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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine steuerbare Stromquelle, oftmals
auch als "Charge
Pump" bezeichnet,
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung
integrierte Schaltungsanordnungen, in welchen eine derartige Stromquelle verwendet
wird.
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Eine
steuerbare Stromquelle ist beispielsweise aus der
EP 1 037 366 A2 bekannt
und umfasst zwei Versorgungsanschlüsse zum Anlegen von zwei Versorgungspotentialen
sowie einen Ausgangsanschluss zur Abgabe eines Ausgangsstroms, wobei der
Ausgangsanschluss über
einen ersten ansteuerbaren Strompfad mit dem einen der Versorgungsanschlüsse und über einen
zweiten ansteuerbaren Strompfad mit dem anderen der beiden Versorgungsanschlüsse verbunden
ist.
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Die
Aufgabe einer derartigen Stromquelle besteht darin, abhängig von
Eingangssignalen (Stromsteuersignale) einen Ausgangsstrom an einem
Ausgangsanschluss bereitzustellen, der positiv oder negativ sein
kann, d.h. vom Ausgangsanschluss heraus oder hinein fließen kann.
Bei den Stromsteuersignalen handelt es sich oftmals um zwei digitale Spannungssignale,
wobei eines der Signale ("Up-Signal") zur Abgabe eines
positiven Stroms aktiviert wird und das andere der Stromsteuersignale ("Down-Signal") zur Abgabe eines
negativen Stroms aktiviert wird.
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Ein
genereller Nachteil bei bekannten Stromquellen dieser Art besteht
darin, dass über
deren Strompfade auch im ausgeschalteten Zustand ein mehr oder weniger
großer
Leckstrom fließt
und eine sich ergebende Leckstromdifferenz das Ausgangssignal verfälscht. Bei
der aus der
EP 1 037
366 A2 bekannten Stromquelle besteht ein zusätzlicher
Nachteil darin, dass zur Ausbildung der ansteuerbaren Strompfade
jeweils eine Reihenschaltung aus Transistoren vorgesehen ist, so
dass die Schaltungsanordnung eine relativ große Versorgungsspannung (Differenz
zwischen den beiden Versorgungspotentialen) benötigt. Der Trend bei mikroelektronischen Schaltungen
geht jedoch zu immer kleineren Versorgungsspannungen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine steuerbare Stromquelle
der eingangs genannten Art hinsichtlich der Qualität des Ausgangssignals
zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine steuerbare Stromquelle nach Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche betreffen
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Für die Erfindung
wesentlich ist, dass die steuerbare Stromquelle ferner eine Replik
der Strompfade in deren nicht-angesteuerten Zustand aufweist, von
welcher ein Replikausgangsanschluss über einen Stromspiegel mit
dem Ausgangsanschluss verbunden ist. Damit ist es möglich, etwaige Leckströme, die
das Ausgangssignal der Stromquelle verfälschen würden, zu kompensieren. Der
Begriff "Replik" bezeichnet hierbei
einen Schaltungsteil der integrierten Schaltung, welcher im Wesentlichen
die gleichen elektrischen Eigenschaften wie die zur Erzeugung des
Ausgangsstroms vorgesehenen Strompfade in deren nicht-angesteuerten
Zustand aufweist. Bevorzugt wird als Replik einfach eine identische
Kopie dieser Strompfade vorgesehen.
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Die
Aufgabe der Replik ist es, an deren replizierten Strompfaden Leckströme bereitzustellen,
die denjenigen der "originalen" Strompfade entsprechen. Somit
wird am Replikausgangsanschluss eine replizierte Leckstromdifferenz
bereitgestellt, die der das Ausgangssignal verfälschenden Differenz der "originalen Leckströme" entspricht.
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Der
Stromspiegel sorgt dafür,
dass die an der Replik erzeugte Leckstromdifferenz vorzeichenrichtig am
Ausgangsanschluss überlagert
wird, so dass an dieser Stelle eine Leckstromkompensation stattfindet.
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Die
beiden ansteuerbaren Strompfade können in an sich bekannter Weise
von einem Transistor, insbesondere von einem Feldeffekttransistor
(FET), gebildet sein, an dessen Steuereingang ein Stromsteuersignal
angelegt wird.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist in jedem Strompfad genau ein Transistor bzw. dessen steuerbarer
Transistorkanal angeordnet. Diese Ausführung besitzt den Vorteil,
dass die Stromquelle problemlos mit einer relativ niedrigen Versorgungsspannung
(z. B. kleiner als 3V) betrieben werden kann. Außerdem ergibt sich vorteilhaft ein
besonders großer
Aussteuerbereich ("Output Swing") der Stromquelle.
Bei dieser Gestaltung sind zwar die Leckströme bzw. die sich auf das Ausgangssignal
auswirkende Leckstromdifferenz prinzipiell größer, werden jedoch durch die
erfindungsgemäße Anordnung
einer Replik kompensiert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
werden die ansteuerbaren Strompfade jeweils von einem digitalen
Stromsteuersignal ("Up-Signal" und "Down-Signal") angesteuert. Wenn
der Strompfad einen Transistor umfasst oder aus einem Transistor
besteht, so kann das digitale Stromsteuersignal z. B. bewirken,
dass der Steueranschluss (z. B. Gate-Anschluss) des Transistors
zum Ausschalten des Transistors mit einem Kanalanschluss verbunden
wird und zum Einschalten des Transistors mit einem vorgegebenen
Einstellpotential verbunden wird. Dieses Einstellpotential kann
z. B. am Steueranschluss eines von einem Referenzstrom durchflossenen
Transistors bereitgestellt werden. Das in Abhängigkeit vom digitalen Stromsteuersignal
wahlweise Verbinden des Steueranschlusses des Strompfadtransistors
mit verschiedenen Potentialen kann wiederum in einfacher Weise durch
eine Schalttransistoranordnung implementiert werden.
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Die
integrierte Schaltungsanordnung kann z. B. in CMOS-Technologie gebildet
sein, wobei die beiden Strompfade von FETs mit unterschiedlichem
Leitungstyp gebildet sind.
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Bei
den beiden Versorgungspotentialen der steuerbaren Stromquelle handelt
es sich bevorzugt um Versorgungspotentiale der integrierten Schaltung.
Es ist jedoch prinzipiell denkbar, dass wenigstens eines der beiden
Versorgungspotentiale der Stromquelle aus einem geeigneten Versorgungspotential
der Gesamtschaltung abgeleitet wird.
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Für die Ausbildung
des bei der Erfindung verwendeten Stromspiegels kann der Fachmann
auf zahlreiche an sich bekannte Konzepte zurückgreifen. In einer bevorzugten
Ausführungsform
umfasst der Stromspiegel eine erste Reihenschaltung aus Transistoren,
die über
einen ersten Schaltungsknoten miteinander verbunden sind, an welchem
der Replikausgangsstrom eingespeist wird, und eine zweite Reihenschaltung
aus Transistoren, die über
einen zweiten Schaltungsknoten miteinander verbunden sind, welcher
einen Ausgangsanschluss des Stromspiegels bildet, wobei Steuereingänge der
Transistoren für
die gewünschte
Stromspiegelung paarweise miteinander verbunden sind.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die integrierte Schaltung einen Phasenregelkreis
umfasst, in welchem eine steuerbare Stromquelle der oben beschriebenen
Art zur zumindest mittelbaren Steuerung eines steuerbaren Oszillators des
Phasenregelkreises vorgesehen ist. Die mit der erfindungsgemäßen Leckstromkompensation
erreichte Qualitätsverbesserung
der Stromquelle führt in
diesem Fall zu einer beträchtlichen
Verbesserung der Eigenschaften des betreffenden Phasenregelkreises.
Aus diesem Grund ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Stromquelle
in einem Phasenregelkreis ein in der Praxis besonders interessanter
Anwendungsfall.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung, bei welcher die steuerbare Stromquelle
zur Ansteuerung eines spannungsgesteuerten Oszillators vorgesehen ist
(z. B. als Komponente eines Phasenregelkreises), ist es vorteilhaft,
wenn eine Versorgungsspannung des Stromspiegels abhängig von
einer Spannung oder einem Potential eingestellt wird, welches im
Bereich des Oszillators abgegriffen wird. Mit dieser Maßnahme ist
es möglich,
während
des Betriebs des Oszillators auftretende Potentialschwankungen an einem
Oszillator-Steuereingang, bei der Erzeugung des Kompensationsstroms
bzw. der Stromspiegelung zu berücksichtigen.
In diesem Zusammenhang ist zu bedenken, dass die durch die ansteuerbaren Strompfade
der Stromquelle fließenden
Leckströme in
der Praxis mehr oder weniger stark vom Potential des Ausgangsknotens
abhängen.
Daher ist es günstig,
wenn mittels der erwähnten
Einstellung an dem Stromspiegel dafür gesorgt wird, dass auch die
Replik der beiden Strompfade solche Potentialschwankungen "sieht".
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
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1 ein
Blockschaltbild eines Phasenregelkreises (PLL),
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2 eine
im Phasenregelkreis von 1 verwendete steuerbare Stromquelle
gemäß eines ersten
Ausführungsbeispiels,
und
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3 eine
steuerbare Stromquelle gemäß eines
zweiten Ausführungsbeispiels.
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1 zeigt
einen Phasenregelkreis 1, nachfolgend auch als "PLL" (= "Phase Locked Loop") bezeichnet.
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Die
PLL 1 umfasst einen Phasendetektor 10, eine steuerbare
Stromquelle 12, ein analoges Filter 14, einen
spannungsgesteuerten Oszillator 16, nachfolgend auch als "VCO" (= "Voltage Controlled
Oscillator") bezeichnet,
und eine Rückkopplungsanordnung 18.
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Die
PLL 1 dient in an sich bekannter Weise dazu, den VCO 16 zur
Ausgabe eines Ausgangssignals mit einer Frequenz fVCO anzusteuern,
die in einem festen Verhältnis
zu einer Frequenz fREF eines der PLL 1 zugeführten Eingangssignals
steht, insbesondere also z. B. identisch zu dieser Frequenz ist.
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Die
PLL 1 funktioniert wie folgt: Das Eingangssignal mit der
Frequenz fREF sowie ein von der Rückkopplungsanordnung 18 ausgegebenes
Rückkopplungssignal
werden dem Phasendetektor 10 zugeführt. Der Phasendetektor 10 detektiert
eine etwaige Phasendifferenz zwischen den beiden zugeführten Signalen
und gibt an seinem Ausgang in Abhängigkeit von der Phasendifferenz
zwei digitale Steuersignale sp, sn aus, die als Stromsteuersignale
der steuerbaren Stromquelle 12 zugeführt werden. Bei diesen Stromsteuersignalen
sp, sn handelt es sich um kurze Pulse zur Erzeugung eines positiven
(Signal sp) oder negativen (Signal sn) Stroms an einem Ausgangsknoten
Kout der Stromquelle 12.
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Je
nach Gestaltung des Phasendetektors 10 und der Stromquelle 12 ist
es hierbei nicht ausgeschlossen und oftmals sogar sinnvoll, dass
in gewissen zeitlichen Abschnitten beide Steuersignale sp, sn gleichzeitig
ausgegeben werden bzw. die entsprechenden Steuersignalpulse sich
teilweise zeitlich überlappen.
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Der
von der Stromquelle 12 abgegebene Ausgangsstrom Iout wird
dem analogen passiven Filter ("Loop
Filter") 14 zugeführt. Das
Filter 14 besitzt eine Integratorcharakteristik und wandelt
das zugeführte
Stromsignal Iout in ein Spannungssignal. Dieses Spannungssignal
wird dem VCO 16 zur Einstellung von dessen Oszillationsfrequenz
fVCO zugeführt.
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Ein
am Ausgang des VCO 16 abgezweigtes Signal wird über die
Rückkopplungsanordnung 18 an den
einen der beiden Eingängen
des Phasendetektors 10 zurückgeführt. Das Ausgangssignal des
VCO 16 wird somit hinsichtlich seiner Frequenz auf Basis der
zugeführten
Frequenz fREF geregelt. Bei der dargestellten
Ausführungsform
werden hierfür
entsprechend dem Phasendetektionsergebnis periodisch generierte
Steuersignale sp, sn mit variabler Pulsdauer zur Ansteuerung der
Stromquelle ausgegeben. Im eingeregelten ("locked") Zustand werden die Signale sp, sn
gleichzeitig und mit gleicher Pulsbreite ausgegeben.
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Die
hier beispielhaft dargestellte PLL 1 besitzt zum einen
noch die Besonderheit, dass das Ausgangssignal des VCO 16 differentiell
vorgesehen und im Rückkopplungspfad 18 durch
einen Wandler 18-2 in ein nicht-differentielles ("Single Ended") Signal gewandelt
wird, und zum anderen die Besonderheit, dass in der Rückkopplungsanordnung 18 im
Signalverlauf vor und hinter dem Wandler 18-2 ein Frequenzteiler 18-1 bzw. 18-3 angeordnet
ist. Letztere Maßnahme
bewirkt, dass die Oszillatorfrequenz fVCO ein
Vielfaches der zugeführten
Referenzfrequenz fREF ist.
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Nachfolgend
werden mit Bezug auf die 2 und 3 zwei Ausführungsbeispiele
der steuerbaren Stromquelle 12 beschrieben.
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2 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der
steuerbaren Stromquelle 12 zusammen mit dem lediglich als
Block eingezeichneten Filter 14 der PLL 1.
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Die
Stromquelle 12 umfasst einen ersten Versorgungsanschluss
K1 zum Anlegen eines ersten Versorgungspotentials V1 und einen zweiten
Versorgungsanschluss K2 zum Anlegen eines zweiten Versorgungspotentials
V2.
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Die
Stromquelle 12 umfasst ferner einen über einen ersten Transistor
T1 mit dem ersten Versorgungsanschluss K1 und über einen zweiten Transistor
T2 mit dem zweiten Versorgungsanschluss K2 verbundenen Ausgangsanschluss
Kout. Der Ausgangsanschluss Kout dient zur Abgabe eines Ausgangsstroms
der Stromquelle 12 zum Filter 14.
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Die
Transistoren T1, T2 bilden jeweils einen ansteuerbaren Strompfad
zwischen einem der Versorgungsanschlüsse K1, K2 und dem Ausgangsanschluss
Kout.
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Diese
Strompfade werden durch die Stromsteuersignale sp, sn (vgl. 1)
angesteuert, wobei in dem dargestellten Ausführungsbeispiel steuerbare Schaltelemente
vorgesehen sind, die jeweils von den Stromsteuersignalen sp, sn
bzw. daraus abgeleiteten, invertierten Signalversionen spb, snb
geschaltet werden.
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In 2 sind
der Einfachheit der Darstellung halber die z. B. von jeweils einem
Schalttransistor (z. B. FET) gebildeten Schaltelemente vereinfachend als
Schalter eingezeichnet. Außerdem
sind diejenigen Schaltungsteile weggelassen, welche zur Invertierung
der Signale sp, sn vorgesehen sind (z. B. CMOS-Inverter).
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Der
in 2 dargestellte Schaltzustand entspricht einem
Zustand, in dem die Transistoren T1, T2 ausgeschaltet sind. Die
Transistoren T1, T2 wurden dadurch in den sperrenden Zustand gebracht, dass
deren Gate-Anschlüsse
jeweils über
einen der Schalter mit einem entsprechenden Kanalanschluss elektrisch
verbunden wurden.
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Wenn
einer der Transistoren T1, T2 jedoch einen Ausgangsstrom am Ausgangsanschluss
Kout liefern soll (T2 einen positiven Strom, T1 einen negativen
Strom), so wird der Gate-Anschluss des Transistors über einen
anderen Schalter mit einem Gate-Anschluss
eines Referenztransistors T3 bzw. T4 verbunden. Diese beiden Referenztransistoren T3,
T4 sind mit ihren Kanalanschlüssen
jeweils unmittelbar mit den Versorgungspotentialen V1, V2 beaufschlagt
und werden jeweils durch eine Verbindung von deren Gate-Anschluss
mit einem ihrer Kanalanschlüsse
in Sättigung
betrieben. Die Referenztransistoren T3, T4 wirken somit als Referenzstromquellen zur
Definition von Strömen,
die von den Transistoren T1 und T2 im eingeschalteten Zustand zum
Ausgangsanschluss Kout geliefert werden.
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Die
Transistoren T1, T2 können
im leitenden Zustand einen relativ großen Strom liefern. Im sperrenden
Zustand (2) werden diese Transistoren lediglich
von geringen Leckströmen
Ipleak, Inleak durchflossen.
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Wenn
der durch den Transistor T2 fließende Leckstrom Ipleak nicht
vollkommen identisch mit dem durch den Transistor T1 fließenden Leckstrom
Inleak ist, was auch bei guter Anpassung der beiden Transistoren
T1, T2 in der Praxis zumeist der Fall sein wird, so fließt eine
Differenz der beiden Leckströme, in
der Figur als ΔIleak
bezeichnet, zum Filter 14.
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Durch
die nachfolgend beschriebenen zusätzlichen Komponenten der Stromquelle 12 wird
jedoch vermieden, dass die von dem Ausgangsanschluss Kout zum Filter 14 fließende Leckstromdifferenz ΔIleak die
Funktionseigenschaften der PLL 1 nachteilig beeinflusst.
Diese zusätzlichen
Komponenten dienen wie in 2 dargestellt,
zur Kompensation dieser Leckstromdifferenz durch einen ebensogroßen Strom,
der vom Eingang des Filters 14 zu einem Schaltungsknoten
Kout" fließt.
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In
Reihenschaltung angeordnete Transistoren T1', T2',
die ähnlich
den Transistoren T1, T2 mit der Versorgungsspannung (Differenz zwischen
V2 und V1) beaufschlagt werden, sind als Replik dieser Transistoren
T1, T2 in deren nicht-angesteuerten Zustand ausgebildet. Im dargestellten
Beispiel ist der Transistor T2' identisch
zum Transistor T2 ausgebildet und der Transistor T1' identisch zum Transistor T1
ausgebildet. Die Gate-Anschlüsse dieser
Repliktransistoren T1',
T2' sind permanent
mit demjenigen ihrer Kanalanschlüsse
verbunden, durch dessen Potential der jeweilige Transistor in seinen
sperrenden Zustand gebracht wird. An einem diese Repliktransistoren
T1', T2' miteinander verbindenden
Schaltungsknoten Kout' wird
somit eine Leckstromdifferenz abgegeben, die der vom Ausgangsknoten
Kout zum Filter 14 fließenden Leckstromdifferenz ΔIleak entspricht.
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Der
von der Replik abgegebene Strom wird mittels eines in bekannter
Weise von Transistoren T5, T6, T7 und T8 gebildeten Stromspiegels
derart auf den Schaltungsknoten Kout" gespiegelt (in seinem Vorzeichen angepasst),
dass der von Kout zum Filter 14 fließende Strom letztlich nicht
in den Filter 14 sondern zum Schaltungsknoten Kout" weiterfließt. Mit
anderen Worten wird die in der Praxis unvermeidbare Leckstromdifferenz ΔIleak am
Ausgang der steuerbaren Stromquelle 12 durch einen ebenso
großen
Kompensationsstrom kompensiert. Dieser Kompensationsstrom wird durch
eine Replik der Ausgangsstufe T1, T2 erzeugt und mittels des Stromspiegels
T5, T6, T7, T8 vorzeichenrichtig zwecks Kompensation überlagert.
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Die
Transistoren des Stromspiegels sind wie dargestellt paarweise in
Reihenschaltungen T5, T6 bzw. T7, T8 zwischen den Versorgungsanschlüssen K1,
K2 angeordnet, wobei ein zwischen den Transistoren T5 und T6 befindlicher
Schaltungsknoten den Eingangsknoten Kout' des Stromspiegels bildet, wohingegen
der die Transistoren T7 und T8 miteinander verbindende Schaltungsknoten
Kout" den Ausgangsknoten
des Stromspiegels bildet. Außerdem
sind die Gate-Anschlüsse
der Transistoren T5, T6 jeweils mit einem der Kanalanschlüsse dieser
Transistoren verbunden, um diese Transistoren in Sättigung
zu betreiben. Der Transistor T7 ist identisch zum Transistor T5
und der Transistor T8 identisch zum Transistor T6 (oder zumindest
mit identischem Verhältnis
zwischen Kanallänge
und Kanalbreite) ausgebildet, um ein Spiegelungsverhältnis von
1:1 vorzusehen.
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Da
die beiden Strompfade der Stromquelle 12 jeweils aus einem
einzigen Transistor, T1 bzw. T2, bestehen, kann die Versorgungsspannung
V2-V1 vorteilhaft relativ niedrig gewählt werden und beispielsweise
weniger als 3V betragen. Außerdem kann
durch diese einfache Gestaltung ein großer Aussteuerbereich (große maximale
Stromstärken
am Ausgangsanschluss Kout) erzielt werden. Die in diesem Fall typischerweise
größeren Leckströme Ipleak,
Inleak führen
in der Regel auch zu einer größeren Leckstromdifferenz ΔIleak, wobei
letztere Leckstromdifferenz jedoch durch die beschriebenen Maßnahmen
vorteilhaft kompensiert wird. Die ohne eine solche Kompensation
zu erwartende Verschlechterung der Leistungseigenschaften der PLL 1 (z.
B. Phasenzittern und andere Signalfehler) sind daher drastisch reduziert.
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3 zeigt
das Schaltbild einer modifizierten Ausführungsform.
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In 3 ist
auch der von der Stromquelle 12 angesteuerte VCO 16 eingezeichnet,
dessen Oszillationsfrequenz (fVCO) mittels
eines am Ausgangsknoten Kout der Stromqelle 12 herrschenden
Potentials vtune eingestellt wird.
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Wie
es aus der Figur ersichtlich ist, umfasst der VCO 16 eine
schwingungsfähige
Anordnung aus einer Induktivität
mit zwei in Reihe dazu geschalteten Kapazitäten sowie einer parallel dazu
geschalteten spannungsgesteuerten Kapazität (Varaktor). Die Oszillationsfrequenz
hängt somit
von dem als Steuerpotential vtune dem Varaktor zugeführten Steuersignal ab.
Dieses Steuersignal steuert die Oszillationsfrequenz fVCO durch
eine Veränderung
der Varaktorkapazität.
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Die
bei der Oszillation auftretenden elektrischen Verluste werden in
an sich bekannter Weise durch eine Anordnung von vier FETs ausgeglichen, welche
einen "negativen
Widerstand" für das System bilden
und durch eine Stromquelle gespeist werden, die zwischen dem Versorgungspotential
V2 und einem Versorgungsanschluss des VCO 16 angeordnet ist.
Ein anderer Versorgungsanschluss des VCO 16 ist mit dem
anderen Versorgungspotential V1 verbunden.
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Im
Betrieb des VCO 16 variiert das Potential vtune. Diese
Variation wird sich hierbei mit gleichem Vorzeichen auch auf einen
Schaltungsknoten zwischen der versorgenden Stromquelle und dem eigentlichen
Oszillator übertragen.
Dieser Schaltungsknoten ist, wie aus 3 ersichtlich,
mit einem der beiden Versorgungsknoten des Stromspiegels T5, T6,
T7, T8 verbunden. Die damit einhergehende "Mitführung" der Stromspiegel-Versorgungsspannung wirkt
sich vorteilhaft auf die Genauigkeit der Erzeugung und Spiegelung
des Kompensationsstroms aus. Die Funktion der erfindungsgemäßen Leckstromkompensation
wird somit noch verbessert.
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Selbstverständlich ist
der dargestellte Aufbau des Oszillators 16 lediglich beispielhaft
zu verstehen und könnte
in der Praxis auch modifiziert werden.
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Zusammenfassend
wird mit den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen eine steuerbare Stromquelle
bereitgestellt, die insbesondere zur Verwendung in einem Phasenregelkreis
geeignet ist.