DE4335683A1 - Konstantstromquelle - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Konstantstromquelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Für viele Schaltungsanordnungen, insbesondere in der Elek­ tronik, wird eine Konstantstromquelle benötigt. Diese be­ sitzt einen sehr hohen Innenwiderstand, der theoretisch unendlich sein sollte. Eine Realisierung einer solchen Konstantstromquelle ist mit Hilfe von Halbleiterbauelemen­ ten möglich, z. B. als sogenannte Stromspiegel-Schaltung, die z. B. aus Meinke, Gundlach: Taschenbuch der Hochfre­ quenztechnik, 4. Auflage (1986), S. M22-M23, bekannt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsge­ mäße Konstantstromquelle anzugeben, die mit Hilfe von min­ destens einem Feldeffekt-Transistor in integrierter Tech­ nologie herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß in technisch einfacher und kostengünstiger Weise ein vorgeb­ barer Konstantstrom einstellbar ist.

Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß der eingestellte Konstantstrom in weiten Grenzen nahezu unabhängig ist von dem Herstellungsprozeß der Feldeffekt-Transistoren und damit deren elektrischen Eigenschaften.

Ein dritter Vorteil besteht darin, daß der eingestellte Konstantstrom in weiten Grenzen nahezu unabhängig ist von temperaturabhängigen elektrischen Eigenschaften der Feld­ effekt-Transistoren.

Ein vierter Vorteil besteht darin, daß nur ein einziger Typ von Feldeffekttransistor notwendig ist.

Ein fünfter Vorteil besteht darin, daß zusätzlich zu den zwei Feldeffekt-Transistoren lediglich ohmsche Widerstände benötigt werden, welche in kostengünstiger Weise in inte­ grierter Technologie herstellbar sind.

Ein sechster Vorteil besteht darin, daß die nachfolgend beschriebene Schaltungsanordnung in zuverlässiger und ko­ stengünstiger Weise in mit GaAs-Technologie hergestellte integrierte Schaltungen z. B. Hochfrequenzschaltungen, in­ tegrierbar ist.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungs­ beispieles unter Bezugnahme auf eine schematisch darge­ stellte Figur näher erläutert.

Im folgenden wird das Wort Feldeffekt-Transistor durch FET abgekürzt. Diese Abkürzung ist einem Fachmann geläufig.

Das im folgenden erläuterte Beispiel beruht auf der Ver­ wendung zweier n-Kanal-JFETs. Einem Fachmann ist es jedoch geläufig, eine entsprechende Schaltung mit Hilfe von p-Ka­ nal-JFETs aufzubauen, so daß die Erfindung auch diese um­ faßt.

Die Figur zeigt zwei n-Kanal-JFETs A1, A2, die auf einem Halbleitersubstrat in demselben Herstellungsvorgang er­ zeugt sind. Beide JFETs A1, A2 besitzen im wesentlichen dieselbe Abschnürspannung U_p sowie im wesentlichen densel­ ben Sättigungsstrom I_DSS Letzterer ist wesentlich größer gewählt als der einzustellende Konstantstrom I_konst, z. B. I_DSS < 5·I_konst. Bei der Spannungsquelle, z. B. einer 7- Volt-Spannungsquelle, ist der eine Pol (+) mit der (Schal­ tungs-)Masse M verbunden, so daß eine negative Spannungs­ quelle entsteht. Zwischen den Polen -,M ist eine Reihen­ schaltung aus dem Widerstandsnetzwerk R4 bis R6 und einem zweiten JFET A2 angeordnet, wobei der JFET A2 so beschal­ tet ist, daß durch ihn der Sättigungsstrom I_D2 = I_DSS fließt. Dieser Drainstrom I_D2 = I_DSS ist lediglich abhän­ gig von den Eigenschaften des zweiten JFET′s A2, z. B. des­ sen momentaner Temperatur. Um diese Abhängigkeit ausnutzen zu können, ist der zweite JFET A2 als Stromquelle geschal­ tet. Dazu ist dessen Drain D2 an Masse M gelegt, Gate G2 und Source S2 sind miteinander verbunden und an einen An­ schluß des Widerstandsnetzwerkes R4 bis R6 gelegt, dessen anderer Anschluß an dem Minus-Pol (-) der Spannungsquelle Sp liegt. Das ohmsche Widerstandsnetzwerk R4 bis R6 be­ steht aus einer Reihenschaltung der ohmschen Widerstände R4, R5, die durch den ohmschen Widerstand R6 überbrückt sind. Fließt nun durch dieses Widerstandsnetzwerk der Drainstrom I_D2, so entsteht an dem Widerstand R5 eine von diesem und dem Drainstrom I_D2 abhängige Steuerspannung U_GS, über welche der durch den ersten JFET A1 fließende Konstantstrom I_konst einstellbar ist. Dazu ist bei dem er­ sten JFET A1 dessen Gate G1 mit dem Minus-Pol (-) verbun­ den, an dem auch ein Anschluß des Widerstandes R5 liegt. Source S1 liegt an dem anderen Anschluß des Widerstandes R5. Drain D1 ist mit einem Anschluß P1 verbunden, an den eine Schaltungsanordnung, durch welche der Konstantstrom I_konst fließen soll, anschließbar ist. An dem ersten JFET Al entsteht daher am Gate G1 eine bezügliche Source S1 ne­ gative Spannung U_GS, welche JFET A1 optimal steuert.

Durch den zweiten JFET A2 wird also immer der aktuelle Sättigungsstrom I_DSS, der insbesondere von dem Herstel­ lungsvorgang sowie der aktuellen Temperatur abhängt, ge­ messen und insbesondere durch den Widerstand R5 in eine den ersten JFET A1 steuernde Spannung U_GS umgewandelt. Es ist ersichtlich, daß der gewünschte Konstantstrom I_konst durch eine Änderung insbesondere des Widerstandes R5 ein­ stellbar ist.

Für einen exemplarisch gewählten Konstantstrom I_konst gel­ ten für die beschriebene Anordnung folgende Werte:

Betriebsspannung U_B = -7 V;
Abschnürspannung U_p der JFETs A1, A2: U_p = -1,2 V;
Sättigungsstrom I_DSS der JFETs A1, A2: I_DSS = 7,3 mA;
mit den ohmschen Widerständen R4 = 1300 Ω, R5 = 300 Ω, R6 = 700 Ω ergibt sich eine Steuerspannung U_GS = 0,7 V.

Es ist besonders vorteilhaft, daß der Konstantstrom I_konst bei unveränderten Widerstandswerten der Widerstände R4 bis R6 im wesentlichen unverändert bleibt, selbst wenn sich die Abschnürspannung U_p sowie der Sättigungsstrom I_DSS in einem weiten Bereich ändern, z. B. -1,4 V U_p -1 V; 6m A I_DSS 8,5 mA.

Derart große Toleranzbereiche von ungefähr ± 20% können bei der Herstellung der JFETs auftreten und erfordern in vorteilhafter Weise kein nachträgliches Abgleichen der be­ schriebenen Schaltung. Das Widerstandsnetzwerk R4 bis R6 ist daher in Abhängigkeit von dem gewünschten Konstant­ strom I_konst berechenbar. Die Widerstände R4 bis R6 sind daher z. B. in integrierter Form ohne nachträgliche Ab­ gleichsmöglichkeit herstellbar.

Derartig große Toleranzbereiche treten insbesondere bei der GaAs-Technologie auf, insbesondere bei Hoch- und/oder Höchstfrequenzschaltungen, z. B. sogenannten Millimeterwel­ lenschaltungen. Die beschriebene Schaltungsanordnung ist in MESFET-Technologie für GaAs-Technologie herstellbar, so daß vorteilhafterweise eine Integration in monolithisch­ und/oder hybrid-integriert aufgebaut Höchst­ frequenzbauelemente möglich ist. Met der beschriebenen An­ ordnung ist beispielsweise eine Pegelwandler-Schaltung herstellbar, die in der am gleichen Tag eingereichten deutschen Patentanmeldung P . . . . . . . (internes Aktenzei­ chen: UL 93/39b) näher beschrieben ist.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungs­ beispiel beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere anwend­ bar. Beispielsweise können die Widerstände R4, R5 als Po­ tentiometer ausgebildet werden, dessen Mittenabgriff mit Source S1 des ersten JFETs A1 verbunden ist. Auf diese Weise ist eine kontinuierliche Einstellung des Konstant­ stromes I_konst in vorgebbaren Grenzen möglich.

Claims (7)

1. Konstantstromquelle mit einstellbarem Konstantstrom, der mit Hilfe mindestens einem Halbleiterbauelement er­ zeugt wird, dadurch gekennzeichnet,

• - daß eine Spannungsteilerschaltung vorhanden ist, bestehend aus einer Reihenschaltung aus einem als Stromquelle geschaltetem zweiten Feldeffekt-Tran­ sistor (A2), mit den Anschlüssen Source (S2), Drain (D2) sowie Gate (G2), wobei Drain (D2) an einen Pol (M) einer Spannungsquelle (Sp) ange­ schlossen ist, Source (S2) und Gate (G2) verbunden sind, und mindestens einem einstellbarem ohmschen Widerstand (R4 bis R6), dessen ein Anschluß mit Source (S2) und dessen anderer Anschluß mit dem anderen Pol (-) der Spannungsquelle (Sp) verbunden ist,
• - daß ein erster Feldeffekt-Transistor (A1) vorhan­ den ist, dessen Gate (G1) mit dem anderen Pol (-) der Span­ nungsquelle (Sp) verbunden ist, dessen Source (S1) an den Widerstand (R4 bis R6) angeschlossen ist derart, daß zwischen Gate (G1) und Source (S1) ein Widerstand (R5) vorhanden ist, der in Abhängigkeit von dem einzustellenden Kon­ stantstrom (I_konst), der über Drain (D1) fließt, gewählt ist, dessen Drain (D1) an ein Bauelement anschließbar ist, das für den Konstantstrom (I_konst) bestimmt ist,
• - daß bei beiden Sperrschicht-Feldeffekt-Transisto­ ren (A1, A2) sich der Sättigungsstrom (I_DSS) pro­ portional zur Abschnürspannung (U_p) verhält und
• - daß beide Feldeffekt-Transistoren (A1, A2) ein gleiches elektrisches Verhalten besitzen.

2. Konstantstromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der einstellbare Widerstand (R4 bis R6) aus einer Reihenschaltung zweier Widerstände (R4, R5) besteht, zu welcher der Widerstand (R6) parallel geschaltet ist.

3. Konstantstromquelle nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, daß beide Feldeffekt-Transistoren (A1, A2) einen Sätti­ gungsstrom (I_DSS) besitzen, der wesentlich größer als der einzustellende maximale Konstantstrom (I_konst) ist.

4. Konstantstromquelle nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldeffekttransi­ storen (A1, A2) als integrierte Transistoren ausgebildet sind.

5. Konstantstromquelle nach einem der vorhergehenden An­ spruche, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldeffekt-Tran­ sistoren als Sperrschicht-Feldeffekt-Transistoren ausge­ führt sind.

6. Konstantstromquelle nach einem der vorhergehenden An­ spruche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Sperr­ schicht-Feldeffekt-Transistoren (A1, A2) mittels GaAs- Technologie hergestellt sind.

7. Konstantstromquelle nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Sperr­ schicht-Feldeffekt-Transistoren (A1, A2) mittels der MES- FET-Technologie hergestellt sind.