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Die Erfindung betrifft eine Stromteilerschaltung zum Empfangen und
Aufteilen eines Signalstroms in vorgegebenen Anteilen auf eine Vielzahl von Strompfaden.
Der Ausdruck Signalstrom bezieht sich hier auf jeden Strom, der für den Transport von
Informationen jeglicher Art dient, im Gegensatz zum Beispiel zu einem reinen
Versorgungsstrom.
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Stromteilerschaltungen, wie sie im einführenden Absatz beschrieben
wurden, sind gut bekannt und werden häufig für die Erzeugung von skalierten
Nachbildungen eines Referenzstroms oder eines anderen Signalstroms nach einem gewünschten
Gewichtungsmuster verwendet. In einem Digital/Analog-Umsetzer zum Beispiel können
mehrere binär-gewichtete Referenzströme von einem einzigen Haupt-Referenzstrom
erzeugt werden. In den bekannten Schaltungen enthält jeder Pfad normalerweise einen
Transistor, und die Transistoren aller Pfade sind identisch oder "gleichartig" ausgelegt,
was bedeutet, daß die Ströme durch die verschiedenen Transistoren gleich sind oder
entsprechend den durch die relativen Geometrien der Transistoren definierten Verhältnissen
miteinander in Beziehung stehen. Bei den Transistoren kann es sich zum Beispiel um
Bipolar-Typen (oder MOS-Typen) handeln, deren Emitter (oder Source-Elektrode)
jeweils mit dem Eingangs-Knotenpunkt verbunden ist und deren Basis (oder
Gate-Elektrode) mit einem gemeinsamen Vorspannungs-Punkt verbunden ist. Diese Schaltungen
funktionieren nach dem bekannten "Stromspiegel"-Prinzip.
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Schwierigkeiten ergeben sich jedoch, wenn ein vorgegebener Anteil des
Stroms am Knotenpunkt durch einen Strompfad fließen soll, dessen Impedanz von den
Impedanzen der anderen Pfade abweicht, da das Stromspiegel-Prinzip in diesem Fall
nicht mehr so funktioniert, daß die relativen Anteile eines durch die Strompfade
fließenden Stroms definiert werden, ausgenommen bei einer Aufteilung auf Pfade mit
gleichartiger Impedanz.
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Die Erfindung hat zur Aufgabe, eine Schaltung zum Aufteilen eines
Signalstroms an dem Knotenpunkt in vorgegebenen Anteilen auf eine Vielzahl von
Strompfaden für die Fälle zu schaffen, in denen die Impedanzen der Pfade nicht alle
gleichartig sind.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung zum Steuern
der Spannung an einem Knotenpunkt und zum gleichzeitigen Aufteilen des am
Knotenpunkt empfangenen Signalstroms in vorgegebenen Anteilen auf eine Vielzahl von
Strompfaden zu schaffen, selbst wenn die Impedanzen der Pfade nicht alle gleichartig sind.
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Die Erfindung schafft eine Stromteilerschaltung zum Empfangen eines
Signalstroms an einem Knotenpunkt und zum Aufteilen des Signalstroms in
vorgegebenen Anteilen auf eine Vielzahl von Strompfade, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die
Strompfade einen oder mehrere erste(n) Strompfad(e) enthalten, die durch einen ersten
Typ Impedanzelement gebildet werden, und einen oder mehrere zweite(n) Strompfad(e),
die durch einen Typ oder mehrere Typ(en) von Impedanzelementen gebildet werden,
der (die) von dem ersten Impedanztyp abweicht (abweichen), wobei jeder zweite
Strompfad einen Ausgangszweig einer Stromspiegelschaltung enthält und der Eingangszweig
jeder solchen Stromspiegelschaltung über einen weiteren Strompfad, der durch den
ersten Typ Impedanzelement gebildet wird, mit dem Knotenpunkt verbunden ist. Die
Schaffung des (der) weiteren Strompfade(s) und Stromspiegelschaltung(en) stellt sicher,
daß ein vorgegebener Anteil des Signalstroms in jedem Strompfad fließen kann, auch
wenn der (die) zweite(n) Strompfad(e) beliebige oder unbekannte Impedanzen enthält
(enthalten). Jeder zweite Strompfad kann seinen eigenen getrennten weiteren Strompfad
und seine eigene Stromspiegelschaltung enthalten. Dies kann günstig sein, wenn die
Anteile des Gesamtstroms durch die verschiedenen zweiten Strompfade in einem weiten
Bereich voneinander abweichen. Die Stromteilerschaltung kann jedoch einen einzigen
weiteren Strompfad und eine Vielzahl an zweiten Strompfaden enthalten, wobei der
weitere Strompfad mit dem Eingangszweig einer Stromspiegelschaltung mit einer
entsprechenden Vielzahl an Ausgangszweigen verbunden ist. Hierbei werden nicht nur
Bauelemente gespart, sondern auch die zusätzliche Belastung der Signalstromquelle durch den
(die) weiteren Strompfad(e) wird reduziert.
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Der (die) erste(n) Strompfad(e) und der (die) weitere(n) Strompfad(e)
können die Hauptstrompfade von gleichartigen Transistoren enthalten, deren
Steuerelektroden mit einer gemeinsamen Vorspannung verbunden sind, so daß die relativen
Geometrien der Transistoren die genannten vorgegebenen Anteile definieren. Eine solche
Ausführungsform kann bequem durch Integration geschaffen werden, wobei die
Transistoren genau gleichartig gemacht werden können, da sie alle mit dem gleichen
Fertigungsprozeß
auf dem gleichen Halbleitersubstrat hergestellt werden.
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Jeder gleichartige Transistor kann ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-
Transistor (MOSFET) sein, wobei die Source-Drain-Pfade der MOSFETs die Pfade mit
gleichartigen Impedanzen bilden, die Source-Elektroden der MOSFETs mit dem
Knotenpunkt verbunden sind, die Gate-Elektroden der MOSFETs mit der gemeinsamen
Vorspannung verbunden sind und das Geometrieverhältnis (B/L) der gleichartigen
MOSFETs die genannten vorgegebenen Anteile definiert. Das Geometrieverhältnis (B/L)
eines Feldeffekt-Transistors ist das Verhältnis der Breite B seines Kanals zu der Länge
L seines Kanals, beide zum Beispiel in Mikrometern ausgedrückt. Die Geometrie der
Kanäle von MOS-Transistoren läßt sich problemlos skalieren, um die gewünschten
Verhältnisse zwischen den Strömen in den verschiedenen Pfaden zu erhalten, und zwar
entweder durch eine tatsächliche Veränderung der Länge (L) und/oder der Breite (B)
des Kanals oder einfach durch Parallelschalten einer Anzahl Transistoren mit
identischen Eigenschaften (das effektive Geometrieverhältnis von N parallelgeschalteten
identischen Transistoren entspricht dem N-fachen Geometrieverhältnis eines solchen
Transistors). Bei der letztgenannten Lösung wird das Problem vermieden, daß Fehler aufgrund
von "Endeffekten" bei Transistoren von unterschiedlicher Größe verschieden sind.
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Die Erfindung verschafft weiterhin eine Schaltung, die eine
Stromteilerschaltung enthält, wie sie in einem der zwei vorhergehenden Absätze beschrieben ist,
und die weiterhin ein Mittel zum Variieren der gemeinsamen Vorspannung enthält, so
daß die Spannung am Knotenpunkt variiert wird, während die vorgegebenen Anteile des
aufgeteilten Signalstroms erhalten bleiben. Die Schaltung erlaubt die Steuerung der
Spannung und bietet gleichzeitig Zugang zu genau definierten Anteilen des
Signalstroms, die zum Beispiel verwendet werden können, um den Signalstrom zu messen
oder durch ein beliebiges Impedanz-Netzwerk - sei es fest, variabel, induktiv, kapazitiv
oder anders - zu leiten. Je nach Quelle des Signalstroms kann die Steuerung der
Spannung am Knotenpunkt indirekt auch den Signalstrom beeinflussen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Figur 1 eine herkömmliche Stromteilerschaltung und
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Figur 2 eine erfindungsgemäße Stromteilerschaltung.
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Figur 1 zeigt eine herkömmliche P-Kanal-Stromspiegel-Teilerschaltung, die einen Strom
I über einen Eingang 10 erhält, der mit einem Knotenpunkt 12 verbunden ist. Die
Schaltung teilt den Strom I in N kleinere Ströme I&sub1; bis IN auf, die durch N Pfade
fließen, die gleichartige Impedanzen enthalten, und die Schaltung durch die jeweiligen
Ausgänge 14-1 bis 14-N verlassen. In diesem Kontext sind "gleichartige" Impedanzen als
Impedanzen zu betrachten, die so zusammenhängen, daß jede von ihnen unter
identischen Vorspannungs-Bedingungen den gleichen Strom oder einen Strom durchläßt, der
in einem festen Verhältnis zu den anderen Strömen steht.
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Im allgemeinen werden solche gleichartigen Impedanzen durch aktive
Bauelemente gebildet, die nahe nebeneinander auf einem gemeinsamen Substrat
integriert sind, so daß sie einander so gut wie möglich entsprechen. In der Schaltung aus
Figur 1 fließen die Ströme I&sub1; bis IN durch die jeweiligen P-Kanal-MOS-Transistoren T1
bis TN. Die Source-Elektroden der Transistoren T1 bis TN sind alle mit dem
Knotenpunkt 12 verbunden und die Gate-Elektroden der Transistoren T1 bis TN mit einem
Vorspannungs-Eingang 16, so daß an allen Transistoren T1 bis TN die gleiche Gate-
Source-Spannung angelegt ist.
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Wenn im Betrieb der Strom I von einer nicht abgebildeten Quelle in den
Eingang 10 eingespeist wird und eine geeignete Vorspannung VBIAS an den
Vorspannungs-Eingang 16 angelegt wird, sorgt das bekannte Stromspiegel-Prinzip dafür, daß die
Aufteilung des Stroms I in die kleineren Ströme I&sub1; bis IN in bestimmten Anteilen
erfolgt, die durch die relativen Geometrien der Transistoren T1 bis TN vorgegeben
werden. Bei den MOS-Transistoren T1 bis TN hängt der Anteil des Gesamtstroms In durch
jeden Ausgang 14-n von den Geometrieverhältnissen (B/L)&sub1; bis (B/L)N der Transistoren
T1 bis TN ab, und zwar gemäß der nachstehenden Formel (1).
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Eine solche Schaltung kann zum Beispiel in einem Digital/Analog-Umsetzer (DAC)
eingesetzt werden, um die erforderlichen Inkremente des Ausgangsstroms von einem
Haupt-Referenzstrom I = IREF zu erzeugen. So ist für einen 4-bit-D/A-Umsetzer N =
4, und die Ströme I&sub1; bis I&sub4; können entsprechend der obigen Formel definiert werden, so
daß:
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I&sub4; = 2 I&sub3; = 4 I&sub2; = 8 I&sub1; und
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I&sub1; + I&sub2; + I&sub3; + I&sub4; = IREF = 15 I&sub1;.
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Der D/A-Umsetzer enthält außerdem Schalt-Stromkreise, so daß jeder Strom In, der
einer Bitposition im digitalen Eingangssignal entspricht, zum analogen Ausgangssignal
hinzugefügt werden kann oder nicht, je nach Wert des entsprechenden Bits im
eigentlichen Eingangssignal.
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Bei manchen Applikationen ist es jedoch wünschenswert, einen an einem
Knotenpunkt empfangenen Strom in vorgegebenen Anteilen auf eine Reihe von
Strompfaden aufteilen zu können, deren Impedanzen durch ihre Schaltungsfunktionen definiert
werden und die nicht gleichartig gemacht werden können, um einen Teil eines
Stromspiegel-Teilers zu bilden. Dies kann der Fall sein, wenn es sich bei dem empfangenen
Strom nicht um einen Haupt-Referenzstrom handelt, der ausschließlich zur Erzeugung
von einer Vielzahl kleinerer Referenzströme dient, sondern um einen variablen Strom,
der durch externe Parameter bestimmt wird. Es kann erforderlich sein, daß ein Teil des
Stroms durch eine Drossel oder einen Kondensator oder ein anderes Bauelement oder
ein Netzwerk von Bauelementen fließt. In diesen Fällen bedeutet die Anwesenheit von
ungleichartigen Impedanzen, daß das Stromspiegel-Prinzip nicht mehr gilt. So kann die
obige Formel (1) zum Beispiel nicht verwendet werden, wenn einer der gleichartigen
Transistoren T1 bis TN durch einen Transistor anderer Art oder durch einen
vollkommen anderen Impedanztyp ersetzt wird.
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Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Stromteilerschaltung. In Figur 2 wird
der Gesamtstrom I über einen Eingang 20 in die Schaltung eingespeist, der mit einem
Knotenpunkt 22 verbunden ist. Kleinere Ströme I&sub1;' bis IN' verlassen den Knotenpunkt
22 und fließen durch N erste Strompfade zu N Ausgängen 24-1 bis 24-N. Die ersten
Strompfade werden durch N gleichartige Impedanzelemente gebildet, in diesem
Ausführungsbeispiel durch die gleichartigen P-Kanal-MOS-Transistoren T1' bis TN', wie in
Figur 1. Die Source-Elektroden der Transistoren T1' bis TN' sind mit dem Knotenpunkt
22 verbunden und die Gate-Elektroden der Transistoren T1' bis TN' mit einem
Vorspannungs-Eingang 26, an den eine geeignete Vorspannung VBIAS angelegt wird. Jeder der
Transistoren T1' bis TN' hat ein zugehöriges Geometrieverhältnis (B/L)&sub1;' bis (B/L)N'.
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Ein Teil IZ1 des Stroms I, der am Knotenpunkt 22 eintrifft, fließt durch
einen zweiten Strompfad 28, der durch ein Impedanzelement Z1 gebildet wird, das von
den durch die Transistoren T1' bis TN' gebildeten Impedanzelementen abweicht. Das
Element Z1 kann ein MOSFET sein, der identisch mit den Transistoren T1' bis TN' ist,
aber mit anderen Vorspannungen versorgt wird; es kann sich auch um einen anderen
Transistortyp (zum Beispiel um einen N-Kanal, Bipolar- oder
Hochspannungs-Transistor)
handeln oder um eine Diode, einen Widerstand, einen Kondensator, eine Drossel,
einen Heißleiter oder ein vollkommen unbekanntes Impedanz-Netzwerk.
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Die Aufteilung des Stroms auf die N ersten Strompfade wird durch das
Stromspiegel-Prinzip gemäß einer Formel vorgegeben, die der obigen Formel (1)
entspricht; dies gilt aber nicht für die Aufteilung des Gesamtstroms I, da die Impedanz Z1
des zweiten Strompfades nicht mit denen der ersten Strompfade in Verbindung steht.
Erfindungsgemäß ist ein weiterer Strompfad 30 vorgesehen, der durch ein
Impedanzelement des ersten Typs gebildet wird, nämlich durch einen weiteren P-Kanal-Transistor
T0', der den Transistoren T1' bis TN' ähnelt, wobei die Source-Elektrode des
Transistors T0' mit dem Knotenpunkt 22 verbunden ist und die Gate-Elektrode mit dem
Vorspannungs-Eingang 26. Der weitere Strompfad 28 endet im Eingang einer
Stromspiegelschaltung 32, die einen N-Kanal-Eingangstransistor 34 und einen
N-Kanal-Ausgangstransistor 36-1 hat. Die N-Kanal-Transistoren 34 und 36-1 sind gleichartig und ihre
Geometrien so skaliert, daß sich ein Verhältnis 1:X&sub1; zwischen dem Eingangsstrom I&sub0; durch
den Pfad 30 und dem Ausgangsstrom IZ1 durch den Pfad 28 ergibt.
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Im Betrieb erzeugt der weitere Transistor T0' den Strom I&sub0;' im Pfad 30 in
Übereinstimmung mit dem Stromspiegel-Prinzip, so daß die N+1 Ströme I&sub0;' bis IN'
durch vorgegebene Verhältnisse miteinander in Beziehung stehen, die den
Geometrieverhältnissen von (B/L)&sub0;' bis (B/L)N' der P-Kanal-Transistoren T0' bis TN'
entsprechen. Die Stromspiegelschaltung 32 sorgt dann dafür, daß der Strom IZ1 im Strompfad
28, der durch die beliebige Impedanz Z1 fließt, durch ein vorgegebenes Verhältnis X&sub1;:
1 zum Strom I&sub0;' in Beziehung gesetzt wird und damit auch zu allen Strömen I&sub1;' bis IN'.
Die Aufteilung des Gesamtstroms I auf die verschiedenen Strompfade erfolgt damit in
vorgegebenen Anteilen, obwohl einer der Strompfade eine Impedanz Z1 hat, die mit den
Impedanzen der anderen Pfade in keinerlei Zusammenhang steht.
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Die nachstehenden Formeln (2) und (3) definieren die Zusammenhänge
zwischen den Strömen der in Figur 2 dargestellten Schaltung. Formel (2) weicht von
Formel (1) insofern ab, als daß alle Ströme vom Knotenpunkt 22 berücksichtigt werden
müssen und nicht nur die Ströme, die durch die ersten Strompfade fließen.
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IZ1 = X&sub1; I&sub0;'
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Für eine erfindungsgemäße Stromteilerschaltung sind viele Anwendungen möglich, und
viele Variationen sind möglich, um sie den jeweiligen Umständen anzupassen. Wenn
zum Beispiel ein bekannter Teil des Stroms I durch mehr als eine beliebige Impedanz
Z2 (in Figur 2 gestrichelt dargestellt) fließen muß, kann dies einfach dadurch
geschehen, daß ein weiterer Ausgangstransistor 36-2 (gestrichelt dargestellt) in der
Stromspiegelschaltung 32 vorgesehen wird. Diese Vorgehensweise kann im Prinzip auf jede
Anzahl von beliebigen Impedanzen Z1 bis ZM zum Beispiel ausgedehnt werden. Jede
beliebige Impedanz ZM wird dann durch die Gleichung IZM = Xm I&sub0;' mit I&sub0;' in
Beziehung gesetzt, wobei Xm das Geometrieverhältnis des m-ten Ausgangstransistors der
Stromspiegelschaltung 32 in bezug auf das Geometrieverhältnis des Eingangstransistors
34 ist. Die Formel (2) gilt immer noch, jedoch in veränderter Form, so daß der
Ausdruck (1+X&sub1;) im Nenner zu (1 + X&sub1; + ...XM) wird.
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Alternativ könnte eine zusätzliche beliebige Impedanz (gleich Z2) durch
einen getrennten weiteren P-Kanal-Transistor (gleich T0') und eine getrennte N-Kanal-
Stromspiegelschaltung (gleich der Stromspiegelschaltung 32) vorgesehen werden. Dies
ist zum Beispiel günstig, wenn die zusätzliche Impedanz einen viel größeren oder viel
kleineren Anteil des Gesamtstroms erhalten soll als die Impedanz Z1.
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Die Stromspiegelschaltung 32 (oder jede getrennte Stromspiegelschaltung,
die durch einen getrennten weiteren Transistor angesteuert wird) kann auch mit einem
weiteren Ausgangstransistor 38 (gestrichelt dargestellt) versehen werden, der über eine
Impedanz Y (ebenfalls gestrichelt dargestellt) einen Strom IY von einem Ausgang 40
zieht. Der Strom IY ist dann durch ein vorgegebenes Verhältnis mit den Strömen I, I&sub0;'
bis IN'und IZ1 bis IZM in Beziehung gesetzt, ist aber nicht ein Teil des vom
Knotenpunkt 22 gezogenen Gesamtstroms I. Das Geometrieverhältnis eines Transistors wie des
Transistors 38 darf nicht in den Ausdruck (1 + X) im Nenner der Formel (2)
eingeschlossen werden. Für jeden weiteren vorgesehenen Transistor muß jedoch ein Term
aufgenommen werden, der (B/L)&sub0;' entspricht, selbst wenn er nur eine getrennte
Stromspiegelschaltung ansteuert, deren Ausgangsstrom nicht vom Knotenpunkt 22 gezogen
wird.
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Eine Schaltung wie die in Figur 2 abgebildete Schaltung, in der N = 2 ist
und die die Teile 38 und Y enthält, die Teile 36-2 und Z2 jedoch ausschließt, ist in der
britischen Patentanmeldung Nr. 8810166.2 beschrieben, die das gleiche Prioritätsdatum
hat wie die vorliegende Anmeldung, die jetzt als GB 2 217 938 A veröffentlich ist.
Diese Patentanmeldung bezieht sich auf eine Stromfühlerschaltung der in
EP-A1-227 149 beschriebenen Art für die Verwendung mit einem zellularen
Leistungs-Halbleiter-Bauelement. In dieser Patentanmeldung ist der Eingang 10 eines Stromteilers
entsprechend der vorliegenden Erfindung mit einer repräsentativen Zelle eines Mehrzellen-
Leistungstransistors verbunden. Die Teilerschaltung dient insgesamt dazu, die Spannung
am Eingang 10 so zu steuern, daß sie der Spannung am restlichen Hauptteil des
Leistungstransistors entspricht, der eine viel größere Anzahl Zellen umfaßt. Diese
Steuerung erfolgt durch das Anlegen einer Steuerspannung VCONT = VBIAS an den
Vorspannungs-Eingang 26 des Stromteilers, wie in Figur 2 dargestellt. Bis jetzt wurde
davon ausgegangen, daß es sich bei der Spannung VBIAS um eine konstante Spannung
handelt, die zu einer 'passiven' Teilerschaltung führt. Die Transistoren T0' bis TN'
dienen jedoch dazu, den Knotenpunkt 22 auf einer Schwellenspannung über der
Steuerspannung VCONT zu halten, und in der Stromfühlerschaltung wird der Vorspannungs-
Eingang 26 durch den Ausgang eines Differenzverstärkers angesteuert, um eine
Teilerschaltung zu schaffen, die die Spannung am Eingang sowie die Aufteilung des hierdurch
fließenden Stroms I aktiv steuert.
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In der Stromfühlerschaltung ist der Anschluß 40 mit dem Hauptteil des
Leistungstransistors verbunden und die Impedanz Y ist ein N-Kanal-MOSFET, der als
eine in Vorwärtsrichtung betriebene Diode geschaltet ist und für eine Spannungspegel-
Verschiebungsfunktion am Eingang des Differenzverstärkers sorgt. Die Impedanz Z1 ist
auf die Impedanz Y abgestimmt, um eine gleiche Spannungspegel-Verschiebung in dem
an den anderen Eingang des Differenzverstärkers angelegten Signal zu erhalten (IY =
IZ1). Da die Teilerschaltung dafür sorgt, daß I&sub1;' und I&sub2;' bekannte Anteile des
Gesamtstroms in der repräsentativen Zelle sind, und da die repräsentative Zelle durch die
Rückkopplungswirkung des Differenzverstärkers und des Stromteilers unter der gleichen
Vorspannung gehalten wird wie der Hauptteil des Leistungsverstärkers, stellen die
Ströme I&sub1; und I&sub2; ein genaues Maß, in sehr kleinem Maßstab, für den Ausgangsstrom
des Leistungstransistors dar.