-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Stromspiegelanordnung.
-
Stromspiegel
sind als Grundschaltungen mit Transistoren bekannt und beispielsweise
in U. Tietze, Ch. Schenk: "Halbleiter-Schaltungstechnik", 10. Auflage 1993,
S. 62 bis 63, beschrieben.
-
Stromspiegel
können
in unterschiedlichen Schaltungstechniken oder Integrationstechniken, beispielsweise
in MOS, Metal Oxide Semiconductor, -Schaltungstechnik angewandt
werden.
-
1 zeigt einen beispielhaften,
bekannten Stromspiegel, der zwei gegen einen Bezugspotenzialanschluss 1 geschaltete
Transistoren 2, 3 aufweist. Die Transistoren 2, 3 des
Stromspiegels sind jeweils vom n-Leitfähigkeitstyp und an ihren Steueranschlüssen unmittelbar
miteinander verbunden. Der eingangsseitige Transistor 2 des
Stromspiegels hat eine gesteuerte Strecke, die mit einem ersten
Anschluss mit dem Gate-Anschluss
des Transistors 2 und mit einem weiteren Anschluss mit
dem Bezugspotenzialanschluss 1 verbunden ist. Der mit dem
Gate-Anschluss des Transistors 2 verbundene Anschluss der gesteuerten
Strecke des Transistors 2 ist weiterhin über eine
Stromquelle 4 an einen Versorgungspotenzialanschluss 5 geschaltet.
-
Auch
der Transistor 3 von 1 hat
eine gesteuerte Strecke, die einerseits mit dem Bezugspotenzialanschluss 1 und
andererseits mit einem Anschluss eines weiteren Transistors 6 verbunden
ist. Der weitere Transistor 6 ist mit einem weiteren Anschluss
seiner gesteuerten Strecke mit dem Versorgungspotenzialanschluss 5 verbunden
und vom p-Leitfähigkeitstyp.
Der Steueranschluss des Transistors 6 ist mit demjenigen
Anschluss seiner gesteuerten Strecke verbunden, der mit dem Transistor 3 verbunden
ist.
-
Die
Schaltung gemäß 1 dient zur Erzeugung zweier
Bias-Signale, nämlich einerseits
eines Bias-Signals NBIAS für
n-MOS-Bauteile und
andererseits eines Bias-Signals PBIAS für p-MOS-Bauteile. Das Bias-Signal NBIAS
ist an den Steueranschlüssen
der n-Kanal-Transistoren 2, 3 an einem Ausgangsanschluss 7 abgreifbar.
Ein weiterer Ausgangsanschluss 8, der mit dem Steueranschluss
des Transistors 6 verbunden ist, dient als Ausgang zum Abgreifen
des PBIAS-Signals.
-
2 zeigt eine Weiterbildung
der Schaltung von 1,
die dieser in den verwendeten Bauteilen und deren Funktionsweise
weitgehend entspricht, jedoch um eine Kaskode-Stufe 9, 10 ergänzt ist.
Die Kaskode-Stufe 9, 10 umfasst zwei Transistoren,
von denen je einer in die Strompfade zwischen Stromquelle 4 und
Transistor 2 sowie zwischen Diode 6 und Transistor 3 geschaltet
sind. Dabei bilden die Transistoren 9, 10 der
Kaskode-Stufe, von denen Transistor 9 als Diode verschaltet
ist, selbst wiederum gemeinsam einen Stromspiegel.
-
Gegenüber der
Schaltung von 1 hat
die Stromspiegelanordnung von 2 mit
Kaskode eine verbesserte Übereinstimmung
der Signale NBIAS und PBIAS miteinander. Gleichwohl ist auch bei
der Schaltung gemäß 2 keine exakte Übereinstimmung
der Bias-Signale für
Bauteile vom entgegengesetzten, das heißt komplementären, Leitfähigkeitstyp gewährleistet.
-
Vielmehr
können
auch die Bias-Signale bei der Schaltung von 2 bemerkenswert voneinander abweichen.
-
Es
ist jedoch in vielen Anwendungen wünschenswert, eine exakte Übereinstimmung
zwischen NBIAS- und PBIAS-Signal zu erzielen, um beispielsweise
Transistoren von komplementärem
Leitfähigkeitstyp
in je übereinstimmenden
Arbeitspunkten zu betreiben und/oder Schaltungen mit hoher Symmetrie
und gutem Matching zu schaffen.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Stromspiegelanordnung anzugeben,
die es ermöglicht,
zwei Bias-Ströme
abzugeben, die sehr genau miteinander übereinstimmen und zur Ansteuerung
von integrierten Bauteilen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps
geeignet sind.
-
Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch eine Stromspiegelanordnung gelöst, aufweisend:
- – einen
ersten Transistor, der von einem ersten Leitfähigkeitstyp ist, ausgelegt
zur Abgabe eines ersten Stroms,
- – einen
zweiten Transistor, der von einem zweiten Leitfähigkeitstyp ist, ausgelegt
zur Abgabe eines zweiten Stroms,
- – eine
gesteuerte Stromquelle, die zwischen den ersten Transistor und den
zweiten Transistor geschaltet ist und die den Ausgang eines Stromspiegels
bildet.
-
Es
entspricht dem vorgeschlagenen Prinzip, zwei Transistoren vorzusehen,
die von unterschiedlichem Leitfähigkeitstyp
sind und je zur Abgabe eines Stroms dienen, der als Bias-Signal
geeignet ist. Der erste und der zweite Transistor werden dabei so
angesteuert, dass sie nicht selbst der jeweilige Ausgangstransistor
eines Stromspiegels sind. Vielmehr ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass der Ausgangstransistor eines Stromspiegels als gesteuerte Stromquelle
ausgeführt
ist, die zwischen den ersten und den zweiten Transistor geschaltet
ist.
-
Aufgrund
der Verschaltung der vorgeschlagenen Stromspiegelanordnung ist es
möglich,
an dem ersten Transistor und dem zweiten Transistor exakt miteinander übereinstimmende
Ströme
zu generieren, die die jeweilige Ansteuerung komplementärer Bauteile
in hochpräziser
Weise ermöglichen. Dabei
ist mit zusätzlichem
Vorteil der Schaltungsaufwand gegenüber einer herkömmlichen
Stromspiegelanordnung zur Bereitstellung von komplementären Bias-Signalen
gering. Dadurch kann das vorgeschlagene Prinzip mit verhältnismäßig geringer
Chipfläche
und somit kostengünstig
integriert werden.
-
Die
gesteuerte Stromquelle, die den Ausgang des den ersten und zweiten
Transistor ansteuernden Stromspiegels bildet, ist bevorzugt als
so genannte floatende Stromquelle, also zum Betrieb mit schwebendem
Potenzial, ausgelegt. Ein schwebendes Potenzial wird gelegentlich
auch als schwimmendes Potenzial bezeichnet.
-
Der
erste Transistor, die gesteuerte Stromquelle und der zweite Transistor
sind bevorzugt in einem gemeinsamen Strompfad angeordnet. Dabei stellt
die in der Mitte zwischen den beiden Transistoren angeordnete, gesteuerte
Stromquelle, die selbst floatendes Potenzial hat, sicher, dass die
Ströme durch
ersten und zweiten Transistor identisch groß sind und somit eine noch
weiter verbesserte Übereinstimmung
zwischen den beiden abgegebenen Bias-Strömen der Stromspiegelanordnung
vorliegt.
-
Bei
den beiden Leitfähigkeitstypen
der Transistoren handelt es sich bevorzugt um einen p-Leitfähigkeitstyp
und einen n-Leitfähigkeitstyp.
Das bedeutet, dass der erste Transistor bevorzugt ein p-Kanal-Transistor
und der zweite Transistor ein dazu komplementärer n-Kanal-Transistor ist.
-
Der
erste Transistor und der zweite Transistor sind bevorzugt je als
Diode verschaltet.
-
In
einer vorteilhaften Weiterbildung wird der erste Strom und der zweite
Strom jeweils an dem mit der gesteuerten Stromquelle verbundenen
Lastanschluss des ersten bzw. zweiten Transistors abgegriffen.
-
Mit
diesem Abgriffsknoten ist jeweils weiter bevorzugt der Steueranschluss
des jeweiligen Transistors zur Bildung einer Diode verbunden.
-
Der
gemeinsame Strompfad, der die Serienschaltung von erstem Transistor,
gesteuerter Stromquelle und zweitem Transistor umfasst, ist bevorzugt zwischen
einen Versorgungspotenzialanschluss und einen Bezugspotenzialanschluss
geschaltet.
-
Die
gesteuerte Stromquelle selbst ist bevorzugt ebenfalls als Transistor,
nämlich
als Stromquellentransistor, ausgebildet, dessen gesteuerte Strecke mit
den gesteuerten Strecken des ersten und zweiten Transistors eine
Serienschaltung bildet.
-
Die
gesteuerte Stromquelle bildet bevorzugt mit einem als Diode verschalteten
Transistor den Stromspiegel, wobei der als Diode verschaltete Transistor
weiter bevorzugt in einem weiteren Strompfad angeordnet ist, der
von einer eingangsseiti gen Stromquelle gespeist wird. Die Stromquelle
in dem weiteren Strompfad dient dabei als Referenzstromquelle.
-
Der
weitere Strompfad umfasst aus Symmetriegründen weiter bevorzugt eine
weitere Diode, die zwischen den eingangsseitigen Transistor des Stromspiegels
und Bezugspotenzial- oder Versorgungspotenzialanschluss geschaltet
wird.
-
Anstelle
der weiteren Diode im weiteren Strompfad kann in einer alternativen
Ausführungsform
ein weiterer Transistor vorgesehen sein, der gemeinsam mit dem zweiten
Transistor einen Rückkopplungs-Stromspiegel
bildet, wobei der zweite Transistor als Diode verschaltet ist. Die
beiden Stromspiegel dieser weitergebildeten Stromspiegelanordnung
bilden miteinander einen so genannten Wilson-Stromspiegel.
-
Die
Stromspiegel-Anordnung ist bevorzugt in integrierter Schaltungsbauweise
hergestellt.
-
Insbesondere
ist die Stromspiegelanordnung bevorzugt in unipolarer Schaltungstechnik
integriert, beispielsweise einer Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur.
-
Die
Stromspiegelanordnung ist bevorzugt in komplementärer MOS-Schaltungstechnik
aufgebaut.
-
Die
vorgeschlagene Stromspiegelanordnung funktioniert alternativ auch
in der komplementären Schaltungsvariante,
das bedeutet, dass alle MOS-Transistoren vom n-Kanal-Leitfähigkeitstyp durch
Bauteile mit p-Kanal ersetzt werden und umgekehrt.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von mehreren Ausführungsbeispielen
in Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert.
-
Es
zeigen dabei:
-
1 eine
Stromspiegelanordnung gemäß Stand
der Technik,
-
2 eine
Stromspiegelanordnung gemäß Stand
der Technik mit Kaskode-Stufe,
-
3 das
Grundprinzip der vorgeschlagenen Stromspiegelanordnung anhand eines
Schaltplans,
-
4 eine
Weiterbildung der Schaltung von 3 anhand
eines Schaltplans und
-
5 eine
Weiterbildung der Schaltung von 3 mit Wilson-Stromspiegel.
-
1 und 2 wurden
bereits in der Beschreibungseinleitung erläutert. Deren Beschreibung soll
daher an dieser Stelle nicht noch einmal wiederholt werden.
-
3 zeigt
eine Stromspiegelanordnung gemäß dem vorgeschlagenen
Prinzip mit einem ersten Transistor 11, der von einem p-Leitfähigkeitstyp
ist, und mit einem zweiten Transistor 12, der von einem n-Leitfähigkeitstyp
ist. Der erste und der zweite Transistor 11, 12 haben
je einen Steueranschluss und je eine gesteuerte Strecke. Zwischen
je einen Anschluss der gesteuerten Strecken der Transistoren 11, 12 ist
eine Stromquelle 13 geschaltet. Der freie Anschluss der
gesteuerten Strecke des Transistors 11 ist mit einem Versorgungspo tenzialanschluss 14 und
der freie Anschluss der gesteuerten Strecke des zweiten Transistors 12 mit
einem Bezugspotenzialanschluss 15 verschaltet. Die mit
der Stromquelle 13 verbundenen Anschlüsse der gesteuerten Strecken der
Transistoren 11, 12 sind mit dem jeweiligen Steueranschluss
des zugehörigen
Transistors 11, 12 zur Bildung einer Diode verbunden
und bilden zugleich Ausgänge 16, 17 der
Stromspiegelanordnung. Der erste Ausgang 16 ist ausgelegt
zur Abgabe eines ersten Stroms PBIAS, während der zweite Ausgang 17 zur
Abgabe eines zweiten, zum ersten komplementären Stroms NBIAS ausgelegt
ist. Erster und zweiter Strom dienen als komplementäre BIAS-Signale. Gemäß 1 ist
die Stromquelle 13 als floatende Stromquelle, also mit
schwebendem Potenzial, ausgeführt.
-
Zusätzlich zu
dem Strompfad 11, 13, 12 ist ein weiterer
Strompfad vorgesehen, der dazu ausgelegt ist, von einem Referenzstrom
IREF durchflossen zu werden. Zur Kopplung
dieser beiden Strompfade ist ein in 3 nicht
explizit eingezeichneter Stromspiegel vorgesehen, was dadurch angedeutet
ist, dass die gesteuerte Stromquelle 13 von dem n-fachen
Referenzstrom IREF des ersten Strompfades durchflossen
ist. Der Buchstabe n repräsentiert
dabei das Spiegelverhältnis
des Stromspiegels.
-
Durch
die Verschaltung gemäß 3 ist
sichergestellt, dass die Ströme
in dem p-Kanal-Transistor 11 und in dem n-Kanal-Transistor 12 identisch groß sind und
damit auch die von den Transistoren bereitgestellten und an den
Ausgängen 16, 17 abgreifbaren,
komplementären
Bias-Signale PBIAS, NBIAS exakt identisch groß sind. Die vorgeschlagene
Schaltung hat dabei einen geringen Bauteilaufwand und ist mit geringer
Chipfläche
und daher kostengünstig
integrierbar.
-
Eine
Weiterbildung der Schaltung von 3 zur Erzeugung
identischer n-MOS- und p-MOS-Ströme
mittels einer Stromspiegelanordnung zeigt 4. Die Schaltung
von 4 stimmt in den verwendeten Bauteilen, deren vorteilhafter
Zusammenschaltung und Funktionsweise weitgehend mit derjenigen von 3 überein und
wird insoweit an dieser Stelle nicht noch einmal wiederholt.
-
Die
floatend betriebene, gesteuerte Stromquelle 13 ist bei 4 als
Transistor 13' ausgebildet, der
mit einem Eingangstransistor 18 den Stromspiegel 18, 13' bildet. Der
Eingangstransistor 18 ist als Diode verschaltet. Ebenso
wie der Transistor 13',
der als Stromquelle arbeitet, ist der Transistor 18 vom n-Kanal-Typ.
Zur Bereitstellung des Referenzstroms IREF ist
eine Stromquelle 19 vorgesehen, die einen Versorgungspotenzialanschluss 14 mit
einem Anschluss der gesteuerten Strecke des Diodentransistors 18 verbindet,
der auch mit dessen Gate-Anschluss verbunden ist. Eine weitere Transistordiode 20,
ebenfalls vom n-Leitfähigkeitstyp,
verbindet den Transistor 18 mit dem Bezugspotenzialanschluss 15. Somit
bilden die Referenzstromquelle 19, der Transistor 18 und
die Diode 20 miteinander eine Serienschaltung.
-
Man
erkennt, dass ausgehend von einer Stromspiegelanordnung mit Kaskode-Stufe,
wie in 2 gezeigt, nur geringfügige Modifikationen und keinerlei
zusätzliche
Bauteile erforderliche sind, um gleichwohl mit Vorteil Bias-Ströme, die
exakt miteinander übereinstimmen
und zum Betrieb komplementärer
Bauteile geeignet sind, gemäß der Schaltung von 4 zu
erzeugen.
-
5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Weiterbildung einer Stromspiegelanordnung gemäß vorgeschlagenem Prinzip.
Die Schaltung von 5 stimmt in den verwendeten
Bauteilen, deren Verschaltung miteinander sowie ihrer vorteilhaften Funktionsweise
weitgehend mit der von 4 überein und wird insoweit an
dieser Stelle nicht noch einmal beschrieben.
-
Anstelle
des als Diode verschalteten Transistors 20 ist bei 5 der
Steueranschluss des dort mit Bezugszeichen 20' versehenen
Transistors mit dem Gate-Anschluss des zweiten Transistors 12 verbunden.
Dadurch bilden die Transistoren 12, 20' miteinander
einen Feedback-Stromspiegel, der zusammen mit dem Stromspiegel 18, 13', der in Vorwärtsrichtung
arbeitet, einen Wilson-Stromspiegel bildet. Der Wilson-Stromspiegel 18, 13'; 12, 20' bildet einen
geschlossenen Regelkreis.
-
Auch
für das
Ausführungsbeispiel
gemäß 5 gilt,
dass die an den Ausgängen 16, 17 abgreifbaren
Bias-Signale PBIAS, NBI-AS
exakt miteinander übereinstimmen.
-
Im
Rahmen der Erfindung können
alle gezeigten Ausführungsbeispiele
auch in komplementärer
Ausführung
realisiert sein, das bedeutet, dass alle Transistoren vom n-Leitfähigkeitstyp
durch p-MOS-Bauteile und umgekehrt ersetzt werden.
-
Selbstverständlich dienen
die gezeigten Ausführungsbeispiele
nicht zur Beschränkung
der Erfindung, sondern lediglich zu illustrativen Zwecken.
-
- 1
- Bezugspotenzialanschluss
- 2
- Transistor
- 3
- Transistor
- 4
- Stromquelle
- 5
- Versorgungspotenzialanschluss
- 6
- Transistor
- 7
- Ausgang
- 8
- Ausgang
- 9
- Diode
- 10
- Transistor
- 11
- Transistor
- 12
- Transistor
- 13
- gesteuerte
Stromquelle
- 13'
- Transistor
- 14
- Versorgungspotenzialanschluss
- 15
- Bezugspotenzialanschluss
- 16
- Ausgang
- 17
- Ausgang
- 18
- Diode
- 19
- Referenzstromquelle
- 20'
- Transistor