Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Generierung sehr kleiner Ströme.

In DE-A-3124289 ist eine Schaltung beschrieben, die einen Stromspiegel enthält. EP-A-0366253 beschreibt eine Schaltung mit einem rausch-unempfindlichen Stromspiegel zur Erzeugung eines gespiegelten Ausgangsstromes. DE-A-3139166 beschreibt eine mittels eines Stromspiegels steuerbare Stromquelle mit Begrenzer-Eigenschaften. US-4,673,867 beschreibt eine Stromspiegelschaltung, deren Ausgangsstrom ein temperatur-unabhängiges Verhältnis zu einem Referenzstrom hat. Keines dieser Dokumente enthält einen gestuften Stromspiegel zur Erzeugung sehr kleiner Ströme.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung anzugeben, mit der sehr kleine Ströme generiert werden können. Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebene erfindungsgemäße Schaltung gelöst.

Zur Generierung von sehr kleinen Strömen, z.B. im nA-Bereich, kann zwar eine mehrfache Stromspiegelung mit Hilfe von Mehrfachemittern eingesetzt werden, aber die damit generierten Ströme sind abhängig von Parametertoleranzen und von Temperaturen. Außerdem benötigen solche Schaltungen eine relativ große Chipfläche, wenn sie in einem integrierten Schaltkreis implementiert sind.
Im Prinzip besteht die erfindungsgemäße Lösüng darin, daß Mittel zur Stromspiegelung (13, 23, 33) mit Mitteln zur Betragsänderung (14, 24, 34) des gespiegelten Stromes verbunden sind, wobei das Verhältnis von einem in die Mittel zur Stromspiegelung eingespeisten Referenzstrom (I_ref) zu einem mit den Mitteln zur Betragsänderung zur Verfügung gestellten Strom (I_out/ I_out′) mit einem oder mehreren in den Mitteln zur Betragsänderung enthaltenen Bauelementen (R, R′) eingestellt werden kann, wobei die Mittel zur Stromspiegelung einen oder mehrere Transistoren (13, 23, 28, 33, 38) und die Mittel zur Betragsänderung einen oder mehrere Transistoren (14, 24, 27, 34, 37) enthalten können und das in den Mitteln zur Betragsänderung enthaltene Bauelement zur Einstellung aus einem Widerstand (R) oder aus mehreren Widerständen (R, R′) bestehen kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schaltung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 9.

Über die Dimensionierung eines ersten Widerstands R im Emitter des Ausgangstransistors einer Stromspiegelschaltung läßt sich das Verhältnis von Referenzstrom der Stromspiegelschaltung zu erstem Ausgangsstrom am Kollektor des Ausgangstransistors einstellen. Durch die Hinzufügung einer zweiten Stromspiegelstufe mit einem darin enthaltenen zweiten Widerstand R′ und mit einem zweiten Ausgangsstrom ergibt sich für R = R′ das dem Verhältnis von Referenzstrom zu erstem Ausgangsstrom entsprechende Verhältnis von erstem Ausgangsstrom zu zweitem Ausgangsstrom, wobei bei Verwendung eines integrierten Schaltkreises nur eine relativ kleine Chipfläche benötigt wird.
Vorteilhaft läßt sich diese Untersetzung der Ströme noch vergrößern, indem ein Transistor in der zweiten Stromspiegelstufe als Mehrfachtransistor ausgelegt wird.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1

eine Stromspiegelstufe;

Fig. 2

eine mit einer zweiten Stromspiegelstufe erweiterte Stromspiegel-Schaltung;

Fig. 3

eine mit einer zweiten Stromspiegelstufe erweiterte Stromspiegel-Schaltung mit Ausgangsstrom-Abschaltmöglichkeit.

In Fig. 1 ist eine Stromspiegelschaltung mit einem ersten Stromspiegel-Transistor 13 und einem ersten Transistor 14 dargestellt. Von einer Betriebsspannung 10 aus wird der Kollektor des ersten Stromspiegel-Transistors über eine Stromquelle 11 mit einem Referenzstrom I_ref gespeist. Die Basis und der Kollektor des ersten Stromspiegel-Transistors sind mit der Basis des ersten Transistors verbunden. Der Emitter des ersten Stromspiegel-Transistors liegt direkt und der Emitter des ersten Transistors über einen ersten Widerstand R an Masse. Der offene Kollektor des ersten Transistors liefert den Ausgangsstrom I_out. Über die Dimensionierung des ersten Widerstands R läßt sich das Verhältnis von I_ref zu I_out einstellen:$${\text{I}}_{\text{out}}{\text{*R = U}}_{\text{T}}{\text{*ln(I}}_{\text{ref}}{\text{/I}}_{\text{out}}\text{),}$$
wobei U_T die Temperaturspannung ist.

Vorteilhaft läßt sich I_out noch verringern, indem man den ersten Transistor 14 als Mehrfachtransistor auslegt. Dann gilt:$${\text{I}}_{\text{out}}{\text{*R = U}}_{\text{T}}{\text{*ln(I}}_{\text{ref}}{\text{*k/I}}_{\text{out}}\text{),}$$
wobei k die Anzahl der parallelgeschalteten Transistoren an Stelle des ersten Transistors ist.

In Fig. 2 ist eine gestufte Stromspiegelschaltung mit einem ersten Stromspiegel-Transistor 23 und einem ersten Transistor 24 dargestellt. Von einer Betriebsspannung 20 aus wird der Kollektor des ersten Stromspiegel-Transistors über eine Stromquelle 21 mit einem Referenzstrom I_ref gespeist. Die Basis und der Kollektor des ersten Stromspiegel-Transistors sind mit der Basis des ersten Transistors und mit einem zweiten Widerstand R′ verbunden. Der Emitter des ersten Stromspiegel-Transistors liegt direkt und der Emitter des ersten Transistors über einen ersten Widerstand R an Masse. Der offene Kollektor des ersten Transistors liefert den Ausgangsstrom I_out.
Die andere Seite des zweiten Widerstands R′ ist mit der Basis eines zweiten Transistors 27 und mit Kollektor und Basis eines zweiten Stromspiegel-Transistors 28 verbunden. Der Emitter des zweiten Stromspiegel-Transistors liegt auf Masse und der Emitter des zweiten Transistors ist an den Emitter des ersten Transistors angeschlossen. Der offene Kollektor des zweiten Transistors liefert den reduzierten Ausgangsstrom I_out′.
Dann gilt (für R = R′):$${\text{I}}_{\text{out}}{\text{*R = U}}_{\text{T}}{\text{*ln(I}}_{\text{out}}{\text{/I}}_{\text{out}}\text{′).}$$

Vorteilhaft läßt sich I_out′ noch verringern, indem man den zweiten Stromspiegel-Transistor 28 als Mehrfachtransistor auslegt.
Dann gilt (für R = R′):$${\text{I}}_{\text{out}}{\text{*R = U}}_{\text{T}}{\text{*ln(I}}_{\text{out}}{\text{/(I}}_{\text{out}}\text{′*n)),}$$
wobei n die Anzahl der parallelgeschalteten Transistoren an Stelle des zweiten Stromspiegel-Transistors ist.

Falls sowohl der erste Transistor 24 als auch der zweite Stromspiegel-Transistor 28 durch k bzw. n Mehrfachtransistoren ersetzt wird, gilt (für R = R′):$${\text{I}}_{\text{out}}{\text{*R = U}}_{\text{T}}{\text{*ln(I}}_{\text{ref}}{\text{*k/I}}_{\text{out}}\text{),}$$$${\text{I}}_{\text{out}}{\text{*R = U}}_{\text{T}}{\text{*ln(I}}_{\text{out}}{\text{/(I}}_{\text{out}}\text{′*n)).}$$

Mit R = R′ und k = n = 1 ergibt sich vorteilhaft für I_out/I_out′ das gleiche Stromverhältnis wie für I_ref/I_out.

Auf diese Weise lassen sich mit geringer Chipfläche Stromquellen z.B. für den Bereich von 1...500nA realisieren. Solche Stromquellen lassen sich beispielsweise für die Realisierung voll-integrierter Integrator-Schaltungen mit langen Integrationszeiten z.B. im Bereich, 0.015...0.06s, und sehr kleinen Integrationskapazitäten, z.B. im Bereich 5...20pF, verwenden.

In Fig. 3 ist eine gestufte Stromspiegelschaltung mit einem ersten Stromspiegel-Transistor 33 und einem ersten Transistor 34 dargestellt. Von einer Betriebsspannung 30 aus wird der Kollektor des ersten Stromspiegel-Transistors über eine Stromquelle 31 mit einem Referenzstrom I_ref gespeist. Die Basis und der Kollektor des ersten Stromspiegel-Transistors sind mit der Basis des ersten Transistors und mit einem zweiten Widerstand R′ verbunden. Der Emitter des ersten Stromspiegel-Transistors liegt direkt und der Emitter des ersten Transistors über einen ersten Widerstand R an Masse. Der offene Kollektor des ersten Transistors liefert den Ausgangsstrom I_out.
Die andere Seite des zweiten Widerstands R′ ist mit der Basis eines zweiten Transistors 37 und mit Kollektor und Basis eines zweiten Stromspiegel-Transistors 38 verbunden. Der Emitter des zweiten Stromspiegel-Transistors liegt auf Masse und der Emitter des zweiten Transistors ist an den Emitter des ersten Transistors angeschlossen. Der offene Kollektor des zweiten Transistors liefert den reduzierten Ausgangsstrom I_out′.
Es gelten die gleichen Beziehungen wie für Fig. 2, jedoch lassen sich die Ströme I_out und I_out′ durch den zusätzlichen Schaltstrom I_off abschalten. Es gilt:
I_off*R ungefähr ≧ 0.5 V.