DE102005039138B4

DE102005039138B4 - Mittels eines Widerstandes programmierbare und eine Referenzstromquelle aufweisende Schaltung

Info

Publication number: DE102005039138B4
Application number: DE102005039138A
Authority: DE
Inventors: Salvatore Giovanni Pastorina; Wolfgang Horchler
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2005-08-18
Filing date: 2005-08-18
Publication date: 2012-07-12
Anticipated expiration: 2025-08-19
Also published as: US20070052480A1; US7489181B2; DE102005039138A1

Abstract

Mittels eines Widerstandes programmierbare Schaltung, die folgende Merkmale aufweist: – eine Ausgangsklemme (12) zum Anschließen eines Programmierwiderstandes (11), – eine Referenzspannungsquelle (20), die dazu ausgebildet ist, eine Referenzspannung (Vref) an der Ausgangsklemme (12) zu erzeugen, – eine Mess- und Auswerteschaltung (30; 130; 230), die dazu ausgebildet ist, einen an der Ausgangsklemme (12) fließenden Ausgangsstrom (Ik) zu erfassen und ein von dem Ausgangsstrom (Ik) abhängiges Steuersignal (S30; S130_1, S130_2; S230_1, S230_2, S230_3) zu erzeugen, – eine Stromspiegelanordnung, die an einen die Ausgangsklemme (12) enthaltenden Ausgangsstromzweig gekoppelt ist, die einen von dem Ausgangsstrom (Ik) und dem Steuersignal abhängigen Referenzstrom (Iref) bereitstellt, und die einen ersten Stromspiegel (43) mit einem von dem Steuersignal abhängigen Stromspiegelverhältnis aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mittels eines Widerstandes programmierbare und eine Referenzstromquelle aufweisende Schaltung.
Bei derartigen Schaltungen können verschiedene Betriebszustände oder verschiedene Betriebsparameter von einem Benutzer mittels eines externen Widerstandes eingestellt werden. Die Einstellung der Betriebszustände oder Betriebsparameter erfolgt dabei mittels eines von dem Benutzer an eine Ausgangsklemme der Schaltung anzuschließenden externen Widerstandes. Für jeden der unterschiedlichen Betriebszustände oder Betriebsparameter ist dabei ein anderer, in seinem Widerstandswert vorgegebener Widerstand anzuschließen. Die Schaltung ermittelt den Widerstandswert des angeschlossenen Widerstandes und erzeugt abhängig von dem ermittelten Widerstandswert ein Steuersignal, das den Betriebszustand oder Betriebsparameter einstellt. Zur Ermittlung des Widerstandswertes wird eine Referenzspannung über dem externen Widerstand angelegt und der Ausgangsstrom wird ermittelt, der über die Ausgangsklemme den externen Widerstand durchfließt. Die Anzahl der unterschiedlichen Werte, die dieser Ausgangsstrom annehmen kann, entspricht dabei der Anzahl der unterschiedlichen, über den externen Widerstand einstellbaren Betriebszustände bzw. Betriebsparameter.
Neben einer Referenzspannungsquelle, die die über dem externen Widerstand anliegende Referenzspannung erzeugt, werden in solchen Schaltungen üblicherweise auch exakte Referenzströme benötigt. Ein solcher Referenzstrom kann grundsätzlich durch Anlegen einer exakten Referenzspannung an einen ohmschen Widerstand erzeugt werden. Voraussetzung für eine exakte Erzeugung eines Referenzstromes ist es dabei, dass eine Referenzspannung erzeugt wird, die nur geringen Schwankungen unterliegt, und dass der Widerstand exakt den Widerstandswert aufweist, der unter Berücksichtigung der Referenzspannung zur Erzeugung des gewünschten Referenzstromes erforderlich ist. Eine exakte Referenzspannung kann in integrierten Schaltungen beispielsweise mittels einer Bandgap-Schaltung erzeugt werden. Die Herstellung eines ohmschen Widerstandes, dessen Widerstandswert exakt einstellbar ist und nur geringen herstellungsbedingten Schwankungen unterliegt, ist in integrierten Schaltungen allerdings kaum oder nur mit sehr hohem Aufwand möglich.
Zur Erzeugung eines Referenzstromes für integrierte Schaltungen werden daher üblicherweise externe Widerstände verwendet, die mit vergleichsweise geringen herstellungsbedingten Schwankungen, üblicherweise weniger als 1%, herstellbar sind. Das Anschließen eines solchen externen Widerstandes zum Erzeugen eines internen Referenzstromes erfordert allerdings eine zusätzliche Anschlussklemme, deren Realisierung mit einem zusätzlichen Platzaufwand und mit zusätzlichen Kosten verbunden ist.
Die DE 100 33 540 C2 beschreibt eine Einrichtung zum Erzeugen eines Referenzstromes, die einen Ausgang zum Anschließen eines externen Widerstandes und eine Referenzspannungsquelle zum Erzeugen einer Referenzspannung an dem Ausgang aufweist. Diese Schaltung weist außerdem eine Auswerteschaltung auf, die in der Lage ist, ein Entfernen des externen Widerstands zu detektieren und die nach einer solchen Detektion einen durch einen internen Stromspiegel erzeugten Strom als Referenzstrom bereitstellt.
Die GB 2 407 881 A beschreibt eine Schaltungsanordnung mit Stromquellen, die abhängig von einer Spannung über einem externen Widerstand angesteuert sind und jeweils mehrere parallel geschaltete Transistoren aufweisen, die zur Einstellung des durch die Stromquellen erzeugten Stromes selektiv ein- und ausschaltbar sind.
Die US 2003/0 102 932 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung mit einer Ausgangsklemme zum Anschließen eines Widerstandes, einer Referenzspannungsquelle zum Erzeugen einer Referenzspannung an der Ausgangsklemme und mit einer Stromspiegelanordnung. Die Stromspiegelanordnung ist an einen die Ausgangsklemme enthaltenden Ausgangsstromzweig gekoppelt und erzeugt einen von einem Strom im Ausgangsstromzweig abhängigen Strom durch einen Messwiderstand. Eine Spannung über dem an die Ausgangsklemme angeschlossenen Widerstand wird mit einer Spannung über dem Messwiderstand verglichen, wobei während des Vergleichs das Stromspiegelverhältnis des Stromspiegels auf der Ein- oder Ausgangsseite des Stromspiegels zyklisch variiert wird, um den Strom durch den Messwiderstand zu variieren.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine mittels eines Widerstandes programmierbare und eine Referenzstromquelle aufweisende Schaltung zur Verfügung zu stellen, bei welcher zur Erzeugung des Referenzstromes keine zusätzliche Anschlussklemme zum Anschließen eines externen Widerstandes erforderlich ist.
Dieses Ziel wird durch eine mittels eines Widerstandes programmierbare Schaltung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße mittels eines Widerstandes programmierbare Schaltung weist eine Ausgangsklemme zum Anschließen eines Programmierwiderstandes, eine Referenzspannungsquelle, eine Mess- und Auswerteschaltung sowie eine Referenzstromquelle auf. Die Referenzspannungsquelle ist dazu ausgebildet, eine Referenzspannung an der Ausgangsklemme zu erzeugen, und die Mess- und Auswerteschaltung ist dazu ausgebildet, einen an der Ausgangsklemme fließenden Ausgangsstrom zu erfassen und ein von dem Ausgangsstrom abhängiges Steuersignal zu erzeugen. Die Referenzstromquelle der Schaltung weist eine durch das Steuersignal angesteuerte Stromspiegelanordnung auf, die an einen die Ausgangsklemme enthaltenden Ausgangsstromzweig gekoppelt ist und die einen von dem Ausgangsstrom und dem Steuersignal abhängigen Referenzstrom bereitstellt.
Während des Betriebs dieser Schaltung ist ein Programmierwiderstand an die Ausgangsklemme angeschlossen. Das Steuersignal, das von einem an die Ausgangsklemme fließenden Strom abhängig ist, und das bei einer fest vorgegebenen Referenzspannung von dem Widerstandswert des angeschlossenen Programmierwiderstandes abhängig ist, dient in der Schaltung beispielsweise zur Einstellung eines Betriebszustandes oder eines oder mehrerer Betriebsparameter der Schaltung. Die Schaltung ist über diesen Programmierwiderstand somit ”programmierbar”.
Der Programmierwiderstand dient bei der erfindungsgemäßen Schaltung darüber hinaus auch zur Erzeugung des Referenzstromes. Man macht sich hierbei zu Nutze, dass während eines ordnungsgemäßen Betriebs dieser Schaltung nur Widerstände an die Schaltung angeschlossen werden, deren Widerstandswerte für die Schaltung spezifiziert sind und deren Widerstandswerte nur geringen herstellungsbedingten Schwankungen unterliegen. Der verwendete Programmierwiderstand ist vorzugsweise ein diskretes Widerstandselement, das extern an die Schaltung angeschlossen ist. Herstellungsbedingte Schwankungen solcher diskreter Widerstandselemente liegen im Bereich von lediglich 1% und darunter.
Das durch die Mess- und Auswerteschaltung erzeugt Steuersignal enthält eine Information über den an die Ausgangsklemme angeschlossenen Programmierwiderstand und enthält damit eine Information über den an die Ausgangsklemme fließenden Strom. Diese in dem Steuersignal enthaltene Information wird in der Referenzstromquelle genutzt, um mittels einer Stromspiegelanordnung den an die Ausgangsklemme fließenden Strom derart auf einen Referenzstrom abzubilden, dass dieser Referenzstrom einen vorgegebenen Referenzstromwert annimmt.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltung mit einer Ausgangsklemme und einer Mess- und Auswerteschaltung, die einen Strom an die Ausgangsklemme auswertet und die ein Steuersignal bereitstellt, das eine Referenzstromquelle ansteuert.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltung.
3 veranschaulicht Signalpegel ausgewählter Spannungen in der Schaltung gemäß 2 für unterschiedliche Programmierwiderstände.
4 zeigt ein schaltungstechnisches Realisierungsbeispiel für eine durch ein Steuersignal ansteuerbare Stromspiegelanordnung.
5 veranschaulicht Logikpegel ausgewählter Signale in der Schaltung gemäß 4 für unterschiedliche ”Programmierwiderstände”.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltung.
7 zeigt ein schaltungstechnisches Realisierungsbeispiel für ein Detail der Schaltung gemäß 6.
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Schaltungskomponenten und Signale mit gleicher Bedeutung.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen, mittels eines Programmierwiderstandes 11 programmierbaren Schaltung.
Die Schaltungsanordnung weist eine Ausgangsklemme 12 zum Anschließen des Programmierwiderstandes 11 auf. Dieser Programmierwiderstand 11 ist in dem Beispiel zwischen die Ausgangsklemme 12 und ein Bezugspotential GND geschaltet, das auch das Bezugspotential für die weiteren, nachfolgend noch erläuterten Schaltungskomponenten der erfindungsgemäßen Schaltung bildet. In diesem Fall kann der Programmierwiderstand extern, d. h. außerhalb der Schaltung, an das Bezugspotential GND angeschlossen werden.
Sofern das Bezugspotential der Schaltungskomponenten der Schaltung nicht mit einem externen Bezugspotential übereinstimmt, ist der Programmierwiderstand in nicht näher dargestellter Weise über eine weitere Anschlussklemme an das Bezugspotential der Schaltung anzuschließen.
Die Schaltungsanordnung weist eine Referenzspannungsquelle 20 auf, die dazu ausgebildet ist, an der Ausgangsklemme 12 eine Referenzspannung Vref gegen das Bezugspotential GND, an welches der Programmierwiderstand 11 angeschlossen ist, zu erzeugen. Diese Referenzspannungsquelle 20 weist in dem Beispiel einen Stromregler mit einem Operationsverstärker 22 und einem als Regelglied dienenden Transistor 23 auf, wobei der Regeltransistor 23 in Reihe zu dem Programmierwiderstand 11 geschaltet ist. Der Operationsverstärker 22 vergleicht eine über dem Programmierwiderstand 11 anliegende Spannung V11 mit einer durch eine interne Spannungsquelle 21 erzeugten Referenzspannung Vref und regelt einen an die Ausgangsklemme fließenden Ausgangsstrom Ik so ein, dass der Spannungsabfall V11 über dem Programmierwiderstand 11 dem Wert der Referenzspannung Vref entspricht. Diese Spannungsquelle 21 ist in nicht näher dargestellter Weise beispielsweise als Bandgap-Referenz ausgebildet. Eine solche Bandgap-Referenz ist in der Lage, die Referenzspannung Vref präzise mit nur geringsten temperaturbedingten Schwankungen zu erzeugen.
Der Regeltransistor 23 und der Programmierwiderstand 11 sind in dem Beispiel Teil eines Ausgangsstromzweiges, der zwischen eine Klemme für ein Versorgungspotential Vs und das Bezugspotential GND geschaltet ist. Die Laststrecke des Regeltransistors 23 liegt dabei in Reihe zu dem Programmierwiderstand 11 zwischen der Klemme für Versorgungspotential Vs und Bezugspotential GND.
Die Schaltung weist außerdem eine Mess- und Auswerteschaltung 30 auf, die dazu ausgebildet ist, den an die Ausgangsklemme 12 fließenden Ausgangsstrom Ik zu erfassen und ein von diesem Ausgangsstrom Ik abhängiges Steuersignal S30 zu erzeugen. Diese Mess- und Auswerteschaltung 30 weist bei der Schaltung gemäß 1 hierzu eine in den Ausgangsstromzweig geschaltete oder an den Ausgangsstromzweig gekoppelte Strommessanordnung 31 auf, die ein von dem Ausgangsstrom Ik abhängiges Strommesssignal S31 erzeugt. Die Strommessanordnung ist dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass das Strommesssignal S31 proportional zu dem Ausgangsstrom Ik ist.
Das Strommesssignal S31 ist einer Auswerteschaltung 32 zugeführt, die ein von dem Strommesssignal S31 abhängiges Steuersignal S30 erzeugt, das in hinlänglich bekannter Weise zur Einstellung eines Betriebszustandes oder zur Einstellung eines oder mehrerer Betriebsparameter in einem weiteren Teil der Schaltung genutzt werden kann. Diese Vorgehen ist grundsätzlich bekannt, so dass hierauf nicht näher eingegangen wird. Der weitere Teil der Schaltung, in welchem dieses Steuersignal S30 zur Einstellung des Betriebszustandes oder zur Einstellung des/der Betriebsparameter genutzt wird, ist in 1 schematisch als Schaltungsblock dargestellt und mit dem Bezugszeichen 200 bezeichnet.
Das durch die Mess- und Auswerteschaltung 30 erzeugte Steuersignal S30 ist außerdem einer Referenzstromquelle 40 zugeführt. Diese Referenzstromquelle 40 ist dazu ausgebildet, einen Referenzstrom Iref abhängig von diesem Steuersignal S30 zu erzeugen und weist hierzu eine Stromspiegelanordnung auf, die den an die Ausgangsklemme Ik fließenden Strom nach Maßgabe des Steuersignals S30 auf den Referenzstrom Iref abbildet. Das Steuersignal S30 dient dabei zur Einstellung des Stromspiegelfaktors, also zur Einstellung des Faktors, der das Verhältnis zwischen dem an die Ausgangsklemme 12 fließenden Ausgangsstrom Ik und dem Referenzstrom Iref bestimmt. Die Einstellung dieses Stromspiegelfaktors über das Steuersignal S30 erfolgt mit dem Ziel, den Referenzstrom Iref konstant zu halten.
Für den Ausgangsstrom Ik gilt: Ik = Vref/Rext (1).
Mit Rext ist dabei der Widerstandswert des Programmierwiderstandes 11 bezeichnet. Der Referenzstrom Iref ist proportional zu dem Ausgangsstrom Ik und darüber hinaus konstant, es gilt also: Iref = b·Ik = const. (2).
Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass der Ausgangsstrom Ik umgekehrt proportional zum Widerstandswert Rext des Programmierwiderstandes 11 ist, wird der Stromspiegelfaktor b über das Steuersignal S30 so eingestellt, dass der Stromspiegelfaktor b proportional zu dem Widerstandswert Rext des externen Programmierwiderstandes 11 ist. Es gilt also: b ~ Rext (3).
Bei einem derart gewählten Stromspiegelfaktor ist der Referenzstrom Iref proportional zu der Referenzspannung Vref.
Die Referenzstromquelle 40 gemäß 1 weist einen ersten Stromspiegel mit Stromspiegeltransistoren 41, 42 auf. Ein Eingangstransistor 41 dieses Stromspiegels ist als Diode verschaltet und in den Ausgangsstromzweig geschaltet. Ein mit dem Eingangstransistor 41 gekoppelter Ausgangstransistor 42 stellt einen Ausgangsstrom I42 zur Verfügung, der über das Stromspiegelverhältnis dieser beiden Transistoren proportional zu dem Ausgangsstrom Ik ist. Bei einem Stromspiegelverhältnis zwischen Eingangstransistor 41 und Ausgangstransistor 42 von 1:a, wobei a = 1 gelten kann, gilt für diesen Strom I42: I42 = a·Ik (4).
Dieser zu dem Ausgangsstrom Ik proportionale Strom I42 ist einer Strommultiplikationsschaltung 43 zugeführt, die aus diesen zu dem Ausgangsstrom proportionalen Strom I42 nach Maßgabe des Steuersignals S30 den Referenzstrom Iref erzeugt. Dieser Referenzstrom Iref ist in dem Beispiel auf Bezugspotential GND bezogen und kann mittels herkömmlicher Stromspiegelschaltungen abgegriffen werden, um zu diesem Referenzstrom Iref proportionale Referenzströme durch beliebige in der Schaltung vorkommende Lasten zu erzeugen. Mit den Bezugszeichen 210, 211 sind in 1 die Transistoren eines solchen Stromspiegels bezeichnet, der den Referenzstrom Iref auf eine Last 212 abbildet, die in Reihe zu dem Ausgangstransistor 211 dieses Stromspiegels geschaltet ist.
Über das Steuersignal S30 wird der Multiplikationsfaktor der Strommultiplikationsschaltung 43 so eingestellt, dass der Referenzstrom Iref konstant ist. Dies wird dadurch erreicht, dass der Multiplikationsfaktor unter Berücksichtigung des Multiplikationsfaktors a des Stromspiegels 41, 42 proportional zu dem Widerstandswert Rext des Programmierwiderstandes 11 ist. Die Information über den Widerstandswert Rext des angeschlossenen Programmierwiderstandes 11 erhält die das Steuersignal S30 erzeugende Auswerteschaltung 32 aus dem zu dem Ausgangsstrom proportionalen Strommesssignal S31.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung mit einer Mess- und Auswerteschaltung 130, die zwei Steuersignale S30_1, S30_2 erzeugt, die der Steuerschaltung 43 der Referenzstromquelle 40 zugeführt sind. Diese beiden Steuersignale S30_1, S30_2 sind in dem Beispiel Ausgangssignale von Komparatoren 134, 135 und können jeweils zwei Signalzustände, einen High-Pegel und einen Low-Pegel annehmen. Diese beiden Steuersignale S30_1, S30_2 bilden ein digitales Steuersignal der Länge 2 bit, es gilt also: S30 = [S30_1, S30_2] (5).
Für die nachfolgende Erläuterung wird davon ausgegangen, dass ein High-Pegel des jeweiligen Steuersignals eine logische Eins und Low-Pegel des jeweiligen Steuersignals einen logische Null repräsentiert.
Die Mess- und Auswerteschaltung 130 ist dazu ausgebildet, die Steuersignale S30_1, S30_2 abhängig von dem Ausgangsstrom Ik zu erzeugen. Die Mess- und Auswerteschaltung 130 umfasst hierzu einen Stromspiegeltransistor 136, der an den in dem Ausgangsstromzweig verschalteten und als Diode verschalteten Stromspiegeltransistor 41 gekoppelt ist. Ein diesen Stromspiegeltransistor 136 der Mess- und Auswerteschaltung 130 durchfließender Strom I136 steht über das Stromspiegelverhältnis der beiden Stromspiegeltransistoren 41, 136 zu dem Ausgangsstrom Ik in Beziehung. Für ein Stromspiegelverhältnis von 1:c gilt für diesen Strom I136: I136 = c·Ik (6).
Dieser Strom I136 bewirkt an einem in Reihe zu dem Stromspiegeltransistor 136 geschalteten Messwiderstand 131 einen Spannungsabfall V131, der mittels der Komparatoren 134, 135 mit zwei Referenzspannungen verglichen wird. Der erste Komparator 134 vergleicht diesen Spannungsabfall V131 mit einer ersten Referenzspannung Vref2 die durch eine nicht näher dargestellte Referenzspannungsquelle erzeugt wird. Der Referenzspannungswert Vref3, mit welchem der Spannungsabfall V131 durch den zweiten Komparator 135 verglichen wird, wird mittels eines Spannungsteilers 132, 133 aus der ersten Referenzspannung Vref2 erzeugt. Für diese zweite Referenzspannung Vref3 gilt dabei: Vref3 = Vref2·R132/(R132 + R133) (7).
Mit R132, R133 sind dabei die Widerstandswerte der Spannungsteilerwiderstände 132, 133 bezeichnet.
Das 2-bit-Steuersignal am Ausgang der Mess- und Auswerteschaltung 130 kann drei unterschiedliche Werte annehmen. Das Steuersignal nimmt einen ersten Wert S30 = [0,0] an, wenn der Spannungsabfall V131 kleiner ist als der zweite Referenzwert Vref3. Das Steuersignal nimmt einen zweiten Wert S30 = [0,1] an, wenn der Spannungsabfall V131 größer als der zweite Referenzwert Vref3, jedoch kleiner als der erste Referenzwert Vref2 ist, und das Steuersignal nimmt einen dritten Wert S30 = [1,1] an, wenn der Spannungsabfall V131 größer als der erste Referenzwert Vref2 ist.
Die dargestellte Mess- und Auswerteschaltung 130 eignet sich für Schaltungen, bei denen mittels des externen Widerstandes 11 drei unterschiedliche Betriebszustände bzw. Parameter programmierbar sind. Zur Programmierung dieser drei Betriebszustände oder Parameter werden unterschiedliche, bezüglich ihrer Widerstandswerte jedoch fest vorgegebene externe Widerstände 11 mit zueinander unterschiedlichen, jedoch fest vorgegebenen Widerstandswerten an die Ausgangsklemme 12 angeschlossen. Die einzelnen Widerstandswerte dieses externen Widerstandes Rext, die zur Einstellung der einzelnen Betriebszustände bzw. Betriebsparameter verwendet werden, werden nachfolgend mit R1, R2, R3 bezeichnet, wobei R1 > R2 > R3 gilt.
Der Ausgangsstrom Ik nimmt bei einer vorgegebenen Referenzspannung Vref drei unterschiedliche Werte an, für die gilt: Ik_i = Vref/Ri mit i = 1, 2, 3 (8).
Das Stromspiegelverhältnis der beiden Transistoren 41, 136, der Widerstandswert des Messwiderstandes 131 sowie die beiden Referenzspannungen Vref2, Vref3 müssen so auf diese drei möglichen Ausgangsströme Ik_i abgestimmt sein, dass diese drei unterschiedlichen Ausgangsströme auf unterschiedliche Steuersignale abgebildet werden.
3 veranschaulicht grafisch das Verhältnis der drei möglichen Spannungsabfälle V131_i = c·Ik_i·R131 mit i = 1, 2, 3 (9) über dem Messwiderstand 131 im Verhältnis zu den Referenzspannungen. Die zweite Referenzspannung Vref3 muss größer sein als der durch den Messstrom I136 = c·Ik_i an dem Messwiderstand 131 hervorgerufene Spannungsabfall, dieser zweite Referenzwert Vref3 muss jedoch kleiner sein als ein durch den zweiten Ausgangsstrom Ik_2 an dem Messwiderstand 131 hervorgerufener Spannungsabfall. Und der erste Referenzwert Vref2 muss kleiner sein als ein durch den dritten Ausgangsstrom Ik_3 hervorgerufener Spannungsabfall an dem Messwiderstand 131.
4 zeigt ein schaltungstechnisches Realisierungsbeispiel für eine Strommultipliziererschaltung 43, die den Referenzstrom Iref abhängig von dem Ausgangsstrom Ik und dem Steuersignal S30 erzeugt. Dieser Multipliziererschaltung ist der zu dem Ausgangsstrom Ik proportionale Strom a·Ik zugeführt. Die Multipliziererschaltung 43 weist einen Stromspiegel mit einer Eingangsstufe und einer Ausgangsstufe auf. Die Eingangsstufe weist drei Eingangstransistoren 432, 434, 436 auf, die in dem Beispiel jeweils als n-Kanal-MOS-Transistoren realisiert sind, die als Dioden verschaltet sind. Diese Eingangstransistoren 432, 434, 436 sind jeweils mit einem Ausgangstransistor 44, der ebenfalls als n-Kanal-MOS-Transistor ausgebildet ist, gekoppelt. Dieser Ausgangstransistor 44 wird während des Betriebs von dem Referenzstrom Iref durchflossen.
Die Eingangstransistoren 432, 434, 436 sind abhängig von dem Steuersignal S30 aktivierbar und deaktivierbar. Hierzu sind jeweils in Reihe zu den einzelnen Eingangstransistoren steuerbare Schalter 433, 435, 437 geschaltet, die abhängig von deren Schaltzustand einen Stromfluss durch den jeweiligen Eingangstransistor 432, 434, 436 ermöglichen oder den jeweiligen Eingangstransistor sperren. Über diese Schalter 433, 435, 437, die durch eine Steuerschaltung 431 abhängig von dem Steuersignal S30 angesteuert werden, ist das Stromspiegelverhältnis des Stromspiegels und damit der Multiplikationsfaktor, mit dem der Eingangsstrom a·Ik zur Erzeugung des Referenzstromes multipliziert wird, einstellbar. Das Stromspiegelverhältnis ist gegeben durch die Transistorfläche der aktivierten Eingangstransistoren 432, 434, 436 zur Transistorfläche des Ausgangstransistors 44.
Um den Referenzstrom Iref für die drei unterschiedlichen Ausgangsströme Ik jeweils auf einen konstanten Wert einstellen zu können, sind drei unterschiedliche Stromspiegelverhältnisse einstellbar, die nachfolgend mit m_i:1 bezeichnet werden, wobei i = 1, 2, 3 gilt. Für den Referenzstrom Iref gilt: Iref = 1/m_i·a·Ik_i (10).
Der Wert 1/m_i wird nachfolgend als Stromspiegelfaktor bezeichnet, der die Abbildung des Eingangsstromes a·Ik auf den Referenzstrom Iref bestimmt. Um für unterschiedliche Eingangswiderstände (11 in 2) einen konstanten Ausgangsstrom Iref zu erzeugen sind unterschiedliche Stromspiegelfaktoren einstellbar, die jeweils proportional zu den unterschiedlichen Eingangswiderständen sind. Die einzelnen Stromspiegelfaktoren stehen zueinander im selben Verhältnis wie die externen Widerstände, es gilt also: R1:R2:R3 = m_1^–1:_m2^–1:m_3^–1 (11).
Bei dem größten externen Widerstand R1 fließt der kleinste Ausgangsstrom Ik_1, der Stromspiegelfaktor m_1^–1 muss damit am größten sein, um den Referenzstrom Iref zu erzeugen, während bei dem kleinsten Ausgangswiderstand R3 und dem damit größten Ausgangsstrom Ik_3 der Stromspiegelfaktor m_3^–1 am kleinsten sein muss.
Die unterschiedlichen Stromspiegelfaktoren lassen sich bei der Multipliziererschaltung 43 dadurch erzeugen, dass drei unterschiedliche Eingangstransistoren 432, 434, 436 vorgesehen sind, deren Flächen in unterschiedlichen Verhältnissen zu dem Ausgangstransistor 44 stehen und von denen über die Steuersignale S433, S435, S437 nur jeweils einer aktiviert wird. Für das Flächenverhältnis zwischen dem ersten Eingangstransistor 432 und dem Ausgangstransistor gilt m_1:1, für das Verhältnis zwischen dem zweiten Transistor 434 und dem Ausgangstransistor 44 gilt m_2:1 und für das Verhältnis zwischen dem dritten Transistor 436 und dem Ausgangstransistor 44 gilt m_3:1. Die Transistorfläche des ersten Transistor 432 ist damit kleiner als die Transistorflächen der beiden anderen Transistoren 434, 436.
Die Steuerschaltung 431 ist eine Logikschaltung, die das 2-Bit-Steuersignal S30 auf die Schaltersteuersignale S433, S435, S437 abbildet. Die Abbildungsfunktion, mit der diese Logikschaltung das Steuersignal abbildet wird anhand der Tabelle in 5 deutlich.
Bei einem Steuersignal S30 = [0,0], das dann vorliegt, wenn der externe Widerstand den größten Wert besitzt, wird der Schalter 433 geschlossen, um den größten der drei möglichen Stromspiegelfaktoren m_1^–1 einzustellen. In entsprechender Weise wird bei einem Steuersignal S30 = [1,1], das dann erreicht wird, wenn der kleinste der drei möglichen Eingangswiderstände angeschlossen wird, der dritte Schalter 437 geschlossen, um den kleinsten der drei möglichen Stromspiegelfaktoren einzustellen.
Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, zur Einstellung der unterschiedlichen Stromspiegelfaktoren mehrere der Eingangstransistoren zu aktivieren. Zu beachten ist hierbei, dass die Gesamtfläche der aktivierten Eingangstransistoren in dem gewünschten Verhältnis zur Fläche des Ausgangstransistors stehen muss, um den zur Erzielung eines konstanten Ausgangsstromes Iref erforderlichen Stromspiegelfaktor einzustellen.
Die zuvor erläuterte Strommultiplikationsschaltung 43 gemäß 4 ist auf einfache Weise durch Hinzufügen weiterer Eingangstransistoren der Stromspiegelanordnung erweiterbar, um mehr als drei unterschiedliche Multiplikationsfaktoren einstellen zu können. Entsprechend ist die Auswerteschaltung 130 gemäß 2 auf einfache Weise durch Hinzufügen weiterer Komparatoren und durch Erweiterung des Spannungsteilers erweiterbar, um mehr als drei unterschiedliche, zu dem Ausgangsstrom Ik proportionale Messspannungen V131 unterscheiden zu können und ein Steuersignal mit mehr als 2 Bit zu erzeugen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung ist in 6 dargestellt. Diese Schaltung weist einen Stromspiegel 240 mit einem nach Maßgabe eines digitalen Steuersignals S230 einstellbaren Stromspiegelfaktor auf. An einem Ausgang dieses Stromspiegels 240 steht der Referenzstrom Iref zur Verfügung. Das Steuersignal S230 ist in dem Beispiel ein 3-Bit-Steuersignal für das gilt: S230 = [S230_1, S230_2, S230_3] (12).
Dieser Stromspiegel 240 weist in dem Beispiel vier Eingangstransistoren 241_0, 241_1, 241_2, 241_3 auf, die unmittelbar in den Ausgangsstrompfad geschaltet sind, wobei einer der Eingangstransistoren 241_0 permanent in den Ausgangsstrompfad geschaltet ist, während die übrigen Eingangstransistoren 241_1, 241_2, 241_3 nach Maßgabe des Steuersignals S230 in den Ausgangsstrompfad geschaltet werden, um dadurch das Stromspiegelverhältnis bzw. den Stromspiegelfaktor einzustellen.
Das Steuersignal S230 wird durch eine Mess- und Auswerteschaltung 230 erzeugt, die einen weiteren Stromspiegel und drei Vergleicher aufweist. Dieser Stromspiegel weist einen Eingangstransistor 234 und drei Ausgangstransistoren 235_1, 235_2, 235_3 auf. Der Eingangstransistor 234 wird durch einen Strom I234 durchflossen, der in dem Beispiel dem Ausgangsstrom Ik entspricht, der aber lediglich proportional zu dem Ausgangsstrom Ik sein muss. Der Eingangsstromzweig dieses Stromspiegels weist einen zweiten Regeltransistor 233 auf, der über den Operationsverstärker 22 der Referenzspannungsquelle entsprechend des ersten Regeltransistors 23 angesteuert ist. In Reihe zu diesem zweiten Regeltransistor 233 ist ein weiterer Regeltransistor 232 geschaltet, der über einen weiteren Operationsverstärker 231 derart angesteuert ist, dass eine Spannung zwischen dem dem zweiten Regeltransistor Transistor 233 und dem weiteren Regeltransistor 232 gemeinsamen Knoten und der Ausgangsklemme 12 gleich Null ist. In diesem Fall ist der Ausgangsstrom Ik gleich dem Strom I234 in dem Eingangsstrompfad des Stromspiegels.
Dieser in dem Eingangsstrompfad der Stromspiegelanordnung 230 fließende Strom Ik wird über die Ausgangstransistoren 235_1, 235_2, 235_3 auf gleiche Ausgangsströme c·Ik abgebildet. Die Ausgangstransistoren 235_1, 235_2, 235_3 sind jeweils in Reihe zu Stromquellen 236_1, 236_2, 236_3 geschaltet, wobei ein Ausgangstransistor und eine in Reihe dazu geschaltete Stromquelle jeweils einen Vergleicher bilden. Die Ausgänge dieser Vergleicher werden jeweils durch die dem Ausgangstransistor 235_1, 235_2, 235_3 und der Stromquelle 236_1, 236_2, 236_3 gemeinsamen Knoten gebildet. Das Potential an diesem Ausgangsknoten wird jeweils einem invertierendem Puffer 237_1, 237_2, 237_3 zugeführt, an dessen Ausgang die einzelnen Komponenten S230_1, ..., S230_3 des Steuersignals S230 anliegen.
Das jeweilige Steuersignal S230_i nimmt dann einen High-Pegel an, wenn der aus dem Ausgangsstrom Ik abgeleitete Strom c·Ik größer ist als der von der Stromquelle 236_1, ..., 236_3 des jeweiligen Vergleichers gelieferte Strom. Diese von den Stromquellen gelieferten Ströme sind jeweils so auf die möglichen Ausgangsströme Ik abgestimmt, dass sich vier unterschiedliche externe Widerstände 11 bzw. vier unterschiedliche Ausgangsströme Ik_i mit i = 1, 2, 3, 4 unterscheiden lassen. Das Steuersignal S230 nimmt einen ersten Wert [0,0,0] an, wenn der Ausgangsstrom Ik beim größten Widerstandswert des externen Widerstandes seinen kleinsten Stromwert annimmt. Dieser kleinste Stromwert ist kleiner als die von den Stromquellen 236_1, ..., 236_3 gelieferten Ströme. Das Steuersignal S230 nimmt einen zweiten Wert S230 = [1,0,0] an, wenn der abgebildete Strom c·Ik größer als der von der ersten Stromquelle 236_1 gelieferte Strom jedoch kleiner als die Ströme der zweiten und dritten Stromquellen 236_2, 236_3 ist. Ein dritter Steuersignalwert S230 = [1,1,0] liegt vor, wenn der abgebildete Strom c·Ik größer als der von der zweiten Stromquelle 236_2 gelieferte Strom, jedoch kleiner als der von der dritten Stromquelle 236_3 gelieferte Strom ist. Und ein dritter Steuersignalwert S230 = [1,1,1] wird angenommen, wenn der abgebildete Strom c·Ik größer als der von der dritten Stromquelle 236_3 gelieferte Strom ist.
In dem dargestellten Beispiel werden die Eingangstransistoren 241_1, 241_2, 241_3 mit größer werdendem Ausgangsstrom Ik und damit kleiner werdendem Programmierwiderstand aktiviert. Beim größten der vier zulässigen Widerstandswerte ist lediglich der erste Eingangstransistor 241_0 aktiviert, während beim kleinsten möglichen Widerstandswert alle vier Eingangstransistoren 241_0, ..., 241_3 aktiviert sind.
Die Flächenverhältnisse dieser Eingangstransistoren sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass sich für vier unterschiedliche Ausgangsströme Ik jeweils ein konstanter Referenzstrom Iref ergibt. Es sei beispielsweise angenommen, dass für die Widerstandswerte R1, R2, R3, R4 des externen Widerstandes 11 gilt: R1 = 2¹·R2 = 2²·R3 = 2³·R4 (13), dass sich die einzelnen Widerstände also jeweils durch ganzzahlige Potenzen von 2 voneinander unterscheiden und dass sich zu jedem der Widerstandswerte der nächstgrößere Widerstandswert jeweils um den Faktor 2 unterscheidet.
Die gewünschten Stromspiegelfaktoren lassen sich in diesem Fall durch sukzessives Zuschalten der Eingangstransistoren 241_1, 241_2, 241_3 dann erzeugen, wenn für die Flächenverhältnisse dieser Transistoren gilt: 1:m:n:p = 1:1:2:4 (14).
Die Eingangstransistoren 241_1, ..., 241_3 sind bei der Schaltung gemäß 6 in Reihe zu Aktivierungstransistoren 242_1, ..., 242_3 geschaltet, die jeweils durch die Steuersignale S230_1, ..., S230_3 angesteuert sind.
Bezug nehmend auf 7 lassen sich die verschiedenen Transistorflächen der Eingangstransistoren in hinlänglich bekannter Weise dadurch realisieren, dass mehrere Transistoren mit jeweils gleicher Transistorfläche parallel geschaltet werden.
Bei der Schaltung nach 6 sind die Eingangstransistoren unmittelbar in den Ausgangsstrompfad geschaltet, wodurch die Summe der Ströme durch die jeweils nach Maßgabe des Steuersignals S30 aktivierten Eingangstransistoren dem Ausgangsstrom entspricht. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, eine weitere der Anordnung mit den Regeltransistoren 232, 233 und dem Operationsverstärker 231 entsprechende Anordnung bereitzustellen, die ein Abbild des Ausgangsstromes erzeugt und die Eingangstransistoren in Reihe zu dieser weiteren Anordnung zu schalten.
In der bisherigen Beschreibung wurde davon ausgegangen, dass zur Einstellung unterschiedlicher Stromspiegelfaktoren der Stromspiegelanordnungen 40 (1), 240 (6) die Anzahl der Eingangstransistoren eines Stromspiegels variiert wird. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, den Stromspiegelfaktor dadurch zu variieren, dass nur ein Eingangstransistor jedoch mehrere nach Maßgabe des Steuersignals aktivierbare Ausgangstransistoren vorgesehen werden. Auch Mischformen sind anwendbar, die mehrere Eingangs- und mehrere Ausgangstransistoren umfassen, die jeweils nach Maßgabe des Steuersignals aktiviert werden.
Bezugszeichenliste

11: externer Widerstand
12: Ausgangsklemme
20: Referenzspannungsquelle
200: Steuerschaltung
21: Referenzspannungsquelle
22: Operationsverstärker
23: Regeltransistor
30: Mess- und Auswerteschaltung
31: Strommessanordnung
32: Auswerteschaltung
40: Referenzstromquelle
41, 42: Stromspiegeltransistoren
43: Strom-Multipliziererschaltung
44: Stromspiegel-Ausgangstransistor
131: Strommesswiderstand
132, 133: Spannungsteilerwiderstände
134, 135: Komparatoren
136: Stromspiegeltransistor
210: Stromspiegel-Eingangstransistor
211: Stromspiegel-Ausgangstransistor
212: Last
230: Mess- und Auswerteschaltung
231: Operationsverstärker
232: Regeltransistor
233: Regeltransistor
234: Stromspiegel-Eingangstransistor
235_1, 235_2, 235_3: Stromspiegel-Ausgangstransistoren
236_1, 236_2, 236_3: Stromquellen
237_1, 237_2, 237_3: invertierende Puffer
240: Stromspiegelschaltung
241_0, 241_1, 241_2, 241_3: Stromspiegel-Eingangstransistoren
242_1, 242_2, 242_3: Aktivierungstransistoren
244: Ausgangstransistor
431: Steuerschaltung
432, 434, 436: Stromspiegel-Eingangstransistor
433, 435, 437: Schalter
d, c, m, n, p, m_1, m_2, m_3: Transistorflächenverhältnisse
GND: Bezugspotential
I234: Eingangsstrom
I136: Strom durch den Stromspieltransistor 136
I42: Ausgangsstrom des Stromspiegels
Ik: Ausgangsstrom
Iref: Referenzstrom
Rext: Widerstandswert des externen Widerstandes
S230, S230_1, S230_2, S230_3: Steuersignale
S30: Steuersignal
S30_1, S30_2: Steuersignale
S31: Strommesssignal
S433, S435, S437: Steuersignale
V11: Spannungsabfall über dem externen Widerstand
V131: Spannungsabfall über dem Messwiderstand 131
Vref: Referenzspannung
Vref2: Referenzspannung
Vref3: Referenzspannung
Vs: Versorgungspotential

Claims

Mittels eines Widerstandes programmierbare Schaltung, die folgende Merkmale aufweist: – eine Ausgangsklemme (12) zum Anschließen eines Programmierwiderstandes (11), – eine Referenzspannungsquelle (20), die dazu ausgebildet ist, eine Referenzspannung (Vref) an der Ausgangsklemme (12) zu erzeugen, – eine Mess- und Auswerteschaltung (30; 130; 230), die dazu ausgebildet ist, einen an der Ausgangsklemme (12) fließenden Ausgangsstrom (Ik) zu erfassen und ein von dem Ausgangsstrom (Ik) abhängiges Steuersignal (S30; S130_1, S130_2; S230_1, S230_2, S230_3) zu erzeugen, – eine Stromspiegelanordnung, die an einen die Ausgangsklemme (12) enthaltenden Ausgangsstromzweig gekoppelt ist, die einen von dem Ausgangsstrom (Ik) und dem Steuersignal abhängigen Referenzstrom (Iref) bereitstellt, und die einen ersten Stromspiegel (43) mit einem von dem Steuersignal abhängigen Stromspiegelverhältnis aufweist.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der der erste Stromspiegel (43) wenigstens zwei Eingangstransistoren (432, 434, 436; 241_0, ..., 241_3) und wenigstens einen Ausgangstransistor (44; 244) aufweist, wobei die Eingangstransistoren abhängig von dem Steuersignal (S30) aktiviert oder deaktiviert sind.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der der erste Stromspiegel wenigstens zwei Ausgangstransistoren und wenigstens einen Eingangstransistor aufweist, wobei die Ausgangstransistoren abhängig von dem Steuersignal (S30) aktiviert oder deaktiviert sind.
Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Eingangstransistoren (241_0, ..., 241_3) des Stromspiegels (240) in den Ausgangsstrompfad geschaltet sind.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Stromspiegelanordnung (40) einen zweiten Stromspiegel (41, 42) aufweist, der einen zu dem Ausgangsstrom (Ik) proportionalen Strom (a·Ik) erzeugt, der dem ersten Stromspiegel als Eingangsstrom zugeführt ist.
Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Mess- und Auswerteschaltung (30; 230) ein binäres Steuersignal (S30) bereitstellt.
Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der in dem ersten Stromspiegel (43) Schaltelemente (433, 435, 437) in Reihe zu den wenigstens zwei Eingangstransistoren oder in Reihe zu den wenigstens zwei Ausgangstransistoren geschaltet sind, die nach Maßgabe des Steuersignals (S30) angesteuert sind.
Schaltung nach Anspruch 7, bei der der erste Stromspiegel eine Logikschaltung (431) aufweist, dem das Steuersignal (S30) zugeführt ist und der Aktivierungssignale (S433, S435, S437) für die Schaltelemente (433, 435, 437) abhängig von dem Steuersignal erzeugt.
Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche bei der die Mess- und Auswerteschaltung aufweist: – eine Strommessanordnung (31), die ein von dem Ausgangsstrom abhängiges Strommesssignal (S31; V131; c·Ik) bereitstellt, – eine Auswerteschaltung mit wenigstens einem Vergleicher, der das Strommesssignal mit wenigstens einem Referenzwert vergleicht, die abhängig von diesem Vergleich das Steuersignal (S30) erzeugt.