專利名稱：具有小的輸出電流波動的恒流電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種恒流電路，并且具體地說涉及一種恒流電路，其中電流流經(jīng)兩個具有不同發(fā)射極(源極)大小的晶體管，并且基于晶體管的基極(柵極)和發(fā)射極(源極)之間產(chǎn)生的電壓差的恒定電流由此被輸出。
上面那種常規(guī)的恒流電路的一個例子表示在

圖1中。
在圖1所示的恒流電路中，由PNP晶體管Q23和Q24組成的一個電流鏡像電路連接到由電阻R21和NPN晶體管Q21和Q22組成的一個恒流產(chǎn)生單元的輸出端，晶體管Q21和Q22的發(fā)射極大小比率是1n1，并且通過晶體管Q23和Q24以及PNP晶體管Q25得到輸出電流Iout，Q25與Q23和Q24共享公共基極。
在這個電路中，令I(lǐng)ref是流經(jīng)晶體管Q22的發(fā)射極的基準電流，I1是流經(jīng)晶體管Q21的發(fā)射極的電流，以及l(fā)out是流經(jīng)晶體管Q25的集電極的輸出電流。令1∶nl是晶體管Q21和Q22的發(fā)射極大小比率，1∶n2是晶體管Q24和Q25的發(fā)射極大小比率，和R21是串聯(lián)到晶體管Q22的電阻。關(guān)于PNP晶體管的電流增益hFE的影響，從下列等式得到Iref＝(1/R21)·(K·T/q)·1n(n1·I1/Iref)I1＝Iref·hFE/(hFE+2+n2)Iout=Iref·n2·hFE/(hFE+2+n2)其中K表示波爾茲曼常數(shù)，T表示絕對溫度，以及q表示電子的電荷。
由于從上面的等式顯而易見，輸出電流Iout極大地依賴于電流增益。輸出電流Iout也依賴于前電壓VA，如下所示I1＝Iref·(1+VCEQ23/VA)/(1+VCEQ24/VA)＝Iref·(1+VCEQ23/VA)/(1+VBEQ24/VA)Iout＝Iref·n2·(1+VCEQ25/VA)/(1+VBEQ24/VA)圖3和圖4分別是表示輸出電流對hFE和前電壓的相關(guān)特性的圖，兩個圖通過仿真得到。圖3和圖4中的虛線20表示這個電路的輸出特性。
圖2表示這種具有改進的輸出電流的hFE相關(guān)性的另一種常規(guī)恒流電路的結(jié)構(gòu)和其由互導(dǎo)放大器(TCA)電路6構(gòu)成。
在圖2所示的電路結(jié)構(gòu)中，晶體管Q40和Q41通過與晶體管Q31和Q32共享公共基極而被連接。晶體管Q31和Q40的發(fā)射極大小是相同的，這對晶體管Q32和Q41也是如此。電阻R31和R32具有相同的阻值。
晶體管Q40的集電極連接到由TCA電路6組成的差分電路的反向輸入端。晶體管Q11的集電極連接到該差分電路的非反向輸入端。這個差分電路的輸出端連接到晶體管Q32的集電極。
圖2所示的常規(guī)電路的操作在下面說明。
晶體管Q40的集電極電流IC10和晶體管Q41的集電極電流IC11產(chǎn)生與晶體管Q31的集電極電流IC1和晶體管Q32的集電極電流IC2之間的電流差相同量值的差分電流。差分電流通過電阻R33和R34被變換為差分電壓ΔVd。差分電壓接著通過由TCA電路6組成的差分電路被變換為電流，并且提供給晶體管Q32和Q34之間的集電極連接點。
例如，如果PNP晶體管的電流增益hFE減小，則晶體管Q33，Q34和Q39的電流增益變得更小，并且Q33，Q34和Q39的基極電流變大。因此，電流差(IC2-IC1)變大，并且差分電流(IC11-IC10)也變大。因此，TCA輸入電壓ΔVd變大，以及TCA輸出電流(IC6-IC7＝IF8)變大，并且被反饋以減少電流差(IC2-IC1)。
利用這種反饋控制，即使在電流增益hFE減小的情況下，也可以使輸出電流lout的變化很小。
如上所述，在上面的常規(guī)恒流電路中，圖1所示的電路具有這樣的問題，即輸出電流既依賴于電流增益hFE，又依賴于前電壓。另一方面，圖2所示的電路具有問題，即盡管電流增益波動的影響可以變得很小，但輸出電流仍依賴于前電壓。換句話說，在低的前電壓的情況下，當電源電壓變高時，晶體管Q32，Q33，Q40和Q41的集電極-發(fā)射極電壓VCE變高。這導(dǎo)致電流IC1，IC2，IC10和IC11增加。但是，因為Q32和Q33屬于不同的導(dǎo)電性類型，并且因而具有不同的前電壓，電流IC1和IC2以不同的量值增加。
而且，晶體管Q31和Q40的集電極一發(fā)射極電壓VCE是不同的，而且難以得到準確的電流差和電壓差。因此，輸出電流Iout變?yōu)椴▌拥模皂憫?yīng)前電壓或電源電壓波動的變化。
本發(fā)明的一個目的是提供一種恒流電路，它不依賴于電流增益hFE或前電壓。
在本發(fā)明中，通過形成一個位于常規(guī)恒流電流的晶體管之間的差分電路構(gòu)成反饋電路，使由于電流增益hFE或前電壓引起的輸出電流偏差和波動被減小了。
而且，不僅通過使用雙極型晶體管，而且通過使用MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)，輸出電流對電流增益hFE或前電壓的依賴也可以減少。
參照示意本發(fā)明的示例的附圖本發(fā)明的上面的和其它的目的，特點和優(yōu)點，將從下面描述中變得清楚。
圖1是一種常規(guī)恒流電路的電路圖；圖2是另一種常規(guī)恒流電路的電路圖；圖3是通過仿真得到的并且表示輸出電流的hFE依賴的圖；圖4是通過仿真得到的并且表示前電壓依賴的圖；圖5是表示根據(jù)本發(fā)明第一實施例的恒流電路的電路圖；圖6是表示根據(jù)本發(fā)明第二實施例的恒流電路的電路圖。
現(xiàn)在參照圖5，根據(jù)本發(fā)明第一實施例的恒流電路包括差分電路5，它由晶體管Q5，Q6，Q7和Q8以及電阻R5組成。晶體管Q1的集電極和基極共同連接到差分電路5的反向輸入端，晶體管Q2的集電極和基極共同連接到差分電路5的非反向輸入端，并且電阻R1串聯(lián)到晶體管Q2的發(fā)射極。與晶體管Q1，Q2具有相反導(dǎo)電性的晶體管Q3和Q4的基極連接到差分電路5的反向輸出端。
與晶體管Q3和Q4共享基極的晶體管Q9連接到差分電路5的恒流輸出端，并且恒流電流從晶體管Q9的集電極輸出。
在這個實施例中的恒流電路的工作將在下面說明。
圖4中，kef表示晶體管Q2的發(fā)射極中的基準電流，11表示晶體管Q1的發(fā)射極中的電流，并且Iout表示晶體管Q5的集電極中的電流。令1∶nl是晶體管Q1和Q2的發(fā)射極大小比率，以及1∶n2是晶體管Q4和Q5的發(fā)射極大小比率，R1是串聯(lián)到Q2的電阻。下面的等式表示它們之間的關(guān)系Iref＝(1/R1)·(K·T/q)·In(n1·I1/Iref)(K·T/q)·ln{(1+hFE)/hFE·Iref/Is}＝(K·T/q)·ln{(I+hFE)/hFE·I1/Is}＝(K·T/q)·ln{(I+hFE)/hFE·Iout/n2·Is}其中K是波爾茲曼常數(shù)，T是絕對溫度，q是電子的電荷，并且Is是飽和電流。從上面的等式，得到等式I1＝Iref和Iout＝n2·Iref這表示輸出電流Iout不受hFE影響。
關(guān)于前電壓VA，得到下面的等式I1＝Iref·(1+VCEQ3/VA)/(1++VCEQ4/VA)Iout＝Iref·n2·{(1+VCEQ5/VA)/(1+VCEQ4/VA)}但是，由于由晶體管Q4，Q5和Q6組成的反饋電路引起的晶體管Q4的集電極電壓等于晶體管Q3的集電極電壓。因此，VCEQ3＝VCEQ4和I1＝kef。因此，電流I1不受前電壓VA的影響。
而且，與常規(guī)恒流電路相比，輸出電流Iout不受前電壓VA的影響，因為VCEQ4≠VBE。
圖3和圖4分別表示輸出電流關(guān)于hFE和前電壓的相關(guān)特性。兩個圖都是通過仿真得到的。兩個圖中的實線10表示根據(jù)這個實施例的電路特性。
由于實線10和表示圖1所示的常規(guī)電路的輸出特性的虛線20之間的比較是顯而易見的，在這個實施例中的鏡像系數(shù)幾乎不受電流增益hFE影響，因為晶體管Q3，Q4和Q5的基極不短路地共同連接到晶體管Q4的集電極和基極之間。而且，通過提供晶體管Q4的集電極-基極電壓的反饋和晶體管Q3的集電極．基極電壓的反饋，以便均衡差分電路5的反向輸入電壓和它的非反向輸入電壓，晶體管Q3和Q4的鏡像系數(shù)幾乎不受前電壓的影響。因而，得到了由圖3和圖4的實線10表示的好的特性。
在圖5所示的實施例中，恒流輸出端僅連接到與晶體管Q3和Q4共享基極的一個晶體管Q5。但是，多個晶體管可以連接到恒流的輸出端。
如圖6所示，在本發(fā)明的第二實施例中，P型金屬氧化物(MOS)場效應(yīng)晶體管(FET)Q11，Q12，Q15和Q16代替了圖5所示的第一實施例中的恒流電路的晶體管Q1，Q2，Q5和Q6，并且N型MOSFET Q13，Q14，Q17和Q18代替了晶體管Q3，Q4，Q7和Q8。第二實施例的操作與第一實施例的操作相同。
雖然使用特定術(shù)語描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是這些描述僅作為說明目的，并且可以理解在不脫離下面權(quán)利要求書的精神或范圍下可以作出改變和變化。
權(quán)利要求
1.一種恒流電路，利用晶體管的集電極中的等值電流，輸出基于具有不同發(fā)射極大小的晶體管的基極和發(fā)射極之間產(chǎn)生的電壓差的恒定電流；該恒流電路包括工作在公共電源下的一個差分電路；其集電極和基極共同連接到該差分電路的反向輸入端并且其發(fā)射極接地的第一導(dǎo)電性類型的第一雙極型晶體管；其集電極和基極連接到該差分電路的非反向輸入端并且其發(fā)射極通過一個電阻接地的第一導(dǎo)電性類型的第二雙極型晶體管；具有其發(fā)射極連接到公共電源，其集電極連接到第一雙極型晶體管的集電極，和其基極連接到該差分電路的反向輸入出端的具有與上述第一導(dǎo)電性類型相反的第二導(dǎo)電性類型的第三雙極型晶體管；其發(fā)射極連接到公共電源，其集電極連接到第二雙極型晶體管的集電極，和其基極連接到該差分電路的反向輸出端的第二導(dǎo)電性類型的第四雙極型晶體管；至少一個其發(fā)射極連接到公共電源，并且其基極共同連接到第三和第四雙極型晶體管的基極的第二導(dǎo)電性類型的第五雙極型晶體管；其特征在于恒定電流從第五雙極型晶體管的集電極輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的恒流電路，它形成在一個半導(dǎo)體集成電路中。
3.一種恒流電路，利用晶體管的漏極中的等值電流，輸出基于具有不同源極大小的晶體管的源極和漏極之間產(chǎn)生的電壓差的恒定電流；該恒流電路包括工作在公共電源下的一個差分電路；其漏極和柵極共同連接到該差分電路的反向輸入端并且其源極共同接地的第一導(dǎo)電性的第一MOSFET；其漏極和柵極連接到該差分電路的非反向輸入端并且其源極通過一個電阻接地的第一導(dǎo)電性類型的第二MOSFET；具有其源極連接到公共電源，其漏極連接到第一MOSFET的漏極，和其柵極連接到該差分電路的反向輸出端的具有與第一導(dǎo)電性類型相反的第二導(dǎo)電性類型的第三MOSFET；其源極連接到公共電源，其漏極連接到第二MOSFET的漏極，和其柵極連接到該差分電路的反向輸出端的第二導(dǎo)電性類型的第四MOSFET；至少一個其源極連接到公共電源，并且其柵極共同連接到第三和第四MOSFET柵極的第二導(dǎo)電性類型的第五MOSFET；其特征在于恒定電流從第五MOSFET的漏極輸出。
4.如權(quán)利要求3所述的恒流電路，它形成一個半導(dǎo)體集成電路中。
全文摘要
提供一種恒流電路,其輸出電流幾乎不依賴于晶體管的電流增益或提供于其上的前電壓。該恒流電路由形成恒流產(chǎn)生單元的晶體管和電流鏡像電路之間的一個差分電路組成。該差分電路作為一個反饋電路工作并且該電流鏡像電路的鏡像系數(shù)幾乎不受電流增益或前電壓的影響。
文檔編號H03F3/45GK1208276SQ98102740
公開日1999年2月17日 申請日期1998年6月25日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月30日
發(fā)明者北村昌弘 申請人:日本電氣株式會社