Stromquellen

Vergleich von Stromquellen mit einem Transistor und von Stromspiegeln

Stromquellen mit einem Transistor

Funktionsweise

Funktion der einfachen Stromquelle: Mit dem Spannungsteiler R₁ – R₃ wird an der Basis des Transistors eine konstante Spannung angelegt. U₁ minus U_BE gibt dann U₂. Der resultierende Kollektorstrom I_L ist dann

Die Spannung der Basis – Emitterstrecke ist temperaturabhängig. Sie sinkt mit zunehmender Temperatur. Weil U₁ und U₃ gleich bleiben, wird die Spannung U₂ grösser und deshalb auch der Strom.

Temperaturkompensation

Eine einfache Möglichkeit, die Temperaturabhängigkeit zu reduzieren ist, wenn man ein Element einfügt, das das gleiche Temperaturverhalten hat wie die Basis – Emitterstrecke. Dies kann eine Diode sein, oder die Basis – Emitterstrecke eines gleichen Transistors.

Um die Temperaturabhängigkeit zu charakterisieren habe ich mit diesen Stromquellen einen Sägezahngenerator aufgebaut. Das hat den Vorteil, dass der gesamte Ausgangsspannungsbereich abgefahren wird.

Ich habe die 3 Stromquellen in LTspice mit einem Temperatursweep von -25°C bis 85°C simuliert und jeweils den Spitzenwert im Bereich von 100us bis 400us messen lassen. Mit Ctrl+L ruft man den Log der Simulation auf. Ein Rechtsclick auf die Leiste oben bringt den Befehl „Plot step’ed .meas data“ hervor, der die Resultate grafisch darstellt.

Wie man sieht, schwankt die Spitzenspannung der einfachen Stromquelle im Temperaturbereich um fast 2V. Die Diode zeigt in dieser Simulation das beste Verhalten. Die BE Strecke ist etwas schlechter. Dies ist aber Zufall. Sowohl bei der Diode wie auch bei der Basis – Emitterstrecke kommt es auf den Betriebspunkt an.

Stromspiegel

Funktionsweise

Ein einfacher Stromspiegel besteht in der Regel aus zwei Transistoren. Diese sind so miteinander verbunden, dass der Strom durch den einen Transistor direkt den Strom durch den anderen Transistor beeinflusst. Der Basisstrom des ersten Transistors T₁ wird durch den Widerstand R₃ festgelegt. Da beide Transistoren nahezu identisch sind, stellen sich ihre Basis-Emitter-Spannungen gleich ein. Deshalb fliesst im Transistor T₂ annähernd der gleiche Basisstrom wie in T₁. Da auch die Kollektorströme proportional zu den Basisströmen sind, fließt durch den zweiten Transistor ein nahezu identischer Strom wie durch den ersten.

Das funktioniert nur wirklich gut, wenn die Transistoren fast identisch sind. Es gibt (oder gab) deshalb matched pairs für solche Anwendungen. Diese sind aber kaum mehr erhältlich.

In der Simulation ist das Verhalten der Schaltung sehr gut. Das ist auch zu erwarten, da ja die gleichen Transistorparameter gebraucht werden. In Wirklichkeit ist die Schwankung sehr viel grösser.

Temperaturverhalten

Das Temperaturverhalten hängt direkt von der Basis – Emitterspannung ab. Der Referenzstrom ergibt sich, wie aus der obigen Schaltung zu sehen ist aus .

Der simulierte Temperaturkoeffiezient ist etwa gleich wie bei der Stromquelle mit BE Strecke. Er beträgt in der Simulation ca. 2000ppm/°C.

Wie erwähnt hängt das Temperaturverhalten vor allem vom Arbeitspunkt und dem guten Pairing der Transistoren ab. Ausserdem sollten sie natürlich die gleiche Temperatur sehen. Früher wurden die Transistoren zusammengeklebt. Heutzutage sind die SMD Transistoren nahe beieinander auf der gleichen Leiterplatte platziert.

Stromquellen mit Differenzverstärker

Eine Kategorie von Stromquellen benutzt einen Differenzverstärker, um die Spannung über dem Messwiderstand konstant zu halten.

Der Operationsverstärker sorgt dafür, dass die Spannung über dem Messwiderstand U₂ gleich gross ist wie Referenzspannung U_Ref. Dadurch wird der Strom in der Last konstant. Der Operationsverstärker gleicht die Basis-Emitterspannung von T₂ aus. Dadurch wird der Strom nicht mehr durch das Temperaturverhalten der Basis-Emitterstrecke beeinflusst. Die Schaltung hat den Vorteil gegenüber Stromquellen mit Operationsverstärkern, dass der Operationsverstärker nur die Gleichspannung regeln muss. Spannungsänderungen an der Last werden durch den Transistor T₂ abgefangen. Dadurch kann man ganz einfache, günstige Operationsverstärker nehmen und muss nicht mehr auf die Slew Rate oder die Gainbandwith GBW achten.

Man kann den Differenzverstärker auch diskret aufbauen.

Diese vereinfachten Varianten sind empfindlicher auf Temperaturänderungen als die Lösung mit dem Operationsverstärker. Beim einfachen Differenzverstärker ist die Stromverstärkung nicht sehr gross und deshalb der statische Fehler etwas grösser als bei der Schaltung mit Operationsverstärker.

Beim Differenzverstärker mit Stromspiegel ändert die Verteilung der Ströme bei einer Temperaturänderung.

Temperaturverhalten in der Simulation

Wie zu erwarten ist die Schaltung sehr Temperaturstabil.

Messungen

Stromquellen mit einem Transistor und Stromspiegel

In der Messung auf dem Steckbrett war die Schaltung mit der Basis-Emitterstrecke besser als mit der Diode 1N4148. Bei der 1N4148 sank die Spitzensopannung von 3.24V auf 2.85V bei Erwärwärmung mit dem Heissluftföhn. Das heisst, die Diode kompensierte zu stark.

Die Schaltung mit der Basis – Emitterstrecke sank nur ein paar Millivolt.

Diese Messung zeigt, dass die Temperaturkoeffizienten der LTspice Modelle scheinbar auch nicht immer zuverlässig sind.

Der Stromspiegel hängt sehr stark von der Toleranz der beiden Transistoren ab. Verlässliche Zahlen sind im Internet nicht zu finden und wie oben erklärt lässt sich der Stromspiegel schlecht (oder nur sehr aufwendig) simulieren.

Bei der Messung des Stromspiegels sank die Spitzenspannung des Sägezahns von 3.42 auf 2.93V.

Die Stromquelle mit einem Transistor ist etwas einfacher zu beherrschen, vor allem was die Toleranzen betrifft. Allerdings braucht sie etwas mehr Spannung um die Toleranzen kleiner zu halten. Dies muss von Fall zu Fall berücksichtigt werden.

Stromquellen mit Differenzverstärkern

Hier sind die Messungen nicht eindeutig genug. Sie müssen in einem Temperaturschrank durchgeführt werden.

Mit dem Heissluftföhn konnte vor allem der Temperaturkoeffizient des Kondensators gemessen werden.