DE2517174C3 - Stromübersetzerschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromübersetzerschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Stromübersetzerschaltung ist bekannt (DT-OS 22 49 645).

Stromübersetzerschaltungen werden hauptsächlich in monolithisch integrierten Schaltungen verwendet und dienen dort beispielsweise dem Ersatz hochohmiger Widerstände. Siromübersetzerschaltungen sind jedoch nicht nur in Form von integrierten Schaltungen, sondern auch mit diskreten Elementen realisierbar; allerdings müssen dann die verwendeten Transistoren möglichst gleiche Eigenschaften aufweisen, was unter Umständen ein Aussuchen erforderlich macht.

Stromübersetzerschaltungen, die in der Literatur teilweise auch als »Konstantstromquelien« oder als »steuerbare Stromgeneratoren« bezeichnet werden, bestehen mindestens aus einem ersten und einem zweiten Transistor, die mit ihren Basis-Emitter-Strekken gleichsinnig einander parallelgeschaltet sind und bei deren erstem von dessen Kollektor ein den Basisstrom liefernder oder steuernder Parallelzweig zu dessen Basis führt. Bei der einfachsten bekannten Stromübersetzerschaltung besteht dieser Parallelzweig aus einer Kurzschlußverbindung zwischen Kollektor und Basis des ersten Transistors, vgl. die Zeitschrift »Elektronik«, 1973, Seite 248, Bild 6. Die in den Kollektorkreisen der beiden Transistoren fließenden Ströme stehen in fester Beziehung zueinander, d. h. das Verhältnis dieser beiden Ströme kann als Stromübersetzungsfaktor bezeichnet

weiden.

Derjenige Sonderfall solche! Stromübersetzerschaltungen, bei denen das Stromverhältnis gleich eins ist, wird in der Literatur auch als Stromspiegelschaltung bezeichnet, da der im Kollektorkreis des ersten Transistors vorgegebene Strom in gleicher Größe im anderen Kollektorkreis erzwungen wird, vgl. die Zeitschrift »Funk-Technik«, 1973, Seiten 313 und 314. Die Gleichheit der beiden Ströme wird bei der ίο Stromspiegelschaltung dadurch erreicht, daß die iiasis-Emitter-pn-Übergangsflächen der beiden Transistoren einander gleich sind. Von eins abweichende Stromubersetzungsfaktoren lassen sich nach der erwähnten Literaturstelle aus der Zeitschrift »Elektronik« dadurch realisieren, daß die pn-Übergangsflächen abweichend voneinander dimensioniert werden.

Wie den beiden genannten Literaturstellen zu entnehmen ist, ist der Stromübersetzungsfaktor stark vom statischen Stromverstärkungsfaktor der verwendeten Transistoren abhängig. Diese Abhängigkeit fällt insbesondere dann ins Gewicht, wenn in integrierten Schaltungen solche Stromübersetzerschdltungen mittels pnp-Transistoren realisiert werden sollen, da diese dann aufgrund des üblichen Planarverfahrens ais sogenannte Lateraltransistoren ausgebildet werden müssen und als solche nur mittels zusätzlicher technologischer Maßnahmen auf Stroniverstärkungsfaktoren gebracht v/erden können, die zum Erreichen eines gewünschten Soll-Stromübersetzungsfaktors ausreichen. So zeigt beispielsweise das Bild 3 der Seite 313 der genannten Zeitschrift »Funk-Technik«, daß bei der obenerwähnten einfachsten Stromspiegelschaltung erst mit einem Stromverstärkungsfaktor > 200 der angestrebte SoIl-Stromübersetzurigsfaktor eins erreicht wird.
Wie die letztgenannte Literaturstelle, insbesondere Bild 5, zeigt, kann diese starke Stromverstärkungsfaktorabhängigkeit durch Erweiterung der Schaltung um einen dritten Transistor dahingehend verringert werden, daß im Falle der Stromspiegelschaltung schon bei einem Stromverstärkungsfaktor >20 der Soll-Stromübersetzungsfaktor eins erreicht wird. Dieser dritte Transistor ist mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke in die Leitung, die zum Kollektor des als Diode geschalteten Transistors führt, eingefügt und liegt mit seiner Basis am Kollektor des anderen Transistors.

Die aus der eingangs erwähnten DT-OS 22 49 645, Fig. 1, und auch durch die Zeitschrift »Electronics«, 17.8. 1970, Seiten 92 bis 95, insbesondere linke untere Figur auf Seite 95, bekannte Stromübersetzerschaltung hat ebenfalls einen dritten Transistor; dieser ist mit seiner Basis-Emitter-Strecke in die direkte Verbindung von Basis und Kollektor des ersten Transistors eingefügt. Der Kollektor des dritten Transistors muß dabei an eine konstante Betriebsspannung angeschlossen werden.
Bei diesen das aufgezeigte Problem mit drei Transistoren lösenden Schaltungen wird der Eingangsstromkreis lediglich durch den geringen Basisstrom des zusätzlichen Transistors belastet. Allerdings ist ihr Eingangswiderstand verhältnismäßig hoch, wodurch bei Einbeziehung der Stromübersetzerschaltung in Regelkreise leicht Schwingneigungen auftreten können.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Stromübersetzerschaltung anzugeben, bei der sowohl das eingangs geschilderte Problem der Abhängigkeit des Stromübersetzungsfaktors vom Stromverstärkungsfaktor der Transistoren ebenfalls gelöst ist, als auch der Eingangswiderstand gegenüber den bekannten Schaltungen mit drei Transistoren erniedrigt ist.

f.

Diese Aufgabe wird bei der Stromübersetzerschaltung der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Durch die Erfindung wird also die Summe der Basisströme des ersten und zweiten Transistors mittels einer in die Kollektor-Basis-Parallelzweige dieser Transistoren eingeführten Stromübersetzerschaltung auf den Eingangs- und Ausgangsstromzweig mit gleichem Stromverhältnis aufgeteilt.

Der Eingangswiderstand der erfindungsgemäßen Stromübersetzerschal'.ung ist niedriger als der der bekannten Schaltungen mit drei Transistoren, jedoch höher als der der bekannten Schaltung nach F i g. 1. Der Eingangswiderstand setzt sich aus der Reihenschaltung des Eingangswiderstandes des dritten Transistors und der Parallelschaltung der Eingangswiderstände der Basis-Emitter-Strecken des ersten und zweiten Transistors zusammen. Der Eingangswiderstand des dritten Transistors ist dadurch ß-mal (R=Stromverstärkungsfaktor) niedriger als derjenige des dritten Transistors der bekannten Schaltungen, daß seine Basis mit seinem Kollektor direkt verbunden ist.

Die Erfindung und vorteilhafte Ausgestaltungen, die in den Unteransprüchen gekennzeichnet sind, werden nun anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die bekannte Stromübersetzerschaltung mit npn-Transistoren;

Fig.2 zeigt die bekannte Stromübersetzerschaltung mit einem Doppelkollektor-pnp-Transistor;

F i g. 3 zeigt das Schaltbild der Stromübersetzerschaltung nach der Erfindung mit npn-Transistoren;

F i g. 4 zeigt ein Schaltbild der Stromübersetzerschaltung nach der Erfindung mit Doppelkollektor-pnp-Transistorenjund

F i g. 5 zeigt zwei die durch die Erfindung erreichbare Verbesserung gegenüber der bekannten Stromübersetzerschaltung angebende Kurven.

Die Fig. 1 zeigt die eingangs bereits erwähnte Stromübersetzerschaltung einfachster Art mit den npn-Transistoren Ti, T2, die mit ihren Basis-Emitter-Strecken gleichsinnig einander parallelgeschaltet sind und bei denen die Basis des Transistors Tl mit seinem Kollektor leitend verbunden ist, welche Verbindung den eingangs erwähnten Parallelzweig darstellt. Die erwähnte Abhängigkeit des Stromübersetzungsfaktors vom Stromverstärkungsfaktor der beiden Transistoren ist darauf zurückzuführen, daß der Eingangsstrom /1 durch die Schaltung in den Kollektorstrom des Transistors Tl und die Summe Ib der Basiss'.röme der beiden Transistoren Tl, T2 aufgeteilt wird. Es ist klar, daß diese Aufteilung nur dann vernachlässigbar ist, wenn der statische Stromverstärkungsfaktor der beiden Transistoren verhältnismäßig groß gegen eins ist. Der Stroniübersetzungsfaktor 12/Ii ist somit vom statischen Stromverstärkungsfaktor B der beiden Transistoren abhängig, wie dies durch die in F i g. 5 gezeigte Kurve 1 veranschaulicht ist (mit /2 ist der übersetzte, also der Ausgangsstrom der Stromübersetzerschaltung bezeichnet).

In Fig.2 ist die der Schaltung nach Fig. 1 entsprechende Schaltung für pnp-Transistoren gezeigt, wobei die beiden Transistoren Tl, T2 nach Fig. 1 zu einem Doppelkollektortransistor T12 zusammengefaßt sind, wie dies üblicherweise bei Realisierung solcher Schaltungen mittels der bekannten Planartechnik in Form lateraler Transistoren von integrierten Schaltungen der Fall ist. Die bei Erläuterung der F i g. 1 angestellten Überlegungen hinsichtlich der Abhängigkeit des Stromübersetzungsfaktors vom Stromverstärkungsfaktor der Transistoren gelten bei der Schaltung nach F i g. 2 in gleicher Weise.

Bei der in Fig.3 für npn-Transistoren gezeigten Stromübersetzerschaltung nach der Erfindung ist nun die erwähnte Stromverstärkungsfaktorabhängigkeit des Stromübersetzungsfaktors dadurch erheblich verringert, daß der in F i g. 1 lediglich aus einer leitenden Verbindung bestehende Parallelzweig zur Basis-Kollektor-Strecke des Transistors Tl aus einer zweiten Stromübersetzerschaltung besteht. Der Parallelzweig enthält somit den aus der genannten DT-OS 22 49 645 bekannten dritten Transistor T3 und die Basis-Emitter-Strecke des vierten Transistors T4, wobei die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T3 der Kollektor-Basis-Strecke des Transistors Tl parallelgeschaltet ist, die Basis-Emitter-Strecken der Transistoren T3, T4 einander gleichsinnig parallelgeschaltet sind und der Kollektor des Transistors T3 mit seiner Basis direkt verbunden ist. Der Kollektor des Transistors T4 ist schließlich mit dem Kollektor des Transistors T2 verbunden.

Besonders optimale Eigenschaften im Sinne der Lösung der Aufgabenstellung ergeben sich, wenn der Stromübersetzungsfaktor /4//3 im wesentlichen gleich dem Sollwert des Stromübersetzungsfaktors /2//1 der von den Transistoren Tl, T2 gebildeten Stromübersetzerschaltung ist. Sollte die geschilderte Maßnahme in besonders gelagerten Fällen noch nicht ausreichend sein, so kann ohne weiteres die in Fig.3 gezeigte leitende Verbindung zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors T3 wiederum durch eine Stromübersetzerschaltung nach Fig. 1 ersetzt werden.

In F i g. 4 ist die der F i g. 2 entsprechende Stromübersetzerschaltung der Erfindung mit pnp-Transistoren gezeigt, wobei die Transistoren 7"3, T4 nach F i g. 3 zu einem Doppelkollektortransistor T34 zusammengefaßt sind. Die Eigenschaften dieser Schaltung entsprechen denen der F i g. 3, insbesondere was die optimalen Eigenschaften bei ungefährer Gleichheit der Stromübersetzungsfaktoren /2//1 und /4//3 betrifft. Die obenerwähnte Weiterbildung dieser Schaltung durch eine anstatt der leitenden Verbindung zwischen Kollektor und Basis des Transistors T34 vorzusehende weitere Stromübersetzerschaltung kann bei den erwähnten Lateraltransistoren in integrierten Schaltungen von besonderem Interesse sein.

In F i g. 5 ist, wie bereits oben kurz erwähnt, gezeigt, wie durch die Erfindung die Stromverstärkungsfaktorabhängigkeit des Stromübersetzungsfaktors verbessert wird. Die Fig. 5 zeigt dies am Beispiel einer Stromspiegelschaltung, für die der Stromübersetzungsfaktor /2/71 gleich eins ist. Vergleichbare Kurven ergeben sich jedoch auch bei anderen Werten des Stromübersetzungsfaktors. In F i g. 5 entspricht die Kurve 1 Schaltungen der in F i g. 1 und 2 gezeigten Art, während Kurve 2 Schaltungen der in F i g. 3 und 4 gezeigten Art entspricht. Während somit bei einer bekannten Stromspiegelschaltung ein Fehler des Soll-Stromübersetzungsfaktors von 2% erst mit einem Stromverstärkungsfaktor B von etwa 100 erreicht werden kann, läßt sich diese Genauigkeit mittels der Erfindung schon bei einem Stromverstärkungsfaktor B von etwa 10 erreichen. Dieser Vorteil ergibt sich zusammen mit dem weiteren Vorteil, daß sich der Eingangswiderstand der erfindungsgemäßen Stromübersetzerschaltung nur unwesentlich gegenüber dem der bekannten Schaltungen erhöht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Stromübersetzerschaltung mit einem ersten Transistor, dessen Basis-Emitter-Strecke der Basis-Emitter-Strecke eines zweiten Transistors gleicher Leitungsart gleichsinnig parallelgeschaltet ist, wobei in den Kollektorkreisen des ersten und des zweiten Transistors die zu übersetzenden Ströme fließen, und mit einem dritten Transistor gleicher Leitungsart, dessen Basis mit dem Kollektor des ersten Transistors und dessen Emitter mit den Basen des ersten und zweiten Transistors verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Basis-Emitter-Strecke des dritten Transistors (TZ) die Basis-Emitter-Strecke eines vierten Transistors (TA), der von derselben Leitungsart wie der erste, zweite und dritte Transistor (Ti, Tl, 73) ist, gleichsinnig parallelgeschaltet ist und daß der Kollektor des dritten Transistors (T3) mit dessen Basis und der Kollektor des vierten Transistors (TA) mit dem Kollektor des zweiten Transistors (T2) verbunden ist.

2. Stromübersetzerschaltung nach Anspruch 1, mit pnp-Transistoren und mit zu einem Doppelkollektortransistor vereinigten ersten und zweiten Transistor, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte und vierte Transistor ebenfalls zu einem Doppelkollektortransistors (T34) zusammengefaßt sind.

3. Stromübersetzerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vom dritten und vierten Transistor (T3, TA-: Γ34) bestimmte Stromübersetzungsfaktor (14/13) dem vom ersten und zweiten Transistor (Ti, T2\ Γ12) bestimmten Stromübersetzungsfaktor (12/Ii) im wesentlichen entspricht.