Schaltbare bipolare Stromquelle

Abstract

 Die schaltbare bipolare Stromquelle enthält die Kombination zweier hintereinander geschalteter konventioneller Strom­spiegel (MN1, MN2, MN3; MP1, MP2), die vom entgegenge­setzten Typ sind und deren Ausgangstransistoren (MN3, MP2) über Transistorschalter (MN4, MP3, MP4, MN5) wechselweise angesteuert werden, so daß am Ausgang (SA) abhängig vom Schaltzustand (VZ) ein positiver oder negativer Referenz­strom zur Verfügung steht.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine bipolare Stromquelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Stromquellen, die einen positiven oder negativen Ausgangs­strom liefern können, sind bekannt und beispielsweise in dem Buch "Halbleiter-Schaltungstechnik" von U. Tietze, Ch. Schenk, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1980, Seite 54 folgende beschrieben. Eine dort angegebene Stromquelle liefert einen Ausgangsstrom, der proportional zu einer an­gelegten Eingangsspannung ist. Für einen Anwendungsfall, der entweder einen positiven oder negativen Referenzstrom er­fordert, ist eine Lösung mit einer Stromquelle für den posi­tiven und einer Stromquelle für den negativen Referenzstrom mit nachfolgender Multiplexschaltung üblich.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine in der Polari­tät umschaltbare Referenzstromquelle anzugeben, deren Referenz­strom einstellbar ist.

[0004] Diese Aufgabe wird bei einer bipolaren Stromquelle der ein­gangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

[0005] Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in Unteran­sprüchen gekennzeichnet.

[0006] Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.

[0007] Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen schaltbaren bipolaren Stromquelle,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Eingangsschaltung für eine erfindungsgemäße schaltbare bipolare Strom­quelle,

Fig. 3 ein Schaltbild einer nach dem Kaskode-Prinzip arbeitenden erfindungsgemäßen Stromquelle.

Fig. 4 ein Schaltbild einer nach dem Improved-Wilson-Prin­zip arbeitenden erfindungsgemäßen Stromquelle.

[0008] Gemäß Fig. 1 wird die erfindungsgemäße Schaltung von einer zwischen zwei Klemmen VDD und VSS einer Speisespannungs­quelle liegenden Spannung versorgt. Die Schaltung enthält einen ersten Stromspiegel mit Metalloxid-Halbleitertransi­storen vom n-Kanal-Typ und einen zweiten Stromspiegel mit Metalloxid-Hallbleitertransistoren vom p-Kanal-Typ, die hintereinander geschaltet sind und deren Ausgangstransistoren über Transistorschalter wechselweise angesteuert werden. In den ersten Stromspiegel wird über eine Klemme SE ein Strom Io eingespeist. Dieser erste Stromspiegel enthält den Eingangstransistor MN1, der als Diode geschaltet ist, den Spiegeltransistor MN2 und den Ausgangstransistor MN3. Während die Gates der Transistoren MN1 und MN2 direkt miteinander und mit der Eingangsklemme SE ver-bunden sind, liegt zwischen dem Gate des Transistors MN3 der Ausgangskreis eines Transistors MP3. Die als Source dienenden Anschlüsse der Transistoren MN1, MN2 und MN3 sind mit der Klemme VSS der Speisespannungsquelle verbunden. Zusätzlich liegt vor dem Gate des Transistors MN3 und der Klemme VSS der Speise­spannungsquelle der Ausgangskreis eines Transistors MN4.

[0009] In Serie zu den Ausgangskreisen der Transistoren MN2 und MN3 liegen die Ausgangskreise der Transistoren MP1 und MP2 des zweiten Stromspiegels. Das Gate des Transistors MP1 ist direkt mit dem Verbindungspunkt der Ausgangskreise der Transistoren MN2 und MP1 und über den Ausgangskreis eines Transistors MN5 mit dem Gate des Transistors MP2 verbunden. Die als Source dienenden Anschlüsse der Transistoren des zweiten Stromspiegels sind mit der Klemme VDD der Speise­spannungsquelle verbunden. Das Gate des Transistors MP2 liegt über dem Ausgangskreis eines Transistors MP4 ebenfalls an der Klemme VDD. Am Verbindungspunkt der Ausgangskreise der beiden Ausgangstransistoren MN3 und MP2 liegt die Klemme SA für den Stromausgang der Schaltung. Die Transistoren MN4 und MN5 sind im Ausfhrungsbeispiel vom n-Kanal-Typ und die Transistoren MP3 und MP4 vom p-Kanal-Typ; die Gates dieser letztgenannten vier Transistoren sind miteinander an einer Klemme VZ angeschlossen.

[0010] Der über die Klemme SE in die Schaltung fließende Strom Io wird vom als Diode geschalteten Transistor MN1 zunächst in den Spiegeltransistor MN2 gespiegelt und fließt damit auch durch den Eingangstransistor des zweiten Stromspiegels MP1. Abhängig vom Vorzeichen eines an der Klemme VZ liegenden Potentials werden nun entweder die Transistoren MN4 und MN5 gesperrt und die Transistoren MP3 und MP4 in den leitenden Zustand geschaltet oder paarweise umgekehrt. Erfindungs­wesentlich ist, daß die Ausgangstransistoren der beiden Stromspiegel abschaltbar sind, insbesondere wechselweise, wozu auch andere Schalteranordnungen oder andere Transi­stortypen dienen können.

[0011] Bei einem negativen Potential an der Klemme VZ leitet der Transistor MP3 und der Transistor MP4 sperrt. Der Eingangs­strom Io wird dann entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des ersten Stromspiegels, d.h. im wesentlichen entsprechend dem Verhältnis von Kanalweite zu Kanallänge des Transistors MN3 bezogen auf den Transistor MN1 in den Transistor MN3 gespiegelt. Der gleichzeitig durch die Transistoren MN2 und MP1 fließende Strom hat auf den Ausgangsstrom der Schaltung keinen Einfluß, da bei negativem Potential an der Klemme VZ der Transistor MN5 sperrt und der Transistor MP4 leitet, so daß der Ausgangstransistor MP2 des zweiten Stromspiegels ge­sperrt wird.

[0012] Bei einem positiven Potential an der Klemme VZ sind die Verhältnisse genau umgekehrt, d.h. der Transistor MP3 sperrt und der Transistor MN4 leitet, so daß der Ausgangstransis­tor MN3 sicher sperrt. Da andererseits in diesem Fall der Transistor MN5 leitet und der Transistor MP4 gesperrt ist, wird der Eingangsstrom Io zunächst gemäß dem Übersetzungs­verhältnis der Transistoren MN2 zu MN1 des ersten Strom­spiegels in den Transistor MN2 gespiegelt. Dieser dann eben­falls durch den Transistor MP1 fließende Strom wird gemäß dem Übersetzungsverhältnis des zweiten Stromspiegels, d.h. gemäß dem Übersetzungsverhältnis der Transistoren MP2 zu MP1 in den Transistor MP2 gespiegelt. Abhängig vom Potential der Klemme VZ ist damit der in die Ausgangsklemme SA fließende Referenz­strom entweder negativ oder positiv.

[0013] In Fig. 2 ist eine andere Ausgestaltung der Eingangs­schaltung der erfindungsgemäßen schaltbaren bipolaren Strom­quelle nach Fig. 1 angegeben. Der Ausgangskreis des Transis­tors MN1 ist mit dem als Drain dienenden Anschluß über einen Widerstand R mit einer Klemme GND zum Anschluß eines Be­zugspotentials verbunden. Der als Source dienende Anschluß dieses Transistors liegt am Pol VSS der Versorgungsspannungs­quelle. Das Gate des Transistors MN1 und damit das Gate des Transistors MN2 und ein Anschluß des Ausgangskreises des Transistors MP3 liegt am Ausgang eines Operationsverstärkers OP, dessen invertierender Eingang mit einer Klemme VREF zum Anschluß eines Referenzpotentials und dessen nichtinver­tierender Eingang mit dem Verbindungspunkt des Ausgangs­kreises des Transistors MN1 und des Widerstandes R verbunden ist. Die übrige Schaltung ist dann erfindungsgemäß ent­sprechend Fig. 1 ausgeführt. Gemäß dem an der Klemme VREF liegenden Referenzpotential wird der zu spiegelnde, durch den Transistor MN1 fließende Eingangsstrom Io vom Ausgang des Operationsverstärkers OP über den sverstärkers über den Transistor MN1 auf den Eingang des Operationsverstärkers gegengekoppelt und somit konstant gehalten.

[0014] Eine andere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltung ist vorgesehen, wenn der Innenwiderstand der Stromquellen erhöht werden soll. Dazu können die Transistoren der Strom­spiegel beispielsweise nach dem Kaskode-Prinzip oder nach dem Wilson- oder Improved-Wilson-Prinzip ausgebildet sein.

[0015] Fig. 3 zeigt eine nach dem Kaskode-Prinzip arbeitende Schaltung mit einer Eingangsschaltung gemäß Fig. 2. In ihr sind die Transistoren MN1,MN2 und MP1 gemäß Fig. 1 durch die Reihenschaltung jeweils zweier Transistoren N11 und N12, N21 und N22 sowie P11 und P12 ersetzt.

[0016] Gate- und Drainanschlüsse der Transistoren N12, P11 und P12 sind jeweils miteinander verbunden. Die Ansteuerung der Transistoren N11 und N12 erfolgt mit einer Eingangsschaltung gemäß Fig. 2.

[0017] Die Ausgangstransistoren MN3 und MP2 gemäß Fig. 1 sind durch die Parallelschaltung von drei, jeweils aus zwei in Reihe geschalteten Transistoren ersetzt. Die auf einen gemeinsamen Knotenpunkt geschalteten Drainanschlüsse bil­den den Schaltungsausgang und sind an die Klemmen 5A ge­ legt. Die gemeinsam angesteuerten Gates von N11 und N12 sind über den Ausgangskreis von MP3 an die Gates von N31, N33 und N35 angeschlossen. Ebenso ist das Gate von P12 über den Ausgangskreis von MN5 mit den Gates von P22, P24 und P26 verbunden. Jeweils gemeinsame Gateansteuerung be­sitzen die Transistoren N12, N22, N32, N34, N36 einer­seits und P11, P21, P23 und P25 andererseits. Erfindungsgemäß läßt sich die Kaskode-Schaltung gemäßt Fig. 3 mit nur einer Schalterkombination MN4, MN5, MP3, MP4 gemäß Fig. 1, die auf jeweils nur einen Gatekreis wirkt, betreiben. Die zwischen den Drainanschlüssen von N21 und P12 liegende Reihenschaltung der Widerstände RN und RG bewirkt eine Symmetrierung der Schaltung, d.h. gleiche Arbeitspunkte bzw. gleiche Drain-Source-Spannungen der Stromspiegeltransistoren, wenn die Last von der Klemme SA gegen die Bezugsklemme GND geschaltet wird. Dann liegt der Verbindungspunkt von RN mit RG virtuell auf dem Bezugspotential.

[0018] Durch Parallelschalten mehrerer Ausgangskreise läßt sich bei gleicher Dimmensionierung der Transistoren der Refe­renz-Ausgangsstrom entsprechend dem geänderten Übersetzungs­verhältnis des Stromspiegels vergrößern. Wählt man die von der Klemme SA gegen die Bezugsklemme GND zu schaltende ohmsche Last entsprechend der Übersetzung des Stromspie­gels kleiner als den Widerstand R, dann sind die Spannungs­abfälle über der Last und R gleich groß.

[0019] Fig. 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer nach dem Improved-Wilson-Prinzip arbeitenden Schal­tung mit einer Eingangsschaltung gemäß Fig. 2. Eine Schal­tung nach diesem Prinzip ermöglicht gleiche Drain-Source-­Spannungen der Transistoren durch einen gegenüber einer Wilson-Stromquelle zusätzlichen, als Diode geschalteten Transistor.

[0020] Die Schaltung gemäß Fig. 4 ergibt sich mit nachstehend aufgeführten Veränderungen aus der Schaltung gemäß Fig. 3, wobei die Bezugszeichen der Stromquellentransistoren ge­ändert wurden. Die Drain-Gate-Verbindungen von N12 und P11 (Fig. 3) entfallen für N2 und P1 (Fig. 4) dafür werden bei N22, N32, N34, N36, P21, P23 und P25 (Fig. 3) Drain-­Gate-Verbindungen vorgesehen, so daß sich die Elemente N4, N6, N8, N10, P5, P7 und P9 (Fig. 4) ergeben. Zusätz­lich wird jeweils der noch nicht geschaltete Gatekreis der Ausgangstransistoren mit von der Klemme VZ steuerba­ren Schalttransistoren MN41, MN51, MP31 und MP41 versehen. die in dieser Reihenfolge jeweils den Transistoren MN4, MN5, MP3 und MP4 für den jeweils anderen Gatekreis ent­sprechen.

[0021] Zusätzlich ist von der Klemme VDD gegen die Bezugsklemme GND die Reihenschaltung der Ausgangskreise zweier Tran­sistoren P3 und P4 sowie ein Widerstand RG geschaltet. Drain und Gate von P3 sind miteinander und mit dem Gate von P1 und das Gate von P4 ist mit dem Gate von P2 ver­bunden. Diese Anordnung dient zur Symmetrierung der Schaltung, um gleiche Arbeitspunkte für alle Transistoren zu gewährleisten. Ebenfalls gehören die Widerstände RN und RP sowie R und eine von der Klemme SA gegen das Be­zugspotential zu schaltenden ohmsche Last entsprechend den Ausführungen zu Fig. 3 zur Sicherung gleicher Ar­beitspunkte für die Transistoren.

[0022] Die gemäß den Figuren 1 bis 4 als Ausführungsbeipsiele ange­führten erfindungsgemäßen Schaltungen enthalten Metalloxid-­Halbleitertransistoren, wobei die Buchstaben N oder P der Bezugszeichen den Kanal-Typ angehen. Ein Schaltungsaufbau mit Metalloxid-Halbleitertransistoren anderen Typ wird von der Lehre der Erfindung umfaßt. Ebensogut läßt sich diese Schaltung jedoch mit Hilfe von bipolaren Transistoren realisieren. Speziell in der Ausführung mit Metalloxid-­Halbleiter-Transistoren ergibt sich die Möglichkeit, den Ausgangs- Referenzstrom mit einfachen Mitteln zu vergrößern, indem weitere Metalloxid-Transistoren den Ausgangstransi­storen unter Beachtung des Kanaltyps parallel geschaltet werden oder das im wesentlichen den Strom bestimmende Verhältnis von Kanalweite zu Kanallänge vergrößert wird.

Ansprüche

1. Bipolare Stromquelle mit einer Speisespannungsquel­le (VDD, VSS), einem ersten Stromspiegel (MN1, MN2, MN3; N11, N12, N21, N22, N31 bis N36; N1 bis N10) mit Tran­sistoren eines Typs und einem zweiten Stromspiegel (MP1, MP2; P11, P12, P21 bis P26; P1 bis P10) mit Transisto­ren vomanderen Typ, die eine Eingangs- und Ausgangstran­sistoranordnung (MN1, MP1; N11, N12, P11, P12; N1, N2, P1, P2; MN3, MP2; N31 bis N36, P21 bis P26; N5 bis N10, P5 bis P10) enthalten, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Stromspiegel (MN1 bis MN3, MP1, MP2; N11, N12, N21, N22, N31 bis N36, P11, P12, P21 bis P26; N1 bis N10, P1 bis P10) hintereinander ge­schaltet sind und ihre Ausgangstransistorenordnung (MN3, MP2; N31 bis N36, P21 bis P26; N5 bis N10, P5 bis P10) abschaltbar ist.

2. Bipolare Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stromspiegel (MN1 bis MN3; N11, N12, N21, N22, N31 bis N36; N1 bis N10) eine Spiegeltransistoranordnung (MN2; N21, N22; N3, N4) enthält, die mit ihrem Ausgangskreis in Serie zum Aus­gangskreis der Eingangstransistoranordnung (MP1; P11, P12; P1, P2) des zweiten Stromspiegels (MP1, MP2; P11, P12, P21 bis P26; P1 bis P10) liegt.

3. Bipolare Stromquelle nach Anspruch 1 oder 2, da­durch gekennzeichnet, daß Ein­gangstransistoren (MN1, MP1; N12, P11, P12; N4, P2, P3) der Eingangstransistoranordnung (MN1, MP1; N11, N12, P11, P12; N1, N2, P1 bis P4) als Dioden geschaltet sind.

4. Bipolare Stromquelle nach Anspruch 1 oder 2, da­durch gekennzeichnet, daß ein Eingangstransistor (MN1; N11; N1) der Eingangstransistor­anordnung des ersten Stromspiegels (MN1 bis MN3; N11, N12, N21, N22, N31 bis N36; N1 bis N10) mit seinem Aus­gangskreis über einen Widerstand (R) mit einem Bezugs­potential (GND) und mit seinem Steuereingang mit dem Ausgangs eines Operationsverstärkers (OP) verbunden ist, an dessen invertierenden Eingangs (-) ein Referenz­potential (VREF) und an dessen nichtinvertierenden Ein­gang (+) das Potential des Verbindungspunktes des Wi­derstandes (R) mit dem Ausgangskreis des Eingangstran­sistors (MN1, N11; N1) liegt, und daß mindestens ein Eingangstransistor (MP1; P12; P2) der Eingangstransistor­anordnung des zweiten Stromspiegels (MP1, MP2; P11, P12, P21 bis P26; P1 bis P10) als Diode geschaltet ist.

5. Bipolare Stromquelle nach Anspruch 1 bis 4, da­durch gekennzeichnet, daß die Transistoren der Stromspiegel als Kaskode-Transistor­stufen (N11, N12, N21, N22, N31 bis N36, P11, P12, P21 bis P26) ausgebildet sind.

6. Bipolare Stromquelle nach Anspruch 1 bis 4, da­durch gekennzeichnet, daß die Transistoren der Stromspiegel als Wilson-Stromquelle ausgebildet sind.

7. Bipolare Stromquelle nach Anspruch 1 bis 4, da­durch gekennzeichnet, daß die Transistoren der Stromspiegel als Improved-Wilson-­Stromquelle (N1 bis N12, P1 bis P12) ausgebildet sind.

8. Bipolare Stromquelle nach Anspruch 1 bis 7, da­durch gekennzeichnet, daß den Steueranschlüsse der Ausgangstransistoranordnung (MN3, MP2; N5 bis N10, P5 bis P10) jeweils der Ausgangskreis eines Transistors (MP3, MN5; MP3, MP31, MN5, MN51) vor­geschaltet und den Steueranschlüssen und den speise­spannungsseitigen Ausgangsanschlüssen der Ausgangs­transistoranordnung (MN3, MP2; N5 bis N10, P5 bis P10) jeweils der Ausgangskreis eines Transistors (MN4, MP4; MN4, MN41, MP4, MP41) parallel geschaltet ist.

9. Bipolare Stromquelle nach Anspruch 1 bis 8, da­durch gekennzeichnet, daß die vorgeschalteten Transistoren (MP3, MN5; MP3, MP31, MN5, MN51) vom entgegengesetzten Typ und die parallelge­schalteten (MN4, MP4; MN4, MN41, MP4, MP41) vom glei­chen Typ wie die zugehörigen Ausgangstransistoren (MN3, MP2; N5 bis N10, P5 bis P10) sind und ihre Steueran­schlüsse mit einer gemeinsamen Steuerklemme (VZ) verbun­den sind.

10. Bipolare Stromquelle nach Anspruch 1 bis 9, da­durch gekennzeichnet, daß in je­dem Stromapiegel jeweils nur ein Zweig der Steueran­schlüsse der Ausgangstransistoranordnung (N31 bis N36, P21 bis P26; N5 bis N10, P5 bis P10; Fig. 3) gemäß den Ansprüchen 8 und 9 ausgestaltet ist.

11. Bipolare Stromquelle nach Anspruch 1 bis 10, da­durch gekennzeichnet, daß die Spie­geltransistoranordnung (MN2; N21, N22; N3, N4) des ersten Stromspiegels (MN1 bis MN3; N11, N12, N31 bis N36; N1 bis N10) mit der Eingangstransistoranordnung (MP1; P11, P12, P1, P2) des zweiten Stromspiegels (MP1, MP2; P11, P12, P21 bis P26; P1 bis P10) über wenigstens einen, ins­besondere zwei gleiche Widerstände verbunden ist.

12. Bipolare Stromquelle nach Anspruch 1 bis 11, da­durch gekennzeichnet, daß die Transistoren der Stromspiegel im gleichen Arbeitspunkt betrieben werden.

13. Bipolare Stromquelle nach Anspruch 1 bis 12, ge­kennzeichnet durch Ausbildung mit komple­mentären Metalloxid-Halbleitertransistoren.

Zeichnung