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Die
Erfindung betrifft eine Eingangsschaltung zum Empfangen eines Eingangssignals
einer integrierten Schaltung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein
Verfahren zum Anpassen des Arbeitspunktes einer Eingangsschaltung.
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Integrierte
Schaltungen weisen zum Empfangen von Eingangssignalen Eingangsschaltungen auf.
Die Eingangsschaltungen bewerten die Eingangssignale bezüglich einer
Referenzspannung, die üblicherweise
von extern vorgegeben wird. Die externe Referenzspannung unterliegt
Schwankungen, die von Rauscheffekten, Signalüberkoppeln oder durch gleichzeitige
Schalteffekte herrühren.
Insbesondere kommt es bei der Verwendung der integrierten Schaltung
in einem Gesamtsystem zu Abweichungen der Referenzspannung von ihrem
Nominalwert. Diese Abweichungen führen dazu, dass die Eingangsschaltung
nicht an ihrem optimalen Arbeitspunkt betrieben wird, wodurch die
Leistungsfähigkeit
der Eingangsschaltung beim Empfangen und Bewerten des Eingangssignals
als auch die Leistungsaufnahme negativ beeinträchtigt wird.
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Herkömmliche
Eingangsschaltungen weisen einen Differenzverstärker auf, der mit einem Stromspiegel
gekoppelt ist, so dass durch beide Zweige des Differenzverstärkers der
gleiche Strom fließt.
Ein Eingang des Differenzverstärkers
sind mit dem Eingangssignal und ein weiterer Eingang des Differenzverstärker mit
der Referenzspannung verbunden. Bei abweichenden Referenzspannungen,
die an dem einen Eingang des Differenzverstärkers anliegen, wird der optimale
Arbeitspunkt jedoch üblicherweise
nur bei der nominalen Referenzspannung eingenommen. Weicht die anliegende
Referenzspannung davon ab, wird die Eingangsschaltung nicht in dem
optimalen Arbeitspunkt betrieben.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Eingangsschaltung zum
Empfangen eines Eingangssignals zur Verfügung zu stellen, die auch bei Abweichungen
der anliegenden Referenzspannung optimal betrieben werden kann.
Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zum Anpassen des Arbeitspunktes einer Eingangsschaltung zur Verfügung zu
stellen.
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Diese
Aufgabe wird durch die Eingangsschaltung nach Anspruch 1 sowie durch
das Verfahren nach Anspruch 10 gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Eingangsschaltung
zum Empfangen eines Eingangssignals einer integrierten Schaltung
vorgesehen. Die Eingangsschaltung weist einen Differenzverstärker auf,
an dessen erstem Eingang eine externe Referenzspannung und an dessen zweitem
Eingang das Eingangssignal anlegbar ist. Ferner ist eine Stromquelle
vorgesehen, um den Differenzverstärker an seinem Arbeitspunkt
zu betreiben. Erfindungsgemäß ist eine
Einstellungsschaltung mit der Stromquelle verbunden, um den Arbeitspunkt des
Differenzverstärkers
abhängig
von der vorbestimmten Referenzspannung optimal einzustellen.
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Die
erfindungsgemäße Eingangsschaltung hat
den Vorteil, dass abhängig
von der bereitgestellten Referenzspannung die Stromquelle zum Betreiben
des Differenzverstärkers
eingestellt wird. Dies ermöglicht
die Einstellung des Differenzverstärkers auf den optimalen Arbeitspunkt,
bei dem das Eingangssignal schnellstmöglich bewertet werden kann. Befindet
sich der Differenzverstärker
beim Bewerten des Eingangssignals nicht in seinem optimalen Arbeitspunkt,
weil die Referenzspannung größer oder kleiner
als die nominale Referenzspannung ist, wird eine steigende oder
fallende Flanke des Eingangssignals nicht schnell genug bewertet,
um den geforderten Spezifikationen zu genügen. Die schnellstmögliche Bewertung
des anliegenden Eingangssignals wird durch Anpassen des Stroms durch
den Differenzverstärker
auf die anliegende Referenzspannung durchgeführt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform weist
die Einstellungsschaltung eine Spannungsquelle auf, die so einstellbar
ist, um eine Steuerspannung abhängig
von der externen Referenzspannung zu erzeugen, wobei mit der Steuerspannung
die Stromquelle steuerbar ist.
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Vorzugsweise
kann die Spannungsquelle die Steuerspannung zu einem oder mehreren
vorgegebenen Zeitpunkten, abhängig
von der vorbestimmten Referenzspannung, einstellen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform kann
die Einstellungsschaltung einen Multiplexer aufweisen, um mehrere
aus der vorbestimmten Referenzspannung generierten Vergleichsspannungen bereitzustellen,
wobei ein Vergleicher vorgesehen ist, um die mehreren Vergleichsspannungen
nacheinander mit der bereitgestellten Referenzspannung zu vergleichen
und abhängig
von einem Ergebnis des Vergleichens die Spannungsquelle einzustellen.
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Die
Erfindung kann vorsehen, dass die Spannungsquelle eine Referenzspannungsquelle und
eine Bias-Spannungsquelle umfasst, wobei die Referenzspannungsquelle
eine interne Referenzspannung für
die Bias-Spannungsquelle erzeugt, wobei die Bias-Spannungsquelle
die Steuerspannung für
die Stromquelle generiert. Insbesondere kann die Bias-Spannungsquelle
eine Bandgap-Schaltung aufweisen, um eine temperaturunabhängige Steuerspannung
zu erzeugen.
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Um
die Leistungsfähigkeit
der Eingangsschaltung zu verbessern, können zwei Differenzverstärker vorgesehen
sein, die jeweils mit einer Stromquelle gekoppelt sind, wobei Ausgänge der
Differenzverstärker
miteinander verbunden sind. Insbesondere kann ein erster Differenzverstärker einen
ersten p-Kanaltransistor
zum Empfangen der bereitgestellten Referenzspannung und einen zweiten
p-Kanaltransistor zum Empfangen des Eingangssignals in paralleler
Anordnung aufweisen, wobei eine erste Stromquelle den ersten Differenzverstärker versorgt. Es
kann ferner ein zweiter Differenzverstärker einen ersten n-Kanaltransistor
zum Empfangen der externen Referenzspannung und einen zweiten n-Kanaltransistor
zum Empfangen des Eingangssignals in paralleler Anordnung aufweisen,
wobei eine zweite Stromquelle den zweiten Differenzverstärker versorgt.
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Es
können
eine erste und eine zweite Eingangsstellungsschaltung vorgesehen
sein, um die erste und die zweite Stromquelle mit verschiedenen Steuerspannungen
zu versorgen. Das Vorsehen einer Eingangsschaltung mit zwei verschiedenen
Differenzverstärkern
hat den Vorteil, dass sowohl die steigende als auch die fallende
Flanke des Eingangssignals optimal empfangen und schnellstmöglich bewertet
werden kann.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum
Anpassen eines Arbeitspunktes einer Eingangsschaltung vorgesehen.
Die Eingangsschaltung weist einen Differenzverstärker, an dessen erstem Eingang
eine bereitgestellte Referenzspannung und an dessen zweitem Eingang
das Eingangssignal anlegbar ist. Der Betriebsstrom durch den Differenzverstärker wird
abhängig
von der externen Referenzspannung so eingestellt, dass in dem Differenzverstärker ein
geeigneter Arbeitspunkt eingestellt wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
hat den Vorteil, dass der Arbeitspunkt des Differenzverstärkers selbst
bei einer schwankenden Referenzspannung bzw. bei einer Referenzspannung,
die von ihrem Nominalwert abweicht, im optimalen Bereich betrieben
werden kann.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Eingangsschaltung; und
ein
Diagramm zur Veranschaulichung der Abhängigkeit des Zeitversatzes
in Bezug auf die prozentuale Abweichung des Betriebsstroms des Differenzverstärkers.
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In 1 ist
ein Schaltbild einer Eingangsschaltung für eine integrierte Schaltung
zum Empfangen eines zu bewertenden Eingangssignals dargestellt.
Die Eingangsschaltung 1 weist ein Empfangsteil 2 auf,
der eine erste Empfangsschaltung 3 und eine zweite Empfangsschaltung 4 umfasst.
Jede der Empfangsschaltungen 3, 4 empfängt das
zu bewertende Eingangssignal und gibt das bewertete invertierte
Eingangssignal bout an den Ausgängen aus,
die für
beide Empfangsschaltungen 3, 4 miteinander verbunden
sind, an einen Inverter 5 weiter. Der Inverter stellt weiteren
Schaltkreisen (nicht gezeigt) der integrierten Schaltung das verstärkte und
bewertete (nichtinvertierte) Eingangssignal OUT zur Verfügung stellt.
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Die
erste Empfangsschaltung 3 weist einen ersten Differenzverstärker 6 auf,
der mit einem ersten p-Kanaltransistor 7 und einem zweiten
p-Kanaltransistor 8 in bekannter Weise aufgebaut ist. Der
erste Differenzverstärker 6 ist
mit einer ersten Stromspiegelschaltung 9 so gekoppelt,
dass der Strom durch den ersten p-Kanaltransistor 7 in
den zweiten p-Kanaltransistor 8 gespiegelt
wird. Ein Steueranschluss des ersten p-Kanaltransistors 7 ist
mit einer bereitgestellten Referenzspannung RCV_vref verbunden. Die
bereitgestellte Referenzspannung RCV_vref wird üblicherweise der integrierten
Schaltung von extern zur Verfügung
gestellt, und dient dazu, das anliegende Eingangssignal Vi n zu bewerten. Die
Bewertung erfolgt in der Regel so, dass dem Eingangssignal ein erster
Zustand zugewiesen wird, wenn das Eingangssignal Vi n größer ist
als die bereitgestellte Referenzspannung RCV_vref und ein zweiter
Zustand zugewiesen wird, wenn die Eingangsschaltung Vin kleiner
ist als die bereitgestellte Referenzspannung RCV_vref.
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Konkret
ist die erste Empfangsschaltung 3 so aufgebaut, dass der
erste p-Kanaltransistor mit seinem Source-Anschluss mit einer ersten
Stromquelle 10 verbunden ist. Ein Drain-Anschluss des ersten p-Kanaltransistors
ist mit einem Drain-Anschluss
eines ersten Stromspiegeltransistors 11 der ersten Stromspiegelschaltung 9 verbunden.
Weiterhin ist der Drain-Anschluss
des ersten p-Kanal-Feldeffekttransistors 7 mit dem Steueranschluss
des ersten Stromspiegeltransistors 11 verbunden. Ein Source-Anschluss
des ersten Stromspiegeltransistors 11 ist mit einem Massepotenzial
GND verbunden. Ein zweiter Stromspiegeltransistor 12 der
ersten Stromspiegelschaltung 9 ist vorgesehen, der mit
seinem Source-Anschluss ebenfalls mit dem Massepotenzial GND verbunden
ist und mit einem Drain-Anschluss des
zweiten p-Kanal-Feldeffekttransistors 8 verbunden ist,
wobei der Drain-Anschluss gleichzeitig den Ausgang der ersten Empfangsschaltung 3 bildet.
Ein Source-Anschluss des zweiten p-Kanal-Feldeffekttransistors 8 ist
mit der Stromquelle 10 verbunden.
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Die
Stromquelle 10 ist als ein p-Kanal-Feldeffekttransistor
ausgebildet, der den Gesamtstrom durch den ersten Differenzverstärker 6 und
den ersten Stromspiegel 9 einstellt. Der p-Kanal-Feldeffekttransistor
der Stromquelle 10 wird durch eine erste Steuerspannung
VBIAS_p angesteuert, über
die der Strom durch die erste Empfangsschaltung 3 eingestellt
werden kann.
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Die
zweite Empfangsschaltung 4 ist im Wesentlichen in analoger
Weise aufgebaut. Sie weist einen zweiten Differenzverstärker 15 auf,
der mit einer zweiten Stromspiegelschaltung 16 so gekoppelt
ist, dass durch beide Zweige des zweiten Differenzverstärkers 16 der
gleiche Strom fließt.
Der zweite Differenzverstärker 15 weist
einen ersten n-Kanal-Feldeffekttransistor 17 und
einen zweiten n-Kanal-Feldeffekttransistor 18 auf.
An einen Steuereingang (Gate-Anschluss)
des ersten n-Kanal-Feldeffekttransistors 17 ist das Eingangssignal
und an einen Steuereingang des zweiten n-Kanal-Feldeffekttransistors 18 des
zweiten Differenzverstärkers 15 ist
die bereitgestellte Referenzspannung RCV_vref angelegt. Die Source-Anschlüsse des
ersten und zweiten n-Kanal-Feldeffekttransistor 17, 18 sind
mit einer zweiten Stromquelle 19 verbunden. Die zweite
Stromquelle 19 ist als n-Kanal-Feldeffekttransistor ausgebildet, an deren
Steueranschluss eine zweite Steuerspannung VBIAS_n angelegt ist.
Der zweite Stromspiegel 16 weist einen dritten Stromspiegeltransistor 20 und
einen vierten Stromspiegeltransistor 21 auf. Der erste Stromspiegeltransistor 20 ist
mit seinem Drain-Anschluss mit dem Drain-Anschluss des ersten n-Kanal-Feldeffekttransistors 17 gekoppelt
und stellt gleichzeitig den Ausgang der zweiten Empfangsschaltung 4 dar.
Ein Drain-Anschluss des vierten Stromspiegeltransistors 21 ist
mit einem Drain-Anschluss des zweiten n-Kanal-Feldeffekttransistors 18 verbunden.
Weiterhin ist der Drain-Anschluss des vierten Stromspiegeltransistors 21 mit
den Steueranschlüssen
des dritten und vierten Stromspiegeltransistors 20, 21 gekoppelt.
Die Source-Anschlüsse
des dritten und vierten Stromspiegeltransistors 20, 21 sind
mit dem hohen Versorgungsspannungspotenzial VDD verbunden.
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Bei
herkömmlichen
Eingangsschaltungen werden die erste Steuerspannung VBIAS_p und
die zweite Steuerspannung VBIAS_n unabhängig von der bereitgestellten
Referenzspannung RCV_vref generiert z.B. mit Hilfe so genannter
Bandgap-Schaltungen. Eine erste Bandgap-Schaltung 22 stellt
die erste Steuerspannung VBIAS_p und eine zweite Bandgap-Schaltung 23 stellt
eine zweite Steuerspannung VBIAS_n zur Verfügung. Die Bandgap-Schaltungen 22, 23 generieren
temperaturunabhängig
und unabhängig
von der angelegten Versorgungsspannung die Steuerspan nungen. Weicht
dann die Referenzspannung von ihrem Nominalwert ab, so kommt es
bei herkömmlichen
Eingangsschaltungen dazu, dass der betreffende Transistor des jeweiligen
Differenzverstärkers,
d.h. des ersten p-Kanal-Feldeffekttransistors 7 und des
zweiten n-Kanal-Feldeffekttransistors 18 außerhalb
des vorbestimmten Arbeitspunktes betrieben werden, da die Steuerspannungen unverändert bleiben.
Der vorbestimmte Arbeitspunkt dieser Transistoren wird bei Anliegen
der nominalen Referenzspannung eingenommen.
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Werden
beide oder eine der Empfangsschaltungen 3, 4 außerhalb
ihres Arbeitspunktes betrieben, weil die anliegende Referenzspannung RCV_vref
von ihrem Nominalwert abweicht, so ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Steuerspannungen VBIAS_p, VBIAS_n angepasst werden, indem
die jeweilige Stromquelle 10, 19 so eingestellt wird,
dass der Strom durch den Differenzverstärker 6, 15 so
geändert
wird, dass bezüglich
der bereitgestellten abweichenden Referenzspannung RCV_vref ein optimaler
Arbeitspunkt eingenommenen wird. Der optimale Arbeitspunkt kann
bezüglich
verschiedener Kriterien ausgewählt
werden. Üblicherweise
ist jedoch die Leistungsfähigkeit
der Eingangsschaltung das Hauptkriterium, d.h., die Geschwindigkeit,
mit der die anliegenden Eingangssignale bewertet werden können bzw.
die Geschwindigkeit, mit der ein Zustandswechsel des bereitgestellten
bewerteten Eingangssignals OUT infolge eines Zustandswechsels des
Eingangssignals Vi n ausgegeben
wird.
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Um
die Steuerspannung einzustellen, werden den Bandgap-Schaltungen 22, 23 eine
interne Referenzspannung VREF_int zur Verfügung gestellt, abhängig von
der die erste bzw. zweite Steuerspannung VBIAS_p, VBIAS_n generiert
werden. Die Einstellungsschaltung 25 weist einen Spannungsteiler auf,
die eine interne Bezugsspannung VB teilt, um Spannungsbereiche zu
definieren. Der Spannungsteiler 26 stellt mehrere Vergleichsspannungen
VV zur Verfügung, die einem Multiplexer 27 zugeführt werden,
der die Vergleichsspannungen gesteuert durch eine Steuereinheit 28 einem
Vergleicher 29 zur Verfügung
stellt.
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Der
Vergleicher 29 erhält
von dem Multiplexer 27 zwei aufeinander folgende Vergleichsspannungen
VV als obere Vergleichsspannung VREF_p und
untere Vergleichsspannung VREF_n. Diese werden mit der anliegenden
von extern bereitgestellten Referenzspannung RCV_vref verglichen
und das Ergebnis einem Spannungsgenerator 30 zur Verfügung gestellt.
Liegt die externe Referenzspannung über der oberen Vergleichsspannung
VREF_p, so wird die von dem Spannungsgenerator 30 generierte
interne Referenzspannung VREF_int inkrementell, d.h. um einen vorbestimmten
Betrag erhöht,
liegt die externe Referenzspannung RCV_vref zwischen der oberen Vergleichsspannung
und der unteren Vergleichsspannung, so wird die interne Referenzspannung VREF_int
nicht verändert
und liegt die externe Referenzspannung RCV_vref unterhalb der unteren
Referenzspannungsschwelle VREF_n, so wird die interne Referenzspannung
VREF_int um einen vorbestimmten Betrag verkleinert.
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Die
interne Referenzspannung VREF_int wird den Bandgap-Schaltungen 22, 23 zugeführt, in denen
abhängig
von der ersten Steuerspannung bzw. der zweiten Steuerspannung VBIAS_p, VBIAS_n
erhöht
oder erniedrigt werden, um den jeweiligen Arbeitspunkt der ersten
Empfangsschaltung 3 bzw. der zweiten Empfangsschaltung 4 optimal
einzustellen.
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Im
Wesentlichen bewirkt die Einstellungsschaltung 25, dass
die externe Referenzspannung RCV_vref bewertet wird und einer internen
Referenzspannung VREF_int zugewiesen wird, die im Wesentlichen den
Bereich bestimmt, innerhalb der sich die externe Referenzspannung
RCV_vref bewegen darf, ohne dass der Arbeitspunkt der entsprechenden Empfangsschaltung 3, 4 geändert werden
muss. Die Anpassung kann in regelmäßigen Abständen gesteuert durch die Steuereinheit 28 durchgeführt werden. Die
Anpassungszyklen sind jedoch so zu wählen, dass nicht kurzzeitige
Störungen
der bereitgestellten Referenzspannung RCV_vref zu einer Anpassung der
internen Referenzspannung VREF_int führen. Die Anpassung des Arbeitspunktes
betrifft im Wesentlichen eine länger
andauernde Abweichung der bereitgestellten Referenzspannung RCV_vref
von dem Nominalwert, auf den die Empfangsschaltungen eingestellt
sind.
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Die
Einstellungsschaltung ermöglicht
es, den Leistungsverbrauch der Eingangsschaltung zu reduzieren,
indem die Betriebsströme
durch die Empfangsschaltungen 3, 4 reduziert werden,
um den Arbeitspunkt optimal einzustellen, ohne die Leistungsfähigkeit
der Empfangsschaltung zu verschlechtern.
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In 2 ist
ein Diagramm dargestellt, das die Abhängigkeit des Zeitversatzes
zwischen steigender und fallender Flanke von der prozentualen Verschiebung
des Betriebsstromes durch die Empfangsschaltungen zeigt, wobei als
Parameter die bereitgestellte Referenzspannung RCV_vref gegeben ist.
Die drei gezeigten Geraden stellen den Verlauf des Zeitversatzes
zwischen steigender und fallender Flanke bei einer um 100 mV reduzierten
Referenzspannung einer nominalen Referenzspannung und einer um 100
mV erhöhten
Referenzspannung dar.
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- 1
- Eingangsschaltung
- 2
- Empfangseinheit
- 3
- erste
Empfangsschaltung
- 4
- zweite
Empfangsschaltung
- 5
- Inverter
- 6
- erster
Differenzverstärker
- 7
- erster
p-Kanal-Feldeffekttransistor
- 8
- zweiter
p-Kanal-Feldeffekttransistor
- 9
- Stromspiegel
- 10
- erste
Stromquelle
- 11
- erster
Stromspiegeltransistor
- 12
- zweiter
Stromspiegeltransistor
- 15
- zweiter
Differenzverstärker
- 16
- zweiter
Stromspiegel
- 17
- erster
n-Kanal-Feldeffekttransistor
- 18
- zweiter
n-Kanal-Feldeffekttransistor
- 19
- zweite
Stromquelle
- 20
- dritter
Stromspiegeltransistor
- 21
- vierter
Stromspiegeltransistor
- 22
- erste
Bandgap-Schaltung
- 23
- zweite
Bandgap-Schaltung
- 25
- Einstellschaltung
- 26
- Spannungsteiler
- 27
- Multiplexer
- 28
- Steuereinheit
- 29
- Vergleicher
- 30
- Spannungsgenerator
- VBIAS_p,
VBIAS_n
- erste,
zweite Steuerspannung
- RCV_vref
- bereitgestellte
Referenzspannung
- Vin
- Eingangssignal
- OUT
- bereitgestelltes
bewertetes Eingangssignal
- VREF_int
- interne
Referenzspannung
- VREF_p
- obere
Vergleichsspannungsschwelle
- VREF_n
- untere
Vergleichsspannungsschwelle
- VV
- Vergleichsspannung
- VB
- Bezugsspannung