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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Transceiverschaltung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Nutzfahrzeuge sind oftmals mit Hilfe eines Kommunikationssystems, wie das unter der Bezeichnung „FlexRay“ bekannte Bussystem, miteinander verbunden. Der Kommunikationsverkehr auf dem Bussystem, Zugriffs- und Empfangsmechanismen, sowie Fehlerbehandlung werden über ein Protokoll geregelt. Bei FlexRay handelt es sich um ein schnelles, deterministisches und fehlertolerantes Bussystem, insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen. Das FlexRay-Protokoll arbeitet nach dem Prinzip des Time Division Multiple Access (TDMA), wobei den Teilnehmern bzw. den zu übertragenden Botschaften feste Zeitschlitze zugewiesen werden, in denen sie einen exklusiven Zugriff auf die Kommunikationsverbindung haben. Die Zeitschlitze wiederholen sich dabei in einem festgelegten Zyklus, so dass der Zeitpunkt, zu dem eine Botschaft über den Bus übertragen wird, exakt vorausgesagt werden kann und der Buszugriff deterministisch erfolgt.
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Um die Bandbreite für die Übertragung von Botschaften auf dem Bussystem optimal zu nutzen, unterteilt FlexRay den Zyklus in einen statischen und einen dynamischen Teil. Die festen Zeitschlitze befinden sich dabei im statischen Teil am Anfang eines Buszyklusses. Im dynamischen Teil werden die Zeitschlitze dynamisch vorgegeben. Darin wird nun der exklusive Buszugriff jeweils nur für eine kurze Zeit, für die Dauer mindestens eines sogenannten Minislots, ermöglicht. Nur wenn innerhalb eines Minislots ein Buszugriff erfolgt, wird der Zeitschlitz um die benötigte Zeit verlängert. Damit wird Bandbreite also nur verbraucht, wenn sie auch tatsächlich benötigt wird. Dabei kommuniziert FlexRay über eine oder zwei physikalisch getrennte Leitungen mit einer Datenrate von jeweils maximal 10 Mbit/sec. FlexRay kann auch mit niedrigeren Datenraten betrieben werden. Mittels der Leitungen realisierte Kanäle entsprechen dabei der Bitübertragungsschicht, insbesondere des sogenannten OSI (Open System Architecture) Schichtenmodells. Die Verwendung zweier Kanäle dient hauptsächlich der redundanten und damit fehlertoleranten Übertragung von Botschaften, es können jedoch auch unterschiedliche Botschaften übertragen, wodurch sich dann die Datenrate verdoppeln würde. Üblicherweise werden die Botschaften mit Hilfe eines differentiellen Signals übertragen, das heißt das über die Verbindungsleitungen übertragene Signal ergibt sich aus der Differenz von über die beiden Leitungen übertragenen Einzelsignalen. Die im Schichtenmodell über der Bitübertragungsschicht liegende Schicht ist derart ausgestaltet, dass eine elektrische oder ein optische Übertragung des oder der Signale über die Leitung(en) oder eine Übertragung auf anderem Wege möglich ist.
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Bekannte Transceiverschaltungen für FlexRay weisen üblicherweise eine Empfängerschaltung zum Empfangen eines über die Leitungen übertragenen digitalen Signals auf. In einer solchen Empfängerschaltung ist normalerweise ein Hochfrequenzverstärker zum Verstärken des digitalen Signals vorhanden. Eine Verstärkung, insbesondere eine Geradeausverstärkung, eines solchen bekannten Hochfrequenzverstärkers ist abhängig von der Temperatur der Bauelemente und von der Fertigungsstreuung der Bauelemente. Bei den bekannten Hochfrequenzverstärkern kann eine konstante Verstärkung nur durch eine externe Gegenkopplung (Closed-Loop-Betrieb) erreicht werden. Die externe Gegenkopplung wirkt sich beim Betrieb der bekannten Verstärker in einer Transceiverschaltung störend aus, weil die Gegenkopplung zu Stabilitätsproblemen der Verstärker (Schwingungen, Klingeln, usw.) führen kann und durch ein zur Gegenkopplung üblicherweise verwendetes Netzwerk aus Widerständen störende Rückwirkungen auf Eingänge der Verstärker verursacht werden.
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Außer den Closed-Loop-Verstärkern sind auch bipolare Schaltungen bekannt, da dort ebenfalls eine exponentielle Steuerkennlinie vorliegt. Als reine CMOS-Verstärker werden ferner Schaltungen mit MOS-Dioden als Last verwendet. Diese Schaltungen funktionieren nur für kleine Signalpegel hinreichend linear.
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US 6,034,567 A1 beschreibt einen integrierten Halbleiterschaltkreis mit einem Differenzverstärker.
DE 10 2006 011 059 A1 beschreibt ein Verfahren und System zum Übertragen von in einem Signal codierten Daten.
ROSSI C. et al.: Ultra-low Power CMOS Cells for Temperature Sensors. In: Proceedings 18th Symposium on Integrated Circuits and Systems Design, New York, NY: ACM, US, 1. September 2005, Seiten 202-206, XP031124611, ISBN 978-1-59593-174-0 beschreibt Ultra-low Power CMOS Zellen für Temperatursensoren.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Hochfrequenzverstärker bereitzustellen, dessen Verstärkung weitgehend unabhängig von der Temperatur und von der Streuung von Bauelementen des Verstärkers ist, sodass der Verstärker auch ohne externe Gegenkopplung zum Verstärken eines Eingangssignals einer Empfängerschaltung, insbesondere für ein FlexRay-Kommunikationssystem anwendbar ist.
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Die Aufgabe wird durch eine Transceiverschaltung mit einem Verstärker mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Insgesamt stellt die Erfindung einen Verstärker mit temperaturunabhängiger Verstärkung, insbesondere mit temperaturunabhängiger Geradeausverstärkung bereit.
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Vorzugsweise werden nach Anspruch 3 ein oder mehrere Transistoren, vorzugsweise mehrere parallel geschaltete Transistoren, der Stromquelle bei schwacher Inversion betrieben, sodass mittels dieser Transistoren die für den temperaturkompensierten Betrieb der verstärkenden Transistorstufen erforderliche Temperaturabhängigkeit der Stromquelle erzielt werden kann. Diese Transistoren arbeiten als ein Temperatursensor der Stromquelle.
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Der Verstärker kann mittels einer beliebigen Halbleitertechnologie, vorzugsweise jedoch mittels einer CMOS-Halbleitertechnologie, realisiert werden.
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Aufgrund der konstanten Verstärkung kann ein bei bekannten Verstärkern benötigter Gegenkopplungszweig entfallen. Hierdurch werden Rückwirkungen auf das Einganssignal vermieden. Zudem arbeitet der erfindungsgemäße Verstärker besonders stabil und zeichnet sich durch eine geringe Neigung zum Schwingen aus.
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Ferner benötigt der erfindungsgemäße Verstärker eine relativ geringe Fläche auf einem Halbleiterchip. Denn die zum Herstellen des Verstärkers verwendbaren modernen CMOS-Technologien erlauben kleinere Transistoren als dies etwa mit bipolaren Technologien möglich wäre.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in welcher exemplarische Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
- 1 ein Bussystem mit Knoten, die jeweils eine Transceiverschaltung mit einer Empfängerschaltung aufweisen;
- 2 einen Verstärker zum Verstärken eines an der Empfängerschaltung aus 1 anliegenden Eingangssignals;
- 3 eine schematische Darstellung eines Isolierschichtfeldeffekttransistors (MOSFET); und
- 4 einen bekannten Verstärker mit einem Gegenkopplungszweig.
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1 zeigt ein Bussystem 11, an das mehrere Knoten 13 angeschlossen sind. Bei dem Bussystem 11 kann es sich um ein FlexRay-Kommunikationssystem handeln, und somit kann das Bussystem 11 gemäß den Spezifikationen des FlexRay-Konsortiums aufgebaut sein.
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Die einzelnen Knoten 13 sind über Busleitungen 15 entweder direkt oder indirekt über einen Sternkoppler 17 miteinander verbunden. Jede Busleitung 15 ist als Kabel mit mindestens einem Adernpaar bestehend aus zwei Adern 19, die jeweils einen elektrischen Leiter bilden, ausgebildet. Das Bussystem 11 weist somit einen Kanal zum Übertragen von Daten auf, der durch die Adern 19 des Adernpaars gebildet wird. In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann das Bussystem 11 mehrere Kanäle, vorzugsweise zwei Kanäle, aufweisen, welche durch zwei voneinander getrennte Adernpaare ausgeführt sind (nicht gezeigt). Durch die Verwendung von zwei Kanälen kann die Nutzdatenrate von Datenübertragungen zwischen den Knoten 13 durch Übertragung unterschiedlicher Daten über die beiden Kanäle erhöht werden. Da das Bussystem bei einem Defekt an einem der beiden Adernpaare weiterarbeiten kann, ergibt sich eine höhere Ausfallsicherheit des Bussystems 11.
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Jeder Knoten 13 weist eine Transceiverschaltung 21, die vorzugsweise als eine integrierte Schaltung ausgebildet ist, auf. Ein erster Busanschluss BP und ein zweiter Busanschluss BM der Transceiverschaltung 21 sind jeweils mit einer der Adern 19 einer der Busleitungen 15 verbunden.
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Die Transceiverschaltung 21 weist eine Empfängerschaltung 23 zum Empfangen von Daten über die Busleitung 15 sowie eine Senderschaltung 25 zum Senden von Daten über diejenige Busleitung 15, an die der Knoten 13 angeschlossen ist, auf. Sowohl die Empfängerschaltung 23 als auch die Senderschaltung 25 sind innerhalb der Transceiverschaltung 21 mit den beiden Busanschlüssen BP und BM verbunden. Sowohl die Empfängerschaltung 23 als auch die Senderschaltung 25 sind zum Übertragen eines differentiellen digitalen Signals über das Adernpaar der an die entsprechende Transceiverschaltung 21 angeschlossenen Busleitung 15 eingerichtet.
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Die Transceiverschaltung 21 weist außerdem eine Logikeinheit 27 auf, die mit der Empfängerschaltung 23 und mit der Senderschaltung 25 gekoppelt ist. Die Logikeinheit 27 weist Anschlüsse zum Anschließen der Transceiverschaltung 21 an eine beispielsweise von einem Mikrocontroller 31 oder einen Mikrocomputer gebildeten Steuerschaltung auf. Diese Anschlüsse bzw. daran angeschlossene Leitungen bilden eine Schnittstelle 29 zwischen der Transceiverschaltung 21 und der Steuerschaltung bzw. dem Mikrocontroller 31.
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Der Mikrocontroller 31 weist einen Kommunikationscontroller 33 zum Steuern von Kommunikationsvorgängen zwischen den Knoten 13 über die Busleitung 15 auf. Der Kommunikationscontroller 33 ist zum Steuern der Kommunikationsvorgänge gemäß den Protokollen des Bussystems 11, insbesondere zum Ausführen von Medienzugriffsverfahren des Bussystems 11 eingerichtet. Der Kommunikationscontroller 33 kann außerdem zum Berechnen von Prüfsummen von über die Busleitung 15 zu übertragenen Datenrahmen beispielsweise nach dem CRC-Verfahren und/oder zum Überprüfen der Prüfsummen der empfangenen Datenrahmen eingerichtet sein.
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Als Schnittstellenleitungen sind insbesondere eine Leitung RxD zum Übertragen von Daten, die die Transceiverschaltung 21 über die Busleitung 15 empfangen hat, von der Transceiverschaltung 21 zu dem Kommunikationscontroller 33 sowie eine Leitung TxD zum Übertragen von Daten, die die Transceiverschaltung 21 über die Busleitung 15 senden soll, von dem Kommunikationscontroller 33 zu der Transceiverschaltung 21 vorgesehen. Die Schnittstelle 29 umfasst außer den beiden Leitungen RxD und TXD auch weitere Leitungen 34, die beispielsweise dem Austausch von Steuerinformationen zwischen dem Kommunikationscontroller 33 und der Transceiverschaltung 21 dienen.
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Der Mikrocontroller 31 weist einen Rechenkern 35, Speicher 37 (Arbeitsspeicher und/oder Festwertspeicher) sowie Ein- und Ausgabeeinrichtungen 39 auf. Der Mikrocontroller 31 kann zum Ausführen von weiterer Protokollsoftware und/oder von Anwendungsprogrammen eingerichtet sein kann.
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In der gezeigten Ausführungsform ist der Kommunikationscontroller 33 in den Mikrocontroller 31 integriert. Abweichend hiervon ist in einer nicht gezeigten Ausführungsform der Kommunikationscontroller 33 als eine von dem Mikrocontroller 31 getrennte Schaltung, vorzugsweise als eine integrierte Schaltung, ausgebildet.
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In 2 ist ein Hochfrequenzverstärker 61 der Empfängerschaltung 23 dargestellt. Der Hochfrequenzverstärker 61 kann zum Verstärken eines an den beiden Busanschlüssen BP und BM anliegenden digitalen Signals verwendet werden. Es ist jedoch auch denkbar, den Verstärker 61 in anderen Schaltungen, insbesondere in der Transceiverschaltung 21, einzusetzen.
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Der Verstärker 61 ist insgesamt als ein Differenzverstärker aufgebaut. Er weist eine erste Transistorstufe 63 auf, die mit einer zweiten Transistorstufe 65 parallel geschaltet ist. Diese Parallelschaltung der beiden Transistorstufen 63 und 65 ist mit einem von einer Drain-Source-Strecke eines Transistors M3 gebildeten gemeinsamen Zweig 67 in Serie geschaltet. Hierbei ist ein Drain-Anschluss des Transistors M3 des gemeinsamen Zweigs 67 mit einem Source-Anschluss eines Transistors M1 der ersten Transistorstufe 63 und mit einem Source-Anschluss eines Transistors M2 der zweiten Transistorstufe 65 verbunden. Der Source-Anschluss des Transistors M3 ist mit einer Masseleitung 69 des Verstärkers 61 verbunden. Ein Drain-Anschluss des Transistors M1 bildet einen invertierenden Ausgang OUT_MINUS des Verstärkers 61. Der Drain-Anschluss des Transistors M1 ist zudem über einen Widerstand R1 mit einer Versorgungsspannungsleitung 71 des Verstärkers 61 verbunden. In entsprechender Weise ist ein Drain-Anschluss des Transistors M2 mit einem nicht invertierenden Ausgang OUT_PLUS des Verstärkers 61 sowie über einen Widerstand R2 mit der Versorgungsspannungsleitung 71 verbunden. Die Transistoren M1, M2 und M3 sind als n-Kanal-Isolierschichtfeldeffekttransistoren (n-Kanal-MOSFETs) ausgebildet.
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Der Transistor M3 bildet zusammen mit einem n-Kanal-MOSFET M4 einen Stromspiegel 73. Ein Gate-Anschluss des Transistors M3 ist mit einem Gate-Anschluss und einem Drain-Anschluss des Transistors M4 verbunden. Ein Source-Anschluss des Transistors M4 ist mit der Masseleitung 69 des Verstärkers 61 verbunden. Eine Drain-Source-Strecke eines p-Kanal-MOSFETs M5 ist zwischen der Versorgungsspannungsleitung 71 und dem Drain-Anschluss des Transistors M4 angeordnet.
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Der Verstärker 61 weist eine Ringstromquelle 75 auf, die durch p-Kanal-MOSFETs M6 und M7 sowie durch n-Kanal-MOSFETs M8, M9, M10 und M11 gebildet wird. Ein Drain-Anschluss des Transistors M6 ist mit Drain-Anschlüssen der parallel geschalteten Transistoren M9, M10 und M11 verbunden. Source-Anschlüsse der drei Transistoren M9, M10 und M11 sind über einen Widerstand R3 mit der Masseleitung 69 verbunden. Gate-Anschlüsse dieser drei Transistoren M9, M10 und M11 sind mit einem Gate-Anschluss des Transistors M8 verbunden. Ein Source-Anschluss des Transistors M8 ist mit der Masseleitung 69 verbunden, und ein Drain-Anschluss des Transistors M8 ist an einen Drain-Anschluss des Transistors M7 angeschlossen. Ein Source-Anschluss des Transistors M7 ist mit der Versorgungsspannungsleitung 71 verbunden. Ein Gate-Anschluss des Transistors M7 ist an einen Gate-Anschluss und an den Drain-Anschluss des Transistors M6 angeschlossen.
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Beim Betrieb des Verstärkers 61 erzeugt die Ringstromquelle 75 einen temperaturabhängigen Strom. Hierbei wirken die parallel geschalteten Transistoren M9, M10 und M11 als ein Temperatursensor. Der von der Ringstromquelle 75 erzeugte Strom wird mittels des Transistors M5 und des Stromspiegels 73 auf den gemeinsamen Zweig 67 des Verstärkers 61 übertragen. Ein Stromübersetzungsverhältnis der Ringstromquelle 75 kann beliebig gewählt sein; das Stromübersetzungsverhältnis beträgt vorzugsweise 1.
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Der Verstärker 61 ist vorzugsweise so aufgebaut, dass die einzelnen Transistoren M1 - M11 miteinander thermisch miteinander gekoppelt sind. Beispielsweise kann der Verstärker 61 auf demselben Chip einer integrierten Schaltung angeordnet sein, so dass sich eine gute thermische Kopplung zwischen den einzelnen Bauteilen des Verstärkers 61 ergibt.
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Der Verstärker 61 ist so ausgelegt, dass zumindest die Transistoren M1 und M2, vorzugsweise die Transistoren M1, M2, M8, M9, M10 und M11, in einem Betriebsbereich der schwachen Inversion (engl. weak inversion) arbeiten. Der Betrieb bei schwacher Inversion kann durch eine geeignete Wahl der Arbeitspunkte dieser Transistoren M1, M2, M8, M9, M10, M11 erreicht werden. Hierbei kann der Arbeitspunkt beispielsweise so gewählt werden, dass eine Differenz zwischen einer Gate-Source-Spannung Vgs und einer Schwellspannung Vth der Transistoren M1, M2, M8, M9, M10, M11 kleiner oder gleich 100 mV beträgt. Das heißt, Vgs- Vth <= 100 mV.
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Wenn die Transistoren
M1 und
M2 bei schwacher Inversion arbeiten, dann ist die Verstärkung dieser MOS-Transistoren weitgehend unabhängig von zumindest solchen Parametern der Technologie, mittels der sie hergestellt worden sind, die mit relativ großen Fertigungstoleranzen eines Herstellungsprozesses zum Herstellen des Verstärkers
61 behaftet sind. Für die Verstärkung gm gilt:
wobei
- e für die Elementarladung 1.602 *10-19 As,
- k für die Boltzmann-Konstante 1.38*10-23 Vas/K und
- T für die Temperatur des Verstärkers 61 gemessen in Kelvin
steht. Die Parameter e, k, T sind unabhängig von der Technologie.
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Der Parameter n beschreibt die kapazitive Teilung eines Eingangssignals eines MOS-Transistors durch eine erste Kapazität Cgch zwischen Gate und Kanal und eine zweite Kapazität Cchsub zwischen Kanal und Bulk (siehe
3). Der Parameter n errechnet sich zu
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Die erste Kapazität Cgch ist durch die Oxiddicke eines Gate-Oxides des MOS-Transistors bestimmt. Dies ist der Kernparameter jedes CMOS-Prozesses und unterliegt der genauest möglichen Kontrolle und somit allenfalls geringen Fertigungstoleranzen.
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Die zweite Kapazität Cchsub ist abhängig von einer Weite einer Raumladungszone zwischen Kanal und Bulk. Diese Weite folgt der Wurzel einer Bulkspannung und dem Kehrwert der Wurzel einer Bulk-Dotierung. Das bedeutet, dass die Fehlerfortpflanzung von Änderungen der Dotierung oder der Bulk-Spannung unterproportional sind (siehe z.B. R. Mueller, Bauelemente der Halbleiter Elektronik, Springer 1987 sowie Willy M. C. Sansen, Analog Design Essentials, Springer 2006). In der Praxis bewegt sich der Parameter n meist in einem Bereich zwischen 1.2 und 1.6.
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Eine Verstärkung gain des Verstärkers
61, das heißt der Stufe
M1,
M2,
R1,
R2 berechnet sich zu:
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Diese Gleichung gilt, so lange M1 und M2 bei schwacher Inversion arbeiten. Der Wert I
bias steht für einen Strom durch die Drain-Source-Strecke des Transistors
M3. Die Verstärkung gain wird unabhängig von der Temperatur durch Erzeugung eines temperaturproportionalen Stromes. Dieser Strom wird durch die Ringstromqelle
75, das heißt durch die Transistoren
M6 - M11 und durch den Widerstand
R3 erzeugt. Die Transistoren
M8 bis
M11 arbeiten ebenfalls bei schwacher Inversion. Für den Strom durch die Drain-Source-Strecke des Transistors
M3 ergibt sich
wobei der Parameter m=W/L für ein Verhältnis zwischen Kanalbreite und Kanallänge der Transistoren
M9 - M11 und
M8 steht. In der gezeigten Ausführungsform ist m=3. Durch Einsetzen der letzten Gleichung in die vorletzte Gleichung ergibt sich
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Das Verhältnis R1/R3 ist durch die Geometrie der Widerstände bestimmt und ist prozessunabhängig. Der Parameter m ist ebenfalls ein reines Geometrieverhältnis. Somit ist die Verstärkung von Prozessparametern und von der Temperatur unabhängig.
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Es ist bevorzugt, dass die verwendeten Bauelemente gut gepaart realisiert werden können.
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In bekannten Verstärkern ist es üblich, MOSFETs in einem Betriebsbereich der Strong-Inversion zu betreiben. Hier gelten jedoch andere Gleichungen für die Verstärkung gm der einzelnen Transistoren:
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K' enthält sowohl von der Technologie, vom Halbleitermaterial als auch von der Temperatur abhängige Parameter.
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Der Term V
gs-V
th ist die Wurzel des Stromes abhängig.
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Wegen diesen Zusammenhängen ist es bei Strong-Inversion nicht möglich, einen von der Temperatur und den Prozessparametern unabhängigen Verstärker der im Open-Loop-Betrieb arbeitet, zu bauen.
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4 zeigt einen bekannten Verstärker 77. Um stabile Verstärkungen zu erreichen wird der bekannte Verstärker 77 im Closed-Loop-Betrieb eingesetzt. Die hier gezeigte Closed-Loop-Schaltung 77 weist eine durch Widerstände R'1, R'2, R'3 und R'4 gebildete externe Gegenkopplung auf und hat deshalb Rückwirkungen auf die Eingänge IN_PLUS und IN_MINUS und leidet oft auch unter Stabilitätsproblemen. Das heißt, je nach Last und der durch Widerstände R'1, R'2, R'3 und R'4 eingestellter Verstärkung neigt der bekannte Closed-Loop-Verstärker 77 zum Klingeln oder zur Oszillation.
