DE10021928A1

DE10021928A1 - Stromspiegel und Verfahren zum Betreiben eines Stromspiegels

Info

Publication number: DE10021928A1
Application number: DE10021928A
Authority: DE
Inventors: Christian Paulus
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-05-05
Filing date: 2000-05-05
Publication date: 2001-11-15
Also published as: WO2001086805A1; US6639456B2; US20030071678A1; EP1282940A1; EP1282940B1; DE50114371D1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stromspiegel, bei dem ein Eingangsstrom (I¶in¶·+· = I¶0¶ bzw. I¶in¶·-· = -I¶0¶) in einer Stromsenke nichtlinear in eine Spannung gewandelt wird, wobei die Spannung zur Ansteuerung einer Stromquelle (I¶out¶·+· = -nÈI¶0¶ bzw. I¶out¶·-· = nÈI¶0¶) mit im Wesentlichen gleicher Übertragungskennlinie dient. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist der Stromspiegel so gestaltet, dass er eine weitere spannungsgesteuerte Stromquelle enthält, die einen Hilfsstrom aÈI¶out¶ = -aÈnÈI¶0¶ liefert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromspiegel, bei dem ein Ein gangsstrom (I_in) in einer Stromsenke nichtlinear in eine Spannung gewandelt wird, wobei die Spannung zur Ansteuerung einer Stromquelle (I_out) mit im Wesentlichen gleicher Übertra gungskennlinie dient.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben ei nes Stromspiegels.

Stromspiegel sind Schaltungen, beziehungsweise Schaltungsbe standteile, die in Reaktion auf einen Strom einen Strom in gleicher Stärke erzeugen.

Insbesondere bei integrierten Schaltungen, in denen eine Da tenverarbeitung aufgrund von Stromsignalen erfolgt, ist es bekannt, Stromspiegel einzusetzen.

Ein Stromspiegel ist vorzugsweise eine Schaltung oder ein Schaltungsteil. Er wandelt einen Eingangsstrom in einen Aus gangsstrom. Vorzugsweise besteht zwischen dem Eingangsstrom und dem Ausgangsstrom ein linearer Zusammenhang.

Es ist bekannt, geeignet geschaltete Transistoren als Strom senke beziehungsweise als Stromquelle einzusetzen.

Aus dem Buch C. Toumazou, F. J. Lidgey und D. G. Haigh: "Ana logue IC design: the current mode approach", London 1990, sind verschiedene Schaltungsanordnungen für Stromspiegel be kannt.

Insbesondere in hochgenauen, integrierten Analogschaltungen wird üblicherweise eine differentielle Signalverarbeitung verwendet, um die Empfindlichkeit der Schaltungen auf Stör einflüsse verschiedenster Art zu reduzieren. Während Schal tungen, deren Informationsübertragung in der Spannungsdomäne erfolgt, dies durch Verwendung von volldifferentiellen Opera tionsverstärkern (hohes CMRR, PSRR, etc.) erreichen, muß in current mode Schaltungen auf andere Lösungen zurückgegriffen werden. Häufig wird dort eine quasidifferentielle Stromsig nalverarbeitung angewandt, bei der zwei identische, elekt risch jedoch getrennte Schaltungen parallel verwendet werden. Durch die fehlende direkte elektrische Kopplung sowie die un ter Umständen große räumliche Trennung der beiden Signalpfade auf dem Chip relativieren sich die Vorteile der differentiel len Signalverarbeitung.

Weitere bekannte Ausführungsformen basieren zumeist auf der Verwendung von differentiellen Stufen, was Nachteile in Bezug auf Bauteilmismatch sowie Geschwindigkeit und Ausgangsspan nungsbereich des Stromspiegels zur Folge hat. Die Erfindung umfasst eine volldifferentielle symmetrische Stromspiegelein heit, deren beide Signalpfade direkt gekoppelt sind. Dadurch ergeben sich Vorteile bei der Störsignalunterdrückung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromspiegel zu schaffen, der eine möglichst hohe Stabilität aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Stromspiegel eine weitere spannungsgesteuerte Stromquelle enthält, die einen Hilfsstrom (a.I_out = a.n.I_in) liefert.

Die Erfindung sieht insbesondere vor, einen volldifferentiel len Stromspiegel ohne die Verwendung differentieller Stufen aufzubauen, was Vorteile hinsichtlich Ausgangsspannungsbe reich, Bauteilmismatch und auch Stabilität beziehungsweise Bandbreite der Gesamtschaltung hat.

Die Erfindung umfasst eine symmetrische Stromspiegeleinheit, in der ein Störsignal (common-mode Anteil) des differentiel len Signals durch eine geeignete Zusatzschaltung vom Aus gangsstrom abgezogen wird.

Stromspiegel unter Verwendung von MOS-Transistoren basieren darauf, dass ein Eingangsstrom (I⁺ _in = I_o beziehungsweise I^- _in = -I_o) in einer Stromsenke nichtlinear in eine Spannung ge wandelt wird, die zur Ansteuerung einer Stromquelle (I⁺ _out = - n.I_o, beziehungsweise I^- _out = n.I_o) mit gleicher Übertragungs kennlinie dient. Der so gebildete Stromspiegel wird nun durch eine weitere spannungsgesteuerte Stromquelle erweitert, die einen Strom von a.I_out ⁺ = -a.n.I_o liefert. Dieser Hilfsstrom wird mit der entsprechenden Hilfsstromquelle des identischen zweiten differentiellen Zweiges verbunden, die einen Aus gangsstrom von a.I_out ^- = a.n.I_o abführt. Die beiden Ströme kom pensieren sich in diesem Fall. Tritt eine Asymmetrie im Ein gangssignal auf (common-mode-Anteil), werden sich die Hilfs ströme nicht kompensieren und der resultierende Fehlerstrom δI kann mit Hilfe eines weiteren Stromspiegels mit einem Ü bertragungsverhältnis von 1/2a von den differentiellen Aus gangssignalen abgezogen werden. Dadurch ergibt sich eine rechnerisch vollständige common-mode Unterdrückung.

Es ist zweckmäßig, den Stromspiegel so zu gestalten, dass in einem zusätzlichen Zweig eine zusätzliche spannungsgesteuerte Stromquelle einen zusätzlichen Hilfsstrom erzeugt.

Vorteilhafterweise wird der Stromspiegel dabei so gestaltet, dass der Hilfsstrom und der zusätzliche Hilfsstrom so addiert werden, dass ein δI resultiert.

In der Praxis ist es vorteilhaft,

zu wählen, da dann der gesamte Stromspiegel unter Verwendung identischer n-MOS-, beziehungsweise p-MOS-Transistoren, auf gebaut werden kann.

Vorteile der Schaltung sind die einfache Implementierung als Zusatzmodul zu bestehenden Stromspiegeleinheiten sowie die weitgehende Unabhängigkeit der vorgestellten Architektur von der Grundstruktur des eingesetzten Stromspiegels. Ferner ent stehen durch die fehlende Rückkopplung in der Schaltung keine Stabilitätsprobleme, so dass die Schaltung in besonderem Maße für Anwendungen mit hoher Signalbandbreite geeignet ist.

Ein wichtiger Vorteil der Erfindung ist, volldifferentielle Stromspiegelstrukturen ohne Verwendung einer differentiellen Stufe realisieren zu können (siehe Ausführungsbeispiel), die verschiedene Nachteile bezüglich Bandbreite, Ausgangsspan nungsbereich und Empfindlichkeit auf Bauteilmismatch auf weist.

Es ist zweckmäßig, dass wenigstens einer der Stromquellen durch mindestens einen Transistor gebildet wird und/oder dass wenigstens einer der Stromquellen kaskadierte Transistoren enthält.

Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbil dungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispie le anhand der Zeichnungen.

Von den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen quasidifferentiellen Stromspiegel,

Fig. 2 einen volldifferentiellen Stromspiegel, basierend auf einer differentiellen Stufe,

Fig. 3 ein verallgemeinertes Prinzipschaltbild des erfin dungsgemäßen volldifferentiellen Stromspiegels,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen volldifferentiellen Stromspiegels,

Fig. 5 eine Schaltungsanordnung zur Simulation des Verhal tens der Schaltung aus Fig. 4,

Fig. 6 die Zeitabhängigkeit der Ströme für die Schaltung aus Fig. 5.

Der in Fig. 1 dargestellte quasidifferentielle Stromspiegel ermöglicht eine Bildung eines Differenzsignals zwischen ver schiedenen Schaltungsbestandteilen.

In Fig. 2 ist eine Möglichkeit dargestellt, wie ein volldif ferentieller Stromspiegel unter Verwendung einer differen tiellen Stufe aufgebaut werden kann.

In Fig. 3 ist ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen volldifferentiellen Stromspiegels unter Einsatz von MOS- Transistoren als Stromquellen und -senken dargestellt.

Dabei ist eine Anordnung mit a = ½ dargestellt. Alle hier verwendeten Transistoren seien gleich, weshalb sich a = ½ er gibt. Durch Ersetzung der einfachen Transistoren durch Kasko den-Stromquellen wird die Linearität der Schaltung verbes sert.

Eine bevorzugte Architektur für volldifferentielle Stromspie gel ist in Fig. 4 dargestellt.

Im Folgenden wird zur Erläuterung der Architektur lediglich das Symbol einer spannungsgesteuerten Stromquelle - U I - verwendet. Unter der Annahme, dass alle spannungsgesteuerten Stromquellen identisch sind, ergeben sich folgende Zusammen hänge für die Signalströme in der Schaltung:

I_in ⁺ = I_o + δI

I_in ^- = -I_o + δI

I_cor = ½ I_in ⁺ + ½ I_in ^- = δI

I_o stellt hier den Signalstrom dar, während δI die Störgröße repräsentiert (common-mode Anteil), die durch die Schaltungs architektur wieder vom Ausgangssignal abgezogen wird.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit a = ½ und jeweils i dentischen Transistoren
M1 bis M5
M6 bis M10
M11 bis M13
M14 bis M16 ist in Fig. 5 dargestellt.

In Fig. 6 ist eine Anordnung zur Simulation des Verhaltens eines bevorzugten Stromspiegels dargestellt.

Eine Zeitabhängigkeit von Strömen in dem Stromspiegel ist in Fig. 7 wiedergegeben.

Oben dargestellt ist das sinusförmige Ausgangssignal (I(V3)) der Schaltung sowie das sinusförmige Eingangssignal (I(I1)). Unten im Diagramm ist das Differenzsignal der Ausgangsströme mit und ohne die erfindungsgemäße common-mode Unterdrückung dargestellt. Wie an der Kurve (I(V2) - I(V3)) zu erkennen ist, wird die von den Pulsquellen I2 und I5 (siehe Fig. 6) indu zierte rechteckförmige Störung (common mode) von der volldif fentiellen Schaltung weitgehend unterdrückt.

Claims

1. Stromspiegel, bei dem ein Eingangsstrom (I_in)in einer Stromsenke nichtlinear in eine Spannung gewandelt wird, wobei die Spannung zur Ansteuerung einer Stromquelle (I_out) mit im Wesentlichen gleicher Übertragungskennlinie dient, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromspiegel eine weitere spannungsgesteuerte Stromquel le enthält, die einen Hilfsstrom (a.I_out = a.n.I_in) lie fert.

2. Stromspiegel nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass in einem zusätzlichen Zweig eine zusätzliche spannungsgesteuerte Stromquelle einen zu sätzlichen Hilfsstrom erzeugt.

3. Stromspiegel nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass der Hilfsstrom und der zusätzliche Hilfsstrom so addiert werden, dass ein Fehlerstrom δI resultiert.

4. Stromspiegel nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, dass der resultierende Fehlerstrom mit einem Übertragungsverhältnis von 1 : 2a von den differen ziellen Ausgangssignalen abgezogen wird.

5. Stromspiegel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen gilt: a = 1 : 2.

6. Stromspiegel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen gilt a = 1.

7. Stromspiegel nach einem oder mehreren der vorangegan genen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Stromquellen durch wenigstens einen Transistor gebildet wird.

8. Stromspiegel nach einem oder mehreren der vorangegange nen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle kaskadierte Transistoren enthält.