DE2616363B2 - Vorrichtung zur Lieferung eines konstanten Speisegleichstromes - Google Patents

Description

a) daß die Vorrichtung zwei gesteuerte Stromquellenschaltungen enthält, von denen jede einen einen Steuerstrom führenden ersten Stromzweig zwischen einem Eingangsanschluß (Punkt B bzw. C) und einem für Eingang und Ausgang gemeinsamen Anschluß und einen den Ausgangsstrom führenden zweiten Stromzweig zwischen einem Ausgangsanschluß (Punkt A bzw. D) und dem gemeinsamen Anschluß aufweist, wobei der zweite Stromzweig einen den Ausgangsstrom einstellenden Transistor (T\ bzw. Ta) enthält, dessen Kollektor mit dem Ausgangsanschluß (Punkt A bzw. D) und dessen Basis mit dem ersten Stromzweig verbunden ist, und wobei die Basis Emitter-Strecke eines in einem der beiden Stromzweige liegenden, η emitterseitig mit dem gemeinsamen Anschluß verbundenen Transistors (T\ bzw. 71) und ein im anderen Stromzweig liegender, ebenfalls mit dem gemeinsamen Anschluß verbundener Halbleiterübergang (Transistor T₂ bzw. T₃) mit 4ii gleicher Durchlaßrichtung zueinander parallel geschaltet sind,

bl) daß der gemeinsame Anschluß der ersten Stromquellenschaltung (Transistoren Γι, T₂) den ersten Speiseanschluß (L\) der Vorrichtung 4^r> und der gemeinsame Anschluß der zweiten Stromquellenschaltung (Transistoren Γ3, Γ₄) den zweiten Speiseanschluß (L₂) der Vorrichtung bildet,

b2) daß der Eingangsanschluß (Punkt finder ersten w Stromquellenschaltung (Transistoren T\, T₂) mit dem Ausgangsanschluß (Punkt D) der zweiten Stromquellenschaltung (Transistoren T₃, 7}) unmittelbar und der Eingangsanschluß (Punkt C) der zweiten Stromquellenschaltung (Transi- τ> stören Γ3, 7}) über einen ohmschen Widerstand (R]) mit dem Ausgangsanschluß (Punkt A) der ersten Stromquellenschaltung (Transistoren Γι, T2) und außerdem unmittelbar mit dem ersten Speiseanschlußpunkt der integrierten Schal- w) tung verbunden ist und

c) daß die Stromverstärkung der beiden Stromquellenschaltungen derart bemessen ist, daß die Schleifenverstärkung von dem Eingangsanschluß (Punkt finder ersten Stromquellenschaltung (Transistoren Γι, T₂) zu dem Ausgangsanschluß (Punkt D) der zweiten Stromquellenschaltung (Transistoren Ti, T₄) größer als 1 ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Stromquellenschaltungen durch zwei Transistoren (T₁, T₂; T₃, T₄) vom gleichen Leitungstyp und mit der gleichen Struktur und der gleichen Fonn gebildet wird, die aus den gleichen Materialien hergestellt sind, wobei einer (T₂; T₃) der genannten Transistoren eine direkte Verbindung zwischen seinem Kollektor und seiner Basis aufweist, während die Emitter und die Basis-Elektroden dieser beiden Transistoren je miteinander verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein Zündglied (Cs, Γ5) enthält, mit dessen Hilfe ein Zündstrom in der durch die zwei Stromquellenschaltungen und den Widerstand (R₁) gebildeten Rückkopplungsschleife umlaufen kann.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gespeiste integrierte Schaltung zwei durch Dioden (D_u D₂) gebildete und in Reihe geschaltete Stufen enthält.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gespeiste integrierte Schaltung eine einzige, durch eine Diode gebildete Stufe enthält und mit dieser eine Diode in dei Durchlaßrichtung für den Speisegleichstrom in Reihe geschaltet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (T₁, T₂) der ersten Stromquellenschaltung den pnp-Leitungstyp und eine laterale Struktur und die Transistoren (T₃, T₄) der zweiten Stromquellenschaltung den npn-Leitungstyp und eine vertikale Struktur aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren einer der Stromquellenschaltungen eine gemeinsame Basis-Elektrode und auch eine gemeinsame Emitter-Elektrode aufweisen und auf diese Weise zu einem einzigen Transistor (Tb, Tj) mit zwei Kollektor-Elektroden kombiniert sind (F i g. 2).

8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zündglied durch einen Transistor (Tg) gebildet ist, dessen Kollektor mit einem der beiden eingangsseitigen Speiseanschlüsse (L₃) verbunden ist, dessen Basis nicht angeschlossen ist und dessen Emitterstrom in die Rückkopplungsschleife eingeführt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zündglied durch einen Kondensator (Ck) gebildet ist der zwischen einem der beiden eingangsseitigen Speiseanschlüsse (L\) und der Basiselektrode eines Transistors (Ts) zum Verstärken des Entladestromes angebracht ist, von welchem Transistor (Ts) die Kollektor-Emitter-Strecke zwischen diesem Speiseanschluß (L\) und dem Eingangsanschlußpunkt (C) der zweiten Stromquellenschaltung angebracht ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Lieferung eines konstanten Speisegleichstromes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung ist bekannt aus der französischen Offenlegungsschrift 22 44 262. Die zu speisende integrierte Schaltung enthält dort mindestens

zwei Strominjektoren, die in bezug auf den Speisegleichstrom in Reihe angeordnet sind. Die Injektionsschaltungen, ζ. B. Schaltungen vom PL-Typ (PL steht für »injected integrated logic«), erfordern den Gebrauch von Speisequellen mit konstantem Strom, und wenn die Speisespannung, mit welcher dies? Quellen ihrerseits gespeist werden, veränderlich ist Bei der bekannten Vorrichtung ist der den Speisegleichstrom einstellende Transistor so geschaltet, daß er einen konstanten Kollektorstrom liefert Einzelheiten der hierzu erforderlichen Steuerschaltung des Transistors sind nicht angegeben.

Durch die Zeitschrift »Philips Technische Rundschau« 1971/72. 32. Jg, Nr. 1, S. 4 bis 8, sind gesteuerte Stromquellenschaltungen bekannt, in denen die Parallelschaltung von Halbleiterübergängen von Dioden und/oder von Transistoren ein bestimmtes Verhältnis zwischen den Strömen am Eingang und am Ausgang einer derartigen Schaltung herbeiführt. Eine solche Stromquellenschaltung wird z. B. durch zwei Transistoren mit derselben Struktur gebildet, wobei ein Transistor als Diode mitteis einer Verbindung zwischen der Basis-Elektrode und der Kollektor-Elektrode des Tra .sistors verwendet wird. Die Emitter-Elektroden der genannten beiden Transistoren sind mit einer gemeinsamen Klemme verbunden, während die Basis-Elektroden der beiden Transistoren miteinander verbunden sind. Wenn der durch den als Diode verwendeten Transistor fließende Strom mit /ι und der Kollektorstrom des anderen Transistors mit h bezeichnet wird, wird die nachstehende Formel erhalten: h=KI\, in der K ein Faktor ist, der von dem Verhältnis zwischen den wirksamen Oberflächen der beiden Transistoren abhängig ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu erhalten, die einen minimalen Spannungsabfall aufweist und hei der die Gesamtverlustleistung ebenfalls minimal ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Die beiden Stromquellenschaltungen und der in Reihe geschaltete Widerstand bilden zusammen eine Rückkopplungsschleife. Der Strom in dieser Schleife hat die Neigung, größer zu werden, wenn die Gesamtschleifenverstärkung größer als 1 ist. Das Gleichgewicht stellt sich automatisch ein, wenn die Spannung an den Klemmen des aus dem Widerstand und dem Halbleiterübergang bestehenden Gebildes den Wert des Spannungsabfalls über der zu speisenden Schaltung im erregten Zustand erreicht, wobei die Ströme in der Schleife und in der zu speisenden Schaltung dann bestimmte Stärken aufweisen, die von dem Widerstandswert des ohmschen Widerstandes abhängig sind. Der in der zu speisenden Schaltung umlaufende und die Verstärkung der Schleife herabsetzende Strom setzt diese Verstärkung auf einen Wert von weniger als 1 herab, wodurch eine Verzögerung des Stromes in der Schleife verhindert und die Wirkung der Vorrichtung stabilisiert wird. Da beim Betrieb die Schleifenverstärkung kleiner als 1 ist, werden etwaige Störsignale geschwächt und wird jede Schwingung eliminiert. Da das Stabilisierungselement durch die zu speisende Schaltung gebildet wird, bringt der Stromverbrauch dieser Schaltung keinen Energieverlust mit sich, ist der Spannungsabfall über dem Stabilisierungselement ein aktiver Spannungsabfall und ist der in dem Stabilisierungselement umlaufende Strom ein nützlicher Strom.

jede der beiden Stromquellenschaltungen wird vorzugsweise durch zwei Transistoren vom gleichen Leitfähigkeitstyp und mit der gleichen Struktur und d<y > gleichen Form gebildet, die aus den gleichen Materialien hergestellt sind, wobei die Kollektor-Elektrode eines der beiden Transistoren mit dessen Basis-Elektrode verbunden ist Die Emitter-Elektroden der beiden Transistoren sind miteinander verbunden, was auch mit

κι den Basis-Elektroden der genannten Transistoren der Fall ist Unter im übrigen gleichbleibenden Bedingungen zwischen den beiden Transistoren ist das Verhältnis zwischen den Kollektorströmen von dem Verhältnis zwischen den wirksamen Emitteroberflächen abhängig.

i") Obgleich die Vorrichtung einen stabilen Zustand aufweist und auch konstante Ströme liefert, die durch den Widerstandswert des ohmschen Widerstandes und den Spannungsabfall an der zu speisenden Schaltung bestimmt sind, kann die genannte Vorrichtung auch

-'(ι einen anderen stabilen Zustand aufweisen, in dem die Ströme gleich Null sind, während die Transistoren der Stromquellenschaltungen nicht leitend sind. In diesem Falle kann es erforderlich sein, die Vorrichtung dadurch in Betrieb zu setzen, daß man in der Rückkopplungs-

r> schleife einen schwachen Zündstrom mittels eines Elements umlaufen läßt, dessen Verbrauch sehr klein sein soll und das keine Störung der Rückkopplungsschleifenverstärkung herbeiführen kann.

Ein geeignetes Zündglied ist ein Transistor, dessen

«ι Emitter-Elektrode mit einem der beiden eingangsseitigen Speiseanschlüsse verbunden ist dessen Basis-Elektrode nicht angeschlossen ist und dessen Kollektorstrom in die Rückkopplungsschleife eingeführt wird.
Ein anderes geeignetes Zündglied ist ein Kondensa-

)> tor, der mit einem der beiden eingangsseitigen Speiseanschlüsse verbunden und unter dem Einfluß der Quellenspannung aufgeladen wird. Der Entladestrom wird vorzugsweise nach Verstärkung mittels eines Transistors in die Rückkopplungsschleife eingeführt,

·»<> damit eine integrierbare Kapazität mit einem Mindestkapazitätswert als Kondensator verwendet werden kann. Es sei bemerkt, daß das Zündglied beim Normalbetrieb nach der Zündung keine Störung des Regelstromes und der Rückkopplungsschleifenverstär-

« kung herbeiführen soll.

Die Schaltung, die den konstanten Strom empfängt, muß eine Spannung aufweisen, die den Spannungsabfall über einem in der Durchlaßrichtung polarisierten Halbleiterübergang überschreitet; die Spannung an den

"><> Klemmen des ohmschen Widerstandes ist nämlich gleich dem Unterschied zwischen einerseits dem dem Spannungsunterschied zwischen den Klemmen der genannten Schaltung entsprechenden Spannungswert und andererseits dem Spannungsabfall über dem

>^r> Emitter-Basis-Übergang des als Diode verwendeten Transistors in dem den ohmschen Widerstand enthaltenden Stromweg.

Die bevorzugte Ausführungsfprm einer Vorrichtung nach der Erfindung mit insgesamt je zwei Transistoren

wi in jeder gesteuerten Stromquellenschaltung eignet sich insbesondere zur Speisung einer integrierten Schaltung mit zwei durch Dioden gebildeten Stufen, wobei die Spannung an den Klemmen des ohmschen Widerstandes in diesem Falle gleich einem Spannungsabfall über

μ einer Diode ist.

Die beiden Diodenstufen entsprechen z. B. zwei logischen Niveaus von /^-Schaltungen. Falls die gespeiste integrierte Schaltung nur eine einzige Stufe

enthält, die einem Spannungsabfall über einer Diode oder wenigstens einer ungenügenden Spannungsdifferenz entspricht, wird mindestens eine zusätzliche Diode in Reihe mit der genannten Schaltung angeordnet, damit ein genügender Gesamtspannungsiinterschied erhalten werden kann.

Vorzugsweise weisen die Transistoren der ersten Stromquellenschaltung den pnp-Leitungstyp auf, während die Transistoren der zweiten Stromquellenschaltung den npn-Leitungstyp aufweisen. Die Speisevorrichtung kann völlig als integrierte Schaltung ausgebildet werden — einschließlich der gespeisten Schaltung, die als Stabilisierungselement dient.

Für die Speisung von PL-Schaltungen ist es vorteilhaft, wenn die Transistoren der ersten Stromquellenschaltung vom pnp-Leitungstyp eine laterale Struktur und die Transistoren vom npn-Leitungstyp der zweiten Stromquellenschaltung eine vertikale Struktur aufweisen.

Nach einer Abwandlung der Ausführungsform der Erfindung weisen die Transistoren einer Stromquellenschaltung eine gemeinsame Basis-Elektrode und eine gemeinsame Emitter-Elektrode auf und werden diese Transistoren zu einem einzigen Transistor mit zwei Kollektor-Elektroden kombiniert. Die wirksamen Emitter-Elektrodenoberflächen, die das Verhältnis der Kollektorströme bestimmen, beschränken sich in diesem Falle auf die Emitter-Elektrodenoberflächen, die jeder der genannten Kollektor-Elektroden gegenüberliegen.

Die Erfindung kann dazu verwendet werden, an logische Schaltungen einen konstanten Strom bei einem bestimmten Spannungsabfall aus veränderliche Spannungen erzeugenden Quellen zu liefern, insbesondere falls der Verbrauch dieser Schaltungen sehr niedrig ist.

Die Erfindung läßt sich insbesondere bei der Speisung von ^/.-Schaltungen und vor allem von Schaltungen dieser Art mit zwei Spannungspegeln in Reihe anwenden.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Lieferung eines konstanten Stromes nach der Erfindung und

F i g. 2 ein Schaltbild einer Abwandlung der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung enthält eine erste gesteuerte Stromquellenschaltung, die durch zwei Transistoren Γι und T₂ gebildet wird, deren Basis-Emitter-Übergänge parallel geschaltet sind. Der Transistor T₂ wird als Diode verwendet, wobei die Kollektor-Elektrode dieses Transistors mit dessen Basis-Elektrode verbunden ist (Punkt B). Die Emilter-Elektroden der Transistoren Tl und Ti sind mit einer einen ersten eingangsseitigen Speiseanschluß der Vorrichtung bildenden gemeinsamen Klemme verbunden, die durch einen Leiter L\ dargestellt ist der ein positives Potential + V aufweist Die zwei Transistoren Ti und Ti, die vom pnp-Leitungstyp sind, bestimmen in den zwei Stromwegen F. und B₂ der Vorrichtung Ströme, deren gegenseitiges Verhältnis etwa gleich dem Verhältnis zwischen den Emitteroberflächen der genannten Transistoren Ti und T₂ ist

Eine gesteuerte Stromquellenschaltung wird durch zwei Transistoren Ti und Ti gebildet deren Basis-Emitter-Obergänge parallel geschaltet sind. Der Transistor Tz wird als Diode verwendet wobei die Kollektor-Elektrode dieses Transistors mit dessen Basis-Elektrode verbunden ist (Punkt C). Die Emitter-Elektroden der Transistoren Ti und Ti sind mit einer einen zweiten eingangsseitigen Speiseanschluß der Vorrichtung bildenden gemeinsamen Klemme verbunden, die durch einen Leiter L₂ dargestellt ist, der ein negatives Potential — Kaufweist. Die zwei Transistoren Ti und F₄ die vom npn-Leitungstyp sind, übertragen auf die gemeinsame Klemme L₂ Ströme mit einem gegenseitigen Verhältnis nahezu gleich dem Verhältnis der

ίο Emitteroberflächen der Transistoren Ti und Ti. Die Kollektorelektrode des Transistors T₄ (Punkt D) ist mit der Kollektorelektrode des Transistors T₂ (Punkt B) verbunden.

In F i g. 1 wird die zu speisende Schaltung durch zwei Dioden D\ und D₂ symbolisch dargestellt, die in Reihe in der Durchlaßrichtung geschaltet sind und deren maximaler Gesamtspannungsabfall den Spannungsabfall über dem als Diode verwendeten Transistor Ti überschreitet Das aus den beiden Dioden D\ und D₂ bestehende Gebilde ist zwischen einerseits der Klemme A und andererseits der zweiten gemeinsamen und durch den Leiter L₂ dargestellten Klemme angeordnet. Parallel dazu ist ein Widerstand R\ in Reihe mit dem Transistor Ti angeordnet.

Ein Transistor Ts, dessen Basis-Elektrode von einem Kondensator Cs gesteuert wird, ist zwischen der gemeinsamen Klemme L] und dem Verbindungspunkt (Punkt F)der Basis-Elektroden der Transistoren Tj und Ti eingeschaltet. Dieser Kondensator und der Transistor

jo Γ5, der die Lade- und Entladeströme verstärkt bilden zusammen ein gegebenenfalls benötigtes Zündglied.

Wenn die Vorrichtung von einer Spannung her betrachtet wird, die gleich Null ist und dann schnell ansteigt, wird der vom Transistor Γ5 verstärkte

J5 Ladestrom des Kondensators Cs in den Punkt F der Rückkopplungsschleife injiziert und steuert der genannte Ladestrom die Basis-Elektrode des Transistors Ti. Infolge des sich daraus ergebenden leitenden Zustandes dieses Transistors T₄ kann die Basis-Elektrode des Transistors Γ, ebenfalls leitend gemacht werden. Der in der durch die Transistoren Γι, T₂, Tj, Ti und den Widerstand gebildeten Schleife umlaufende Strom kann zunehmen, wobei die Verstärkung dieser Schleife größer als 1 ist und wobei die Spannung an den Klemmen der Dioden D] und D₂ zunächst noch ungenügend ist, um in der durch die genannten Dioden gebildeten Schaltung einen beträchtlichen Strom umlaufen zu lassen. Wenn die Spannung im Punkt A genügend wird, um den leitenden Zustand der Dioden D] und D₂ sicherzustellen, durchläuft ein Teil des vom Transistor Γι gelieferten Stromes die Dioden D] und D₂ und wird die Rückkopplungsschleifenverstärkung auf einen Wert von weniger als 1 herabgesetzt. Der Strom in dieser Schleife kann nicht mehr zunehmen und wird auf dem erreichten Wert stabilisiert Dieser Wert wird durch den Wert des Widerstandes R] bestimmt Der Strom in diesem Widerstand ist ja gleich:

r _ 'Dl + VTfI ~ VBETi

in welcher Formel Vm und Vm. die Spannungen an den Klemmen der Dioden D\ und D₂ sind und Vi-.εη die Basis-Emitter-Spannung des Transistors T^ ist Der in b5 dem Stromweg B₂ umlaufende Strom ist auf diese Weise bestimmt und die Stärke dieses Stromes ist I₂ = AT/,, wobei K das Verhältnis ist das von den Emitteroberflächen der Transistoren Ta und Ti abhängig ist Der in dem

Stromweg B, umlaufende Strom ist ebenfalls bestimmt und die Stärke dieses Stromes ist h = K'h, wobei K'das Verhältnis ist, das von den Emitteroberflächen der Transistoren 7", und T₂ abhängig ist. Da die Ströme I_u I₂ und /3, ungeachtet der Spannung V zwischen den Klemmen L\ und L₂, bestimmt sind, ist auch der Strom / bestimmt, der in den Dioden D\ und D₂ umläuft. Die Bedingung einer Mindestspannung zwischen L\ und L₂ ist V > Vm + Vm + V_Cm, wobei V_Ce\ in Spannung an der Kollektor-Elektrode des Transistors Ti in seinem Sättigungszustand oder nahezu in diesem Zustand ist.

Das Schaltbild nach Fig.2 zeigt ebenfalls die wesentlichen Teile der Vorrichtung nach F i g. 1.

Eine erste gesteuerte Stromquellenschaltung wird durch einen Transistor T₁ mit zwei Kollektor-Elektroden gebildet, wobei eine dieser Kollektor-Elektroden mit der Basis-Elektrode verbunden ist. in einer zweiten gesteuerten Stromquellenschaltung wird auf gleiche Weise ein Transistor Tt mit zwei Kollektor-Elektroden verwendet, von denen eine mit der Basis-Elektrode verbunden ist. In Reihe mit dem Stromweg B^ der die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Ti und die Emitter-Basis-Diode des Transistors Tt enthält, ist ein Widerstand R₂ angeordnet. Die zu speisende Schaltung wird symbolisch durch die zwei Dioden Dz und Dt dargestellt, die zwischen der Klemme G des Widerstandes R₂ und dem Leiter L, eingeschaltet sind. Ein Zündtransistor T₈, dessen Basis-Elektrode gar nicht angeschlossen ist, ist zwischen dem Leiter Lz und der Klemme G eingeschaltet. Die Wirkung der Vorrichtung nach F i g. 2 ist gleich der der Vorrichtung nach F i g. 1, wobei der Stromweg B3 in der Schaltung nach Fig. 2 dem Stromweg B₂ in der Schaltung nach F i g. 1 entspricht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Lieferung eines konstanten Speisegleichstroraes an eine zwei Speiseanschluß- ■-> punkte aufweisende integrierte Schaltung "mit Strominjektoren, wobei der Stromweg für den Speisegleichstrom von einem ersten eingangsseitigen Speiseanschluß der Vorrichtung über die Kollektor-Emitter-Strecke eines den Speisegleich- ι ο strom einstellenden Transistors, der kollektorseitig an den ersten Speiseanschlußpunkt der integrierten Schaltung angeschlossen ist, und über die beiden Speiseanschlußpunkte der integrierten Schaltung zu einem unmittelbar mit deren zweiten Speisean- ι > Schlußpunkt verbundenen zweiten Speiseanschluß der Vorrichtung führt, dadurch gekennzeichnet,