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Dokumentenidentifikation DE2801810C2 27.10.1988
Titel Stromstabilisator
Anmelder N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken, Eindhoven, NL
Erfinder Plassche, Rudy Johan van de;
Schepens, Antonius Cornelis Maria, Eindhoven, NL
Vertreter Hartmann, H., Dipl.-Ing., Pat.-Ass., 2000 Hamburg
DE-Anmeldedatum 17.01.1978
DE-Aktenzeichen 2801810
Offenlegungstag 14.12.1978
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 27.10.1988
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.10.1988
IPC-Hauptklasse G05F 3/16

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromstabilisationsschaltung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs (DE-OS 24 12 313).

Die im Oberbegriff genannten Halbleiterbauelemente können u. a. sein: Dioden, bei denen die erste und die zweite Elektrode, abhängig von der Durchlaßrichtung, durch die Anode und die Kathode gebildet werden, Bipolartransistoren, bei denen die Basis-Elektrode die zweite Elektrode und die Emitter-Elektrode die erste Elektrode ist, und Feldeffekttransistoren, bei denen die Steuerelektrode die zweite Elektrode und die Source-Elektrode die erste Elektrode ist.

Stromstabilisatoren sind aus der DE-OS 24 12 393 bekannt. Bei diesen Stromstabilisationsschaltungen werden gleiche Spannungen über dem dritten und dem vierten Kreis dadurch aufrechterhalten, daß der zweite und der dritte Punkt miteinander verbunden sind. Diese Punkte sind mit je der Basis-Elektrode eines ersten und eines zweiten Transistors verbunden, die das erste bzw. das zweite Halbleiterbauelement bilden, deren Hauptstrombahnen in dem ersten bzw. dem zweiten Stromkreis liegen. Einer der beiden Transistoren kann dabei durch eine Kollektor-Basis-Verbindung als Diode geschaltet sein. Das feste gegenseitige Größenverhältnis der Ströme in den beiden Stromkreisen kann dabei durch eine Stromspiegelkopplung zwischen den beiden Stromkreisen oder durch Anwendung eines Differenzverstärkers aufrechterhalten werden, dessen Eingängen Spannungen, die über in dem ersten und dem zweiten Stromkreis angeordneten Widerständen erzeugt werden, zugeführt werden, wobei ein Ausgang dieses Differenzverstärkers mit den von den Eingängen des Differenzverstärkers abgekehrten Seiten der genannten Widerstände verbunden ist. In dem dritten Kreis ist dabei ein Widerstand zwischen dem ersten Halbleiterbauelement und dem ersten Punkt angeordnet, und dabei fließt durch diesen Widerstand der kleinere der beiden Ströme.

Bei einer aus US-Z "IEEE Journal of Solid State Circuits", Band SC-8, Nr. 3, Juni 1973, S. 222-226, bekannten Stromstabilisationsschaltung werden gleiche Spannungen über dem dritten und dem vierten Kreis dadurch aufrechterhalten, daß der zweite bzw. der dritte Punkt mit dem invertierenden bzw. nichtinvertierenden Eingang eines Differenzverstärkers verbunden sind, dessen Ausgang mit einem dritten Punkt verbunden ist. Der dritte Punkt ist mit Widerständen, die in dem ersten bzw. dem zweiten Stromkreis angeordnet sind, an den zweiten bzw. den dritten Punkt angeschlossen. Beide Halbleiterbauelemente sind dabei Dioden oder als Dioden geschaltete Transistoren. Das Verhältnis der genannten Widerstände bestimmt das gegenseitige Größenverhältnis der Ströme, die durch den ersten und den zweiten Stromkreis fließen. In dem dritten Kreis ist dabei ein Widerstand in Reihe mit dem ersten Halbleiterbauelement angeordnet, wobei durch diesen Widerstand der kleinste der beiden Ströme fließt.

Ferner ist aus der NL-OS 72 14 136 ein Stromstabilisator bekannt, bei dem das erste und das zweite Halbleiterbauelement ein erster und ein zweiter Transistor sind und bei dem ein Widerstand in dem zweiten Stromkreis in der Kollektorleitung des zweiten Transistors angeordnet ist, wodurch der genannte dritte Kreis über diesen Widerstand und den Basis-Emitter-Übergang des ersten Transistors und der vierte Kreis über den Basis-Emitter-Übergang des zweiten Transistors gebildet wird. Dabei ist die Basis des ersten Transistors mit dem Kollektor des zweiten Transistors und die Basis des zweiten Transistors mit dem von dem Kollektor des zweiten Transistors abgekehrten Ende des genannten Widerstandes verbunden.

Es ist bei Stromstabilisatoren der vorstehend beschriebenen Art möglich, zusätzliche Dioden oder als Dioden geschaltete Transistoren in dritten und vierten Kreisen anzuordnen, vorausgesetzt, daß in den beiden Kreisen eine gleiche Anzahl vorhanden ist. Weiter dürfen in dem dritten und dem vierten Kreis zusätzlich gleiche Widerstände angeordnet werden.

Die Wirkung der beschriebenen Stromstabilisationsschaltungen beruht auf der Tatsache, daß infolge des festen Verhältnisses zwischen den Strömen in den beiden Stromkreisen sich nur bei einer bestimmten Größe (ungleich 0) dieser Ströme ein stabiler Zustand einstellen kann. Denn infolge der Aufrechterhaltung gleicher Spannungen über dem zweiten und dem dritten Kreis müssen diese Ströme die Bedingung erfüllen, daß der Unterschied zwischen den Spannungen zwischen den beiden Elektroden des zweiten Halbleiterbauelements und zwischen den beiden Elektroden des ersten Halbleiterbauelements gleich der Spannung über dem in dem dritten Kreis angeordneten Widerstand (oder, wenn in beiden Kreisen zusätzliche Widerstände angeordnet sind, gleich dem Unterschied zwischen den Spannungen über den Widerständen in den beiden Kreisen) sein muß.

Es läßt sich nachweisen, daß der Unterschied zwischen den Spannungen über zwei nahezu identischen Halbleiterübergängen, die in einer integrierten Schaltung nahezu die gleiche Temperatur aufweisen, und abgesehen von der Geometrie, genau gleich sind, gleich



ist, wobei k die Boltzmann- Konstante, T die absolute Temperatur (K), q die elementare Ladung, n das Verhältnis der beiden Ströme durch die Halbleiterübergänge, i&sub0;&sub1; den Sättigungsstrom in der Sperrichtung des einen Halbleiterübergangs und i&sub0;&sub2; den Sättigungsstrom in der Sperrichtung des anderen Halbleiterübergangs darstellen. Wenn der in dem dritten Kreis angeordnete Widerstand einen Widerstandswert R aufweist, gilt für den Strom I durch diesen Widerstand, daß



wobei infolge der Tatsache, daß beide Halbleiterübergänge nahezu identisch sind, gilt, daß i&sub0;&sub2; etwa gleich i&sub0;&sub1; ist.

Aus obenstehendem geht hervor, daß die Ströme, die den ersten und den zweiten Stromkreis durchfließen, einen der Temperatur proportionalen Wert aufweisen. Der am ersten Punkt auftretende Strom kann dann ebenfalls eine gleiche Temperaturabhängigkeit aufweisen.

In der zuerst genannten Patentanmeldung ist angegeben, daß durch Anordnung eines zusätzlichen Widerstandes mit passend gewähltem Widerstandswert parallel zu dem zweiten Halbleiterübergang dem ersten Punkt ein nahezu temperaturunabhängiger Strom entnommen werden kann. Denn der Strom durch diesen Widerstand ist der Spannung über dem zweiten Halbleiterübergang proportional, wobei durch diesen Halbleiterübergang ein der Temperatur proportionaler Strom fließt. Für die Spannung über einem derartigen pn- Übergang kann nachgewiesen werden, daß sie eine temperaturunabhängige Komponente und eine Komponente mit einer negativen Temperaturabhängigkeit erster Ordnung aufweist. Der von dieser Komponente erster Ordnung in diesem Widerstand erzeugte Strom kann dann die positive Temperaturabhängigkeit der in den beiden Stromkreisen fließenden Ströme ausgleichen, so daß ein nahezu temperaturabhängiger Strom erhalten wird.

Die beiden genannten Patentanmeldungen geben auch ein Beispiel des Spannungsäquivalents einer derartigen temperaturunabhängigen Stromquelle. Der erzeugte Strom mit einer positiven Temperaturabhängigkeit wird dazu über die Reihenschaltung eines Halbleiterübergangs und eines Widerstandes geführt. Die von diesem Strom über diesem Widerstand erzeugte Spannungskomponente mit einer positiven Temperaturabhängigkeit kann dann die Komponente der Spannung über diesem Halbleiterübergang mit einer negativen Abhängigkeit erster Ordnung ausgleichen. Es läßt sich nachweisen, daß dann die Spannung über diesem Widerstand in Reihe mit diesem Halbleiterübergang nahezu gleich Egap, d. h. dem Bandabstand zwischen dem Leitungs- und dem Valenzband des verwendeten Halbleitermaterials, ist (bei der äquivalenten Stromquelle ist der Strom dann nahezu gleich Egap/R, wobei R der Parallelwiderstand ist). Bei der Schaltung nach dem genannten Aufsatz in "IEEE J. S.S.C.", aaO, bildet die Reihenschaltung bereits einen Teil des Stromstabilisators und erscheint die Spannung Egap zwischen dem Ausgang des Differenzverstärkers und dem ersten Verbindungspunkt.

Bei Anwendung von Feldeffekttransistoren können ähnliche Beziehungen auftreten, wobei jedoch quadratische statt exponentieller Charakteristiken gelten.

Bei Bipolartransistoren, die unter Verwendung derselben Verfahrensschritte und auf ein und demselben Substrat integriert sind, wird die Gleichheit der genannten Größen i&sub0;&sub1; und i&sub0;&sub2; im wesentlichen durch die Abmessungen der Basis-Emitter-Übergänge bestimmt. Bei Anwendung der jetzigen Technologien treten Abweichungen von 1 bis 2% in bezug auf den gewünschten Strom ln n auf. Für Anwendungen, bei denen ein genauer Strom oder eine genaue Spannung erwünscht ist, sind diese Abweichungen zu groß. Die Abweichung kann zwar dadurch herabgesetzt werden, daß der Widerstand R abgeglichen wird, aber bei der Herstellung ist dieser Vorgang nicht attraktiv. Dies ist um so mehr bei den genannten Anwendungen der Fall, bei denen ein weiterer Widerstand vorgesehen wird, um eine temperaturunabhängige Spannung oder einen temperaturunabhängigen Strom zu erhalten. Beide Widerstände beeinflussen dann den Temperaturkoeffizienten und den Wert dieser Spannung oder dieses Stromes, wodurch ein eindeutiger Abgleich nicht möglich ist.

Bei Anwendung von Feldeffekttransistoren werden die Abweichungen im wesentlichen durch Abweichungen der Kanalabmessungen in bezug auf die gewünschten Abmessungen bestimmt.

Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Stromstabilisationsschaltung zu schaffen, bei der der Einfluß gegenseitiger Änderungen in den Abmessungen der Halbleiterübergänge auf den Wert des stabilisierten Stromes erheblich herabgesetzt wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Stromstabilisationsschaltung nach dem Oberbegriff durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch die periodische Vertauschung beider Ströme und das Umschalten des genannten Widerstandes die Funktionen der beiden Halbleiterbauelemente stets vertauscht werden, wodurch ein konstanter Strom oder eine konstante Spannung erhalten wird, als ob beide Halbleiterbauelemente identisch wären, während außerdem ein Welligkeitsstrom oder eine -spannung erhalten wird, dessen oder deren Amplitude durch die Ungleichheit der beiden Halbleiterbauelemente bestimmt wird und der oder die wegen seiner oder ihrer verhältnismäßig niedrigen Amplitude einfach, z. B. mit Hilfe eines RC-Gliedes oder sogar mittels einer Streukapazität, das oder die innerhalb oder außerhalb der Schaltung hinzugefügt werden kann, weggefiltert werden kann. Im beschriebenen Beispiel von Bipolartransistoren wird der Strom I durch den Widerstand R in dem einen Zustand gleich



und im anderen Zustand gleich



sein. Der mittlere Strom wird dann gleich



sein.

Aus diesem Ausdruck sind die Terme i&sub0;&sub1; und i&sub0;&sub2;, die die Abweichungen verursachten, verschwunden.

Dabei sei bemerkt, daß das Schalten des Widerstandes in wechselweise dem dritten und dem vierten Kreis dadurch erfolgen kann, daß ein und derselbe Widerstand umgeschaltet oder daß von zwei Widerständen, und zwar einem in jedem Kreis, ausgegangen wird, von denen wechselweise einer wirksam ist.

Eine sehr günstige Ausführungsform eines Stromstabilisators nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die genannten zweiten Schaltungselemente einen ersten Widerstand, der zwischen den ersten Elektroden der beiden Halbleiterbauelemente eingeschaltet ist, und einen Schalter enthalten, mit dessen Hilfe synchron mit den ersten Schaltmitteln der erste Punkt mit wechselweise dem einen und dem anderen Ende des ersten Widerstandes verbunden wird.

Durch diese Maßnahme sind die zweiten Schaltmittel außerhalb des zweiten und dritten Kreises angeordnet und beeinflussen die Spannungen über diesen Kreisen nicht. Dadurch beeinflussen die Widerstände und gegebenenfalls die Schwellwertspannungen der zweiten Schaltmittel die Ströme in den beiden Stromkreisen nicht, wodurch für diesen Zweck einfache Schalter, z. B. in Sättigung zu steuernde Transistoren, gewählt werden können.

Aus ähnlichen Gründen ist es bei einer Stromstabilisationsschaltung, bei der die genannten Mittel zum Aufrechterhalten gleicher Spannungen durch eine Verbindung zwischen dem zweiten und dem dritten Punkt gebildet werden, wobei dieser zweite und dieser dritte Punkt durch die zweiten Elektroden beider Halbleiterbauelemente gebildet werden und wobei diese Verbindung von der Stromspiegelschaltung her angesteuert wird, vorteilhaft, daß die genannten ersten Schaltmittel durch einen Kreuzschalter gebildet werden, der zwischen den beiden Halbleiterbauelementen und der Stromspiegelschaltung in den genannten Stromkreisen zum periodischen Vertauschen der Ströme in diesen Stromkreisen angeordnet ist, wobei die genannte Ansteuerung diesen Kreuzschalter überbrückt.

Der genannte Kreuzschalter ist zwischen der Stromspiegelschaltung und den beiden Halbleiterbauelementen angeordnet, wodurch weder die Spannungen über den beiden Kreisen noch das gegenseitige Größenverhältnis der Ströme in den beiden Stromkreisen von diesen ersten Schaltmitteln beeinflußt werden.

Bei einer Stromstabilisationsschaltung, bei der der zweite und der dritte Punkt durch die zweiten Elektroden des ersten bzw. zweiten Halbleiterbauelements gebildet werden und die genannte Stromspiegelschaltung einen Differenzverstärker mit einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Eingang und mindestens einem in bezug auf diese Eingänge nichtinvertierenden Ausgang enthält, wobei der genannte erste und der genannte zweite Stromkreis über Widerstände gebildet werden, die einen Ausgang dieses Differenzverstärkers mit jeweils einem Eingang verbinden, wodurch das genannte gegenseitige Größenverhältnis durch das Verhältnis der Widerstände zwischen dem Ausgang und den beiden Eingängen bestimmt wird, derart, daß der Widerstand zwischen diesem Ausgang und dem in bezug auf diesen Ausgang invertierenden Eingang größer als der Widerstand zwischen dem Ausgang und dem in bezug auf diesen Ausgang nichtinvertierenden Eingang ist, ist es in bezug auf die letztere Maßnahme vorteilhaft, daß die genannten Widerstände zwischen den Eingängen und dem Ausgang durch einen zweiten, einen dritten und einen vierten Widerstand gebildet werden, von denen der zweite und der vierte Widerstand nahezu gleich sind und von denen der zweite und der vierte Widerstand einerseits mit je einem der beiden Eingänge und andererseits mit je einer anderen Seite des dritten Widerstandes verbunden sind und wobei die genannten ersten Schaltmittel jeweils abwechselnd eines der beiden Enden des dritten Widerstandes mit einem Ausgang des Differenzverstärkers derart verbinden, daß der Widerstand zwischen diesem Ausgang und dem in bezug auf diesen Ausgang invertierenden Eingang stets größer als der Widerstand zwischen diesem Ausgang und dem in bezug auf diesen Ausgang nichtinvertierenden Eingang ist.

Durch diese Maßnahme kann man mit einer geringeren Anzahl von Schaltern, insbesondere Schalttransistoren, auskommen. Dabei soll aus Stabilitätsgründen stets der in bezug auf den Ausgang invertierende Eingang mit dem größten Widerstand verbunden sein. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, daß synchron mit den zweiten Schaltmitteln die beiden Eingänge vertauscht werden; da jedoch im allgemeinen Differenzverstärker auch einen invertierenden Ausgang aufweisen, kann es günstig sein, daß der Differenzverstärker in bezug auf den nichtinvertierenden Eingang einen nichtinvertierenden und einen invertierenden Ausgang aufweist, wobei der zweite Widerstand mit einem Ende an den invertierenden Eingang und der vierte Widerstand mit einem Ende an den nichtinvertierenden Eingang angeschlossen ist und wobei die genannten Schaltmittel über Schalter den invertierenden Ausgang mit dem anderen Ende des zweiten Widerstandes und den nichtinvertierenden Ausgang mit dem anderen Ende des vierten Widerstandes verbinden, wobei diese Schalter abwechselnd geschlossen sind.

Durch diese Maßnahme ist automatisch die genannte Stabilitätsbedingung ohne Anwendung zusätzlicher Schalter erfüllt, weil ein Wechselschalter zum Verbinden eines Ausganges mit abwechselnd einer der beiden Enden des dritten Widerstandes eine gleiche Anzahl von Schalttransistoren wie zwei Ein/Aus-Schalter zwischen den beiden Ausgängen und den beiden Enden des dritten Widerstandes benötigt.

Es ist bekannt, das von 1 abweichende feste Größenverhältnis dadurch zu erzielen, daß parallel zu dem Halbleiterbauelement, das mit dem Widerstand in Reihe geschaltet ist, eine Anzahl weiterer Halbleiterbauelemente angeordnet wird. Bei einer solchen Stromstabilisationsschaltung, bei der das genannte erste und das genannte zweite Halbleiterbauelement ein erster und ein zweiter Transistor sind, deren Steuerelektroden die zweiten Elektroden bilden und miteinander zum Aufrechterhalten gleicher Spannungen über dem dritten und dem vierten Kreis verbunden sind und von der Stromspiegelschaltung her angesteuert werden, wobei parallel zu dem Transistor, dessen Hauptstrombahn in den Stromkreis zum Führen des kleineren Stroms n-1 aufgenommen ist, wobei n>1 ist, weitere Transistoren angeordnet sind, die nahezu mit dem ersten und dem zweiten Transistor identisch sind und deren Steuerelektroden mit den Steuerelektroden des ersten und des zweiten Transistors verbunden sind, ist es vorteilhaft, daß die ersten Elektroden von n+1 genannter Transistoren über Widerstände mit nahezu gleichen Widerstandswerten zu einem Verbindungspunkt führen; daß die genannten zweiten Schaltmittel durch einen (n+1)-Schrittschalter zum zyklischen permutierenden Verbinden des ersten Punktes mit jeweils den ersten Elektroden eines der n+1 genannten Transistoren gebildet werden und daß die ersten Schaltmittel durch Schalter gebildet werden, mit deren Hilfe synchron mit den ersten Schaltmitteln zyklisch permutierend die von den zweiten Elektroden abgekehrten Enden der Hauptstrombahnen aller n anderer genannter Transistoren zusammengeschaltet werden, wobei die genannte Ansteuerung diese ersten Schaltmittel überbrückt.

Bei einer derartigen Schaltung sind die Basis-Emitter-Übergänge der n+1 Transistoren zyklisch permutierend in den dritten und den vierten Kreis aufgenommen, so daß die gegenseitige Ungleichheit ausgemittelt wird. Außerdem bilden auch hier die zweiten Schaltmittel keinen Teil des dritten und des vierten Kreises und beeinflussen die Spannungen über dem dritten und dem vierten Kreis nicht.

Eine bevorzugte Ausführungsform von Stromstabilisationsschaltungen, bei der das genannte erste und das genannte zweite Halbleiterbauelement ein erster und ein zweiter Transistor sind, deren Steuerelektroden die zweiten Elektroden bilden und deren Hauptstrombahnen auf den von den ersten Elektroden abgekehrten Seiten mit dritten Elektroden versehen sind, wobei die ersten Elektroden dieser Transistoren mit dem ersten Punkt verbunden sind, ist dadurch gekennzeichnet, daß die dritten Elektroden des ersten und des zweiten Transistors mit in dem ersten bzw. dem zweiten Stromkreis liegenden ersten bzw. zweiten Widerständen mit nahezu den gleichen Widerstandswerten verbunden sind und daß die zweiten Schaltmittel durch einen ersten Wechselschalter zum Verbinden der zweiten Elektrode des ersten Transistors mit abwechselnd der von der dritten Elektrode des ersten Transistors abgekehrten Seite des ersten Widerstandes und der dritten Elektrode des zweiten Transistors und durch einen zweiten Wechselschalter gebildet werden, durch den gegenphasig zu dem ersten Wechselschalter die zweite Elektrode des zweiten Transistors mit abwechselnd der von der dritten Elektrode des zweiten Transistors abgekehrten Seite des zweiten Widerstandes und der dritten Elektrode des ersten Transistors verbunden wird.

Bei dieser Art Stromstabilisationsschaltung ist, falls Bipolartransistoren verwendet werden, der Widerstand, über dem die Spannung gleich dem Unterschied zwischen den Basis-Emitter-Spannungen der beiden Transistoren ist, auf der Kollektorseite angeordnet. In dem einen Schaltzustand erstreckt sich der dritte Kreis von dem von dem Kollektor des ersten Transistors abgekehrten Ende des Widerstandes in dem ersten Stromkreis über den Basis-Emitter-Übergang des ersten Transistors zu dem ersten Punkt und erstreckt sich der vierte Kreis von dem von dem Kollektor des ersten Transistors abgekehrten Ende des Widerstandes in dem ersten Stromkreis über diesen Widerstand und den Basis-Emitter- Übergang des zweiten Transistors zu dem ersten Punkt und im anderen Schaltzustand erfolgt mutatis mutandis ähnliches mit dem zweiten bzw. ersten Transistor statt mit dem ersten bzw. zweiten Transistor. Bei dieser Stromstabilisationsschaltung sind die Schalter zwar in den dritten und den vierten Kreis aufgenommen, aber weil sie in die Basisleitungen der beiden Transistoren aufgenommen sind, werden sie nur von einem geringen Strom durchflossen, so daß ihr Innenwiderstand eine unwesentliche Rolle spielt. Obenstehendes trifft auch für Feldeffekttransistoren mit einer Source-, einer Drain- und einer Gate- Elektrode statt einer Emitter-, Kollektor- bzw. Basis-Elektrode zu. Werden Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate-Elektrode verwendet, so fließt durch die zweiten Schaltmittel nahezu kein Strom (nur Lade- und Entladeströme für die Gate-Kapazität) und beeinflussen die Schalter die Spannungen über dem dritten und dem vierten Kreis nahezu nicht.

Bei dem letzteren Typ einer Stromstabilisationsschaltung kann es vorteilhaft sein, daß die genannten ersten Schaltmittel durch einen Kreuzschalter gebildet werden, der zwischen den beiden Widerständen und der Stromspiegelschaltung in den genannten Stromkreisen zum periodischen Vertauschen der Ströme in diesen Stromkreisen angeordnet ist.

Der genannte Kreuzschalter ist zwischen der Stromspiegelschaltung und den beiden Halbleiterbauelementen angeordnet, wodurch weder die Spannungen über den beiden Kreisen noch das gegenseitige Größenverhältnis der Ströme in den beiden Stromkreisen von den ersten Schaltmitteln beeinflußt werden.

Bei dem letzteren Typ einer Stromstabilisationsschaltung, bei dem die genannte Stromspiegelschaltung einen Differenzverstärker mit einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Eingang und mindestens einem in bezug auf diese Eingänge nichtinvertierenden Ausgang enthält, wobei der genannte erste und der genannte zweite Stromkreis über Widerstände gebildet werden, die einen Ausgang dieses Differenzverstärkers mit jeweils einem Eingang verbinden, wodurch das genannte gegenseitige Größenverhältnis durch das Verhältnis der Widerstände zwischen dem Ausgang und den beiden Eingängen derart bestimmt wird, daß der Widerstand zwischen diesem Ausgang und dem in bezug auf diesen Ausgang invertierenden Eingang größer als der Widerstand zwischen diesem Ausgang und dem in bezug auf diesen Ausgang nichtinvertierenden Eingang ist, ist es in bezug auf die letztere Maßnahme vorteilhaft, daß die genannten Widerstände zwischen den Eingängen und dem Ausgang durch einen zweiten, einen dritten und einen vierten Widerstand gebildet werden, von denen der zweite und der vierte Widerstand nahezu gleich sind und von denen der zweite und der vierte Widerstand einerseits mit je einem der beiden Eingänge und andererseits mit je einer anderen Seite des dritten Widerstandes verbunden sind, und wobei die genannten Schaltmittel jeweils abwechselnd eines der beiden Enden des dritten Widerstandes mit einem Ausgang des Differenzverstärkers derart verbinden, daß der Widerstand zwischen dem Ausgang und dem in bezug auf diesen Ausgang invertierenden Eingang stets größer als der Widerstand zwischen diesem Ausgang und dem in bezug auf diesen Ausgang nichtinvertierenden Eingang ist.

Durch diese Maßnahme kann man mit einer geringeren Anzahl von Schaltern, insbesondere Schalttransistoren, auskommen. Dabei soll aus Stabilitätsgründen stets der in bezug auf den Ausgang invertierende Eingang mit dem kleineren Widerstand verbunden sein. Dies kann durch eine attraktive Maßnahme erreicht werden, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Differenzverstärker in bezug auf den nichtinvertierenden Eingang einen nichtinvertierenden und einen invertierenden Ausgang aufweist, wobei der zweite Widerstand einerseits mit dem invertierenden Eingang und der vierte Widerstand andererseits mit dem nichtinvertierenden Eingang verbunden ist und wobei die genannten Schaltmittel über Schalter den invertierenden Ausgang mit dem anderen Ende des zweiten Widerstandes und den nichtinvertierenden Ausgang mit dem anderen Ende des vierten Widerstandes verbinden, wobei diese Schalter abwechselnd geschlossen sind.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein erstes Beispiel einer Stromstabilisationsschaltung nach der Erfindung,

Fig. 2 ein zweites Beispiel einer solchen Schaltung,

Fig. 3 ein drittes Beispiel einer solchen Schaltung,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der ersten Schaltmittel,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der zweiten Schaltmittel für die Ausführungsform nach Fig. 2,

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel der zweiten Schaltmittel für die Ausführungsform nach Fig. 3,

Fig. 7 ein erstes Beispiel einer Kombination der Stromspiegelschaltung und der ersten Schaltmittel,

Fig. 8 ein zweites Beispiel einer Kombination der Stromspiegelschaltung und der ersten Schaltmittel,

Fig. 9 ein viertes Beispiel einer Stromstabilisationsschaltung nach der Erfindung, in dem die beiden Halbleiterbauelemente Dioden sind,

Fig. 10 ein fünftes Beispiel einer solchen Schaltung mit mehreren parallelen Halbleiterbauelementen,

Fig. 11 ein Beispiel der ersten Schaltmittel für die Schaltung nach Fig. 10 und

Fig. 12 ein Beispiel der zweiten Schaltmittel für die Schaltung nach Fig. 10.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Stromstabilisators nach der Erfindung. Die Schaltung enthält eine Stromspiegelschaltung 3 mit zwei Transistoren 19 und 20, die über Emitterwiderstände 17 bzw. 18 mit einem Punkt 119 zur Ableitung der in der Schaltung fließenden Ströme verbunden sind. Die Basis-Elektroden der beiden Transistoren sind miteinander verbunden, während auch der Kollektor und die Basis des Transistors 19 miteinander verbunden sind.

Verhalten sich die Werte der Widerstände 17 und 18 wie 1 : n und ist vorzugsweise die wirksame Basis-Emitter-Oberfläche des Transistors 19n-mal größer als die wirksame Basis-Emitter-Oberfläche des Transistors 20, so verhalten sich die Kollektorströme der Transistoren 19 und 20 wie n : 1. Dieses Verhältnis könnte auch erreicht werden, wenn die Emitter der Transistoren 19 und 20 miteinander verbunden und diese Transistoren auf ein und demselben Substrat integriert würden, aber dann würden Änderungen des Verfahrens den Faktor n ungenau machen. Die Werte der Widerstände 17 und 18 können sehr genau sein, wenn für diesen Zweck z. B. selektrierte nichtintegrierte Widerstände verwendet werden.

Die Schaltung enthält weiter einen ersten (1) und einen zweiten (2) Stromkreis, die über einen Kreuzschalter 13 in Reihe mit den Hauptstrombahnen 30 und 31 der Transistoren 19 bzw. 20 geschaltet werden können. Der Kreuzschalter 13 ist auf den Befehl eines Taktgenerators 23 umschaltbar. In dem einen (dargestellten) Schaltzustand liegen die Stromkreise 1 und 2 in Reihe mit den Hauptstrombahnen 30 bzw. 31 und in dem anderen Schaltzustand in Reihe mit den Hauptstrombahnen 31 bzw. 30.

In den Stromkreisen 1 bzw. 2 sind die Hauptstrombahnen der Transistoren 4 bzw. 5 angeordnet, deren Emitter-Elektroden über Widerstände 15 bzw. 16 mit einem ersten Stromableitungspunkt 10 verbunden sind. Die Basis- Elektroden 7 bzw. 9 der Transistoren 4 bzw. 5 sind mit Punkten 11 bzw. 12 verbunden. Zwischen den Punkten 11 und 10 und 12 und 10 wird auf diese Weise der dritte bzw. der vierte Kreis gebildet. Um die Spannungen über den beiden Kreisen gleich zu halten, sind die Punkte 11 und 12 miteinander verbunden. Diese miteinander verbundenen Basis-Elektroden werden über einen Kreis 25 von dem Kreis 31 des Stromspiegels 3 her gegebenenfalls über einen Verstärker 24 angesteuert. Um abwechselnd einen Widerstand in dem dritten oder dem vierten Kreis zu schalten, sind die Widerstände 15 und 16 von Schaltern überbrückt, die auf den Befehl des Taktgenerators 23 abwechselnd und zueinander gegenphasig geöffnet und geschlossen sind. In bezug auf den Schalter 13 soll diese Phase aus Stabilitätsgründen derart sein, daß stets der nicht kurzgeschlossene Widerstand im betreffenden Stromkreis 1 oder 2 angeordnet ist, der über den Schalter 13 mit der Hauptstrombahn 30 verbunden ist. Die dargestellte Phasenbeziehung erfüllt diese Bedingung. Außerdem soll dieser Stromkreis den kleineren der beiden Ströme führen, was bedeutet, daß der Wert des Widerstandes 17 größer als der des Widerstandes 18 sein soll.

Wenn der Wert der Widerstände 15 und 16 gleich R, der Strom in der Hauptstrombahn 30 gleich I und der Strom in der Hauptstrombahn 31 gleich nI ist, wobei n das Verhältnis der Werte der Widerstände 17 und 18 darstellt, gilt in dem dargestellten Schaltzustand für die Spannung V&sub1; über dem dritten Kreis (zwischen den Punkten 11 und 10):



wobei i&sub0;&sub1; der Sättigungsstrom in der Sperrichtung des Transistors 4 ist. Für die Spannung V&sub2; über dem vierten Kreis (zwischen Punkten 12 und 10) gilt:



wobei i&sub0;&sub2; der Sättigungsstrom in der Sperrichtung des Transistors 5 ist. Wegen der direkten Verbindung zwischen den Punkten 11 und 12 sind die Spannungen V&sub1; und V&sub2; einander gleich, wodurch für den Strom I gilt:



Eine gleiche Berechnung im anderen Schaltzustand (in der gestrichelt dargestellten Lage der Schalter) ergibt:



In beiden Fällen ist der Gesamtstrom an den Punkten 19 und 10 (abgesehen von Basisstromverlusten) gleich (n+1) I.

Für den Strom I kann angenommen werden:

I = I&sub0; + I&sub1;P (f) ,

wobei I&sub0; die Gleichstromkomponente des Stromes I und I&sub1;P (f) eine Einheitsrechteckwelle mit einer Frequenz F und einer Spitze-Spitze-Amplitude 2I&sub1; ist. Für I&sub0; und I&sub1; wird dann gefunden:



und



Auf einfache Weise läßt sich die Wechselstromkomponente I&sub1;P (f) wegfiltern, z. B. dadurch, daß die Punkte 10 und/oder 119 über einen Kondensator mit einem Bezugspotential verbunden werden, so daß an diesen Punkten ein Strom gleich (n+1)I&sub0; erhalten wird.

Dabei sei bemerkt, daß die Maßnahme nach der Erfindung nur dann zweckmäßig ist, wenn die Ungleichheit der Transistoren 4 und 5 die wichtigste Fehlerquelle ist. Für den Stromspiegel 3 soll also ein genauer Stromspiegel gewählt werden, der z. B. mittels der bekannten Techniken für Basisstromverlust kompensiert ist oder der z. B. durch den aus der DE-AS 25 15 759 bekannten Stromspiegel gebildet wird. Ebenfalls zur Verringerung von Basisstromverlusten ist es zweckmäßig, den Verstärker 24 zu benutzen. Außerdem sollen an die die Widerstände 15 und 16 schaltenden Schalter hohe Anforderungen gestellt werden, weil diese einen Teil des dritten und des vierten Kreises bilden.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines Stromstabilisators, bei der an die letzteren Schalter keine hohen Anforderungen gestellt zu werden brauchen. Der Stromstabilisator enthält hier beispielsweise einen Stromspiegel 3 von einem anderen Typ. Dieser Stromspiegel enthält einen Differenzverstärker 22 mit einem invertierenden (20) und einem nichtinvertierenden (21) Eingang und einem Ausgang 43. Der Ausgang 43 ist über die Widerstände 17 bzw. 18 mit den Eingängen 20 bzw. 21 verbunden. Diese Widerstände 17 und 18 bilden die Hauptstrombahnen 30 bzw. 31, in denen sich die Ströme wie die Widerstände 18 und 17 verhalten, weil der Differenzverstärker 22 die Spannungen über diesen Widerständen nahezu gleich hält. Von dem Differenzverstärker 22 her führt ein Ansteuerungskreis 25 zu den Basis-Elektroden der Transistoren 4 und 5 auf eine aus der DE-OS 24 12 393 bekannte Weise.

Auf gleiche Weise wie bei dem Stromstabilisator nach Fig. 1 ist der Kreuzschalter 13 angeordnet, um die Hauptstrombahnen 30 und 31 mit den Stromkreisen 1 und 2 zu verbinden.

Die Emitter-Elektroden der Transistoren 4 und 5 sind über einen Widerstand 15 miteinander und über einen von der Quelle 23 betätigten Wechselschalter mit dem ersten Punkt 10 verbunden. Dadurch ist der Widerstand 15, abhängig von der Lage dieses Wechselschalters, in den dritten oder vierten Kreis aufgenommen. Die Phasenbeziehung zwischen diesem Wechselschalter und dem Kreuzschalter 13 wird durch die Stabilitätsbedingung bestimmt, daß der invertierende Eingang 20 des Differenzverstärkers 22 mit demjenigen der Stromkreise 1 und 2 verbunden sein soll, in dem sich der Widerstand 15 befindet. Die dargestellten Schalter erfüllen diese Bedingung. Aus demselben Grund wie bei dem Stromstabilisator nach Fig. 1 gilt auch hier, daß der Wert des Widerstandes 17 größer als der Wert des Widerstandes 18 sein soll. Die Wirkungsweise dieses Stabilisators ist gleich der des Stabilisators nach Fig. 1 mit der Maßgabe, daß der genannte Wechselschalter in den gemeinsamen Teil des dritten und des vierten Kreises aufgenommen ist und dadurch den Wert des stabilisierten Stromes I nicht beeinflußt.

Zur Illustrierung ist in Fig. 2 ein Widerstand 84 gestrichelt dargestellt, der zwischen den gemeinsamen Basis-Elektroden der Transistoren 4 und 5 und dem Punkt 10 eingeschaltet ist. Wie bereits beschrieben, fügt dieser Widerstand einen Strom mit einem negativen Temperaturkoeffizienten dem stabilisierten, den Punkt 10 durchfließenden Strom hinzu, um einen temperaturunabhängigen Gesamtstrom zu erhalten.

Fig. 3 zeigt einen anderen Typ eines Stromstabilisators, bei dem die erfindungsgemäßen Maßnahmen angewandt sind. Gleich wie der Stromstabilisator nach Fig. 2 enthält dieser eine Stromspiegelschaltung 3 mit einem Differenzverstärker 22 mit Widerständen 17 bzw. 18 zwischen seinem Ausgang 42 und seinen Eingängen 21 bzw. 20. Ferner enthält dieser Stabilisator, gleich wie der Stabilisator nach Fig. 2, einen Kreuzschalter 13 zwischen dem Stromspiegel und dem ersten (1) und dem zweiten (2) Stromkreis. Der erste und der zweite Stromkreis enthalten die Hauptstrombahnen der Transistoren 4 bzw. 5, deren Emitter 6 bzw. 8 mit dem ersten Punkt 10 verbunden sind. In dem ersten und zweiten Stromkreis sind gleiche Widerstände 15 bzw. 16 zwischen den Punkten 18 bzw. 29 und den Kollektor-Elektroden 26 bzw. 27 der Transistoren 4 bzw. 5 angeordnet.

In dem dargestellten Zustand der Schaltmittel 14 sind der Punkt 28 mit der Basis- Elektrode 7 des Transistors 4 und die Kollektor- Elektrode 26 des Transistors 4 mit der Basis- Elektrode 9 des Transistors 5 verbunden. Der dritte Kreis wird nun zwischen dem Punkt 28 und dem Punkt 10 über den Basis-Emitter-Übergang des Transistors 4 und der vierte Kreis wird zwischen dem Punkt 28 und dem Punkt 10 über den Widerstand 15 und den Basis-Emitter- Übergang des Transistors 5 gebildet. In dem anderen, gestrichelt dargestellten Schaltzustand sind der Punkt 29 mit der Basis-Elektrode 9 des Transistors 5 und die Kollektor- Elektrode des Transistors 5 mit der Basis- Elektrode 7 des Transistors 4 verbunden. Der dritte Kreis wird nun zwischen dem Punkt 29 und dem Punkt 10 über den Widerstand 16 und den Basis-Emitter-Übergang des Transistors 4 und der vierte Kreis wird zwischen dem Punkt 29 und dem Punkt 10 über den Basis-Emitter- Übergang des Transistors 5 gebildet.

Wenn die Schaltmittel 14 periodisch umgeschaltet werden, ist ein Widerstand abwechselnd in den dritten und den vierten Kreis aufgenommen und, vorausgesetzt, daß der Kreuzschalter 13 in der richtigen Phase mitgeschaltet wird, ergibt sich der gleiche Effekt wie bei den Schaltungen nach den Fig. 1 und 2. Aus Stabilitätsgründen soll diese Phase derart sein, daß der nichtinvertierende Eingang 21 des Differenzverstärkers 22 stets mit demjenigen der Stromkreise 1 und 2 gekoppelt ist, in den derjenige der Widerstände 15 und 16 aufgenommen ist, der zu dem betreffenden Zeitpunkt in den dritten oder vierten Kreis aufgenommen ist. Dabei soll zugleich der Strom in diesem Kreis der größte sein, was bedeutet, daß der Widerstand 18 zwischen dem invertierenden Eingang 20 und dem Ausgang 43 des Differenzverstärkers 22 größer als der Widerstand 17 sein soll.

Bei diesem Ausführungsbeispiel bilden die zweiten Schaltmittel 14 einen Teil des dritten und des vierten Kreises, werden aber nur vom Basisstrom und nicht von den Strömen in dem ersten und dem zweiten Stromkreis durchlaufen, wodurch dies weniger bedenklich sein kann, insbesondere, wenn der Stabilisator mit Feldeffekttransistoren mit isolierten Gate-Elektroden ausgeführt wird.

Die in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Schaltmittel können auf verschiedene Weise ausgebildet werden.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Kreuzschalters 13. Dieser Schalter enthält die Transistoren 32, 33, 34 und 35. Die Emitter der Transistoren 32 und 33 führen zu dem ersten Stromkreis 1, und die Emitter der Transistoren 34 und 35 führen zu dem zweiten Stromkreis 2. Die Kollektoren der Transistoren 32 und 34 führen zu der Hauptstrombahn 30, und die Kollektoren der Transistoren 33 und 35 führen zu der Hauptstrombahn 31. Die Basis-Elektroden der Transistoren 33 und 34 sind, gleich wie die Basis- Elektroden der Transistoren 32 und 35, miteinander verbunden. Zwischen den beiden Paaren von Basis-Elektroden wird mit Hilfe der Quelle 23 eine Schaltspannung angelegt, wodurch entweder die Transistoren 32 und 35 oder die Transistoren 33 und 34 in den leitenden Zustand geschaltet sind, so daß die Hauptstrombahnen 30 und 31 entweder in Reihe mit den Stromkreisen 1 bzw. 2 oder in Reihe mit den Stromkreisen 2 bzw. 1 geschaltet sind.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Schaltmittel 14 des Stabilisators nach Fig. 2. Der Widerstand 15 ist zwischen den Kollektoren der Transistoren 36 und 37 angeordnet, deren Emitter zu dem Punkt 10 führen. Zwischen den Basis-Elektroden wird mit Hilfe der Quelle 23 eine Schaltspannung angelegt, wodurch entweder der Transistor 36 oder der Transistor 37 in den leitenden Zustand geschaltet und somit entweder das eine oder das andere Ende des Widerstandes 15leitend mit dem ersten Punkt 10 verbunden ist. Der leitende Transistor wird dabei vorzugsweise in den gesättigten Zustand, z. B. durch Ansteuerung mit einer ausschaltbaren Basisstromquelle, gesteuert.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Schaltmittel 14 des Stabilisators nach Fig. 3. Diese Schaltmittel enthalten die Transistoren 38, 39, 40 und 41. Die Source- Elektroden der Transistoren 38 und 39 führen zu der Basis-Elektrode des Transistors 4, und die der Transistoren 40 und 41 führen zu der Basis- Elektrode des Transistors 5. Die Drain- Elektroden der Transistoren 38, 39, 40 bzw. 41 führen zu dem Punkt 28, der Kollektor- Elektrode des Transistors 5, dem Punkt 29 und der Kollektor-Elektrode des Transistors 4. Zwischen den miteinander verbundenen Steuerelektroden der Transistoren 38 und 41 und den miteinander verbundenen Steuerelektroden der Transistoren 39 und 40 wird mit Hilfe der Quelle 23 eine Schaltspannung angelegt, wodurch entweder die Transistoren 38 und 41 oder die Transistoren 39 und 40 in den leitenden Zustand geschaltet sind. Auf diese Weise ist das gewünschte Schaltmuster erhalten.

Statt der dargestellten Stromspiegelschaltungen 3 sind zahlreiche andere Stromspiegelschaltungen möglich. Auch ist es möglich, die Stromspiegelschaltung mit den ersten Schaltmitteln 13 zu einem geschalteten Stromspiegel zu kombinieren.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel eines solchen geschalteten Stromspiegels. Der Differenzverstärker 22 weist einen invertierenden Eingang 20 und einen nichtinvertierenden Eingang 21 und in bezug auf den nichtinvertierenden Eingang 21 einen invertierenden Ausgang 42 und einen nichtinvertierenden Ausgang 43 auf. Zwischen dem Eingang 20 und einem Punkt 44 ist ein Widerstand 46, zwischen dem Eingang 21 und einem Punkt 45 ein Widerstand 48 und zwischen den Punkten 44 und 45 ein Widerstand 47 angeordnet. Über zwei Schalter können auf den Befehl der Quelle 23 die Punkte 44 bzw. 45 abwechselnd mit den Ausgängen 42 bzw. 43 verbunden werden.

Verhalten sich die Widerstände 46, 47 und 48 wie 1 : n-1 : 1, so verhalten sich in dem dargestellten Schaltzustand die Widerstandswerte zwischen dem Ausgang 43 und den Eingängen 20 bzw. 21 wie n : 1, während sich in den anderen Schaltzustand die Widerstandswerte zwischen den Eingängen 20 bzw. 21 und dem Ausgang 42 wie 1 : n verhalten. Auf diese Weise kann mit Hilfe der Schalter das Verhältnis der in dem ersten (1) und dem zweiten (2) Stromkreis fließenden Ströme umgekehrt werden oder, mit anderen Worten, die Ströme in den beiden Stromkreisen können vertauscht werden dadurch, daß beide Ausgänge des Differenzverstärkers 22 statt eines dieser Ausgänge verwendet werden, wird stets automatisch die Stabilitätsbedingung erfüllt. Wenn sie bei der Schaltung nach Fig. 3 verwendet werden, sollen die Eingänge 20 und 21 gerade in umgekehrter Reihenfolge mit den Stromkreisen 1 und 2 verbunden werden.

Fig. 8 zeigt ein zweites Beispiel eines geschalteten Stromspiegels. Dieser enthält zwei Transistoren 19 und 20 mit gemeinsamen Basis-Elektroden. Die Emitter der Transistoren 19 bzw. 20 sind über Widerstände 46 bzw. 48 mit Punkten 44 bzw. 45 verbunden. Zwischen den Punkten 44 und 45 ist ein Widerstand 47 angeordnet. Über von der Quelle 23 betätigte Schalter können die Punkte 44 und 47 abwechselnd mit einem Stromableitungspunkt 119 verbunden werden.

Verhalten sich die Werte der Widerstände 46, 47 und 48 wie 1 : n-1 : 1, so verhalten sich im dargestellten Schaltzustand die Gesamtemitterwiderstände der Transistoren 19 bzw. 20 wie n : 1, und, vorausgesetzt, daß diese Widerstände genügend groß sind, um die Basis-Emitter-Spannungsunterschiede der Transistoren 19 und 20 vernachlässigen zu können, verhalten sich die Kollektorströme der Transistoren 19 bzw. 20 wie 1 : n. In dem anderen Schaltzustand verhalten sich unter den gleichen Bedingungen die Kollektorströme der Transistoren 19 bzw. 20 wie n : 1. Um die obengenannten Stabilitätsbedingungen erfüllen zu können, soll die Ansteuerung der Basis- Elektroden der Transistoren 19 und 20 auf den Befehl der Quelle 23 abwechselnd von der Kollektor-Elektrode des Transistors 19 oder 20 her erfolgen. Dies kann dadurch erfolgen, daß ein Wechselschalter zwischen diesen Kollektor-Elektroden und den gemeinsamen Basis- Elektroden angeordnet wird. Um Basisstromeinflüsse herabzusetzen, ist es erwünscht, einen Verstärker 85 in den Ansteuerungskreis aufzunehmen. In der dargestellten Situation erfüllt der geschaltete Stromspiegel nach Fig. 8 die Stabilitätsbedingung der Stromstabilisationsschaltungen nach den Fig. 1 und 2. Bei Anwendung in der Stromstabilisationsschaltung nach Fig. 3 sollen die Kollektoren der Transistoren 19 und 20 gerade in umgekehrter Reihenfolge mit den Stromkreisen 1 und 2 verbunden werden.

Fig. 9 zeigt einen Stromstabilisator, bei dem die beiden Halbleiterbauelemente durch Dioden (oder als Dioden geschaltete Transistoren) gebildet werden. Die Dioden 4&min; bzw. 5&min; sind in der Durchlaßrichtung in dem ersten (1) bzw. zweiten (2) Stromkreis zwischen dem zweiten Punkt 11 bzw. dem dritten Punkt 12 und dem ersten Punkt 10 angeordnet. Zwischen den ersten Elektroden 6&min; bzw. 8&min; der beiden Dioden ist der Widerstand 15 angeordnet. Die beiden Enden dieses Widerstandes 15 können abwechselnd auf den Befehl der Quelle 23 mit dem ersten Punkt 10 verbunden werden, so daß der Widerstand 15 abwechselnd in den dritten (11-10) oder vierten (12-10) Kreis aufgenommen ist. Die Punkte 11 und 12 sind mit dem invertierenden (50) bzw. nichtinvertierenden (51) Eingang eines Differenzverstärkers 49 verbunden, dessen Ausgänge über Widerstände mit den Eingängen verbunden sind. Wenn der Verstärkungsfaktor dieses Differenzverstärkers genügend hoch ist, werden gleiche Spannungen an den Punkten 11 und 12 aufrechterhalten.

Der Differenzverstärker 49 weist in bezug auf den nichtinvertierenden Eingang 51 einen invertierenden Ausgang 52 und einen nichtinvertierenden Ausgang 53 auf. Diese Ausgänge und die Eingänge sind auf gleiche Weise wie bei dem geschalteten Stromspiegel nach Fig. 7 mit Widerständen 46, 47 und 48 gekoppelt, so daß der Differenzverstärker 47, der gleiche Spannungen über dem dritten und dem vierten Kreis aufrechterhält, zugleich einen Teil des geschalteten Stromspiegels bildet. Was die Stabilisation der Ströme anbelangt, ist die Wirkungsweise dieser Stabilisatorschaltung gleich der Stabilisatorschaltung nach Fig. 2.

Bei den in den Fig. 1, 2, 3 und 9 gezeigten Stromstabilisatoren wurde das Verhältnis der Ströme in beiden Stromkreisen 1 und 2 völlig durch die Stromspiegelschaltung 3 bestimmt. Es ist aber auch möglich, das Verhältnis dieser Ströme dadurch festzulegen, daß eine Stromspiegelschaltung mit einem Stromverhältnis 1 : 1 gewählt und eine Anzahl von Halbleiterbauelementen parallel zu dem ersten oder dem zweiten Halbleiterbauelement angeordnet wird oder daß eine Kombination der beiden Verfahren angewendet wird.

Fig. 10 zeigt einen solchen Stromstabilisator, bei dem die Maßnahmen nach der Erfindung angewandt sind. Die Schaltung nach Fig. 10 enthält wieder einen ersten (1) und einen zweiten (2) Stromkreis, in die die Hauptstrombahnen der Transistoren 4 bzw. 5 aufgenommen sind. Die Emitter-Elektroden 6 bzw. 8 dieser Transistoren sind über Widerstände 15 bzw. 16 mit einem Punkt 62 verbunden. Die Emiter-Elektroden können über Schalter mit dem ersten Punkt 10 verbunden werden. Abgesehen von den weiteren Transistoren kann also, gleich wie bei der Schaltung nach Fig. 2, ein Widerstand (15 oder 16) in den dritten oder vierten Kreis zwischen den Punkten 11 bzw. 12 und 10 aufgenommen werden. Zum Aufrechterhalten gleicher Spannungen über dem dritten und dem vierten Kreis sind die Punkte 11 und 12 (die die Basis- Elektroden der Transistoren 4 und 5 bilden) miteinander verbunden. Diese miteinander verbundenen Basis-Elektroden sind mit den Basis- Elektroden der Transistoren 54, 55, 56, 57 (in diesem Beispiel also vier zusätzliche Transistoren) verbunden, deren Emitter über Widerstände 58, 59, 60 bzw. 61 mit dem Punkt 62 verbunden sind. Alle Widerstände 15, 16, 58, 59, 60 und 61 weisen gleiche Werte R auf. Die Schaltmittel 14 können auf den Befehl der Quelle 23 zyklisch permutierend einen der Emitter der Transistoren 4, 5, 54, 55, 56, 57 mit dem ersten Punkt 10 verbinden. Die Schaltmittel 13 verbinden auf den Befehl der Quelle 23 den Kollektor desjenigen Transistors, dessen Emitter unmittelbar mit dem ersten Punkt 10 verbunden ist, mit der Hauptstrombahn 31 und die Kollektoren der anderen Transistoren zusammen mit der Hauptstrombahn 30.

Fließt in der Hauptstrombahn 30 ein Strom I&sub0; und in der Hauptstrombahn 31 ein Strom mI&sub0; und ist die Anzahl von Transistoren gleich n+1, so fließt ein Strom mI&sub0; durch denjenigen Transistor, dessen Emitter unmittelbar mit dem ersten Punkt 10 verbunden ist und verteilt sich der Strom I&sub0; in der Hauptstrombahn 30 nahezu gleichmäßig über die n Hauptstrombahnen der anderen Transistoren, so daß parallel zu dem Basis-Emitter-Übergang des Transistors, durch den der Strom I&sub0; fließt, ein anderer Kreis liegt, der den Basis-Emitter- Übergang eines Transistors enthält, durch den ein Strom I&sub0; fließt und der mit einem Widerstand in Reihe geschaltet ist. In jedem Schaltzustand wirkt die Schaltung also wie ein Stromstabilisator mit zwei Stromkreisen, in denen Ströme mit einem gegenseitigen Größenverhältnis von 1 : mn fließen und in denen der Wert des Widerstandes in dem Kreis, durch den der kleinste Strom fließt, gleich (n+1)R ist. Durch die zyklische Permutierung schalten Mittel auch hier die Fehler infolge gegenseitiger Ungleichheiten der Transistoren aus.

Fig. 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Schaltmittel 13. Diese Schaltmittel 13 enthalten n+1 Transistorenpaare (64, 65), (66, 67), (68, 69), (70, 71), (72, 73) und (74, 75). Die Emitter jedes Paares sind miteinander und mit jeweils dem Kollektor eines der n+1 Transistoren 57, 56, 55, 54, 4 und 5 verbunden. Die Kollektoren der Transistoren 65, 67, 69, 71, 73 und 75 führen zu der Hauptstrombahn 30 und die Kollektoren der anderen Transistoren zu der Hauptstrombahn 31.

Die Basis-Elektroden eines Satzes von Transistoren (z. B. Transistoren 65, 67, 69, 71, 73 und 75) sind mit einem Punkt 63 auf Bezugspotential verbunden, und die anderen Basis- Elektroden führen zu einer Schaltung 76, z. B. einem Schieberegister, die auf den Befehl der Quelle 23 zyklisch permutierend der Basis- Elektrode eines der Transistoren 64, 66, 68, 70, 72 und 74 eine hohe Spannung und n anderen dieser Transistoren eine niedrige Spannung zuführt, so daß die Hauptstrombahn 31 zu einem leitenden Schalttransistor und die Hauptstrombahn 30 zu n anderen leitenden Transistoren führt.

Fig. 12 zeigt ein Beispiel der Schaltmittel 14. Diese Mittel enthalten n+1 Transistoren 78 bis 83, deren Emitter mit dem ersten Punkt 10 und deren Kollektoren je für sich mit den Emitter-Elektroden der Transistoren 57, 56, 55, 54, 4 bzw. 5 verbunden sind. Die Basis-Elektroden dieser Transistoren 78 bis 83 führen zu einer Schaltung 77, z. B. einem Schieberegister, die auf den Befehl der Quelle 23 zyklisch permutierend der Basis-Elektrode eines der Transistoren 78 bis 83 eine hohe Spannung und den anderen eine niedrige Spannung zuführt, so daß stets die Emitter-Elektrode eines der n+1 Transistoren 57, 56, 55, 54, 4 und 5 direkt mit dem Punkt 10 verbunden ist. Einer der Transistoren 78 bis 83 kann auch dadurch in den leitenden Zustand gesteuert werden, daß ein Basisstrom dem in den leitenden Zustand zu steuernden Transistor zugeführt wird. Die Schaltungen 76 und 77 können dabei eine einzige Schaltung bilden.

Die Anwendung von Schieberegistern schafft die Möglichkeit, zyklisch permutierend die Kollektor-Elektroden einer Anzahl der n+1 Transistoren 5, 4, 54, 55, 56 und 57 nicht mit der Hauptstrombahn 30 zu verbinden, um auf diese Weise den Faktor n ändern zu können. Auch ist es dabei möglich, die Emitter mehrerer Transistoren zyklisch permutierend unmittelbar mit dem Punkt 10 zu verbinden.


Anspruch[de]
  1. 1. Stromstabilisationsschaltung mit einer Stromspiegelschaltung (3) zum Aufrechterhalten zweier Ströme mit einem vorgegebenen Verhältnis in einem ersten (1) und einem zweiten (2) Stromkreis, mit einem ersten Halbleiterbauelement (4) mit einer Hauptstrombahn und einer ersten und zweiten Elektrode (6, 7), wobei die erste Elektrode (6) in der Hauptstrombahn liegt und der Strom in der Hauptstrombahn eine Funktion der Spannung zwischen der ersten und zweiten Elektrode (6, 7) ist und wobei die Hauptstrombahn in dem ersten Stromkreis (1) zwischen der Stromspiegelschaltung (3) und einem ersten Punkt (10) angeordnet ist, mit einem zweiten Halbleiterbauelement (5), das mit dem ersten Halbleiterbauelement (4) im wesentlichen identisch ist und dessen Hauptstrombahn in dem zweiten Stromkreis (2) zwischen der Stromspiegelschaltung (3) und dem ersten Punkt (10) angeordnet ist, wobei beide Halbleiterbauelemente (4, 5) auf ein und demselben Substrat gebildet sind, mit einem dritten Kreis (zwischen 10 und 11) zwischen einem dritten Punkt (11) und dem ersten Punkt (10), wobei die zweite und die erste Elektrode (7, 6) des ersten Halbleiterbauelements (4) in dem dritten (zwischen 10 und 11) angeordnet sind, und mit einem vierten Kreis (zwischen 10 und 12) zwischen einem zweiten Punkt (12) und dem ersten Punkt (10), wobei eine zweite (9) und eine erste (8) Elektrode des zweiten Halbleiterbauelements (5) in dem vierten (zwischen 10 und 12) angeordnet sind, und mit Schaltungsmitteln zum Aufrechterhalten gleicher Spannungen über dem dritten (zwischen 10 und 11) und dem vierten Kreis (zwischen 10 und 12), dadurch gekennzeichnet, daß erste Schaltmittel (13) zum periodischen Vertauschen der Ströme in dem ersten (1) und dem zweiten (2) Stromkreis vorhanden sind und daß mit den ersten Schaltmitteln (13) synchronisierte zweite Schaltmittel (14) vorhanden sind zum Schalten eines Widerstandes (15) in Reihe mit dem ersten Halbleiterbauelement (4), wenn das Verhältnis zwischen dem Strom in dem ersten Stromkreis (1) und dem Strom in dem zweiten Stromkreis (2) gleich dem vorgegebenen Verhältnis ist, und zum Schalten eines Widerstandes (16) in Reihe mit dem zweiten Halbleiterbauelement (5), wenn das Verhältnis zwischen dem Strom in dem zweiten Stromkreis (2) und dem Strom in dem ersten Stromkreis (1) gleich dem vorgegebenen Verhältnis ist (Fig. 1).
  2. 2. Stromstabilisationsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Schaltmittel (14) einen ersten Widerstand (15), der zwischen den ersten Elektroden (6, 8) der beiden Halbleiterbauelemente (4, 5) angeordnet ist, und einen Schalter enthalten, durch den synchron mit den ersten Schaltmitteln (13) der erste Punkt (10) mit abwechselnd dem einen und dem anderen Ende des ersten Widerstandes (15) verbunden wird (Fig. 2, Fig. 9).
  3. 3. Stromstabilisationsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Mittel zum Aufrechterhalten gleicher Spannungen durch eine Verbindung zwischen dem zweiten (12) und dem dritten (11) Punkt gebildet werden, wobei dieser zweite (12) und dieser dritte (11) Punkt durch die zweiten Elektroden (7, 9) der beiden Halbleiterbauelemente (4, 5) gebildet werden und wobei diese Verbindung von der Stromspiegelschaltung (3) her angesteuert (25) wird, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Schaltmittel (13) durch einen Kreuzschalter gebildet werden, der zwischen den beiden Halbleiterbauelementen (4, 5) und der Stromspiegelschaltung (3) in den Stromkreisen (1, 2) zum periodischen Vertauschen der Ströme in diesen Stromkreisen angeordnet ist, wobei die Ansteuerung (25) diesen Kreuzschalter überbrückt (Fig. 1, 2).
  4. 4. Stromstabilisationsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der zweite (12) und der dritte (11) Punkt durch die zweiten Elektroden (7, 9) des ersten (4) bzw. des zweiten Halbleiterbauelements (5) gebildet werden und die Stromspiegelschaltung (3) einen Differenzverstärker (22) mit einem invertierenden (20) und einem nichtinvertierenden (21) Eingang und mindestens einem in bezug auf diese Eingänge (20, 21) nichtinvertierenden Ausgang (43) enthält, wobei der erste (1) und der zweite Stromkreis (2) über Widerstände (46, 47, 48) gebildet werden, die einen Ausgang (42 bzw. 43) dieses Differenzverstärkers (22) mit jeweils einem Eingang (20 bzw. 21) verbinden, wodurch das genannte gegenseitige Größenverhältnis durch das Verhältnis der Widerstände zwischen dem Ausgang (42 bzw. 43) und den beiden Eingängen (20, 21) derart bestimmt wird, daß der Widerstand zwischen diesem Ausgang (42 bzw. 43) und dem in bezug auf diesen Ausgang (42 bzw. 43) invertierenden Eingang (21 bzw. 20) größer als der Widerstand zwischen diesem Ausgang (42 bzw. 43) und dem in bezug auf diesen Ausgang (42 bzw. 43) nichtinvertierenden Eingang (20 bzw. 21) ist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Widerstände (46, 47, 48) zwischen den Eingängen (20, 21) und dem Ausgang durch einen zweiten (46), dritten (47) und vierten (48) Widerstand gebildet werden, von denen der zweite (46) und der vierte (48) Widerstand nahezu gleich sind und von denen der zweite (46) und der vierte (48) Widerstand einerseits mit je einem der beiden Eingänge (20, 21) und andererseits mit je einer anderen Seite des dritten Widerstandes (47) verbunden sind und wobei die ersten Schaltmittel (13) jeweils abwechselnd eines der beiden Enden des dritten Widerstandes (47) mit einem Ausgang (42, 43) des Differenzverstärkers (22) derart verbinden, daß stets der Widerstand zwischen diesem Ausgang (42 bzw. 43) und dem in bezug auf diesen Ausgang (42 bzw. 43) invertierenden Eingang (21 bzw. 20) größer als der Widerstand zwischen diesem Ausgang (42 bzw. 43) und dem in bezug auf diesen Ausgang (42 bzw. 43) nichtinvertierenden Eingang (20 bzw. 21) ist (Fig. 7).
  5. 5. Stromstabilisationsschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker (22) in bezug auf den nichtinvertierenden Eingang (21) einen nichtinvertierenden (43) und einen invertierenden (42) Ausgang aufweist, wobei der zweite Widerstand (46) mit einem Ende an den invertierenden Eingang (20) und der vierte Widerstand (48) mit einem Ende an den nichtinvertierenden (21) Eingang angeschlossen ist, daß die ersten Schaltmittel (13) über Schalter den invertierenden Ausgang (42) mit dem anderen Ende des zweiten Widerstandes (46) und den nichtinvertierenden Ausgang (43) mit dem anderen Ende des vierten Widerstandes (48) verbinden und daß diese Schalter abwechselnd geschlossen sind (Fig. 7).
  6. 6. Stromstabilisationsschaltung nach Anspruch 1, bei der das erste (4) und das zweite Halbleiterbauelement (5) ein erster und ein zweiter Transistor sind, deren Steuerelektroden die zweiten Elektroden (7, 9) bilden und zum Aufrechterhalten gleicher Spannungen über dem dritten (10 bis 11) und dem vierten Kreis (10 bis 12) miteinander verbunden sind und von der Stromspiegelschaltung (3) her angesteuert werden, wobei parallel zu dem Transistor, dessen Hauptstrombahn in den Stromkreis zum Führen des kleineren Stroms n-1, wobei n>1 ist, angeordnet ist, weitere Transistoren (54 bis 57) geschaltet sind, die mit dem ersten (4) und dem zweiten Transistor (5) nahezu identisch sind und deren Steuerelektroden mit den Steuerelektroden (7, 9) des ersten (4) und des zweiten Transistors (5) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Elektroden der n+1 Transistoren (4, 5, 54 bis 57) über Widerstände (15, 16, 58 bis 61) mit nahezu gleichen Widerstandswerten zu einem Verbindungspunkt (62) führen; daß die zweiten Schaltmittel (14) durch einen (n+1)-Schrittschalter zum zyklisch permutierenden Verbinden des ersten Punktes (10) mit jeweils den ersten Elektroden wenigstens eines (5) der n+1 Transistoren (4, 5, 54 bis 57) gebildet werden und daß die ersten Schaltmittel (13) durch Schalter gebildet werden, mit deren Hilfe synchron mit den zweiten Schaltmitteln (14) zyklisch permutierend die von der zweiten Elektrode abgekehrten Enden der Hauptstrombahnen aller anderen (4, 54 bis 57) Transistoren zusammengeschaltet werden, wobei die Ansteuerung (25) diese ersten Schaltmittel (13) überbrückt (Fig. 10).
  7. 7. Stromstabilisationsschaltung nach Anspruch 1, bei der das erste (4) und das zweite (5) Halbleiterbauelement ein erster und zweiter Transistor sind, deren Steuerelektroden die zweiten Elektroden (7, 9) bilden und deren Hauptstrombahnen auf den von den ersten Elektroden (6, 8) abgekehrten Seiten mit dritten Elektroden (26, 27) versehen sind, wobei die ersten Elektroden (6, 8) dieser Transistoren (4, 5) mit dem ersten Punkt (10) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten Elektroden (26, 27) des ersten (4) und des zweiten (5) Transistors mit in dem ersten (1) bzw. zweiten (2) Stromkreis liegenden ersten (15) bzw. zweiten (16) Widerständen mit nahezu den gleichen Widerstandswerten verbunden sind und daß die zweiten Schaltmittel (14) durch einen ersten Wechselschalter zum Verbinden der zweiten Elektrode (7) des ersten Transistors (4) mit abwechselnd der von der dritten Elektrode (26) des ersten Transistors (4) abgekehrten Seite des ersten Widerstandes (15) und der dritten Elektrode (27) des zweiten Transistors (5) und durch einen zweiten Wechselschalter gebildet werden, durch den gegenphasig zu dem ersten Wechselschalter die zweite Elektrode (9) des zweiten Transistors (5) mit abwechselnder, von der dritten Elektrode (27) des zweiten Transistors (9) abgekehrten Seite des zweiten Widerstandes (16) und der dritten Elektrode (26) des ersten Transistors (4) verbunden wird (Fig. 3).
  8. 8. Stromstabilisationsschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Schaltmittel (13) durch einen Kreuzschalter gebildet sind, der zwischen den beiden Widerständen (15, 16) und der Stromspiegelschaltung (3) in den Stromkreisen (1, 2) zum periodischen Vertauschen der Ströme in diesen Stromkreisen angeordnet ist (Fig. 3).
  9. 9. Stromstabilisator nach Anspruch 7, bei dem die Stromspiegelschaltung (3) einen Differenzverstärker (22) mit einem invertierenden (20) und einem nichtinvertierenden Eingang (21) und mindestens einem in bezug auf diese Eingänge nichtinvertierenden Ausgang (43) enthält, wobei der erste (1) und der zweite Stromkreis (2) über Widerstände (17, 18 bzw. 46 bis 48) gebildet sind, die einen Ausgang (43 bzw. 42) dieses Differenzverstärkers (22) mit jeweils einem Eingang (20 bzw. 21) verbinden, wodurch das genannte gegenseitige Größenverhältnis durch das Verhältnis der Widerstände zwischen dem Ausgang (43) und den beiden Eingängen (20 bzw. 21) derart bestimmt ist, daß der Widerstand zwischen diesem Ausgang (43) und dem in bezug auf diesen Ausgang (43) invertierenden Eingang (20) größer als der Widerstand zwischen diesem Ausgang (43) und dem in bezug auf diesen Ausgang nichtinvertierenden Eingang (21) ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (46, 47, 48) zwischen den Eingängen (20, 21) und dem Ausgang (43) durch einen zweiten (46), einen dritten (47) und einen vierten (48) Widerstand gebildet sind, von denen der zweite (46) und der vierte (48) Widerstand einander nahezu gleich sind und von denen der zweite (46) und der vierte (48) Widerstand einerseits mit je einem der beiden Eingänge (20, 21) und andererseits mit je einer anderen Seite des dritten Widerstandes (47) verbunden sind, und daß die Schaltmittel (13) jeweils abwechselnd eines der beiden Enden des dritten Widerstandes (47) mit einem Ausgang (42, 43) des Differenzverstärkers (22) derart verbinden, daß der Widerstand zwischen dem Ausgang (43 bzw. 42) und dem in bezug auf diesen Ausgang (43 bzw. 42) invertierenden Eingang (20 bzw. 21) stets größer als der Widerstand zwischen diesem Ausgang (43 bzw. 42) und dem in bezug auf diesen Ausgang (43 bzw. 42) nichtinvertierenden Eingang (21 bzw. 20) ist (Fig. 3 und 7).
  10. 10. Stromstabilisator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker (22) in bezug auf den nichtinvertierenden Eingang (21) einen nichtinvertierenden (43) und einen invertierenden (42) Ausgang aufweist, daß der zweite Widerstand (46) mit einem Ende an den invertierenden Eingang (20) und der vierte Widerstand (48) mit einem Ende an den nichtinvertierenden Eingang (21) angeschlossen ist und daß die Schaltmittel (13) über Schalter den invertierenden Ausgang (42) mit dem anderen Ende des zweiten Widerstandes (46) und den nichtinvertierenden Ausgang (43) mit dem anderen Ende des vierten Widerstandes (48) verbinden, wobei diese Schalter abwechselnd geschlossen sind (Fig. 3 und 7).






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