Integrierte Konstantstromquelle

Abstract

 Integrierte Konstantstromquelle mit einem Operationsverstärker (OP) zum Vergleich einer Referenzspannung (U_ref) mit einem don dessen Ausgangssignal abgeleiteten Vergleichssignal zur Konstanthaltung eines von einem ersten Stromspiegel (T₃,T₄) aus dem Operationsverstärker-Ausgangssignal abgeleiteten Ausgangsstroms (I_a), bei der zur Eliminierung von durch die Basisströme sowie des Earty-Effektes von Transistoren (T₃,T₄,) des ersten Stromspiegels (T₃,T₄) bedingten Schwankungen des Ausgangsstroms (1.) ein zweiter Stromspiegel (T₇,T₈) vorgesehen ist, in den ein vom Vergleichssignal abgeleiteter Fehlerstrom einspeisbar ist und der mit dem den Ausgangsstrom (l_a) liefernden ersten Stromspiegel (T₃,T₄) über einen Spannungsfolger (OP,) gekoppelt ist.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Konstantstromquelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer integrierten Konstantstromquelle der gattungsgemäßen Art. Ein derartige Konstantstromquelle enthält einen Operationsverstärker UP, der eine an seinem invertierenden Eingang eingespeiste Referenzspannung U_ref mit einer an einem Referenzwiderstand R_Ref abfallenden Spannung vergleicht. Zur Erzeugung dieser Spannung ist an den Ausgang des Operationsverstärkers OP eine Transistorstufe T₁ angekoppelt, welche die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers in einen entsprechenden Strom überführt. Ein mit I_c1 bezeichneter.Kollektorstrom dieser Transistorstufe T₁ fließt über den Referenzwiderstand R_ref, an dem aufgrund des ihn durchfließenden Stromes I_c1 eine Spannung abfällt, die in den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP eingespeist wird. Aufgrund des durch den Operationsverstärker OP durchgeführten Vergleichs wird die Transistorstufe T₁ so angesteuert, daß die Referenzspannung U_ref und die am Referenzwiderstand R_ref abfallende Spannung gleich sind. Damit ist das Produkt aus dem Kollektorstrom I_c1 der Transistorstufe T₁ und dem Wert des Referenzwiderstandes R_ref gleich der Referenzspannung U_ref. Das bedeutet, daß auch der Kollektorstrom Ic₁ konstant ist.

[0003] Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, sind der Emitter der Transistorstufe T₁ sowie der Emitter einer im folgenden noch zu erläuternden Transistorstufe T₂ mit weiterer Lz 1 EM /9.7.1984 Beschaltung an eine Versorgungsspannung geführt. An der insoweit beschriebenen Konstantstromquelle wäre ein konstanter Strom bezogen auf die Versorgungsspannung abnehmbar. Für viele Anwendungsfälle einer in Rede stehenden Konstantstromquelle ist es jedoch erwünscht, den konstanten Strom gegen Bezugspotential (Masse) abzunehmen.

[0004] Zu diesem Zweck ist an den Ausgang des Operationsverstärkers OP die weitere Transistorstufe T₂ angekoppelt, im Kreis von deren Kollektor-Emitter-Strecke ein durch Transistoren T₃, T₄ gebildeter Stromspiegel gegen Bezugspotential (Masse) liegt. Dieser Stromspiegel wird durch einen im Kollektor-Emitterkreis der Transistorstufe T₂ liegenden, als Diode geschalteten Bezugstransistor T₃ sowie einen von diesem gesteuerten Transistor T₄ gebildet, wobei über den letztgenannten Transistor T₄ und einen Ausgang A der Konstantstromquelle ein konstanter Ausgangsstrom I_a über einen nicht dargestellten, an den Ausgang A angekoppelten Verbraucher fließt.

[0005] Für den mit I_c2 bezeichneten Kollektorstrom der Transistorstufe T₂ und damit - aufgrund der bekannten Funktion des _St_romspi_eg_{els T3}, _T4 - für den Ausgangsstrom I_a gelten die gleichen Zusammenhänge, wie dies oben für den Kollektorstrom I_c1 der Transistorstufe T₁ erläutert wurde.

[0006] Die Konstanz der Ströme und insbesondere des Ausgangsstroms I_a gilt jedoch nur in erster Näherung. Betrachtet man das Stromverhältnis beispielsweise im Promillebereich genauer, so zeigt sich, daß die Konstanz des Ausgangsstroms I_a für viele Anwendungsfälle nicht genau genug ist. Von dem von der Transistorstufe T₂ gelieferten Kollektorstrom I_c2 geht nämlich ein Anteil verloren, der als Ansteuerstrom in Form von Basisströmen I_B3 und I_B4 für die Ansteuerung der Stromspiegel-Transistoren T₃, T₄ erforderlich ist. Insbesondere hängen die genannten Basisströme von den Stromverstärkungen der Stromspiegel-Transistoren T₃,T₄ ab, welche stark streuen können, wobei diese Streuung entsprechend in den Ausgangsstrom I_a eingeht. Dieser Effekt verstärkt sich noch, wenn zur Einstellung eines vorgegebenen Ausgangsstroms I_a im Stromspiegel für die Transistoren T₃ und T₄ ein Emitter-und/oder Kollektorflächenverhältnis von 1:n gewählt wird, d.h. die Emitter- und/oder Kollektorfläche des Transistors T₄ n-mal größer als die Emitter- und/oder Kollektorfläche des Transistors T₃ ist.

[0007] Weiterhin wird die Ausgangsstromkonstanz auch durch den sogenannten Early-Effekt nachteilig beeinflußt, wobei es sich darum handelt, daß im aktiven Teil des Kennlinienfeldes eines Transistors der Kollektorstrom nicht unabhängig von der Kollektor-Emitterspannung ist, d.h. im Kennlinienfeld horizontal verläuft, sondern mit zunehmender Kollektor-Emitterspannung ebenfalls ansteigt.

[0008] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer integrierten Konstantstromquelle der vorstehend erläuterten Art eine Schaltung zur Kompensation von durch die Basisströme im Stromspiegel bedingten Schwankungen des Ausgangsstroms anzugeben, wobei diese Schaltung auch gleichzeitig zur Kompensation des Early-Effektes herangezogen werden kann.

[0009] Diese Aufgabe wird bei einer integrierten Konstantstromquelle der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

[0010] Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

[0011] Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in Fig. 2 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Fig. 2 zeigt dabei ein Schaltbild einer erfindungsgemäß erweiterten integrierten Konstantstromquelle nach Fig. 1, wobei in den Figuren 1 und 2 gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

[0012] Hinsichtlich des Operationsverstärkerteils, des Referenzkreises T₁, R_ref und des Stromspiegelkreises T₂,T₃,T₄ stimmt die Schaltungsanordnung nach Fig.2 mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 überein, so daß hier auf die entsprechenden Ausführungen zur Schaltungsanordnung nach Fig. 1 verwiesen werden kann.

[0013] Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 enthält einen weiteren Stromspiegel T₇,T₈, wobei im Kollektor-Emitterkreis des gesteuerten Transistors T₇ dieses Stromspiegels ein Transistor T₆ liegt, der mit seiner Basis an den Referenzwiderstand R_ref angekoppelt ist. Ober diesen Transistor T₆, der die am Widerstand R_ref stehende Spannung in einen entsprechenden Strom überführt, "holt" sich der Stromspiegel T₇,T₈ einen Strom, in den ebenfalls der durch die Basisströme der Transistoren T₇,T₈ bedingte Fehler eingeht. Dieser Fehlerstrom ist in Fig. 2 mit I_F bezeichnet. Unter der Voraussetzung, daß sich die Transistoren T₃,T₄ des ersten Stromspiegels und die Transistoren T₇, T₈ in ihren Eigenschaften entsprechen, entsteht also im zweiten Stromspiegel T₇₁ T₈ der gleiche durch die Basisströme bedingte Fehler, wie dies durch die Basisströme IB₃,IB₄ im ersten Stromspiegel T₃,T₄ bedingt ist. In monolithisch integrierter Technik ist praktisch immer erfüllt, daß die Eigenschaften der genannten Transistoren im wesentlichen miteinander übereinstimmen. Mindestens ist es jedoch mit sehr guter Ausbeute möglich, durch entsprechend schafte Messungen diejenigen Exemplare auszuschalten, in denen die Transistoren T₃,T₄ des ersten Stromspiegels bzw. T₇, T₈ des zweiten Stromspiegels nicht ausreichend gut "gepaart" sind.

[0014] Da also von den über den Referenzwiderstand R_ref fließenden Kollektorstrom I_c1 der Transistorstufe T₁, d.h.,vom Referenzstrom, der Fehlerstrom entsprechend den Basisströmen im Stromspiegel T₇,T₈ subtrahiert wird, ergibt sich, wenn überhaupt, ein sehr kleiner resultierender Fehler im Ausgangsstrom I_a. Aus den vorstehenden Ausführungen folgt, daß für die durch die Basisströme in einem Stromspiegel bedingten Fehler eine Kompensation allein dadurch durchgeführt werden könnte, daß der Transistor T₆ ebenso wie die Transistoren T₁,T₂,T₅ an die Versorgungsspannung geführt würde. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nach Fig. 2 besitzt jedoch den weiteren Vorteil, daß mit der Kompensation der genannten, durch die Basisströme in einem Stromspiegel bedingten Fehler in einfacher Weise auch gleichzeitig eine Kompensation von durch den Early-Effekt der Stromspiegel-Transistoren bedingten Fehler möglich ist. Dieser Fehler ergibt sich dadurch, daß die Kollektoren der Transistoren T₃,T₄ des ersten Stromspiegels aufgrund des Early-Effektes unterschiedliche Potentiale haben können.

[0015] Um diesen Fehler gleichzeitig zu kompensieren, ist die den konstanten, aber noch mit Fehlern aufgrund des Early-Effektes behafteten Ausgangsstrom I, führende Transistorstufe T₄ über einen als Spannungsfolger geschalteten weiteren Operationsverstärker OP, an die an den Referenzwiderstand R_ref angekoppelte Transistorstufe T₆ gekoppelt. Dieser Transistor T₆ liegt dabei mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke im Kreis der den gespiegelten Strom führenden Transistorstufe T₇ des zweiten Stromspiegels T₆, T₇ und mit seiner Basis am Referenzwiderstand R_rer. Da ein als Spannungsfolger (durch Rückkopplung seines Ausgangs auf den invertierenden Eingang) geschalteter Operationsverstärker die Spannungsverstärkung 1 besitzt, liegt am Kollektor des Transistors T₆ die gleiche Spannung wie am Kollektor des den Ausgangsstrom I_a führenden Transistors T₄ des ersten Stromspiegels T3,T4, so daß am Transistor T₆ der gleiche Early-Effekt wirksam ist, wodurch eine Kompensation von durch den Early-Effekt im Ausgangsstrom Ia bedingten Fehlern realisiert ist.

[0016] Wenn, wie eingangs anhand der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ausgeführt wurde, zur Einstellung eines vorgegebenen Wertes des Ausgangsstroms I_a ein erster Stromspie- ^gel T₃,T₄ gewählt wird, in dem der als Diode geschaltete Bezugstransistor T₃ und der von diesem gesteuerte, den (gespiegelten) konstanten Ausgangsstrom I_a führende Transistor T₄ ein Emitter- und/oder Kollektorflächenverhältnis von 1:n besitzen, so ist in Weiterbildung der Erfindung zur Berücksichtigung dieses Flächenverhältnisses vorgesehen, daß der an den Referenzwiderstand R_ref und den weiteren Operationsverstärker OP₁ gekoppelte Transistor T₆ bezogen auf die Emitter- und/oder Kollektorfläche des Bezugstransistors T₃ des ersten Stromspiegels T₃,T₄ ein n-fache Emitter- und/oder Kollektorfläche und der als Diode geschaltete als Bezugstransistor wirkende Transistor T₈ sowie der den gespiegelten Strom.führende Transistor T₇ des zweiten Stromspiegels T₇,T₈ ein Emitter- und/ oder Kollektorflächenverhältnis von 1:(n+1) besitzen. Damit bleibt die kompensierende Wirkung auch für einen durch das Verhältnis n festgelegten Ausgangsstrom I_a erhalten.

Ansprüche

1. Integrierte Konstantstromquelle mit

einem Operationsverstärker (OP), dem an seinem invertierenden Eingang (-) eine Referenzspannung (U_ref) führbar ist und an dessen Ausgang ein seine Ausgangsspannung in einen Strom (I_c1) überführende erste Stufe (T₁) angekoppelt ist,

einem im Kreis der ersten Stufe (T₁) liegenden Referenzwiderstand (R_ref), von dem zur Kopplung der an ihm abfallenden Spannung eine Kopplung auf den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OP) vorgesehen ist, einer zweiten an den Ausgang des Operationsverstärkers (OP) angekoppelten, dessen Ausgangsspannung in einen Strom (I_c2) überführenden Stufe (T₂)

und einem ersten, einen in erster Näherung konstanten Ausgangstrom (I_a) liefernden Stromspiegel (T₃,T₄) im Kreis der zweiten Stufe (T₂)_'
gekennzeichnet durch

eine dritte an den Ausgang des Operationsverstärkers (OP) angekoppelte, dessen Ausgangsspannung in einen Strom (I_c5) überführende Stufe (T₅), einen zweiten im Kreis der dritten Stufe (T_S) liegenden Stromspiegel (T₇,T₈) und

eine an den Referenzwiderstand (R_ref) gekoppelte Stufe (T₆), die im Kreis der Stufe (T₇) des zweiten.Stromspiegels (T₇,T₈)liegt, welcher den gespiegelten Strom führt.

2. Integrierte Konstantstromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die den konstanten Ausgangsstrom (I_a) führende Stufe (T₄) des ersten Stromspiegels (T₃,T₄) über einen als Spannungsfolger geschalteten weiteren Operationsverstärker (OP₁) an die an dem Referenzwiderstand (R_ref) angekoppelte Stufe (T₆) gekoppelt ist.

3. Integrierte Konstantstromquelle nach Anspruch 1/oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die an den Referenzwiderstand (R_ref) gekoppelte Stufe (T₆) durch einen Transistor gebildet ist, der mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke im Kreis der den gespiegelten Strom führenden Stufe (T₇) des zweiten Stromspiegels (T₆, T₇ ) und mit seiner Basis am Referenzwiderstand (R_ref) liegt.

4. Integrierte Konstantstromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem ersten Stromspiegel (T₃,T₄), in dem ein als Diode geschalteter Bezugstransistor (T₃) und der von diesem gesteuerte, den (gespiegelten) konstanten Ausgangsstrom (I_a) führende Transistor (T₄) ein Emitter- und/oder Flächenverhältnis von 1:n besitzen, dadurch gekennzeichnet,
daß
der an den Referenzwiderstand (R_ref) und den weiteren Operationsverstärker (OP₁) gekoppelte Transistor (T₆) bezogen auf die Emitter- und /oder Kollektorfläche des Bezugstransistors (T₃) des ersten Stromspiegels (T₃,T₄) eine n-fache Emitter- und/oder Kollektorfläche und ein als Diode geschalteter Bezugstransistor (T₈) sowie der den gespiegelten Strom führende Transistor (T₇) des zweiten Stromspiegels (T₇,T₈) ein Emitter- und/oder Kollektorflächenverhältnis von 1:(n+1)
besitzen.

Zeichnung