein, so daß nach einigen arithmetischen Bearbeitungen für den Strom ^gefunden wird:

I₂ =

A T .--q R₂

In //

Ausgehend von der Bezugstemperatur Ta kann für die Temperaturabhängigkeit von h angenommen werden:

' 21) =

AT₀

= Im + C

^ln " ⁼

I T

T_n

Im Ausdruck (5) ist c eine positive Konstante, wrvHiirrh λυτ) ein?H "os'tivsH Tc^!"?r2t*jrko?ff:zi?!it?K aufweist. Mit Hilfe des Stromes I₂ kann die Temperaturabhängigkeit erster Ordnung des Stromes U(T) der Stromquelle nach F i g. 1 dadurch ausgeglichen werden, daß mit Hilfe der Widerstände R\ und R₂ die Konstante c gleich der Konstante a gemacht wird. Der konstante Strom I_c muß dann noch erzeugt werden. Dieser Strom kann, wenn die Abhängigkeit zweiter Ordnung von U(T) vernachlässigt wird, mit Hilfe einer Stromspiegelschaltung von dem nun konstanten Strom U(T)+Ii(T) abgeleitet werden.

F i g. 3 zeigt schematisch eine Schaltung, die in erster Näherung einen temperaturunabhängigen Strom liefert Die Schaltung enthält eine Stromspiegelschaltung mit identischen Transistoren Tr, Tg und 7s, im dargestellten Beispiel vom pnp-Typ. Die Emitter der drei genannten Transistoren sind mit einer Summenklemme F verbunden, während der Kollektor des Transistors Ti mit einer Ausgangsklemme G verbunden ist und die Kollektoren der Transistoren Te und 7s mit einer Eingangsklemme G' verbunden sind. Die Transistoren 7g und Tg sind wieder als Dioden geschaltet, während die Basis-Elektroden der Transistoren Tg und Tg mit der Basis des Transistors 7} verbunden sind. Die Schaltung enthält weiter die Stromquellen nach F i g. 1 und 2, deren Klemmen auf entsprechende Weise bezeichnet sind. Die Klemme A der ersten Stromquellenschaltung ist mit der Klemme G verbunden, während die Klemme .4'mit der

Klemme C verbunden ist. Die Klemme C der zweiten Stromquellenschaltung ist mit der Klemme C verbunden, während die Klemme C" mit der Klemme B verbunden ist.
Die Stromspiegelschaltung liefert im vorliegenden

Beispiel einen Strom I_n der gleich ^ U\ + h) ist. Das Verhältnis 1:2 für den Stromspiegel ist gewählt, um den Strom /ι in derselben Größenordnung wie der Strom l_c liefern zu können. Da die Basis-Emitter-Übet gange der Transistoren Ti, T% und T<* parallel geschaltet sind, fließen durch die Kollektorkreise der Transistoren T₁, T₈ und To gleiche Ströme. Da die Transistoren Tg und T₉ einen gemeinsamen Kollektorkreis aufweisen, ist der die Klemme G durchfließende Strom gleich der Hälfte des die Klemme C durchfließenden Stromes. Der letztere Strom unterteilt sich in die Ströme /ι und I₂, während der die Klemme G uUrCn'licuci'idc Siiüii'i giciCii l_c isi. Die Ströme /ι und I₂ werden durch die Ausdrücke (6) bzw. (8) bestimmt. Die Summe der Ströme /ι und I₂ ist in Annäherung erster Ordnung temperaturunabhängig, wenn a=c ist. Mit Hilfe der Ausdrücke (6) und (8) ergibt sich die Bedingung:

<,R₂ ^ln"= K₁

it T,

(9)

Die Si'.nme der Ströme /, (T) und I₂ (T) ist in diesem Falle:

I₁(T) + I₁(T) = I_1n + I_1n

= I_w + —=- In/i (10)

Substitution von (9) und (10) ergibt

ίο

40

I₁(T) + I₁(T) = ψ- + t, ~~ (II) / A₁ q K|

Unter der Bedingung (9) stellt sich heraus, daß die Summe der Ströme h(T)und I₂(T), welche Summe durch die Klemme G' fließt, in erster Näherung von der Temperatur unabhängig ist. Die Abregelung der Schaltung nach F i g. 3 ist einfach und geht auf folgende Weise vor sich:

Für den gewünschten Wert des Summenstromes 1\(T)+ h(T) wird mit Hilfe des Ausdruckes (11) der Wert des Widerstandes Äi bestimmt Der Widerstand R₂ bestimmt den Wert des Stromes I₂(T) und somit auch den Wert des Summenstromes. Wenn R₂ nun abgeregelt wird, bis der Summenstrom den gewünschten Wert erreicht hat, ist automatisch die Bedingung (9) erfüllt, weil die Anwendung der Bedingung (9) die Gleichung (11) ergeben hat, die den Wert des Widerstandes Äi bestimmte. &o

Um die Temperaturunabhängigkeit zweiter Ordnung von I₁(T) auszugleichen, kann die Schaltung nach F i g. 4 verwendet werden.

F i g. 4 zeigt eine Quadrierschaltung mit vier identischen Transistoren Tio, 7*n, Ti2und T13, im dargestellten Beispiel vom npn-Typ. Die Schaltung besitzt drei Klemmen H, K und /, die mit den Kollektoren der Transistoren Tio, Tn bzw. T12 verbunden sind, eine

Klemme K', die mit dem Emitter des Transistors Tw verbunden ist, und eine Klemme L die mit den Emittern der Transistoren Γιο und Tn verbunden ist. Die Transistoren sind derart geschaltet, daß die Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren in Reihe bzw. gegensinnig in Reihe liegen und eine geschlossene Schleife bilden. Die Basis des Transistors Γιο ist mit dem Emitter des Transistors Tu, die Basis des Transistors T₁₁ ist mit der Basis des als Diode geschalteten Transistors Ti₂ und der Emitter des Transistors T\₂ ist mit der Basis des als Diode geschalteten Transistors Tn verbunden.

Aus der Schaltung nach F i g. 4 läßt sich herleiten, daß die Summe der Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren Tu und Tu gleich der Summe der Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren Tn und Tu sein muß. Wie in der Figur angegeben ist, wird angenommen, daß in dem Kollektorkreis des Transistors JTi₀ ein Strom h, in üciii iCuiiekiorkreis des Transistors /n ein Strom U und in dem Kollektorkreis des Transistors T^ ein Strom A fließt. Mit dem bekannten Ausdruck für die Basis-Emitter-Spannung eines Transistors läßt sich sagen, daß

AT₁ /, AT₁ U

In — + In ~

</ Io q I_n

I₀

_1n

I_n

woraus sich für I₃ ableiten läßt, daß:

h = 4^L
'4

₍₁₂₎

(13)

Der Strom h erhält die gewünschte Abhängigkeit vom Quadrat der Temperatur dadurch, daß /5 proportional zu I₂(T) und Λ proportional zu dem konstanten l_c gewählt werden, wie in Fig.5 angegeben ist.

Fig.5 zeigt schematisch eine Schaltung, die einen Strom mit einer Temperaturunabhäneiekeit erster und zweiter Ordnung liefert. Die Schaltung besteht aus einer ersten Stromquelle I nach Fig. 1, einer zweiten Stromquelle II nach Fi g. 2, einer Quadrierschaltung III nach Fig.4, einer ersten Stromspiegelschaltung IV, einer zweiten Stromspiegelschaltung V und einer dritten Stromspiegelschaltung VI. Die Klemmen der Schaltungen I bis IV sind auf die in den Fi g. 1, 2 und 4 angegebene Weise bezeichnet. Die Ausgangsklemme G der Stromspiegelschaltung IV ist mit der Eingangsklemme μ der Stromquellenschaltung I und die Eingangsklemme G' ist mit der Ausgangsklemme A' der Stromquellenschaltung I der Ausgangsklemme H der Quadrierschaltung III und der Klemme O der Stromspiegelschaltung VI verbunden. Die Stromspiegelschaltung V enthält zwischen der Ausgangsklemme N und der gemeinsamen Klemme B der Stromquellenschaltung I mindestens die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors, dessen Basis-Emitter-Übergang von dem Basis-Emitter-Obergang des Transistors Ti der ersten Stromquellenschaltung überbrückt ist, wodurch an der Ausgangsklemme /Vein Strom erscheint, der dem Eingangsstrom /_c der ersten Stromquellenschaltung

proportional ist und gleich ■=!? gesetzt wird. Die

Ausgangsklemme N ist mit der Klemme K' der Quadrierschaltung verbunden, während die Klemme K mit der Eingangsklemme A der Stromquellenschaltung I

verbunden ist. Die Stromspiegelschaltung VI besitzt zwei Klemmen P und P', die mit der Eingangsklemme / der Quadrierschaltung III bzw. der Summenklemme C der Stromquelle II verbunden sind. Die gemeinsame Klemme B der Stromquelle I ist mit der Summenklemme C der Stromquelle II und der Klemme L der Quadrierschaltung III verbunden.

Die Stromspiegelschaltung V liefert einen Strom h, der in einem Verhältnis \:p zu dem Strom /_c steht, während die Stromspiegelschaltung VI auf bekannte Weise zwei Ströme Λ und /2 in einem Verhältnis 1: r liefert. Die Ströme /„ U, /5 und /2, gleich wie die Ströme /ι und /j, entsprechen den bekannten Strömen in den

Fig. 1 bis 4. Aus Substitution von U

= , /21m

Ausdruck (13) folgt für den Ausgangsstrom I₃ der Quadrierschaltung:

ρ Ii

Wird darin der Ausdruck (8) für den Strom I₂ substituiert, so kann für den temperaturabhängigen Strom /if7,)angenommen werden:

,2

'20

folgt daraus:
/j(7) =

Wenn die Stromspiegelschaltung IV zwei gleiche Ströme liefert, kann für άϊη Gesamtstrom /. der zwischen den Klemmen F und F' fließt, angenommen werden, daß:

(17)

Soll dieser Strom temperaturunabhängig sein, so muß gelten (mit Hilfe der Ausdrücke (6), (8) und (16)):

R₁

/ I

* 10 ~

kT₀

Substitution von (19) in (18) ergibt das System:

V₃₀

(18) (19)

(20)

i k T₀ .

Für den Strom / gilt dann:
ι + /o.i

(22)

Durch Einstellung der Widerstände /?, und R₂ und durch geeignet gewählte Werte von ρ und r können die Ausdrücke (20), (21) und (22) erfüllt werden. Da verschiedene Abwandlungen des Grundprinzips der Fig.5 möglich sind, kann die Auflösung der Gleichungen (20), (21) und (22) am deutlichsten an Hand einer detaillierten Darstellung einer Ausführungsform der Schaltung nach F i g. 5 erläutert werden.

F i g. G Zeigt eine Aüsiührüfigsiürrfi einer Schaltung 2" nach der Erfindung. Die verschiedenen Teilschaltungen sind entsprechend Fig.5 bezeichnet. Die Schaltung enthält außerdem die Teilschaltungen VII bis IX. Die Eingangsklemme Fist mit einer Stromspiegelschaltung IV verbunden, die eine Eingangsklemme G' und eine Ausgangsklemme G besitzt. Die Schaltung besteht aus vier Transistoren Tu, T15, 7ιβ und T17, von denen die Transistoren T15 und 7i6 als Dioden geschaltet sind. Da die Basis-Emitter-Übergänge von Tu und T15 parallel geschaltet sind, liefert die Schaltung zwei gleiche Ströme zwischen den Klemmen Fund G'einerseits und F und G andererseits. Wenn der die Klemme F durchfließende Strom gleich / ist, fließen durch die

Klemmen G'und G Ströme gleich ^ /. Die Schaltung IV

gleicht die Basisströme k aus, wie aus der Figur ersichtlich ist. Die Klemme G' ist über die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors T20 und über die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors 7i₉, der einen Teil des aus den Transistoren Tm und 7|9 bestehenden Darlingtonpaars bildet, mit der Ausgangsklemme A 'der ersten Stromquelle Γ, derSumm'nklemme C der zweiten Stromquelle ΙΓ und der Klemme H der Quadrierschaltung III' verbunden. Die Klemme G ist über eine Trennschaltung VIII und über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Γ21, der einen Teil einer Anlaßschaltung IX bildet, mit der Eingangsklemme A der ersten Stromquelle Γ verbunden. Zwischen der Eingangsklemme A und der gemeinsamen Klemme öder ersten Stromquellenschaltung Γ befindet sich die Reihenschaltung der Kollektor-Emitter-Übergänge der Transistoren 726 und 728 und des Widerstandes Ä|. Zwischen der Ausgangsklemme A' und der gemeinsamen Klemme B befindet sich die Reihenschaltung der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 7₂₇, der Kollektor-Emitter-Strecke des als Diode geschalteten Transistors 729 und der parallelgeschalteten Kollektor-Emitter-Strecke der Transistoren 730 und 731. Der Widerstand Ry Oberbrückt die parallelgeschalteten Basis-Emitter-Übergänge der

bo Transistoren T₃₀ und 7₃₎. Die Transistoren 730 und 7₃₎ bilden zusammen mit dem Transistor 732 die Stromspiegelschaltung V. Der Basis-Emitter-Übergang des Transistors 7₃₂ ist zu dem Basis-Emitter-Übergang des Transistors 731 parallel geschaltet Der Kollektor des

t>5 Transistors Tn ist mit der Ausgangsklemme N der Stromspiegelschaltung V verbunden, welche Klemme N mit der Klemme K' der Quadrierschaltung HF verbunden ist, die der Schaltung nach F i g. 4 entspricht

Die Klemme K der Quadrierschaltunß III' ist mit dem Emitter des Transistors T₂J verbunden. Die Eingangsk'emrne / der Quadrierschaltung III' ist mit der Ausgangsklemme P der Stromspiegelschaltung VI verbunden. Die Stromspiegelschaltung VI ist mit der zu der zweiten Stromquelle II' gehörigen Stromspiegelschaltung zusammengebaut und basiert auf dem gleichen Prinzip wie die Stromspiegelschaltung IV. Die Stromspiegelschaltung VI liefert vier identische Ströme, die je gleich einem Viertel des Stromes I₂ sind, der durch ι ο die Summenklemme C der Stromquellenschaltung ΙΓ fließt. Die Anlaßschaltung IX besteht aus einer Stromspiegelschaltung, die aus den parallelgeschalteten Basis-Emitter-Übergängen der Transistoren T₂₂, Γ24 und T₂s besteht. Die Kollektor-Emitter-Strecke des Transi- 1'. stors 7*22 liefert den Basisstrom, der in der Basis des Transistors T₂₁ fließt. Die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T₂\ ist in den Stromweg aufgenommen, ucf die KiciViiVic Ci üi'iu A imieiuaiiuer verbindet. Die Basis des Transistors T₂₂ ist über den als Diode geschalteten Transistor Γ23 mit dem Emitter des Transistors T₂\ verbunden. Die Emitter der Transistoren Γ22, Γ24 und T₂₅ sind mit dem Kollektor des Transistors T₂\ verbunden. Der Kollektor des Transistors Γ24 ist mit dem gemeinsamen Basiskreis der Transistoren der ersten Stufe der Stromspiegelschaltung Vl und der Kollektor des Transistors Γ25 ist mit der Basis des Transistors Γ44 verbunden. Die Trennschaltung VIII besteht aus den in dem Stromweg zv. 'sehen der Klemme G und der Anlaßschaltung IX angeordneten und in Reihe geschalteten Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren T₄₆ und Γ47, wobei der Basis-Emitter-Übergang des Transistors Γ46 durch den als Diode geschalteten Transistor T₄₅ überbrückt ist. Die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T^ ist durch die in Reihe geschalteten Emitter-Basis-Strecken der Transistoren Γ48 und 749 überbrückt, wobei der Transistor Ta» als Diode geschaltet und der Kollektor des Transistors 4„ 749 mit der Basis des Transistors Ta? verbunden ist. Die I Basis des Transistors 746 ist mit dem Emitter des als 40 Ϊ Diode geschalteten Transistors 7"2o verbunden, der in

Hpn -StrrvrnwpcT 7wicrhpn Hpr K\pmmi* Ci^f \\r\t\ Hai-

Darlingtonschaltung VII aufgenommen ist. Die Kollektor-Emitter-Übergänge der Transistoren T\% und Γ49 sind durch in Sperrichtung betriebene Dioden D\ und D₃ überbrückt, damit Schwingungen vermieden werden. Ebenso ist eine Diode D₂ zwischen dem Kollektor von 7"i7 und der Basis von T₂o angeordnet. Die zweite Stromquellenschaltung II' ist eine Abwandlung der Stromquellenschaltung nach Fig.2, mit der Maßgabe, daß die Stromspiegelschaltung aus zwei Stufen besteht und daß der Stromweg zwischen der Summenklemme C und dem Widerstand R₂ doppelt ausgeführt ist Die Transistoren 7« und Ta₃ sind n-fach ausgeführt, d. h., daß jeder der Transistoren 7« und 7« aus η identischen Transistoren besteht, deren Emitter-, Kollektor- und Basis-Elektroden miteinander verbunden sind. Auch können die Transistoren 7« und 743 aus einfachen I₂ (T) = /

Transistoren mit n-fachen wirksamen Emitteroberflächen bestehen. bo

Der gewünschte Strom I, der die Klemme F _

durchfließt, wird von der Stromspiegelschaltung IV in ³ (/) = /.

zwei gleiche Ströme , / unterteilt, die die Klemmen G

I h- "¹^

und G'durchfließen. Der Strom 3/, der zwischen den "

Klemmen G'und Λ'fließt, wird in die Ströme /1,7₂ und I₃ unterteilt welche Ströme der Klemme A' der Stromquelle I', der Klemme Cder Stromquelle ΙΓ bzw. der Klemme H der Quadrierschaltung III' zugeführt werden. Als erste Gleichung gilt also:

(23)

Der Strom j L der zwischen den Klemmen G und A

fließt, wird gleichmäßig über die Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren T₃₀, T₃, und T₃₂ der Stromspiegelschaltung V verteilt. Durch die Eingangsklemme K der Quadrierschaltung III fließt also der

Strom ^ /. Durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Γ30 fließt ebenfalls ein Strom ₂ I- Durch den

Widerstand R\ fließt der Strom /|. Da der Widerstand R\ den Basis-Emitter-Übergang des Transistors Γ30 überbrückt, gut für /|:

(24)

Für V_be gelten Ausdrücke (4) und (5) mit /_r=; /. Der

Strom /2 wird von der Stromspiegelschaltung IV in vier gleiche Teile unterteilt, so daß durch die Eingangsklemme /der Vervielfacherschaltung III' ein Strom ^/2 fließt. Analog der Ableitung des Ausdruckes (13) folgt für /3:

167

(25)

Da die Transistoren 7(2 und Γ43 der Stromquelle II' n-fach ausgeführt sind, fließt durch die Kollektor-Emitter-Strecke jedes der Transistoren 7₄2und 743 ein Strom

I₂. Durch den Widerstand R₂ fließt dann ein Strom ^ I₂. Analog der Ableitung des Ausdruckes (7) folgt für I₂:

•^l - - qR₂ '"'" ⁱ²">

4) wobei in diesem Ausführungsbeispiel /7 = 3 ist.

Analog den Ausdrücken (6), (8) und (16) kann die Temperaturabhängigkeit von I₁, I₂ und /3 durch die nachstehenden Gleichungen dargestellt werden:

/j/ k T \ \ T

1 l' I - Mn - 1 „ ■ - Mo + i/ ; p- -T-

\ T₀ J J

r—- In η

/30 =

6(Z₂₀)³ !6/

Für Temperaturausgleich muß gelten, daß

Der Ausdruck (32) kann wieder geschrieben werden als:

J * /τ/ τ/ \ fifil

Das Kombinieren der Ausdrücke (37) und (38) ergibt als Bedingung für einen Ausgleich zweiter Ordnung:

Ii + I₂ + h = ha + /20 + /30

10

oder aber:

6 16

2 q J

kTo

(39)

JtT₀

-π²" - Ίο + '/-^- = '20 + 2/30 (30)

Substitution von (31) in (30) ergibt das System:

K₉₀

— Z₁₀ = /20

\ kT₀

Die Summe der Ströme /1 + /2 + /3 wird unter dieser Bedingung (mit dem Ausdruck (23)):

Ύ¹ =

R₁ ⁺ 2 '' <? R₁

Aus dem Ausdruck (33) läßt sich der Wert des Widerstandes Ri als Funktion des gewünschten Stromes /bestimmen:

1 AT₀

An Transistoren, wie sie in der beschriebenen Schaltung verwendet werden, durchgeführte Messungen haben nachgewiesen, daß V^₀= 1,180 und 77 = 3,125. Für T₀ wird 293° K gewählt. Das Einsetzen der verschiedenen Werte in den Ausdruck (34) ergibt:

R₁ =

2-438 /

Um die Temperaturabhängigkeit erster Ordnung auszugleichen, muß der Ausdruck (32) erfüllt werden. Der Ausdruck (31) (Ausgleich zweiter Ordnung) kann wieder geschrieben werden als:

kT₀

16 /

Wenn der Wert R\ (Ausdruck (34)) eingestellt worden ist, darf der Ausdruck (33) im Ausdruck (36) substituiert werden:

qR,

Uk)²

² (ν

RTV"

^kTn

Substitution der für die Transistoren dieser Schaltung geltenden Werte von Vg₀, η und V^₀ und Substitution

Jt T von—^ergibt den Wert 038 für das rechte Glied der

Gleichung (39). Dies ist praktisch gleich 6/16, so daß die Schaltung nach Fig.6 die Temperzturfehler zweiter Ordnung ausgleicht

Die Abregelung geht nun sehr einfach vor sich. Ausgehend von dem gewünschten Strom / wird mit Hilfe des Ausdrucks (35) der Wert des Widerstandes Ri

(3-) bestimmt und dieser wird auf diese Weise eingestellt Da

der Widerstand R₂ noch nicht den gewünschten Wert erreicht hat, wird der die Klemme F durchfließende

/3 j j Strom nicht gleich dem gewünschten Strom sein. Der

Widerstand R₂ soll nun derart eingestellt werden, daß der genannte Strom den gewünschten Wert aufweist Zu diesem Zeitpunkt sind die Bedingung (31) sowie die Bedingung (32) erfüllt Während der Änderung von R₂ wird ja ein Punkt erreicht, an dem die Bedingung (30)

(33) erfüllt ist An diesem Punkt ist auch die Bedingung (31) erfüllt und ist die Summe der Ströme gleich dem gewünschten Wert /.

Die Teilschaltungen VII und VIII dienen dazu, den Strom / weniger abhängig von der Spannung zu machen, die zwischen den Klemmen Fund F'angelegt wird. Zwischen den Klemmen F' und R ist eine Spannung gleich der Summe der Basis-Emitter-Spannung der Transistoren T₃₀, T_n, T₂₇, T₂₆, T₂₃ und T₂₂

(34) vorhanden, welche Summenspannung annähernd gleich 6 Vbeo ist und bei einem konstanten Strom /konstant ist Zwischen den Klemmen F' und A' ist eine Spannung gleich der Summe der Basis-Emitter-Spannungen der obengenannten Transistoren abzüglich der Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren 71« und Tts vorhanden. Zwischen den Klemmen F und R' ist eine Spannung gleich der Summe der Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren Tu, Tn und 7» vorhanden. Zwischen den Klemmen Fund G ist eine Spannung gleich der Summe der Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren 71s, Tn, T₂Q und 7« abzüglich der Basis-Emitter-Spannung der Transistoren T₄₈ und 749 vorhanden. Bei einem konstanten Strom / werden die Änderungen der Spannung zwischen den Klemmen F und F' auf die Spannung zwischen den Klemmen R' und /4'und die Spannung

p₆) zwischen den Klemmen G und R übertragen. Dadurch,

daß die Schaltungen VH und VIII eine hohe Impedanz für Spannungsänderungen aufweisen, werden die diese Schaltungen durchfließenden Ströme nahezu nicht von den Spannungsänderungen der Speisespannung beeinflußt Die Schaltung VII besteht ja aus einer bekannten Darlingtonschaltung, während die Schaltung VIII aus der Reihenschaltung der Transistoren 7i& und T₄₇

(37) besteht Der Basisstrom für den Transistor Γ47 wird vom

Transistor 7*9 geliefert. Die impedanzsteigernden Eigenschaften einer derartigen Schaltung sind bekannt.

(35)

Der als Diode geschaltete Transistor 7« legt eine Spannung Vkzwischen der Basis des Transistors 7« und dem Emitter des Transistors 7« an. Da die Schaltung VIII zwei stabile Zustände aufweist, und zwar den leitenden und den nichtleitenden Zustand, überbrückt der als Diode geschaltete Transistor 745 den Basis-Emitter-Übergang des Transistors T^_n um den Transistor 7« zwangsweise in den leitenden Zustand zu steuern. Der als Diode geschaltete Transistor 7m überbrückt den Basis-Kollektqr-Übergang des Transistors T₁₆. Die Basis-Kollektor-Spannung des Transistors 7}₆ ist ja gleich der Summe der Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren 7« und 71» abzüglich der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 7«. Die Anlaßschaltung IX liefert in den Kollektorkreisen der Transistoren 724 und Γ25 einen Strom, der gleich dem Basisstrom des Transistors Tu ist Die zweite Stromquellenschaltung II' weist als stabilen Zustand ebenfalls den nichtleitenden Zustand auf. Dadurch, daß die Anlaßschaltung IX zu dem Zeitpunkt, zu dem die Speisespannung angelegt wird, wodurch der Transistor 7*21 leitend wird und einen Basisstrom zieht, die Kollektorströme der Transistoren Γ24 und Γ25 der Stromquellenschaltung IF aufprägt, gelangt diese Schaltung in den leitenden Zustand.

Die Schaltung nach F i g. 6 ist für die verschiedenen Basisströme ausgeglichen, was aus der Betrachtung der Basisströme in Fig.6 hervorgeht. Der Basisstrom des Transistors 7Ή wird von dem Basisstrom des Transistors Γι 7 ausgeglichen. Der Basisstrom des Transistors T₄₆ wird von einem der Kollektorströme der Transistoren 7"₂4 und Γ25 ausgeglichen. Der Basisstrom des Transistors T\k<ier einen Teil einer Darlingtonschaltung bildet, ist

vernachlässigbar klein. Der Strom j ^l ^w'^rt· ^an der Klemme A' in zwei Ströme /1 und /2 geteilt, die in derselben Größenordnung liegen. Insbesondere ist der durch die Klemme A 'fließende Strom annähernd gleich der Hälfte des die Klemme A durchfließenden Stromes, Der Basisstrom des Transistors Ty wird also von den Basisströmen der Transistoren Tu und 7a ausgeglichen.

Die Summe der Ströme, die durch die Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren 730, 73) und 7In fließen, ist gleich dem den Transistor 7Ji durchfließenden Strom, Die Summe der Basisströme der Transistoren 730, 731 und 732 wird demzufolge von einem der Kollektorströme der Transistoren 7Ϊ4 und 7Js ausgeglichen. Die Summe der Basisströme, die zwischen dem zwischen den Klemmen F, G, R', A' und F' gebildeten Stromweg und zwischen den Klemmen F₁G, R, A und F' gebildeten Stromweg fließen, ist also gleich Null.

Die Extrapolation von V_g0 im Ausdruck (3) gilt für Siliziumtransistoren. Für Germaniumtransistoren kann ein dem Ausdruck (6) in allgemeiner Form ähnlicher Ausdruck abgeleitet werden, wodurch sich die Erfindung nicht auf Siliziumtransistoren beschränkt
Die Schaltung nach F i g. 6 besteht, mit Ausnahme der Regelwiderstände R\ und R.% aus Halbleiterbauelementen, wodurch die Schaltung besonders gut als monolithisch integrierte Schaltung ausgeführt werden kann.

Die möglichen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschränken sich nicht auf das Beispiel nach Fig.6.

Zahlreiche Abänderungen in bezug auf die Anordnung und die Ausbildung der Stromspiegelschaltungen und der impedanzsteigernden Elemente sind möglich. Für die beschriebenen Stromquellenschaltungen und die Quadrierschaltung können andere Typen gewählt werden. So kann z.B. der Transistor 71 der ersten Stromquellenschaltung als Diode geschaltet werden. Auch können die Stromspiegelschaltungen V oder VI fortgelassen werden, wenn eine Quadrierschaltung von einem anderen Typ verwendet wird. Ebenso können alle Transistoren durch Transistoren durch einen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp ersetzt werden, wobei die Richtung der Ströme invertiert wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Strcmstabilisierungsschaltung, enthaltend eine Dreipolschältung mit zwischen einer EingangskJemme und einer gemeinsamen Klemme verlaufenden zwei parallelen Zweigen, deren einer mindestens die Kollektor-Emitter-Strecke eines ersten Transistors und der andere mindestens den Basis-Emitter-Obergang eines zweiten Transistors in Reihe mit einem Widerstand enthält, wobei der Kollektor des zweiten Transistors mit einer Ausgangsklemme verbunden ist und die Basis des ersten Transistors mit einem von dem Eingangssignal abgeleiteten Signal derart gesteuert wird, daß bei einem konstanten Strom an der Eingangsklemme ein Strom mit einem negativen Temperaturkoeffizienten an der Ausgangsklemme erscheint, gekennzeichnet durch die Kombination der Dreipolschaltung (I) ijit den nachstehenden Schaltungsteilen;

1. eine Zweipolschaltung (II) mit zwei parallelen Zweigen, die mittels einer Stromteilerschaltung (T₃, 7}) derart miteinander gekoppelt sind, daß die Ströme, die die beiden Zweige durchfließen, in einem festen Verhältnis zueinander stehen, während mindestens ein in den Zweig aufgenommener Halbleiterübergang (Ts) durch eine in den anderen Zweig aufgenommene Reihenschaltung mindestens eines Halbleiterübergangs (T₆) und eines Widerstandes (R2) überbrückt wird, wobei mindestens einer der beiden genannten Halbleiterübergänge der Basfe-Emitter-Übergang eines Transistors ist, in dsr Weise, daß an der einen Klemme (C) dieser Zweipolschaltung (II) ein Strom mit einem positiven Temperaturkoeffizienten fließt, wobei diese Klemme mit der Ausgangsklemme (A) der Dreipolschaltung (I) verbunden ist,

2. eine Stromspiegelschaltung (IV), deren Eingangsklemme (C) mit der Ausgangsklemme (A') der genannten Dreipolschaltung (I) und auch mit der einen Klemme (C) der genannten Zweipolschaltung (II) verbunden ist, deren andere Klemme (C) mit der gemeinsamen Klemme (B) der genannten Dreipolschaltung (I) verbunden ist, während die Ausgangsklemme (G) der genannten Stromspiegelschaltung mit der Eingangsklemme (A) der Dreipolschaltung (I) verbunden ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung weiter eine Quadrierschaltung (III) enthält, der mindestens ein Strom zugeführt wird, der dem Strom proportional ist, der zwischen den Klemmen (C, C) der genannten Zweipolschaltung fließt, welche Quadrierschaltung einfn Ausgangskreis aufweist, in dem ein Strom fließt, der dem Quadrat des die genannte Zweipolschaltung durchfließenden Stromes proportional ist, wobei dieser Ausgangskreis die Eingangsklemme (C) der ersten Stromspiegelschaltung mit der gemeinsamen Klemme (B) der genannten Dreipolschaltung verbindet.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangskreis der genannten Quadrierschaltung aus der Kollektor-Emitter-Strekke eines ersten Transistors (Ti₀) besteht, dessen Kollektor mit der Eingangsklemme (C) der genannten ersten Stromspiegelschaltung (IV) und

dessen Emitter mit der gemeinsamen Klemme (B) der genannten Dreipoischaltung verbunden ist, während die Basis mit dem Emitter eines zweiten Transistors (T₁)) und mit dem Kollektor eines dritten Transistors (T32) verbunden ist, dessen Basis-Emitter-Obergang den Basis-Emitter-Obergang des ersten Transistors (7Ί) der genannten Dreipoischaltung überbrückt und dessen Kollektor mit dem Eingang (A) der genannten Dreipolschaltung und dessen Basis mit der Basis und dem Kollektor eines vierten Transistors (Γ12) verbunden ist, dessen Emitter mit der Basis und dem Kollektor eines fünften Transistors (7h) verbunden ist, dessen Emitter mit dem Emitter des ersten Transistors (7I₀) verbunden ist, während der Kollektor des vierten Transistors (3I₂) mit dem Kollektor eines sechsten Transistors (737) verbunden ist, dessen Basis-Emitter-Übergang den Basis-Emitter-Übergang eines Transistors (Tu) überbrückt, der von der genannten Stromteilerschaltung einen Teil bildet, wobei der letztere Transistor (7V») wenigstens einen proportionalen Teil des Stromes führt, der zwischen den Klemmen (Q C) der genannten Zweipolschaltung fließt

4. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Eingangskreis und dem Ausgangskreis der Stromspiegelschaltung (IV) gleichstromdurchlassende Mittel (VII, VIII) mit hohen Differentialimpedanzen angeordnet sind.

5. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung als monolithisch integrierte Schaltung ausgeführt ist.