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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Frage zu Stromspiegeln


Autor: Armin (Gast)
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Hallo zusammen,

ich habe einmal eine Frage zu Stromspiegeln. Wir diskutieren in meiner 
Ausbildung gerade Vor- und Nachteile von der Verwendung von 
Stromspiegeln.

Bei den Nachteilen tue ich mich ein wenig schwer. Um den Stromspiegel 
möglichst gut hinzubekommen, müssen die Transistoren absolut gleich 
sein. Das gibts natürlich nicht. Das wäre sicher ein Nachteil, aber gib 
es noch mehr Nachteile von Stromspiegeln?

Würde mich freuen, wenn mir der ein oder andere ein paar Anregeungen und 
Denkanstöße geben könnte.


Gruß
Armin

Autor: Greenhorn (Gast)
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vielleicht der endliche Ausgangswiderstand...

Autor: Gerhard (Gast)
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Nachteil von Stromspiegeln in welcher Anwendung?

Autor: ... (Gast)
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Da man Stromspiegel meistens integriert, ist das mit den 
Transistorparametern kein Problem. (Da dicht nebeneinander auf einem 
Wafer liegende Transistoren mit hoher Wahrscheinlichkeit die gleichen 
Paramater haben und im Betrieb die gleiche Temperatur.)

Autor: Armin (Gast)
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Hallo,

eine konkrete Anwendung war oder ist nicht vorgegeben. Die Diskussion 
ist erst einmal allgemein, wobei im Folgenden das Augenmerk auf 
Differenzverstäger gelegt wird, bei welchen dann die Stromspiegel zum 
Einsatz kommen.

Gruß
Armin

Autor: Armin (Gast)
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Hallo zusammen,

ich habe mal noch eine Frage. Bei einem Differenzverstärker mit 2 NPN 
Transistoren kommen zwei Kollektorwiderstände zum Einsatz. Diese beiden 
Widerstände kann man auch durch einen Stromspiegel ersetzen. Was ist der 
Vorteil des Stromspiegels gegenüber den Widerständen?

Kann mir da jemand etwas zu sagen?

Grüße
Armin

Autor: Olaf (Gast)
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> Das gibts natürlich nicht.

Es gibt aber zwei Transistoren in einem Gehaeuse, teilweise sogar
bereits als Stromspiegel geschaltet. Die sind dann genau genug.

Olaf

Autor: yalu (Gast)
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> Bei einem Differenzverstärker mit 2 NPN Transistoren kommen zwei
> Kollektorwiderstände zum Einsatz. Diese beiden Widerstände kann man
> auch durch einen Stromspiegel ersetzen. Was ist der Vorteil des
> Stromspiegels gegenüber den Widerständen?

- Mit dem Stromspiegel erreicht man eine sehr viel höhere Differenz-
  verstärkung.

- Transistoren lassen sich leichter integrieren als Widerstände.

Autor: Armin (Gast)
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Hallo,

>- Mit dem Stromspiegel erreicht man eine sehr viel höhere Differenz-
>  verstärkung.

Warum ist die Differenzverstärkung mit dem Stromspiegel größer als mit 
Widerständen? Weil der Strom in beiden Zweigen genauer ist? Mit genauer 
meine ich, dass die Differenz der Ströme kleiner ist, als wenn man 
Widerstände nimmt.

Gruß
Armin

Autor: Alexander Liebhold (lippi2000)
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Hallo,
hab gleich mal noch ne Frage zum Thema. Ich will einen vorhandenen Strom 
(<= 100µA) verdoppeln/verdreifachen und das möglichst sehr schnell. Das 
Ganze sollte sehr temperaturstabil sein und richtig ordentlich schnell 
(>= 50MHz). Das kann ich doch mit einem Stromspiegel/-Kaskade erreichen 
oder? Ich brauche sicherlich ein Hilfspotential, da es sich um eine 
niederohmige Stromquelle handelt und die Transistoren doch erst ab 0,5V 
loslegen.

(Eine genaue Temperierung wäre auch vorhanden um die Transistoren auf 
gemeinsame Temperatur zu bringen.)

Gruß Alexander

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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>Warum ist die Differenzverstärkung mit dem Stromspiegel größer als mit
>Widerständen? Weil der Strom in beiden Zweigen genauer ist?

Nein.

Wo von haengt die Verstaerkung einer Transistorstufe ab ?

Sie haengt von der Steilheit des Transistor und von seinem 
Kollektorwiderstand ab.

Die Steilheit eines Transistors S berechnet sich mit folgender Formel:

S = IC/UT  (in Siemens)

IC = Der Kollektorstrom im Arbeitspunkt.
UT = Die Temperaturspannung  25mV bei Raumtemperatur.

Damit kann man jetzt die Verstaerkung der Stufe ausrechnen.

V = S * RC.

Beispiel: RC = 6KOhm  , IC = 1mA

Das ergibt eine Steilheit von  1mA / 25mA = 40mS

bei einem RC von 6K ergibt sich eine V = 40mS * 6K = 240 fache 
Verstaerkung.

Man sieht das die Verstaerkung von RC abhaengig ist. Wenn man jetzt den 
RC hochohmiger macht und trotzdem 1mA fliessen laesst bekommt man auch 
eine hoehere Verstaerkung. Wie kann man jetzt 1mA fliessen lassen und 
den RC groesserwerden lassen. Dazu gibt es 2 moeglichkeiten.

Die 1.

Die Betriebsspannung erhoehen. Doppelte Betriebspannung -> doppelter RC 
- > doppelte Verstaerkung.

Die 2.

Mit hilfe einer Stromquelle. Eine Stromquelle hat per definition ja 
einen unendlichen hohen Innenwiderstand. Wenn man jetzt diese 
Stromquelle in den Kollektor schaltet dann fliessen ja weiterhin die 1mA 
aber der Kollektorwiderstand ist ja theoretisch unendlich. Also geht die 
Spannungsverstaerkung auch gegen unendlich. Bei Stromquellen mit realen 
Transistoren ist der Innenwiderstand aber nicht unendlich. Folglich 
strebt die Verstaerkung der Stufe gegen einen Grenzwert. Bei normalen 
Transistoren liegt dieser Kollekorinnenwiderstand in der Groessenordnung 
von einigen 500KOhm.

V= S * (500K || 500K) = 10000 fach

Diese Abhaengigkeit des Kollektorstromes von der Kollektorspannung wird 
auch als Early Spannung oder Early Effekt bezeichnet.

Bei der Berechnung muss man allerdings aufpassen das der innere 
Kollektorwiderstand des Verstaerkertransistors und des 
Stromquellentransistors parallel geschaltet sind.

Das sollte es erklaeren warum der Differenzverstaerker mit Stromspiegel 
(Stromquellen) eine hoehere Verstaerkung besitzt als mit ohmischen 
Widerstaenden.

Gruss Helmi

Autor: yalu (Gast)
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Helmut war mal wieder schneller und hat die richtige Erklärung gegeben.
Ich habe die Sache unabhängig davon von einer etwas anderen Seite
betrachtet und poste meine Erklärungen deswegen ergänzend zu Helmuts:

Die Spannungsverstärkung des Differenzverstärkers ist umso größer, je
größer die Kollektorwiderstände gewählt werden. Mit der Vergrößerung der
Widerstände verliert man aber an Gleichtaktaussteuerbarkeit: Bei zu
großen Widerständen geraten die Transistoren schon bei geringen
(Gleichtakt-)Eingangsspannungen in die Sättigung, selbst dann, wenn die
Differenzspannung 0 ist, da der Strom I0 der Konstantstromquelle an den
Emittern auch durch die Widerstände fließen muss und dort einen hohen
Spannungsabfall verursacht.

Ersetzt man die beiden Widerstände jeweils durch eine Konstantstrom-
quelle mit I0/2, fließt bei Differenzspannung 0 kein Strom "seitlich"
aus dem Differenzverstärker heraus oder in diesen hinein, der Nullpunkt
der Ausgangsspannung kann also durch die externe Beschaltung (bspw.
einen Lastwiderstand gegen die positive Versorgungsspannung) fast
beliebig festgelegt werden. Liegt dieser Nullpunkt oberhalb der maximal
auftretenden Gleichtakteingangsspannung, gehen die Transistoren nicht in
die Sättigung. Da aber der Innenwiderstand der Stromquellen theoretisch
unendlich ist, erreicht man (ebenfalls theoretisch) eine beliebig hohe
Spannungsverstärkung, die nur von der Belastung der Ausgänge begrenzt
wird. In die Sättigung gehen die Transistoren dabei nur dann, wenn die
Differenzspannung an den Eingängen einen gewissen Wert überschreitet.
Dieser Fall tritt aber in der Praxis nicht auf, weil die Differenz-
spannung bei typischen Anwendungen, wo hohe Verstärkungen gefordert sind
(bspw. bei Operationsverstärkern), ausreichend klein ist.

Das Problem bei den beiden kollektorseitigen Konstantstromquellen liegt
darin, dass sie jeweils sehr genau auf I0/2 eingestellt werden müssen.
Benötigt man nur einen der beiden Ausgänge des Differenzverstärkers
(asymmetrischer Betrieb), kann man die beiden Stromquellen durch einen
Stromspiegel ersetzen, der den Strom des nicht als Ausgang benutzten
Kollektors auf die andere Seite spiegelt, so dass bei einer Differenz-
spannung von 0 in beiden Zweigen des Differenzverstärkers automatisch
der gleiche Strom, nämlich I0/2 fließt. Bei der Differenzspannung 0 ist
damit der Ausgangsstrom auch ohne Abgleicharbeiten ebenfalls 0.

Bei Operationsverstärkern wird der Differenzverstärkerausgang aber meist
nicht hoch- sondern niederohmig abgegriffen und damit der Differenz-
verstärker mit Stromspiegel als Differenzspannungs-Strom-Wandler
genutzt. Dadurch erreicht man eine maximale Gleichtaktaussteuerbarkeit.
Der Ausgangsstrom des Differenzverstärkers wird durch nachfolgende
Verstärkerstufen wieder in eine Spannung umgewandelt, wobei die
Gesamtspannungsverstärkung weiter erhöht wird.

Autor: yalu (Gast)
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@Alexander Liebhold:

Am besten fängst du mit deiner Frage einen neuen Thread an. Sonst
ensteht in diesem Thread angesichts der nicht ganz trivialen Themen zu
viel Durcheinander.

Autor: Armin (Gast)
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Hallo,

vielen Dank für die ausführlichen Erklärungen!!!

Eine Sache habe ich dabei aber noch nicht so ganz verstanden und zwar 
das mit der Early-Spannung.

>Diese Abhaengigkeit des Kollektorstromes von der Kollektorspannung wird
>auch als Early Spannung oder Early Effekt bezeichnet.

Wenn man die Kennlinien eines Transistors verlängert, scheiden sie sich 
alle in einem Punkt. Dieses ist dann die Early Spannung, wenn ich das 
richtig verstanden habe. Das mit dem Vorteil der Stromquelle gegenüber 
einem Widerstand wegen des höheren Kollektorwiderstandes ist mir auch 
klar geworden, aber wie das dann widerum mit der Early-Spannung 
zusammenhängt kapier ich noch nicht ganz.

Gruß
Armin

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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Der innere Kollektorwiderstand rce kann man aus der Earlyspannung und 
dem Kollektorstrom berechnen.

rce = UA/IC

UA = Earlyspannung
IC = Kollektorstrom

Die Steilheit berechnet sich ja zu S = IC/UT

Die Verstärkung der Stufe berechnet sich

V = S*(RC || rce)

Beim Grenzübergang RC -> unendlich

V = S*rce

Denn obigen Ausdruck für rce dort eingesetzt

V = UA/UT

Das ist die maximal erreichbare Spannungsverstärkung bei der 
Emitterschaltung.

Bei einer typischen Earlyspannung von 100V bei NPN Transistoren und UT 
von 25mV ergibt sich:

V = 100V / 25mV =  4000 fach


Gruss Helmi

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