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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine temperaturstabile Stromquellenanordnung.
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Bekannte Konstantstromquellen erzeugen
in hinlänglich
bekannter Weise eine Referenzspannung, die an einem ohmschen Widerstand
anliegt, wobei der Widerstand von einem über den Widerstandswert zu
der Referenzspannung in Beziehung stehenden Strom durchflossen wird,
der in geeigneter Weise abgegriffen wird. Dabei ist es bekannt,
als Referenzspannung die Basis-Emitter-Spannung eines leitend angesteuerten
Bipolartransistors zu verwenden. Diese Basis-Emitter-Spannung eines
leitend angesteuerten Bipolartransistors ist von dem verwendeten
Halbleitermaterial und der Temperatur abhängig und beträgt bei Silizium
bei Raumtemperatur etwa 0,7 V. Diese von der Temperatur abhängige Basis-Emitter-Spannung
besitzt einen negativen Temperaturkoeffizienten, d.h. die zwischen
Basis und Emitter eines leitend angesteuerten Bipolartransistors
anliegende Spannung sinkt mit zunehmender Temperatur. Stromquellenschaltungen,
welche die Basis-Emitter-Spannung
eines leitend angesteuerten Bipolartransistors als Referenzspannung
für die
Konstantstromerzeugung verwenden, sind beispielsweise in Tietze,
Schenk: "Halbleiter-Schaltungstechnik", 11. Auflage, Springer-Verlag,
Berlin, Seiten 310 und 311, beschrieben.
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Des weiteren ist es bei sogenannten Bandabstands-Referenzen
bekannt, eine Referenzspannung bereitzustellen, die von der Differenz
der Basis-Emitter-Spannung zweier leitend angesteuerter Bipolartransistoren
abhängig
ist, wobei die beiden Bipolartransistoren entweder mit unterschiedlichen Emitterströmen betrieben
werden oder unterschiedlich große
Transistorflächen
aufweisen. Allerdings unterliegt auch die von einer Bandabstands-Referenz
bereitgestellte, von der Differenz zweier Basis-Emitter-Spannungen
abhängige
Referenzspannung einer Temperaturdrift. Beispiele für Bandabstands-Referenzen
sind beispielsweise in Tietze, Schenk, a.a.o., Seiten 975 bis 977
beschrieben. Zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Referenzspannung
ist es bekannt, die Referenzspannung an eine Widerstandsschaltung
anzulegen, die so gewählt
ist, dass deren Temperaturkoeffizient den Temperaturkoeffizienten
der Referenzspannung kompensiert, um dadurch einen von der Temperatur unabhängigen Strom
durch die Widerstandsschaltung zu erreichen. Allerdings unterliegen
die für
solche Zwecke verwendeten Widerstände Streuungen, so dass der
bereitgestellte Konstantstrom von Schaltung zu Schaltung variieren
kann.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist
es, eine verbesserte Stromquellenanordnung zur Verfügung zu
stellen, die einen temperaturstabilen Konstantstrom zur Verfügung stellt.
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Dieses Ziel wird durch eine Stromquellenanordnung
gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Stromquellenanordnung umfasst
eine an ein Versorgungspotential angeschlossene Referenzspannungsquelle,
die eine erste, eine zweite und eine dritte Anschlussklemme aufweist,
wobei zwischen der zweiten und der dritten Anschlussklemme eine
erste Referenzspannung mit einem ersten Temperaturkoeffizienten
und zwischen der ersten und der dritten Anschlussklemme eine zweite
Referenzspannung mit einem zweiten Temperaturkoeffizienten anliegt,
wobei der zweite Temperaturkoeffizient ein gegenüber dem ersten Temperaturkoeffizienten
umgekehrtes Vorzeichen besitzt. Des weiteren ist eine Potentialregelschaltung
mit einer ersten Anschlussklemme und einer zweiten Anschlussklemme
vorgesehen, wobei die erste Anschlussklemme an die dritte Anschlussklemme
der Referenzspannungsquelle angeschlossen ist und wobei zwischen
die zweite Anschlussklemme der Referenzspannungsquelle und die zweite
Anschlussklemme der Potentialregelschaltung ein Widerstand geschaltet
ist. Die Potentialregelschaltung dient dazu, die an der dritten
Anschlussklemme der Referenzspannungsquelle und an dem der zweiten
Anschlussklemme der Referenzspannungsquelle abgewandten Anschluss
des ersten Widerstandes identische Potentiale einzustellen, so dass über dem
ersten Widerstand die erste Referenzspannung anliegt.
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Des weiteren ist ein zweiter Widerstand
zwischen die erste Anschlussklemme und die dritte Anschlussklemme
der Referenzspannungsquelle und ein dritter Widerstand zwischen
die erste Anschlussklemme der Referenzspannungsquelle und den der zweiten
Anschlussklemme der Referenzspannungsquelle abgewandten Anschluss
des ersten Widerstandes angeschlossen.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltung
wird der zweite Widerstand, der zwischen der ersten und dritten
Anschlussklemme liegt, von einem Strom durchflossen, der von der
zweiten Referenzspannung abhängig
ist. Da die Potentialregelschaltung bewirkt, dass an dem der zweiten
Anschlussklemme abgewandten Anschluss des ersten Widerstandes dasselbe
Potential wie an der dritten Anschlussklemme der Referenzspannungsquelle
anliegt, wird auch der dritte Widerstand von einem Strom durchflossen, der
von der zweiten Referenzspannung abhängig ist. Damit fließen in den
Schaltungsknoten, an den der erste widerstand und der dritte Widerstand
angeschlossen sind, ein von der ersten Referenzspannung und ein
von der zweiten Referenzspannung abhängiger Strom, wobei diese Referenzspannungen Temperaturkoeffizienten
mit umgekehrten Vorzeichen besitzen, wodurch die Temperaturabhängigkeit des
in diesen Schaltungsknoten fließenden
Gesamtstromes abhängig
von dem Verhältnis
der verwendeten Widerstände
kompensiert werden kann.
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Der grundlegende Aspekt der vorliegenden Erfindung
besteht somit darin, zwei temperaturabhängige Referenzspannungen zur
Verfügung
zu stellen, wobei diese Referenzspannungen Temperaturkoeffizienten
mit unterschiedlichen Vorzeichen besitzen, und von diesen Referenzspannungen
abhängige
Ströme
zu generieren und zu addieren, woraus ein Gesamtstrom resultiert,
der temperaturunabhängig
ist.
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Als Referenzspannungsquellen können beliebige
Schaltungen verwendet werden, die eine Referenzspannung mit einem
positiven Temperaturkoeffizienten und eine Referenzspannung mit
einem negativen Temperaturkoeffizienten bereitstellen. Ein Beispiel
für eine
derartige Referenzspannungsquelle ist eine Bandabstands-Referenz
mit Bipolartransistoren, die eine Referenzspannung bereitstellt,
die von der Differenz der Basis-Emitter-Spannungen zweier leitend
angesteuerter Bipolartransistoren abhängig ist. Diese von der Differenz
zweier Basis-Emitter-Spannungen abhängige Referenzspannung besitzt
einen positiven Temperaturkoeffizienten. Bei derartigen Bandabstands-Referenzschaltungen kann
selbstverständlich
auch die Basis-Emitter-Spannung eines der beiden Bipolartransistoren abgegriffen
werden. Diese Basis-Emitter-Spannung besitzt
bekannterweise einen negativen Temperaturkoeffizienten und dient
als zweite Referenzspannung.
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Selbstverständlich sind beliebige derartige Bandabstands-Referenzen als Referenzspannungsquelle
bzw. beliebige weitere Referenzspannungsquellen einsetzbar, die
eine Referenzspannung mit einem positiven Temperaturkoeffizienten
und eine Referenzspannung mit einem negativen Temperaturkoeffizienten
bereitstellen.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
zwei Bipolartransistoren zu verwenden, die unterschiedlich große aktive
Transistorflächen besitzen,
die Basisanschlüsse
dieser Bipolartransistoren miteinander zu verbinden und an ein positives Versorgungspotential
und an die erste Anschluss klemme anzuschließen und die Kollektor-Emitter-Strecke
des Transistors mit der größeren Transistorfläche zwischen
die erste Anschlussklemme und die zweite Anschlussklemme der Referenzspannungsquelle
zu schalten und die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors mit der kleineren
Transistorfläche
zwischen die erste Anschlussklemme und die dritte Anschlussklemme
der Referenzspannungsquelle zu schalten.
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Die Potentialregelschaltung umfasst
vorzugsweise einen Regelverstärker
mit einem ersten Eingang, der an die dritte Anschlussklemme der
Referenzspannungsquelle angeschlossen ist und mit einem zweiten
Eingang, der an den der zweiten Eingangsklemme der Referenzspannungsquelle
abgewandten Anschluss des ersten Widerstandes angeschlossen ist,
und mit einer Ausgangsklemme, über die
eine erste und eine zweite Stromquelle angesteuert sind. Die erste
Stromquelle ist dabei zwischen die dritte Anschlussklemme der Referenzspannungsquelle
und Bezugspotential geschaltet und die zweite Stromquelle ist zwischen
den ersten Widerstand und Bezugspotential geschaltet, wobei der
Regelverstärker
die beiden Stromquellen so ansteuert, dass sich an dessen Eingangsklemmen
identische Potentiale einstellen.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in
Ausführungsbeispielen
anhand von Figuren näher erläutert. In
den Figuren zeigt
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1 ein
Schaltbild eines Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen temperaturstabilen Stromquellenanordnung,
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2 eine
Stromquellenanordnung gemäß 1 mit einem im Detail dargestellten
Ausführungsbeispiel
einer Referenzspannungsquelle,
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3 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer Referenzspannungsquelle.
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In den Figuren bezeichnen, sofern
nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit
gleicher Bedeutung.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Stromquellenanordnung,
die einen temperaturstabilen Konstantstrom I3B bereitstellt.
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Die Stromquellenanordnung umfasst
eine Referenzspannungsquelle 10 mit einer ersten Anschlussklemme
K1, einer zweiten Anschlussklemme K2 und einer dritten Anschlussklemme
K3, die zudem an ein Versorgungspotential VDD angeschlossen ist. Die
Referenzspannungsquelle 10 stellt zwischen der zweiten
Anschlussklemme K2 und der dritten Anschlussklemme K3 eine erste
Referenzspannung U1 zur Verfügung,
die einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist. Die Referenzspannungsquelle 10 stellt
weiterhin eine zweite Referenzspannung U2 zwischen der ersten Anschlussklemme
K1 und der dritten Anschlussklemme K3 zur Verfügung, wobei diese Referenzspannung
U2 einen negativen Temperaturkoeffizienten besitzt.
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Die Stromquellenanordnung umfasst
weiterhin eine Potentialregelschaltung 20, mit einer ersten Eingangsklemme,
die an die dritte Anschlussklemme K3 der Referenzspannungsquelle 10 angeschlossen ist,
und mit einer zweiten Eingangsklemme K4, wobei zwischen diese zweite
Eingangsklemme K4 und die zweite Anschlussklemme K2 der Referenzspannungsquelle 10 ein
erster ohmscher Widerstand R1 geschaltet ist.
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Aufgabe der Potentialregelschaltung 20 ist es,
identische Potentiale an der dritten Anschlussklemme K3 und dem
der zweiten Anschlussklemme K2 abgewandten Anschluss des ersten
Widerstandes R1, dem zweiten Eingang der Potentialregelschaltung 20 bzw.
Schaltungsknoten K4, einzustellen. Dazu umfasst die Potentialregelschaltung 20 einen
Regelverstärker
RV, dessen einer Eingang an die dritte Anschlussklemme K3 und dessen
anderer Eingang an den Schaltungsknoten K4 ange schlossen ist und
dessen Ausgang zwei Stromquellen IqA, IqB ansteuert. Die erste IqA
der beiden Stromquellen ist zwischen die dritte Anschlussklemme
K3 und Bezugspotential GND geschaltet und die zweite IqB dieser
Stromquellen ist zwischen den Schaltungsknoten K4 und Bezugspotential
GND geschaltet.
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Des Weiteren umfasst die Stromquellenschaltung
einen zweiten Widerstand R2A, der zwischen die erste Anschlussklemme
K1 und die dritte Anschlussklemme K3 geschaltet ist und über dem entsprechend
die zweite Referenzspannung U2 anliegt. Weiterhin ist ein dritter
Widerstand R2B zwischen die erste Anschlussklemme K1 und den Schaltungsknoten
K4 geschaltet.
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Der erste Widerstand R1 ist von einem
Strom I1B durchflossen, für
den gilt: I1B = U1/R1 (1)
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Der zweite Widerstand R2A wird von
einem Strom I2A durchflossen, für
den gilt: I2A = U2/R2A (2)
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Da über die Potentialregelschaltung
die Potentiale an der dritten Anschlussklemme K3 und dem Schaltungsknoten
K4 identisch sind, liegt auch über dem
dritten Widerstand R2B die zweite Referenzspannung U2 an, so dass
für einen
Strom I2B der ebenfalls in den Schaltungsknoten K4 fließt, gilt: I2B = U2/R2B (3)
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Unter der Annahme, dass die Stromaufnahme
des Regelverstärkers
RV Null ist, gilt für
den aus dem Schaltungsknoten K4 fließenden Strom I3B: I3B = I1B + I2B = U1/R1 +
U2/R2B (4)
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Unter der Annahme, dass dU1/dT =
k1 der Temperaturkoeffizient der Referenzspannung U1 für Abweichungen
der Temperatur von einer Bezugstemperatur T0 ist und dass dU2/dT
= k2 der Temperaturkoeffizient der Referenzspannung U2 für Abweichungen
ausgehend von der Bezugstemperatur T0 ist, und dass U10 der Wert
der Referenzspannung U1 bei dieser Bezugstemperatur T0 und U20 der Wert
der Referenzspannung U2 bei der Bezugstemperatur T0 ist, so gilt
für den
Strom I3B bei beliebigen Temperaturen: I3B = 1/R1 ⋅ (U10
+ k1 ⋅ ΔT) + 1/R2B ⋅ (U20 +
k2 – ΔT) (5), wobei ΔT der Differenz
zwischen der Momentantemperatur und der Bezugstemperatur T0 ist.
Dieser Strom I3B ist temperaturunabhängig, wenn gilt: |k1/k2| = R1/R2B, (6), da sich
die temperaturabhängigen
Ausdrücke
in der Gleichung (5) dann kompensieren.
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Durch geeignete Wahl des ersten und
dritten Widerstandes kompensieren sich die Temperaturabhängigkeiten
der Referenzspannungen U1 und U2, woraus ein temperaturunabhängiger Strom
I3B resultiert.
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Vorzugsweise sind die Widerstände R2A, R2B
gleich groß,
so dass der durch den Widerstand R2A fließende Strom I2A dem Strom I2B
durch den dritten Widerstand R2B entspricht.
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Ein Ausführungsbeispiel einer Referenzspannungsquelle 10 ist
in 2 zusammen mit den übrigen Komponenten
der Stromquellenschaltung dargestellt.
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Die Referenzspannungsquelle 10 umfasst
in dem Ausführungsbeispiel
einen ersten und einen zweiten Bipolartransistor T1, T2, wobei die
Kollektor-Emitter-Strecke des ersten Bipolar-Transistors T1 zwischen
die erste Anschlussklemme K1 und die dritte Anschlussklemme K3 geschaltet
ist und wobei die Kollektor-Emitter-Strecke des zweiten Bipolartransistors
T2 zwischen die erste Anschlussklemme K1 und die zweite Anschlussklemme
K2 geschaltet ist. Außerdem
sind die Basisanschlüsse
der beiden Bipolartransistoren T1, T2 miteinander verbunden und
an die Kollektoranschlüsse
bzw. an die Anschlussklemme K1 angeschlossen. Das Versorgungspotential Vdd
liegt an den Kollektoranschlüssen
der Bipolartransistoren T1, T2 bzw. an der ersten Anschlussklemme
K1 an.
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Die beiden Bipolartransistoren T1,
T2 besitzen unterschiedliche Transistorflächen, wobei das Flächenverhältnis dieser
beiden Transistoren in dem dargestellten Beispiel 1:n beträgt und der
erste Bipolartransistor T1 eine kleinere Transistorfläche aufweist.
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Die Stromquellen der Potentialregelschaltung 20 sind
in dem Ausführungsbeispiel
jeweils als n-leitende MOS-Transistoren T31, T32 ausgebildet, deren
Gate-Anschlüsse
jeweils an den Ausgang des Regelverstärkers RV, der als Differenzverstärker ausgebildet
ist, angeschlossen sind und deren Drain-Source-Strecken jeweils zwischen einen der Knoten
K3 bzw. K4 und Bezugspotential GND geschaltet sind. Diese MOS-Transistoren
dienen als Last für
die beiden Bipolartransistoren T1, T2 der Referenzspannungsquelle 10.
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Zwischen Basis und Emitter des ersten
Bipolartransistors T1 stellt sich eine Basis-Emitter-Spannung Ube11
ein, die der ersten Referenzspannung U1 entspricht und die von einem
Strom I1A abhängig ist,
der wiederum von einem Strom I3A abhängig ist, den der als Stromquelle
dienende Transistor T31 hervorruft. Diese Basis-Emitter-Spannung
ist temperaturabhängig
mit einem negativen Temperaturkoeffizienten, wobei dieser Temperaturkoeffizient
bei Bipolartransistoren in Siliziumtechnologie etwa –2 mV/K beträgt. Dabei
stellt sich ein Emitterstrom I1A des Bipolartransistors T1 ein.
Aufgrund der Identität
der Potentiale an der Anschlussklemme K3 und dem Schaltungsknoten
K4 liegt die Basis-Emitter-Spannung des ersten Transistors T1 auch
zwischen der Basis des zweiten Bipolartransistors T2 und dem Schaltungsknoten
K4 an, wobei sich als Basis-Emitter-Spannung Ube2 des zweiten Bipolartransistors T2
mit der größeren Transistorfläche ein
niedrigerer Wert einstellt. Die zweite Referenzspannung U2 entspricht
damit der Differenz aus der Basis-Emitter-Spannung Ube1 des ersten Bipolartransistors
T1 und der Basis-Emitter-Spannung Ube2 des zweiten Bipolartransistors
T2. Diese Differenzspannung besitzt einen positiven Temperaturkoeffizienten.
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Die beiden MOS-Transistoren T31,
T32 sind vorzugsweise identisch dimensioniert.
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Des Weiteren sind bei der Anordnung
nach 2 Mittel zum Abgreifen
des temperaturkonstanten Stromes I3B dargestellt. Dazu ist ein MOS-Transistor
T34 vorgesehen, der vorzugsweise identisch zu den Transistoren T31,
T32 dimensioniert ist und der über
den Regelverstärker
RV entsprechend der Transistoren T31, T32 angesteuert und mit seinem Source-Anschluss
an Bezugspotential GND angeschlossen ist. Bei Anschließen einer
Last und Anlegen eines Versorgungspotentials Vdd wird dieser Transistor
T34 zur Versorgung der Last von dem temperaturkonstanten Strom I3B
durchflossen.
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3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Referenzspannungsquelle, die zwischen einer zweiten und einer dritten
Anschlussklemme K2, K3 eine Referenzspannung U1 mit positivem Temperaturkoeffizienten
bereitstellt, wobei diese Referenzspannung U1 von der Differenz
der Basis-Emitter-Spannungen
zweier Bipolartransistoren T11, T21 abhängig ist. Zwischen einer ersten
Anschlussklemme K1 und einer dritten Anschlussklemme K3 stellt die
dargestellte Referenzspannungsquelle eine zweite Referenzspannung
U2 mit negativem Temperaturkoeffizienten bereit, wobei diese zweite
Referenzspannung U2 der Basis-Emitter-Spannung eines ersten Bipolartransistors
T11 entspricht. Die Schaltungsanordnung gemäß 3 entspricht einer herkömmlichen
Bandabstands-Referenz,
die beispielsweise in Tietze, Schenk, a.a.O., Seite 976, beschrieben
ist, mit einem zusätzlichen
Abgriff an den Basis-Anschlüssen
der Transistoren.
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Die Kollektor-Emitter-Strecke des
Transistors T11 ist in Reihe zu einem Widerstand R4 zwischen Versorgungspotential
Vdd und die dritte Anschlussklemme K3 geschaltet und die Kollektor-Emitter-Strecke
des zweiten Bipolartransistors T21 ist in Reihe zu einem Widerstand
R3 zwischen Versorgungspotential Vdd und die zweite Anschlussklemme K2
geschaltet. Die beiden Bipolartransistoren sind identisch dimensioniert
und mittels eines Regelverstärkers
RV2 angesteuert, der die Kollektorpotentiale dieser beiden Transistoren
T11, T21 vergleicht und auf identische Werte einstellt. Die Bipolartransistoren T11,
T21 werden von unterschiedlichen Kollektorströmen durchflossen, wobei über die
Dimensionierung der Widerstände
R4, R3 der Kollektorstrom I11 des ersten Bipolartransistors T11
dem m-fachen des Kollektorstromes I21 des Bipolartransistors T21
entspricht. Dazu beträgt
der Widerstand des Widerstandes R3 dem m-fachen des Widerstandes
R4.
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Diese unterschiedlichen Kollektorströme rufen
von den Bipolartransistoren T11, T21 unterschiedliche Basis-Emitter-Spannungen hervor,
wobei die Basis-Emitter-Spannung des Transistors T11 als zweite
Referenzspannung U2 dient, die einen negativen Temperaturkoeffizienten
aufweist. Die Differenz der beiden Basis-Emitter-Spannungen ist
zwischen der zweiten und der dritten Anschlussklemme K2, K3, die
den Emitter-Anschlüssen
der Bipolartransistoren entsprechen, abgreifbar und entspricht der
ersten Referenzspannung mit positiven Temperaturkoeffizienten. Der
Vollständigkeit
halber ist in 3 auch
der erste Widerstand R1 eingezeichnet, der an die erste Anschlussklemme
K1 angeschlossen ist.
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Selbstverständlich sind beliebige weitere
Referenzspannungsquellen einsetzbar, die eine von der Basis-Emitter-Spannung
wenigstens eines leitend angesteuerten Bipolartransistors abhängige Referenzspannung
und eine von der Differenz zweier Basis-Emitter-Spannungen abhängige Referenzspannung
bereitstellt.
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- 10
- Referenzspannungsquelle
- 20
- Potentialregelschaltung
- GND
- Bezugspotential
- I1A,
I1B
- Emitter-Ströme
- I2A,
I2B
- Ströme
- I3A,
I3B
- Ströme
- IqA,
IqB
- Stromquellen
- K1,
K2, K3, K4
- Anschlussklemmen
- R1
- erster
Widerstand
- R2A
- zweiter
Widerstand
- R2B
- dritter
Widerstand
- R3,
R4
- Widerstände
- RV
- Regelverstärker
- RV2
- Regelverstärker
- T1,
T2
- Bipolartransistoren
- T11,
T21
- Bipolartransistoren
- T31,
T32, T34
- MOS-Transistoren
- U1
- erste
Referenzspannung
- U2
- zweite
Referenzspannung
- Vdd
- Versorgungspotential