DE102004044407A1 - Schaltung zur Bereitstellung eines Selektionssignals für einen Regelwert einer Regelgröße - Google Patents

Schaltung zur Bereitstellung eines Selektionssignals für einen Regelwert einer Regelgröße Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltung (1) zur Bereitstellung eines Selektionssignals (SEL) für einen Regelwert einer Regelgröße (RG), welche in einem eingeschwungenen Zustand um eine Referenzgröße (RefG) zwischen einem ersten Regelwert (RW1) und einem zweiten Regelwert (RW2) mit einer ersten Periodendauer (T) schwingt. Die Schaltung (1) beinhaltet eine erste Differenzschaltung (4), welche einen ersten Strom (I1) bereitstellt, der von einer Differenz zwischen dem ersten Regelwert (RW1) und der Referenzgröße (RefG) abhängig ist, eine zweite Differenzschaltung (5), welche einen zweiten Strom (I2) bereitstellt, der von der Differenz zwischen der Referenzgröße (RefG) und dem zweiten Regelwert (RW2) abhängig ist, einen ersten Knoten (9), an welchem ein Differenzstrom (Idiff) zwischen dem ersten Strom (I1) und dem zweiten Strom (I2) gebildet wird, wobei der Differenzstrom (Idiff) das Selektionssignal (SEL) ausbildet, das angibt, ob der erste Regelwert (RW1) oder der zweite Regelwert (RW2) zur Minimierung der Regeldifferenz zu wählen ist, eine ersten Stromspiegelschaltung (6), welche zwischen der ersten Differenzschaltung (4) und dem ersten Knoten (9) geschaltet ist, um den ersten Strom (I1) an den ersten Knoten (9) zu führen, und eine zweite Stromspiegelschaltung (7) und einer mit der zweiten Stromspiegelschaltung (7) in Serie geschalteten dritten Stromspiegelschaltung (8), welche zwischen der zweiten Differenzschaltung (5) und dem ersten Knoten (9) geschaltet sind, um den ...

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Bereitstellung eines Selektionssignals für einen Regelwert einer Regelgröße, welche in einem eingeschwungenen Zustand zwischen einem ersten Regelwert und einem zweiten Regelwert um eine Referenzgröße mit einer ersten Periodendauer schwingt.
  • Das technische Gebiet der Erfindung betrifft die Regelung einer oder mehrerer Komponenten einer elektronischen Schaltung oder integrierten Schaltung. Dabei wird eine Regelgröße, insbesondere eine digitale Regelgröße für die elektronische Komponente oder Komponenten auf eine vorbestimmbare Referenzgröße geregelt. Aus einer Vielzahl solcher regelungstechnischer Schaltungen ist das Problem bekannt, dass sich die Regelung nach einer bestimmten Einschwingzeit in den eingeschwungenen Zustand begibt und die zu regelnde Größe oder Regelgröße, beispielsweise eine Spannung zur Spannungsversorgung der elektronischen Komponente, zwischen zwei Regelwerten hin und her schwingt. Dabei besteht in der Regel das Problem, dass nur einer der beiden Werte, zwischen denen die Regelgröße schwingt, eine minimale Regeldifferenz zu der Referenzgröße aufweist.
  • Zur Erläuterung der vorliegenden Problematik zeigen die 1a und 1b ein schematisches Diagramm zur Darstellung der Schwingung einer Regelgröße in einem eingeschwungenen Zustand. Dabei ist in 1a die Regelgröße RG dargestellt, die um die Referenzgröße RefG in Abhängigkeit der Zeit t schwingt. 1b zeigt, dass die maximale Amplitude der Schwingung der Regelgröße RG als ein erster Regelwert RW1 und die minimale Amplitude der Regelgröße RG als ein zweiter Regelwert RW2 ausgebildet ist. Die Regelung entscheidet also alternierend auf den ersten Regelwert RW1 oder auf den zwei ten Regelwert RW2. Dabei besteht das Problem, dass die Regelung nicht auf den Regelwert entscheidet, welche die geringste Regeldifferenz zu der Referenzgröße RefG aufweist, hier der Regelwert RW2, sondern dass durch die alternierende Entscheidung in dem eingeschwungenen Zustand auf den ersten Regelwert RW1 eine unnötig hohe Regeldifferenz für die Regelgröße RG zu der Referenzgröße RefG generiert wird.
    •
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Schaltung zur Minimierung einer Regeldifferenz zwischen einer Referenzgröße und einer im eingeschwungenen Zustand um die Referenzgröße schwingenden Regelgröße bereitzustellen. Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe durch eine Schaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht im Wesentlichen darin, eine Schaltung zur Bereitstellung eines Selektionssignals für einen Regelwert einer Regelgröße bereitzustellen, welche in einem eingeschwungenen Zustand um eine Referenzgröße zwischen einem ersten Regelwert und einem zweiten Regelwert mit einer ersten Periodendauer schwingt, wobei die Schaltung aufweist:
    • – eine erste Differenzschaltung, welche einen ersten Strom bereitstellt, der von einer Differenz zwischen dem ersten Regelwert und der Referenzgröße abhängig ist;
    • – eine zweite Differenzschaltung, welche einen zweiten Strom bereitstellt, der von einer Differenz zwischen dem zweiten Regelwert und der Referenzgröße abhängig ist;
    • – einen ersten Knoten, an welchem ein Differenzstrom zwischen dem ersten Strom und dem zweiten Strom gebildet wird, wobei der Differenzstrom das Selektionssignal ausbildet, das angibt, ob der erste Regelwert oder der zweite Regelwert zur Minimierung der Regeldifferenz zu wählen ist;
    • – eine erste Stromspiegelschaltung, welche zwischen der ersten Differenzschaltung und dem ersten Knoten geschaltet ist, um den ersten Strom an den ersten Knoten zu führen; und
    • – eine zweite Stromspiegelschaltung und eine mit der zweiten Stromspiegelschaltung in Serie geschaltete dritte Stromspiegelschaltung, welche zwischen der zweiten Differenzschaltung und dem ersten Knoten geschaltet sind, um den zweiten Strom an den ersten Knoten zu führen.
  • Vorteilhafterweise wird durch die Bereitstellung des Selektionssignals ermöglicht, dass die entsprechende zu regelnde Komponente mit genau dem Regelwert geregelt wird, der die minimale Regeldifferenz zu der Referenzgröße aufweist. Damit wird das Regelverhalten insgesamt optimiert, da die Regeldifferenz minimiert und der eingeschwungene Zustand aufgelöst wird.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Schaltung ein erstes Übertragungsgatter zur Bereitstellung des ersten Regelwertes auf, wobei das erste Übertragungsgatter mit einem ersten Taktsignal getaktet wird, das die erste Periodendauer aufweist.
  • Ein Vorteil dieser bevorzugten Weiterbildung ist, dass durch das erste Übertragungsgatter der erste Regelwert, den die Regelgröße in dem eingeschwungenen Zustand annimmt, bereitgestellt wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass mittels des ersten Taktsignals der erste Regelwert mit derselben Periodendauer wie die Regelgröße bereitgestellt wird.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Schaltung ein zweites Übertragungsgatter zur Bereitstellung des zweiten Regelwertes auf, den die Regelgröße in dem eingeschwungenen Zustand annimmt, wobei das zweite Übertragungsgatter mit einem zweiten Taktsignal getaktet wird, das die erste Periodendauer aufweist und relativ zu dem ersten Takt signal um eine halbe erste Periodendauer phasenverschoben ist.
  • Ein Vorteil dieser bevorzugten Weiterbildung ist, dass durch das zweite Übertragungsgatter der zweite Regelwert bereitgestellt wird. Ein weiterer Vorteil dieser bevorzugten Weiterbildung ist, dass der zweite Regelwert dieselbe Periodendauer wie die Regelgröße und der erste Regelwert aufweist und dazu zum ersten Regelwert um die halbe erste Periodendauer phasenverschoben ist, so dass mit einer zeitlichen Distanz der halben ersten Periodendauer der erste Regelwert und der zweite Regelwert bereitgestellt werden können.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Schaltung einen ersten Kondensator zur Speicherung des ersten Regelwertes und einen zweiten Kondensator zur Speicherung des zweiten Regelwertes auf.
  • Ein Vorteil dieser bevorzugten Weiterbildung ist, dass der erste Kondensator den ersten Regelwert und der zweite Kondensator den zweiten Regelwert für eine weitere Verarbeitung des ersten und zweiten Regelwertes zwischenspeichert und damit sichert.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die erste Stromspiegelschaltung und die zweite Stromspiegelschaltung jeweils als eine npn-Stromspiegelschaltung ausgebildet und die dritte Stromspiegelschaltung ist als eine pnp-Stromspiegelschaltung ausgebildet.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Schaltung einen dritten Kondensator zur Speicherung des Differenzstroms auf.
  • Ein Vorteil dieser bevorzugten Weiterbildung ist, dass durch die Speicherung des Differenzstroms mittels des dritten Kondensators das Selektionssignal, welches durch den Differenz strom ausgebildet wird, zwischengespeichert und damit für die weitere Verarbeitung gesichert wird.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen die erste Differenzschaltung und die zweite Differenzschaltung jeweils einen Vorspannungstransistor auf, so dass für den ersten Strom und für den zweiten Strom ein identischer Bezugsstrom bereitgestellt ist.
  • Ein Vorteil dieser bevorzugten Weiterbildung ist, dass bei der Differenzbildung des ersten Stromes mit dem zweiten Strom zur Generierung des Differenzstroms der identische Bezugsstrom störende Offset-Ströme ausschließt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Regelgröße, der erste Regelwert und der zweite Regelwert jeweils als eine Spannung ausgebildet.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1a, 1b ein schematisches Diagramm zur Darstellung der Schwingung einer Regelgröße in einem eingeschwungenen Zustand;
  • 2 ein schematisches Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltung zur Bereitstellung eines Selektionssignals für einen Regelwert einer Regelgröße; und
  • 3 ein schematisches Diagramm zur Generierung des ersten und des zweiten Taktsignals gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Signale – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
  • 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltung 1 zur Bereitstellung eines Selektionssignals SEL für einen Regelwert einer Regelgröße RG, welche in einem eingeschwungenen Zustand um eine Referenzgröße RefG zwischen einem ersten Regelwert RW1 und einem zweiten Regelwert RW2 mit einer ersten Periodendauer T schwingt.
  • Die Schaltung 1 weist ein erstes Übertragungsgatter 2 zur Bereitstellung des ersten Regelwertes RW1 auf. Das erste Übertragungsgatter 2 empfängt eingangsseitig die Regelgröße RG und stellt ausgangsseitig den ersten Regelwert RW1 bereit. Das erste Übertragungsgatter 2 wird mit einem ersten Taktsignal Clk1 getaktet, welches wie die Regelgröße RG die erste Periodendauer T aufweist.
  • Weiter weist die Schaltung 1 ein zweites Übertragungsgatter 3 zur Bereitstellung des zweiten Regelwertes RW2 auf. Das zweite Übertragungsgatter 3 empfängt eingangsseitig die Regelgröße RG und stellt ausgangsseitig den zweiten Regelwert RW2 bereit. Das zweite Übertragungsgatter 3 ist mit einem zweiten Taktsignal Clk2 getaktet, das die erste Periodendauer T aufweist und relativ zu dem ersten Taktsignal Clk1 um eine halbe erste Periodendauer T/2 phasenverschoben ist.
  • Vorzugsweise sind die Regelgröße RG, der erste Regelwert RW1 und der zweite Regelwert RW2 jeweils als eine Spannung ausgebildet.
  • Weiter weist die Schaltung 1 eine erste Differenzschaltung 4 auf, welche einen erste Strom I1 bereitstellt, der von einer Differenz zwischen dem ersten Regelwert RW1 und der Referenzgröße RefG direkt proportional abhängig ist. Die erste Diffe renzschaltung 4 weist einen Vorspannungstransistor 101 auf, so dass für den ersten Strom I1 ein Bezugsstrom I3 bereitgestellt ist. Die Gleichung für den ersten Strom I1 ergibt sich demnach wie folgt:
    Figure 00070001
    wobei k eine Proportionalitätskonstante ist.
  • Weiter weist die Schaltung 1 eine zweite Differenzschaltung 5 auf, welche einen zweiten Strom I2 bereitstellt, der von einer Differenz zwischen dem zweiten Regelwert RW2 und der Referenzgröße RefG direkt proportional abhängig ist. Die zweite Differenzschaltung 5 weist einen Vorspannungstransistor 102 auf, so dass für den zweiten Strom I2 ein identischer Bezugsstrom I3 wie für den ersten Strom I1 bereitgestellt ist. Demnach ergibt sich die untenstehende Gleichung für den zweiten Strom I2 wie folgt:
    Figure 00070002
  • Die Schaltung 1 weist weiter eine erste Stromspiegelschaltung 6 auf, welche zwischen der ersten Differenzschaltung 4 und einem ersten Knoten 9 geschaltet ist, um den ersten Strom I1 an den ersten Knoten 9 zu führen. Die erste Stromspiegelschaltung 6 ist vorzugsweise als eine npn-Stromspiegelschaltung ausgebildet.
  • Weiter weist die Schaltung 1 eine zweite Stromspiegelschaltung 7 und eine mit der zweiten Stromspiegelschaltung 7 in Serie geschaltete dritte Stromspiegelschaltung 8 auf, welche zwischen der zweiten Differenzschaltung 5 und dem ersten Knoten 9 geschaltet sind, um den zweiten Strom I2 an den ersten Knoten 9 zu führen. Vorzugsweise ist die zweite Stromspiegelschaltung als eine npn-Stromspiegelschaltung und die dritte Stromspiegelschaltung 8 als eine pnp-Stromspiegelschaltung ausgebildet.
  • Weiter weist die Schaltung 1 den ersten Knoten 9 auf, an welchem ein Differenzstrom Idiff zwischen dem ersten Strom I1 und dem zweiten Strom I2 gebildet wird. Der Differenzstrom Idiff bildet das Selektionssignal SEL aus, das angibt, ob der erste Regelwert RW1 oder der zweite Regelwert RW2 zur Minimierung der Regeldifferenz zu wählen ist.
  • Durch den identischen Bezugsstrom I3 bei der nachfolgenden Differenzbildung zwischen dem ersten Strom I1 und dem zweiten Strom I2 werden potenzielle störende Offset-Ströme beseitigt.
  • Die Berechnung des Differenzstroms Idiff ergibt sich aus der Differenz der Gleichungen (2) und (1):
    Figure 00080001
  • Für den Differenzstrom Idiff ergibt sich folgender Zusammenhang:
    Figure 00080002
  • Mit der folgenden Definition eines Mittelwertes MW wird die Entscheidung, auf welchen Regelwert entschieden wird, übersichtlicher gestaltet.
    Figure 00080003
  • Ist der Differenzstrom Idiff größer als 0 (vgl Gleichung (4) und (5)), so ist auch der Mittelwert MW größer als die Referenzgröße RefG. Somit ist das Selektionssignal SEL z.B. auf 1 zu setzen und als Regelwert der erste Regelwert RW1 zu wählen. Ist aber der Differenzstrom Idiff kleiner als 0, so ist der Mittelwert MW kleiner als die Referenzgröße RefG, und das Selektionssignal SEL ist nach obigem Beispiel auf 0 zu setzen. Somit ist der zweite Regelwert RW2 zu wählen. Folgender Zusammenhang kann mit unten stehendem Algorithmus kürzer gefasst dargestellt werden: IF Idiff > 0 THEN MW > RefG → SEL = 1 → RW1 ELSE MM < RefG → SEL = 0 → RW2 (6)
  • Die Schaltung 1 stellt somit das Selektionssignal SEL bereit, mit welchem ausgewählt wird, welche der beiden Regelwerte auszuwählen ist, um die Regelungsdifferenz zu minimieren.
  • 3 zeigt ein schematisches Diagramm zur Generierung des ersten und des zweiten Taktsignals gemäß der vorliegenden Erfindung. Das erste Taktsignal CLK1 und das zweite Taktsignal CLK2 werden aus der schwingenden Regelgröße RG abgeleitet. Die Regelgröße RG schwingt im eingeschwungenen Zustand mit einer ersten Periodendauer T. Das erste Taktsignal CLK1 wird an den Maximalwerten der Regelgröße RG mittels des ersten Übertragungsgatters 2 abgeleitet. Das zweite Taktsignal CLK2 wird an den Minimalwerten der Regelgröße RG mittels des zweiten Übertragungsgatters 3 abgeleitet. Das erste Taktsignal CLK1 und das zweite Taktsignal CLK2 weisen wie die Regelgröße RG eine erste Periodendauer T auf. Das zweite Taktsignal CLK2 ist relativ zu dem ersten Taktsignal CLK1 um eine halbe erste Periodendauer T/2 phasenverschoben.
  • Obwohl die vorliegenden Erfindung vorstehend anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weite modifizierbar.
    • 1
    Schaltung
    2
    erstes Übertragungsgatter
    3
    zweites Übertragungsgatter
    4
    erste Differenzschaltung
    5
    zweite Differenzschaltung
    6
    erste Stromspiegelschaltung
    7
    zweite Stromspiegelschaltung
    8
    dritte Stromspiegelschaltung
    9
    erster Knoten
    101, 102
    Vorspannungstransistor
    RG
    Regelgröße
    RW1
    erster Regelwert
    RW2
    zweiter Regelwert
    Clk1
    erstes Taktsignal
    Clk2
    zweites Taktsignal
    K1
    erster Kondensator
    K2
    zweiter Kondensator
    K3
    dritter Kondensator
    RefG
    Referenzgröße
    VS
    Versorgungsspannung
    VorS
    Vorspannung
    SEL
    Selektionssignal
    I1
    erster Strom
    I2
    zweiter Strom
    I3
    Bezugsstrom
    Idiff
    Differenzstrom
    T
    erste Periodendauer
    T/2
    halbe erste Periodendauer
    k
    Konstante
    t
    Zeit

Claims (8)

  1. Schaltung (1) zur Bereitstellung eines Selektionssignals (SEL) für einen Regelwert einer Regelgröße (RG), welche in einem eingeschwungenen Zustand um eine Referenzgröße (RefG) zwischen einem ersten Regelwert (RW1) und einem zweiten Regelwert (RW2) mit einer ersten Periodendauer (T) schwingt, mit: – einer ersten Differenzschaltung (4), welche einen ersten Strom (I1) bereitstellt, der von einer Differenz zwischen dem ersten Regelwert (RW1) und der Referenzgröße (RefG) abhängig ist; – einer zweiten Differenzschaltung (5), welche einen zweiten Strom (I2) bereitstellt, der von einer Differenz zwischen dem zweiten Regelwert (RW2) und der Referenzgröße (RefG) abhängig ist; – einem ersten Knoten (9), an welchem ein Differenzstrom (Idiff) zwischen dem ersten Strom (I1) und dem zweiten Strom (I2) gebildet wird, wobei der Differenzstrom (Idiff) das Selektionssignal (SEL) ausbildet, das angibt, ob der erste Regelwert (RW1) oder der zweite Regelwert (RW2) zur Minimierung der Regeldifferenz zu wählen ist; – einer ersten Stromspiegelschaltung (6), welche zwischen der ersten Differenzschaltung (4) und dem ersten Knoten (9) geschaltet ist, um den ersten Strom (I1) an den ersten Knoten (9) zu führen; und – mit einer zweiten Stromspiegelschaltung (7) und einer mit der zweiten Stromspiegelschaltung (7) in Serie geschalteten dritten Stromspiegelschaltung (8), welche zwischen der zweiten Differenzschaltung (5) und dem ersten Knoten (9) geschaltet sind, um den zweiten Strom (I2) an den ersten Knoten (9) zu führen.
  2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (1) ein erstes Übertragungsgatter (2) zur Bereitstellung des ersten Regelwertes (RW1) aufweist, wobei das erste Übertragungsgatter (2) mit einem ersten Taktsignal (Clk1) getaktet wird, das die erste Periodendauer (T) aufweist.
  3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (1) ein zweites Übertragungsgatter (3) zur Bereitstellung des zweiten Regelwertes (RW2) aufweist, wobei das zweite Übertragungsgatter (3) mit einem zweiten Taktsignal (Clk2) getaktet wird, das die erste Periodendauer (T) aufweist und relativ zu dem ersten Taktsignal (Clk1) um eine halbe erste Periodendauer (T/2) phasenverschoben ist.
  4. Schaltung nach einem oder mehreren der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (1) einen ersten Kondensator (K1) zur Speicherung des ersten Regelwertes (RW1) und einen zweiten Kondensator (K2) zur Speicherung des zweiten Regelwertes (RW2) aufweist.
  5. Schaltung nach einem oder mehreren der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stromspiegelschaltung (6) und die zweite Stromspiegelschaltung (7) jeweils als eine npn-Stromspiegelschaltung ausgebildet sind und die dritte Stromspiegelschaltung (8) als eine pnp-Stromspiegelschaltung ausgebildet ist.
  6. Schaltung nach einem oder mehreren der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (1) einen dritten Kondensator (K3) zur Speicherung des Differenzstroms (Idiff) aufweist.
  7. Schaltung nach einem oder mehreren der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Differenzschaltung (4) und die zweite Differenzschaltung (5) jeweils einen Vorspannungstransistor (101, 102) aufweisen, so dass für den ersten Strom (I1) und für den zweiten Strom (I2) ein identischer Bezugsstrom (I3) bereitgestellt ist.
  8. Schaltung nach einem oder mehreren der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelgröße (RG), der erste Regelwert (RW1) und der zweite Regelwert (RW2) jeweils als eine Spannung ausgebildet sind.
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