DE102008061365A1

DE102008061365A1 - Selbstvorgespannter Kaskodenstromspiegel

Info

Publication number: DE102008061365A1
Application number: DE102008061365A
Authority: DE
Inventors: Marco Bucci; Raimondo Luzzi; Alessandro Trifiletti
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2009-07-02
Also published as: US20090160557A1

Abstract

Eine selbstvorgespannte Kaskodenstromspiegelschaltung, die folgende Merkmale umfasst: einen ersten Transistor mit einer ersten Stromelektrode, einer Steuerelektrode und einer zweiten Stromelektrode; einen zweiten Transistor mit einer ersten Stromelektrode, die mit der zweiten Stromelektrode des ersten Transistors gekoppelt ist, eine Steuerelektrode, die mit der ersten Stromelektrode des ersten Transistors gekoppelt ist, und einer zweiten Stromelektrode, die mit einem Anschluss gekoppelt ist; einen dritten Transistor mit einer ersten Stromelektrode, die konfiguriert ist, um einen Ausgangsstrom bereitzustellen, einer Steuerelektrode, die mit der Steuerelektrode des ersten Transistors und der ersten Stromelektrode des dritten Transistors gekoppelt ist, und einer zweiten Stromelektrode; und einen vierten Transistor mit einer ersten Stromelektrode, die mit der zweiten Stromelektrode des dritte, die mit der Steuerelektrode des zweiten Transistors gekoppelt ist, und einer zweiten Stromelektrode, die mit dem Anschluss gekoppelt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Bauelemente zum Erzeugen oder Verarbeiten von Strömen und insbesondere auf die Vielzahl solcher Bauelemente, die allgemein als Stromspiegel bezeichnet werden.
Auf dem Gebiet von transistorisierten Stromquellen war es bisher allgemeine Praxis, Stromspiegel als Stromquellen zu verwenden. Stromspiegel wurden auch verwendet, um einen wechselnden Eingangssignalstrom zu spiegeln.
Ein Stromspiegel empfängt einen Eingangsstrom in einem Knoten, typischerweise einem Niedrigimpedanzknoten, und erzeugt einen Ausgangsstrom an einem anderen Knoten. Dieser Ausgangsstrom ist eine direkte Funktion (wie z. B. eine Reproduktion oder lineare Skalierung) des Eingangsstroms. In einigen Fällen werden mehrere (gleiche oder ungleiche) Ströme erzeugt für die Verteilung an unterschiedliche Ausgangsknoten. Ein erhöhter Ausgangswiderstand und eine erhöhte effektive Leerlaufspannung kann durch eine Mehrfachkaskodenstromspiegelkonfiguration erhalten werden. Eine alternative Konfiguration ist die Wilsonstromquelle, die statt einer Kaskodenkonfiguration negative Rückkopplung verwendet. Jeder dieser Stromspiegel erfordert eine zusätzliche Schaltungsanordnung in der Form eines zusätzlichen Zweiges, um eine Gittervorspannung für ordnungsgemäßen Betrieb zu erzeugen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine selbstvorgespannte Kaskodenstromspiegelschaltung, einen Faltkaskodenoperationstranskonduktanzverstärker sowie eine Komparatorschaltung mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltung gemäß Anspruch 1, einen Verstärker gemäß Anspruch 10 sowie eine Schaltung gemäß Anspruch 11 gelöst.
Eine selbstvorgespannte (self-biased) Kaskodenstromspiegelschaltung, die folgende Merkmale umfasst: einen ersten Transistor mit einer ersten Stromelektrode, einer Steuerelektrode und einer zweiten Stromelektrode; einen zweiten Transistor mit einer ersten Stromelektrode, die mit der zweiten Stromelektrode des ersten Transistors gekoppelt ist, eine Steuerelektrode, die mit der ersten Stromelektrode des ersten Transistors gekoppelt ist, und einer zweiten Stromelektrode, die mit einem Anschluss gekoppelt ist; einen dritten Transistor mit einer ersten Stromelektrode, die konfiguriert ist, um einen Ausgangsstrom bereitzustellen, einer Steuerelektrode, die mit der Steuerelektrode des ersten Transistors und der ersten Stromelektrode des dritten Transistors gekoppelt ist, und einer zweiten Stromelektrode; und einen vierten Transistor mit einer ersten Stromelektrode, die mit der zweiten Stromelektrode des dritten Transistors gekoppelt ist, einer Steuerelektrode, die mit der Steuerelektrode des zweiten Transistors gekoppelt ist, und einer zweiten Stromelektrode, die mit dem Anschluss gekoppelt ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Diagramm eines Kaskodenstromspiegels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ein Diagramm, das die Ausgangscharakteristika des Kaskodenstromspiegels von 1 zeigt;
3A ein Diagramm eines Faltkaskodenoperationstranskonduktanzverstärkers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3B ein Ersatzschaltbild für das in 3A gezeigte Diagramm;
3C die Gleichstromcharakteristik des Eins-Verstärkung-Faltkaskodenoperationstranskonduktanzverstärkers, der in 3A gezeigt ist;
4A ein Diagramm des Stromspiegels, der als Wirklast in einem Komparator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
4B ein Ersatzschaltbild für das in 4A gezeigte Schaltbild; und
4C die Gleichstromcharakteristik des in 4A gezeigten Komparators.
1 ist ein Diagramm eines selbstvorgespannten Kaskodenstromspiegels mit einer kleinen Signalausgangsimpedanz gleich derjenigen, die unter Verwendung eines Kaskodenstromspiegels erhalten werden kann, ohne einen zusätzlichen externen Vorspannungszweig zu erfordern. Die Schaltung von 1 zieht keinen zusätzlichen Strom für einen Vorspannungszweig.
Wie es in 1 gezeigt ist, empfängt der MOS-Transistor M4 einen Strom IIN an seiner Quelle an seiner Source. Der Drain des MOS-Transistors M4 ist mit der Source des MOS-Transistors M3 verbunden. Der Drain des MOS-Transistors M3, wie es bei diesem Ausführungsbeispiel gezeigt ist, ist mit Masse verbunden. Die Source des MOS-Transistors M4 ist mit dem Gate des MOS-Transistors M3 verbunden. Das Gate des MOS-Transistors M2 ist mit dem Gate des MOS-Transistors M4 verbunden. Gleichartig dazu ist das Gate des MOS-Transistors M1 mit dem Gate des MOS-Transistors M3 verbunden. Die Source des MOS-Transistors M2 ist mit dem Drain des MOS-Transistors M1 verbunden, und die Source des MOS-Transistors M1 ist mit Masse verbunden. Schließlich ist der Drain des MOS-Transistors M2 mit seinem Gate verbunden. Auf diese Weise ist der MOS-Transistor M4 durch die Diode vorgespannt, die mit dem MOS-Transistor M2 verbunden ist. Die Transistoren M1–M4 können Bipolartransistoren, Feldeffekttransistoren, N-Kanal-Transistoren, P-Kanal-Transistoren oder eine Kombination derselben sein. Jeder der MOS-Transistoren M1–M4 arbeitet in dem aktiven Bereich für Vout > Vt + 2Vov, wobei Vt die Schwellenspannung ist und Vov die Übersteuerungsspannung ist. Für Vout > 2Vt + Vov arbeitet der MOS-Transistor M4 in dem Triodenbereich.
Die Diodenverbindung des MOS-Transistors M2 von 1 schließt eine Rückkopplungsschleife und erhöht dadurch die Ausgangsimpedanz Rout. Während sich Vout erhöht, erhöht sich nämlich auch die Drainspannung des MOS-Transistors M3. Der Anstieg von Vout führt zu einem Anstieg der Sourcespannung des MOS-Transistors M3, was wiederum, da Iin konstant ist, zu einer entsprechenden Verringerung von VgsM1 führt, die gleich VgsM2 ist, wodurch dem Anstieg von Iout entgegengewirkt wird. Da Iin konstant ist, verringert sich ferner die Gate-Source-Spannung des MOS-Transistors M3, was dem Anstieg des Ausgangsstroms Iout entgegenwirkt.
Eine kleine Signalanalyse der Schaltung von 1 offenbart, dass Rout ⎕ gmro2, ähnlich einem vorgespannten Kaskodenstromspiegel, wobei gm die Transkonduktanz ist und ro die kleine Signalausgangsimpedanz ist. Es sollte angemerkt werden, dass der gleiche kleine Signalwiderstand zu sehen ist beim Blick in den Drain des MOS-Transistors M1 oder M2. In der Situation, dass Vout > 2Vt + Vov, arbeitet der MOS-Transistor M3 in dem Triodenbereich und die Schaltung verhält sich als einfacher Stromspiegel, wo die Ausgangsspannung durch M4 bestimmt wird.
Um die Präzision der Stromspiegelung zu bewerten, wird ein Ausdruck für Iout-Iin abgeleitet, wobei gleich große Transis toren angenommen werden und der endliche Ausgangswiderstand von M3, M4 vernachlässigt wird. Für den Eingangszweig, wo Iin der Eingangsstrom ist, β die Stromverstärkung ist und λ die Kanallängenmodulation ist, gilt, dass Iin = β2 V2ov1 (1 + λVout – λVgs3) (1)wobei
Gleichartig dazu ist der Ausgangsstrom gegeben durch: Iout = β2 V2ov2 (1 + λVout – λVgs4) (2)wobei
Durch Ableiten von V2ov1 von (1) und Einsetzen in (2) folgt, dass
wobei V_a = 1/λ.
Schließlich ergibt sich durch Lösen bezüglich
dass
(4) gültig für V_t + 2V_ov < V_out < 2V_t + V_ov.
Bei einem Ausführungsbeispiel des Diagramms von 1 sind typische Prozess- und Schaltungsparameterwerte in der nachfolgenden Tabelle 1 aufgelistet. Basierend auf den Werten in Tabelle 1 sagt die Gleichung (4) einen systematischen Verstärkungsfehler von etwa 0,5% voraus.

Parameter Wert Einheit

K' 200 μA/V²

V_A 7 V

V_t 0,5 V

W/L 25 -

I_in 1 μA

V_out 1 V

Tabelle 1
Eine Wechselstromanalyse der Schaltung von 1 ergibt den folgenden Ausdruck für den Ausgangswiderstand:
Durch Vernachlässigen der vernachlässigbaren Terme
gilt, dass Rout ≌ gmr20 , wie es in einem Kaskodenstromspiegel erwartet wird. Wie es oben erwähnt wurde, ist der gleiche Ausgangswiderstand zu sehen beim Blick in den Drain des MOS-Transistors M2.
Eine simulierte V_out-I_out-Charakteristik ist in 2 gezeigt, wo ein einfacher Stromspiegel, ein Kaskodenstromspiegel mit hoher Schwingung und der selbstvorgespannte Stromspiegel von
1 verglichen werden. Für V_out > 2V_t + V_ov, ist jeder Transistor in der Schaltung von 1 in dem aktiven Bereich und der selbstvorgespannte Kaskodenstromspiegel hat im Wesentlichen den gleichen Ausgangswiderstand wie ein Kaskodenstromspiegel mit hoher Schwingung. Wie es gezeigt ist, wenn die MOS-Transistoren M1–M4 in dem aktiven Bereich sind, ist der Ausgangsstrom I_out im Wesentlichen konstant. Sobald V_out > 2V_t + V_ov, arbeitet der MOS-Transistor M4 in dem Triodenbereich, der Ausgangswiderstand verringert sich auf den eines einfachen Stromspiegels und I_out erhöht sich im Wesentlichen parallel zu der Ausgabe des einfachen Stromspiegels. Daher kann bei Anwendungen, wo kein großer dynamischer Bereich erforderlich ist, das Diagramm von 1 als eine Wirklast für Verstärker mit hoher Verstärkung verwendet werden, weil der Strom, der erforderlich ist, um Standardstromspiegel vorzuspannen, nicht notwendig ist.
Es sollte angemerkt werden, dass der oben offenbarte selbstvorgespannte Stromspiegel in jeder Anwendung verwendet werden kann, in der ein Stromspiegel erforderlich ist. Solche Anwendungen umfassen Operationstranskonduktanzverstärker und Spannungskomparatoren.
3A ist ein Diagramm eines Faltkaskodenoperationstranskonduktanzverstärkers, der einen selbstvorgespannten Stromspiegel (in dem grauen Kasten gezeigt) gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst. Eine Offene-Schleife-Verstärkung von mehr als 70 dB kann für Vout über den in 2 spezifizierten Ausgabebereich erhalten werden. Eine typische Anwendung ist ein Puffer für Referenzspannungen um VDD/2. Da die Vorspannungen pbias/nbias höchstwahrscheinlich bereits in dem Chip verfügbar sind, erfordert die Schaltung keine zusätzliche Vorspannungsschaltungsanordnung. 3B ist ein Ersatzschaltbild für das in 3A gezeigte Schaltbild. 3C zeigt die Gleichstromcharakteristika des Eins-Verstärkung-Faltkaskodenoperationstranskonduktanzverstärkers von 3A. Der tatsächliche Betrieb der in 3A gezeigten Schaltung geht über den Schutzbereich dieser Offenbarung hinaus und wird daher hierin nicht angesprochen.
4A ist ein Diagramm einer Komparatorschaltung, die den Stromspiegel von 1 (in dem grauen Kasten gezeigt) als Wirklast verwendet. Die Komparatorschaltung hat eine schnelle Kommutationszeit und einen geringen Leistungsverbrauch. Da die Ausgabe der ersten Stufe (Knoten Vo) nicht auf VDD sättigt, ist die 0-zu-1-Kommutationszeit reduziert. Diese Schal tung ist sinnvoll zum Erfassen einer gültigen Referenzspannung (VBGP) während des Einschaltens/Ausschaltens. 4C ist die Gleichstromcharakteristik des in 4A gezeigten Komparators. Der tatsächliche Betrieb der in 4A gezeigten Schaltung geht über den Schutzbereich dieser Offenbarung hinaus und wird daher hierin nicht angesprochen.
Da somit zumindest darstellende Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben wurden, werden verschiedene Modifikationen und Verbesserungen für Fachleute auf diesem Gebiet ohne weiteres offensichtlich sein und diese liegen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung. Entsprechend ist die vorhergehende Beschreibung lediglich beispielhaft und nicht begrenzend. Die Erfindung ist nur so begrenzt, wie sie in den folgenden Ansprüchen und Äquivalenten derselben definiert ist.

Claims

Selbstvorgespannte Kaskodenstromspiegelschaltung, die folgende Merkmale umfasst: einen ersten Transistor (M1) mit einer ersten Stromelektrode, einer Steuerelektrode und einer zweiten Stromelektrode; einen zweiten Transistor (M2) mit einer ersten Stromelektrode, die mit der zweiten Stromelektrode des ersten Transistors (M1) gekoppelt ist, einer Steuerelektrode, die mit der ersten Stromelektrode des ersten Transistors (M1) gekoppelt ist, und einer zweiten Stromelektrode, die mit einem Anschluss gekoppelt ist; einen dritten Transistor (M3) mit einer ersten Stromelektrode, die konfiguriert ist, um einen Ausgangsstrom bereitzustellen, einer Steuerelektrode, die mit der Steuerelektrode des ersten Transistors (M1) und der ersten Stromelektrode des dritten Transistors (M3) gekoppelt ist, und einer zweiten Stromelektrode; und einen vierten Transistor (M4) mit einer Stromelektrode, die mit der zweiten Stromelektrode des dritten Transistors (M3) gekoppelt ist, einer Steuerelektrode, die mit der Steuerelektrode des zweiten Transistors (M2) gekoppelt ist, und einer zweiten Stromelektrode, die mit dem Anschluss gekoppelt ist.
Selbstvorgespannter Kaskodenstromspiegel gemäß Anspruch 1, bei dem der erste, zweite, dritte und vierte Transistor (M1–M4) Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren sind.
Selbstvorgespannter Kaskodenstromspiegel gemäß Anspruch 1, bei dem der erste, zweite, dritte und vierte Transistor (M1–M4) N-Kanal-Transistoren sind.
Selbstvorgespannter Kaskodenstromspiegel gemäß Anspruch 1, bei dem der erste, zweite, dritte und vierte Transistor (M1–M4) P-Kanal-Transistoren sind.
Selbstvorgespannter Kaskodenstromspiegel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Anschluss mit Masse gekoppelt ist.
Selbstvorgespannter Kaskodenstromspiegel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Anschluss mit VDD gekoppelt ist.
Selbstvorgespannter Kaskodenstromspiegel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Stromausgabe für V_t + 2V_ov < V_out < 2V_t + V_ov im Wesentlichen linear ist, wobei V_t die Schwellenwertspannung ist und V_ov die Übersteuerungsspannung ist.
Selbstvorgespannter Kaskodenstromspiegel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem für V_out > 2V_t + V_ov der dritte Transistor (M3) in dem Triodenbereich arbeitet, wobei V_t die Schwellenwertspannung ist und V_ov die Übersteuerungsspannung ist.
Selbstvorgespannter Kaskodenstromspiegel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem für V_t + 2V_ov < V_out < 2V_t + V_ov der erste, zweite, dritte und vierte Transistor (M1–M4) in ihrem aktiven Bereich arbeiten, wobei V_t die Schwellenwertspannung ist und V_ov die Übersteuerungsspannung ist.
Faltkaskodenoperationstranskonduktanzverstärker, der den selbstvorgespannten Kaskodenstromspiegel gemäß Anspruch 1 umfasst.
Komparatorschaltung, die den selbstvorgespannten Kaskodenstromspiegel gemäß Anspruch 1 umfasst.
Komparatorschaltung gemäß Anspruch 11, bei der der selbstvorgespannte Kaskodenstromspiegel eine Wirklast ist.
Komparatorschaltung gemäß Anspruch 12, bei der eine Ausgabe einer ersten Stufe nicht auf VDD sättigt.
Komparatorschaltung gemäß Anspruch 13, die konfiguriert ist, um eine gültige Spannungsreferenzspannung zu erfassen.