DE3603799A1 - Stromspiegelschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromspiegelschaltung in integrierter Schaltungstechnik mit einem ersten PNP- Transistor, dessen Emitter über einen ersten Widerstand, der einen solchen Wert aufweist, daß an diesem mindestens eine Spannung abfällt, die größer als ein Drittel der Basis-Emitter-Spannung des ersten PNP-Transistors ist, mit einer Spannungsquelle gekoppelt ist und dessen Kollektor und Basis mit einem Knoten, dem ein Eingangsstrom zuge­ leitet wird, gekoppelt sind, und mit einem zweiten PNP- Transistor, dessen Emitterfläche im wesentlichen gleich der Emitterfläche des ersten PNP-Transistors ist und dessen Emitter über einen zweiten Widerstand, der den gleichen Wert wie der erste aufweist, mit der Spannungs­ quelle und dessen Basis mit dem Knoten gekoppelt ist und dessen Kollektor den Ausgangsstrom abgibt.

Eine solche Stromspiegelschaltung ist z.B. aus dem Buch von Jovan Antula, Schaltungen zur Mikroelektronik, Oldenbourg-Verlag, 1984, Seite 56 bis 59, bekannt. Die Funktion einer Stromspiegelschaltung besteht darin, einen Ausgangsstrom zu erzeugen, der in einem festen Verhältnis zum Eingangsstrom steht. Eine Stomspiegelschaltung hat bekanntermaßen einen niedrigen Eingangswiderstand und einen hohen Ausgangswiderstand. Der Ausgangsstrom ändert sich bei Belastung also nur sehr wenig. Weiterhin ist eine solche Schaltung weitgehend unabhängig von Temperatur­ einflüssen.

In der bekannten Schaltung ist bei hohen Gleichstrom­ verstärkungsfaktoren der Eingangsstrom ungefähr gleich dem Ausgangsstrom. Der Symmetriefehler der Stromspiegelschal­ tung, der von den Basisströmen der beiden Transistoren hervorgerufen wird, ist bei hohen Gleichstromverstärkungs­ faktoren vernachlässigbar.

Hauptsächlich werden Stromspiegelschaltungen in integrierten Schaltungen eingesetzt. Bei der Verwendung von PNP-Transistoren kann nun folgendes Problem auf­ treten. Die Stromverstärkung hängt wesentlich von der Emitterfläche eines PNP-Transistors ab. Eine Veränderung der Emitterfläche bedeutet eine Veränderung der Strom­ verstärkung. Es können bei der Fertigung von integrierten Schaltungen, die wenigstens eine Stromspiegelschaltung mit PNP-Transistoren enthalten, solche Exemplarstreuungen auf­ treten, daß die Symmetriefehler nicht mehr vernachlässig­ bar werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungs­ anordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Symmetriefehler verringert werden.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein dritter Wider­ stand, der zwischen der Basis des ersten PNP-Transistors und dem Knoten angeordnet ist, im wesentlichen den gleichen Wert wie der erste Widerstand aufweist und daß eine mit weiteren PNP-Transistoren aufgebaute Kompensa­ tionsschaltung dem Knoten einen Kompensationsstrom zuführt, der in gleicher Weise von der Emitterfläche der PNP-Transistoren in der Kompensationsschaltung abhängt wie die Summe der Basisströme des ersten und zweiten PNP- Transistors von ihrer Emitterfläche und der im wesent­ lichen die Summe der Basisströme des ersten und zweiten PNP-Transistors entspricht.

In der erfindungsgemäßen Stromspiegelschaltung wird in der Kompensationsschaltung ein Kompensationsstrom erzeugt, dessen Größe abhängig ist von der Emitterfläche der in der Kompensationsschaltung verwendeten PNP-Transistoren. Die bei der Fertigung von integrierten Schaltungen auf­ tretenden Streuungen der Emitterfläche zwischen ver­ schiedenen Exemplaren bewirkt einen jeweils anderen Gleichstromverstärkungsfaktor, da der Gleichstrom­ verstärkungsfaktor von der Emitterfläche eines Transistors abhängt. Es tritt jedoch keine Änderung des Verhältnisses der Emitterflächen der verschiedenen Transistoren in der integrierten Schaltung untereinander auf. Daher werden der Kompensationsstrom und die Summe der Basisströme des ersten und zweiten PNP-Transistors von der Emitterfläche der Transistoren bestimmt. Mit Hilfe des dritten Wider­ standes wird erreicht, daß ein Impuls im wesentlichen unverzerrt über die Stromspiegelschaltung übertragen wird.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß in der Kompensationsschaltung ein dritter PNP-Transistor, dessen Basis mit dem Knoten und dessen Emitter mit einem vierten an die Spannungsquelle angeschlossenen Widerstand gekoppelt ist, seinen Kollektorstrom über eine Emitter- Basis-Strecke eines vierten PNP-Transistors, dessen Kollektor an einem Bezugspotential liegt und dessen Emitterfläche ebenso wie die des dritten PNP-Transistors im wesentlichen gleich der Hälfte der Emitterfläche des ersten PNP-Transistors ist, einem invertierenden Verstärker zuführt, der dem Knoten von seinem Ausgang einen Strom zuleitet, der abhängig vom Wert des vierten Widerstandes und dem Gleichstromverstärkungsfaktor des Verstärkers im wesentlichen gleich der Summe der Basis­ ströme des ersten, zweiten und dritten PNP-Transistors ist.

Der Strom am Ausgang des Verstärkers entspricht dem Basis­ strom des ersten, zweiten und dritten PNP-Transistors. Um bei verschiedenen Exemplaren von integrierten Schaltungen, die die Stromspiegelschaltung enthalten, d.h. die ver­ schiedenen Exemplare der Stromspiegelschaltung haben unterschiedliche Emitterflächen, die von den ersten beiden PNP-Transistoren hervorgerufene Summe der Basisströme kompensieren zu können, weist die Emitterfläche des dritten bzw. des vierten PNP-Transistors ein konstantes Verhältnis zu der Emitterfläche des ersten bzw. zweiten PNP-Transistors auf. Der vierte Widerstand und der Gleich­ stromverstärkungsfaktor des Verstärkers müssen so gewählt werden, daß der Verstärker einen Strom abgibt, der der Summe der Basisströme des ersten, zweiten und dritten Transistors entspricht.

Der Wert des vierten Widerstandes kann nun so gewählt werden, daß dieser im wesentlichen gleich dem doppelten Wert des ersten Widerstandes ist und der Gleichstrom­ verstärkungsfaktor des invertierenden Verstärker so, daß dieser einen Wert von 3 hat. In diesem Fall ist der Basis­ strom des dritten PNP-Transistors ungefähr so groß wie der halbe Summenstrom der Basisströme des ersten und zweiten PNP-Transistors.

In einer Ausführungsform für den invertierenden Verstärker ist vorgesehen, daß dieser einen ersten NPN-Transistor enthält, dessen Kollektor und Basis mit der Basis des vierten PNP-Transistors und dessen Emitter mit dem Bezugspotential gekoppelt sind, und einem zweiten NPN- Transistor, dessen Emitterfläche im wesentlichen gleich der dreifachen Emitterfläche des ersten NPN-Transistors ist und dessen Basis mit der Basis des ersten NPN- Transistors und dessen Emitter mit dem Bezugspotential und dessen Kollektor mit dem Knoten gekoppelt ist. Der Verstärker ist hier als eine einfache Stromspiegelschal­ tung aus NPN-Transistoren ausgebildet, die in der Regel eine so hohe Verstärkung haben, daß die durch die Basis­ ströme hervorgerufenen Symmetriefehler kaum bemerkbar sind.

Anhand der Zeichnung wird im folgenden ein Ausführungs­ beispiel der Erfindung erläutert:

Der Eingangsstrom Ye fließt einem Knoten 1 zu, der die Kompensationsschaltung 2 und den Kollektor eines ersten PNP-Transistors 3, die Basis eines zweiten PNP-Transis­ tors 4 und einen Anschluß eines Widerstandes 5 verbindet. Der andere Anschluß des Widerstandes 5 ist an die Basis des Transistors 3 angeschlossen. Der Emitter des Transis­ tors 3 ist über einen Widerstand 6 und der Emitter des Transistors 4 über einen Widerstand 7 an eine Spannungs­ quelle Ub angeschlossen. Der Ausgangsstrom Ya der Strom­ spiegelschaltung wird vom Kollektor des Transistors 4 geliefert. Die Widerstände 6 und 7 sollten so gewählt werden, daß an ihnen eine Spannung abfällt, die größer ist als ein Drittel der Basis-Emitter-Spannung des Transis­ tors 3 oder 4. Bevorzugt werden sollte ein solcher Wert, bei dem ein Spannungsabfall auftritt, der der Hälfte der Basis-Emitter-Spannung eines Transistors 3 oder 4 ent­ spricht. Mit den Widerständen 6 und 7 wird verhindert, daß durch Streuungen bedingte unterschiedliche Basis-Emitter- Spannungen des Transistors 3 bzw. 4 die Funktion der Stromspiegelschaltung verändern.

In der Kompensationsschaltung 2 ist die Basis eines PNP- Transistors 8 mit dem Knoten 1 verbunden, dessen Emitter über einen Widerstand 9 mit der Spannungsquelle Ub ver­ bunden ist und dessen Kollektor an den Emitter eines PNP- Transistors 12 angeschlossen ist. Der Kollektor des Transistors 12 ist an Masse gelegt und dessen Basis mit der Basis und dem Kollektor eines NPN-Transistors 10 ver­ bunden. Der Emitter dieses Transistors 10 ist ebenso wie der Emitter eines NPN-Transistors 11 an Masse gelegt, dessen Basis mit der Basis des Transistors 10 verbunden ist und dessen Kollektor an den Knoten 1 angeschlossen ist. Die Transistoren 10 und 11 bilden eine einfache Stromspiegelschaltung, bei der nur sehr kleine ver­ nachlässigbare Symmetriefehler auftauchen, da in der Regel die Gleichstromverstärkung eines NPN-Transistors sehr hoch ist.

Die Emitterfläche des Transistors 8 bzw. des Transis­ tors 12 ist gleich der Hälfte der Emitterfläche des Transistors 3 bzw. des Transistors 4. Die Emitterfläche des Transistors 11 ist gleich der dreifachen Emitterfläche des Transistors 10. Die Emitterfläche des NPN- Transistors 10 kann z.B. gleich einem Sechstel und die Emitterfläche des NPN-Transistors 11 gleich der Hälfte der Emitterfläche des Transistos 3 bzw. des Transistors 4 sein. Der aus den NPN-Transistoren 10 und 11 gebildete invertierende Verstärker weist einen Gleichstrom­ verstärkungsfaktor von 3 auf. Der Wert des Widerstandes 9 ist gleich dem doppelten Wert des Widerstandes 6 bzw. des Widerstandes 7.

Mit Hilfe der Stromspiegelschaltung soll ein Ausgangsstrom erzeugt werden, der in einem festen Verhältnis zum Ein­ gangsstrom steht, nämlich einem Verhältnis von eins. Bei der bekannten Schaltungsanordnung, d.h. ohne den Wider­ stand 5 und die Kompensationsschaltung 2 weist die Strom­ spiegelschaltung einen Symmetriefehler auf, der durch die beiden Basisströme der Transistoren 3 und 4 hervor­ gerufen wird. Mit Hilfe der Kompensationsschaltung 2 wird ein Kompensationsstrom erzeugt, der der Summe der Basisströme der Transistoren 3 und 4 entgegenwirkt. Dieser Kompensationsstrom ist ungefähr gleich dem doppelten Basisstrom des Transistors 8.

Eine solche Stromspiegelschaltung wird in der Regel in einer integrierten Schaltung eingesetzt. Die Emitterfläche der Transistoren kann bei den verschiedenen Exemplaren der integrierten Schaltung unterschiedlich sein. Diese Emitterflächen verändern sich relativ zueinander nicht, sondern nur die absolute Größe der Emitterfläche eines Transistors kann sich verändern. Da die Gleichstrom­ verstärkung der Transistoren abhängig von der Emitter­ fläche ist, weisen unterschiedliche Exemplare der Strom­ spiegelschaltung auch unterschiedliche Gleichstrom­ verstärkungen auf. Mit einer Änderung der Gleichstrom­ verstärkung, ergibt sich auch eine Änderung der Basis­ ströme der Transistoren 3 und 4. Da sich die Emitter­ flächen der Transistoren 8, 9, 10 und 11 ebenfalls ändern, ändert sich auch deren Gleichstromverstärkung und somit der Kompensationsstrom. Die erfindungsgemäße Stromspiegel­ schaltung kann also auch angewendet werden, wenn die Gleichstromverstärkungen sehr klein sind, da sich die Symmetriefehler, die sich bei der bekannten Stromspiegel­ schaltung auswirken würden, kompensiert werden.

Der Widerstand 5, der den gleichen Wert hat wie der Wider­ stand 6 bzw. der Widerstand 7 verbessert die Übertragungs­ eigenschaften der Stromspiegelschaltung. Bei einem Eingangsstromimpuls würde ohne diesen Widerstand 5 der Ausgangsstromimpuls einen sehr langsamen Flankenanstieg aufweisen. Durch den Widerstand 5 ergibt sich eine höhere Flankensteilheit. In einer praktischen Schaltungs­ realisierung wurden für die Widerstände 5, 6 und 7 5 kOhm und für den Widerstand 9 10 kOhm gewählt. Wie sich in praktischen Untersuchungen gezeigt hat, ist die Strom­ spiegelschaltung auch weitgehend unabhängig von Temperaturschwankungen.

Claims (4)

1. Stromspiegelschaltung in integrierter Schaltungs­ technik mit einem ersten PNP-Transistor (3), dessen Emitter über einen ersten Widerstand (6), der einen solchen Wert aufweist, daß an diesem mindestens eine Spannung abfällt, die größer als ein Drittel der Basis- Emitter-Spannung des ersten PNP-Transistors (3) ist, mit einer Spannungsquelle (Ub) gekoppelt ist und dessen Kollek­ tor und Basis mit einem Knoten (1), dem ein Eingangs­ strom (Ye) zugeleitet wird, gekoppelt sind, und mit einem zweiten PNP-Transistor (4), dessen Emitterfläche im wesentlichen gleich der Emitterfläche des ersten PNP- Transistors (3) ist und dessen Emitter über einen zweiten Widerstand (7), der den gleichen Wert wie der erste auf­ weist, mit der Spannungsquelle (Ub) und dessen Basis mit dem Knoten (1) gekoppelt ist und dessen Kollektor den Ausgangsstrom (Ya) abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Widerstand (5), der zwischen der Basis des ersten PNP-Transistors (3) und dem Knoten (1) angeordnet ist, im wesentlichen den gleichen Wert wie der erste Widerstand (6) aufweist und daß eine mit weiteren PNP-Transistoren aufgebaute Kompensationsschaltung (2) dem Knoten (1) einen Kompensa­ tionsstrom zuführt, der in gleicher Weise von der Emitter­ fläche der PNP-Transistoren in der Kompensationsschal­ tung (2) abhängt wie die Summe der Basisströme des ersten und zweiten PNP-Transistors (3, 4) von ihrer Emitterfläche und der im wesentlichen der Summe der Basisströme des ersten und zweiten PNP-Transistors (3, 4) entspricht.

2. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kompensationsschal­ tung (2) ein dritter PNP-Transistor (8), dessen Basis mit dem Knoten (1) und dessen Emitter mit einem vierten an die Spannungsquelle angeschlossenen Widerstand (9) gekoppelt ist, seinen Kollektorstrom über eine Emitter-Basis-Strecke eines vierten PNP-Transistors (12), dessen Kollektor an einem Bezugspotential liegt und dessen Emitterfläche ebenso wie die des dritten PNP-Transistors (8) im wesent­ lichen gleich der Hälfte der Emitterfläche des ersten PNP-Transistors (3) ist, einem invertierenden Verstärker (10, 11) zuführt, der dem Knoten (1) von seinem Ausgang einen Strom zuleitet, der abhängig vom Wert des vierten Widerstandes (9) und dem Gleichstromverstärkungs­ faktor des Verstärkers (10, 11) im wesentlichen gleich der Summe der Basisströme des ersten, zweiten und dritten PNP-Transistors (8, 3, 4) ist.

3. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des vierten Wider­ standes (9) im wesentlichen gleich dem doppelten Wert des ersten Widerstandes (6) ist und daß der invertierende Verstärker (10, 11) einen Gleichstromverstärkungsfaktor von drei hat.

4. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der invertierende Verstärker einen ersten NPN-Transistor (10) enthält, dessen Kollektor und Basis mit der Basis des vierten PNP-Transistors (12) und dessen Emitter mit dem Bezugspotential gekoppelt sind, und einen zweiten NPN-Transistor (11), dessen Emitter­ fläche im wesentlichen gleich der dreifachen Emitterfläche des ersten NPN-Transistors (10) ist und dessen Basis mit der Basis des ersten NPN-Transistors (10) und dessen Emitter mit dem Bezugspotential und dessen Kollektor mit dem Knoten (1) gekoppelt ist.