DE102012112196A1 - Method for controlling or regulating an energy requirement and / or a performance of an electronic circuit - Google Patents

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Prof. Ellinger Frank
Ronny Henker
Ralf Eickhoff
Ralf Rieske
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
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    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/565—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor

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Abstract

Der Erfindung, welche ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung eines Energiebedarfs und/oder einer Leistungsfähigkeit einer elektronischen Schaltung betrifft, liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit welchem der Energiebedarf von elektronischen Schaltungen, Komponenten und Systemen insbesondere der Kommunikationstechnik reduziert wird. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, eine Steuerung oder Regelung des Versorgungsstroms Iss der elektronischen Schaltung mittels einer steuer- oder regelbaren Stromquelle und eine Kompensation einer durch eine Änderung des Versorgungsstroms Iss bedingten Verschiebung des Ausgangspotenzials der Schaltung erfolgt.The invention, which relates to a method for controlling or regulating an energy requirement and / or a performance of an electronic circuit, is based on the object of specifying a method with which the energy requirement of electronic circuits, components and systems, in particular communication technology, is reduced. This object is achieved by controlling or regulating the supply current Iss of the electronic circuit by means of a controllable or regulatable current source and compensating for a shift in the output potential of the circuit caused by a change in the supply current Iss.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung eines Energiebedarfs und/oder einer Leistungsfähigkeit einer elektronischen Schaltung, bei welchem in Abhängigkeit eines vorgegebenen Energiebedarfs oder einer vorgegebenen Leistungsfähigkeit die elektronische Schaltung gesteuert oder geregelt wird. The invention relates to a method for controlling or regulating an energy requirement and / or a performance of an electronic circuit, in which the electronic circuit is controlled or regulated as a function of a predetermined energy requirement or a predetermined performance.

Diese Steuerung oder Regelung einer elektronischen Schaltung mittels eines aktuell vorgegebenen Energiebedarfs oder einer aktuell vorgegebenen bzw. notwendigen Leistungsfähigkeit wird nachfolgend als Energie- und Leistungsfähigkeitsadaptivität bezeichnet. This control or regulation of an electronic circuit by means of a currently prescribed energy requirement or a current predetermined or necessary performance is referred to below as energy and performance adaptivity.

Als Energiebedarf einer elektronischen Schaltung wird der Bedarf oder Verbrauch an elektrischer Leistung P bzw. elektrischer Energie E bezeichnet. The demand or consumption of electrical power P or electrical energy E is referred to as the energy requirement of an electronic circuit.

Der Begriff Leistungsfähigkeit einer elektronischen Schaltung umfasst deren spezifische Kenngrößen bzw. Betriebseigenschaften wie beispielsweise die Parameter Datenübertragungsgeschwindigkeit, Bitfehlerrate, Bandbreite, Taktfrequenz, Verstärkung oder Rauschen. The term performance of an electronic circuit includes its specific characteristics or operating characteristics such as the parameters data rate, bit error rate, bandwidth, clock frequency, gain or noise.

Heutzutage ist der Energieverbrauch elektrischer Systeme enorm. Einen großen Teil nehmen dabei Kommunikationssysteme ein. Es werden enorme Mengen an Daten über sowohl kurze Strecken, beispielsweise zwischen Rechen- und Datenzentren oder in öffentlichen Einrichtungen als auch über längere oder lange Strecken, beispielsweise in sogenannte Weitverkehrsübertragungsnetze, durch drahtgebundene und drahtlose sowie elektrische und optische Kommunikationsverbindungen übertragen. Today, the energy consumption of electrical systems is enormous. A large part of this involves communication systems. Enormous amounts of data are transmitted over both short distances, for example between computing and data centers or in public facilities, as well as over long or long distances, for example in so-called long haul transmission networks, through wired and wireless as well as electrical and optical communication links.

Der kontinuierlich steigende Bedarf an verfügbaren Bandbreiten in Übertragungssystemen, zu übertragenden Datenmengen und immer höhere Datenübertragungsgeschwindigkeiten bedingen einen stetigen Anstieg der Anzahl der Verbindungen und damit einen stetig steigenden Energiebedarf. The continuously increasing demand for available bandwidths in transmission systems, data volumes to be transmitted and ever higher data transmission speeds require a steady increase in the number of connections and thus a constantly increasing energy requirement.

Damit wird für die Übertragung von Daten heutzutage bereits das 200-fache an Energie als für deren Verarbeitung benötigt, wie in DARPA/IPTO study, by Peter Kogge, et. Al.: http://www.nd.edu/~kogge/reports.html, Alan Benner (IBM), Key note at IEEE Winter Topical Meeting Mallorca (2010)] aufgezeigt wird. This means that 200 times more energy is needed to transmit data than is needed to process it, as in DARPA / IPTO study, by Peter Kogge, et. Al .: http://www.nd.edu/~kogge/reports.html, Alan Benner (IBM), Key note at IEEE Winter Topical Meeting Mallorca (2010)] is shown.

Um beispielsweise in Kommunikationssystemen die bei einer Datenübertragung maximal auftretende Datenlast zu gewährleisten, werden die Datenverbindungen meistens bei ihrer maximalen Leistungsfähigkeit, d. h. mit der maximalen Datenrate bzw. Bandbreite sowie mit den maximalen Ausgangsleistungen oder Verstärkungen, betrieben. Damit verbrauchen die Systemkomponenten auch eine hohe Versorgungsleistung. In realen Netzen wird die maximale Bandbreite aber nur zu bestimmen Zeitpunkten bzw. für eine bestimmte Zeitdauer benötigt und variiert in der Regel. Im Tagesverlauf beispielsweise steigt die Datenlast am Morgen langsam an, erreicht am Nachmittag ihren Höhepunkt, fällt zum Abend wieder ab, bis es in der Nacht das Minimum erreicht. For example, in order to ensure the maximum data load occurring in a data transmission in communication systems, the data connections are usually at their maximum performance, ie. H. operated at the maximum data rate or bandwidth and with the maximum output power or gains. Thus, the system components also consume a high supply power. In real networks, however, the maximum bandwidth is only needed at certain times or for a specific period of time and usually varies. Over the course of the day, for example, the data load rises slowly in the morning, peaking in the afternoon, then falling off again in the evening until it reaches its minimum at night.

Durch Anpassung der Leistungsfähigkeit der Übertragung an den aktuellen Datenratenbedarf kann der Energieverbrauch variiert und schließlich signifikant gesenkt werden, womit sich ebenfalls die damit verbundenen Kosten verringern lassen. By adapting the power of the transmission to the current data rate requirement, the power consumption can be varied and ultimately significantly reduced, which also reduces the associated costs.

Die Implementierung einer Leistungsfähigkeits- und Energieadaptivität kann auf verschiedene Art und Weise realisiert werden. Die einfachste Variante ist das bedarfsmäßige Zu- und Abschalten von Komponenten bzw. kompletten parallelen Verbindungen. The implementation of performance and energy adaptivity can be realized in a variety of ways. The simplest variant is the demand-related connection and disconnection of components or complete parallel connections.

Im Stand der Technik wird die Leistungsfähigkeits- und Energieadaptivität in der Kommunikationstechnik bisher überwiegend und sehr ausführlich im Mikroprozessorbereich sowie bei elektrischen Verbindungen untersucht und umgesetzt. Eine Verringerung des Energiebedarfs von Mikroprozessoren bei geringer werdenden Rechengeschwindigkeiten kann durch eine Skalierung deren Versorgungsspannung (Stichwort: Dynamic Voltage Scaling) erreicht werden. Beispiele hierfür sind aus Q. Wu, P. Juang, M. Martonosi, L. -S. Peh, D. W. Clark, “Formal control techniques for power-performance management,” IEEE Micro., vol. 25, no. 5, pp. 52–62, 2005 , T. D. Burd and R. W. Brodersen, ”Design issues for dynamic voltage scaling,” In Proceedings of the 2000 international symposium on Low power electronics and design (ISLPED ‘00). ACM, New York, NY, USA, 2000 oder Gang Qu, “What is the limit of energy saving by dynamic voltage scaling,” International Conference on Computer Aided Design (ICCAD 2001), 2001 bekannt. In the prior art, the performance and energy adaptivity in communication technology has been studied and implemented so far predominantly and very extensively in the microprocessor field and in electrical connections. A reduction of the energy requirement of microprocessors with decreasing computing speeds can be achieved by scaling their supply voltage (keyword: Dynamic Voltage Scaling). Examples are out Q. Wu, P. Juang, M. Martonosi, L. -S. Peh, DW Clark, "Formal control techniques for power-performance management," IEEE Micro., Vol. 25, no. 5, pp. 52-62, 2005 . TD Burd and RW Brodersen, "Design issues for dynamic voltage scaling," In Proceedings of the 2000 International Symposium on Low Power Electronics and Design (ISLPED '00). ACM, New York, NY, USA, 2000 or Gang Qu, "What is the Limit of Energy Saving by Dynamic Voltage Scaling," International Conference on Computer Aided Design (ICCAD 2001), 2001 known.

Aufgrund der begrenzten Ladekapazität von Batterien bzw. Akkumulatoren ist eine Energieadaptivität vor allem auch bei mobilen Anwendungen bekannt und von großer Bedeutung. Beispiele hierfür finden sich in F. Haßler, F. Ellinger and J. Carls, ‘Analysis of buck-converters for efficiency enhancements in power amplifiers for wireless communication’, SBMO/IEEE MTT-S International Microwave and Optoelectronics Conference, 2007. IMOC 2007., pp. 616–620, 2007 oder R. Wolf, F. Ellinger and R. Eickhoff, ‘On the Maximum Efficiency of Power Amplifiers in OFDM Broadcast Systems with Envelope Following’, The 2nd International ICST Conference on Mobile Lightweight Wireless Systems (MobiLight), Barcelona, 2010 . Due to the limited charge capacity of batteries or accumulators, energy adaptivity is also known and is of great importance, above all in mobile applications. Examples of this can be found in F. Haßler, F. Ellinger and J. Carls, "Analysis of buck-converters for efficiency enhancements in power amplifiers for wireless communication", SBMO / IEEE MTT-S International Microwave and Optoelectronics Conference, 2007. IMOC 2007., pp. 616-620, 2007 or R. Wolf, F. Ellinger and R. Eickhoff, 'On the Maximum Efficiency of Power Amplifiers in OFDM Broadcast Systems with Envelope Following', The 2nd International ICST Conference on Mobile Lightweight Wireless Systems (MobiLight), Barcelona, 2010 ,

Beispielsweise beim GSM Standard wird bei einem Verbindungsaufbau zunächst mit der höchsten Sendeleistung abgestrahlt und diese im Laufe der Verbindung entsprechend den Übertragungsbedingungen, wie Distanz zwischen Sender und Empfänger, Bitfehlerrate, Übertragungsdämpfung etc. und der Empfangsqualität angepasst und heruntergeregelt (3GPP TS 45.-series specifications). Diese geschieht in der Regel durch spannungsgesteuerte Leistungsverstärker mit variabler Verstärkung. For example, the GSM standard is initially radiated with a connection at the highest transmission power and this adjusted and down-regulated in the course of the connection according to the transmission conditions, such as distance between transmitter and receiver, bit error rate, transmission loss, etc. and the reception quality (3GPP TS 45.-series specifications ). This is usually done by voltage controlled power amplifiers with variable gain.

Für drahtgebundene elektrische Verbindungen existieren ebenfalls Lösungen zur Energieadaptivität. Durch die IEEE802.3az Energy-Efficient Ethernet Gruppe wurde beispielsweise ein Übertragungsprotokoll eingeführt, mit welchem einzelne Verbindungen zeitweise in einen Leerlaufbetrieb mit verringerter Versorgungsleistung geschalten werden können, wie in M. Bennett, “Energy Efficient Ethernet. Overview.” ITU-T SG15. Geneva, Switzerland. February 15, 2008, Lawrence Berkeley National Laboratory, http://www.itu.int/dms_pub/itu-t/oth/09/05/T09050000010005PDFE.pdf dargestellt ist. For wired electrical connections there are also solutions for energy adaptivity. By the IEEE802.3az For example, the Energy-Efficient Ethernet group introduced a transmission protocol that allows individual connections to be temporarily switched to idle mode with reduced power, as in M. Bennett, "Energy Efficient Ethernet. Overview. "ITU-T SG15. Geneva, Switzerland. February 15, 2008, Lawrence Berkeley National Laboratory, http://www.itu.int/dms_pub/itu-t/oth/09/05/T09050000010005PDFE.pdf is shown.

Darüber hinaus ist für elektrische Verbindungen per Simulation die Anwendbarkeit von Dynamic Voltage Scaling gezeigt worden. Siehe Li Shang; Li-Shiuan Peh; Jha, N. K.;, "Dynamic voltage scaling with links for power optimization of interconnection networks," High-Performance Computer Architecture, 2003. HPCA-9 2003. Proceedings. The Ninth International Symposium on, vol., no., pp. 91–102, 8–12 Feb. 2003 . In addition, the applicability of Dynamic Voltage Scaling has been demonstrated for electrical connections by simulation. Please refer Li Shang; Li-Shiuan Peh; Jha, NK; "Dynamic voltage scaling with links for power optimization interconnection networks," High-Performance Computer Architecture, 2003. HPCA-9 2003. Proceedings. The Ninth International Symposium on, vol., No., Pp. 91-102, 8-12 Feb. 2003 ,

Bei elektrischen Verbindungen zwischen Prozessoren und Speicherbauelementen wurden bereits Möglichkeiten zum vollständigen Ein- und Ausschalten in B. Leibowitz et al. “A 4A 4.3 GB/s Mobile Memory Interface With Power-Efficient Bandwidth Scaling”, IEEE Journal on Solid-State Circuits, vol. 45, no. 4, April 2010 und J. Zerbe et al., “A 5.6Gb/s 2.4mW/Gb/s Bidirectional Link With 8ns Power-On”, in IEEE IVLSI Symposium, Kyoto, 2011 demonstriert. In electrical connections between processors and memory devices have already been ways to fully turn on and off in B. Leibowitz et al. "A 4A 4.3Gb / s Mobile Memory Interface With Power-Efficient Bandwidth Scaling", IEEE Journal on Solid-State Circuits, vol. 45, no. 4, April 2010 and J. Zerbe et al., "A 5.6Gb / s 2.4mW / Gbps Bidirectional Link With 8ns Power-On," at IEEE IVLSI Symposium, Kyoto, 2011 demonstrated.

Zur Adaptivität bei optischen Verbindungen gibt es zwar bereits einige Studien, zum einen ist eine solche Leistungsfähihkeits- und Energieadaptivität jedoch praktisch noch nicht im Einsatz und zum anderen unterscheiden sich diese Ansätze maßgeblich von dem hier beschriebenen Verfahren. Zum großen Teil existieren Systemansätze, um die Leistungsfähigkeit und den Energieverbrauch einer optischen Verbindung zu steuern, wie aus Kodi, A. K.; Louri, A., "Energy-Efficient and Bandwidth-Reconfigurable Photonic Networks for High-Performance Computing (HPC) Systems," Selected Topics in Quantum Electronics, IEEE Journal of, vol. 17, no. 2, pp. 384–395, March-April 2011 und Avinash Karanth Kodi; Louri, A.;, "Power-Aware Bandwidth-Reconfigurable Optical Interconnects for High-Performance Computing (HPC) Systems," Parallel and Distributed Processing Symposium, 2007. IPDPS 2007. IEEE International, vol., no., pp. 1–10, 26–30 March 2007 bekannt ist. Although there are already some studies on the adaptivity of optical connections, on the one hand such performance and energy adaptivity is practically not yet in use and on the other hand these approaches are significantly different from the method described here. For the most part, systems approaches exist to control the performance and power consumption of an optical link, such as Kodi, AK; Louri, A., "Energy Efficient and Bandwidth-Reconfigurable Photonic Networks for High-Performance Computing (HPC) Systems," Selected Topics in Quantum Electronics, IEEE Journal of, vol. 17, no. 2, pp. 384-395, March-April 2011 and Avinash Karanth Kodi; Louri, A .; Power-Aware Bandwidth-Reconfigurable Optical Interconnects for High-Performance Computing (HPC) Systems, Parallel and Distributed Processing Symposium, 2007. IPDPS 2007. IEEE International, vol., No., Pp. 1-10, 26-30 March 2007 is known.

Hierbei werden intelligente Algorithmen und Architekturen auf Systemebene vorgestellt, die zu einer Rekonfiguration und Anpassung von Bandbreite und Energieverbrauch für die individuellen Kanäle in einem optischen Netz führen. In F. Idzikowskiet al. “Saving energy in IP-over-WDM networks by switching off line cards in low-demand scenarios,” 14th Conference on Optical Network Design and Modeling (ONDM), Feb. 2010 wird beispielsweise beschrieben, wie in Langstreckennetzen durch das Ein-/Ausschalten von Verbindungen und durch Umleitung der Daten über andere Verbindungen Energie gespart werden kann. Eine Umsetzung auf Komponenten- und Schaltungsebene wird dabei allerdings nicht betrachtet. It introduces intelligent system-level algorithms and architectures that reconfigure and adjust bandwidth and power consumption for the individual channels in an optical network. In F. Idzikowski et al. "Saving energy in IP-over-WDM networks in low-demand scenarios," 14th Conference on Optical Network Design and Modeling (ONDM), Feb. 2010 For example, it is described how energy can be saved in long haul networks by switching on / off connections and by redirecting the data over other connections. However, an implementation on component and circuit level is not considered.

Auf Komponentenebene von optischen Übertragungssystemen gibt es nur wenige Arbeiten. In J. Hu, D. Qian, and T. Wang, "Energy Efficient OFDM Transceiver based on Traffic Tracking and Adaptive Bandwidth Adjustment," in 37th European Conference and Exposition on Optical Communications, OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2011), paper We.10.P1.53 werden Strategien zur Energieeinsparung im Digitalteil eines OFDM-basierten optischen Transceivers vorgestellt. Dabei wird lediglich die Bandbreite des OFDM Signals und damit die Abtastrate für den Digitalteil eingestellt, die Betriebsparameter der analogen Schaltungsteile bleiben jedoch unverändert. At the component level of optical transmission systems, there are only a few works. In J. Hu, D. Qian, and T. Wang, "Energy Efficient OFDM Transceiver based on Traffic Tracking and Adaptive Bandwidth Adjustment," in the 37th European Conference and Exposure on Optical Communications, OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 1990). 2011), paper We.10.P1.53 Energy saving strategies are presented in the digital part of an OFDM-based optical transceiver. Only the bandwidth of the OFDM signal and thus the sampling rate for the digital part is set, but the operating parameters of the analog circuit parts remain unchanged.

Es gibt zwar weitere Arbeiten und Patente, welche auf die Adaptivität von optischen Verbindungen abzielen, allerdings dienen diese nicht der Senkung des Energieverbrauchs, sondern vielmehr der Optimierung hinsichtlich der Übertragungseigenschaften. Ausführungen hierzu bezüglich des Parameters Bitfehlerrate sind aus Chih-Kang Chien; Hsieh-Hung Hsieh; Huan-Sheng Chen; Liang-Hung Lu, "A Transimpedance Amplifier With a Tunable Bandwidth in 0.18-CMOS," Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol. 58, no. 3, pp. 498–505, March 2010 und Huei-Yan Hwang; Jun-Chau Chien; Tai-Yuan Chen; Liang-Hung Lu, "A CMOS Tunable Transimpedance Amplifier," Microwave and Wireless Components Letters, IEEE, vol. 16, no. 12, pp. 693–695, Dec. 2006 bekannt. Bezüglich des Parameters „Signalintegrität“ ist die G. Giaretta (Finisar), “Dynamically adaptive optical transceiver,” US patent 7684710 , 2010 und bezüglich der „Flexibilität“ also While there are other papers and patents aimed at the adaptivity of optical links, these are not intended to reduce power consumption, but rather to optimize transmission characteristics. Comments regarding the parameter bit error rate are off Chih-Kang Chien; Hsieh-Hung Hsieh; Huan-Sheng Chen; Liang-Hung Lu, "A Transimpedance Amplifier With a Tunable Bandwidth in 0.18 CMOS," Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol. 58, no. 3, pp. 498-505, March 2010 and Huei-Yan Hwang; Jun Chau Chien; Tai-Yuan Chen; Liang-Hung Lu, "A CMOS Tunable Transimpedance Amplifier," Microwave and Wireless Components Letters, IEEE, vol. 16, no. 12, pp. 693-695, Dec. 2006 known. Regarding the parameter "Signal Integrity" is the G. Giaretta (Finisar), "Dynamically adaptive optical transceiver," US patent 7684710 , 2010 and in terms of "flexibility" so

unterschiedlicher Datenraten einer Verbindung die Ewen et al. (IBM), “Switchable-bandwidth optical receiver,“ US patent 6862322 , 2005 und die Killmeyer et al. (Vitesse Semiconductor Corporation) “Variable bandwidth transimpedance amplifier with one-wire interface,“ US patent 7,657,191 , 2010 aus dem Stand der Technik bekannt. different data rates of a compound the Ewen et al. (IBM), "Switchable-bandwidth optical receiver," US patent 6862322 , 2005 and Killmeyer et al. (Vitesse Semiconductor Corporation) "Variable bandwidth transimpedance amplifier with one-wire interface," US Patent 7,657,191 , 2010 known from the prior art.

Lediglich in X. Chen and L.-Shiuan. Peh, “Exploring the design space of power-aware opto-electronic network systems,” In Proc. Of the 11th International Symposium on High-Performance Computer Architecture (HPCA-11), pp. 120–131, 2005 und Xuning Chen; Gu-Yeon Wei; Li-Shiuan Peh;, "Design of low-power short-distance opto-electronic transceiver front-ends with scalable supply voltages and frequencies," ACM/IEEE International Symposium on Low Power Electronics and Design pp. 277–282, Aug. 2008 wird das Entwicklungspotential von energie- und frequenzadaptiven Transceiverkomponenten zur optischen Datenübertragung mittels einer Steuerung der Versorgungsspannung untersucht und umgesetzt. Only in X. Chen and L. Shiuan. Peh, "Exploring the design space of power-aware opto-electronic network systems," In Proc. Of the 11th International Symposium on High-Performance Computer Architecture (HPCA-11), pp. 120-131, 2005 and Xuning Chen; Gu-Yeon Wei; Li-Shiuan Peh, "Design of low-power short-distance opto-electronic transceiver front-ends with scalable supply voltage and frequencies," ACM / IEEE International Symposium on Low Power Electronics and Design pp. 277-282, Aug. 2008 The development potential of energy- and frequency-adaptive transceiver components for optical data transmission is examined and implemented by means of a control of the supply voltage.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die aus dem Stand der Technik bekannten, oben beschriebenen Methoden zur Adaptivität in Kommunikationssystemen entweder nur auf Systemebene implementiert worden sind oder andere Ziele als die Senkung des Energieverbrauchs verfolgen, wie beispielsweise die Optimierung von Übertragungseigenschaften oder eine höhere Flexibilität in der Anwendung. In summary, it can be stated that the methods for adaptivity in communication systems known from the prior art described above have either been implemented only at the system level or pursue objectives other than the reduction of energy consumption, such as the optimization of transmission characteristics or a higher flexibility in the communication system Application.

Leistungsfähigkeits- und Energieadaptivität auf Komponentenebene zur Verringerung des Energieverbrauchs wurde bisher nur rudimentär und bei elektrischen Verbindungen implementiert. Energieadaptivität bei optischen Verbindungen wurde bisher nur auf Systemebene untersucht. Es existieren aber noch keine praktischen Realisierungen, weder auf System- noch auf Komponentenebene. At the component level, performance and energy adaptivity to reduce energy consumption has been rudimentary and has been implemented in electrical connections. Energy adaptivity in optical compounds has only been studied at system level. However, there are no practical implementations yet, either at the system level or at the component level.

Weiterhin wurde die Anpassung der Leistungsfähigkeit der einzelnen Komponenten dabei ausschließlich über eine Variation der Versorgungsspannung realisiert. Furthermore, the adaptation of the performance of the individual components was realized exclusively via a variation of the supply voltage.

Der Nachteil dieser Realisierung besteht zum einen darin, dass eine Spannungseinstellung einen geringen Regelbereich besitzt und dass damit ein nur geringer Effekt bei der Einsparung an Versorgungsleistung bewirkt wird. The disadvantage of this realization on the one hand is that a voltage setting has a small control range and that thus only a small effect in the saving of supply power is effected.

Zum anderen ist die Realisierung einer Spannungssteuerung aufwendig. In der Regel werden dazu DC/DC Konverter verwendet, welche eine niedrige Effizienz besitzen und daher einen geringen Beitrag zur Energieeinsparung leisten. On the other hand, the realization of a voltage control is expensive. As a rule, DC / DC converters are used which have a low efficiency and therefore make a small contribution to saving energy.

Des Weiteren wurden bisher keine Verfahren vorgestellt, wie eine mit der Veränderung der Versorgungsspannung einhergehende Änderung der Verstärkung der Schaltungen kompensiert werden kann. Dies ist ein wesentlicher Nachteil aller bisherigen Methoden zur Adaptiviät, da die meisten Anwendungen konstante Potentiale unabhängig von variablen Versorgungsspannungen und -strömen benötigen. Furthermore, no methods have been presented so far, as a change in the supply voltage associated with the change in the circuit gain can be compensated. This is a major disadvantage of all previous methods of adaptivity, since most applications require constant potentials independent of variable supply voltages and currents.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur adaptiven Energie- und Leistungsfähigkeitssteuerung von elektronischen Schaltungen anzugeben, mit welchem der Energiebedarf von elektronischen Schaltungen, Komponenten und Systemen insbesondere der Kommunikationstechnik reduziert wird. The invention is thus based on the object of specifying a method for the adaptive energy and performance control of electronic circuits, with which the energy requirement of electronic circuits, components and systems, in particular the communication technology, is reduced.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einem Verfahren zur adaptiven Energie- und Leistungsfähigkeitssteuerung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine Einstellung eines variablen Versorgungsstroms Iss der elektronischen Schaltung erfolgt. Gleichzeitig wird eine Kompensation einer durch eine Änderung des Versorgungsstroms Iss bedingten Verschiebung des Ausgangspotenzials der Schaltung vorgenommen. According to the invention, the object is achieved in a method for adaptive energy and efficiency control of the type mentioned in that an adjustment of a variable supply current I ss of the electronic circuit is performed. At the same time, a compensation of a shift in the output potential of the circuit caused by a change in the supply current I ss is compensated.

Die vorliegende Beschreibung stellt Methoden vor, welche darauf abzielen, den Energiebedarf durch die Implementierung von Adaptivität auf Komponenten-, Schaltungs- und Transistorebene in elektronischen Systemen allgemein, insbesondere in Kommunikationssystemen, drastisch zu verringern. Dabei wird die Leistungsfähigkeit eines elektronischen Systems kontinuierlich an deren tatsächlichen aktuellen Leistungsfähigkeits- oder Energiebedarf angepasst und somit auch ein bedarfsgerechter Energieverbrauch der Systeme erzielt. The present description presents methods that aim to drastically reduce energy requirements by implementing component, circuit and transistor level adaptability in electronic systems generally, particularly in communication systems. The performance of an electronic system is continuously adapted to their actual current performance or energy requirements, thus achieving a demand-oriented energy consumption of the systems.

Eine Steuerung des Versorgungsstromes besitzt, gegenüber der im Stand der Technik üblichen Steuerung der Versorgungsspannung, einen großen Regelbereich und kann einfach über variable Stromquellen, wie sie bereits in den meisten differentiellen Schaltungen verwendet werden, realisiert werden. A control of the supply current has, over the usual in the prior art control of the supply voltage, a large control range and can be easily realized via variable current sources, as they are already used in most differential circuits.

In diesem Patent wird ein Verfahren vorgestellt, wie der Arbeitspunkt der Schaltungen durch den Versorgungsstrom Iss adaptiv angepasst und die Verstärkung A bzw. das Ausgangspotenzial der Schaltungen gleichzeitig konstant gehalten werden können. In this patent, a method is presented how the operating point of the circuits can be adapted adaptively by the supply current I ss and the gain A or the output potential of the circuits can be kept constant at the same time.

Ist beispielsweise die Datenrate eines Kommunikationssystems, wie beispielsweise einem optisch oder elektrisch arbeitenden Datenübertragungssystem, gering, wird nur eine geringe Systembandbreite BB benötigt. Hierzu kann der Versorgungsstrom Iss entsprechend dem vorgeschlagenen Verfahren heruntergeregelt werden. Damit verringert sich gleichzeitig der Energieverbrauch der Schaltung. Ein steuerbarer Versorgungsstrom Iss kann beispielsweise durch variable steuerbare Stromquellen realisiert werden. If, for example, the data rate of a communication system, such as an optically or electrically operating data transmission system, is low, only a small system bandwidth BB is required. For this purpose, the supply current I ss can be regulated down according to the proposed method. This reduces at the same time the energy consumption of the circuit. A controllable supply current I ss can be realized for example by variable controllable current sources.

Mit Verringerung des Stromes Iss kann es unter Umständen zu Veränderungen der Verstärkungscharakteristik der Schaltungsanordnung kommen, beispielsweise zu einer Verringerung der Verstärkung A bei Verringerung des Stromes Iss. With a reduction of the current I ss , under certain circumstances, the amplification characteristic of the circuit arrangement may change, for example, to a reduction in the amplification A when the current I ss is reduced.

Für die meisten Schaltungen wie beispielsweise Laserdiodentreiber werden aber konstante Ausgangspotenziale bei verschiedenen Versorgungsströmen benötigt. Eine Änderung des Ausgangspotenzials kann durch steuerbare variable Widerstände kompensiert werden. Diese neuen Konzepte sind universell bzw. ähnlich bei allen integrierten Schaltungen eines elektronischen Systems insbesondere bei Übertragungssystemen und in allen Halbleitertechnologien anwendbar, was insgesamt zu einer Energieadaptivität bzw. zu einer signifikanten Verringerung des Energiebedarfs der Einzelkomponenten und des gesamten Systems führt. Anwendbare Komponenten der Kommunikationstechnik sind beispielsweise Multiplexer/Demultiplexer, Frequenzteiler, Oszillatoren, Retimer-Schaltungen, Lasertreiber, Clock- and Data-Recovery, Spannungs-, Leistungs-, Begrenzungs- und Transimpedanzverstärker, digitale Schaltungen wie beispielsweise Latches oder Logikgatter und andere. However, for most circuits, such as laser diode drivers, constant output potentials are needed at different supply currents. A change in the output potential can be compensated by controllable variable resistances. These new concepts are universally or similarly applicable to all integrated circuits of an electronic system, in particular in transmission systems and in all semiconductor technologies, resulting in an overall energy adaptivity or a significant reduction in the energy requirements of the individual components and the entire system. Applicable components of communications technology include multiplexer / demultiplexer, frequency divider, oscillators, retimer circuits, laser drivers, clock and data recovery, voltage, power, limiting and transimpedance amplifiers, digital circuits such as latches or logic gates, and others.

In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kompensation einer durch eine Änderung des Versorgungsstroms bedingten Verschiebung des Ausgangspotenzials mittels steuer- oder regelbarer Widerstände erfolgt. In a first embodiment of the invention it is provided that the compensation of a caused by a change in the supply current displacement of the output potential by means of controllable or controllable resistors.

Allgemein kann ein ohmscher Widerstand oder ein als Widerstand wirkender veränderlicher Halbleiter genutzt werden, um die Verschiebung der Ausgangsspannung zu kompensieren. Dabei ist es möglich, das der Widerstand oder Halbleiter mittels einer übergeordneten Steuerung gesteuert wird. Ebenso kann der Widerstand oder Halbleiter teil eines Regelkreises sein und geregelt werden. In general, an ohmic resistor or a variable-resistance semiconductor may be used to compensate for the shift in the output voltage. It is possible that the resistor or semiconductor is controlled by means of a higher-level control. Likewise, the resistor or semiconductor can be part of a control loop and regulated.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kompensation einer durch eine Änderung des Versorgungsstroms bedingten Verschiebung des Ausgangspotenzials mittels steuerbarer Rückkoppelwiderstände innerhalb der elektronischen Schaltung erfolgt. In one embodiment of the invention it is provided that the compensation of a caused by a change in the supply current displacement of the output potential by means of controllable feedback resistors within the electronic circuit.

Durch eine Veränderung des Stromes Iss kann es zu einer unerwünschten Verschiebung des Ausgangspotenzials der gesteuerten Schaltung kommen. Erfindungsgemäß wird diese Ausgangspotenzialverschiebung durch eine geeignete Veränderung der Werte der in der Schaltung angeordneten Rückkoppelwiderstände erreicht. A change in the current I ss can lead to an undesired shift in the output potential of the controlled circuit. According to the invention, this output potential shift is achieved by a suitable change in the values of the feedback resistors arranged in the circuit.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kompensation einer durch eine Änderung des Versorgungsstroms bedingten Verschiebung des Ausgangspotenzials mittels einer Anpassung des Lastwiderstands der elektronischen Schaltung erfolgt. In a further embodiment of the invention it is provided that the compensation of a caused by a change in the supply current displacement of the output potential by means of an adaptation of the load resistance of the electronic circuit.

Eine andere Variation der Kompensation einer Ausgangspotenzialverschiebung besteht darin, den Lastwiderstand der Schaltung anzupassen, sodass die Verschiebung kompensiert wird. Another variation of output potential offset compensation is to adjust the load resistance of the circuit so that the shift is compensated.

In einer besonderen Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anpassung des Lastwiderstands und/oder des Rückkoppelwiderstands mittels verschiedener zu- und abschaltbarer Zweige eines Widerstandsnetzwerkes erfolgt. In a particular embodiment of the invention, it is provided that the adaptation of the load resistance and / or the feedback resistor takes place by means of various connectable and disconnectable branches of a resistor network.

Zur Anpassung des Last- oder Rückkoppelwiderstands können steuerbare Widerstandsnetzwerke eingesetzt werden. Die Zu- und Abschaltung der Zweige dieses Widerstandsnetzwerkes kann durch Steuersignale einer übergeordneten zentralen Steuerinstanz erfolgen. Alternativ können zur Widerstandsveränderung auch Feldeffekttransistoren oder aktive induktive Lasten eingesetzt werden. To adjust the load or feedback resistance controllable resistance networks can be used. The connection and disconnection of the branches of this resistor network can be done by control signals of a higher-level central control entity. Alternatively, it is also possible to use field-effect transistors or active inductive loads for the change in resistance.

In einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass für die Anpassung des Lastwiderstands und/oder des Rückkoppelwiderstands eine abgespeicherte Tabelle verwendet wird, wobei in dieser Tabelle zu verschiedenen Anforderungen an eine Datenübertragungsrate jeweils zugeordnete Werte für den Versorgungsstrom Iss und Werte zur Anpassung des Lastwiderstands und/oder des Rückkoppelwiderstands hinterlegt sind. In one embodiment of the invention it is provided that a stored table is used for the adaptation of the load resistance and / or the feedback resistor, wherein in this table for various data transfer rate requirements respectively associated values for the supply current I ss and values for adjusting the load resistance and / or the feedback resistor are stored.

Die zur Anpassung des Last- oder Rückkopplungswiderstands notwendigen Steuersignale können mittels einer gespeicherten Werte-Tabelle erzeugt werden. Hierfür sind in der Tabelle beispielsweise zu verschiedenen Datenübertragungsraten jeweils Werte für den zugehörigen Strom Iss und Werte zur Erzeugung des Steuersignals für das Widerstandsnetzwerk hinterlegt. The control signals necessary for adjusting the load or feedback resistance can be generated by means of a stored value table. For this purpose, values for the associated current I ss and values for generating the control signal for the resistance network are respectively stored in the table at different data transmission rates.

In einer Realisierungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anpassung des Lastwiderstands und/oder des Rückkoppelwiderstands mittels einer Regelung erfolgt, welche die Verschiebung des Ausgangspotenzials der Schaltung erfasst und mit einem vorgegebenen Toleranzbereich vergleicht und derart ein Steuersignal zur Anpassung erzeugt. In an implementation variant of the invention, it is provided that the adaptation of the load resistance and / or the feedback resistor takes place by means of a control which detects the displacement of the output potential of the circuit and compares it with a predetermined tolerance range and thus generates a control signal for adaptation.

Alternativ zur vorgegebenen Werte-Tabelle kann auch eine Anpassung unter Nutzung eines Regelkreises erfolgen. Dieser überwacht beispielsweise das Ausgangspotenzial der Schaltung mit einem vorgegebenen Toleranzbereich. Bei Abweichungen außerhalb dieser Toleranz wird dann durch die Regelung ein Steuersignal für das Widerstandsnetzwerk zu Kompensation der Abweichung erzeugt. Prinzipiell können an der Stelle des Widerstandsnetzwerks auch ein regelbarer Transistor oder andere aktive Lasten zum Einsatz kommen. As an alternative to the predefined value table, an adaptation can also take place using a control loop. This monitors, for example the output potential of the circuit with a predetermined tolerance range. For deviations outside this tolerance, a control signal for the resistor network is then generated by the control to compensate for the deviation. In principle, a controllable transistor or other active loads can be used at the location of the resistor network.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt The invention will be explained in more detail with reference to some embodiments. In the accompanying drawings shows

1a eine erfindungsgemäße adaptive Steuerung der Leistungsfähigkeit und des Energiebedarfs am Beispiel eines Single-Ended-Verstärkers, 1a an inventive adaptive control of performance and energy demand using the example of a single-ended amplifier,

1b eine erfindungsgemäße adaptive Steuerung der Leistungsfähigkeit und des Energiebedarfs am Beispiel eines Differenzverstärkers, 1b an inventive adaptive control of the performance and the energy requirement using the example of a differential amplifier,

1c eine grafische Darstellung des zur 1a und 1b gehörigem Verlauf der Spannungsverstärkung A und der Differenzverstärkung Adiff in Abhängigkeit der Frequenz f, 1c a graphic representation of the 1a and 1b proper course of the voltage gain A and the differential gain A diff as a function of the frequency f,

2 eine erfindungsgemäße adaptive Steuerung der Leistungsfähigkeit und des Energiebedarfs am Beispiel eines Laserdiodentreibers, 2 an adaptive control of the performance and the energy requirement according to the invention using the example of a laser diode driver,

3a eine erfindungsgemäße adaptive Steuerung der Leistungsfähigkeit und des Energiebedarfs am Beispiel eines Transimpedanzverstärkers mit paralleler Rückkopplung, 3a an inventive adaptive control of the performance and the energy demand on the example of a transimpedance amplifier with parallel feedback,

3b eine zur Schaltung in 3a gehörige grafische Darstellung der Transimpedanzverstärkung rT in Abhängigkeit der Frequenz f, 3b one for switching in 3a Corresponding graph of the transimpedance gain r T as a function of the frequency f,

4a eine erfindungsgemäße adaptive Steuerung der Leistungsfähigkeit und des Energiebedarfs am Beispiel eines Spannungs- und Begrenzungsverstärkers mit Serienrückkoppelung, 4a an inventive adaptive control of performance and energy demand using the example of a voltage and limiting amplifier with series feedback,

4b eine zur Schaltung in 4a gehörige grafische Darstellung der Spannungsverstärkung A in Abhängigkeit der Frequenz f und 4b one for switching in 4a associated graph of the voltage gain A as a function of the frequency f and

5 eine erfindungsgemäße adaptive Steuerung der Leistungsfähigkeit und des Energiebedarfs am Beispiel eines Oszillators mit mehreren Phasen für Sub-Datenraten; fck = Datenrate/3. 5 an adaptive control of the performance and the energy requirement according to the invention using the example of a multiphase oscillator for sub-data rates; f ck = data rate / 3.

Vorgeschlagen wird eine dynamische Anpassung der Leistungsfähigkeit und des Energiebedarfs einer elektronischen Schaltung. Hierbei wird in dieser Beschreibung als Leistungsfähigkeit der Schaltung beispielsweise die Bandbreite, die Taktfrequenz, die Verstärkung, eine Bitfehlerrate oder das Ausgangspotenzial der Schaltung verstanden. Der Energiebedarf umfasst den Bedarf bzw. Verbrauch elektrischer Leistung bzw. Energie. A dynamic adaptation of the performance and the energy demand of an electronic circuit is proposed. In this description, the performance of the circuit is understood to mean, for example, the bandwidth, the clock frequency, the amplification, a bit error rate or the output potential of the circuit. The energy requirement includes the demand or consumption of electrical power or energy.

Hierzu werden Methoden vorgestellt, wie eine Adaptivität auf Schaltungs- bzw. Komponentenebene erreicht werden kann. Diese adaptive Steuerung umfasst im Wesentlichen die variable Einstellung verschiedener Leistungsfähigkeits-Arbeitspunkte über die Reglung von Versorgungsströmen sowie Widerständen und kann für alle elektrischen Komponenten beispielsweise eines Übertragungssystems unabhängig von der gegebenen Halbleitertechnologie (z.B. CMOS, SiGe BiCMOS usw.) verwendet werden, z.B. für Multiplexer/Demultiplexer, Frequenzteiler, Oszillatoren, Retimer-Schaltungen, Lasertreiber, Clock- and Data-Recovery, Spannungs-, Leistungs-, Begrenzungs- und Transimpedanzverstärker, digitale Schaltungen wie z.B. Latches oder Logikgatter usw. For this purpose, methods are presented how an adaptivity on the circuit or component level can be achieved. This adaptive control essentially involves the variable setting of various power operating points through the regulation of supply currents and resistances, and may be used for all electrical components of, for example, a transmission system independent of the given semiconductor technology (e.g., CMOS, SiGe BiCMOS, etc.), e.g. for multiplexers / demultiplexers, frequency dividers, oscillators, retimer circuits, laser drivers, clock and data recovery, voltage, power, limiting and transimpedance amplifiers, digital circuits such as e.g. Latches or logic gates, etc.

Hierzu wird Adaptivität auf Komponenten- bzw. Schaltungsebene implementiert, welche eine Anpassung der Leistungsfähigkeit und damit des Energieverbrauchs an die aktuelle Datenlast ermöglicht. Die Realisierung dieser Adaptivität erfolgt über eine Variation der Arbeitspunkte jeder einzelnen Schaltung durch eine dynamische Steuerung von Versorgungsströmen und Widerständen. For this purpose, adaptivity is implemented at the component or circuit level, which allows the performance and thus the energy consumption to be adapted to the current data load. The realization of this adaptivity takes place via a variation of the operating points of each individual circuit by a dynamic control of supply currents and resistances.

Im Folgenden wird die erfindungsgemäße adaptive Anpassung von Leistungsfähikeit- und Energieverbrauch der Komponenten auf Schaltungs- und Transistorebene, zunächst anhand grundlegender Verstärkerschaltungen und darauf folgend anhand verschiedener praktischer Beispiele näher erläutert. The adaptive adaptation of power and energy consumption of the components on the circuit and transistor level according to the invention is explained in more detail below, first with reference to basic amplifier circuits and subsequently with reference to various practical examples.

Dabei stellen die Beispiele nur eine Auswahl an Schaltungen dar, bei denen das vorgestellte Verfahren einsetzbar ist. Grundsätzlich ist diese Art von Adaptivität zur Senkung des Energieverbrauchs bei allen notwendigen elektronischen Komponenten insbesondere für die Kommunikationstechnik ähnlich und implementierbar. The examples represent only a selection of circuits in which the presented method can be used. Basically, this type of adaptivity is similar and implementable for reducing the energy consumption of all necessary electronic components, in particular for the communication technology.

In dieser Beschreibung werden die nachfolgend aufgeführten Abkürzungen verwendet.

Iss
Versorgungsstrom
VDD
Versorgungsspannung
PDC
Leistungsverbrauch
gm
Transkonduktanz
Ri
Eingangsimpedanz
CD
Diodenkapazität
ft
Transitfrequenz
BB
Bandbreite
RD
Lastwiderstand
RF
Rückkoppelwiderstand
A
Spannungsverstärkung
Adiff
Differenzverstärkung
rT
Transimpedanzverstärkung
Vin
Eingangsspannung
Vout
Ausgangsspannung
Iin
Eingangsstrom
Iout
Ausgangsstrom
Rs
Quellenimpedanz
Cs
Quellenkapazität
In this description, the abbreviations listed below are used.
I ss
supply current
V DD
supply voltage
P DC
power consumption
g m
transconductance
R i
input impedance
C D
diode capacitance
f t
transit frequency
BB
bandwidth
R D
load resistance
R F
Feedback resistor
A
voltage gain
A diff
differential gain
r T
Transimpedance gain
V in
input voltage
V out
output voltage
I in
input current
I out
output current
R s
source impedance
C s
source capacity

In der 1a ist eine Realisierung des Verfahrens mit einer Single-Ended-Verstärkeranordnung dargestellt. Die 1b zeigt eine Variante mit einem Differenzverstärker. In the 1a an implementation of the method is shown with a single-ended amplifier arrangement. The 1b shows a variant with a differential amplifier.

Da in diesem und den nachfolgenden Beispielen zur Erläuterung des Verfahrens nur elektronische Grundschaltungen gezeigt werden, wird auf eine detaillierte Beschreibung der Schaltungsanordnungen verzichtet und nur die für das Verfahren bedeutsamen Teile der Schaltungen in die Beschreibung des Verfahrensablaufs einbezogen. Since only basic electronic circuits are shown in this and the following examples for explaining the method, a detailed description of the circuit arrangements is omitted and only the parts of the circuits which are significant for the method are included in the description of the method sequence.

Von einer der erläuterten Schaltungsanordnung übergeordneten zentralen Steuerinstanz wird der aktuelle Energiebedarf oder die Leistungsfähigkeit der Verstärkeranordnung bezüglich der notwendigen Datenrate vorgegeben. The current energy requirement or the performance of the amplifier arrangement with respect to the necessary data rate is specified by a central control instance which is the parent of the illustrated circuit arrangement.

Für den Fall, dass eine niedrige Datenrate ausreichend ist, kann die Bandbreite BB der Schaltungen verringert werden. Sowohl beim Single-Ended-Verstärker in der 1a als auch beim Differenzverstärker in der 1b erfolgt dies durch eine Reduzierung des Versorgungsstromes Iss über variable Stromquellen. Dadurch sinkt der Leistungsverbrauch des Verstärkers PDC drastisch ab. In the event that a low data rate is sufficient, the bandwidth BB of the circuits can be reduced. Both the single-ended amplifier in the 1a as well as the differential amplifier in the 1b this is done by reducing the supply current I ss via variable current sources. As a result, the power consumption of the amplifier P DC drops drastically.

Durch die Verringerung des Stromes Iss wird die Transkonduktanz gm, welche sich proportional zur Bandbreite BB verhält, abgesenkt. Als positiver Seiteneffekt wird proportional auch das Rauschen verringert. Jedoch fällt gleichzeitig auch die Spannungs-(|A| ≈ gmRD) bzw. Differenzverstärkung (|Adiff| ≈ gmRD/2) mit sinkendem gm ab. Dies kann durch die Erhöhung der Lastwiderstände RD wieder entsprechend kompensiert werden, was ein konstantes Ausgangspotenzial der Schaltungen bei gleichbleibender Spannungsverstärkung A bewirkt. Die Erhöhung der Lastwiderstände RD erzeugt wiederum den positiven Nebeneffekt, dass sich die Bandbreite BB weiter verringert. By reducing the current I ss , the transconductance g m , which is proportional to the bandwidth BB, is lowered. As a positive side effect, the noise is also proportionally reduced. However, at the same time the voltage (| A | ≈ g m R D ) or differential gain (| A diff | ≈ g m R D / 2) also decreases with decreasing g m . This can be correspondingly compensated for by increasing the load resistances R D , which causes a constant output potential of the circuits while the voltage amplification A remains the same. The increase in the load resistances R D in turn produces the positive side effect that the bandwidth BB is further reduced.

Für den Fall, dass eine hohe Datenrate gefordert wird, wird durch eine Erhöhung des Stromes die Bandbreite BB wieder vergrößert. Die Vergrößerung von Iss bewirkt eine Vergrößerung der Transkonduktanz gm, welche sich proportional zur Bandbreite BB verhält. Mit steigendem gm vergrößert sich die Spannungs-(|A| ≈ gmRD) bzw. Differenzverstärkung (|Adiff| ≈ gmRD/2). In diesem Fall kann eine bei einer geringeren Datenrate vorgenommene Anpassung der Lastwiderstände RD wieder entsprechend zurückgenommen werden, sodass sich der reguläre Wert für RD einstellt. Auch in diesem Fall bleibt die Spannungsverstärkung A konstant. In the event that a high data rate is required, the bandwidth BB is increased again by increasing the current. The increase in I ss causes an increase in the transconductance g m , which is proportional to the bandwidth BB. With increasing g m , the voltage (| A | ≈ g m R D ) or differential gain (| A diff | ≈ g m R D / 2) increases. In this case, an adaptation of the load resistances R D carried out at a lower data rate can be correspondingly reduced again so that the regular value for R D is established. Also in this case, the voltage gain A remains constant.

Die in den 1a und 1b dargestellten variablen Widerstände RD, welche regelbar oder auch steuerbar sind, können beispielsweise mittels eines schaltbaren Widerstandsnetzwerks (Array) realisiert werden. Die Steuersignale zum Zu- und Abschalten der Zweige des Widerstandsnetzwerks können durch die übergeordnete zentrale Instanz oder Regeleinheit erzeugt werden. So können beispielsweise in Form einer Tabelle zugehörige Werte für den Strom Iss zu verschiedenen Datenraten sowie entsprechende Steuersignalwerte hinterlegt werden. The in the 1a and 1b shown variable resistors R D , which are controllable or controllable, can be realized for example by means of a switchable resistor network (array). The control signals for connecting and disconnecting the branches of the resistor network can be generated by the higher-level central entity or control unit. For example, associated values for the current I ss at various data rates and corresponding control signal values can be stored in the form of a table.

Alternativ kann eine Regelung derart erfolgen, dass eine Erfassung des Ausgangspotenzials der Schaltung erfolgt und dass bei einer Abweichung dieses Ausgangspotenzials von einem vorgegebenen Wert eine Regelung mittels Zu- oder Abschalten der Zweige des Widerstandsnetzwerks erfolgt, bis der vorgegebene Wert wieder erreicht ist. Alternatively, a control can be carried out such that a detection of the output potential of the circuit takes place and that in a deviation of this output potential of a predetermined value, a control by switching on or off of the branches of the resistor network is carried out until the predetermined value is reached again.

In der 1c sind die zu den Schaltungsanordnungen aus 1a und 1b zugehörigen Verstärkungs-Frequenz-Verläufe gezeigt. Dabei ist für den Single-Ended-Verstärker die Spannungsverstärkung A und für den Differenzverstärker die Differenzverstärkung Adiff auf der Ordinate des Koordinatensystems und auf der Abszisse die Frequenz f dargestellt. Die Punkt-Punkt-Linie kennzeichnet den Verlauf für den Fall einer hohen geforderten Datenübertragungsrate, bei welchem eine große Bandbreite BB bereitgestellt wird und bei welchem der Leistungsverbrauch PDC hoch ist. Der Fall einer nur geringen Datenübertragungsrate stellt die Strich-Punkt-Line dar, welcher durch eine geringe Bandbreite BB und einen geringen Leistungsverbrauch PDC gekennzeichnet ist. Der Verstärkungsverlauf kann auch jeden beliebigen Verlauf zwischen diesen beiden Grenzwerten BBmin und BBmax annehmen. In the 1c are the to the circuit arrangements 1a and 1b associated gain-frequency characteristics shown. In this case, the voltage amplification A is shown for the single-ended amplifier and the difference amplification A diff for the differential amplifier on the ordinate of the coordinate system and on the abscissa the frequency f. The dot-dot line indicates the course in the case of a high required data transmission rate at which a large bandwidth BB is provided and in which the power consumption P DC is high. The case of a low data transmission rate represents the dash-dot line, which is characterized by a small bandwidth BB and a low power consumption P DC . The gain curve can also take any course between these two limits BB min and BB max .

In der 2 ist eine Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel eines Laserdiodentreibers gezeigt, wie er üblicherweise im Bereich der Kommunikationstechnik eingesetzt wird. In the 2 an implementation of the method according to the invention is shown using the example of a laser diode driver, as it is commonly used in the field of communication technology.

Bei diesem Laserdiodentreiber handelt es sich im Wesentlichen um die bereits oben beschriebenen allgemeinen Verstärkerstufen. Analog dazu erfolgt auch die adaptive Steuerung. This laser diode driver is essentially the general amplifier stages already described above. Analogously, the adaptive control also takes place.

Der Betrieb dieses Treibers für den Fall eines hohen Leistungsbedarfs, also einer hohen benötigten Datenrate, erfolgt wie in dieser Grundschaltung üblich mit dem maximalen Strom Iss und somit der maximalen Bandbreite BB und dem maximalen Leistungsverbrauch PDC wie bereits zur 1a und 1b ausgeführt. The operation of this driver in the case of a high power consumption, ie a high data rate required, is carried out as usual in this basic circuit with the maximum current I ss and thus the maximum bandwidth BB and the maximum Power consumption P DC as already for 1a and 1b executed.

Für den Fall, dass eine niedrige Datenrate ausreichend ist, kann auch hier die Bandbreite BB des Laserdiodentreibers verringert werden. Durch eine Reduzierung des Versorgungstromes Iss über die dargestellte variable Stromquelle erfolgt ein Absenken des Leistungsverbrauchs PDC des Laserdiodentreibers. In the event that a low data rate is sufficient, the bandwidth BB of the laser diode driver can also be reduced here. By reducing the supply current I ss via the illustrated variable current source, the power consumption P DC of the laser diode driver is lowered.

Durch die Verringerung des Stromes Iss wird die Transkonduktanz gm, welche sich proportional zur Bandbreite BB verhält, abgesenkt. Als positiver Seiteneffekt wird proportional auch das Rauschen verringert. Jedoch fällt gleichzeitig auch die Spannungs-(|A| ≈ gmRD) bzw. Differenzverstärkung (|Adiff| ≈ gmRD/2) mit sinkendem gm ab. Dies kann durch die Erhöhung der Lastwiderstände RD wieder entsprechend kompensiert werden, was ein konstantes Ausgangspotenzial der Schaltungen bei gleichbleibender Spannungsverstärkung A bewirkt. Die Erhöhung der Lastwiderstände RD erzeugt wiederum den positiven Nebeneffekt, dass sich die Bandbreite BB weiter verringert. By reducing the current I ss , the transconductance g m , which is proportional to the bandwidth BB, is lowered. As a positive side effect, the noise is also proportionally reduced. However, at the same time the voltage (| A | ≈ g m R D ) or differential gain (| A diff | ≈ g m R D / 2) also decreases with decreasing g m . This can be correspondingly compensated for by increasing the load resistances R D , which causes a constant output potential of the circuits while the voltage amplification A remains the same. The increase in the load resistances R D in turn produces the positive side effect that the bandwidth BB is further reduced.

In der 3a ist eine Schaltungsanordnung eines Transimpedanzverstärkers gezeigt, bei welcher das erfindungsgemäße Verfahren zur adaptiven Leistungssteuerung zu Anwendung kommt. In the 3a a circuit arrangement of a transimpedance amplifier is shown, to which the method according to the invention for adaptive power control is applied.

Auch bei dieser Schaltung kann der Versorgungsstrom Iss verringert werden, wenn niedrige Datenraten bei der Datenübertragung ausreichend sind. Mit der Verringerung des Stroms Iss verringert sich gleichzeitig die Bandbreite BB, welche durch die Beziehung 1/(Verstärkereingangsimpedanz Ri·Photodiodenkapazität CD) gegeben ist. Even with this circuit, the supply current I ss can be reduced if low data rates are sufficient in the data transmission. With the reduction of the current I ss , the bandwidth BB, which is given by the relation 1 / (amplifier input impedance R i · photodiode capacitance C D ), decreases at the same time.

Die Eingangsimpedanz Ri ≈ RF/(1 + gmRD) wiederum hängt maßgeblich von der Transkonduktanz gm ab, welche ebenfalls mit sinkendem Strom Iss abfällt. Als positiver Seiteneffekt wird auch das Rauschen verringert, welches sich proportional zu gm und zur Bandbreite verhält. Durch die Verringerung des Versorgungsstromes Iss sinkt der Leistungsverbrauch PDC des Transimpedanzverstärkers drastisch ab. The input impedance R i ≈ R F / (1 + g m R D ), in turn, largely depends on the transconductance g m , which also decreases with decreasing current I ss . As a positive side effect, the noise is reduced, which is proportional to g m and the bandwidth behaves. By reducing the supply current I ss , the power consumption P DC of the transimpedance amplifier drops drastically.

Falls es durch die Veränderung des Arbeitspunktes zu einer Verringerung der effektiven Transimpedanzverstärkung rT ≈ RF kommt, kann dies durch eine Vergrößerung des Rückkoppelwiderstandes RF kompensiert werden. Der Rückkoppelwiderstand RF kann beispielsweise mittels eines schaltbaren Widerstandsnetzwerkes, steuerbaren passiven resistiven Feldeffekttransistors oder mittels einer aktiven induktiven Last variabel realisiert werden. If, due to the change of the operating point, a reduction of the effective transimpedance gain r T ≈ R F occurs, this can be compensated by increasing the feedback resistance R F. The feedback resistor R F can be realized variably, for example, by means of a switchable resistor network, controllable passive resistive field-effect transistor or by means of an active inductive load.

Die 3b zeigt die zur Transimedanzverstärkeranordnung aus 3a zugehörigen Verstärkungs-Frequenz-Verläufe. The 3b shows the to the Transimedanzverstärkeranordnung 3a associated gain-frequency characteristics.

Die Punkt-Punkt-Linie stellt den Verstärkungsverlauf bei einem maximalen Versorgungsstromes Iss also bei maximaler Datenübertragungsrate dar. Die Strich-Punkt-Linie den Verstärkungsverlauf bei einem minimalen Versorgungsstromes Iss also bei minimaler Datenübertragungsrate. Der Verstärkungsverlauf kann auch jeden beliebigen Verlauf zwischen den beiden Grenzwerten BBmin und BBmax annehmen. The dot-dot line represents the gain curve at a maximum supply current I ss, that is to say at maximum data transmission rate. The dashed-dotted line shows the amplification curve at a minimum supply current I ss, ie at a minimum data transmission rate. The gain curve can also take any course between the two limits BB min and BB max .

In der 4a ist die Umsetzung des Verfahrens an einem Spannungs- und Begrenzungsverstärker mit serieller Rückkopplung gezeigt. Die 4b zeigt den zur Anordnung in 4a zugehörigen Verlauf der Spannungsverstärkung A in Abhängigkeit der Frequenz f in der bereits zur 1c beschriebenen Weise dar. In the 4a the implementation of the method is shown on a voltage and limiting amplifier with serial feedback. The 4b shows the arrangement in 4a associated course of the voltage gain A as a function of the frequency f in the already 1c way described.

Analog zum Transimpedanzverstärker in der 3a wird durch die Verringerung des Versorgungstroms Iss, die Transkonduktanz gm, die Bandbreite BB ~ 1 + gmRs/2 und schließlich der Energieverbrauch PDC der Schaltung reduziert. Aufgrund der Gegenkopplung verändert sich die Spannungsverstärkung A nicht, solange gmRs/2 >> 1 gilt. Bei Bedarf kann die Spannungsverstärkung und andere Schaltungsparameter zusätzlich durch die Steuerung von RS oder RD eingestellt werden. Analogous to the transimpedance amplifier in the 3a is reduced by the reduction of the supply current I ss , the transconductance g m , the bandwidth BB ~ 1 + g m R s / 2 and finally the power consumption P DC of the circuit. Due to the negative feedback, the voltage gain A does not change as long as g m R s / 2 >> 1. If necessary, the voltage gain and other circuit parameters can be additionally set by the control of R S or R D.

In der 5 wird eine Umsetzung des Verfahrens an einem Oszillator dargestellt. Dieser Oszillator weist mehrere Phasen für Sub-Datenraten auf, wobei gilt fck = Datenrate/3. In the 5 an implementation of the method is shown on an oscillator. This oscillator has several phases for sub-data rates, where f ck = data rate / 3.

Oszillatoren sind ebenfalls ein wesentlicher Bestandteil in Schaltungen und Systemen zur Datenübertragung. Sie werden vor allem bei der Ansteuerung von Multiplexern/Demultiplexern und in Takt- und Datenrückgewinnungsschaltungen verwendet. Dieses Schaltungsbeispiel entspricht einem mehrstufigen Differenzverstärker, wie oben beschrieben wurde. Oscillators are also an essential component in circuits and systems for data transmission. They are mainly used in the control of multiplexers / demultiplexers and in clock and data recovery circuits. This circuit example corresponds to a multi-stage differential amplifier as described above.

Sinkt die Datenlast einer Kommunikationsverbindung ab und wird daraufhin die Bandbreite BB des Systems wie oben beschrieben verringert, um Energie zu sparen. In diesem Fall ist dann auch eine Reduktion der Taktfrequenzen fck, welche durch den Oszillator erzeugt werden, möglich. Dies geschieht ebenfalls analog zu den bereits beschriebenen Verfahren. If the data load of a communication link decreases, then the bandwidth BB of the system is reduced as described above to save energy. In this case, a reduction of the clock frequencies f ck , which are generated by the oscillator, then possible. This also happens analogously to the methods already described.

So kann der Oszillator beispielsweise mit einer maximalen Frequenz von 18,7 GHz bei maximaler Datenübertragungsrate betrieben werden. Durch eine Verringerung eines Versorgungstroms Iss kann diese Frequenz bis auf einen Minimalwert von beispielsweise 2,7 GHz abgesenkt werden. For example, the oscillator can be operated at a maximum frequency of 18.7 GHz at maximum data transfer rate. By reducing a supply current I ss can this frequency can be lowered to a minimum value of, for example, 2.7 GHz.

Der sinkende Strom Iss bewirkt wieder eine Verringerung der Transkonduktanz gm. Mittels einer Vergrößerung des Lastwiderstände RD wird die Spannungsverstärkung A der Anordnung konstant gehalten, da A ~ gm RD & Vout ist und die Beziehung fck ~ 1/(RDC) gilt. The sinking current I ss again causes a reduction of the transconductance g m . By increasing the load resistance R D , the voltage gain A of the device is kept constant since A ~ g m R D & Vout and the relation f ck ~ 1 / (R D C) holds.

Zusätzlich zur verfahrensgemäßen Regelung des Stroms Iss kann eine weitere adaptive Arbeitspunktanpassung auch durch eine zusätzliche Steuerung der Versorgungsspannungen VDD erreicht werden, wie sie in einigen Systemen bereits zur Anwendung kommt. In addition to the regulation of the current I ss according to the method, a further adaptive operating point adaptation can also be achieved by an additional control of the supply voltages V DD , as already used in some systems.

Eine adaptive Steuerung der einzelnen Komponenten ermöglicht generell die Anpassung ihrer Leistungsfähigkeit an den aktuellen, tatsächlichen Leistungsfähigkeitsbedarf. Dadurch wird eine Senkung bzw. Dynamisierung des Energieverbrauchs beim Betrieb des elektronischen Systems insbesondere des Kommunikationssystems erreicht, was in Anbetracht des stetig steigenden Bandbreitenbedarfs und der stetig steigenden Anzahl von Verbindungen eine immer größere Bedeutung gewinnt. Mit einer verringerten Systemperformanz wird gleichzeitig weniger Verlustwärme erzeugt. Dadurch müssen die Systeme weniger gekühlt werden, was wiederum zu einer weiteren Senkung des Energieverbrauchs führt. Damit leistet die Erfindung einerseits einen entscheidenden Beitrag zur Reduzierung der CO2-Emmission durch elektronische Systeme und Komponenten insbesondere durch Nachrichtenübertragungssysteme. Zum anderen besitzt die Erfindung ein enormes Potential zur Einsparung von Energie- bzw. Betriebskosten (in der Größenordnung von Milliarden € innerhalb Europas) für solche Systeme. Adaptive control of the individual components generally allows their performance to be matched to the actual actual performance requirements. As a result, a reduction or dynamization of the energy consumption during operation of the electronic system, in particular the communication system is achieved, which is gaining in view of the ever-increasing bandwidth requirements and the ever-increasing number of connections is becoming increasingly important. With reduced system performance, less heat loss is generated at the same time. As a result, the systems must be cooled less, which in turn leads to a further reduction in energy consumption. On the one hand, the invention thus makes a decisive contribution to the reduction of CO 2 emissions by electronic systems and components, in particular by means of message transmission systems. On the other hand, the invention has enormous potential for saving energy or operating costs (on the order of billions of euros within Europe) for such systems.

Bei der Anwendung der Methoden in der Kommunikationstechnik wird durch die Reduzierung des Versorgungsstromes und die damit verbundene verringerte Bandbreite außerdem ein viel geringeres Rauschen der Schaltungen erzielt. Zusätzlich können durch eine adaptive Widerstandssteuerung die Schaltungsparameter auch hinsichtlich der Übertragungseigenschaften wie beispielsweise der Bitfehlerrate der Verbindungen optimiert werden. In addition, with the use of the methods in communication technology, the reduction of the supply current and the associated reduced bandwidth also result in a much lower noise of the circuits. In addition, by adaptive resistance control, the circuit parameters can also be optimized for transmission characteristics such as the bit error rate of the connections.

Ein weiterer großer Vorteil der Erfindung ist, dass die vorgestellten Verfahren für jegliche elektronische Systeme insbesondere zur Datenübertragung verwendet werden können. Another great advantage of the invention is that the presented methods can be used for any electronic systems, in particular for data transmission.

So ist die Erfindung innerhalb der Kommunikationstechnik beispielsweise sowohl in Weitverkehrs-Telekommunikationsnetzen als auch bei kurzen Verbindungen in Daten- und Rechenzentren sowie Hochleistungsrechensystemen einsetzbar.Thus, the invention within the communication technology, for example, both in long-distance telecommunications networks as well as short connections in data and data centers and high-performance computing systems can be used.

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Claims (7)

Verfahren zur Steuerung oder Regelung eines Energiebedarfs und/oder einer Leistungsfähigkeit einer elektronischen Schaltung, bei welchem in Abhängigkeit eines vorgegebenen Energiebedarfs oder einer vorgegebenen Leistungsfähigkeit die elektronische Schaltung gesteuert oder geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung oder Regelung des Versorgungsstroms Iss der elektronischen Schaltung mittels einer steuer- oder regelbaren Stromquelle und eine Kompensation einer durch eine Änderung des Versorgungsstroms Iss bedingten Verschiebung des Ausgangspotenzials der Schaltung erfolgt. Method for controlling or regulating an energy requirement and / or a performance of an electronic circuit, in which the electronic circuit is controlled or regulated as a function of a given energy requirement or a predetermined performance, characterized in that a control or regulation of the supply current I ss of the electronic circuit by means of a controllable or controllable current source and a compensation of a conditional by a change in the supply current I ss displacement of the output potential of the circuit. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensation einer durch eine Änderung des Versorgungsstroms bedingten Verschiebung des Ausgangspotenzials mittels steuer- oder regelbarer Widerstände erfolgt. A method according to claim 1, characterized in that the compensation of a conditional by a change in the supply current displacement of the output potential by means of controllable or controllable resistors. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensation einer durch eine Änderung des Versorgungsstroms bedingten Verschiebung des Ausgangspotenzials mittels steuer- oder regelbarer Rückkoppelwiderstände innerhalb der elektronischen Schaltung erfolgt. A method according to claim 1, characterized in that the compensation of a conditional by a change in the supply current displacement of the output potential by means of controllable or controllable feedback resistors within the electronic circuit. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensation einer durch eine Änderung des Versorgungsstroms bedingten Verschiebung des Ausgangspotenzials mittels einer Anpassung des Lastwiderstands der elektronischen Schaltung erfolgt. A method according to claim 1, characterized in that the compensation of a conditional by a change in the supply current displacement of the output potential by means of an adaptation of the load resistance of the electronic circuit. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung des Lastwiderstands und/oder des Rückkoppelwiderstands mittels verschiedener zu- und abschaltbarer Zweige eines Widerstandsnetzwerkes erfolgt. A method according to claim 3 or 4, characterized in that the adjustment of the load resistance and / or the feedback resistor by means of various connectable and disconnectable branches of a resistor network. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die Anpassung des Lastwiderstands und/oder des Rückkoppelwiderstands eine abgespeicherte Tabelle verwendet wird, wobei in dieser Tabelle zu verschiedenen Anforderungen an eine Datenübertragungsrate jeweils zugeordnete Werte für den Versorgungsstrom Iss und Werte zur Anpassung des Lastwiderstands und/oder des Rückkoppelwiderstands hinterlegt sind. A method according to claim 5, characterized in that for the adaptation of the load resistance and / or the feedback resistor, a stored table is used, wherein in this table for different requirements for a data transmission rate respectively associated values for the supply current I ss and values for adjusting the load resistance and / or the feedback resistor are stored. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung des Lastwiderstands und/oder des Rückkoppelwiderstands mittels einer Regelung erfolgt, welche die Verschiebung des Ausgangspotenzials der Schaltung erfasst und mit einem vorgegebenen Toleranzbereich vergleicht. A method according to claim 5, characterized in that the adaptation of the load resistance and / or the feedback resistor by means of a control, which detects the displacement of the output potential of the circuit and compares with a predetermined tolerance range.
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