Stromspiegel

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Der Stromspiegel stellt in der Elektronik eine elementare Transistor-Schaltung dar, mit der es möglich ist, von einem vorhandenen Referenzstrom einen weiteren Strom abzuleiten. Der Stromspiegel ermöglicht es Ströme zu kopieren und zu skalieren und stellt somit eine stromgesteuerte Stromquelle dar.

Inhaltsverzeichnis 1 Motivation 2 Funktionsprinzip des Stromspiegels 2.1 Schaltung mit Bipolartransistoren 2.2 Schaltung mit MOSFETs 3 Beispiele 4 Literatur 5 Einzelnachweise 6 Weblinks

[Bearbeiten] Motivation

Die Stromspiegelschaltung wird vor allem als eine Teilschaltung in analogen integrierten Schaltungen, wie Differenzverstärkern, Operationsverstärkern und Komparatoren, beispielsweise zur Einstellung von Arbeitspunkten in Verstärkerstufen, eingesetzt. Stromspiegel werden auch als aktive Lasten eingesetzt, hierbei dient der Ausgangswiderstand des Stromspiegels als Lastwiderstand eines Verstärkers.

Dazu wird oft eine Replik eines bereits vorhandenen Stromes benötigt. Mit dem Stromspiegel ist es möglich, genau einen solchen identischen Strom zu erzeugen. Hierfür werden Transistoren benutzt, die in ihrer Bauform identisch sind. Sind diese Transistoren zudem dicht benachbart, so lässt sich über die Flächenverhältnisse der aktiven Flächen, Gatefläche oder Emitterfläche, das Verhältnis der Ströme allein über deren Flächen festlegen.

[Bearbeiten] Funktionsprinzip des Stromspiegels

[Bearbeiten] Schaltung mit Bipolartransistoren

Ein einfacher Stromspiegel besteht aus zwei Transistoren, wie im Bild rechts dargestellt. Beim Transistor Q₁ sind Kollektor- und Basisanschluss verbunden. Fließt ein Eingangsstrom I_e durch den Transistor Q ₁, stellt sich eine Basis-Emitter-Spannung U_BE ein, die mit I_e über den folgenden Zusammenhang näherungsweise verknüpft ist

(Ein Teil des Eingangsstromes I_e fließt als Basisstrom in die Transistoren Q₁ und Q₂, dieser Anteil wurde hier vernachlässigt.)

Es entsteht am Transistor Q₁ eine Basis-Emitter-Spannung die über die Transistoreigenschaften mit dem Eingangsstrom verknüpft ist. Die Basisanschlüsse der beiden Transistoren sind verbunden, sodass sich bei beiden Transistoren die gleiche Basis-Emitter-Spannung ergibt. Der Strom des Transistors Q₂ hängt von U_BE ab, es gilt:

Sind die Eigenschaften der Transistoren Q₁ und Q₂ gleich (I_S1 = I_S2), so ist auch die Abhängigkeit des Kollektorstroms von der Basis-Emitterspannung gleich und es fließt auch der gleiche Kollektorstrom durch Q₂.

Bei einer genaueren Analyse wird berücksichtigt, dass der Kollektorstrom I_C1 nicht dem Eingangsstrom entspricht, da die Basisströme berücksichtigt werden müssen. Aufgrund des Zusammenhangs

I_C1 = I_e − I_B1 − I_B2

ergibt sich somit beim einfachen Stromspiegel mit Bipolartransistoren ein Fehler.

[Bearbeiten] Schaltung mit MOSFETs

Wird der einfache Stromspiegel mit identischen MOSFETs aufgebaut, so erhält man für den Zusammenhang zwischen Eingangsstrom I_e und der Gate-Source Spannung U_GS:

Für den Ausgangsstrom I_a gilt:

Somit erhält man für das Verhältnis der beiden Ströme

nachdem für identische Transistoren auch sämtliche Parameter gleich sind und auch die Spannung U_GS für beide Transistoren gleich ist, kann man sämtliche Größen kürzen.

Eine Abweichung von diesem idealen Verhalten ergibt sich aufgrund der Kanallängenmodulation der Transistoren, die hier aber vernachlässigt wurde.

[Bearbeiten] Beispiele

Die Tabelle zeigt typische Beispiele für Stromspiegel in bipolarer Technik und die äquivalenten MOS-Schaltungen. Die Widerstände bei den bipolaren Stromspiegeln sind optional, in MOS-Technik sind sie unüblich.

Wesentliche Kriterien bei der Auswahl einer Stromspiegelschaltung sind die minimale Versorgungsspannung, der Ausgangswiderstand sowie die Genauigkeitsanforderungen an den gespiegelten Strom.

Varianten von Stromspiegeln

	Einfacher Stromspiegel	3-Transistor-Stromspiegel (Unterstützter Stromspiegel)	Kaskode-Stromspiegel	Wilson-Stromspiegel (Geregelter Stromspiegel)
Bipolar
MOS

Widlar-Stromspiegel

Der Widlar-Stromspiegel, benannt nach seinem Entwickler Robert Widlar, ist eine Variation des einfachen Stromspiegel und stellt mit nur zwei Transistoren einen besonders einfachen Stromspiegel dar. ^[1] Das Stromverhältnis wird über die Emittervielfachheit (Gatevielfachheit) eingestellt. Alternativ kann das Stromverhältnis bei Bipolartransistoren, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt, auch über einen Gegenkopplungswiderstand im Emitterzweig eingestellt werden, falls die Genauigkeitsanforderungen nicht hoch sind. Der Widlar-Stromspiegel kann aus dem einfachen Stromspiegel gewonnen werden, indem der bei dem einfachen Stromspiegel links im Referenzzweig eingezeichnete Emitter-Gegenkopplungswiderstand kurzgeschlossen wird. Aufgrund der starken Stromabhängigkeit des Übersetzungsverhältnisses ist der Widlar-Stromspiegel im Regelfall nur für Konstantströme geeignet.

3-Transistor-Stromspiegel

Der Transistor in der Mitte reduziert den Fehler, der durch den Basisstrom eines Bipolartransistors entsteht. Fügt man in der Bipolarausführung einen Widerstand in der Mitte ein, der von der gemeinsamen Basis zur Masse führt, wird dieser Stromspiegel erheblich schneller.

Kaskode-Stromspiegel

Beim einfachen Stromspiegel besteht eine Abhängigkeit des Ausgangsstromes von der Ausgangsspannung aufgrund des endlichen Ausgangswiderstandes der Transistoren. Dieser Effekt kann durch Kaskodierung des Transistors auf der Ausgangsseite reduziert werden. Zur Arbeitspunkteinstellung wird auf der Eingangsseite ebenfalls ein Transistor eingefügt.

Wilson-Stromspiegel

Weitere Varianten sind der Wilson-Stromspiegel und der erweiterte Wilson-Stromspiegel. Letzterer umfasst vier Transistoren und bietet gegenüber dem Wilson-Stromspiegel eine verbesserte Linearität.

Um die Genauigkeitsanforderungen zu erfüllen werden Stromspiegel möglichst symmetrisch aufgebaut, üblicherweise in quad-Layout oder common-centroid-Layout. In MOS-Stromspiegeln werden nur Gates gleicher Länge und gleicher Weite verwendet, das Spiegelverhältnis wird daher nur über die Anzahl der Transistoren festgelegt. Der Stromspiegel wird mit sogenannten Dummy-Gates umgeben, die eine gleichmässige Umgebung um den Stromspiegel erzeugen sollen. Für Anwendungen mit hohen Genauigkeitsanforderungen muss der Spannungsabfall über der Drain-Source-Strecke möglichst identisch sein und die Gate-Verbindung stromlos gehalten werden, ansonsten würde die Gate-Source-Spannung der verschiedenen Transistoren unterschiedlich sein, was zu großen Fehlern im Spiegelverhältnis führt.

[Bearbeiten] Literatur

• Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. 12 Auflage. Springer Verlag, Berlin 2002, ISBN 3-540-42849-6. 

[Bearbeiten] Einzelnachweise

1. ↑ Robert J. Widlar: US Patent Number 03320439; Beantragt 26. Mai 1965; Erteilt 16. Mai 1967

[Bearbeiten] Weblinks

• http://wwwex.physik.uni-ulm.de/lehre/physikalischeelektronik/phys_elektr/node110.html