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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Konstantstromschaltung.
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Für
verschiedene genau arbeitende elektronische Schaltungen werden häufig Referenzspannungen
verwendet. In vielen Fällen
benötigt
man aber auch zu gleichem Zweck einen Referenzstrom anstelle einer
Referenzspannung. Dabei ist es natürlich erwünscht, daß dieser Referenzstrom möglichst nicht
von Schwankungen der Versorgungsspannung beeinflußt wird
und im übrigen
temperaturunabhängig
ist.
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Es sollen zunächst einige bekannte Referenzstromquellen
unter Bezug auf die 4(a) bis 4(d) beschrieben werden,
die zur Erzeugung eines weitgehend temperaturunabhängigen Referenzstroms
geeignet sind. Die 4(a) bis 4(d) zeigen den Schaltungsaufbau
herkömmlicher
Referenzstromquellen für
den Einsatz in einer integrierten MOS-Schaltung.
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4(a) zeigt
eine Stromquellenschaltung zur Lieferung eines temperaturunabhängigen Referenzstroms,
die von dem Betriebsschwellenwert eines MOS-Gates Gebrauch macht
(siehe Allen &. D.R.
Douglas: "CMOS Circuit
Design", publiziert
von Holt, Rinhart & Winston
Inc., 1987, Seiten 246-249). Diese Schaltung setzt sich aus der
Kombination einer Stromspiegelschaltung mit drei p-Kanal-Transistoren 61a bis 61c und
einer Referenzschaltung mit zwei n-Kanal-Transistoren 62a und 62b zusammen.
Die Stromspiegelschaltung auf der Stromversorgungsseite liefert
Ströme
an die beiden Transistoren 62a und 62b, von denen
jeweils das Gate des einen mit der Source des anderen verbunden
ist, sowie einen Widerstand r. Ein Ausgangsstrom Io wird von dem Transistor 61c auf
der gesteuerten Seite abgenommen.
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4(b) zeigt
eine Referenzstromquelle mit Selbstvorspannung, die eine Spannung
zwischen der Basis und dem Emitter eines parasitären Transistors als Referenz
verwendet (siehe P.R. Gray & R.G. Meyer: "Analysis and Design
of Analog Integrated Circuit",
japanische Übersetzung
publiziert vom Baifukan Publishing Co., 1990, Seite 307). Diese
Schaltung setzt sich aus der oben erwähnten Stromspiegelschaltung
mit den Transistoren 61a bis 61c, einer weiteren
Stromspiegelschaltung mit zwei n-Kanal-Transistoren 64a und 64b,
einem parasitären pnp-Transistor 63 einer
integrierten CMOS-Schaltung und einem Widerstand r zusammen. Bei
der Schaltung von 4(b) wird
der Ausgangsstrom in gleicher Weise abgenommen wie bei der Schaltung von 4(a).
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4(c) zeigt
eine Stromquellenschaltung, die eine thermische Spannung als Referenz
verwendet und sich von der Schaltung von 4(b) durch die Verwendung zweier Transistoren 63a und 63b in der
Referenzschaltung unterscheidet, die verschiedene Emitterstromdichten
aufweisen.
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4(d) zeigt
eine Stromquellenschaltung, die als Referenz eine Bandabstands-Spannung
verwendet (siehe P.R. Gray & R.G.
Meyer a.a.O., Seite 310). Bei dieser Schaltung ist der in 4(e) gezeigten Schaltung
eine Feineinstellschaltung zur Einstellung der Temperaturcharakteristik
hinzugefügt.
Diese Feineinstellschaltung enthält
einen Transistor 65, einen Widerstand ra, einen Operationsverstärker 66 und
einen Ausgangstransistor 67. Der Operationsverstärker 66 subtrahiert
einen Spannungsabfall über einem
von dem Ausgangsstrom Io durchflossenen Rückkopplungswiderstand R von
einem Spannungsabfall über
dem Transistor 65 und dem Widerstand ra. Der Ausgangstransistor 67 wird
von dem Ausgangssignal des Operationsverstärkers 66 gesteuert. In
diesem Fall ist der Ausgangsstrom Io ein sogenannter Senkenstrom,
der aus einer Last gezogen wird.
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Wie oben beschrieben, können die
bekannten Stromquellenschaltungen einen Referenzstrom abgeben, der
nicht durch eine Schwankung der Versorgungsspannung beeinflußt wird
und eine ziemlich geringe Temperaturabhängigkeit aufweist, obwohl zwischen
den einzelnen Schaltungen Unterschiede bestehen. Da sich jedoch
die einzelnen Schaltungen aus vielen Bauelementen zusammensetzen,
besteht das Problem, daß zum
Einsetzen dieser Bauelemente in einer integrierten Schaltung eine
große
Chipfläche
erforderlich ist. Anders ausgedrückt,
für die Stromquellenschaltungen
der 4(a) bis 4(d) sind fünf bis sechs
MOS-Transistoren, null bis drei bipolare Transistoren und ein bis
drei Widerstände
erforderlich. Daher wird der Chip groß, und die Kosten für den Einbau
einer Vielzahl der Schaltungen, verteilt an den erforderlichen Stellen,
in eine integrierte Schaltung erhöhen sich.
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Als einfachstes Konstantstromelement
wird im Stand der Technik ein Verarmungs-MOS-Transistor im Sättigungsstrombereich
verwendet. Da ein n-Kanal-MOS-Transistor einfach durch Verbinden von
Gate und Source benutzt werden kann, ergibt sich ein sehr einfacher
Schaltungsaufbau. Er ist jedoch stark temperaturabhängig, so
daß ein
Strom, der an sich konstant sein soll, sich im Verhältnis von 1,7:1
im Bereich von 0° bis
150°C ändert. Dieses
Element kann daher nicht bei Anwendungen eingesetzt werden, bei
denen jegliche temperaturabhängige
Instabilität
des Stroms problematisch ist.
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Es gibt darüber hinaus einige Fälle, wo
die Forderung besteht, daß ein
zu erzeugender Konstantstrom eine festgelegte Temperaturabhängigkeit mit
vorbestimmtem Temperaturkoeffizienten aufweist, aber unabhängig ist
von Versorgungsspannungsschwankungen. Wenn beispielsweise eine Referenzspannung
unter Ausnutzung der Durchlaßspannung
einer Diode erzeugt wird, kann der negative Temperaturkoeffizient
der Diode durch einen Konstantstrom mit einem positiven Temperaturkoeffizienten
kompensiert werden. Ein anderes Beispiel ist ein Temperaturfehler
des Detektorsignals eines Sensors oder dergleichen, der unter Verwendung
eines Konstantstroms mit, je nach Fall, positivem oder negativem
Temperaturkoeffizient kompensiert wird.
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Die
JP 02-176914 A offenbart eine Vorrichtung
zur Erzeugung einer konstanten Spannung. Hierin wird mittels einer
Diode eine temperaturabhängige
Referenzspannung erzeugt. Aus dieser Referenzspannung wird mittels
einer Spannungsfolgerschaltung bestehend aus zwei Feldeffekttransistoren eine
Ausgangsspannung erzeugt. Zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten
der Diode weist der erste Feldeffekttransistor einen entsprechenden
Temperaturkoeffizienten auf und ist thermisch mit der Diode gekoppelt.
Der zweite Feldeffekttransistor soll durch die Temperaturänderung
nicht beeinflußt
werden und trägt
damit nicht zur Temperaturkompensation bei. Ein Spannungsteiler
aus den Widerständen
dient, wie in solchen Schaltungen üblich, zur Einstellung des
Arbeitspunktes. Da für
eine einwandfreie Funktion dieser Schaltung der zweite Feldeffekttransistor temperaturunabhängig sein
soll, hat auch der diesem vorgeschaltete Spannungsteiler keinen
Einfluß auf das
Temperaturverhalten.
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Die
US
4,020,367 offenbart eine zweipolige Stromquelle hoher Impedanz
mit einem temperaturunabhängigen
Ausgangsstrom. Ein Schaltungsteil erzeugt eine Steuerspannung, die
am Gate eines Feldeffekttransistors anliegt, dessen Source-Drain-Strecke
die beiden Pole der Stromquelle mit einander verbindet, durch den
also der Laststrom fließt
und in seiner Höhe
bestimmt wird. Damit ändert sich
die Spannung über
der zweipoligen Stromquelle, anders ausgedrückt, die Last wirkt sich nachteiligerweise
auf die Steuerspannung und damit auf die Höhe des Konstantstroms aus.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, eine möglichst
einfach aufgebaute Schaltung zu schaffen, die die Erzeugung eines
temperaturunabhängigen
Konstantstroms oder eines einen bestimmten Temperaturkoeffizienten
aufweisenden Konstantstroms ermöglicht,
der von Versorgungsspannungsschwankungen unbeeinflußt ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Konstantstromschaltung mit einem Aufbau gemäß einem der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Mittels einer Stromquellenanordnung,
bei der es sich um einen Transistor oder einen Widerstand handeln
kann, wird ein Strom erzeugt, der zwar weitgehend unabhängig von
der Versorgungsspannung, aber temperaturabhängig ist. Dieser Strom wird
einer Transistoranordnung die als nichtideale Stromspiegelanordnung
angesehen werden und aus zwei Transistoren bestehen kann, als Eingangsstrom zugeführt. Diese
Transistoranordnung unterscheidet sich von einer idealen Stromspiegelanordnung
durch ungleiche Steuerspannungen einer Eingangstransistoranodnung
(Referenztransistoranordnung oder Einstelltransistoranordnung) und
einer Ausgangstransistoranordnung. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt,
daß der
Ausgangsstrom der nicht-idealen Stromspiegelanordnung eine andere
Temperaturabhängigkeit
zeigt als ihr Eingangsstrom. Durch Einstellen der Steuerspannungsrelation
kann so im Ausgangsstrom die Temperaturabhängigkeit des Eingangsstroms
kompensiert werden oder, bedarfsweise, eine gewünschte Temperaturabhängigkeit
des Ausgangsstroms vorgegeben werden. Dies läßt sich mit einer geringen
Anzahl an Bauelementen, die alle Bestandteil einer integrierten
Schaltung sein können realisieren.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1(a) eine
Konstantstromschaltung gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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1(b) eine
Konstantstromschaltung gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2(a) eine
Konstantstromschaltung gemäß einer
Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels,
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2(b) eine
Konstantstromschaltung gemäß einer
Modifikation des zweiten Ausführungsbeispiels,
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3 Ausgangsstromkennlinien über der Temperatur
mit dem Teilungsverhältnis
eines Spannungsteilers als Parameter, und
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4(a) bis 4(d) Beispiele bekannter
Konstantstromschaltungen.
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Bei den in den 1(a) und 1(b) gezeigten ersten
beiden Ausführungsbeispielen
der Erfindung handelt es sich genaugenommen um eine Stromsenke.
Die 2(a) und 2(b) zeigen Abwandlungen
der ersten beiden Ausführungsbeispiele
und stellen Stromquellen dar. Hinsichtlich Details des Schaltungsaufbaus
dieser Ausführungsbeispiele
wird ausdrücklich
auf die für
den Fachmann ohne weiteres verständlichen
Zeichnungen verwiesen.
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Bei dem in 1(a) gezeigten ersten Ausführungsbeispiel
stellt ein n-Kanal-Verarmungs-Feldeffekttransistor eine Stromquellenanordnung 10 dar, die
eine Versorgungsspannung Vd erhält.
Das Gate des Transistors ist bei diesem Beispiel elektrisch mit seiner
Source verbunden. Der Transistor arbeitet dadurch, daß eine ausreichend
hohe Spannung zwischen seiner Source und der Drain anliegt, im Stromsättigungsbereich.
Der Ausgangsstrom Ii von dieser Stromquellenanordnung 10 ist
weitgehend unabhängig
von Schwankungen der Versorgungsspannung Vd, weist aber eine erhebliche
Temperaturabhängigkeit
auf, wie oben im Hinblick auf den Stand der Technik beschrieben.
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Eine Referenztransistoranordnung 20,
die diesen Eingangsstrom Ii empfängt,
umfaßt
in diesem Ausführungsbeispiel
einen n-Kanal-Anreicherungs-Feldeffekttransistor, dessen Gate und
Drain bei diesem Beispiel miteinander verbunden sind. Eine Referenzspannung
Vr vom Verbindungspunkt zwischen der Stromquellenanordnung 10 und
der Referenztransistoranordnung 20 liegt an einer Spannungsteileranordnung 30 an.
Die in der Figur gestrichelt umrandete Spannungsteileranordnung 30 umfaßt eine
Widerstands-Spannungsteilerschaltung mit zwei in üblicher
Weise in Reihe geschalteten Widerständen 31 und 32.
Die Widerstandswerte der Widerstände
liegen vorzugsweise um etwa zwei Größenordnungen höher als
der Durchlaßwiderstand
der Referenztransistoranordnung 20. Die Spannungsteileranordnung 30 liefert
an eine Ausgangstransistoranordnung 40 eine Steuerspannung,
die durch Teilen der Referenzspannung Vr entsprechend einem eingestellten
Spannungsteilerverhältnis α gewonnen wird.
Die Ausgangstransistoranordnung 40 ist im dargestellten
Beispiel ein n-Kanal-Feldeffekttransistor. Die Ausgangstransistoranordnung 40 empfängt die Steuerspannung
Vc an ihrem Gate und steuert abhängig
von der Steuerspannung Vc einen eine Last 1 durchfließenden Ausgangsstrom
Io.
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Bei dem dargestellten Beispiel liegt
an der Last 1 eine von der Versorgungsspannung der Stromquellenanordnung 10 getrennte
Versorgungsspannung V an, und die in 11a)
gezeigte Konstantstromschaltung ist eine sogenannte Stromsenke,
bei der die Ausgangstransistoranordnung 40 den die Last 1 durchfließenden Strom
aufnimmt.
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Wenn das Spannungsteilerverhältnis α der Spannungsteileranordnung 30 1
ist, wird die Steuerspannung Vc gleich der Referenzspannung Vr,
und die Referenztransistoranordnung 20 und die Ausgangstransistoranordnung 40 stellen
eine bekannte Stromspiegelschaltung dar. Daher weist der Ausgangsstrom
Io, der Strom auf der gesteuerten Seite, nahezu dieselbe Temperaturabhängigkeit
auf wie der Eingangsstrom Ii, der Strom auf der Referenzseite. Es
läßt sich
zeigen, daß der
Ausgangsstrom Io z.B. eine stärker
positive Temperaturabhängigkeit
als der Eingangsstrom Ii aufweist, wenn das Spannungsteilerverhältnis α kleiner
wird als 1, da dann die Stromspiegelschaltung vom Idealzustand abweicht.
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Die vorliegende Erfindung stellt
die Temperaturabhängigkeit
des Ausgangsstroms unter Ausnutzung dieser Eigenschaften dadurch
ein, daß die Spannungsteileranordnung 30 zwischen
der Referenztransistoranordnung 20, der Referenzstromseite, und
der Ausgangstransistoranordnung 40, der Seite des gesteuerten
Stroms, eingefügt
ist. Dadurch, daß das
Spannungsteilerverhältnisses α so eingestellt wird,
daß sich
die Stromspiegelschaltung nicht im Idealzustand befindet, kann der
Temperaturkoeffizient des Ausgangsstroms Io leicht eingestellt werden, beispielsweise
so, daß er
durch Einstellung zur positiven Seite den negativen Temperaturkoeffizienten des
Eingangsstroms Ii kompensiert, oder so, daß er auf einen gewünschten
Wert eingestellt wird.
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Zur Stabilisierung der Temperaturabhängigkeit
des Ausgangsstroms Io werden die Stromquellenanordnung 10,
die Referenztransistoranordnung 20 und die Ausgangstransistoranordnung 40 vorzugsweise
einander nahe benachbart auf dem Chip einer integrierten Schaltung
angeordnet. Für
den Fall einer Versorgungsspannung Vd von 5 V, hat es sich empirisch
als vorteilhaft erwiesen, den Durchlaßwiderstand der Referenztransistoranordnung 20 so
einzustellen, daß die
Referenzspannung Vr etwa 2 V beträgt, um die Einstellung der
Temperaturabhängigkeit zu
erleichtern.
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Bei dem in 1(b) gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel
umfaßt
eine Stromquellenanordnung 11, die einen Eingangsstrom
Ii mit positiver Temperaturabhängigkeit
erzeugt, beispielsweise einen Widerstand, der die Versorgungsspannung
Vd empfängt.
Eine Einstelltransistoranordnung 21 umfaßt einen
n-Kanal-Anreicherungs-Feldeffekttransistor, der den Eingangsstrom
Ii empfängt.
Eine Steuerspannung Vc entsteht an dem Verbindungspunkt der Stromquellenanordnung 11 mit
diesem Transistor und liegt am Gate eines eine Ausgangstransistoranordnung 40 bildenden
Feldeffekttransistors an. Eine Spannungsteileranordnung 30 empfängt die
Steuerspannung Vc und liefert eine Einstellspannung Va an die einen
Feldeffekttransistor umfassende Einstelltransistoranordnung 21.
Die Einstellspannung Va entsteht durch Teilen der Steuerspannung
Vc entsprechend einem eingestellten Spannungsteilerverhältnis α. Bei diesem
Ausführungsbeispiel
wird die Temperaturabhängigkeit
des Ausgangsstroms Io beseitigt oder auf einen gewünschten
Wert eingestellt, indem die positive Temperaturabhängigkeit
des Eingangsstroms Ii mit der durch Einstellen des Spannungsteilerverhältnisses α auf einen
Wert kleiner 1 in der Spannungsteileranordnung 30 erhaltenen
negativen Temperaturabhängigkeit
kompensiert wird.
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Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel,
gilt auch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel
daß, wenn
das Spannungsteilerverhältnis α der Spannungsteileranordnung 30 auf
1 gesetzt wird, der Ausgangsstrom Io auf der gesteuerten Seite einer
Stromspiegelschaltung nahezu dieselbe Temperaturabhängigkeit
aufweist, wie der Eingangsstrom Ii auf der Referenzseite. Wenn aber
das Spannungsteilerverhältnis α kleiner
als 1 wird, weist der Ausgangsstrom Io eine beispielsweise stärker negative
Temperaturabhängigkeit
als der Eingangsstrom Ii auf. Durch Einstellen des Spannungsteilerverhältnisses α kann daher
der Temperaturkoeffizient des Ausgangsstroms Io leicht eingestellt
werden, beispielsweise so zur negativen Seite eingestellt werden,
daß er
den positiven Temperaturkoeffizienten des Eingangsstroms Ii kompensiert,
oder so eingestellt werden, daß sich
ein gewünschter
Wert ergibt.
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Wie sich aus beiden Ausführungsbeispielen der 1(a) und 1(b) ergibt, sind lediglich zwei Transistoren
zusätzlich
zur Stromquellenanordnung 10 oder 11 vorgesehen,
einer für
die Referenztransistoranordnung 20 oder die Einstelltransistoranordnung 21 und
einer für
die Ausgangstransistoranordnung 40. Damit läßt sich
eine gegenüber
den bekannten Schaltungen sehr viel einfachere Konstantstromschaltung
aufbauen. Während
bei den beiden Ausführungsformen
in den 1(a) und 1(b) die Versorgungsspannung
Vd auf der Seite der Stromquellen anordnung 10 oder 11 von
der Versorgungsspannung V auf der Seite der Last 1 getrennt
ist, können
diese Versorgungsspannungen Vd und V auch vereint werden.
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Bei einer in 2(a) gezeigten Modifikation des ersten
Ausführungsbeispiels
umfaßt
eine Stromquellenanordnung 10 denselben n-Kanal-Verarmungs-Feldeffekttransistor
wie bei der Schaltung von 1(a).
Gate und Source des Transistors sind elektrisch miteinander verbunden
und der Transistor arbeitet im Bereich der Stromsättigung
und erzeugt einen Eingangsstrom Ii mit einer Temperaturabhängigkeit
eines definierten Werts. Im Unterschied zur Schaltung von 1(a) befindet sich dieser
Transistor an der Masseseite der Schaltung. Eine Referenztransistoranordnung 20 empfängt den
Eingangsstrom Ii und umfaßt
einen p-Kanal-Anreicherungs-Feldeffekttransistor,
der auf der Seite der Versorgungsspannung V angeschlossen ist.
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Die Spannungsteileranordnung 30 empfängt eine
Referenzspannung Vr vom Verbindungspunkt zwischen der Referenztransistoranordnung 20 und der
Stromquellenanordnung 10 und liefert eine Steuerspannung
Vc durch Teilung der Referenzspannung Vr an das Gate einer Ausgangstransistoranordnung 41,
die bei diesem modifizierten Ausführungsbeispiel einen p-Kanal-Feldeffekttransistor
umfaßt.
Die beiden p-Kanal-Feldeffekttransistoren der Referenztransistoranordnung 20 und
Ausgangstransistoranordnung 41 bilden eine modifizierte
Stromspiegelschaltung, zwischen denen sich die Spannungsteileranordnung 30 befindet.
Auf gleiche Weise wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen
wird der Temperaturkoeffizient des Ausgangsstroms Io auf den Wert
null oder einen anderen gewünschten Wert
gesetzt, indem die Temperaturabhängigkeit
des Eingangsstroms Ii über
das Spannungsteilerverhältnis α der Spannungsteileranordnung 30 eingestellt wird.
Bei diesem modifizierten Ausführungsbeispiel wird überdies
der Ausgangsstrom Io von der an der Seite der Versorgungsspannung
V angeschlossenen Ausgangstransistoranordnung 41 in einem
sogenannten Quellenstrommodus an die Last 1 geliefert.
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Bei der in 2(b) gezeigten Modifikation des zweiten
Ausführungsbeispiels
ist ein Widerstand als Stromquellenanordnung 11 an die
Masseseite angeschlossen, und ein p-Kanal-Feldeffekttransistor als Einstelltransistoranordnung 21 ist
an der Seite der Versorgungsspannung V angeschlossen. Eine Steuerspannung
Vc wird von dem Verbindungspunkt zwischen der Stromquellenanordnung 11 und
der Einstelltransistoranordnung 21 an einen p-Kanal-Feldeffekttransistor
als Ausgangstransistoranordnung 41 geliefert. Die Einstelltransistoranordnung 21 wird
von einer Einstellspannung gesteuert, in die die Steuerspannung
Vc in einer letztere empfangenden Spannungsteileranordnung 30 geteilt
wird. Der Temperaturkoeffizient des Ausgangsstroms Io wird auch
hier auf den Wert null oder einen anderen gewünschten Wert dadurch eingestellt,
daß die
Temperaturabhängigkeit
des Eingangsstroms Ii über
das Spannungsteilerverhältnis α der Spannungsteileranordnung 30 eingestellt
wird, in gleicher Weise bei dem Ausführungsbeispiel in 1(b). Auch in diesem Fall
wird der Ausgangsstrom Io von der an die Seite der Versorgungsspannung
V angeschlossenen Ausgangstransistoranordnung 41 im Quellenstrommodus
geliefert.
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3 zeigt
einen Satz von Kurven, die die Änderungen
des Ausgangsstroms Io über
der Temperatur mit dem Spannungsteilerverhältnis α der Spannungsteileranordnung 30 als
Parame ter in der Konstantstromschaltung 50 von 1(a) darstellen. Auf der
Abszisse in 3 ist die
Temperatur T in Grad Celsius und auf der Ordinate der Ausgangsstrom
Io normiert auf den Ausgangsstrom bei 27°C aufgetragen. Für diese
Kennlinien wurden die Schaltungsparameter so eingestellt, daß bei einer
Versorgungsspannung Vd = 5 V die Referenzspannung Vr = 2 V betrug.
Wenn die Spannungsteileranordnung 30 wirkungslos ist, wenn
also α =
1, dann weist der Ausgangsstrom Io die negative Temperaturabhängigkeit
des Eingangsstroms Ii auf. Wenn α ≤ 0,7, dann wird
der Einstelleffekt deutlich, und wenn α = 0,5, wird die Temperaturabhängigkeit
unterhalb etwa 80°C
positiv und darüber
negativ. Im dargestellten Bereich von 0° bis 150° C erhält man den am nächsten bei null
liegenden Temperaturkoeffizienten des Ausgangsstroms Io für α = 0,5 mit
einer Schwankung von ±7,5%.
Vergleicht man dies mit der Schwankungsbreite von +8 bis -36% bei α = 1, dann
bedeutet dies, daß die
Schwankungsbreite des Ausgangsstroms Io auf ca. 1/3 reduziert ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die oben
beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiele
beschränkt, sondern
kann in verschiedenen Arten realisiert werden. Beispielsweise wird
bei dem ersten Ausführungsbeispiel
ein Verarmungs-Feldeffekttransistor als Stromquellenanordnung 10 verwendet.
Stattdessen könnte
auch ein Anreicherungs-Feldeffekttransistor verwendet werden, dessen
Gate und Drain miteinander verbunden sind und der innerhalb des Stromsättigungsbereichs
betrieben wird. Da ferner der Ausgangsstrom wie bei den 1(a) und 1(b) als Senkenstrom oder, wie in den 2(a) und 2(b) als Quellenstrom entnommen werden
kann, ist es möglich,
mehrere der Konstantstromschaltungen in Reihe zu schalten und den
Ausgangsstrom einer vorangehenden Stufe als Eingangsstrom der nachfolgenden zu
verwenden, um so die Temperaturabhängigkeit durch die Spannungsteilerverhältnisse
der einzelnen Spannungsteileranordnungen fein einzustellen.
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Wie voranstehend beschrieben, nutzt
die vorliegende Erfindung die Tatsache aus, daß die Referenzseite und die
gesteuerte Seite einer Stromspiegelschaltung dadurch mit unterschiedlichen
Temperaturänderungen
versehen werden können,
daß die Stromspiegelschaltung
nicht in ihrem Normalzustand betrieben wird, indem eine Spannungsteileranordnung
zwischen die Referenzseite, die Referenztransistoranordnung bei
dem ersten Ausführungsbeispiel bzw.
die Einstelltransistoranordnung bei dem zweiten Ausführungsbeispiel,
und die gesteuerte Seite, die Ausgangstransistoranordnung, eingesetzt
wird. Bei diesem Schaltungsaufbau wird der Ausgangsstrom auf der
gesteuerten Seite dadurch mit der gewünschten Temperaturabhängigkeit
versehen, daß das Spannungsteilerverhältnis so
eingestellt wird, daß die
Temperaturabhängigkeit
des von der Stromquellenanordnung auf der Referenzseite empfangenen Eingangsstroms
kompensiert wird. Dieser Schaltungsaufbau gemäß der vorliegenden Erfindung
führt zu
folgenden Wirkungen:
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- (a) Da die Konstantstromschaltung zusätzlich zur Stromquellenanordnung
aus lediglich zwei Transistoren für die Referenztransistoranordnung
oder die Einstelltransistoranordnung und für die Ausgangstransistoranordnung
sowie einer einfachen Spannungsteileranordnung bestehen kann, ergibt sich
ein sehr viel einfacherer Schaltungsaufbau als beim Stand der Technik,
und die erforderliche Chipfläche
kann deutlich reduziert werden, wenn die Schaltung in eine integrierte
Schaltung eingesetzt wird. Insbesondere, wenn eine Vielzahl dieser
Konstantstromschaltungen in einer integrierten Schaltung verwendet
wird, werden ein deutliche Zunahme der Chipfläche vermieden und die Kosten
reduziert. Darüber
hinaus kann die Spannungsteileranordnung unter Verwendung von polykristallinem
Silizium innerhalb der Schaltung auf dem Chip realisiert werden.
- (b) Da die Temperaturabhängigkeit
mit Hilfe des Spannungsteilerverhältnisses der Spannungsteileranordnung
kontinuierlich eingestellt werden kann, läßt sich ein Ausgangsstrom erzielen,
dessen Temperaturkoeffizient null oder im wesentlichen null ist,
oder aber einen anderen gewünschten
Wert aufweist.
- (c) Da der Schaltungsaufbau der Konstantstromschaltung sehr
einfach ist und der Ausgangsstrom erforderlichenfalls in einfacher
Weise als Senkenstrom zur Verfügung
steht, kann eine Vielzahl der Konstantstromschaltungen in Reihe
geschaltet werden und die Temperaturabhängigkeit des Ausgangsstroms
kann fein eingestellt werden, ohne eine merkliche Komplexität des Schaltungsaufbaus
zu verlangen.
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Wie voranstehend beschrieben läßt sich
die Erfindung in allgemeiner Form definieren als eine Konstantstromschaltung
mit einer Stromspiegelschaltung, die wenigstens zwei Transistoren
(20, 40; 21, 40; 20, 41; 21, 41)
enthält,
von denen ein Eingangstransistor 120; 21) mit
einem von einer Versorgungsspannung im wesentlichen unabhängigen, aber
temperaturabhängigen
Eingangsstrom beliefert wird, während
ein Ausgangstransistor (40; 41) von dem Ausgangsstrom
der Konstantstromschaltung durchflossen wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerelektrode
eines der zwei Transistoren (40; 21; 41; 21)
mit einem Bruchteil der Spannung an der Steuerelektrode des anderen 120; 40; 20; 41)
der zwei Transistoren beaufschlagt ist.