DE3419664A1

DE3419664A1 - Stromspiegelschaltung

Info

Publication number: DE3419664A1
Application number: DE19843419664
Authority: DE
Inventors: Taiwa Tokio/Tokyo Okanobu
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1983-05-26
Filing date: 1984-05-25
Publication date: 1984-11-29
Also published as: NL193093B; JPH069326B2; NL193093C; JPS59218015A; GB2146501A; FR2546687B1; DE3419664C2; GB2146501B; US4567444A; NL8401706A; GB8413498D0; FR2546687A1; CA1220519A

Description

Beschreibung Stromspiegelschaltung

Die Erfindung bezieht sich generell auf Stromspiegelschaltungen und insbesondere auf eine Stromspiegelschaltung, die bei einer niedrigen Spannung arbeiten kann und die eine hohe Genauigkeit aufweist.

Im allgemeinen werden Stromspiegelschaltungen als Teil einer Stromsteuerschaltung verwendet, und zwar üblicherweise in Verbindung mit einer Konstantstromquelle oder einer Konstantstromstufe für Vorspannungszwecke sowie als aktive Lasten, um Widerstände großen Wertes in eine hohe Verstärkung aufweisenden Verstärkerstufen zu simulieren, die in integrierten Schaltungen vorgesehen sind. Eine typische pnp-Halbleiter-Stromspiegelschaltung besteht aus einem Paar von Transistoren, deren Basen miteinander verbunden sind und bei denen einer der Transistören mit seinen Basis- und Kollektor-Übergängen unter Bildung einer Diode verbunden ist. Die Kollektor-Emitter-Strecke des als Diode geschalteten Transistors liegt über eine Konstantstromquelle an Erde bzw. Masse, was dazu führt, daß ein festliegender Strom durch die betreffende Anordnung fließt. Dies ist der sogenannte Eingangsstrom. Die Emitter der pnp-Transistören sind gemeinsam an einer Vorspannungsquelle angeschlossen, und der Ausgangsstrom wird über den Kollektorkreis des nicht als Diode geschalteten Transistors abgenommen. Diese Art von Konstantstromquelle arbeitet dann so, daß der Eingangsstrom einen gleichen Ausgangsstrom erzeugt,

der über einen weiten Temperaturbereich und über einen weiten Bereich von Vorspannungsbedingungen stabil ist.

Bei einer Stromspiegelschaltung entsprechend einer bekannten Konfiguration kann sogar in dem Fall, daß der zwischen den Transistoren fließende Basisstrom erheblich bzw. weitgehend niedriger ist als jeder der Hauptströme, d. h. die in der Schaltung fließenden Eingangsoder Ausgangeströme, der betreffende Basisstrom dennoch nicht unberücksichtigt gelassen werden. Damit weist jeder der die Stromspiegelschaltung bildenden Transistoren einen endlichen Verstärkungs- oder Stromverstärkungsfaktor auf. Diese Stromverstärkung in den die Stromspiegelschaltung bildenden Transistoren stellt dann einen realen Einfluß auf das Ausgangs-Eingangsstrom-Verhältnis dar, welches nicht unberücksichtigt bleiben kann. Diese Stromverstärkung wird insbesondere dann problematisch, wenn es erwünscht ist, ein hohes Ausgangs-Eingangsstromverhältnis zu erzielen. Sogar in dem Fall, daß der Stromverstärkungsfaktor klein ist, ist außerdem die Genauigkeit herabgesetzt, d. h. es ist das Ausmaß herabgesetzt, gemäß dem das gewünschte Ausgangs-Eingangsstromverhältnis genau erzielt werden kann.

Ein bisheriger Weg zur Überwindung dieses Mangels an Genauigkeit in der Stromspiegelschaltung besteht darin, einen weiteren Transistor in den gemeinsamen Basiskreis derart einzuschalten, daß eine interne Rückkopplung erzielt ist. Bei einer derartigen bekannten Methode ist der gemeinsame Basiskreis über die Kollektor-Emitter-Strecke eines dritten Transistors mit relativem Massepotential verbunden, wobei die Basis-Kollektor-Strecke des Transistors, der als normale Diode geschaltet ist, zwischen der Basis und dem Emitterkreis dieses dritten Transistors angeschlossen ist. Dennoch liegt ein Hauptnachteil dieser verbesserten Stromspiegelschaltung darin,

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χ daß die Betriebsspannung auf das Zweifache der Basis-Emitter-Spannung der die betreffende Schaltung bildenden Transistoren festgelegt ist, so daß diese Stromspiegelschaltung nicht bei den niedrigen Spannungen arbeiten kann, die in vorteilhafter Weise in modernen integrierten Halbleiterschaltungen benutzt werden.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Stromspiegelschaltung zu schaffen, welche die dem Stand der Technik anhaftenden, oben aufgeführten Mangel eliminieren kann.

Ferner soll eine StromspiegeXschaltung bereitgestellt werden, die irgendein ausgewähltes Ausgangs-Eingangsstromverhältnis genau erzielen kann.

Ferner soll eine Stromspiegelschaltung bereitgestellt werden, die über einen weiten Bereich von Spannungen arbeiten kann.

Darüber hinaus soll eine Stromspiegelschaltung bereitgestellt werden, die bei einer niedrigen Betriebsspannung in Bezug auf die bisher bekannten Stromspiegelsahaltungen arbeiten bzw. funktionieren kann.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe durch die in den Patentansprüchen erfaßte Erfindung.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Stromspiegelschaltung geschaffen, welche die allgemein bekannte Konfiguration mit zwei Transistoren aufweist, deren Basiskreise miteinander verbunden sind und deren entsprechende Emitterkreise mit einer Vorspannungsquelle verbunden sind. Der Kollektorkreis eines ersten Transistors ist dabei über eine Konstantstromquelle mit relativem Masse- bzw. Erdpotential verbunden. Der Kollektor-

kreis eines zweiten Transistors ist mit der Last oder einer Strom-Verwertungseinrichtung verbunden. Mit den die Stromspiegelschaltung bildenden beiden Transistoren ist ein Differenzverstärker verbunden. Der Differenzverstärker ist mit einem Eingang an dem Kollektoranschluß des Transistors angeschlossen, der mit der
Stromquelle verbunden ist, und mit dem anderen Eingang ist der betreffende Differenzverstärker an einer zweiten Vorspannungsquelle angeschlossen, die zusätzlieh zu einer Vorspannungsquelle vorgesehen ist, welche mit der gemeinsamen Emitterverbindung des Differenzverstärkers verbunden ist. Dies stellt einen nichtinvertierenden Stromverstärker dar, der das Ausgangs-Eingangs- St romverhältnis mit Genauigkeit zu steuern

gestattet.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Stromspiegelschaltung geschaffen, bei der der Differenzverstärker, der im Kollektor und Basiskreis der beiden die Hauptstromspiegelschaltung bildenden
Transistoren liegt, mit der ersten Vorspannungsquelle über ein Widerstandselement verbunden ist, wodurch der Stromspiegelschaltung ermöglicht ist, bei einer wesentlich niedrigeren Spannung in Bezug auf konventionelle Stromspiegelschaltungen zu arbeiten.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung mit den ihr anhaftenden Merkmalen und Vorteilen nachstehend im
einzelnen beispielsweise erläutert. In den einzelnen
Zeichnungen sind einander entsprechende Elemente bzw. Einrichtungen durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet.

Fig. 1 zeigt in einem schematischen Diagramm eine bekannte Stromspiegelschaltung.
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Pig. 2 zeigt in einem schematischen Diagramm eine weite-

"₂ ' 341966A

re Ausführungsform einer bekannten Stromspiegelschaltung, wobei die Betriebsspannung zumindest zweimal so groß ist wie die Basis-Emitter-Spannung der Transistoren.

Fig. 3 zeigt in einem schematischen Diagramm eine Stromspiegelschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der das Ausgangs-Eingangs-Stromverhältnis mit Genauigkeit gewählt werden kann,

Fig. 4 zeigt in einem schematischen Diagramm eine Stromspiegelschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Betriebsspannung niedrig ist in Bezug auf die bisher bekannten Stromspiegelschaltungen.

Fig. 5 zeigt in einem schematischen Diagramm eine Stromspiegelschaltung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 6 zeigt in einem schematischen Diagramm eine Stromspiegelschaltung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein Schwingen der Schaltung vermieden ist.

Nunmehr werden die bevorzugten Ausführungsformen detailliert beschrieben.

Im allgemeinen ist eine sogenannte Stromspiegelschaltung bekannter Art grundsätzlich so aufgebaut, wie dies in Fig. 1 veranschaulicht ist. Dies bedeutet, daß zwei Transistoren mit ihren Basiskreisen gemeinsam verbunden sind und daß die Emitterkreise der betreffenden Transistoren gemeinsam an einer Vorspannungsquelle angeschlossen sind. Einer der beiden Transistoren ist als Diode geschaltet, indem die Basis und der Kollektor die-

- IJ-

ses Transistors miteinander verbunden sind. Der Kollektorkreis des betreffenden Transistors ist ferner über eine Konstantstromquelle mit einem relatives Erd- bzw. Massepotential führenden Schaltungspunkt verbunden. Im Kollektorkreis des anderen Transistors liegt die Last. Gemäß Fig. 1 ist insbesondere eine ISingangsstromquelle Q mit dem Kollektorkreis des Transistors Q1 und ferner mit relativem Erd.- bzw. Massepotential verbunden. Diese Eingangsstromquelle ist eine konventionelle Konstant-

IQ stromsignalquelle, die den Eingangsstrom Ι_ bereitstellt bzw. liefert. Der Ausgangstransistor der in Fig. dargestellten Stromspiegelschaltung ist der Transistor Q2. Die entsprechenden Emitterkreise der Transistoren Q1 und Q2 sind am Anschluß T1 gemeinsam angeschlossen, mit dem eine geeignete Vorspannungsquelle verbunden ist, welche eine Vorspannung Vcc abgibt. Der Kollektorstromkreis des Transistors Q2 ist an einer Strom-Auswerteeinrichtung angeschlossen, die irgendeine Schaltung sein kann, welche einen sie durchfließenden bekannten Strom benötigt, wie ein Teil einer integrierten Halbleiterschaltung, der einen bestimmten Vorstrom benötigt. Der gemeinsame Basiskreis der Transistoren QI und Q2 ist mit dem Verbindungspunkt des Kollektorkreises des Transistors Q1 und der Eingangsstromquelle Q_Q verbunden, um den Transistor Q1 funktionell als Diode zu betreiben. Diese Stromspiegelschaltung arbeitet so, daß dann, wenn ein Eingangsoder Referenzstrom I₀ fließt, was durch die Eingangsstromquelle Q_ bewirkt wird, der Ausgangsstrom I in dem Kollektorkreis des Transistors Q1 fließen wird. Dieser Strom ist der gewünschte Strom, der in die Strom-Auswerteeinrichtung 10 fließt. Dies bedeutet, daß der Eingangsstrom I_Q am Ausgang (I₂) gespiegelt ist und daß die meisten der den Anordnungen bzw. der Anordnung anhaftenden Halbleiter-Temperaturinstabilitäten überwunden sind.

Bei dieser bekannten Stromspiegelschaltung besteht ein Weg zur Erzielung des gewünschten Ausgangs-Eingangs-Stromverhältnisses darin, das Verhältnis der Übergangsbereiche in den Basis-Emitter-Wegen der entsprechenden Transistoren Q1 und Q 2 auszuwählen. So kann beispielsweise das Verhältnis zwischen den Halbleiter-Übergangsbereichen in den Basis-Emitter-Wegen der Transistoren Q1 und Q2 mit 1 in gewählt werden, um folgende Beziehung zu erfülleni
I₉

0 '

Sogar in dem Fall, daß derartige Basis-Emitter-Übergangsbereiche in geeigneter Weise gewählt sind, sind dennoch endliche Werte des in den Transistoren Q1 und Q2 fließenden Basisstroms vorhanden, die nicht vernachlässigt werden können. Dieser Basisstrom führt dann zu der folgenden Beziehung»

τ 1 ...(2)

_2 .n

^T° ^{= 1+} ill

^hFE

Es sei darauf hingewiesen, daß mit hp_E die Kurzschluß-Stromverstärkung (in Basisschaltung) angegeben ist, d. h. der Durchlaßstrom-Verstärkungsfaktor der Transistoren Ql und Q2. Damit kann die Vereinfachung der oben angegebenen Gleichung (i) zur Erzielung des gewünschten Stromverhältnisses I₂/l_o für den Aufbau derartiger Stroraspiegelschaltungen nicht angewandt werden. Aus einer erneuten Betrachtung der zuvor angegebenen Gleichung (2) kann ersehen werden, daß dieses Problem verschärft ist, wenn der Wert des kleinen η größer wird oder wenn der Stromverstärkungsfaktor hp_E kleiner wird. Dadurch verringert sich die Genauigkeit, mit der das gewünschte Stromverhältnis erzielt werden kann.

Um diesen Nachteil in der in Fig. 1 gezeigten bekannten Stromspiegelschaltung zu überwinden, wurde eine verbesserte Stromspiegelschaltung für den Einsatz vorgeschlagen, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist. Bei dieser Stromspiegelschaltung wird anstelle der Verbindung des gemeinsamen Basiskreises mit dem die Eingangsstromquelle enthaltenden Kollektorkreis der Basisstrom der Transistoren Q1 und Q2 mittels eines zusätzlichen Transistors Q3 verstärkt, der mit seinem Emitter an den Basiskreis angeschlossen ist und der mit seinem Kollektorkreis auf relativem Masse- bzw. Erdpotential liegt. Der Basiskreis des betreffenden zusätzlichen Transistors ist an dem Verbindungspunkt zwischen dem Kollektorkreis des Tx-ansistors Q1 und der Eingangsstromquelle Q_n angeschlossen.

Da der Basisstrom der Transistoren QI und Q2 erzielt wird, nachdem er einer Stromverstärkung durch die Wirkung des Transistors Q3 unterzogen worden ist, kann das Ausgangs/ Eingangs-Stromverhältnis wie folgt angegeben werden:

I₂ I ; .n '"^{3)

^hFE²

Damit kann ersehen werden, daß der Fehler oder die Ungenauigkeit in der Erzielung des Stromverhältnisses I /i bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 auf 1/h™ basieren wird im Vergleich zu der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung. Demgemäß ist die Genauigkeit des Ausgangs-Eingangs-Stromverhältnisses verbessert.

Dennoch weist die in Fig. 2 dargestellte Stromspiegelschaltung noch Nachteile auf, da sie eine Betriebsspannung benötigt, die höher ist als bei der in Fjg. 1 dargestellten Schaltungsanordnung; gemäß Fig. 2 muß die Betriebsspannung insbesondere 2V„_ betragen, wobei V₁₃₁,

BIS Uli,

die Basis-Emitter-Spannung der Transistoren Q1 oder Q2 und Q3 ist. Dies kann daraus ersehen werden, daß der Stromweg zwischen Vcc und Erd- bzw. Massepotential über die Transistoren verlaufen muß, welche die Stromspiegelschaltung gemäß Fig. 2 bilden. Ein Weg zur Verbesserung der Genauigkeit des Ausgangs-Eingangs-Stromverhältnisses bei der in Fig. 2 dargestellten Stromspiegelschaltung bestünde darin, Emitterwiderstände in die Emitterzweige der Transistoren QI und Q2 einzufügen. Diese würde jedoch sodann die Betriebsspannung der Schaltung noch weiter erhöhen. Es sei darauf hingewiesen, daß die Stromspiegelschaltung gemäß Fig. 1 die Größe V₁₃₁, als ihre niedrigst mögliche Betriebsspannung hat, wobei V_R der Spannungsabfall über die Basis-Emitter-Verbindungsstrecke des Transistors Q1 oder Q2 ist. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß bei der Stromspiegelschaltung gemäß Fig. 2 das Kollektorpotential des Transistors Q1 in Bezug auf die Vorspannung Vcc bei Vcc-2V_B„ festliegt, während bei der Stromspiegelschaltung gemäß Fig. 1 das Kollektorpotential des Transistors Q1 in Bezug auf die Vorspannung der Vorspannungsquelle Vcc festliegt bei Vcc-V_BE. Damit dürfte ersichtlich sein, daß das Kollektorpotential in Bezug auf die Vorspannung nicht willkürlich gewählt werden kann, sondern daß das betreffende Potential vielmehr eine Funktion der Parameter der für diese Stromspiegelschaltungen speziell gewählten Transistoren ist. Der Begriff Transistoren wird hier im generellen Sinne verwendet; die betreffenden Transistoren können dabei in einer integrierten Schaltung oder als diskrete Einrichtungen bzw. Elemente gebildet sein.

Die vorliegende Erfindung überwindet nun die vorstehend aufgezeigten Mangel beim Stand der Technik, wie sie im Zusammenhang mit Fig. 1 und 2 aufgezeigt worden sind. Fig. 3 zeigt eine γ-eitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die in typischer Weise eine Strom-

spiegelschaltung bildenden Elemente vorhanden sind. Dabei sind insbesondere die Transistoren QI und 02 mit ihren Basiskreisen miteinander verbunden, und die Emitterkreise der betreffenden Transistoren sind gemeinsam an einem die Vorspannung Vcc führenden Anschluß TI angeschlossen. Der Eingangsstrom I« fließt dabei durch die Wirkung der Konstantstromquelle Q₀, die im Kollektorkreis des ersten Transistors Q1 liegt. Der Ausgangsstrom 12 fließt in die Strom-Auswerteeinrichtung 10, die im Kollektorkreis des zweiten Transistors Q2 liegt. An dieser Stelle hören die Gemeinsamkeiten ml"fc bekannten Schaltungen auf. Ein Differenzverstärker 11 wird im vorliegenden Fall dazu benutzt, die Basisströme der Transistoren Q1 und Q2 zu steuern. Dieser Differenzverstär- ker 11 besteht aus zwei in einer Differenzverstärkeranordnung miteinander verbundenen Transistoren Q11 und Q12, deren Halbleiter-Polaritäten entgegengesetzt sind zu jenen der Transistoren Q1 und Q2. Bei dieser Ausführungsform sind speziell die Transistoren Q1 tind q2 durch Transistoren vom pnp-Leitfähigkeitstyp gebildet, und die Transistoren QI1 und Q12 sind Transistoren des npn-Leitfähigkeitstyps. Die Differenzverstärker-Transistoren Q11 und Q12 sind mit ihren entsprechenden Emitterkreisen gemeinsam an einer zweiten Konstantstromquelle angeschlossen, die aus dem Transistor Q10 und der Spannungsquelle V10 besteht. Der Transistor Q10 ist dabei speziell 'mit seinem Kollektorkreis mit den gemeinsamen Emittern der Transistoren Q11 und Q12 verbunden. Der Emitterkreis des Transistors Q10 liegt auf einem relativen Masse- bzw. Erdpotential. Der Basiskreis des betreffenden Transistors Q10 ist an einer Vorspannungsquelle V10 angeschlossen. Durch diese Schaltungsanordnung wird das Fließen eines Konstantstroms 110 durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Q10 bewirkt. Dabei wird der Bezugsstrom des Differenzverstärkers 10 festgelegt.

- ιοί Ein Eingang des durch die Transistoren QI1 und Q12 gebildeten Differenzverstärkers 11 ist der Basiskreis des Transistors Q11. Dieser Basiskreis ist mit dem Kollektorkreis des Transistors Q1 der Stromspiegelschaltung verbunden. Der andere Eingang des Differenzverstärkers 11 ist der Basiskreis des Transistors Q12j dieser Basiskreis ist mit dem die Plusspannung abgebenden Anschluß der Vorspannungsquelle V12 verbunden. Der Differenzverstärker 11 ist mit einer Hilfs-Stromspiegelschaltung verbunden, die aus den Transistoren Q13 und Q14 besteht. Die Hilfs- bzw. Zusatz-Stromspiegelschaltung 12 ist dieselbe Stromspiegelschaltung wie die in Fig. 1 gezeigte bekannte Stromspiegelschaltung, Bei dieser Stromspiegelschaltung sind die beiden Transistoren Q13 und Q14 in einer gemeinsamen Emitterkonfiguration an einer Vorspannungsquelle Vcc angeschlossen, und die gemeinsamen Basiskreise der betreffenden Transistoren sind mit dem Kollektorkreis des einen Transistors der beiden Transistoren verbunden. Demgemäß bilden die Transistoren Q13 und Q14 eine konventionelle Stromspiegelschaltung, deren Eingangsstrom über den Kollektorkreis des Transistors Q11 gewonnen wird und deren Ausgangsstrom zur Steuerung des gemeinsamen Basiskreises der Grund-Stromspiegelschaltung Q1, Q2 dient. Der Eingangsstrom der Stromspiegelschaltung 12 wird durch den Differenzverstärker bestimmt; er ist gegeben mit 110. In dieser Hilfs-Stromspiegelschaltung 12, die bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewandt wird, ist das Ausgangs-Eingangs-Stromverhältnis mit 1 gewählt, was bedeutet, daß n=1 ist.

Bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 bildet die Kombination des Differenzverstärkers 11 und der Stromspiegelschaltung 12 einen nichtinvertierenden Stromverstärker 13· Durch Verbinden des nichtinvertierenden Verstärkers mit den Transistoren Q1 und Q2 in der aus

Fig. 3 ersichtlichen Weise ist der Strom, der aus der Aufteilring des Basisstroms der Transistoren Q1 und Q2 durch die Stromverstärkung des nichtinvertierenden Stromverstärkers 13 resultiert, der Basisstrom des Transistors Q11. Demgemäß vergleicht die Verstärkerschaltung 11 den Kollektorstrom 11 des Transistors Q1 und den festliegenden Eingangsstrom I_n, wie er durch die Konstantstromquelle Q_n bestimmt ist. Die Differenz zwischen den betreffenden Strömen wird im Sinne einer Gegenkopplung bzw. negativ dem Transistor Q1 über den nichtinvertierenden Verstärker I3 rückgekoppelt. Daraus ergibt sich folgende Gleichung für das Ausgangs-/Eingangs-Stromverhältnis der Stromspiegelschaltung gemäß Fig. 3:

/ ^y ⁽⁴⁾

⁵^ ¹O ^2hFE

Es sei darauf hingewiesen, daß mit 110 der Kollektor-Emitter-Strom gegeben ist, der im Transistor Q10 fließt Wenn I10/l_n klein genug gewählt werden kann, d. h. so gewählt werden kann, daß es nahe genug bei 0 ist, dann ist die obige Gleichung (4) etwa die gleiche Gleichung wie Gleichung (i), die das Ausgangs-Eingangs-Stromverhältnis für die bekannte Stromspiegelschaltung gemäß Fig.1 angibt.

Die obige Analyse bezüglich der Transistoren, welche die Gegenstand der angestellten Betrachtungen darstellenden Schaltungen bilden, ist unter Anwendung der Untersuchungsmethode mit kleinem Signal oder Gleichstrom durchgeführt worden. In dem Fall, daß der Eingangsstrom I_n jedoch eine Wechselstromkomponente aufweist, wäre das Ausgangs-/Eingangs-Stromverhältnis durch folgende Gleichung gegeben:

i₀ I 1+ η +

^hFEl * ^hFEll

Dabei ist mit i_Q der Eingangsstrom bezeichnet, der eine Wechselstromkomponente aufweist. Mit i_p ist der Ausgangsstrom bezeichnet, der eine entsprechende Wechsel-Stromsignalkomponente aufweist. Mit h^_E1 ist die Kurzschluß-Stromverstärkung (in Basisschaltung) oder die Verstärkung der Transistoren Q1, Q2, Q13 und Q14 bezeichnet. Mit hp_E1 λ ist die Kurzschluß-Stromverstärkung der Transistoren Ql1 und Q12 angegeben.

Die in Fig. 3 dargestellte Stromspiegelschaltung bringt eine ausgezeichnete Genauigkeit des Ausgangs-Eingangs-Stromverhältnisses mit sich, und ihre Betriebsspannung ist hauptsächlich durch die Vorspannung V_1p bestimmt.

Damit kann die betreffende Stromspiegelschaltung beliebig über einen relativ weiten Bereich von etwa (Vcc-V _E) bis etwa V_BJr gesteuert werden. Da die Spannung Vcc am Anschluß T1 bei oder oberhalb von (^V _BE ^+V _CE) ausgewählt werden kann, kann die Stromspiegelschaltung gemäß Fig.

bei einem niedrigen Spannungspegel im Vergleich zu bisher bekannten Stromspiegelschaltungen arbeiten,

Während die durch die vorliegende Erfindung geschaffene, in der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 verkörperte Stromspiegelschaltung den Vorteil mit sich bringt, daß die Vorwärtsverstärkung bei einem relativ hohen Pegel bzw. Wert gewählt werden kann, hat sich gezeigt, daß die betreffende Schaltungsanordnung einen Mangel insoweit zeigt, als sie relativ leicht zu schwingen neigt.

Diese Schwingneigung wird dadurch überwunden, daß die Ausführungsform gemäß Fig. 3 so modifiziert wird, daß

sich die aus Fig. 4 ersichtliche Ausführungsform ergibt. Aus einem Vergleich der betreffenden Schaltungsanordnungen dieser beiden Figuren ergibt sich, daß die bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 vorgesehene Hilfs-Strom-Spiegelschaltung 12 bei der Ausführungsform gemäß Fig. k ersetzt ist durch den Widerstand Rk. Da der Widerstand Rk ein passives Bauelement ist, und zvar anstelle der aktiven Transistorelemente, welche bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 die Stromspiegelschaltung 12 bilden, ist die Schwingneigung eliminiert. Damit ist die Ausführungsform gemäß Fig. 4 relativ stabiler. Als Beispiel für den Wert des Widerstands Rk sei angenommen, daß der in die Strom-Auswerteeinrichtung 10 fließende Ausgangsstrom 12 einen Wert von 100 uA hat. Sodann kann der Widerstandswert des Widerstands Rk mit etwa 30000 0hm gewählt werden. Dies würde zu einem Strom von 20 uA führen, der als Kollektorstrom 110 durch den Transistor Q10 fließt, der die Konstantstromquelle für den Differenzverstärker 11 bildet.

Eine weitere, in Fig. 5 gezeigte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen zusätzlichen Transistor QI5 auf, der ein Widerstandselement R 5 mit dem gemeinsamen Basiskreis der Transistoren Q1 und Q2 verbindet. Der Transistor QJ 5 ist als Diode geschaltet, indem seine Basis und sein Kollektor miteinander verbunden sind. Bei dieser Ausführungsform ist eine Stromspiegelschaltung 14 dadurch gebildet, daß, wie gezeigt, die Transistoren Q1, QI5 und Q2 miteinander verbunden sind. Der Ausgangsstrom des Differenzverstärkers 11 wird der gemeinsamen Verbindung der Basis und des Kollektors des Transistors QI5 und der Basiskreise der Transistoren Q1 und Q2 zugeführt. Dies führt wiederum zu einer negativen Rückkopplung zu dem geraeinsamen Basiskreis der Transistoren Q1 und Q2, und zwar auf der Grundlage der ermittelten Differenz im Kollektorstrom

des Transistors Q1 und des EingangsStroms I_n durch den Differenzverstärker 11, an dessen anderen Eingang die Vorspannung V12 liegt.

Eine noch weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromspiegelschaltung ist in Fig. 6 gezeigt. Bei dieser Stromspiegelschaltung werden Schwingungen, die durch den Einsatz einer Hilfs- bzw. Zusatz-Stromspiegelschaltung hervorgerufen werden, vermieden. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 ist eine Schwingungsverhütungsschaltung 6 durch eine Parallelschaltung eines Kondensators C6 und eines Widerstands R6 gebildet. Diese Parallelschaltung liegt im Emitterkreis des ersten Transistors oder Eingangstransistors Q1, d. h. zwischen dessen Emitter und dem Anschluß T1, mit dem die Vorspannungsquelle Vcc verbunden ist. Der Ausgangsstrom 12 von dem Transistor Q2 wird über den Transistor Q16 an die Strom-Auswerte- bzw. -NutZungseinrichtung 10 abgegeben. Der Basisanschluß des Transistors Q16 liegt über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Q17 auf relativem Masse- bzw. Erdpotential. Der Transistor Q17 ist als dritte Konstantstromquelle dadurch geschaltet, daß sein Basisanschluß mit dem Plusanschluß einer Spannungsquelle V17 verbunden ist, die mit ihrer anderen Seite auf Masse- bzw. Erdpotential liegt. Der Basisanschluß des Transistors Q12, der - wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen - als Ausgangsseite des Differenzverstärkers 11 geschaltet ist, ist mit einem Verbindungspunkt zwischen der Anode und der Kathode von Dioden D11 bzw. D12 verbunden. Über diese Dioden ist in einer Reihenschaltung der Anschluß T1 über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Q17» der dritten Konstantstromquelle, mit relativem Masse- bzw. Erdpotential verbunden. Demgemäß ist die Betriebsspannung des Transistors Q12 festgelegt oder festgeklemmt bei Vcc-V-,„. Alle anderen Elemente in der Schaltungs-

anordnung gemäß Fig. 6 sind dieselben wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen. Diese Ausführungsform arbeitet weitgehend so wie oben beschrieben.

Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Schwingung der Stromspiegelschaltung vermieden, und die Kollektor-Emitter-Spannungen der Transistoren Q1 und Q2 sind gleichgemacht. Da es möglich ist, den Spannungspegel zu erhöhen, der zur Erzielung des Eingangsstromes I benutzt wird, wird die Auslegung bzw. Gestaltung der Schaltung für die Eingangsstromquelle Q_n leichter, und außerdem kann die Stromspiegelschaltung in vorteilhafter Weise bei einer niedrigeren Betriebsspannung betrieben werden.

Demgemäß kann die Stromspiegelschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung ein gewünschtes Stromverhältnis zwischen dem Ausgangsstrom und dem Eingangsstrom genau und präzis erzielen, und sie kann über einen weiten Spannungsbereich arbeiten. Außerdem kann die Stromspiegelschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer niedrigen Betriebsspannung arbeiten.

S¥

- Leerseite -

Claims

Patentansprüche

1 .J Stromspiegelschaltung für die Verwendung mit einem

χ;—

Bezugspotential und einer Konstantstromquelle, d a durch gekennzeichnet, daß ein Eingangstransistor (Q1) einer ersten Polarität mit seinem Emitter auf dem betreffenden Bezugspotential (+.Vcc) liegt und mit seinem Kollektor an der Konstantstromquelle (Qq) angeschlossen ist, daß ein Ausgangstransistor (Q2) der betreffenden ersten Polarität mit seinem Emitter auf dem Bezugspotential (+Vcc) liegt und mit seiner Basis mit der Basis des Eingangstransistors (Q1) verbunden ist, daß eine Vorspannungsquelle (V12) vorgesehen ist und daß ein an der betreffenden Quelle angeschlossener Differenzverstärker (11, 12) mit einem Eingang an der

betreffenden Vorspannungsquelle (V12) und mit einem zweiten Eingang am Kollektor des Eingangstransistors (Q1) derart angeschlossen ist, daß ein negatives Rückkopplungssignal gebildet ist, welches der gemeinsamen Basisverbindung des Eingangstransistors (Q1) und des Ausgangstransistors (Q2) zugeführt wird, derart, daß der im Kollektorkreis des Ausgangstransistors (Q2) fließende Ausgangsstrom in einem bestimmten Verhältnis zu dem im Kollektor des Eingangstransistors (Q1) fließenden Eingangsstrom steht.

2. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Hilfs-Stromspiegelschaltung (12) vorgesehen ist, deren Eingangsstrom in den betreffenden Differenzverstärker (ii) fließt und deren Ausgangsstrom in die gemeinsame Basisverbindung zwischen dem Eingangstransistor (Q1) und dem Ausgangstransistor (Q2) fließt.

3· Stromspiegelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Differenzverstärker (11) an dem Bezugspotential angeschlossen ist und ferner ein Widerstandselement (RS) umfaßt, welches zwischen dem betreffenden Bezugspotential (+Vcc) und der gemeinsamen Basisverbindung der Eingangs- und Ausgangstransistoren (Q1, Q2) liegt.

k. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein zweiter Ausgangstransistor (QI5) vorgesehen ist, dessen Basis mit der gemeinsamen Verbindung der Basen der Eingangs- und Ausgangstransistoren (Q1, Q2) verbunden ist und dessen Kollektor mit dem Differenzverstärker (11) verbunden ist.

5· Stromspiegelschaltung nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet , daß eine das Basispoten-

tial des betreffenden zweiten Ausgangstransistors (Ql5) festlegende Einrichtung vorgesehen ist.

6. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 5i dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Emitter des zweiten Ausgangstransistors (QI5) und dem Bezugspotential (+Vcc) ein Widerstandselement (R5) liegt.

7. Stromspiegelschaltung nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Emitter des Eingangstransistors (Q1) und dem betreffenden Bezugspotential (+Vcc) eine Schwingungsverhütungsschaltung (6) liegt.

8. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet , daß die Schwingungsverhütungsschaltung (6) eine Parallelschaltung aus einem Widerstandselement (Ro) und einem Kapazitätselement (C6) aufweist.

9. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Differenzverstärker (11) dritte und vierte Transistoren (QI 1 , Q12-) einer zu der genannten ersten Polarität entgegengesetzten zweiten Polarität aufweist,

daß die Basis des dritten Transistors (QII) mit dem Kollektor des Eingangstransistors (Q1) verbunden ist und daß die Basis des vierten Transistors (Ql2) mit der Vorspannungsquelle (V12) verbunden ist.

10. Stromspiegelschaltung für die Verwendung mit einem Bezugspotential und einer Konstantstromquelle, insbesondere nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß eine erste Transistoreinrichtung (Q1 ) ^mi-^ einem Emitter an dem Bezugspotential (+Vcc) liegt und mit einem Kollektor mit der Konstantstrom-

quelle (Q_n) verbunden ist,

daß eine zweite Transist or einrichtung (Q2) mit derselben Polarität bzw. Leitfähigkeit wie die erste Transistoreinrichtung (Q1) mit einem Emitter an dem betreffenden Bezugspotential liegt und mit einer Basis mit einer Basis des ersten Tx-ansistors (Ql) verbunden ist, daß eine Differenzverstärkereinrichtung (11) mit einer dritten und vierten Transistoreinrichtung (Q11, Q12) vorgesehen ist, welche eine zu der Polarität bzw. Leitfähigkeit der ersten und zweiten Transistoreinrichtungen (Q1, Q2) entgegengesetzte Polarität bzw. Leitfähigkeit aufweist,

daß eine Basis des dritten Transistors (Q11) mit dem Kollektor des ersten Transistors (Q1) verbunden ist, und daß eine Vorspannungsquelleneinrichtung (V12) vorgesehen ist, die eine Vorspannung an eine Basis des vierten Transistors (Q12) abgibt, der mit einem Kollektor an dem gemeinsamen Basisanschluß der ersten und zweiten Transistoren (Q1, Q2) angeschlossen ist, derart, daß ein im Kollektor des zweiten Transistors (Q2) fließender Ausgangsstrom ein bestimmtes Verhältnis zu dem Strom aufweist, der im Kollektor des ersten Transistors (Q1) fließt, mit dem die genannte Konstantstromquelle (^n) verbunden ist.
25

11. Stromspiegelschaltung nach Anspruch Ίθ, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hilfs- bzw. Zusatz-Stromspiegelschaltung (12) vorgesehen ist, die eine fünfte und sechste Transistoreinrichtung (QI3, Q14) aufweist,

daß ein Kollektor der fünften Transistoreinrichtung (QI3) mit dem Kollektor der dritten Transistoreinrichtung (QI1) verbunden ist

und daß ein Kollektor der sechsten Transistoreinrichtung (Q1^O mit der gemeinsamen Basisverbindung der ersten und zweiten Transistoreinrichtungen (Q1, Q2) verbunden ist.

12. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor der dritten Transistoreinrichtung (Q11) an dem Bezugspotential (+Vcc) liegt

und daß eine Widerstandseinrichtung (R4) zwischen der geraeinsamen Basisverbindung der ersten und zweiten Transistoren (Q1, Q2) und dem betreffenden Bezugspotential (+Vcc) liegt.

13· Stromspiegelschaltung nach Anspruch 10, da durch gekennzeichnet, daß eine siebte Transistoreinrichtung (QI5) vorgesehen ist, die mit einer Basis an der gemeinsamen Basisverbindung der ersten und zweiten Transistoreinrichtungen (Q1, Q2) angeschlossen ist und die mit einem Kollektor mit dem Kollektor der vierten Transistoreinrichtung (Q12) verbunden ist.

Ik. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 13» d a durch gekennzeichnet, daß eine Schwingungsverhütungsschaltung, bestehend aus der Parallelschaltung eines Widerstands (Ro) und eines Kondensators (c6) zwischen dem Emitter der ersten Transistoreinrichtung (Q1) und dem betreffenden Bezugspotential (+Vcc) liegt.

15· Stromspiegelschaltung zur Erzielung eines bestimmten Verhältnisses zwischen einem Ausgangsstrom und einem Eingangsstrom, für die Verwendung in Verbindung mit einer Bezugspotentialquelle und einer Konstantstromquelle, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingangstransistor (Q1) einer ersten Polarität bzw. Leitfähigkeit mit seinem Emitter an der Bezugspotentialquelle (+Vcc) und mit seinem Kollektor an der Konstantstromquelle (Q_o) angeschlossen ist,

daß ein Ausgangstransistor (Q2) mit derselben Polarität bzw. Leitfähigkeit wie der betreffende Eingangstransistor (Q1) mit seinem Emitter an der genannten Bezugspotentialquelle (+Vcc), mit seiner Basis an der Basis des genannten Eingangstransistors (Q1) und mit seinem Kollektor so geschaltet ist, daß in diesem der Ausgangsstrom fließt,

und daß eine negative Rückkopplungseinrichtung (11) so geschaltet ist, daß sie den in dem Eingangstransistor (φι) fließenden Kollektorstrom mit einem bestimmten Stromwert vergleicht und eine solche negative Rückkopplung auf die betreffende gemeinsame Basisverbindung bewirkt, daß der im Kollektor des genannten Eingangstransistors (Q1) fließende Strom gleich dem bestimmten ¥ert des genannten Eingangsstromes ist, derart, daß das Ausgangsstrom-EingangsStrom-Verhältnis bei dem betreffenden bestimmten Wert ist.

16. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 15» d a durch gekennzeichnet, daß die genannte negative Rückkopplungseinrichtung (11) einen Differenzverstärker (11) und eine Vorspannungsquelle (V12) umfaßt

und daß der betreffende Differenzverstärker (11) mit einem Eingang an der betreffenden Vorspannungsquelle (V12) und mit einem zweiten Eingang am Kollektor des genannten Eingangstransistors (Q1) angeschlossen ist, derart, daß durch die auf die gemeinsame Basisverbindung zurückgeführte negative Rückkopplung das genannte bestimmte Verhältnis aufrechterhalten wird.

17· Stromspiegelschaltung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker (11) dritte und vierte Transistoren (Q11, Q12) umfaßt, die von einer zur Polarität bzw. Leitfähigkeit der Eingangs- und Ausgangstransistoren

(q1, Q2) entgegengesetzten Polarität bzw. Leitfähigkeit sind.

18. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 17» d a durch gekennzeichnet, daß eine aus fünften und sechsten Transistoren (Q13i Ql^) bestehende Hilfs- bzw. Zusatz-Stromspiegelschaltung vorgesehen ist,

daß der Kollektor des fünften Transistors (QI3) mit dem Kollektor des dritten Transistors (QIl) verbunden ist und daß der Kollektor des sechsten Transistors (Qlh) mit der gemeinsamen Basisverbindung der ersten und zweiten Transistoren (QI, Q2) verbunden ist.

19· Stromspiegelschaltung nach Anspruch 17» d a durch gekennzeichnet, daß der Kollektor des dritten Transistors (q11) mit der genannten Bezugspotentialquelle (+Vco) verbunden ist und daß ferner zwischen der gemeinsamen Basisverbindung der ersten und zweiten Transistoren (Q1, Q2) und der genannten Bezugspotentialquelle (+Vcc) eine Widerstandseinrichtung (h4) angeschlossen ist.

20. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 17, d a durch gekennzeichnet, daß ein siebter Transistor (QI5) mit seiner Basis gemeinsam mit den Basen der Eingangs- und Ausgangstransistoren (Q1, Q2) und mit seinem Kollektor mit dem Kollektor des vierten Transistors (QI2) verbunden ist. 30