DE102012112196A1 - A method for controlling or regulating an energy requirement and / or a performance of an electronic circuit - Google Patents

A method for controlling or regulating an energy requirement and / or a performance of an electronic circuit

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DE102012112196A1
DE102012112196A1 DE201210112196 DE102012112196A DE102012112196A1 DE 102012112196 A1 DE102012112196 A1 DE 102012112196A1 DE 201210112196 DE201210112196 DE 201210112196 DE 102012112196 A DE102012112196 A DE 102012112196A DE 102012112196 A1 DE102012112196 A1 DE 102012112196A1
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DE
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energy
performance
power
circuit
control
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Withdrawn
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DE201210112196
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German (de)
Inventor
Prof. Ellinger Frank
Ronny Henker
Ralf Eickhoff
Ralf Rieske
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Technische Universitaet Dresden
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Technische Universitaet Dresden
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10Regulating voltage or current
    • G05F1/46Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/565Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor

Abstract

Der Erfindung, welche ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung eines Energiebedarfs und/oder einer Leistungsfähigkeit einer elektronischen Schaltung betrifft, liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit welchem der Energiebedarf von elektronischen Schaltungen, Komponenten und Systemen insbesondere der Kommunikationstechnik reduziert wird. The invention, which relates to a method for controlling or regulating an energy requirement and / or a performance of an electronic circuit, for its object to provide a method by which the energy consumption of electronic circuits, components and systems, in particular in communications technology reduced. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, eine Steuerung oder Regelung des Versorgungsstroms I ss der elektronischen Schaltung mittels einer steuer- oder regelbaren Stromquelle und eine Kompensation einer durch eine Änderung des Versorgungsstroms I ss bedingten Verschiebung des Ausgangspotenzials der Schaltung erfolgt. This object is solved by a control or regulation of the supply current I ss of the electronic circuit by means of a controlled or controllable current source and a compensation is made a by a change of the supply current I ss-related shift of the output potential of the circuit.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung eines Energiebedarfs und/oder einer Leistungsfähigkeit einer elektronischen Schaltung, bei welchem in Abhängigkeit eines vorgegebenen Energiebedarfs oder einer vorgegebenen Leistungsfähigkeit die elektronische Schaltung gesteuert oder geregelt wird. The invention relates to a method for controlling or regulating an energy requirement and / or a performance of an electronic circuit, wherein in response to a predetermined power demand or a predetermined capacity, the electronic circuit is controlled or regulated.
  • Diese Steuerung oder Regelung einer elektronischen Schaltung mittels eines aktuell vorgegebenen Energiebedarfs oder einer aktuell vorgegebenen bzw. notwendigen Leistungsfähigkeit wird nachfolgend als Energie- und Leistungsfähigkeitsadaptivität bezeichnet. This controlling or regulating an electronic circuit by means of a known predetermined energy requirement or a known predetermined or required performance is hereinafter referred to as an energy and Leistungsfähigkeitsadaptivität.
  • Als Energiebedarf einer elektronischen Schaltung wird der Bedarf oder Verbrauch an elektrischer Leistung P bzw. elektrischer Energie E bezeichnet. As energy demand of an electronic circuit of the demand or consumption of electric power or electric energy P is designated E.
  • Der Begriff Leistungsfähigkeit einer elektronischen Schaltung umfasst deren spezifische Kenngrößen bzw. Betriebseigenschaften wie beispielsweise die Parameter Datenübertragungsgeschwindigkeit, Bitfehlerrate, Bandbreite, Taktfrequenz, Verstärkung oder Rauschen. The term performance of an electronic circuit comprising the specific characteristics and operating characteristics such as the parameter data transmission speed, bit error rate, bandwidth, frequency, gain or noise.
  • Heutzutage ist der Energieverbrauch elektrischer Systeme enorm. Today, the energy consumption of electrical systems is enormous. Einen großen Teil nehmen dabei Kommunikationssysteme ein. A large part of take it one communication systems. Es werden enorme Mengen an Daten über sowohl kurze Strecken, beispielsweise zwischen Rechen- und Datenzentren oder in öffentlichen Einrichtungen als auch über längere oder lange Strecken, beispielsweise in sogenannte Weitverkehrsübertragungsnetze, durch drahtgebundene und drahtlose sowie elektrische und optische Kommunikationsverbindungen übertragen. There are enormous amounts of data over both short distances, such as between computer and data centers or in public institutions as well as for extended or long distances, for example in so-called wide-area transmission networks, transmitted through wired and wireless, as well as electrical and optical communication links.
  • Der kontinuierlich steigende Bedarf an verfügbaren Bandbreiten in Übertragungssystemen, zu übertragenden Datenmengen und immer höhere Datenübertragungsgeschwindigkeiten bedingen einen stetigen Anstieg der Anzahl der Verbindungen und damit einen stetig steigenden Energiebedarf. The continuously increasing demand for available bandwidth in transmission systems to transfer data volumes and ever higher data rates require a steady increase in the number of connections and a steadily increasing demand for energy.
  • Damit wird für die Übertragung von Daten heutzutage bereits das 200-fache an Energie als für deren Verarbeitung benötigt, wie in So today is already requiring 200 times more energy than their processing for the transmission of data as shown in aufgezeigt wird. is shown.
  • Um beispielsweise in Kommunikationssystemen die bei einer Datenübertragung maximal auftretende Datenlast zu gewährleisten, werden die Datenverbindungen meistens bei ihrer maximalen Leistungsfähigkeit, dh mit der maximalen Datenrate bzw. Bandbreite sowie mit den maximalen Ausgangsleistungen oder Verstärkungen, betrieben. In order to ensure the maximum occurring during data transmission data load, for example, in communication systems, the data connections are generally operated at its maximum capacity, that is, with the maximum data rate or bandwidth and the maximum output power or reinforcements. Damit verbrauchen die Systemkomponenten auch eine hohe Versorgungsleistung. In order for the system components also consume a high supply performance. In realen Netzen wird die maximale Bandbreite aber nur zu bestimmen Zeitpunkten bzw. für eine bestimmte Zeitdauer benötigt und variiert in der Regel. In real networks, the maximum bandwidth is only to determine times or needed for a particular period of time and usually varies. Im Tagesverlauf beispielsweise steigt die Datenlast am Morgen langsam an, erreicht am Nachmittag ihren Höhepunkt, fällt zum Abend wieder ab, bis es in der Nacht das Minimum erreicht. During the day, for example, the data load increases in the morning slowly reached its peak in the afternoon, falling to the evening off again until it reaches the minimum at night.
  • Durch Anpassung der Leistungsfähigkeit der Übertragung an den aktuellen Datenratenbedarf kann der Energieverbrauch variiert und schließlich signifikant gesenkt werden, womit sich ebenfalls die damit verbundenen Kosten verringern lassen. By adapting the capacity of the transmission to the current data rate requirement, energy consumption can be varied and ultimately significantly reduced, which also can reduce the associated costs.
  • Die Implementierung einer Leistungsfähigkeits- und Energieadaptivität kann auf verschiedene Art und Weise realisiert werden. The implementation of a Leistungsfähigkeits- and Energieadaptivität can be implemented in various ways. Die einfachste Variante ist das bedarfsmäßige Zu- und Abschalten von Komponenten bzw. kompletten parallelen Verbindungen. The simplest approach is the need for proper connection and disconnection of components or complete parallel connections.
  • Im Stand der Technik wird die Leistungsfähigkeits- und Energieadaptivität in der Kommunikationstechnik bisher überwiegend und sehr ausführlich im Mikroprozessorbereich sowie bei elektrischen Verbindungen untersucht und umgesetzt. In the prior art, the Leistungsfähigkeits- and Energieadaptivität is mainly been studied in great detail and in the microprocessor field, as well as electrical connections in communications technology and implemented. Eine Verringerung des Energiebedarfs von Mikroprozessoren bei geringer werdenden Rechengeschwindigkeiten kann durch eine Skalierung deren Versorgungsspannung (Stichwort: Dynamic Voltage Scaling) erreicht werden. A reduction of the energy requirement of microprocessors in decreasing computational speeds can be achieved by scaling the supply voltage (keyword: Dynamic Voltage Scaling) to be achieved. Beispiele hierfür sind aus Examples of these are from , . oder or bekannt. known.
  • Aufgrund der begrenzten Ladekapazität von Batterien bzw. Akkumulatoren ist eine Energieadaptivität vor allem auch bei mobilen Anwendungen bekannt und von großer Bedeutung. Due to the limited cargo capacity of batteries or accumulators a Energieadaptivität is known especially for mobile applications, and of great importance. Beispiele hierfür finden sich in Examples can be found in oder or . ,
  • Beispielsweise beim GSM Standard wird bei einem Verbindungsaufbau zunächst mit der höchsten Sendeleistung abgestrahlt und diese im Laufe der Verbindung entsprechend den Übertragungsbedingungen, wie Distanz zwischen Sender und Empfänger, Bitfehlerrate, Übertragungsdämpfung etc. und der Empfangsqualität angepasst und heruntergeregelt (3GPP TS 45.-series specifications). For example, the GSM standard is emitted when establishing a connection firstly with the highest transmission power, and this in the course of the connection according to the transmission conditions, adjusted as distance between the transmitter and the receiver, bit error rate, transmission loss, etc., and the reception quality and down-regulated (3GPP TS 45.-series specifications ). Diese geschieht in der Regel durch spannungsgesteuerte Leistungsverstärker mit variabler Verstärkung. This is usually done by voltage-controlled power variable gain amplifier.
  • Für drahtgebundene elektrische Verbindungen existieren ebenfalls Lösungen zur Energieadaptivität. For wired electrical connections also exist solutions Energieadaptivität. Durch die by Energy-Efficient Ethernet Gruppe wurde beispielsweise ein Übertragungsprotokoll eingeführt, mit welchem einzelne Verbindungen zeitweise in einen Leerlaufbetrieb mit verringerter Versorgungsleistung geschalten werden können, wie in Energy-Efficient Ethernet group has been introduced, for example, a transmission protocol with which individual compounds can be switched to an idle operation at a reduced power supply temporarily, as in dargestellt ist. is shown.
  • Darüber hinaus ist für elektrische Verbindungen per Simulation die Anwendbarkeit von Dynamic Voltage Scaling gezeigt worden. In addition, the applicability of Dynamic Voltage Scaling has been shown by simulation for electrical connections. Siehe Please refer . ,
  • Bei elektrischen Verbindungen zwischen Prozessoren und Speicherbauelementen wurden bereits Möglichkeiten zum vollständigen Ein- und Ausschalten in For electrical connections between processors and memory devices capabilities to fully turn on and off in already und and demonstriert. demonstrated.
  • Zur Adaptivität bei optischen Verbindungen gibt es zwar bereits einige Studien, zum einen ist eine solche Leistungsfähihkeits- und Energieadaptivität jedoch praktisch noch nicht im Einsatz und zum anderen unterscheiden sich diese Ansätze maßgeblich von dem hier beschriebenen Verfahren. For adaptivity in optical connections while there are already some studies on the one hand, such a Leistungsfähihkeits- and Energieadaptivität however practically not in use and on the other hand, these approaches differ materially from the methods described herein. Zum großen Teil existieren Systemansätze, um die Leistungsfähigkeit und den Energieverbrauch einer optischen Verbindung zu steuern, wie aus For the most part, there system approaches to control the efficiency and the energy consumption of an optical link, such as from und and bekannt ist. is known.
  • Hierbei werden intelligente Algorithmen und Architekturen auf Systemebene vorgestellt, die zu einer Rekonfiguration und Anpassung von Bandbreite und Energieverbrauch für die individuellen Kanäle in einem optischen Netz führen. Here, intelligent algorithms and architectures will be presented at the system level, which lead to a reconfiguration and adaptation of bandwidth and energy consumption for the individual channels in an optical network. In In wird beispielsweise beschrieben, wie in Langstreckennetzen durch das Ein-/Ausschalten von Verbindungen und durch Umleitung der Daten über andere Verbindungen Energie gespart werden kann. is described, for example, as can be saved in long-haul networks using the ON / OFF switching of connections and by forwarding the data for other compounds energy. Eine Umsetzung auf Komponenten- und Schaltungsebene wird dabei allerdings nicht betrachtet. A conversion to component and circuit level is in this case does not consider.
  • Auf Komponentenebene von optischen Übertragungssystemen gibt es nur wenige Arbeiten. At the component level of optical transmission systems, there are few works. In In werden Strategien zur Energieeinsparung im Digitalteil eines OFDM-basierten optischen Transceivers vorgestellt. Strategies are presented for energy conservation in the digital part of an OFDM-based optical transceiver. Dabei wird lediglich die Bandbreite des OFDM Signals und damit die Abtastrate für den Digitalteil eingestellt, die Betriebsparameter der analogen Schaltungsteile bleiben jedoch unverändert. The bandwidth of the OFDM signal and thus the sampling rate for the digital part is set only, however, the operating parameters of the analog circuit components remain unchanged.
  • Es gibt zwar weitere Arbeiten und Patente, welche auf die Adaptivität von optischen Verbindungen abzielen, allerdings dienen diese nicht der Senkung des Energieverbrauchs, sondern vielmehr der Optimierung hinsichtlich der Übertragungseigenschaften. While there is more work and patents, aimed at the adaptivity of optical connections, but these are not used to reduce energy consumption, but rather the optimization in terms of transmission characteristics. Ausführungen hierzu bezüglich des Parameters Bitfehlerrate sind aus Versions are this respect to the parameter of bit error rate und and bekannt. known. Bezüglich des Parameters „Signalintegrität“ ist die G. Giaretta (Finisar), “Dynamically adaptive optical transceiver,” Respect to the parameter "signal integrity" is the G. Giaretta (Finisar), "Dynamically adaptive optical transceiver," US patent 7684710 US patent 7684710 , 2010 und bezüglich der „Flexibilität“ also , 2010, regarding the "flexibility" so
  • unterschiedlicher Datenraten einer Verbindung die Ewen et al. different data rates of a compound of the Ewen et al. (IBM), “Switchable-bandwidth optical receiver,“ (IBM), "Switchable-bandwidth optical receiver," US patent 6862322 US patent 6862322 , 2005 und die Killmeyer et al. , 2005 and the Kill Meyer et al. (Vitesse Semiconductor Corporation) “Variable bandwidth transimpedance amplifier with one-wire interface,“ (Vitesse Semiconductor Corporation) "variable bandwidth transimpedance amplifier with one-wire interface," US patent 7,657,191 US patent 7,657,191 , 2010 aus dem Stand der Technik bekannt. 2010 known from the prior art.
  • Lediglich in only in und and wird das Entwicklungspotential von energie- und frequenzadaptiven Transceiverkomponenten zur optischen Datenübertragung mittels einer Steuerung der Versorgungsspannung untersucht und umgesetzt. the development potential of energy and rate adaptive transceiver components is examined and for optical data transmission by means of a control of the supply voltage converted.
  • Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die aus dem Stand der Technik bekannten, oben beschriebenen Methoden zur Adaptivität in Kommunikationssystemen entweder nur auf Systemebene implementiert worden sind oder andere Ziele als die Senkung des Energieverbrauchs verfolgen, wie beispielsweise die Optimierung von Übertragungseigenschaften oder eine höhere Flexibilität in der Anwendung. In summary it can be stated that the known prior art methods for adaptivity described above have been implemented in communication systems, either at the system level or other objectives as the reduction of energy consumption, such as to optimize transmission characteristics or a higher flexibility in the Application.
  • Leistungsfähigkeits- und Energieadaptivität auf Komponentenebene zur Verringerung des Energieverbrauchs wurde bisher nur rudimentär und bei elektrischen Verbindungen implementiert. Leistungsfähigkeits- Energieadaptivität and at the component level to reduce the energy consumption has been rudimentary and implemented with electrical connections. Energieadaptivität bei optischen Verbindungen wurde bisher nur auf Systemebene untersucht. Energieadaptivität in optical connections has been studied only at the system level. Es existieren aber noch keine praktischen Realisierungen, weder auf System- noch auf Komponentenebene. However, there are no practical implementations yet, neither system nor at the component level.
  • Weiterhin wurde die Anpassung der Leistungsfähigkeit der einzelnen Komponenten dabei ausschließlich über eine Variation der Versorgungsspannung realisiert. Furthermore, the adaptation of the performance of the individual components was thereby realized solely through a variation of the supply voltage.
  • Der Nachteil dieser Realisierung besteht zum einen darin, dass eine Spannungseinstellung einen geringen Regelbereich besitzt und dass damit ein nur geringer Effekt bei der Einsparung an Versorgungsleistung bewirkt wird. The disadvantage of this implementation is the one that a voltage adjustment has a small control range and so that only a small effect on the saving of power supply is effected.
  • Zum anderen ist die Realisierung einer Spannungssteuerung aufwendig. Second, the realization of a voltage control is complicated. In der Regel werden dazu DC/DC Konverter verwendet, welche eine niedrige Effizienz besitzen und daher einen geringen Beitrag zur Energieeinsparung leisten. Usually DC converters to DC / used which have a low efficiency and therefore make a small contribution to energy saving.
  • Des Weiteren wurden bisher keine Verfahren vorgestellt, wie eine mit der Veränderung der Versorgungsspannung einhergehende Änderung der Verstärkung der Schaltungen kompensiert werden kann. Furthermore, no methods have been proposed so far as a concomitant with the change of the supply voltage change in the gain of the circuits can be compensated. Dies ist ein wesentlicher Nachteil aller bisherigen Methoden zur Adaptiviät, da die meisten Anwendungen konstante Potentiale unabhängig von variablen Versorgungsspannungen und -strömen benötigen. This is a major disadvantage of all previous methods for Adaptiviät since most applications require constant potential regardless of variable supply voltages and currents.
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur adaptiven Energie- und Leistungsfähigkeitssteuerung von elektronischen Schaltungen anzugeben, mit welchem der Energiebedarf von elektronischen Schaltungen, Komponenten und Systemen insbesondere der Kommunikationstechnik reduziert wird. The invention is thus based on the object of specifying a method for adaptive control energy and performance of electronic circuits, with which the energy consumption of electronic circuits, components and systems, in particular in communications technology is reduced.
  • Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einem Verfahren zur adaptiven Energie- und Leistungsfähigkeitssteuerung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine Einstellung eines variablen Versorgungsstroms I ss der elektronischen Schaltung erfolgt. According to the invention the object is achieved in a method for adaptive power and performance control of the aforementioned type, that a setting of a variable supply current I is ss of the electronic circuit. Gleichzeitig wird eine Kompensation einer durch eine Änderung des Versorgungsstroms I ss bedingten Verschiebung des Ausgangspotenzials der Schaltung vorgenommen. At the same time, a compensation of a conditional by a change of the supply current I ss shift of the output potential of the circuit is made.
  • Die vorliegende Beschreibung stellt Methoden vor, welche darauf abzielen, den Energiebedarf durch die Implementierung von Adaptivität auf Komponenten-, Schaltungs- und Transistorebene in elektronischen Systemen allgemein, insbesondere in Kommunikationssystemen, drastisch zu verringern. The present specification presents methods which aim to reduce the energy demand by implementing adaptivity at component, circuit and transistor level in electronic systems in general, particularly in communication systems drastically. Dabei wird die Leistungsfähigkeit eines elektronischen Systems kontinuierlich an deren tatsächlichen aktuellen Leistungsfähigkeits- oder Energiebedarf angepasst und somit auch ein bedarfsgerechter Energieverbrauch der Systeme erzielt. In this case, the performance of an electronic system is continuously adapted to the actual current Performance Or energy demand and thus achieves a need-based energy consumption of the systems.
  • Eine Steuerung des Versorgungsstromes besitzt, gegenüber der im Stand der Technik üblichen Steuerung der Versorgungsspannung, einen großen Regelbereich und kann einfach über variable Stromquellen, wie sie bereits in den meisten differentiellen Schaltungen verwendet werden, realisiert werden. A control of the supply current has, compared to the usual in the prior art control of the supply voltage, a large control range and can easily be implemented using variable current sources, as they are already used in most of the differential circuits.
  • In diesem Patent wird ein Verfahren vorgestellt, wie der Arbeitspunkt der Schaltungen durch den Versorgungsstrom I ss adaptiv angepasst und die Verstärkung A bzw. das Ausgangspotenzial der Schaltungen gleichzeitig konstant gehalten werden können. In this patent, a method is presented, as the operating point of the circuit adjusted by the supply current I ss adaptive and the gain A and the output potential of the circuits can be kept constant at the same time.
  • Ist beispielsweise die Datenrate eines Kommunikationssystems, wie beispielsweise einem optisch oder elektrisch arbeitenden Datenübertragungssystem, gering, wird nur eine geringe Systembandbreite BB benötigt. For example, if the data rate of a communication system, such as an optically or electrically operating data transmission system, low, only a small system bandwidth BB is needed. Hierzu kann der Versorgungsstrom I ss entsprechend dem vorgeschlagenen Verfahren heruntergeregelt werden. For this purpose, the supply current I can be adjusted down to the proposed method according ss. Damit verringert sich gleichzeitig der Energieverbrauch der Schaltung. Thus, while reducing the energy consumption of the circuit. Ein steuerbarer Versorgungsstrom I ss kann beispielsweise durch variable steuerbare Stromquellen realisiert werden. A controllable supply current I ss can be realized for example by variable controllable current sources.
  • Mit Verringerung des Stromes I ss kann es unter Umständen zu Veränderungen der Verstärkungscharakteristik der Schaltungsanordnung kommen, beispielsweise zu einer Verringerung der Verstärkung A bei Verringerung des Stromes I ss . With reduction of the current I ss there may be changes in the gain characteristic of the circuit arrangement may, for example, to a reduction of the gain A in reduction of the current I ss.
  • Für die meisten Schaltungen wie beispielsweise Laserdiodentreiber werden aber konstante Ausgangspotenziale bei verschiedenen Versorgungsströmen benötigt. For most circuits such as laser diode drivers but constant output potentials are needed at various supply currents. Eine Änderung des Ausgangspotenzials kann durch steuerbare variable Widerstände kompensiert werden. A change in the output potential can be compensated by controllable variable resistors. Diese neuen Konzepte sind universell bzw. ähnlich bei allen integrierten Schaltungen eines elektronischen Systems insbesondere bei Übertragungssystemen und in allen Halbleitertechnologien anwendbar, was insgesamt zu einer Energieadaptivität bzw. zu einer signifikanten Verringerung des Energiebedarfs der Einzelkomponenten und des gesamten Systems führt. These new concepts are universal or similar applicable to all integrated circuits of an electronic system, in particular in transmission systems and in all semiconductor technologies, resulting in an overall Energieadaptivität or a significant reduction of the energy requirement of the individual components and the entire system. Anwendbare Komponenten der Kommunikationstechnik sind beispielsweise Multiplexer/Demultiplexer, Frequenzteiler, Oszillatoren, Retimer-Schaltungen, Lasertreiber, Clock- and Data-Recovery, Spannungs-, Leistungs-, Begrenzungs- und Transimpedanzverstärker, digitale Schaltungen wie beispielsweise Latches oder Logikgatter und andere. Applicable components of communications technology, for example, multiplexer / demultiplexer, frequency divider, oscillators, retimer circuits, laser drivers, clock and data recovery, voltage, power, limiting and transimpedance amplifier, digital circuits such as latches or logic gates, and others.
  • In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kompensation einer durch eine Änderung des Versorgungsstroms bedingten Verschiebung des Ausgangspotenzials mittels steuer- oder regelbarer Widerstände erfolgt. In a first embodiment of the invention is provided, that the compensation of a contingent of the supply current by a change in shift of the output potential by means of controlled or variable resistors.
  • Allgemein kann ein ohmscher Widerstand oder ein als Widerstand wirkender veränderlicher Halbleiter genutzt werden, um die Verschiebung der Ausgangsspannung zu kompensieren. Generally, an ohmic resistance or acting as a resistance variable semiconductor may be used to compensate for the displacement of the output voltage. Dabei ist es möglich, das der Widerstand oder Halbleiter mittels einer übergeordneten Steuerung gesteuert wird. It is possible, which is controlled resistor or semiconductor by means of a master controller. Ebenso kann der Widerstand oder Halbleiter teil eines Regelkreises sein und geregelt werden. Also, the resistor or semiconductor may be part of a control circuit and controlled.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kompensation einer durch eine Änderung des Versorgungsstroms bedingten Verschiebung des Ausgangspotenzials mittels steuerbarer Rückkoppelwiderstände innerhalb der elektronischen Schaltung erfolgt. In one embodiment of the invention is provided, that the compensation of a contingent of the supply current by a change in shift of the output potential means of controllable feedback resistors within the electronic circuit takes place.
  • Durch eine Veränderung des Stromes I ss kann es zu einer unerwünschten Verschiebung des Ausgangspotenzials der gesteuerten Schaltung kommen. By a change of the current I ss may occur to an undesirable shift of the output potential of the controlled circuit. Erfindungsgemäß wird diese Ausgangspotenzialverschiebung durch eine geeignete Veränderung der Werte der in der Schaltung angeordneten Rückkoppelwiderstände erreicht. According to the invention these output potential displacement is achieved by an appropriate change in the values ​​of the circuit arranged in the feedback resistors.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kompensation einer durch eine Änderung des Versorgungsstroms bedingten Verschiebung des Ausgangspotenzials mittels einer Anpassung des Lastwiderstands der elektronischen Schaltung erfolgt. In a further embodiment of the invention is provided, that the compensation of a contingent of the supply current by a change in shift of the output potential means of an adjustment of the load resistance of the electronic circuit takes place.
  • Eine andere Variation der Kompensation einer Ausgangspotenzialverschiebung besteht darin, den Lastwiderstand der Schaltung anzupassen, sodass die Verschiebung kompensiert wird. Another variation of the compensating an output potential displacement is to match the load resistance of the circuit, so that the shift is compensated.
  • In einer besonderen Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anpassung des Lastwiderstands und/oder des Rückkoppelwiderstands mittels verschiedener zu- und abschaltbarer Zweige eines Widerstandsnetzwerkes erfolgt. In a particular embodiment of the invention provides that the adjustment of the load resistor and / or the feedback resistance means of various switched on and off branches of a resistor network is carried out.
  • Zur Anpassung des Last- oder Rückkoppelwiderstands können steuerbare Widerstandsnetzwerke eingesetzt werden. To adjust the load or feedback resistance controllable resistor networks can be used. Die Zu- und Abschaltung der Zweige dieses Widerstandsnetzwerkes kann durch Steuersignale einer übergeordneten zentralen Steuerinstanz erfolgen. The connection and disconnection of the branches of this resistance network can be performed by control signals of a master central control instance. Alternativ können zur Widerstandsveränderung auch Feldeffekttransistoren oder aktive induktive Lasten eingesetzt werden. As an alternative to resistance change also field effect transistors or active inductive loads can be used.
  • In einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass für die Anpassung des Lastwiderstands und/oder des Rückkoppelwiderstands eine abgespeicherte Tabelle verwendet wird, wobei in dieser Tabelle zu verschiedenen Anforderungen an eine Datenübertragungsrate jeweils zugeordnete Werte für den Versorgungsstrom I ss und Werte zur Anpassung des Lastwiderstands und/oder des Rückkoppelwiderstands hinterlegt sind. In one embodiment of the invention it is provided that a stored table is used for the adjustment of the load resistor and / or the feedback resistance, whereby in this table to different requirements for a data transmission rate respectively assigned values for the supply current I ss and values for the adaptation of the load resistor, and / or of the feedback resistor are stored.
  • Die zur Anpassung des Last- oder Rückkopplungswiderstands notwendigen Steuersignale können mittels einer gespeicherten Werte-Tabelle erzeugt werden. The necessary for adapting the load or resistance feedback control signals can be generated by means of a stored value table. Hierfür sind in der Tabelle beispielsweise zu verschiedenen Datenübertragungsraten jeweils Werte für den zugehörigen Strom I ss und Werte zur Erzeugung des Steuersignals für das Widerstandsnetzwerk hinterlegt. For this, each values of the associated current are I and ss values to generate the control signal for the resistor network stored in the table, for example at different data transmission rates.
  • In einer Realisierungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anpassung des Lastwiderstands und/oder des Rückkoppelwiderstands mittels einer Regelung erfolgt, welche die Verschiebung des Ausgangspotenzials der Schaltung erfasst und mit einem vorgegebenen Toleranzbereich vergleicht und derart ein Steuersignal zur Anpassung erzeugt. In one implementation variant of the invention it is provided that the adaptation of the load resistor and / or the feedback resistance is carried out by means of a control, which detects the displacement of the output potential of the circuit and compares it with a predetermined tolerance range, and so generates a control signal for the adaptation.
  • Alternativ zur vorgegebenen Werte-Tabelle kann auch eine Anpassung unter Nutzung eines Regelkreises erfolgen. Alternatively, the predetermined value table, an adjustment using a control loop can be done. Dieser überwacht beispielsweise das Ausgangspotenzial der Schaltung mit einem vorgegebenen Toleranzbereich. This, for example, monitors the output potential of the circuit with a predetermined tolerance range. Bei Abweichungen außerhalb dieser Toleranz wird dann durch die Regelung ein Steuersignal für das Widerstandsnetzwerk zu Kompensation der Abweichung erzeugt. In case of deviations outside this tolerance, a control signal for the resistor network is then generated to compensate for the deviation by the control. Prinzipiell können an der Stelle des Widerstandsnetzwerks auch ein regelbarer Transistor oder andere aktive Lasten zum Einsatz kommen. In principle, a controllable transistor or other active loads may be used in place of the resistor network.
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. The invention is described in more detail below using several embodiments. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt In the accompanying drawings
  • 1a 1a eine erfindungsgemäße adaptive Steuerung der Leistungsfähigkeit und des Energiebedarfs am Beispiel eines Single-Ended-Verstärkers, an adaptive control according to the invention the efficiency and the energy requirement the example of a single-ended amplifier,
  • 1b 1b eine erfindungsgemäße adaptive Steuerung der Leistungsfähigkeit und des Energiebedarfs am Beispiel eines Differenzverstärkers, an adaptive control according to the invention the efficiency and the energy demand on the example of a differential amplifier,
  • 1c 1c eine grafische Darstellung des zur a graphical representation of the 1a 1a und and 1b 1b gehörigem Verlauf der Spannungsverstärkung A und der Differenzverstärkung A diff in Abhängigkeit der Frequenz f, gehörigem variation of the voltage gain A, and the differential gain A diff a function of frequency f,
  • 2 2 eine erfindungsgemäße adaptive Steuerung der Leistungsfähigkeit und des Energiebedarfs am Beispiel eines Laserdiodentreibers, an adaptive control according to the invention the efficiency and the energy demand on the example of a laser diode driver,
  • 3a 3a eine erfindungsgemäße adaptive Steuerung der Leistungsfähigkeit und des Energiebedarfs am Beispiel eines Transimpedanzverstärkers mit paralleler Rückkopplung, an adaptive control according to the invention the efficiency and the energy demand on the example of a transimpedance amplifier with a parallel feedback,
  • 3b 3b eine zur Schaltung in a circuit for in 3a 3a gehörige grafische Darstellung der Transimpedanzverstärkung r T in Abhängigkeit der Frequenz f, corresponding graphical representation of the transimpedance gain r T as a function of frequency f,
  • 4a 4a eine erfindungsgemäße adaptive Steuerung der Leistungsfähigkeit und des Energiebedarfs am Beispiel eines Spannungs- und Begrenzungsverstärkers mit Serienrückkoppelung, an adaptive control according to the invention the efficiency and the energy requirement the example of a voltage and limiting amplifier having series feedback,
  • 4b 4b eine zur Schaltung in a circuit for in 4a 4a gehörige grafische Darstellung der Spannungsverstärkung A in Abhängigkeit der Frequenz f und corresponding graphical representation of the voltage amplification A as a function of frequency f, and
  • 5 5 eine erfindungsgemäße adaptive Steuerung der Leistungsfähigkeit und des Energiebedarfs am Beispiel eines Oszillators mit mehreren Phasen für Sub-Datenraten; adaptive control of the efficiency and the energy demand on the example of an oscillator with several phases for sub-data rates according to the invention; f ck = Datenrate/3. f ck = Data Rate / 3 system.
  • Vorgeschlagen wird eine dynamische Anpassung der Leistungsfähigkeit und des Energiebedarfs einer elektronischen Schaltung. Disclosed is a dynamic adjustment of the power and the energy demand of an electronic circuit. Hierbei wird in dieser Beschreibung als Leistungsfähigkeit der Schaltung beispielsweise die Bandbreite, die Taktfrequenz, die Verstärkung, eine Bitfehlerrate oder das Ausgangspotenzial der Schaltung verstanden. Here is understood as performance of the circuit, for example, the bandwidth, the clock frequency, the gain a bit error rate or the output potential of the circuit in this description. Der Energiebedarf umfasst den Bedarf bzw. Verbrauch elektrischer Leistung bzw. Energie. The energy requirement includes the need for and consumption of electric power or energy.
  • Hierzu werden Methoden vorgestellt, wie eine Adaptivität auf Schaltungs- bzw. Komponentenebene erreicht werden kann. For this purpose, methods are presented as an adaptivity to circuitry or component level can be achieved. Diese adaptive Steuerung umfasst im Wesentlichen die variable Einstellung verschiedener Leistungsfähigkeits-Arbeitspunkte über die Reglung von Versorgungsströmen sowie Widerständen und kann für alle elektrischen Komponenten beispielsweise eines Übertragungssystems unabhängig von der gegebenen Halbleitertechnologie (zB CMOS, SiGe BiCMOS usw.) verwendet werden, zB für Multiplexer/Demultiplexer, Frequenzteiler, Oszillatoren, Retimer-Schaltungen, Lasertreiber, Clock- and Data-Recovery, Spannungs-, Leistungs-, Begrenzungs- und Transimpedanzverstärker, digitale Schaltungen wie zB Latches oder Logikgatter usw. This adaptive control comprises substantially the variable setting of various Efficiency operating points on the regulation of power supply currents and resistors and (for example, CMOS, SiGe BiCMOS, etc.) can be used for all electrical components, for example, a transmission system irrespective of the given semiconductor technology, for example for multiplexer / demultiplexer, frequency dividers, oscillators, retimer circuits, laser driver, clock and Data Recovery, voltage, power, limiting and transimpedance amplifier, digital circuits such as latches or logic gates, etc.
  • Hierzu wird Adaptivität auf Komponenten- bzw. Schaltungsebene implementiert, welche eine Anpassung der Leistungsfähigkeit und damit des Energieverbrauchs an die aktuelle Datenlast ermöglicht. For this adaptivity is implemented at the component or circuit level, which enables adjustment of performance and power consumption to the current data load. Die Realisierung dieser Adaptivität erfolgt über eine Variation der Arbeitspunkte jeder einzelnen Schaltung durch eine dynamische Steuerung von Versorgungsströmen und Widerständen. The implementation of this adaptivity is via a variation of the operating points of each circuit by a dynamic control of power supply currents and resistors.
  • Im Folgenden wird die erfindungsgemäße adaptive Anpassung von Leistungsfähikeit- und Energieverbrauch der Komponenten auf Schaltungs- und Transistorebene, zunächst anhand grundlegender Verstärkerschaltungen und darauf folgend anhand verschiedener praktischer Beispiele näher erläutert. In the following, the adaptive adjustment of Leistungsfähikeit- and energy consumption of the components on circuit and transistor level according to the invention is, first by basic amplifier circuits and explained subsequently in more detail with reference to various practical examples.
  • Dabei stellen die Beispiele nur eine Auswahl an Schaltungen dar, bei denen das vorgestellte Verfahren einsetzbar ist. Here, the examples represent only a selection of circuits in which the method presented can be used. Grundsätzlich ist diese Art von Adaptivität zur Senkung des Energieverbrauchs bei allen notwendigen elektronischen Komponenten insbesondere für die Kommunikationstechnik ähnlich und implementierbar. Basically, this type of adaptivity to reduce energy consumption in all the necessary electronic components in particular, and similarly implemented for the communication technology.
  • In dieser Beschreibung werden die nachfolgend aufgeführten Abkürzungen verwendet. In this description, the abbreviations listed below are used.
  • I ss I ss
    Versorgungsstrom supply current
    V DD V DD
    Versorgungsspannung supply voltage
    P DC P DC
    Leistungsverbrauch power consumption
    g m g m
    Transkonduktanz transconductance
    R i R i
    Eingangsimpedanz input impedance
    C D C D
    Diodenkapazität diode capacitance
    f t f t
    Transitfrequenz transit frequency
    BB BB
    Bandbreite bandwidth
    R D R D
    Lastwiderstand load resistance
    R F R F
    Rückkoppelwiderstand Feedback resistor
    A A
    Spannungsverstärkung voltage gain
    A diff A diff
    Differenzverstärkung differential gain
    r T r T
    Transimpedanzverstärkung Transimpedance gain
    V in V in
    Eingangsspannung input voltage
    V out V out
    Ausgangsspannung output voltage
    I in I in
    Eingangsstrom input current
    I out I out
    Ausgangsstrom output current
    R s R s
    Quellenimpedanz source impedance
    C s C s
    Quellenkapazität source capacity
  • In der In the 1a 1a ist eine Realisierung des Verfahrens mit einer Single-Ended-Verstärkeranordnung dargestellt. a realization of the method is illustrated with a single-ended amplifier arrangement. Die The 1b 1b zeigt eine Variante mit einem Differenzverstärker. shows a variant with a differential amplifier.
  • Da in diesem und den nachfolgenden Beispielen zur Erläuterung des Verfahrens nur elektronische Grundschaltungen gezeigt werden, wird auf eine detaillierte Beschreibung der Schaltungsanordnungen verzichtet und nur die für das Verfahren bedeutsamen Teile der Schaltungen in die Beschreibung des Verfahrensablaufs einbezogen. in this and the following examples to illustrate the process since only basic electronic circuits are shown, is omitted a detailed description of the circuitry and included only the significant for the process parts of the circuits in the description of the process sequence.
  • Von einer der erläuterten Schaltungsanordnung übergeordneten zentralen Steuerinstanz wird der aktuelle Energiebedarf oder die Leistungsfähigkeit der Verstärkeranordnung bezüglich der notwendigen Datenrate vorgegeben. From one of the circuit arrangement explained superordinate central control instance, the current energy requirements or performance of the amplifier arrangement is specified with respect to the necessary data rate.
  • Für den Fall, dass eine niedrige Datenrate ausreichend ist, kann die Bandbreite BB der Schaltungen verringert werden. In the event that a low data rate is sufficient bandwidth BB of the circuits can be reduced. Sowohl beim Single-Ended-Verstärker in der In both the single-ended amplifier in the 1a 1a als auch beim Differenzverstärker in der and the differential amplifier in the 1b 1b erfolgt dies durch eine Reduzierung des Versorgungsstromes I ss über variable Stromquellen. this is accomplished by a reduction of the supply current I ss via variable current sources. Dadurch sinkt der Leistungsverbrauch des Verstärkers P DC drastisch ab. Thus, the power consumption of the amplifier P DC decreases dramatically.
  • Durch die Verringerung des Stromes I ss wird die Transkonduktanz g m , welche sich proportional zur Bandbreite BB verhält, abgesenkt. By reducing the current I ss is the transconductance g m which is proportional to the bandwidth BB lowered. Als positiver Seiteneffekt wird proportional auch das Rauschen verringert. As a positive side effect, the noise is reduced proportionally. Jedoch fällt gleichzeitig auch die Spannungs-(|A| ≈ g m R D ) bzw. Differenzverstärkung (|A diff | ≈ g m R D /2) mit sinkendem g m ab. (| A | ≈ g m R D) or differential gain, but also the voltage drops (| A diff | ≈ g m R D / 2) with decreasing from g m. Dies kann durch die Erhöhung der Lastwiderstände R D wieder entsprechend kompensiert werden, was ein konstantes Ausgangspotenzial der Schaltungen bei gleichbleibender Spannungsverstärkung A bewirkt. This can be compensated accordingly by increasing the load resistors R D, which causes a constant output potential of the circuit at a constant voltage gain A. Die Erhöhung der Lastwiderstände R D erzeugt wiederum den positiven Nebeneffekt, dass sich die Bandbreite BB weiter verringert. In turn, the increase of the load resistors R D produces the positive side effect that the bandwidth BB further reduced.
  • Für den Fall, dass eine hohe Datenrate gefordert wird, wird durch eine Erhöhung des Stromes die Bandbreite BB wieder vergrößert. In the event that a high data rate is required, the bandwidth BB is increased again by increasing the current. Die Vergrößerung von I ss bewirkt eine Vergrößerung der Transkonduktanz g m , welche sich proportional zur Bandbreite BB verhält. The magnification of I ss causes an increase in the transconductance g m which is proportional to the bandwidth BB. Mit steigendem g m vergrößert sich die Spannungs-(|A| ≈ g m R D ) bzw. Differenzverstärkung (|A diff | ≈ g m R D /2). With increasing g m, the voltage is increased (| A | ≈ g m R D) or differential gain (| A diff | ≈ g m R D / 2). In diesem Fall kann eine bei einer geringeren Datenrate vorgenommene Anpassung der Lastwiderstände R D wieder entsprechend zurückgenommen werden, sodass sich der reguläre Wert für R D einstellt. In this case, a change made at a lower data rate adjustment of the load resistors R D may be withdrawn again accordingly, so that the regular value of R D is established. Auch in diesem Fall bleibt die Spannungsverstärkung A konstant. Also in this case, the voltage gain A remains constant.
  • Die in den In the 1a 1a und and 1b 1b dargestellten variablen Widerstände R D , welche regelbar oder auch steuerbar sind, können beispielsweise mittels eines schaltbaren Widerstandsnetzwerks (Array) realisiert werden. illustrated variable resistors R D, which can be regulated or controlled, can be realized for example by means of a switchable resistor network (array). Die Steuersignale zum Zu- und Abschalten der Zweige des Widerstandsnetzwerks können durch die übergeordnete zentrale Instanz oder Regeleinheit erzeugt werden. The control signals for switching on and off of the branches of the resistor network can be created by the superordinate central instance or regulating unit. So können beispielsweise in Form einer Tabelle zugehörige Werte für den Strom I ss zu verschiedenen Datenraten sowie entsprechende Steuersignalwerte hinterlegt werden. As associated values for the current I may be ss deposited at different data rates and corresponding control signal values, for example in the form of a table.
  • Alternativ kann eine Regelung derart erfolgen, dass eine Erfassung des Ausgangspotenzials der Schaltung erfolgt und dass bei einer Abweichung dieses Ausgangspotenzials von einem vorgegebenen Wert eine Regelung mittels Zu- oder Abschalten der Zweige des Widerstandsnetzwerks erfolgt, bis der vorgegebene Wert wieder erreicht ist. Alternatively, a control can be performed such that detection of the output potential of the circuit, and in that from a predetermined value occurs at a deviation of this output potential of a control by means of switching on or off of the branches of the resistor network until the predetermined value is reached again.
  • In der In the 1c 1c sind die zu den Schaltungsanordnungen aus are those of the circuit arrangements 1a 1a und and 1b 1b zugehörigen Verstärkungs-Frequenz-Verläufe gezeigt. corresponding gain-frequency curves shown. Dabei ist für den Single-Ended-Verstärker die Spannungsverstärkung A und für den Differenzverstärker die Differenzverstärkung A diff auf der Ordinate des Koordinatensystems und auf der Abszisse die Frequenz f dargestellt. In this case, for the single-ended amplifier is the voltage gain of A and for the differential amplifier, the differential gain A diff, the frequency f represented on the ordinate of the coordinate system and the abscissa. Die Punkt-Punkt-Linie kennzeichnet den Verlauf für den Fall einer hohen geforderten Datenübertragungsrate, bei welchem eine große Bandbreite BB bereitgestellt wird und bei welchem der Leistungsverbrauch P DC hoch ist. The dot-dot line indicates the course in case of a required high data transfer rate at which a wide range BB is provided and in which the power consumption P DC is high. Der Fall einer nur geringen Datenübertragungsrate stellt die Strich-Punkt-Line dar, welcher durch eine geringe Bandbreite BB und einen geringen Leistungsverbrauch P DC gekennzeichnet ist. The case only a low data transfer rate represents the dot-dash line, which is characterized by a low bandwidth BB and a low power consumption P DC. Der Verstärkungsverlauf kann auch jeden beliebigen Verlauf zwischen diesen beiden Grenzwerten BB min und BB max annehmen. The gain curve may also take any course between these two limits BB BB min and max.
  • In der In the 2 2 ist eine Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel eines Laserdiodentreibers gezeigt, wie er üblicherweise im Bereich der Kommunikationstechnik eingesetzt wird. is shown on the example of a laser diode driver, such as is commonly used in the field of communication technique, a reaction of the inventive method.
  • Bei diesem Laserdiodentreiber handelt es sich im Wesentlichen um die bereits oben beschriebenen allgemeinen Verstärkerstufen. In this laser diode driver is essentially the described above generally amplifier stages. Analog dazu erfolgt auch die adaptive Steuerung. Similarly, the adaptive control is performed.
  • Der Betrieb dieses Treibers für den Fall eines hohen Leistungsbedarfs, also einer hohen benötigten Datenrate, erfolgt wie in dieser Grundschaltung üblich mit dem maximalen Strom I ss und somit der maximalen Bandbreite BB und dem maximalen Leistungsverbrauch P DC wie bereits zur The operation of this driver in case of high power demand, so a high required data rate is the same as in the basic circuit common with the maximum current I ss and thus the maximum bandwidth BB and the maximum power consumption P DC as already for 1a 1a und and 1b 1b ausgeführt. executed.
  • Für den Fall, dass eine niedrige Datenrate ausreichend ist, kann auch hier die Bandbreite BB des Laserdiodentreibers verringert werden. In the event that a low data rate is sufficient bandwidth BB of the laser diode driver can be reduced as well. Durch eine Reduzierung des Versorgungstromes I ss über die dargestellte variable Stromquelle erfolgt ein Absenken des Leistungsverbrauchs P DC des Laserdiodentreibers. By a reduction of the supply current I ss represented on the variable current source, a lowering of the power consumption P DC of the laser diode driver occurs.
  • Durch die Verringerung des Stromes I ss wird die Transkonduktanz g m , welche sich proportional zur Bandbreite BB verhält, abgesenkt. By reducing the current I ss is the transconductance g m which is proportional to the bandwidth BB lowered. Als positiver Seiteneffekt wird proportional auch das Rauschen verringert. As a positive side effect, the noise is reduced proportionally. Jedoch fällt gleichzeitig auch die Spannungs-(|A| ≈ g m R D ) bzw. Differenzverstärkung (|A diff | ≈ g m R D /2) mit sinkendem g m ab. (| A | ≈ g m R D) or differential gain, but also the voltage drops (| A diff | ≈ g m R D / 2) with decreasing from g m. Dies kann durch die Erhöhung der Lastwiderstände R D wieder entsprechend kompensiert werden, was ein konstantes Ausgangspotenzial der Schaltungen bei gleichbleibender Spannungsverstärkung A bewirkt. This can be compensated accordingly by increasing the load resistors R D, which causes a constant output potential of the circuit at a constant voltage gain A. Die Erhöhung der Lastwiderstände R D erzeugt wiederum den positiven Nebeneffekt, dass sich die Bandbreite BB weiter verringert. In turn, the increase of the load resistors R D produces the positive side effect that the bandwidth BB further reduced.
  • In der In the 3a 3a ist eine Schaltungsanordnung eines Transimpedanzverstärkers gezeigt, bei welcher das erfindungsgemäße Verfahren zur adaptiven Leistungssteuerung zu Anwendung kommt. there is shown a circuit configuration of a transimpedance amplifier in which the inventive method for adaptive power control is used to application.
  • Auch bei dieser Schaltung kann der Versorgungsstrom I ss verringert werden, wenn niedrige Datenraten bei der Datenübertragung ausreichend sind. Also in this circuit, the supply current I can be reduced ss when low data rates are sufficient for data transmission. Mit der Verringerung des Stroms I ss verringert sich gleichzeitig die Bandbreite BB, welche durch die Beziehung 1/(Verstärkereingangsimpedanz R i ·Photodiodenkapazität C D ) gegeben ist. With the reduction of the current I ss at the same time reduces the bandwidth BB, which is given by the relation 1 / (amplifier input impedance R i · photodiode capacitance C D).
  • Die Eingangsimpedanz R i ≈ R F /(1 + g m R D ) wiederum hängt maßgeblich von der Transkonduktanz g m ab, welche ebenfalls mit sinkendem Strom I ss abfällt. The input impedance R i ≈ R F / (1 + g m R D), in turn, depends largely on the transconductance g m, which also decreases with decreasing current I ss. Als positiver Seiteneffekt wird auch das Rauschen verringert, welches sich proportional zu g m und zur Bandbreite verhält. As a positive side-effect of noise is also reduced, which is proportional to g m and bandwidth. Durch die Verringerung des Versorgungsstromes I ss sinkt der Leistungsverbrauch P DC des Transimpedanzverstärkers drastisch ab. By decreasing the supply current I ss of the power consumption P DC of the transimpedance amplifier decreases drastically.
  • Falls es durch die Veränderung des Arbeitspunktes zu einer Verringerung der effektiven Transimpedanzverstärkung r T ≈ R F kommt, kann dies durch eine Vergrößerung des Rückkoppelwiderstandes R F kompensiert werden. If it is due to the change of the operating point to a reduction in the effective transimpedance gain r T ≈ R F, this can be compensated by an increase of the feedback resistor R F. Der Rückkoppelwiderstand R F kann beispielsweise mittels eines schaltbaren Widerstandsnetzwerkes, steuerbaren passiven resistiven Feldeffekttransistors oder mittels einer aktiven induktiven Last variabel realisiert werden. The feedback resistor R F, for example, by means of a switchable resistor network, controllable passive resistive field effect transistor or be realized by means of a variable active inductive load.
  • Die The 3b 3b zeigt die zur Transimedanzverstärkeranordnung aus shows the Transimedanzverstärkeranordnung from 3a 3a zugehörigen Verstärkungs-Frequenz-Verläufe. associated gain-frequency curves.
  • Die Punkt-Punkt-Linie stellt den Verstärkungsverlauf bei einem maximalen Versorgungsstromes I ss also bei maximaler Datenübertragungsrate dar. Die Strich-Punkt-Linie den Verstärkungsverlauf bei einem minimalen Versorgungsstromes I ss also bei minimaler Datenübertragungsrate. The dot-dot line represents the gain characteristic at maximum supply current I ss therefore at the maximum data transmission rate. The dashed-dotted line represents the gain characteristic at a minimum supply current I ss so with minimal data transmission rate. Der Verstärkungsverlauf kann auch jeden beliebigen Verlauf zwischen den beiden Grenzwerten BB min und BB max annehmen. The gain curve may also take any course between the two limits BB BB min and max.
  • In der In the 4a 4a ist die Umsetzung des Verfahrens an einem Spannungs- und Begrenzungsverstärker mit serieller Rückkopplung gezeigt. the implementation of the method on a voltage and limiting amplifier is shown with a serial feedback. Die The 4b 4b zeigt den zur Anordnung in shows the arrangement in the 4a 4a zugehörigen Verlauf der Spannungsverstärkung A in Abhängigkeit der Frequenz f in der bereits zur associated characteristic of the voltage gain A function of the frequency f in the already to 1c 1c beschriebenen Weise dar. Manner described represents.
  • Analog zum Transimpedanzverstärker in der Analogous to the transimpedance amplifier in the 3a 3a wird durch die Verringerung des Versorgungstroms I ss , die Transkonduktanz g m , die Bandbreite BB ~ 1 + g m R s /2 und schließlich der Energieverbrauch P DC der Schaltung reduziert. is reduced by the reduction of the supply current I ss, the transconductance g m, the bandwidth BB ~ 1 + g m R s / 2, and finally the power consumption P DC of the circuit. Aufgrund der Gegenkopplung verändert sich die Spannungsverstärkung A nicht, solange g m R s /2 >> 1 gilt. Due to the negative feedback, the voltage gain A is not changed as long as g m R s / 2 >> 1 applies. Bei Bedarf kann die Spannungsverstärkung und andere Schaltungsparameter zusätzlich durch die Steuerung von R S oder R D eingestellt werden. If necessary, the voltage gain and other circuit parameters can also be set by the controller of R or S R D.
  • In der In the 5 5 wird eine Umsetzung des Verfahrens an einem Oszillator dargestellt. an implementation of the method is shown to an oscillator. Dieser Oszillator weist mehrere Phasen für Sub-Datenraten auf, wobei gilt f ck = Datenrate/3. This oscillator has a plurality of phases for sub-data rate, satisfying f ck = Data Rate / 3 system.
  • Oszillatoren sind ebenfalls ein wesentlicher Bestandteil in Schaltungen und Systemen zur Datenübertragung. Oscillators are also an essential component in circuits and systems for data transmission. Sie werden vor allem bei der Ansteuerung von Multiplexern/Demultiplexern und in Takt- und Datenrückgewinnungsschaltungen verwendet. They are used mainly in the control of multiplexers / demultiplexers, and clock and data recovery circuits. Dieses Schaltungsbeispiel entspricht einem mehrstufigen Differenzverstärker, wie oben beschrieben wurde. This circuit example corresponds to a multi-stage differential amplifier, as described above.
  • Sinkt die Datenlast einer Kommunikationsverbindung ab und wird daraufhin die Bandbreite BB des Systems wie oben beschrieben verringert, um Energie zu sparen. Decreases the data load of a communication link, and the bandwidth BB of the system is then reduced as described above, in order to save energy. In diesem Fall ist dann auch eine Reduktion der Taktfrequenzen f ck , welche durch den Oszillator erzeugt werden, möglich. In this case, then a reduction in the clock frequency f ck generated by the oscillator is possible. Dies geschieht ebenfalls analog zu den bereits beschriebenen Verfahren. This is also done similar to the method already described.
  • So kann der Oszillator beispielsweise mit einer maximalen Frequenz von 18,7 GHz bei maximaler Datenübertragungsrate betrieben werden. Thus, the oscillator can be operated at the maximum data transfer rate, for example with a maximum frequency of 18.7 GHz. Durch eine Verringerung eines Versorgungstroms I ss kann diese Frequenz bis auf einen Minimalwert von beispielsweise 2,7 GHz abgesenkt werden. By decreasing a supply current I ss this frequency can be reduced to a minimum value of, for example, 2.7 GHz lowered.
  • Der sinkende Strom I ss bewirkt wieder eine Verringerung der Transkonduktanz g m . The sinking current I ss again causes a reduction in the transconductance g m. Mittels einer Vergrößerung des Lastwiderstände R D wird die Spannungsverstärkung A der Anordnung konstant gehalten, da A ~ g m R D & Vout ist und die Beziehung f ck ~ 1/(R D C) gilt. Means an increase of the load resistors R D is the voltage gain A of the arrangement is kept constant, since A ~ g m R & D Vout and the relationship f ck ~ 1 / (R D C) holds.
  • Zusätzlich zur verfahrensgemäßen Regelung des Stroms I ss kann eine weitere adaptive Arbeitspunktanpassung auch durch eine zusätzliche Steuerung der Versorgungsspannungen V DD erreicht werden, wie sie in einigen Systemen bereits zur Anwendung kommt. In addition to the method according to the plan of the current I ss another adaptive bias adjustment can also be achieved by an additional control of the supply voltages V DD, as it is used in some systems already in use.
  • Eine adaptive Steuerung der einzelnen Komponenten ermöglicht generell die Anpassung ihrer Leistungsfähigkeit an den aktuellen, tatsächlichen Leistungsfähigkeitsbedarf. An adaptive control of the individual components generally allows adapting their performance to the current, actual performance requirement. Dadurch wird eine Senkung bzw. Dynamisierung des Energieverbrauchs beim Betrieb des elektronischen Systems insbesondere des Kommunikationssystems erreicht, was in Anbetracht des stetig steigenden Bandbreitenbedarfs und der stetig steigenden Anzahl von Verbindungen eine immer größere Bedeutung gewinnt. Thereby, a reduction or dynamic energy consumption during operation of the electronic system, in particular of the communication system is achieved, which is becoming increasingly important in view of the ever-increasing bandwidth needs and the ever-increasing number of compounds. Mit einer verringerten Systemperformanz wird gleichzeitig weniger Verlustwärme erzeugt. With a reduced system performance loss less heat is generated at the same time. Dadurch müssen die Systeme weniger gekühlt werden, was wiederum zu einer weiteren Senkung des Energieverbrauchs führt. Thus, the systems need less cooling, which in turn leads to a further reduction of energy consumption. Damit leistet die Erfindung einerseits einen entscheidenden Beitrag zur Reduzierung der CO 2 -Emmission durch elektronische Systeme und Komponenten insbesondere durch Nachrichtenübertragungssysteme. Thus, the invention of a hand making a significant contribution to reducing CO 2 -Emmission by electronic systems and components in particular through communication systems. Zum anderen besitzt die Erfindung ein enormes Potential zur Einsparung von Energie- bzw. Betriebskosten (in der Größenordnung von Milliarden € innerhalb Europas) für solche Systeme. On the other hand, the invention has an enormous potential for saving energy and operating costs (of the order of billions of € within Europe) for such systems.
  • Bei der Anwendung der Methoden in der Kommunikationstechnik wird durch die Reduzierung des Versorgungsstromes und die damit verbundene verringerte Bandbreite außerdem ein viel geringeres Rauschen der Schaltungen erzielt. In applying the methods in communications technology a much lower noise of the circuits is achieved by reducing the supply current and the associated reduced bandwidth as well. Zusätzlich können durch eine adaptive Widerstandssteuerung die Schaltungsparameter auch hinsichtlich der Übertragungseigenschaften wie beispielsweise der Bitfehlerrate der Verbindungen optimiert werden. Additionally, circuit parameters may be optimized by an adaptive control resistor also in terms of the transmission characteristics such as the bit error rate of the compounds.
  • Ein weiterer großer Vorteil der Erfindung ist, dass die vorgestellten Verfahren für jegliche elektronische Systeme insbesondere zur Datenübertragung verwendet werden können. Another great advantage of the invention that the method presented for any electronic systems can be used in particular for data transmission.
  • So ist die Erfindung innerhalb der Kommunikationstechnik beispielsweise sowohl in Weitverkehrs-Telekommunikationsnetzen als auch bei kurzen Verbindungen in Daten- und Rechenzentren sowie Hochleistungsrechensystemen einsetzbar. Thus, the invention within the communication equipment, for example, both in wide area telecommunication networks as well as with short connections to data and data centers and high performance computing systems can be used.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Claims (7)

  1. Verfahren zur Steuerung oder Regelung eines Energiebedarfs und/oder einer Leistungsfähigkeit einer elektronischen Schaltung, bei welchem in Abhängigkeit eines vorgegebenen Energiebedarfs oder einer vorgegebenen Leistungsfähigkeit die elektronische Schaltung gesteuert oder geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung oder Regelung des Versorgungsstroms I ss der elektronischen Schaltung mittels einer steuer- oder regelbaren Stromquelle und eine Kompensation einer durch eine Änderung des Versorgungsstroms I ss bedingten Verschiebung des Ausgangspotenzials der Schaltung erfolgt. A method for controlling or regulating an energy requirement and / or a performance in which a function of a predetermined energy demand or a predetermined capacity, the electronic circuit is controlled or regulated to an electronic circuit, characterized in that a control or regulation of the supply current I ss of the electronic circuit by means of a controlled or controllable current source and a compensation of a by a change of the supply current I ss-related shift of the output potential of the circuit.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensation einer durch eine Änderung des Versorgungsstroms bedingten Verschiebung des Ausgangspotenzials mittels steuer- oder regelbarer Widerstände erfolgt. A method according to claim 1, characterized in that the compensation of a contingent of the supply current by a change in shift of the output potential means of controllable or adjustable resistors are.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensation einer durch eine Änderung des Versorgungsstroms bedingten Verschiebung des Ausgangspotenzials mittels steuer- oder regelbarer Rückkoppelwiderstände innerhalb der elektronischen Schaltung erfolgt. A method according to claim 1, characterized in that the compensation of a contingent of the supply current by a change in shift of the output potential means of controllable or adjustable feedback resistors within the electronic circuit takes place.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensation einer durch eine Änderung des Versorgungsstroms bedingten Verschiebung des Ausgangspotenzials mittels einer Anpassung des Lastwiderstands der elektronischen Schaltung erfolgt. A method according to claim 1, characterized in that the compensation of a contingent of the supply current by a change in shift of the output potential means of an adjustment of the load resistance of the electronic circuit takes place.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung des Lastwiderstands und/oder des Rückkoppelwiderstands mittels verschiedener zu- und abschaltbarer Zweige eines Widerstandsnetzwerkes erfolgt. A method according to claim 3 or 4, characterized in that the adjustment of the load resistor and / or the feedback resistance is carried out by means of various branches switched on and off of a resistor network.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die Anpassung des Lastwiderstands und/oder des Rückkoppelwiderstands eine abgespeicherte Tabelle verwendet wird, wobei in dieser Tabelle zu verschiedenen Anforderungen an eine Datenübertragungsrate jeweils zugeordnete Werte für den Versorgungsstrom I ss und Werte zur Anpassung des Lastwiderstands und/oder des Rückkoppelwiderstands hinterlegt sind. A method according to claim 5, characterized in that a stored table is used for the adjustment of the load resistor and / or the feedback resistance, whereby in this table to different requirements for a data transmission rate respectively assigned values for the supply current I ss and values for the adaptation of the load resistor, and / or of the feedback resistor are stored.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung des Lastwiderstands und/oder des Rückkoppelwiderstands mittels einer Regelung erfolgt, welche die Verschiebung des Ausgangspotenzials der Schaltung erfasst und mit einem vorgegebenen Toleranzbereich vergleicht. A method according to claim 5, characterized in that the adjustment of the load resistor and / or the feedback resistance is carried out by means of a control, which detects the displacement of the output potential of the circuit and compares it with a predetermined tolerance range.
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