ANALOGE SCHALTUNGSTECHNIK LABOR. Referenzquellen

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1 NLOGE SCHLTNGSTECHNK LBO nstitut für Elektronik der Technischen niversität in Graz eferenzquellen Übungsinhalt: Konstantspannungsquellen Konstantstromquellen Vorausgesetzte Kenntnisse: Übungsunterlagen eferenzquellen Kennlinien, Funktion und Grundschalungen von: Z-Diode, Bipolar-Transistor, Feldeffekt-Transistor Grundschaltungen von eferenzquellen Literatur: Hartl, H. et. al.: Elektronische Schaltungstechnik

2 Q / 5 SPNNNGSEFEENZEN Spannungsreferenzen liefern eine genau bekannte Spannung für die Verwendung in elektronischen Schaltungen oder Systemen. Jeder Fehler der eferenz wirkt sich auf die Genauigkeit des Gesamtsystems aus.. nwendungsbereich eferenzen werden verwendet in digitalen Multimetern, digitalen Kommunikationssystemen, in tragbaren nstrumenten zur Präzisionsmessung und Kalibrierung elektronischer Thermometer, Präzisionsschaltregler - auch benötigt jedes digitale System oder Subsystem oder Schaltung mit analogen Ein- oder usgängen zumindest eine genaue eferenz.. Wünschenswerte Eigenschaften einer Spannungsreferenz Genaue usgangsspannung Geringe Temperaturdrift (Temperaturkoeffizient, TK) Gutes Verhalten bei Laständerungen (Load egulation) Gutes Verhalten bei Versorgungsspannungsänderungen (Line egulation) Gute Langzeitstabilität.3 rten von eferenzquellen.3. Zener-Dioden-eferenz Die am weitesten verbreitete eferenzschaltung ist die temperaturkompensierte Zenerdiode. ls Zenerdioden werden alle Dioden bezeichnet, die im Durchbruchsmodus arbeiten, unabhängig davon, ob es sich um einen Zener-, Lawinen- oder gemischten Durchbruchsmechanismus handelt. Die in einer Schaltung befindlichen Zener-Dioden erzeugen einen konstanten Spannungsabfall, wenn sie mit einem relativ konstanten Strom betrieben werden. n Schaltungen, die zur rbeitspunktstabilisierung dienen, werden sie oft mit Operationsverstärkern (OP, OPV, Operational mplifier, OPMP) verwendet, oder sie übersetzen Spannungen in Strom oder man verwendet sie als Schutzdioden gegen Überspannung usw..3.. rbeitsweise D - Z D F D D D K D bbildung : llgemeine Strom-/Spannungskennlinie einer Zener-Diode Der aktive Teil einer Zenerdiode besteht aus einem in Sperrrichtung betriebenen P-N- Halbleiterübergang. Wird die Diode in Durchlassrichtung betrieben (Spannung im P-Gebiet ist positiver als im N-Gebiet), dann wird dem Stromfluss nur ein sehr geringer Widerstand entgegengesetzt; die Zenerdiode verhält sich wie eine normale hochleitfähige Silizium-Diode (bbildung ). Beim Betrieb in Sperrrichtung fließt nur ein sehr geringer Strom, wenn die angelegte Spannung kleiner ist als Z (Durchbruch- oder Zenerspannung). Dieser geringe Leckstrom bleibt in diesem

3 Q / 5 Bereich bei gleichbleibender Temperatur nahezu konstant. Wird die Sperrspannung bis zur Durchbruchspannung erhöht, kann der Sperrstrom bei kleinen Spannungsänderungen stark ansteigen und die Diode zerstören. Daher wird eine Zenerdiode immer in Serie mit einem Widerstand oder einer Stromquelle betrieben (bbildung ). Der in die Last fließende Strom L bewirkt in diesem Fall eine Änderung der usgangsspannung OT. L - N - OT - OT ' Z ' L Z N Z OT L - N bbildung : Zenerdiode mit Widerstand zur Strombegrenzung (Schaltung und Kennlinie).3.. Durchbruchsmechanismen Es bestehen zwei grundsätzlich verschiedene Durchbruchsmechanismen: Zener- und Lawinen (valanche)-durchbruch. Die rt des Durchbruchs hängt von der Dotierung in den P- und N- Materialien ab. -V -V 5 C 65 C Zenerdurchbruch 65 C 5 C Lawinendurchbruch - - bbildung 3: Temperaturverhalten beim Zener- und beim Lawinen-Durchbruch Beim Zener-Durchbruch (bbildung 3, links), einem Niederspannungsphänomen, sinkt die Durchbruchspannung mit steigender Halbleitertemperatur (negativer TK). Beim Lawinen- Durchbruch steigt die Durchbruchspannung mit steigender Halbleitertemperatur (positiver TK). Zener-Durchbruch: Ein PN-Übergang, der ein schmales Verarmungsgebiet besitzt, wird durch die hohe Feldstärke bei relativ niedrigen Spannungen durchbrechen, da Elektronen und Löcher aus ihren tomverbindungen herausgerissen werden, und so die Ladungsträger für die Leitfähigkeit bilden. Ein hohes elektrisches Feld unterstützt die Energie, die erforderlich ist um das Energieband zu überspringen. Es werden die Elektronen angeregt, aus dem Valenzband in das Leitungsband überzuwechseln. Ein nsteigen der Temperatur erhöht die Energie der Valenzelektronen und reduziert damit die Durchbruch- oder Zenerspannung. Lawinen-Durchbruch: Der Zenereffekt nimmt mit größer werdendem Verarmungsgebiet ab. Bei Zenerspannungen um 6 V überwiegt der Lawinendurchbruch (valanche-effekt). Die Elektronen werden im Leitungsband auf ihrer freien Weglänge so stark beschleunigt, dass sie Stoßionisation durchführen und sich lawinenartig vermehren. Da die mittlere freie Weglänge mit der Temperatur abnimmt, hat der Lawineneffekt einen positiven Temperaturkoeffizienten (TK) Zener-Dioden-usführungen Zenerdioden sind erhältlich im Spannungsbereich zwischen bis 00 V; Toleranzbereich 0 % bis 0 % und Verlustleistungen von 0,5 bis 50 Watt.

4 .3..4 Nachteile Q 3 / 5 Die Spannungstoleranz ist - außer bei teureren Versionen - generell schlecht. ußerdem rauschen sie stark und sind sehr stark abhängig von Strom- und Temperaturschwankungen. Zenerdioden, die im 5,6 V-Bereich liegen, weisen sowohl Lawinen- als auch Zenerdurchbruch auf und besitzen entweder positive oder negative TKs, abhängig davon, welcher Effekt überwiegt. us diesem Grunde eignen sie sich am besten für temperaturunabhängige eferenzen, da sich der positive und der negative TK bei einem bestimmten Strom gegeneinander aufheben können (bbildung 4, aus: MOTOOL - TVS/Zener, Device Data). bbildung 4: Temperaturkoeffizient als Funktion von Zenerspannung und Strom Temperaturkompensation: Für eine gegebene Zenerspannung überwiegt bei niedrigen Strömen der Zenerdurchbruch, der TK ist negativ; bei höheren Strömen der Lawineneffekt, der TK ist nun positiv. Da beide Effekte durch den Strom gesteuert werden, variiert auch der TK mit dem Strom. Bei einem bestimmten Strom sind jedoch beide Temperaturkoeffizienten gleich groß und heben sich auf. So kann man durch einen geeigneten Sperrstrom den TK für einen Durchbruch bei einer bestimmten Spannung justieren. Eine Möglichkeit der Temperaturkompensation bietet auch die Serienschaltung einer Zenerdiode mit positivem Temperaturkoeffizienten und Dioden in Durchlassrichtung mit negativem Temperaturkoeffizienten. + Negativer Temperaturkoeffizient Positiver Temperaturkoeffizient Null Temperaturkoeffizient - bbildung 5: Temperaturkompensation mit Dioden in Durchlassrichtung Die Zenerspannung wird so gewählt, dass der TK der in Durchlassrichtung betriebenen Diode eliminiert wird. Die in bbildung 5 gezeigte Schaltung ist als ZENE C (eferenzdiode) erhältlich. Benötigt man eine Zenerdiode als nwendung für hohe Stabilität, und ist der genaue Spannungswert nicht entscheidend, schaltet man eine 5,6 V Zenerdiode in eihe mit einer normalen Diode.

5 Q 4 / V z 5 V out z 6, V + out z bbildung 6: Spannungsreferenz mit Zenerdiode und OPV Der Operationsverstärker in bbildung 6 dient dazu, einen konstanten Strom für die Zenerdiode bereitzustellen, sie zu puffern und der eferenzschaltung zu ermöglichen, Strom zu ziehen und zu liefern und die Zenerspannung auf eine gewünschte usgangsspannung zu verstärken. 5 liefert den Startstrom für die Diode. Der Strom fließt durch 3 und die Diode - der Strom Z ( OT - z )/ 3 - und wird auf diesem Wert gehalten, unabhängig von der Versorgungsspannung, der Verstärkerbelastung und - in erster nnäherung - von der Temperatur. 3 wird gewählt, um den gewünschten Bias-Strom für die Zenerdiode zu erhalten, und wird aus der Differenz von z und (l + / ) z bestimmt: z ( z )/( 3 )..3. Burried-Zener-eferenz Die geringe Langzeitstabilität von Zenerdioden kann wesentlich verbessert werden, wenn der Zenerdurchbruch unter die Oberfläche des Substrates gelegt wird, wo er von Feldeffekten beweglicher Oberflächenionen, Verunreinigungen und Oxidation geschützt ist. Mit onenimplantation ist es möglich, eine hochdotierte stabile und reproduzierbare Zenerdiode unter die Oberfläche zu legen..3.3 Temperaturstabilisierte eferenzen Hier werden die eferenzen auf konstanter Temperatur gehalten - daher temperaturstabilisiert, nicht temperaturkompensiert. Solche Bausteine beinhalten auf dem Chip einen Temperaturstabilisator (Ofen) und eine eferenzschaltung. Der Ofen hält die eferenz unabhängig von der mgebungstemperatur auf konstanter Temperatur, und zwar bis zur vorgegebenen Stabilisationstemperatur. Bei höheren Temperaturen ist keine Kühlung möglich. us diesem Grunde hat man es hier mit zwei grundsätzlich verschiedenen Temperaturkoeffizienten für die beiden auftretenden mgebungstemperaturbereiche zu tun (mgebungstemperatur oberhalb und unterhalb der Ofentemperatur)..3.4 Bandgap-eferenz Die Bandgap-Methode ist eine andere populäre Design-Technik bei monolithischen Schaltungen beruhend auf der physikalischen Eigenschaft der Basis-Emitterspannung eines in Durchlassrichtung betriebenen Silizium-Transistors. Der TK der Basis-Emitterspannung im aktiven Bereich beträgt mv/ C; der genaue Wert hängt von der Größe der Basis-Emitterspannung ( BE ) ab; er ist für einen gegebenen Transistor immer gleich, sodass er als linearer Temperatursensor verwendet werden kann, wenn der Emitterstrom proportional zur Temperatur gemacht wird.

6 Q 5 / 5,5 V konstante Summenspannung für beide Bauelemente,05 V Durchlass-Spannung,0 V 0,5 V BE als Funktion der Temperatur für zwei typische Bauelemente ( E prop. T) Erforderliche Kompensationsspannung - gleiche Bauelemente 0 V -73 C 0 K -00 C 73 K -00 C 73 K Temperatur 0 C 73 K 00 C 373 K bbildung 7: Basis-Emitter-Spannung, Temperatur und Bandgap-Spannung für zwei Bauelemente n bbildung 7 sind die BE Werte für verschiedene Bausteine in bhängigkeit von der Temperatur dargestellt und zum absoluten Nullpunkt (-73, C) extrapoliert; die Geraden haben verschiedene Steigungen, sie schneiden sich jedoch alle beim selben Spannungswert:,05 V. Dies ist die Bandgap-Spannung von Silizium bei 0 Kelvin. Wenn es möglich ist eine Spannung zu erzeugen, die proportional mit der Temperatur im selben Maße ansteigt wie BE absinkt, dann ist die Summe der beiden Spannungen bei jeder Temperatur konstant gleich,05 V. Diese Spannung kann man erhalten, wenn man den Spannungsunterschied zwischen den BE zweier ähnlicher Transistoren, die bei verschiedenen Stromdichten arbeiten verstärkt: S und S in der Ebers-Moll-Gleichung sind proportional dem elektrisch wirksamen Basisquerschnitt des Transistors. Für gleiches Halbleitermaterial gilt daher für Transistoren mit unterschiedlichen bmessungen, dass die Sättigungsstromdichten J S S / und J S S / gleich groß sind J J e BE S q e ; ( ) BE q q BE BE J ln J J e J q q BE S e ln q BE und S e q BE ; J J S e q BE k q T BE Boltzmannkonstante 86,4 µv/k Elementarladung bsolute Temperatur Basis - Emitter - Spannungsdifferenz (prop. zu T, wenn J /J konstant) Diese Spannung wird dann so verstärkt, dass sie mit BE, bei gleicher Temperatur summiert,,05 V ergibt und ist theoretisch temperaturunabhängig.

7 Q 6 / T 8 > T 4 Z BE + 4 OT Z ( + ) 5 BE,05 V BE BE 5 bbildung 8: Bandgap-Grundschaltung mit OPV Besitzen 7 und 8 den gleichen Widerstandswert, dann müssen durch beide Widerstände gleiche Ströme fließen und daher auch durch die Kollektoren und Emitter der Transistoren T und T mit sehr hoher Stromverstärkung β. Die Emitterfläche von T ist 8 mal so groß wie die von T, daher ist die Stromdichte J /8J, und BE ist (k T/q) ln8 oder 79, T 0-6 [V/ K]. Der Widerstandswert von wird von der gewünschten Stromstärke durch T und T bestimmt; dieser Strom ( BE / ) fließt auch durch, und da, ist der totale Strom BE / und die Spannung über ist ( k T ln8)/( q). Bei geeigneter Wahl des Verhältnisses / ist die Summe der beiden Spannungen + BE gleich der Bandgap-Spannung von,05 V, welche wiederum mit dem Verhältnis (l+ 4 / 5 ) verstärkt wird, um die gewünschte usgangsspannung OT zu erhalten. Durch die Genauigkeit des Herstellungsprozesses bei integrierten Schaltungen lässt sich BE vorhersagen und / vorausbestimmen. Die Widerstände werden in Dünnfilmtechnik mit geringem Temperaturkoeffizienten hergestellt und auf den Chip aufgebracht. Bei erhöhten Genauigkeitsanforderungen erfolgt eine Lasertrimmung. Monolithische Bandgap-eferenzen sind, teils als eglerverstärker mit Spannungsausgang, mit drei nschlüssen, teils als synthetische Zenerdiode mit zwei nschlüssen erhältlich, und viele Typen kann man für beide nwendungen gebrauchen. uch sind sie oft auf einem Chip mit einer anderen Schaltung integriert. Die Vorteile der Bandgap-eferenz sind geringes auschen und gute Langzeitstabilität, da BE sehr stabil und unempfindlich gegen Oberflächeneffekte ist. Die Nachteile sind im allgemeinen eine höhere Temperaturdrift und Fehler, die durch ein Temperaturgefälle in der Schaltung hervorgerufen werden, da die Bandgap-eferenz aus mehreren Bauelementen besteht..3.5 Diskrete Bandgap-eferenz uch hier wird die BE des Transistors T 3 (siehe bbildung 9) auf,05 V ergänzt. nd zwar wird der negative TK der BE von T 3 durch ddition einer Spannung mit pos. TK kompensiert ( ).

8 Q 7 / 5 n T3 T ein T ref n bbildung 9: Diskrete Bandgap-eferenz Eine solche Spannung wird erzeugt, indem man die Differenz der Basis-Emitterspannungen zweier Transistoren bildet, die mit verschiedenen Strömen betrieben werden. C C C n ref BE / n BE BE, T C ln C C ref (unabhängig von q ref BE3 ) ln n, ref 60 mv,05v Damit positiv wird, muss n >, also C > C gewählt werden (z.b.: n 0). TK ϑ k q T ln n ln n T T Für T 300 K beträgt der TK + mv/k; um die Kompensationsspannung mit dem benötigten TK von + mv/k zu erhalten, muss um den Faktor 0 verstärkt werden, d.h. n 0. Daraus ergibt sich 600 mv. ref BE3 + BE3 + T n ln n l,v..3.6 ntegrierte Spannungsregler Sie ermöglichen den problemlosen ufbau von hochwertigen Stromversorgungen. uf einem Chip im Gehäuse eines Transistors befinden sich die eferenzspannungsquelle, die egelschaltung, Schutzschaltungen gegen Übertemperatur und Kurschluss und die Leistungstransistoren Spezifikationen bei Spannungsreglern nfangsgenauigkeit (nitial ccuracy): nfangsgenauigkeit oder Spannungsfehler, oder usgangsspannungs-toleranz ist die bweichung von der nominellen usgangsspannung bei 5 C und einer spezifizierten Eingangsspannung. Sie ist bei einigen Bausteinen trimmbar. usgangsspannungsdrift: usgangsspannungsänderungen in bhängigkeit von der Temperatur, oder usgangsspannungs-temperaturkoeffizient oder Spannungsdrift, ist die usgangsspannungsänderung bezogen auf den Wert bei 5 C, und zwar unabhängig von der Änderung der rbeitsbedingungen.

9 Line egulation: Q 8 / 5 Line egulation oder Stabilisierungsfaktor ist die Änderung der usgangsspannung normalerweise spezifiziert als % pro Volt oder µv pro Volt Eingangsspannungsänderung. Es ist ein Maß für die Versorgungsspannungsunterdrückung (Power Supply ejection) und wird bei Gleichspannung gemessen. Line Transient esponse: Die Line Transient esponse gibt das transiente Verhalten der usgangsspannung bei einer sprunghaften Änderung der Versorgungsspannung wieder. ipple ejection: ipple ejection, Brummunterdrückung oder Störspannungsunterdrückung ist das Verhältnis von Eingangsstörspannung zur usgangsstörspannung in db. Load egulation: Load egulation, Lastregulierung oder Genauigkeit unter sich ändernden Lastbedingungen, ist die Änderung der usgangsspannung für einen bestimmten DC-Wechsel des Laststromes. Sie wird normalerweise in µv/m ausgedrückt, und manchmal in Ω des usgangswiderstandes. Sie beinhaltet die uswirkung der Selbsterwärmung, verursacht durch angestiegene Verlustleistung bei hohen Lastströmen. Load Transient esponse: Die Load Transient esponse gibt das transiente Verhalten der usgangsspannung nach sprunghafter Laständerung wieder. Langzeitstabilität: Langzeitstabilität wird normalerweise angegeben in ppm pro 000 Stunden bei einer bestimmten Temperatur. Diese Spezifikation ist schwierig zu verifizieren und wird generell als typisch bezeichnet, beruhend auf den charakteristischen Daten. Die Langzeitdrift von Zenerdioden ist in der ersten Zeit am größten. Sie wird mit zunehmender Betriebsdauer geringer und erreicht schließlich einen Punkt, wo nur mehr kleine Änderungen auftreten, ähnlich wie beim /f auschen. Da dies unter mständen jahrelang dauern kann, werden die Präzisionsreferenzen künstlich gealtert (Burn in), und zwar im Betrieb bei einer hohen Temperatur, um den lterungsprozess zu beschleunigen (bbildung 0). Drift [ppm] Jahre Dropout Voltage: bbildung 0: Typische N89-Drift als Funktion der Zeit Bei zu niedriger Spannungsdifferenz zwischen dem Eingang und dem usgang wird die Funktion des eglers beeinträchtigt. ls Dropout Voltage wird jene minimal notwendige Spannungsdifferenz zwischen Eingang und usgang bezeichnet, die für einen korrekten Betrieb des Spannungsreglers notwendig ist.

10 Q 9 / Die Bandgap-eferenz LT09 Der LT09 soll als zentrales Element der Übung genutzt werden. Es handelt sich um eine Bandgap-eferenz, welche eine fixe usgangsspannung von,5v, 4,5V, 5V, 0V liefert (je nach usführung). Für den Laboraufbau wird die Spannungs-eferenz LT09-5 verwendet, welche eine usgangsspannung von out 5V liefert. bbildung : Blockschaltbilder des LT09 mit ußenbeschaltung zur usgangsspannung-trimmung Die Line egulation sowie die Load egulation des LT09 sind sehr gut. Ein 0V Sprung der Eingangsspannung führt lediglich zu einer Änderung von 5ppm am usgang (Line egulation). Eine Änderung des Laststroms führt am usgang lediglich zu einer Spannungsänderung um die 00µV.

11 Q 0 / 5 uszug aus dem Datenblatt des LT09: MESSNGEN: Übungsdurchführung nach ngabe des Betreuers. a) Line egulation b) Line Transient esponse c) Load egulation d) Load Transient esponse e) Dropout Voltage

12 Q / LT04 Operationsverstärker Der LT04 ist ein Vierfach-Präzisions-Operationsverstärker. Die maximale Betriebsspannung liegt bei Bmax ±V. Ein unipolarer Betrieb ist mit diesem Operationsverstärker möglich. Durch die maximale Differenzspannung an den Eingängen von Dmax ±30V ist ein Einsatz als Komparator möglich LM90 Komparator Beim LM90 handelt es sich um einen Vierfach-Präzisions-Komparator. n den Übungen wird dieser Komparator als Spannungsbegrenzer eingesetzt. bbildung zeigt einen uszug aus dem Datenblatt. bbildung uszug aus dem Datenblatt LM Pt-00 Temperaturfühler Pt-00-Sensoren sind Temperaturfühler, die auf der Widerstandsänderung von Platin unter Temperatureinfluss basieren. Diese Widerstandsthermometer sind Kaltleiter (PTC). Sie werden zur Temperaturmessung im Bereich von -00 C bis 850 C verwendet. Die Sensoren werden entweder in der Bauform eines Platindrahtes oder einer Platinschicht genutzt. Die Platin-Temperatursensoren werden durch ihren Nennwiderstand 0 bei einer Temperatur von 0 C und drei weiteren Koeffizienten α, β und γ charakterisiert.

13 Das Pt-00 Temperaturfühler ist kein linearer Sensor. Der Widerstand bei einer bestimmten Temperatur wird wie folgt berechnet: Q / Ω Nennwiderstand T...Temperatur in C Die Koeffizienten für einen Standard Pt-00 Sensor sind in der EC 6075 angegeben: Zur Berechnung des Widerstandswertes werden zwei verschiedene Temperaturbereiche und dazu gehörige bwandlungen der Gleichung verwendet. Temperaturen größer als 0 C : n diesem Bereich wird der γ-term Null gesetzt. Es wird nur mit dem α-term und dem β-term gerechnet. Wenn man den Fühler vereinfacht und mit einem linearen Widerstandsanstieg von rechnet, wird die bweichung vom tatsächlichen Sensorwiderstand mit steigender Temperatur immer größer und beträgt bei 00 C ca.,5 Ω. Dies entspricht einem Temperaturfehler von ca. 3,8 C! Temperaturen kleiner 0 C: Sinkt die Temperatur unter 0 C ab, sind alle drei Terme von Bedeutung und zur Widerstandsberechnung wird die oben genannte Gleichung verwendet. Käufliche Sensoren weichen entsprechend ihrer Genauigkeit (Preis) mehr oder weniger von den Normwerten ab. Für genaue Messungen müssen daher der Widerstand und die Koeffizienten für jeden Fühler eigens bestimmt werden Display m eine Visualisierung der Schaltungen zu erhalten wird ein Display benötigt. Das nzeigeelement HED8 der Firma Falcon kann mit 5V bzw. 9V Gleichspannung betrieben werden, stellt 3 / bit dar und bietet die Möglichkeit, verschiedene Einheiten ( C, Ω, etc.) darzustellen. Da bei den Übungen überwiegend mit einer Spannung von 5V gearbeitet wird, wird auch diese als Versorgung für die nzeige gewählt.

14 Q 3 / 5 KONSTNTSTOMQELLEN.4 deale Stromquelle Diese prägt einem Verbraucher V einen Strom ein, der unabhängig vom Spannungsabfall an V ist. Die einfachste Möglichkeit einer Konstantstromquelle bietet eine (Konstant-)Spannungsquelle mit hohem nnenwiderstand i : i a 0 DC V a a 0 a 0 i 0... Kurzschlussstrom a i bbildung 3: Konstantstromquelle mit hohem nnenwiderstand us obiger Gleichung sieht man sofort, dass der Strom bei großem i beinahe unabhängig von a wird. Der Nachteil dieser Schaltung besteht darin, dass man für größere Ströme a eine hohe Spannung 0 benötigt (im kv-bereich)! BHLFE: Man begnügt sich damit, nur für einen kleinen usgangsspannungsbereich einen großen Widerstand zu verlangen. n diesem Bereich muss dann lediglich der differenzielle nnenwiderstand r i -d a /d a groß sein, während der statische nnenwiderstand klein sein kann. Diese Eigenschaft besitzen die usgangskennlinien eines Bipolar-Transistors (Bipolar Junction Transistor, BJT) oder eines Feldeffekt-Transistors (FET). Der differenzielle nnenwiderstand lässt sich durch Gegenkopplung noch um einige Zehnerpotenzen erhöhen..5 Bipolar-Transistor-Stromquelle Die Emitterschaltung mit Emitterwiderstand E wirkt in Bezug auf den Kollektorwiderstand L als Stromquelle. Der differenzielle nnenwiderstand d a /d a liegt im MΩ-Bereich. Wird durch eine Zenerdiode ersetzt, kann der nnenwiderstand der Stromquelle noch verbessert werden. L a L a L a Q a Q a a B B B E E E E E E Konstantstromquelle mit Spannungsteiler Konstantstromquelle mit Spannungsteiler und BE -Kompensation Konstantstromquelle mit Zener-Diode usgangsstrom : usgangswiderstand : a E E d a ra d a B r CE E BE + β E ( ) + r + bbildung 4: Stromquellen mit Bipolar-Transistoren BE E

15 .6 Feldeffekt-Transistor-Stromquelle Q 4 / 5 FET-Stromquellen lassen sich ähnlich aufbauen wie jene mit Bipolar-Transistoren. Verwendet man selbstleitende FETs kann die Schaltung als Zweipol ausgeführt werden. + nnenwiderstand : r r + i DS ( S ) S S S... Steilheit.7 Stromspiegel - bbildung 5: JFET-Konstantstromquelle ohne Hilfsspannung Der einfache -Transistor Stromspiegel in bbildung 6 (a) versucht an seinem usgang B eine identische Kopie des Eingangsstromes an zu produzieren, wobei unerwünschte Strom-Spannungsbeeinflussungen minimiert werden. nd zwar steuert ein Eingangstransistor, der als Diode geschaltet ist, einen usgangstransistor mit einer angepassten Basis-Emitterspannung BE an, der einen identischen usgangsstrom produzieren soll. B B B in out in out in out T3 T3 T4 T T T T T T C C (a) (b) (c) bbildung 6: Stromspiegelschaltungen mit Bipolar-Transistoren Verwendet man einen Transistorarray (z.b. C3046), dann hat man zwei gematchte Transistoren zur Verfügung. Der Eingangsanschluss befindet sich immer auf einer fixen Spannung, im Gegensatz zum nschluss B, welcher eine Spannung annehmen wird, die von den Lastbedingungen abhängig ist. STOMÜBETGNGSMSS: λ out / in sollte konstant bleiben, unabhängig von Spannungs- und Stromänderungen. Es kann auch für andere Werte als ausgelegt werden, wenn man die Transistoren entsprechend verdoppelt. Die bweichung vom Einheitsstromübertragungsmaß wird für Transistoren mit λ angegeben, wobei β der Stromverstärkungsfaktor, und OS der nterschied in der Basis-Emitter-Spannung ist, der notwendig ist, um gleiche Ströme zu erhalten, T 6 mv, Q ist der nterschied der Kollektor-Basis-Spannung und ( ) Q ist die Early-Spannung. Durch Hinzufügen eines dritten Transistors kann der Stromspiegel wesentlich verbessert werden. (Wilson Stromspiegel, bbildung 6 (b)). T 3 erfüllt zwei ufgaben: erstens puffert er T vor C

16 Q 5 / 5 Änderungen in der Kollektorspannung und vermindert die spannungsempfindliche Komponente im Stromübertragungsmaß λ. Zweitens bewirkt er die bessere ufteilung der Basisströme, wodurch λ sehr viel näher an heranreicht. β ist die mittlere Stromverstärkung der drei Transistoren, β repräsentiert die Streuung der Stromverstärkungen und ( ) 0,7 ist die Early-Spannung, bei einer CB von 0,7 V ermittelt. Ein noch besseres Ergebnis kann mit einem aus vier Transistoren aufgebauten Stromspiegel erzielt werden (bbildung 6 (c)). Eine formelmäßige Zusammenfassung der Stromübertragungsmaße für die Stromspiegelschaltungen in bbildung 6 ist nachstehend aufgelistet. Einen Vergleich des Stromübertragungsmaßes von Stromspiegeln mit 3 und 4 Transistoren zeigt Tabelle. λ λ λ 3 4 ± β β ± β ± β ± β OS T ± ± ( ) OS T OS T Q Q ( ) BE 0,7 in B Übertragungsmaß λ 3 λ 4 00 µ V 0,995,00 0 V 0,996,00 m V 0,990 0,999 0 V 0,99,000 0 m V 0,886 0,99 0 V 0,890 0,994 Tabelle : Stromübertragungsmaß für verschiedene Stromspiegel und Belastungen