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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Vorrichtung und auf ein Verfahren zur Minderung des Überschwingspitzenrauschens beim Schalten kapazitiver Lasten und auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektronischen Vorrichtung.
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HINTERGRUND
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Integrierte elektronische Halbleitervorrichtungen müssen häufig kapazitive Lasten bewältigen, die auf bestimmte Spannungspegel geladen und davon entladen werden müssen. Es gibt Stufen mit einer Eingangskapazität wie etwa z. B. Komparatoren, Puffer oder Verstärker, die ein- und ausgeschaltet werden, sowie einfache Kapazitäten oder Kabel.
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Falls sich der Drain-Strom eines MOS-Transistors ändert, muss sich seine Gate-Source-Spannung ebenfalls ändern und muss sich somit die Gate-Ladung ändern. Falls ein Verstärker mit einem MOS-Eingangstransistor ein- oder ausgeschaltet wird (d. h., falls der Vorstrom ein- oder ausgeschaltet wird), ist diese Ladung am Eingang als Überschwingspitzenrauschen zu sehen.
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Die Eingangsknoten dieser Stufen sind häufig mit hochimpedanten Bezugsspannungsquellen verbunden. Die Eingangskapazitäten der Eingangsknoten dieser Stufen empfangen dann eine bestimmte Ladungsmenge, die sich von ihren Eingangsknoten, d. h. ihren Eingangskapazitäten, zu oder von den hochimpedanten Bezugsspannungsquellen ausbreiten kann, oder geben sie frei. Die freigesetzte oder zugeführte Ladung kann einen Spannungsabfall über die Verbindungen (Drähte, Kontaktlöcher usw.) oder bei den Spannungsquellen, d. h. bei ihren Ausgangsimpedanzen, verursachen. Der Spannungspegel bei dem Eingangsknoten kann sich dann ändern. Falls dieser Spannungspegel, z. B. durch einen Komparator, der ebenfalls mit dem Eingangsknoten gekoppelt sein kann, überwacht wird, kann dies veranlassen, dass der Komparator den Zustand seines Ausgangssignals ändert.
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1 zeigt einen vereinfachten Stromlaufplan eines Beispiels einer ersten Stufe ST1 mit einer Eingangskapazität. 1 veranschaulicht die Wirkung des Überschwingspitzenrauschens. Es gibt eine geschaltete elektronische Stufe ST1, die ein Verstärker oder ein Komparator oder irgendeine andere Vorrichtungsstufe mit einer Eingangskapazität (ebenfalls ein einfacher Schaltkondensator usw.) sein kann. Die erste Stufe ST1 kann eine Eingangsstufe mit einem Differenztransistorpaar, z. B. mit den Transistoren M1 und M2, umfassen. Ferner kann die Eingangsstufe mit einer Stromquelle CS gekoppelt sein, um der Eingangsstufe einen Schwanzstrom zuzuführen. Um Leistung zu sparen oder aus irgendwelchen anderen Gründen kann die Eingangsstufe M1, M2 durch Trennen der Eingangsstufe von der Stromquelle CS durch den Schalter SW ausgeschaltet werden.
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Der Knoten N1 verbindet das Gate eines der Eingangstransistoren M1 mit einer Spannungsquelle VS. Diese Spannungsquelle VS kann eine Spannungsquelle mit einer verhältnismäßig hohen Ausgangsimpedanz RI sein. Wie in 1 gezeigt ist, kann sie mit einer Bezugsspannungsquelle VREF und mit einer Ausgangsimpedanz RI modelliert werden. Es könnte eine zweite Stufe ST2 mit einem Eingang geben, der empfindlich für Ladungsinjektion und/oder Spannungsspitzen ist. Die zweite Stufe ST2 kann ein Komparator sein. Ein Komparator kann mit einem invertierenden Eingang mit dem Knoten N1 gekoppelt sein. Der positive Eingang des Komparators kann eine weitere Bezugsspannung VM empfangen. Das Ausgangssignal COMPOUT des Komparators kann daraufhin als ein Indikator dafür verwendet werden, ob der Spannungspegel beim Knoten N1 höher oder niedriger als der Bezugsspannungspegel VM ist. Der Eingangs-MOSFET M1 der ersten Stufe ST1 weist (wie alle MOS-Transistoren) die Eingangskapazitäten CGD (Gate-Drain-Kapazität) und CGS (Gate-Source-Kapazität) auf. Falls der Schalter SW ausgeschaltet (getrennt) wird, setzt die Eingangskapazität (CGD, CGS) des Eingangsknotens INN eine Ladung QK frei, die sich in Richtung der Spannungsquelle VS ausbreiten kann, wobei sie beim Widerstand RI einen Spannungsabfall verursacht. Dieselbe oder eher eine umgekehrte Wirkung kann auftreten, wenn die erste Stufe durch den Schalter SW aktiviert wird.
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Daraufhin kann sich die Ladung in Richtung der Eingangskapazitäten der ersten Stufe ST1 ausbreiten. Dies kann den Spannungspegel beim Knoten N1 verringern oder erhöhen, wodurch sich die Spannung bei dem invertierenden Eingang des Komparators ändert. In Reaktion darauf kann sich die Ausgabe COMPOUT des Komparators ändern.
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2 zeigt einen vereinfachten Stromlaufplan einer Konfiguration, die grundsätzlich ähnlich der in 1 gezeigten ist. Allerdings enthält die in 2 gezeigte Schaltung ferner einen Hochleistungspuffer BUF zum Puffern der von der Spannungsquelle VS gelieferten Bezugsspannung. Das Überschwingspitzenrauschen oder die Überschwingspitzenladung QK, das/die sich von dem Eingangsknoten ST1IN in Richtung der Bezugsspannungsquelle VS ausbreitet, wird dann durch den Hochleistungspuffer BUF gesperrt. Allerdings kann sich selbst in dieser Situation der Spannungspegel beim Knoten N1 ändern. Somit ist der Komparator ST2 zwischen den positiven Eingang des Hochleistungspuffers BUF und die Spannungsquelle VS geschaltet. Allerdings ist ein Hauptnachteil der in 2 gezeigten Konfiguration der Leistungsverbrauch des Hochleistungspuffers. Der Puffer BUF verbraucht ständig Speisestrom und kann außerdem eine Offsetspannung hinzufügen.
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Die
US 2009/0237119 A1 zeigt einen integrierten Halbleiterschaltkreis mit einer Abtastschaltung, die das Potential eines Eingangsknotens sampelt. Ferner ist ein dynamischer Komparator offenbart, der einen Stand-By- und einen Vergleichsmodus aufweist und das Potential des Eingangsknotens mit einem Referenzpotential vergleicht. Ein Schalter ist zwischen dem Eingangsknoten und dem dynamischen Komparator angeordnet. Weiter ist ein Kondensator für den Komparator vorgesehen, der mit einem Ende zwischen dem Schalter für die Eingangssignale und dem dynamischen Komparator und mit einem anderen Ende an einem festen Potential versehen ist. Es gibt eine Steuerschaltung, die den Zeitablauf des Abtastens durch die Abtastschaltung steuert.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine elektronische Vorrichtung und ein Verfahren zur Minderung des Überschwingspitzenrauschens beim Schalten kapazitiver Lasten und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung zu schaffen.
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In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung umfasst eine elektronische Vorrichtung eine erste Stufe mit einer Eingangskapazität, einen Schalter, einen Puffer und eine zweite Stufe. Die zweite Stufe weist einen Eingang auf, der empfindlich für Ladungsinjektion und/oder für eine Spannungsspitze ist. Ein Eingang des Puffers und der Eingang der zweiten Stufe können zusammen bei einem ersten Knoten gekoppelt sein. Der erste Knoten kann dann so konfiguriert sein, dass er mit einer Spannungsquelle gekoppelt ist, um einem Eingang der ersten Stufe mit der Eingangskapazität eine Bezugsspannung zuzuführen. In einer ersten Konfiguration des Schalters kann der Schalter so ausgelegt sein, dass er entweder den Eingang der ersten Stufe mit dem ersten Knoten verbindet. Außerdem trennt der Schalter in der ersten Konfiguration den Eingang der ersten Stufe von einem Ausgang des Puffers. In einer zweiten Konfiguration des Schalters ist der Schalter so ausgelegt, dass er den Eingang der ersten Stufe mit dem Ausgang des Puffers verbindet und den Eingang der ersten Stufe von dem ersten Knoten trennt. Dieser Aspekt der Erfindung stellt sicher, dass der Eingang der ersten Stufe entweder durch den Puffer angesteuert wird oder mit dem ersten Knoten verbunden ist. Die Eingangskapazität der ersten Stufe kann dann durch den Puffer geladen werden. Der Puffer selbst kann eine kleinere Eingangskapazität als die erste Stufe haben. Darüber hinaus kann der Puffer ausgeschaltet werden, nachdem die Eingangskapazität der ersten Stufe geladen worden ist und wenn der Schalter in der ersten Konfiguration ist. Dies spart Leistung. Der Puffer kann sehr einfach sein und einen recht großen Offset (eingangsbezogenen Offset) und eine niedrige Leistung besitzen. Im Kontext dieser Erfindung wird der Puffer als ein Verstärker mit einer Verstärkung von eins angesehen. Das Ausgangssignal des Puffers kann dann um den Offset von der Eingangsspannung (Bezugsspannungspegel bei dem ersten Knoten) abweichen. Diese Erfindung stellt sicher, dass ein Puffer mit einem recht hohen Offset verwendet werden kann und dass das Überschwingspitzenrauschen bei dem Eingang der zweiten Stufe weiter vermindert wird. Da der Puffer einen niedrigen Leistungsverbrauch haben kann und nach dem Laden des Eingangs der ersten Stufe ausgeschaltet werden kann, kann darüber hinaus auch der Leistungsverbrauch vermindert werden.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die elektronische Vorrichtung ferner so konfiguriert sein, dass die Standardkonfiguration des Schalters die zweite Konfiguration ist. Dies stellt sicher, dass der Eingang der ersten Stufe nicht versehentlich mit dem ersten Knoten verbunden wird.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die elektronische Vorrichtung ferner so konfiguriert sein, dass sie den Puffer aktiviert, bevor der Schalter aus der zweiten in die erste Konfiguration schaltet. Dies stellt sicher, dass die Eingangskapazität geladen wird, bevor der Eingang der ersten Stufe mit dem ersten Knoten verbunden wird, d. h., bevor er mit der Bezugsspannungsquelle verbunden wird. Dies hilft, die Menge des Überschwingspitzenrauschens zu vermindern.
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In einem Aspekt der Erfindung kann die elektronische Vorrichtung ferner zum Aktivieren der ersten Stufe, bevor der Schalter aus der zweiten in die erste Konfiguration schaltet, konfiguriert sein. Dies verhindert, dass dem ersten Knoten Ladung zugeführt wird, nachdem der Schalter in der ersten Konfiguration ist.
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In einem Aspekt der Erfindung kann die elektronische Vorrichtung ferner so konfiguriert sein, dass sie den Schalter erst aus der ersten in die zweite Konfiguration schaltet, nachdem sich das Ausgangssignal des Puffers ausgeregelt hat.
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In einem nochmals weiteren Aspekt der Erfindung kann die elektronische Vorrichtung ferner so konfiguriert sein, dass sie den Schalter aus der ersten in die zweite Konfiguration schaltet, bevor sich die Spannung und/oder die Ladung der Eingangskapazität bei dem Eingang der ersten Stufe ändert. Das Aktivieren und Deaktivieren der ersten Stufe bezieht sich allgemein auf eine Änderung der Spannung und/oder der Ladung der Eingangskapazität der ersten Stufe. Die erste Stufe kann eine aktive Vorrichtung sein, die ein- oder ausgeschaltet wird. Allerdings kann sie in einer Ausführungsform ein Schaltkondensator oder ein Kondensator, der zum Erhöhen oder Verringern der Ladung und/oder der Spannung konfiguriert ist, sein. Diese Änderungen der Ladung und/oder der Spannung des Eingangskondensators sollten nur dann auftreten, wenn der Schalter in der zweiten Konfiguration ist. Der Puffer kann das Überschwingspitzenrauschen selbst dann sperren, wenn er ausgeschaltet ist.
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In einem nochmals weiteren Aspekt der Erfindung kann die elektronische Vorrichtung ferner so konfiguriert sein, dass der Puffer deaktiviert wird, nachdem der Schalter aus der zweiten Konfiguration in die erste Konfiguration geschaltet worden ist. Falls der Puffer nicht mehr verwendet wird, kann er deaktiviert werden, während der Schalter in der ersten Konfiguration ist. Falls der Puffer wieder benötigt wird, kann der Puffer während mehrerer Änderungen des Schalters aus der ersten in die zweite und aus der zweiten in die erste Konfiguration aktiviert bleiben. Daraufhin kann der Puffer nicht deaktiviert werden, nachdem der Schalter aus der zweiten in die erste Konfiguration geschaltet hat. Falls die erste Stufe deaktiviert ist, kann der Puffer deaktiviert gehalten werden, selbst wenn der Schalter aus der ersten in die zweite Konfiguration geschaltet wird. Falls die erste Stufe noch eingeschaltet ist und der Puffer benötigt ist, kann der Puffer aber vorteilhaft aktiviert werden, bevor der Schalter aus der ersten Konfiguration in die zweite Konfiguration wechselt. Je eher der Puffer ausgeschaltet wird, nachdem er die Eingangskapazität der ersten Stufe ausgeregelt und richtig geladen hat, desto mehr Leistung kann gespart werden. Allerdings kann es in einigen Ausführungsformen nützlich sein, den Puffer aktiviert zu lassen, um Schaltverzögerungen usw. zu vermindern. Der Puffer kann wenigstens eine bestimmte Zeitdauer, während der Schalter in der zweiten Konfiguration ist, deaktiviert werden. Im Kontext dieser Erfindung bedeutet ”Aktivieren” Einschalten oder Leistungsversorgung oder Anlegen einer Versorgungsspannung. ”Deaktivieren” bedeutet Ausschalten, Abschalten oder Schalten in einen Niederleistungszustand, in dem der Leistungsverbrauch niedriger als in der aktiven Betriebsart ist.
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Die erste Stufe kann irgendeine Stufe umfassen oder sein, die eine Eingangskapazität mit sich ändernder Ladung und/oder Spannung besitzt. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die erste Stufe z. B. einen Differenzverstärker, einen Komparator, einen Kondensator und/oder einen Transistor umfassen.
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In einem Aspekt der Erfindung kann der Puffer einen MOSFET-Eingangstransistor umfassen. Der Puffer kann eine Differenzeingangsstufe besitzen, die zwei Transistoren umfasst. Die Transistoren können vorteilhaft MOSFETs sein. Eine Fläche eines Eingangstransistors (MOSFET) kann dann in Abhängigkeit von der maximal zulässigen Ladungsinjektion in den ersten Knoten, wenn der Schalter aus der ersten Konfiguration in die zweite Konfiguration geschaltet wird, konfiguriert werden. Die Fläche ist die Kanalbreite des MOSFET, multipliziert mit der Kanallänge des MOSFET (d. h., die Fläche A ist als A = W·L definiert, wobei W die Breite des Kanals und L die Länge des Kanals des MOSFET ist).
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Außerdem schafft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der elektronischen Vorrichtung, die in Übereinstimmung mit den Aspekten und Ausführungsformen der Erfindung konfiguriert ist. Dementsprechend kann der Puffer aktiviert werden. Daraufhin kann die erste Stufe aktiviert werden. Allerdings kann die erste Stufe auch vor dem Puffer aktiviert werden oder können sie gleichzeitig aktiviert werden. Der Schalter ist in der Standardstellung, d. h. in der zweiten Konfiguration. Daraufhin wird der Schalter aus der zweiten Konfiguration in die erste Konfiguration geschaltet. Vorteilhaft wird der Schalter erst geschaltet, nachdem sich die Pufferausgabe ausgeregelt hat. In Übereinstimmung mit Aspekten der Erfindung kann der Puffer einen Offset besitzen. Das heißt, der Ausgang des Puffers regelt sich auf einen Ausgangsspannungspegel aus, der um die Offsetspannung von dem von der Bezugsspannungsquelle gelieferten Bezugsspannungspegel abweicht. Diese Erfindung stellt sicher, dass ein Puffer mit einem recht hohen Offset, aber mit einer recht kleinen Eingangskapazität verwendet werden kann, und dass das Überschwingspitzenrauschen bei dem Eingang der zweiten Stufe weiter vermindert wird.
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Außerdem schafft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer integrierten elektronischen Vorrichtung. in Übereinstimmung mit Aspekten der Erfindung wird der Puffer auf spezifische Weise ausgelegt oder optimiert. Das Verfahren zum Herstellen kann dann die folgenden Schritte besitzen: Es kann eine erste Stufe mit einer Eingangskapazität entworfen werden. Es kann eine zweite Stufe mit einem Eingang entworfen werden, der empfindlich für eine Ladungsinjektion und/oder für eine Spanungsspitze ist. Es kann ein Puffer entworfen werden. Es kann ein Schalter mit einer ersten Konfiguration und mit einer zweiten Konfiguration entworfen werden. Es kann ein erster Knoten, der den Eingang der zweiten Stufe mit dem Schalter koppelt, entworfen werden, und es kann ein zweiter Knoten, der den Ausgang des Puffers mit dem Schalter koppelt, entworfen werden, sowie ein dritter Knoten, der den Eingang der ersten Stufe mit dem Schalter koppelt, entworfen werden, um den ersten Knoten in der ersten Konfiguration mit dem Eingang der ersten Stufe zu verbinden und um den Ausgang des Puffers in der zweiten Konfiguration mit dem Eingang der ersten Stufe zu verbinden. Der erste Knoten kann so konfiguriert werden, dass er während des Betriebs eine Bezugsspannung empfängt. Zwischen einem Eingang des Puffers und dem ersten Knoten kann eine Verbindung vorgesehen sein. Eine Fläche eines Eingangstransistors des Puffers kann in Abhängigkeit von der maximal zulässigen Ladung, die in den ersten Knoten injiziert werden soll, wenn der Schalter in der zweiten Konfiguration ist und/oder aus der zweiten Konfiguration in die erste Konfiguration geschaltet wird, dimensioniert sein. Die Fläche des (Eingangs-)Transistors oder der Eingangstransistoren des Puffers wird ebenfalls in Abhängigkeit von der maximal zulässigen Ladung, die in den ersten Knoten injiziert werden soll, wenn der Puffer ein- und ausgeschaltet wird, dimensioniert. Mit anderen Worten, die injizierte Ladung bei Schalten des Schalters oder des Puffers (ein oder aus) wird optimiert (minimiert). Ferner kann der Puffer so dimensioniert werden, dass die Fläche eines Eingangstransistors oder der Eingangstransistoren des Puffers in Abhängigkeit von der Eingangskapazität der ersten Stufe und der Eingangskapazität des Puffers dimensioniert wird. Daraufhin kann die elektronische Vorrichtung hergestellt werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Aspekte der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen hervor, in denen:
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1 ein vereinfachter Stromlaufplan einer elektronischen Vorrichtung ist, die eine geschaltete aktive Stufe in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik verwendet,
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2 ein vereinfachter Stromlaufplan einer elektronischen Vorrichtung ist, die eine geschaltete aktive Stufe in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik verwendet,
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3 ein vereinfachter Stromlaufplan einer elektronischen Vorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung ist,
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4 ein vereinfachtes Diagramm ist, das Signalformen zeigt, die sich auf die elektronische Vorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung beziehen, und
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5 ein vereinfachter Stromlaufplan einer elektronischen Vorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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3 zeigt ein vereinfachtes Diagramm einer Ausführungsform der Erfindung. Es gibt eine elektronische Vorrichtung
1, die eine erste Stufe ST1 mit einem Eingang ST1IN umfasst. Der Eingang weist eine Eingangskapazität C1 auf, die durch einen Kondensator C1 dargestellt ist, der auf der anderen Seite mit irgendeiner Art Bezugs- oder Versorgungsspannung VX gekoppelt sein kann. Es gibt eine zweite Stufe ST2 mit einem Eingang ST2IN, der empfindlich für Ladungsinjektion und/oder Spannungsspitzen ist. Die zweite Stufe ST2 kann ein Komparator oder ein Verstärker oder dergleichen sein. Es gibt einen Puffer BUF. Der Puffer BUF kann ein nicht invertierender Verstärker mit der Verstärkung eins sein. Der positive Eingang des Puffers (Operationsverstärkers) ist mit dem ersten Knoten N1 verbunden. Der Ausgang des Puffers BUF ist BUFOUT. Es gibt eine Bezugsspannungsquelle VS, die so konfiguriert ist, dass sie dem ersten Knoten N1 eine Bezugsspannung VREF zuführt. Die Bezugsspannung VREF wird empfangen, um dem Eingang ST1IN der ersten Stufe ST1 zugeführt zu werden. Die Spannungsquelle VS weist einen Ausgangswiderstand oder eine Ausgangimpedanz RI auf. Ferner gibt es einen Schalter. Der Schalter weist zwei Konfigurationen auf. In einer ersten Konfiguration 1 verbindet der Schalter den Eingang ST1IN der ersten Stufe mit dem ersten Knoten N1. In einer zweiten Konfiguration 2 verbindet der Schalter den Ausgang des Puffers BUFOUT mit dem Eingang ST1IN der ersten Stufe. In der ersten Konfiguration 1 wird dem Eingang der ersten Stufe ST1 die Bezugsspannung zugeführt. In der zweiten Konfiguration 2 führt der Puffer BUF dem Eingang ST1IN der ersten Stufe ST1 die Eingangsspannung VREF zu. Die erste Stufe ST1 kann ausgeschaltet werden oder die Eingangskapazität C1 kann aus anderen Gründen die Ladung oder die Spannung ändern. Eine Steuerstufe CNTL steuert das Schalten des Schalters SW. Der Puffer BUF ist in Übereinstimmung mit den folgenden Betrachtungen optimiert. Der Offset des Puffers BUF hängt von der Fläche der Eingangstransistoren ab. Die Fläche ist das Produkt der Kanalbreite und der Kanallänge des MOSFET. In dieser Ausführungsform ist angenommen, dass die Eingangstransistoren MOSFET-Transistoren sind. Die Beziehung zwischen der Fläche und der Offsetspannung ist dann genähert:
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Dabei ist σVT ein Parameter, der durch die Technologie gegeben ist (bezieht sich auf die Standardabweichung einer angenommenen Gauß-Verteilung des Fehlers wegen Produktionsstreuung, die im Gebiet gut bekannt ist), ist A die Fläche (die Kanalbreite, multipliziert mit der Kanallänge (A = W·L) und ist VOFF die Offsetspannung des Puffers. Die Eingangskapazität CINBUF des Puffers hängt in Übereinstimmung mit der folgenden Gleichung ebenfalls von der Fläche der Eingangstransistoren des Puffers ab: CINBUF = COX·A (2)
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COX ist ein Parameter der Technologie. Er hängt ebenfalls von der Gate-Source-Spannung VGS ab. Die Ladung, die in den Knoten N1 injiziert wird, d. h. das Überschwingspitzenrauschen, kann dann durch die Eingangskapazität CIN-BUF des Puffers CBUF, integriert über die Spannung VGS, approximiert werden: QBUF = ∫ VGS / 0CINBUF(V)dV (3)
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VGS ist die Gate-Source-Spannung des Eingangstransistors des Puffers BUF, wenn er richtig für den Betrieb vorgespannt ist. Für eine konstante Kapazität CINBUF wäre das Integral gleich VGS·CINBUF. Die von der Stufe ST1 beigetragene Ladung ist nur das Produkt aus C1 und VOFF (wobei ein konstantes C1 angenommen werden kann, da VOFF klein ist). Falls der Schalter aus der Konfiguration 2 in die Konfiguration 1 geändert wird, wird in den Knoten N1 eine Ladung injiziert, die von der Offsetspannung VOFF des Puffers BUF und von der Eingangskapazität C1 der ersten Stufe ST1 abhängt:
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Die minimale Überschwingspitzenladung (minimales Überschwingspitzenrauschen) wird injiziert, falls die Ladungen aus Gleichung (3) und Gleichung (4) gleich sind:
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Dies liefert die optimale Fläche ABUFOPT des Eingangstransistors (der Eingangstransistoren) des Puffers BUF:
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Dementsprechend wird der Puffer in Bezug auf die Fläche seiner Eingangstransistoren optimiert. Die optimale Fläche ist ABUFOPT. Der Puffer BUF, d. h. seine Eingangstransistoren, und genauer ihre Fläche, wird in Abhängigkeit von der Ladung Q, die in den Knoten N1 injiziert wird, d. h. von dem Überschwingspitzenrauschen, ausgelegt. Genauer wird der Puffer BUF, d. h. seine Eingangstransistoren, und genauer ihre Fläche, in Abhängigkeit von den Technologieparametern COX und von der Gate-Source-Spannung VGS sowie von der Eingangskapazität C1 der ersten Stufe ST1 ausgelegt.
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4 zeigt ein Diagramm, das Signalformen zeigt, die sich auf die in 3 gezeigte Ausführungsform beziehen. Das Diagramm veranschaulicht die Zeitgebung der elektronischen Vorrichtung in Übereinstimmung mit Aspekten der Erfindung. N1 ist die Spannung beim Knoten N1. Sie ist VREF. Es wird angenommen, dass die Spannungsquelle VS mit dem Knoten N1 verbunden ist und dass der Knoten N1 geladen ist. Der Schalter SW1 ist in der Standardkonfiguration, d. h. in der Konfiguration 2. Das heißt, dass der Schalter den Ausgang des Puffers BUF und den Eingang ST1IN der ersten Stufe ST1 verbindet. Zu Beginn ist der Puffer ausgeschaltet und wird daraufhin eingeschaltet (aktiviert). Die Ausgangsspannung BUFOUT des Puffers nimmt zu und regelt sich auf VREF + VOFF aus. VOFF kann positiv oder negativ sein. Das Schalten des Puffers BUF injiziert eine bestimmte Ladungsmenge (Überschwingspitzenrauschen) in den Knoten N1. Diese ist als KICKBACK1 angegeben. Diese Ladung verursacht eine kleine Spannungsabweichung bei dem Eingang ST2IN der zweiten Stufe ST2. Allerdings ist der Puffer BUF spezifisch für Eingangskapazität gegenüber Offsetspannung optimiert, d. h., der Puffer weist Eingangstransistoren mit einer Fläche ABUFOPT in Übereinstimmung mit den obigen Gleichungen auf. Da die Fläche ABUFOPT klein ist, ist die Eingangskapazität CINBUF des Puffers ebenfalls klein. Somit ist die Störung KICKBACK1 ebenfalls klein.
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Die erste Stufe ST1 ist zu Beginn ebenfalls ausgeschaltet und wird daraufhin eingeschaltet. Entweder BUF oder ST1 kann zuerst eingeschaltet werden oder sie können gleichzeitig eingeschaltet (aktiviert) werden. Die Eingangsspannung bei dem Eingangsknoten ST1 IN der ersten Stufe ST1 steigt ebenfalls in Übereinstimmung mit der Ausgangsspannung BUFOUT des Ausgangs des Puffers BUF. Dementsprechend regelt sich ST1IN ebenfalls auf VREF + VOFF aus. VOFF kann positiv oder negativ sein. Daraufhin wird die Eingangskapazität C1 der ersten Stufe ST1 auf VREF + VOFF geladen. Die zweite Stufe ST2 kann von Beginn an eingeschaltet werden. Die Steuerstufe CS ist die ganze Zeit eingeschaltet. Dies ist notwendig, um den Schalter SW1 in der Standardkonfiguration 2 zu halten. Um die Spannung VREF an den Eingang ST1IN der ersten Stufe anzulegen, muss der Schalter SW1 aus der Konfiguration 2 in die Konfiguration 1 geschaltet werden. Nun wird der Eingang ST1IN der ersten Stufe ST1 mit dem ersten Knoten N1 und dadurch mit der Spannungsquelle VS und mit dem Eingang der zweiten Stufe ST2 verbunden. Wegen des Schaltens von SW1 aus der Konfiguration 2 in die Konfiguration 1 wird in den Knoten N1 eine bestimmte Ladungsmenge injiziert, die als eine Spannungsänderung am Eingang ST2IN der zweiten Stufe ST2 erscheint. Diese wird als KICKBACK2 bezeichnet. Da die Spannungsänderung am Eingang ST1IN nur die Offsetspannung VOFF in Bezug auf die Eingangskapazität C1 ist, ist die Menge des Überschwingspitzenrauschens aber recht klein. Der Absolutwert von VOFF ist üblicherweise wesentlich kleiner als der Absolutwert von VREF.
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Nachdem sich der Puffer BUF auf VREF + VOFF oder VREF – VOFF ausgeregelt hat und nachdem der Schalter in die Konfiguration 2 geschaltet worden ist, kann er ausgeschaltet werden. Der Ausgang des Puffers BUF wird dann von dem Eingang der ersten Stufe ST1 getrennt. Dies kann eine dritte Ladungsinjektion veranlassen, die als KICKBACK3 angegeben ist. Allerdings kann der Puffer BUF auch aktiviert (eingeschaltet) bleiben, nachdem der Schalter in die Konfiguration 2 geschaltet hat. Je eher der Puffer BUF ausgeschaltet (deaktiviert) wird, desto mehr Leistung kann gespart werden.
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In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung werden alle Rauschimpulse KICKBACK1, KICKBACK2 und KICKBACK3 minimiert. Genauer kann die Stärke der Impulse (die wegen der oben beschriebenen Effekte indizierte Ladung), wie in Bezug auf die Gleichungen (3), (4) und (5) beschrieben ist, gleich (verschieden) sein.
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5 zeigt einen vereinfachten Stromlaufplan einer Ausführungsform der Erfindung. Es gibt eine erste Stufe, in dieser Ausführungsform eine geschaltete aktive elektronische Stufe ST1, die z. B. ein Verstärker, ein Komparator oder ein Puffer usw. sein kann. Die geschaltete aktive Stufe ST1 kann unter Verwendung des Schalters SW ausgeschaltet werden. Der Schalter SW kann die Stromquelle CS, die der Differenzeingangsstufe, die die Eingangstransistoren M1 und M2 umfasst, einen Schwanzstrom zuführt, abtrennen. Der Eingangstransistor M1 kann mit dem Knoten N1 verbunden werden, um ihn mit einer Spannungsquelle VS zu verbinden. Diese Spannungsquelle VS kann eine hochimpedante Spannungsquelle sein, d. h., der Innenwiderstand RI ist erheblich und kann nicht vernachlässigt werden. Wenn die Eingangsstufe ausgeschaltet wird, können die parasitären Eingangskapazitäten CGD und CGS des MOS-Transistors M1 Ladung freisetzen. Diese sind die Eingangskapazitäten der ersten Stufe. Diese Ladung kann sich als Ladung QK1 in Richtung der Spannungsquelle VS von der Quelle zu dem Eingang ausbreiten. Dies wird dadurch vermieten, dass der Schalter SW1 zu dem Ausgang BUFOUT des Niederleistungspuffers BUF geschaltet wird. Dieser Niederleistungspuffer BUF wird in Übereinstimmung mit den Aspekten der Erfindung dimensioniert. Die Fläche der Eingangstransistoren ist ABUFOPT. Das Schalten von SW1 kann wie in 4 gezeigt ausgeführt werden.
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Der Niederleistungspuffer BUF kann ebenfalls eine Eingangskapazität besitzen und kann somit ebenfalls eine bestimmte Ladungsmenge QK2 freisetzen, wenn er durch den Schalter SW3 ausgeschaltet wird. Ein Optimum wird erreicht, wenn die durch die Überspannungsspitzenladung QK2 verursachte Wirkung im Wesentlichen gleich der durch die Überspannungsspitzenladung QK1 verursachten Wirkung ist.
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Obgleich die Erfindung oben mit Bezug auf spezifische Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist sie nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, wobei dem Fachmann zweifellos weitere Alternativen, die im Umfang der wie beanspruchten Erfindung liegen, einfallen.
