Schaltung mit Bipolartransistoren

Bipolartransistoren verhalten sich, wenn sie nicht gesättigt betrieben werden, ausgangsseitig wie eine Stromquelle, sie sind daher gut für Stromspiegel geeignet.

Ein einfacher Stromspiegel besteht aus zwei Transistoren, wie im Bild rechts dargestellt. Beim Transistor Q₁ sind Kollektor- und Basisanschluss miteinander verbunden. Fließt ein Eingangsstrom I_e durch den Transistor Q₁, stellt sich eine Basis-Emitter-Spannung U_BE ein. Die Basisanschlüsse der beiden Transistoren sind verbunden, sodass an beiden Transistoren die gleiche Spannung U_BE liegt.

Am Transistor Q₁ entsteht eine Basis-Emitter-Spannung, die ausschließlich über die Transistoreigenschaften und die Temperatur mit dem Eingangsstrom verknüpft ist.

Sind die Eigenschaften der Transistoren Q₁ und Q₂ und ihre Temperaturen gleich, so ist auch die Abhängigkeit des Kollektorstroms von der Basis-Emitterspannung gleich und durch Q₂ fließt der gleiche Kollektorstrom wie durch Q₁. Man erhält demnach einen Stromspiegel.

Präzisierung

Die Basis-Emitter-Spannung U_BE ist über den folgenden Zusammenhang mit dem Eingangsstrom I_e, der Temperaturspannung U_T und dem Sperrstrom I_S näherungsweise verknüpft

${\displaystyle I_{e}\approx I_{C1}=I_{S1}\cdot e^{\frac {U_{BE}}{U_{T}}}}$

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

Der Ausgangsstrom I_a durch den Transistor Q₂ hängt von U_BE ab, es gilt ebenfalls:

${\displaystyle I_{a}\approx I_{C2}=I_{S2}\cdot e^{\frac {U_{BE}}{U_{T}}}}$

Stromspiegel werden daher oft aus gleichartigen, auf einem Chip befindlichen Transistoren gebaut. Sie entstehen dann durch den gleichen Fertigungsprozess und haben gleiche Temperatureigenschaften.

Werden die Basisströme berücksichtigt, ergibt sich genaugenommen

${\displaystyle I_{C1}=I_{e}-I_{B1}-I_{B2}}$

Somit ergibt sich beim einfachen Stromspiegel mit Bipolartransistoren ein Fehler, der mit steigendem Stromverstärkungsfaktor sinkt. Ein weiterer Fehler entsteht durch den Early-Effekt, der eine Spannungsabhängigkeit des Ausgangsstromes durch eine Modulation der virtuellen Basisbreite verursacht. Die dazugehörige Kenngröße Earlyspannung weist Exemplarstreuungen auf, sollte für gute Stromkonstanz groß sein und steigt mit der physischen Basisbreite und somit in der Regel mit sinkender Stromverstärkung an. Transistoren mit hoher Stromverstärkung verringern daher zwar den Fehler durch den Basisstrom, liefern aber einen weniger hohen Ausgangswiderstand – der Ausgangsstrom ändert sich stärker mit der Ausgangsspannung.

In integrierten Schaltungen lässt sich durch den Einsatz von Multiemitter-Transistoren eine Vervielfachung oder Reduktion des Stromes erzielen, indem die mehrfachen Emitteranschlüsse parallel geschaltet werden. Wird beispielsweise in obiger Schaltung Q₂ als Multiemitter-Transistor mit drei Emittern ausgeführt, ist der Kollektorstrom von Q₂ um den Faktor 3 größer als der Kollektorstrom von Q₁. Wird hingegen Q₁ als dreifacher Multiemitter-Transistor ausgeführt, reduziert sich der Kollektorstrom von Q₂ auf 1/3.

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, wenn beide Transistoren sich in Sättigung befinden:

${\displaystyle I_{e}=I_{D1}={\frac {k_{n}}{2}}{\frac {W_{1}}{L_{1}}}(U_{GS1}-U_{th})^{2}}$

Für den Ausgangsstrom I_a gilt:

${\displaystyle I_{a}=I_{D2}={\frac {k_{n}}{2}}{\frac {W_{2}}{L_{2}}}(U_{GS2}-U_{th})^{2}}$

(k_n stellt dabei eine baugruppenspezische Größe dar. Im Bild rechts handelt es sich um einen n-Kanal-MOSFET, daher auch k_n). Somit erhält man für das Verhältnis der beiden Ströme:

${\displaystyle {\frac {I_{e}}{I_{a}}}={\frac {{\frac {k_{n}}{2}}{\frac {W_{1}}{L_{1}}}(U_{GS1}-U_{th})^{2}}{{\frac {k_{n}}{2}}{\frac {W_{2}}{L_{2}}}(U_{GS2}-U_{th})^{2}}}=1}$

Nachdem für identische Transistoren auch sämtliche Parameter wie W, L und U_th gleich sind und U_GS durch die Verschaltung gleich ist, kann man diese Größen kürzen und erhält ${\displaystyle {I_{a}}={I_{e}}}$.

Die Spannung U_th ist die Schwellspannung am Gate, ab der der Kanal zu leiten beginnt.

Eine Abweichung von diesem idealen Verhalten ergibt sich aufgrund der Kanallängenmodulation der Transistoren, die hier aber vernachlässigt wurde. Fehler ergeben sich aus der Temperaturabhängigkeit unter anderem von U_th; daher und aufgrund der erforderlichen Gleichheit der Schichtdicken und somit der Bauteilparameter sind solche Stromspiegel vorzugsweise monolithisch (auf einem Chip) aufgebaut.

Nachteil des MOSFET-Stromspiegels gegenüber dem bipolaren Stromspiegel ist die Spannungsabhängigkeit des gesteuerten Ausgangsstromes.