DE102014106494B4

DE102014106494B4 - Transkonduktanzschaltkreis und digital-analog-stromwandler,der derartige transkonduktanzschaltkreise nutzt

Info

Publication number: DE102014106494B4
Application number: DE102014106494.1A
Authority: DE
Inventors: Dennis A. Dempsey; Sean Brennan; Colin G. Lyden; John Jude O'Donnell
Original assignee: Analog Devices Global ULC
Current assignee: Analog Devices International ULC
Priority date: 2013-05-20
Filing date: 2014-05-08
Publication date: 2020-07-30
Anticipated expiration: 2034-05-09
Also published as: DE102014106494A1

Abstract

Transkonduktanzschaltkreis, umfassend:einen Ausgangsknoten (8,106);mindestens einen Transistor (2, 72.n);einen variablen Widerstand (42);einen Controller (54), um den variablen Widerstand (42) in Reaktion auf ein Eingangswort (56) anzupassen; undeinen Differenzialverstärker (22), wobei der mindestens eine Transistor (2, 72.1-72.n) und der variable Widerstand (42) in Reihe mit dem Ausgangsknoten (8, 106) verbunden sind, ein Ausgang des Differenzialverstärkers (22) mit einem Steuerknoten des mindestens einen Transistors (2, 72.1-72.n) verbunden ist, ein erster Eingang des Verstärkers (22) auf ein Eingangssignal anspricht und ein zweiter Eingang des Verstärkers (22) mit einem Knoten zwischen dem variablen Widerstand (42) und dem Transistor verbunden ist, so dass dieser auf eine Spannung über dem variablen Widerstand (42) anspricht

Description

PRIORITÄTSDATEN
Diese Anmeldung ist eine nicht-vorläufige Anmeldung aus der vorläufigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 61/825,511, eingereicht am 20. Mai 2013.
TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft allgemein einen verbesserten Transkonduktanzschaltkreis und ferner andere Schaltkreise, Systeme, Architekturen und Vorrichtungen, wie Digital-Analog-Wandler, die derartige Schaltkreise verwenden.
HINTERGRUND
Transkonduktanz ist eine Eigenschaft von bestimmten elektrischen Komponenten. Transkonduktanzkomponenten können basierend auf einer Spannungseingabe eine elektrische Stromausgabe bereitstellen. Wenn beispielsweise die Eingangsspannung steigt, kann der Ausgangsstrom in gleicher Weise ansteigen. Die Fähigkeit, ein Analogsignal als Strom auszugeben, kann Vorteile aufweisen, wie die Bereitstellung eines Signals über längere Drähte oder Übertragungsabstände, als dies mit einem Spannungssignal möglich ist, und ist auch in vielen elektronischen Schaltkreisen von Nutzen. Strommodussignale können ferner unempfindlich gegenüber Spannungsabfällen oder Spannungsdifferenzen sein, was für eine Robustheit sorgt, die in vielen Systemen erwünscht ist.
Transkonduktanzvorrichtungen leiden allgemein unter mehreren Problemen, zu denen Leistungsprobleme über einen Arbeitsbereich gehören. In bestimmten Systemen ist bei niedriger Eingangsspannung das aus einem Verstärker im Transkonduktanzschaltkreis resultierende Rauschen die überwiegende Quelle des Rauschens. Die Signifikanz anderer verstärkerbedingter Beiträge kann bei niedrigen Eingangsspannungen ebenfalls zunehmen, solche Beiträge können Offsets vom Verstärker einschließen. Transkonduktanzvorrichtungen oder -schaltkreise sind möglicherweise auch als Spannung-Strom-Wandler bekannt.
Die DE 696 34 060 T2 bezieht sich auf einen Differenzialtranskonduktor zur Erzeugung eines Differenzstroms aus einer Differentialspannung mit einem variablen Widerstand, um ein digitales Ansteuern der Transkonduktanz über eine Reihe von Stufen zu ermöglichen. Insbesondere offenbart sie eine Stromquellenschaltung, die zwei Stromquellen enthält, die den Gleichtaktstrom liefern. Zwischen zwei Knoten fließt ein Strom basierend auf einer Differenzspannung V_L - V_R und einem effektiven Widerstand einer Widerstandskette einer Widerstandsschaltung. Eine „programmierte Topologie“ wird erreicht, indem eine Kette von in Reihe geschalteten Widerständen mit einer Gruppe von Schalter-Schaltkreisen verwendet wird, um selektiv zwei Knotenpunkte aus der Kette anzuzapfen und um diese Knotenpunkte auf die invertierenden Eingänge von zwei Operationsverstärkern zurück zu koppeln.
Die US 4,013,975 A offenbart eine variable Widerstandsschaltung, umfassend einen Feldeffekttransistor mit Drain-, Source-und Gate-Elektroden; einen Anschluss, der mit dem Drain oder der Source des Feldeffekttransistor verbunden ist; einen Verstärker mit einer Rückkopplungsschaltung, die einen Multiplizierer enthält; einen Differenzverstärker mit einem ersten und einem zweiten Eingang und einem Ausgang, wobei der Anschluss über den Verstärker mit dem ersten Eingang verbunden ist, der andere Anschluss von Source oder Drain des Feldeffekttransistor mit dem zweiten Eingang verbunden ist, das Gate des Feldeffekttransistor mit dem Ausgang verbunden ist, und ein Referenzwiderstand, der zwischen den anderen Anschluss von Source oder Drain und einen gemeinsamen Potenzialpunkt geschaltet ist, wobei ein äquivalenter Widerstand, der zwischen dem Anschluss an dem gemeinsamen Potenzialpunkt vorhanden ist, selektiv verwendet wird.
Die US 5,392,003 A offenbart einen Operation-Transkonduktanzverstärker (OTA) mit großem Dynamikbereich, der einen Differenzspannungs-/Stromwandler zum Umwandeln einer Eingangsspannung in einen Strompegel enthält. Ein Paar programmierbarer, gefalteter Kaskoden ist mit dem Ausgang des Wandlers gekoppelt, um den Verstärker programmierbar zu machen. Zwei Stromquellen werden verwendet, um einen Ausgangsquellenstrom bereitzustellen. Es ist auch eine Gleichtaktrückkopplung enthalten, um das Ausgangssignal im Wesentlichen und gleichmäßig zwischen den Schienen der Betriebsspannungen zentriert zu halten.
Die US 6,064,264 A offenbart eine geschaltete Leistungsverstärkerschaltung, die nichtlineare Verstärkerstufen einschließlich MOSFET-Transistoren verwendet. Die Transistoren haben jeweils Source-, Gate-, Drain-und Backgate-Anschlüsse. Ein Eingangs-RF-Signal wird an die Gate-Anschlüsse angelegt und die Source- (oder Drain-) Anschlüsse sind mit einer Last verbunden. Die Transistoren werden als Schalter betrieben, in dem selektiv Taktsignale an die Backgate-Anschlüsse angelegt werden, um die gewünschten Transistoren zu aktivieren, wodurch die Transistoren eingeschaltet werden und Strom durch die Last fließen kann, um Leistung zu erzeugen. Die Leistung der Last wird erhöht, in dem mehrere Transistoren gleichzeitig eingeschaltet werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es werden nun Ausführungsformen solcher verbesserten Transkonduktanzvorrichtungen und Digital-Analog-Wandler, die solche Transkonduktanzvorrichtungen verwenden, mittels nicht-einschränkender Beispiele beschrieben, die auf die angefügten Zeichnungen Bezug nehmen. Es zeigen:

1 eine beispielhafte Ausführungsform eines Schaltdiagramms für einen Transkonduktanzschaltkreis zum Umwandeln einer Eingangsspannung in einen Ausgangsstrom;
2 einen Graphen einer beispielhaften Ausführungsform, der Ausgangsrauschleistung gegen Eingangsspannung für den Transkonduktanzschaltkreis von 1 zeigt;
3 eine beispielhafte Ausführungsform eines Schaltdiagramms eines Transkonduktanzschaltkreises gemäß der vorliegenden Offenbarung;
4 eine beispielhafte Ausführungsvariation des Schaltkreises von 3;
5 eine beispielhafte Ausführungsform eines Digital-Analog-Wandlers, der einen steuerbaren Transkonduktanzschaltkreis verwendet;
6 eine beispielhafte Ausführungsform eines Transkonduktanzschaltkreises, der als Digital-Analog-Wandler betrieben werden kann;
7 eine beispielhafte Ausführungsvariation des Schaltkreises aus 6 unter Einschluss eines Kaskodentransistors;
8 eine beispielhafte Ausführungsform einer Transkonduktanzstufe, in der ein Korrekturschaltkreis bereitgestellt wird, um eine Back-Gate-Spannung von mindestens einem Ausgangstransistor zu modifizieren;
9 schematisch eine beispielhafte Ausführungsform eines DAC zum Modifizieren einer Back-Gate-Spannung eines FET; und
10 eine beispielhafte Ausführungsform eines Strommodusschaltkreises zum Modifizieren einer Back-Gate-Spannung eines FET.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
ÜBERSICHT
Gemäß einem ersten Aspekt dieser Offenbarung wird ein Transkonduktanzschaltkreis bereitgestellt, umfassend: einen Ausgangsknoten; mindestens einen Transistor; einen variablen Widerstand und einen Differenzialverstärker. Der mindestens eine Transistor und der variable Widerstand sind in Reihe mit dem Ausgangsknoten verbunden. Ein Ausgang des Differenzialverstärkers ist mit einem Steuerknoten des mindestens einen Transistors verbunden. Ein erster Eingang des Verstärkers spricht auf ein Eingangssignal an, und ein zweiter Eingang des Verstärkers ist mit einem Knoten zwischen dem variablen Widerstand und dem Transistor verbunden, so dass dieser auf eine Spannung über dem variablen Widerstand anspricht. Vorteilhafterweise werden alle der Komponenten des Transkonduktanzschaltkreises innerhalb eines integrierten Schaltkreispakets und vorzugsweise auf einem üblichen Halbleitersubstrat bereitgestellt.
Der Transistor kann beispielsweise ein Feldeffekttransistor sein, wie ein Metalloxid-Feldeffekttransistor (MOSFET), ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor, Mehrfach-Gate-Vorrichtungen, wie Trigate-FETs, FINFETs und so weiter. Der Transistor kann auch ein Bipolar-Sperrschichttransistor, ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) oder jeder andere Transistortyp sein. In einer Ausführungsform der Offenbarung werden MOSFETs aufgrund des niedrigen Gate-Stroms gewählt, den diese Vorrichtungen zeigen. Der Verstärker kann als beliebiger geeigneter Differenzialverstärker implementiert werden und ist nicht auf die hier erörterten konkreten Implementierungen begrenzt.
Der variable Widerstand kann als passive Vorrichtungen, aktive Vorrichtungen, eine Architektur zur Bereitstellung eines dynamischen oder abstimmbaren Widerstands oder als andere Typen von dynamisch abstimmbaren Widerstandsvorrichtungen implementiert werden. Passive Vorrichtungen können (ohne dass diese Liste abschließend ist) lasergetrimmte Widerstände, Filmwiderstände, Dünnfilmwiderstände, Polysiliciumwiderstände, diffundierte Widerstände oder Widerstände auf Kohlebasis einschließen. Aktive Widerstandsvorrichtungen können elektrisch abgestimmte Widerstände einschließen, wie Polysilicium- oder Dünnfilmwiderstände, wobei selektives Erwärmen des Widerstands verwendet werden kann, um seinen Widerstand zu variieren. Aktive Widerstände können auch mittels Temperaturkoeffizient abgestimmte Impedanzen (derartige Vorrichtungen sind als iTRIM im Handel), aktiv abgestimmte Impedanzen, wie MOS unter Verwendung von VGN, wie beispielsweise in US 5,764,174 gezeigt, einschließen. Widerstandsarchitekturen können auch ein Digitalpotentiometer und resistive Digital-Analog-Wandler einschließen. Ein Digitalpotentiometer, welches informell oft als „Digipot“ (Marke von Analog Devices Inc.) oder als RDAC bekannt ist, ist eine digital gesteuerte Elektronikkomponente, welche die Analogfunktion eines Potentiometers imitiert und auch als der variable Widerstand verwendet werden kann. Derartige „Digipots“ werden oft zum Trimmen und Skalieren von Analogsignalen durch Mikrocontroller verwendet. Ein „Digipot“ kann mit einem Leiter-DAC aufgebaut werden, wie einer R-2R-Widerstandskonfiguration. Die Widerstandskettenkonstruktion ist die häufigste Form von elektrisch steuerbarem Widerstand, die zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Dokuments verfügbar war. Jeder Schritt der Widerstandsleiter kann seinen eigenen Schalter haben, der diesen Schritt mit dem Ausgang des Digipots verbinden kann. Der ausgewählte Schritt auf der Leiter bestimmt das Widerstandsverhältnis des digitalen Potentiometers. Der Widerstand kann in bestimmten Ausführungsformen mit einer MOS-Vorrichtung implementiert werden, deren Widerstand von den Steuersignalen abhängen kann, die der MOS-Vorrichtung zugeführt werden. Jegliche geeignete Widerstandstechnologie (oder Mittel zum Zusammenstellen eines Widerstands) kann verwendet werden. Der variable Widerstand kann als Teil eines integrierten Schaltkreises bereitgestellt werden und kann während der Fertigung oder in benutzergesteuerten Trimmstufen kalibriert und/oder getrimmt werden.
Der variable Widerstand kann ein schaltbares Array von Widerständen umfassen. Das Array von Widerständen kann eine Vielzahl von Widerständen umfassen, die individuell und selektiv zwischen einem ersten Widerstandsknoten und einem zweiten Widerstandsknoten verbindungsfähig sind. Der erste Widerstandsknoten kann einen Eingang in den Verstärker bilden. Der erste Widerstandsknoten kann somit mit dem invertierenden Eingang des Differenzialverstärkers verbunden werden. Der zweite Widerstandsknoten kann mit einem Referenzpotenzial verbunden werden, wie einer Versorgungsschiene. Alternativ kann ein Messverstärker bereitgestellt werden, um die Spannung über dem mindestens einen Widerstand zu messen und diese gemessene Spannungsdifferenz als Eingabe an den Differenzialverstärker zu liefern. Der variable Widerstand kann als Vielzahl von Widerständen als Teil eines monolithischen integrierten Schaltkreises bereitgestellt werden. Der variable Widerstand kann in einigen Ausführungsformen zusammengestellt werden, beispielsweise durch Schaltkondensatortechniken.
Die individuell verbindungsfähigen Widerstände können jeweiligen Schaltern zugeordnet sein, um die Verbindung über einen bestimmten Widerstand zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstandsknoten einzuschalten oder zu trennen. Die Schalter können als Transistorschalter oder mechanische Schalter implementiert werden, beispielsweise mikroelektromechanische System (MEMS)-Schalter oder Relais.
Der mindestens eine Transistor kann als Array von Transistoren bereitgestellt werden, die innerhalb eines integrierten Schaltkreises gefertigt sind. Die Transistoren können jeweiligen Widerständen zugeordnet sein. Die Widerstände und Transistoren können so skaliert sein, dass, wenn ein Widerstand eines Widerstandes (ein N+1. Widerstand) halb so groß wie derjenige eines anderen Widerstands (eines N. Widerstands) ist, so dass bei der selben Spannung über den Widerständen im N+1. Widerstand ein doppelt so hoher Strom fließt wie in dem N. Widerstand, der zugeordnete Transistor so skaliert sein kann, dass eine Stromdichte des Transistors, beispielsweise eine Kanalstromdichte, zwischen den Vorrichtungen im Wesentlichen gleich bleibt. Wenn somit ein N. Transistor dem N. Widerstand zugeordnet ist und ein N+1. Transistor dem N+1. Widerstand zugeordnet ist, kann das Breite/Länge-Verhältnis des N+1. Transistors so gewählt werden, dass es im Wesentlichen doppelt so hoch wie dasjenige des N. Transistors ist. Es können andere Größenverhältnisse als 2:1 gewählt werden. Es können somit Basiszahlen wie 1,8 oder 1,9 gewählt werden, um „keine fehlenden Codes“ im Strombereich zu gewährleisten, und/oder zusätzliche Stromquellen für niedrigen Strom (wie im zusätzlichen niederwertigsten Bit) bereitgestellt werden , so dass der durch die Transistoren bereitgestellte Strom im Gebrauch etwas auf der niedrigen Seite eingestellt ist und durch die zusätzlichen Stromquellen erhöht wird, um ihn auf einen gewünschten Wert zu bringen. Die Skalierung von Transistoren kann durchgeführt werden, indem parallel Vorrichtungen in „Einheitsgröße“ bereitgestellt werden. Die Skalierung von Widerständen kann durchgeführt werden, indem Vorrichtungen in „Einheitsgröße“ in Reihe bereitgestellt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Verwendung einer reduzierten Basiszahl auf andere Zahlensysteme ausgedehnt werden könnte. Wenn somit segmentierte Architekturen verwendet werden, kann die Skalierung zwischen den Elementen und zwischen Segmenten so gewählt werden, dass gewährleistet ist, dass es keine fehlenden Codes gibt.
Einige oder alle der Transistoren können alternativ oder zusätzlich zur Bereitstellung von Redundanz mittels zusätzlicher Stromquellen und/oder Skalierung zwischen Widerständen in der Vielzahl von Widerständen mittels einer Verbindung zu ihrem Back-Gate gesteuert werden, um das Ansprechen eines Transistors zu variieren oder zu trimmen. Derartiges Trimmen kann verwendet werden, um den Effekt eines Ungleichgewichts in der Vorrichtung zwischen Transistoren und Widerständen in einem Array derartiger Vorrichtungen zu reduzieren oder im Wesentlichen auf null zu setzen.
Zusätzlich oder alternativ können an den Transistoren in dem Transkonduktanz-DAC, der unter Verwendung eines Transkonduktanzschaltkreises gebildet wurde, kleine Anpassungen an der Back-Gate-Spannung vorgenommen werden, um einen weiteren Grad an offener Steuerung zusätzlich zu der Ansprache des geschlossenen Steuerungskreises (oder in der Tat um diesen herum) bereitzustellen.
Die zum Trimmen der Back-Gate-Spannungen verwendete Spannung kann durch einen oder mehrere Digital-Analog-Wandler bereitgestellt werden. Das Back-Gate kann in einigen Ausführungsformen durch eine Stromquelle angetrieben werden. Dieser Ansatz sorgt für eine Vorspannung in Durchlassrichtung von einer Basis-Emitter-Diode eines parasitären Bipolar-Sperrschichttransistors, der parallel zu einem FET vorliegt und durch die Drain-, Source- und Back-Gate-Regionen der Vorrichtung gebildet ist. Die Diode mit Vorspannung in Durchlassrichtung wandelt einen kleinen Strom gemäß der I-V-Charakteristik der Diode in eine Vorspannung um. Der Back-Gate-Strom kann durch einen Transkonduktanzschaltkreis bereitgestellt werden. Die Back-Gate-Spannungen der Transistoren können somit auf jeweilige und unterschiedliche Spannungen gesetzt werden, um Variationen zwischen Transistoren in einem Array von Transistoren durch Trimmen auszugleichen.
Gemäß einem zweiten Aspekt dieser Offenbarung wird ein Digital-Analog-Wandler bereitgestellt, der mindestens einen Transkonduktanzschaltkreis umfasst, der eine Ausführungsform des ersten Aspekts dieser Offenbarung bildet. Gemäß einem dritten Aspekt dieser Offenbarung wird ein integrierter Transkonduktanzschaltkreis bereitgestellt, in dem ein elektrisch steuerbarer variabler Widerstand innerhalb eines Steuerungskreises eines Digitalcode-Analogstrom-Wandlers bereitgestellt wird.
In einem weiteren Aspekt wird ein integrierter Schaltkreis bereitgestellt, der eine Vielzahl von Stromsteuerungsstufen umfasst, wobei mindestens einige der Stufen einen Feldeffekttransistor umfassen, der angeordnet ist, um einen Strom in Reaktion auf eine gemeinsame, an den Gates der Feldeffekttransistoren bereitgestellte Spannung hindurchzulassen, und wobei eine Vielzahl der Transistoren Back-Gates aufweist, die mit einem Schaltkreis verbunden sind, der adaptiert ist, um den Back-Gates der Transistoren jeweilige Spannungen oder Ströme zu liefern, so dass unterschiedliche Transistoren unterschiedliche Back-Gate-Spannungen haben können.
Die durch die Transistoren geleiteten Ströme können getrimmt werden, um das Ansprechen von einem oder mehreren Transistoren zu modifizieren, so dass der Schaltkreis eine gewünschte Ansprechcharakteristik zeigt oder sich der gewünschten Charakteristika besser annähert.
Eine Präzisionstranskonduktanzvorrichtung, wie sie hier in einigen Ausführungsformen offenbart ist, kann viele der Probleme früherer Vorrichtungen überwinden und möglicherweise die Ausgabe von relativ rauscharmen Stromsignalen in Reaktion auf niedrige Spannungssignale am Eingang der Vorrichtung ermöglichen und/oder verbesserte Linearität bei Vorliegen kleiner Eingangsspannungen liefern. Die Transkonduktanzvorrichtungen liegen in einigen Ausführungsformen in Form eines Digital-Analog-Wandlers vor, der am Eingang einen Digitalcode erhält und einen Strom ausgibt. Vorrichtungen der hier offenbarten Typen können auf dem Sektor von industriellen, Gesundheits-, Audio- und Videoanwendungen eingesetzt werden, um nur einige Anwendungen einer derartigen Vorrichtung zu nennen. Präzisions- und rauscharme Vorrichtungen können ein robusteres Monitoring in medizinischen Systemen, bessere Audio-/Videosysteme und verbesserte Leistung in Instrumentierungs- und Steuerungssystemen ermöglichen.
Es wird ferner ein Verfahren zum Trimmen des Stroms zwischen einer Vielzahl von Stromsteuerungsstufen bereitgestellt, wobei die ersten und zweiten Stufen jeweils einen jeweiligen Feldeffekttransistor umfassen, wobei die Feldeffekttransistoren Top-Gates und Back-Gates aufweisen, wobei die Top-Gates mit einem gemeinsam genutzten Knoten verbunden sind, um so eine gemeinsam genutzte Steuerungsspannung zu erhalten, und die Back-Gates auf jeweilige Spannungen angetrieben werden, um so ein Stromverhältnis zwischen den ersten und zweiten Stufen auf einen gewünschten Wert festzulegen.
BEISPIELHAFTE AUSFÜHRUNGSFORMEN UND BEISPIELHAFTE IMPLEMENTIERUNGEN
1 ist ein Schaltkreisdiagramm einer beispielhaften Transkonduktanzstufe. Der Schaltkreis umfasst einen Transistor 2, der in Reihe mit einem Widerstand 4 geschaltet ist. In diesem speziellen Beispiel ist der Transistor 2 ein n-kanaliger MOSFET, dessen Drain 6 mit einem Ausgangsknoten 8 verbunden ist und dessen Source 10 mit einer ersten Klemme des Widerstands 4 an einem ersten Widerstandsknoten 12 verbunden ist. Eine zweite Klemme des Widerstands 4 ist an einem zweiten Widerstandsknoten 16 mit einer Referenzspannung verbunden, wie Erde oder Vss. Ein Gate 20 des Transistors 2 fungiert als Steuerungsklemme für den Schaltkreis. In einem einfachen Beispiel könnte das Gate 20 direkt mit einer Eingangsspannung versorgt werden, und in erster Näherung wäre der Ausgangsstrom an dem Knoten 8 im Wesentlichen proportional zu der Spannung an dem Gate 20. In etwas komplizierteren Implementierungen wird jedoch ein Differenzialverstärker 22 bereitgestellt. Der Verstärker 22 ist so konfiguriert, dass das Eingangssignal Vin von einem Eingangsknoten 23 einem nicht-invertierenden Eingang 24 des Verstärkers 22 bereitgestellt wird. Eine Spannung am ersten Widerstandsknoten 12, die effektiv die Spannung über dem Widerstand und demnach den durch den Widerstand 4 fließenden Strom repräsentiert, ist mit einem invertierenden Eingang 26 des Verstärkers 22 verbunden, und ein Ausgang 28 des Verstärkers 22 ist mit dem Gate 20 des Transistors 2 verbunden. Die Wirkung des Differenzialverstärkers 22 liegt somit in der Bildung eines negativen Rückkopplungskreises, um den Betrieb des in 1 gezeigten Schaltkreises zu linearisieren, indem das gesamte Ansprechen des Schaltkreises auf Nichtlinearitäten im Ansprechen des Transistors 2 unempfindlicher gemacht wird. Dieses Herbeiführen des unempfindlicheren Verhaltens wird durch eine Kombination von hoher Verstärkerleistung und der negativen Rückkopplung erreicht.
Obwohl dieser Schaltkreis gut funktioniert, ist er nicht frei von inhärenten Leistungsproblemen. Wenn beispielsweise die Eingangsspannung zu dem Verstärker niedrig (nahe an Erdung) ist, dann ist das Rauschen am Eingang des Verstärkers (Rauschen, welches durch den Verstärker generiert wird und oft als „eingangsbezogenes Rauschen“ bezeichnet wird) relativ groß, verglichen mit der Eingangsspannung, und wird in der Ausgabe des Verstärkers verstärkt. Andere Arten von Rauschen, beispielsweise thermisches Rauschen über dem Widerstand 4, werden in ähnlicher Weise ebenfalls verstärkt. Bei hohen Eingangsspannungen, die zu einem hohen Ausgangsstrom führen, ist der Beitrag des Rauschens durch den Verstärker im Vergleich zu dem Ausgangsstrom und vermutlich dem darin enthaltenen Rauschen klein und stellt kein bedeutendes Problem dar. Wenn jedoch die Eingangsspannung und somit der Strom kleiner werden, dann gewinnt der Rauschbeitrag durch den Verstärker an Bedeutung. Die proportionale Wirkung der Eingangsspannungsoffsets am Verstärker gewinnt in ähnlicher Weise an Bedeutung, wenn die Größe von Vin relativ zu der Offsetspannung am Verstärkereingang abnimmt. Die Größe der Eingangsoffsetspannung kann zudem mit der Eingangsspannung variieren. Andere Effekte, wie Spannungsänderungen dadurch, dass die Impedanz des Schaltkreises, der die Eingangsspannung Vin (nicht gezeigt) liefert, ungleich null ist, und Variationen in der Referenzspannung am zweiten Widerstandsknoten 16 infolge von Signalströmen in der Versorgungsschiene, Übersprechen und thermisch induzierten Komponentenvariationen, können alle bei kleiner Eingangsspannung an Bedeutung zunehmen.
2 zeigt schematisch die Rauschleistung des Schaltkreises von 1. Die Eingangsspannung wird als variabel angenommen und an der Abszisse (X-Achse) des Graphen aufgetragen, während die Rauschleistungskomponente des Ausgangsstroms entlang der Ordinate (Y-Achse) des Graphen aufgetragen wird. Die Beziehung zwischen der Eingangsspannung und dem Ausgangsrauschen ist für relativ hohe Eingangsspannungen im Wesentlichen linear, wie durch Region 30 von 2 dargestellt wird. Das Reziproke des Gradienten der Linie in Region 30 repräsentiert das Signal/Rausch-Verhältnis des Transkonduktanzschaltkreises. Es wird jedoch offensichtlich, dass der Verstärker selbst eine Quelle des Rauschens ist. Der Widerstand 4 ist in ähnlicher Weise eine Quelle für thermisches Rauschen. Diese Rauschquellen geben einen geringeren Rauschwert vor, wie durch Region 32 in 2 gezeigt wird. Das thermische Rauschen aus dem Widerstand 4 ist abhängig von der Verstärkung des Verstärkers 22.
Der Beitrag des Verstärkers zu dem Rauschen kann teilweise beeinflusst werden, indem ein Chopperverstärker (auch als Zerhackerverstärker bekannt) verwendet wird, so dass die Rauschleistung des Verstärkers zu einem festgelegten Abschnitt des Ausgangsspektrums eines Transkonduktanzschaltkreises verschoben werden kann. Der Rauschbeitrag aus dem Widerstand ist jedoch wesentlich.
Niedrige Eingangssignalwerte zeigen auch andere nicht-ideale Artefakte des Differenzialverstärkers, wie Eingangsoffsetspannungen, die zu Nichtlinearität in der V-I-Ansprache des Transkonduktanzschaltkreises bei niedrigeren Eingangsspannungen führen. Techniken wie automatischer Nullabgleich können genutzt werden, um den Einfluss der Offsets zu reduzieren.
Es gibt jedoch weitere Möglichkeiten, die Rauschleistung des Schaltkreises [und auch die Offsetleistung] zu behandeln, wenn der Wert von Widerstand 4 variiert werden könnte. Dies würde einige Anpassungen zwischen Eingangsspannung am Eingangsknoten und dem zu erreichenden Widerstandswert in Hinsicht auf Leistungsverbesserung ermöglichen.
3 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform eines gemäß den Lehren dieses Dokuments aufgebauten Transkonduktanzschaltkreises. Die Anordnung in 3 ist der in 1 gezeigten Anordnung ähnlich, und zur Bezeichnung ähnlicher Teile wurden identische Bezugsziffern verwendet. Der signifikante Unterschied liegt darin, dass der Festwertwiderstand 4 aus 1 nun durch einen variablen Widerstand 42 von 3 ersetzt wurde. Der variable Widerstand 42 ist nach wie vor in Reihe mit der Source 10 des Transistors 2 und der Referenzspannung verbunden.
Der Widerstand 42 kann als digital gesteuerte Vorrichtung implementiert werden, beispielsweise als Array von Widerständen, die selektiv in verschiedenen Konfigurationen miteinander geschaltet werden können, um die Impedanz zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstandsknoten 12 und 14 zu ändern.
4 ist ein Schaltkreisdiagramm, das eine Ausführungsform einer Transkonduktanzstufe zeigt, in der der variable Widerstand 42 von 3 durch ein Array von parallelen Widerständen 42.1 bis 42.n in Reihe mit Schaltern 44.1 bis 44.n implementiert ist. Jeder Widerstand ist einem jeweiligen in Reihe verbundenen Schalter zugeordnet, und alle der Widerstände können selektiv in Stromflusskommunikation zwischen den Widerstandsknoten 12 und 14 angeordnet werden. Die Schalter 44.1 bis 44.n können als Transistoren oder mechanische Schalter implementiert werden, einschließlich MEMS-Schaltern und Relais. Die Widerstände 42.1 bis 42.n können gewichtet sein, um so ein binär gewichtetes Array oder ein nicht-binär gewichtetes Array (Basiszahl kleiner als zwei) zu bilden, oder sie können den gleichen Nennwert aufweisen (unäres Array), um so ein thermometerkodiertes Array zu bilden, oder zu Dekaden gruppiert, oder eine Mischung dieser Schemata. Es sei darauf hingewiesen, dass ein binär gewichtetes (oder in der Tat jedes) Array wiederholte (zusätzliche) Bits/Widerstände einschließen kann, um für Redundanz zu sorgen. Der Strom am Ausgangsknoten ist somit eine Funktion der Eingangsspannung an dem nicht-invertierende Eingang 24 des Verstärkers 22 und des einen oder der mehreren der Widerstände 42.1 bis 42.n, die gewählt worden sind. Die Auswahl der Skalierung kann durch den Konstrukteur gemäß seiner spezifischen Anforderungen an die Eingangs-zu-Ausgangscharakteristika der Transkonduktanzstufe vorgenommen werden.
Wenn die Schalter 44.1 bis 44.n als Transistoren bereitgestellt werden, ist es vorteilhaft, die Transistoren (z. B. das Verhältnis von Kanalbreite zu -länge in einem FET) proportional zu den relativen Strömen zu skalieren, die jeder Transistor erwartungsgemäß durchlassen wird, verglichen mit den anderen Transistoren in dem Array, so dass die Stromdichte über alle Vorrichtungen im Wesentlichen konstant bleibt und somit die Spannungsabfälle über jedem Schalter, wenn er in einem leitenden Zustand ist, im Wesentlichen abgeglichen sind.
Die Bereitstellung eines variablen Widerstands 42 bedeutet, dass nun die Möglichkeit besteht, Widerstandsrauschen auf Kosten von Verstärkerrauschen zu reduzieren.
Thermisches Rauschen aus einem Widerstand ist gegeben durch $V n = {(4 k_{β} T R Δ F)}^{\frac{1}{2}}$

wobei Vn = RMS-Rauschspannung
k_β = Boltzmann-Konstante
T = Temperatur in Kelvin
R = Widerstand des Widerstands
ΔF = Bandbreite des Rauschens

Wenn somit der Widerstand R des Widerstands 42 erhöht wird, nimmt das Rauschen von dem Widerstand zu. Eine signifikante und wahrscheinlich die dominante Quelle des thermischen Rauschens ist jedoch vermutlich der Verstärker 22, wobei das meiste der Rauschleistung auf die erste Stufe des Verstärkers 42 zurückzuführen ist. Bei niedrigen Stromwerten kann man dem Widerstandsrauschen entgegenwirken, indem dem Verstärker 22 ein größeres Signal bereitgestellt wird, und dadurch kann der Einfluss des Verstärkerrauschens proportional reduziert werden.
Bei den in den in 3 und 4 gezeigten Anordnungen erfolgt die Änderung der Widerstandswerte außerhalb des Rückkopplungswegs zwischen der Source 10 des Transistors 2 und dem invertierenden Eingang 26 des Differenzialverstärkers 22. Es gibt somit keine Schaltvorgänge innerhalb des Rückkopplungswegs, und der Schaltkreis kann insbesondere den Rückkopplungsweg nicht unbeabsichtigt unterbrechen.
Der variable Widerstand 42 kann aus einem Widerstandsleiternetzwerk oder einer Kombination aus einer Widerstandsleiter und den parallelen Strompfaden gebildet werden, wie in 4 zu sehen ist. Der Konstrukteur kann solche Kombinationen von Konfigurationen wählen, um die Widerstandsabgleichanforderungen gegen Raum (und somit Kosten) auf einem integrierten Schaltkreis-Chip auszubalancieren.
Der dynamische Bereich des Eingangssignals zum Verstärker kann reduziert werden, wenn der Widerstand 42 variabel wird. Im Extremfall kann das Eingangssignal eine feste Spannung werden, und alle Anpassungen am DAC können durch Variieren des Widerstands von Widerstand 42 erfolgen. Dieser Ansatz bedeutet, dass die Bandbreite am nicht-invertierenden Eingang 24 signifikant reduziert werden kann und dadurch die von einem Referenzspannung generierenden Schaltkreis gelieferte Rauschleistung reduziert werden kann. Die Architektur gibt dem Konstrukteur somit die Entscheidungsfreiheit, ob eine variable oder feste Eingangsspannung an den nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers gelegt werden soll.
5 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Digital-Analog-Wandlers mit einer variablen Transkonduktanzstufe. Die Transkonduktanzstufe des in 3 oder 4 illustrierten Typs ist als Punkt 50 schematisch dargestellt. Eine Eingangsspannung an den nicht-invertierenden Eingang 24 des Verstärkers 22 kann durch eine variable Spannungsreferenz bereitgestellt werden, wie Digital-Analog-Wandler 52. Der Digital-Analog-Wandler 52 kann jede geeignete implementierende Technologie sein, wie ein R-2R-Wandler. Der Digital-Analog-Wandler 52 spricht auf ein Steuerungswort 58 an, das ihm durch einen Controller 54 bereitgestellt wird. Der Controller 54 agiert so, dass er ein Eingangswort 56 empfängt, welches den Ausgangsstrom repräsentiert, der die Transkonduktanzstufe 50 durchlaufen soll, und er kann das Eingangswort 56 in das Steuerungswort 58, welches an den Digital-Analog-Wandler 52 zu senden ist, und in ein zweites Steuerungswort 60 umdefinieren, das an den variablen Widerstand 42 zu senden ist. Indem sowohl die Eingangsspannung an dem nicht-invertierenden Eingang 24 des Verstärkers 22 als auch der Wert des variablen Widerstands 42 gesteuert werden, kann der Ausgangsstrom in einer solchen Weise gesteuert werden, dass verbesserte Rauschleistung erreicht wird, weil der Wert des Widerstands 42 zusammen mit der Rauschleistung des Verstärkers 22 und dem DAC 52 gewählt werden kann, um für jedes gegebene Eingangswort eine geeignete Rauschleistung zu suchen.
Die geeignete Rauschleistung muss nicht notwendigerweise ein minimales Rauschen für den Schaltkreis sein, da dies möglicherweise gegen andere Parameter des Schaltkreises abgewogen werden muss. Solche Parameter können beinhalten, dass der Verstärker über einen Bereich betrieben werden soll, in dem dessen Eingangsstufe eine minimale Offsetspannung zeigt. Es liegt im Ermessen des Konstrukteurs, ob der Eingangs-DAC 52 eine Ausgangsspannung aufweist, die einen großen Bereich überspannt, oder ob dessen Spannung um einen relativ kleinen Bereich zentriert ist, so dass der DAC 52 in Wirklichkeit die niederwertigste Bitleistung bereitstellt, während der steuerbare Widerstand 42 das Äquivalent der höchstwertigsten Bitleistung des in 5 gezeigten Digital-Analog-Wandlers bereitstellen kann. Im Extremfall kann die gesamte schrittweise Steuerung des Stroms, wenn ein Analogstrom ausgegeben wird, der ein digitales Eingangswort repräsentiert, durch Steuerung des Wertes des variablen Widerstands 42 bereitgestellt werden, wobei der Controller 54 in diesem Fall nicht notwendigerweise das Eingangswort 56 umdefinieren muss, obwohl er dies weiterhin tun kann, wenn die Transkonduktanzstufe 50 eine Mischung von thermometerkodierten und binär gewichteten Widerständen umfasst. In einer derartigen Anordnung kann der DAC 52 durch eine feste Spannungsreferenz ersetzt werden.
6 illustriert schematisch eine Variante der Implementierung des in 3 und 4 gezeigten Schaltkreises. Die Reihenkombination von Transistor 2 und dem Widerstand 42 kann in den 3 und 4 als eine einzelne Ausgangsstufe angesehen werden, die mit dem Differenzialverstärker 22 verbunden ist. 6 greift dieses Konzept in der nächsten Stufe auf und verfügt über eine Vielzahl von Ausgangsstufen 70.1, 70.2 und so weiter bis 70.n, wobei die Stufen effektiv parallel bereitgestellt werden und jede der Stufen 70.1 bis 70.n derart mit dem Verstärker 22 verbunden werden kann, so dass jede Stufe das Signal von dem Ausgang 28 des Verstärkers 22 empfängt und die Spannung über jedem Widerstand innerhalb jeder Stufe dem Rückkopplungsschaltkreis bereitgestellt wird, der durch den Verstärker 22 gebildet wird. Die erste Stufe 70.1 umfasst einen ersten Transistor, der in diesem Beispiel ein Feldeffekttransistor 72.1 ist, der als Ausgangstransistor für die erste Stufe wirkt und der sich in Reihe mit einem Widerstand 74.1 der ersten Stufe befindet. Ein Gate-Signalschalter 76.1 wird bereitgestellt, um das Gate des Transistors 72.1 selektiv mit dem Ausgang 28 des Verstärkers 22 zu verbinden. In ähnlicher Weise wird ein Rückkopplungsschalter 78.1 bereitgestellt, um selektiv einen ersten Knoten des Widerstands 74.1 mit einem ersten Widerstandsknoten 12 zu verbinden, der mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 22 verbunden ist. Ähnliche Konfigurationen werden in jeder der anderen Ausgangsstufen 70.2 bis 70.n bereitgestellt. Die Widerstände 74.1, 74.2 bis 74.n können variable Widerstände sein, oder sie können, wie gezeigt, Festwertwiderstände sein. Einige Stufen können alternativ variable Widerstände aufweisen, während andere Stufen Festwertwiderstände aufweisen können. Obwohl jede Stufe als nur einen einzelnen Transistor und einen einzelnen Widerstand umfassend dargestellt ist, können ferner innerhalb einer einzelnen Stufe mehrere Transistoren und Widerstände bereitgestellt werden, um die möglichen Skalierungsprobleme zwischen einer Stufe und deren Nachbarn zu reduzieren. Mehrere Transistor-„Einheiten“ und Widerstands-„Einheiten“ können somit je nach Bedarf parallel oder in Reihe verbunden werden, um einen korrekt bemessenen Transistor und einen korrekten Widerstand für jegliche der Stufen 70.1 bis 70.n zu erstellen. Diese Technik muss nicht weiter ausgeführt werden, da sie auf diesem Gebiet üblich ist.
Die Stufen 70.1 bis 70.n können auf unterschiedliche Weisen zueinander gewichtet werden. Es können beispielsweise mehrere der Stufen thermometerkodiert sein, so dass jede Stufe den gleichen Stromausgangswert wie ihre Nachbarn haben kann. In einer Ausführungsform mit zwanzig oder mehr Stufen können somit Stufen 70.1 bis 70.10 so angeordnet werden, dass ein Strom mit einem Nennwert von „1“ ausgegeben wird. Stufen 70.11 bis 70.20 können so angeordnet werden, dass ein Strom mit einem Wert von „10“ ausgegeben wird. Andere derartige Stufen (wo sie bereitgestellt werden) können so angeordnet werden, dass sie binär gewichtete Ströme ausgeben. Die relative Gewichtung zwischen einer Stufe und der nächsten erfolgt nach Wahl des Schaltkreiskonstrukteurs, ebenso wie die Anzahl der Stufen. In diesem Beispiel, in dem die ersten zehn Stufen denselben Nennstrom aufweisen, können somit zur Bereitstellung eines Ausgangsstroms von „1“ alle Einzelstufe 70.1 bis 70.10 mit Energie versorgt werden, indem ihre Schalter 76 und 78 geschlossen werden. Für einen Strom von „2“ können beliebige zwei der Stufen 70.1 bis 70.10 mit Energie versorgt werden, und so weiter. Es kann vorteilhafterweise randomisiert oder pseudorandomisiert werden, welche Stufen ausgewählt werden, um jegliche differenziellen Nicht-Linearitäts- oder integralen Nicht-Linearitätsfehler aus dem in 6 gezeigten DAC zu glätten. Diese Randomisierung kann durch den Controller 54 (wie in 5 gezeigt) vorgenommen werden, der den Betrieb der Schalter 76.1 bis 76.n und 78.1 bis 78.n steuert. Diese Randomisierung kann statisch oder dynamisch sein und ferner auf speziellen Anforderungen der Architektur oder der Vorrichtung basieren. Es sei darauf hingewiesen, dass jede ausgewählte Stufe Teil des Rückkopplungsnetzwerks wird, so dass der Verstärker 22 Spannungssteuerung zu dem Gate jedes einzelnen Transistors durchführt, der an der Bereitstellung des Ausgangsstroms beteiligt ist. Alle der gewählten Widerstände 74.1 bis 74.n sind somit an einem Ende mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 22 und an ihrem anderen Ende mit Erdung 14 oder Vss verbunden. In dieser Ausführungsform führt das Schalten der Stufen auch zu einer Umkonfiguration des Rückkopplungsnetzwerkes mittels Schaltern 78.1 bis 78.n, die zwischen dem invertierenden Eingang des Verstärkers und der jeweiligen Source jedes Transistors angeordnet sind. Es kann vorteilhaft sein, Mittel einzuschließen, durch die gewährleistet wird, dass die Schalter durch den Controller 54 (5) in einer solchen Abfolge betrieben werden, welche verhindert, dass der Verstärker in einer Konfiguration mit offenem Steuerungskreis gelangt. Als weitere Alternative kann eine Impedanz zwischen dem Knoten 12 und dem invertierenden Eingang des Verstärkers 22 angeordnet werden, oder es kann ein Kondensator mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 22 verbunden sein, so dass die Bandbreite an dem invertierenden Eingang reduziert ist, damit sehr kurze Unterbrechungen in dem Rückkopplungskreis toleriert werden können, oder die Schalter schnell sind und so betrieben werden, dass Störung des Rückkopplungskreises minimiert wird. Der Eingangsknoten 23 kann mit einer konstanten Spannung aus einer Spannungsreferenz versorgt werden, wie einer Präzisionsspannungsreferenz 80, oder er kann eine variable Referenzspannung in Reaktion auf einen DAC 52 und einen Controller 54 erhalten, wie in Bezug auf 5 beschrieben ist.
In dem Schaltkreis von 6 kann der Stromausgang durch den DAC durch die Spannung an dem Ausgangsknoten beeinflusst werden, da dies die Spannung beeinflusst, die über jedem der Transistoren in der Ausgangsstufe anliegt.
7 zeigt eine Variation des Schaltkreises von 6, in der ein weiterer Transistor zwischen den verschiedenen Ausgangsstufen 70.1 bis 70.n und dem Ausgangsknoten 8 bereitgestellt worden ist, um Spannungsvariation innerhalb der Transistoren 72.1 bis 72.n im Wesentlichen zu eliminieren. Der zusätzliche Transistor 90 wirkt somit als Kaskodentransistor. In der in 7 gezeigten Anordnung ist für die gesamte Vorrichtung ein einzelner Kaskodentransistor bereitgestellt worden, obwohl zu beachten ist, dass innerhalb von jeder der Ausgangsstufen 70.1 bis 70.n gleichermaßen jeweils individuelle Kaskodentransistoren bereitgestellt werden könnten. Es können auch andere Kaskodierungstechniken oder -implementierungen verwendet werden, wie Teleskop- oder Gain-Boost-Kaskode.
Die an den nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers 22 angelegte Spannung kann während des Gebrauchs durch eine variable Spannungsquelle (wie DAC 22) oder von einer festen Spannungsquelle bereitgestellt werden.
Die Schalter 76.1 bis 76.n und 78.1 bis 78.n können von einem digitalen Wort gesteuert werden, um eine oder mehrere der Stufen 70.1 bis 70.n in den Schaltkreis zu schalten. Jede ausgewählte Stufe ist parallel zu jeder anderen ausgewählten Stufe, ist mit dem Verstärkerausgang verbunden und ist mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers verbunden (der der erste Widerstandsknoten ist).
Das erste Ende jedes Widerstands 74.1 bis 74.n in einer ausgewählten Stufe ist somit mit dem ersten Ende jedes Widerstands in jeder anderen ausgewählten Stufe mittels der Schalter 78 verbunden. Infolgedessen ist die Spannung, die an jedem invertierenden Eingang des Verstärkers anliegt, ein Durchschnittswert der Spannung an jeder Source der ausgewählten Transistoren und ist durch den relativen Beitrag jedes Transistors 72.1 bis 72.n, der ausgewählt worden ist, mit dem Strom verknüpft.
Ein derartiger Ansatz ermöglicht, dass der Verstärker 22 zum Betrieb über einen schmalen Eingangsbereich optimiert wird, und erleichtert die Herstellung eines Schaltkreises zur Verwendung mit niedriger Spannungsaussteuerungsreserve in der Stromversorgung.
Die Verwendung eines gemeinsam genutzten Rückkopplungskreises führt ferner dazu, dass das Rauschen von jedem Widerstand 74.1 bis 74.n mit denjenigen der jeweiligen anderen gemittelt wird, so dass sich die Rauschleistung mit zunehmendem Strom bessert.
Wenn eine Kaskodenvorrichtung 90 bereitgestellt wird (oder Vorrichtungen 90.1 bis 90.n bereitgestellt werden, wobei innerhalb jeder Stufe Kaskodenvorrichtungen bereitgestellt werden), sollte(n) die Kaskodenvorrichtung(en) mit einer Vorspannung implementiert werden, die keinen signifikanten Einfluss auf den Spannungsbereich hat, der über jede Ausgangsstufe angelegt werden kann. Wenn für jede Stufe individuelle Kaskodenvorrichtungen bereitgestellt werden, können diese durch den Controller 54 zwischen den Zuständen „ein“ und „aus“ geschaltet werden, und das Gate jedes Transistors 72.1 bis 72.n kann während der gesamten Zeit mit dem Verstärkerausgang verbunden bleiben.
Die Rückkopplungsschalter 78.1 bis 78.n können vorteilhafterweise über ihren eigenen Widerstand Ron verfügen, dessen Größe in Bezug auf den Stromfluss in jeder Ausgangsstufe skaliert ist. Wenn somit eine Stufe (beispielsweise Stufe 70.11) 101 hindurch lässt, wobei 1 eine willkürliche Stromeinheit ist, sollte der Wert R_on des Rückkopplungswiderstands $\frac{R}{10}$
sein, verglichen mit der Verstärkungsstufe (wie Stufe 70.1), durch die ein Strom 1 fließt. Dieser gewichtete Durchschnitt bietet weitere Genauigkeit in der Leistung des Rückkopplungskreises, verglichen mit der Situation, in der die Widerstände nicht skaliert werden. Diese Gewichtung vermindert den Einfluss von fehlendem Widerstandabgleich. Die Rückkopplungsschalter können als Feldeffekttransistoren implementiert werden. Im Allgemeinen ist eine niedrige Impedanz der Rückkopplungsschalter erwünscht, da auf diese Weise auch der Einfluss von fehlendem Widerstandabgleich reduziert wird.
Jede Stufe kann vorteilhafterweise ihren eigenen Kaskodentransistor haben, wobei das Verhältnis von Breite zu Länge von jedem Kaskodentransistor in Bezug auf den Strom skaliert wird, der in seiner zugeordneten Ausgangsstufe hindurchfließt. Die Spannung, die über jedem Kaskodentransistor abfällt, ist somit im Wesentlichen konstant.
FETs sind Vorrichtungen mit vier Klemmen, und innerhalb eines integrierten Schaltkreises kann leicht ein FET derart hergestellt werden, dass dessen Back-Gate zugänglich ist, und so kann das Back-Gate auf eine gewünschte Spannung angetrieben werden. Wenn geringfügige Variationen in der Back-Gate-Spannung an individuelle Transistoren eingeführt werden, liefert dies einen Weg, um die Strommenge zu variieren, die ein Transistor bei einer gegebenen Spannung an seiner Gate-Klemme hindurchleitet. Wenn eine Spannung an das Back-Gate angelegt wird, welche sich von derjenigen des Gates unterscheidet, bietet dies in der Tat eine Möglichkeit zur Modifizierung der Ansprache von Drain-Strom gegen V_gs des Transistors.
In einer weiteren Ausführungsform, die in 8 gezeigt ist, wird ein Korrekturschaltkreis 94 bereitgestellt, um eine Back-Gate-Spannung von einem oder mehreren der Ausgangstransistoren 72.1 bis 72.n zu variieren. Der Korrekturschaltkreis 94 kann einen Eingang 96, um einen Ausgang des Verstärkers zu empfangen, und eine Vielzahl von Ausgängen 97 aufweisen, die mit Back-Gates der jeweiligen Transistoren 72.1 bis 72.n in den Ausgangsstufen verbunden sind. Der Korrekturschaltkreis 94 kann Speicher und einen oder mehrere Digital-Analog-Wandler umfassen, um die Back-Gate-Spannung von mehreren der Transistoren zu steuern. Dies ermöglicht die Modifizierung der Ansprache eines Transistors 72.1 bis 72.n, um den Strom zu variieren, den er für eine gegebene Gate-zu-Source-Spannung hindurchleitet. Derartiges Trimmen der Ansprache kann durch einen relativ kleinen DAC bereitgestellt werden, der jedem Transistor zugeordnet ist, der zum Trimmen ausgewählt wurde. Der Korrekturschaltkreis 94 kann eine feste Back-Gate-Spannung für jeden Transistor bereitstellen, dessen Ansprache getrimmt wird, oder der Controller kann auf die Steuerspannung reagieren, die am Ausgang des Verstärkers 22 bereitgestellt wird, und kann so angeordnet werden, dass dieser ein Korrekturfaktor hinzugefügt wird. Wenn nicht zu erwarten ist, dass die Ausgangsspannung des Verstärkers 22 stark variiert, sind diese Ansätze mehr oder weniger gleichwertig. Die Transistoren, die den meisten Strom hindurchleiten, sind diejenigen, bei denen Fehlanpassung im Treiber den größten Einfluss hat, so dass das Trimmen, falls bereitgestellt, bevorzugt auf die Transistoren angewendet werden sollte, die relativ hohen Strom hindurchleiten.
9 zeigt einen einfachen Widerstands-DAC, der innerhalb von Korrekturschaltkreis 94 implementiert werden kann, um einem der Transistoren 72.1 bis 72.n eine modifizierte Back-Gate-Spannung bereitzustellen.
Der DAC umfasst eine Kette von Widerständen 100.1 bis 100.n, die in Reihe zwischen Vdd und Vss oder anderen geeigneten Spannungsversorgungen angeordnet sind. Die Widerstände müssen nicht die gleichen Werte aufweisen. Wenn beispielsweise erwartet wird, dass die Ausgangsspannung von dem Verstärker 22 einen schmalen Bereich überspannt, weil er beispielsweise von einem konstanten Vin oder in einem schmalen Bereich von Vin angetrieben wird, können die Werte der Widerstände 100.1 bis 100.n so gewählt werden, dass eine Spannung an einem Mittelpunktknoten 102 der Kette von Widerständen auf einen Wert festgelegt wird, der sich innerhalb und vorzugsweise nahe an dem erforderlichen Zielbereich der Spannungen zur Einspeisung an die Back-Gates befindet, was ähnlich der erwarteten Spannung am Verstärkerausgang sein kann. Schalter 104.1 bis 104.n-1 werden bereitgestellt, um die Widerstandskette selektiv anzuzapfen, um eine Spannung für einen Ausgangsknoten 106 bereitzustellen. Der erste Schalter 104.1 zapft die Spannung an einem Knoten ab, der zwischen dem ersten Widerstand 100.1 und dem zweiten Widerstand 100.2 gebildet ist. Der zweite Schalter zapft die Spannung zwischen dem zweiten und dem dritten Widerstand 100.2 und 100.3 ab, und so weiter. Es ist zu erkennen, dass eine gewünschte Spannung durch geeignete Auswahl der Schalter in das Back-Gate eines Transistors eingespeist werden kann, der mit dem Knoten 106 verbunden ist.
In einer Variante kann der Mittelpunktknoten 102 mit dem Ausgang des Verstärkers 22 verbunden werden, entweder dauerhaft oder mittels eines Schalters 108. Dies führt dazu, dass die Spannung am Ausgangsknoten 106 der Verstärkerausgangsspannung folgt, wobei ein Offset berücksichtigt wird, der durch den Potenzialteiler bereitgestellt wird, der durch die Widerstandskette gebildet wird. Es können individuelle DACs bereitgestellt werden, um das Back-Gate jedes Transistors anzutreiben, oder ein DAC kann nach Art eines Zeitmultiplexers zwischen einer Vielzahl von Transistoren geteilt werden. Der Ausgang des DAC kann verwendet werden, um einen realen oder parasitären Kondensator zu laden, der dem Back-Gate des Transistors zugeordnet ist. Eine Widerstandskette kann gemeinsam durch mehrere Netzwerke von Schaltern genutzt werden, um mehrere Ausgangsspannungen bereitzustellen.
Statt direkt eine Vorspannung bereitzustellen, kann der Controller mehrere Stromquellen oder Stromsenken 110 einschließen, wobei in 10 ein Beispiel dafür gezeigt ist, welche jeweils mit einem jeweiligen Back-Gate verbunden sind, um das Fließen eines Stroms in einer Verbindung zu dem Back-Gate zu erzwingen. Dieser Ansatz nutzt das Vorhandensein einer parasitären Diode innerhalb der FETs zur Umwandlung eines geringen Stroms von dem Wandler zu einer Back-Gate-Spannung.
Der Mittelpunktknoten kann die Mitte des Zielbereichs repräsentieren und kann als Nenn- oder Rücksetzwert verwendet werden. Werte zum Steuern der DACs oder Stromquellen können während eines Kalibrierungsprozesses in den Controller 94 programmiert werden, oder können aus dem Speicher oder dem Hochfahren abgeleitet werden. Es ist auf diese Weise möglich, einen Transkonduktanzschaltkreis bereitzustellen, der zur Verwendung mit einem Digital-Analog-Stromwandler geeignet ist, und es ist in ähnlicher Weise möglich, einen Digital-Analog-Wandler mit einer verbesserten Leistung bereitzustellen.
Strommodussignale sind im Allgemeinen robust gegenüber Gleichtaktschwankungen, im Unterschied zu asymmetrischen Spannungssignalen, die inhärent mit einer Erdung oder anderen Spannungspotenzialen als Referenz arbeiten. Es ist daher vorteilhaft, die Stromausgabe zum Treiben von Last- oder Sensorschaltkreisen zu verwenden, die in dieselbe integrierte Schaltkreis (IC)-Vorrichtung integriert sein können (oder auch nicht). Der hier beschriebene transkonduktive DAC nutzt vorteilhafterweise das relativ einfache Generieren von Spannungssignalen und die Vorteile von Gleichtaktausgaben, wobei ein Stromausgangssignal bereitgestellt wird, welches eine Spannungseingangsreferenz nutzt. Spannungsreferenzen (z. B. Bandabstand-Spannungsreferenzen, Subbandabstand-Spannungsreferenzen und Zenerspannung) sind allgemein bekannt und in bestimmten Szenarien allgemein bevorzugt. Dieser Spannungseingangspegel kann ein statischer Referenzpegel sein oder kann auch (z. B. unter Verwendung eines DAC) variiert werden, und dies kann zur Optimierung der Transkonduktanzleistung verwendet werden. Die Eingangsspannung und resultierende Bürdenspannung kann für die konkrete Last und Anwendung unabhängig von dem Ausgangsstrompegel variiert werden.
Die Stromausgabe aus dem Transkonduktanz-DAC ist im Wesentlichen unempfindlich gegen Gleichtaktspannung, was in zahlreichen Präzisionsanwendungen von Nutzen sein kann. Es ist wünschenswert, mit Spannungsreferenzeingang zu arbeiten. Transkonduktanz kann zudem sowohl Spannungseingang als auch Stromausgang liefern, wodurch zwei erwünschte Merkmale kombiniert werden. Eine derartige Architektur kann eine unabhängige Steuerung von Ausgangskonformität und dem Strompegel ermöglichen. Die Spannungseingabe kann eine stabile, stromunabhängige Spannung sein (z. B. unter Verwendung einer Spannungsreferenz). Die Spannungseingabe kann mit der vorgeschlagenen Konfiguration modifiziert werden. Die Spannung über der Impedanz kann alternativ modifiziert werden (z. B. in Konfigurationen mit geringem Strom gegenüber Konfigurationen mit höherem Strom erhöht werden), um die Empfindlichkeit gegenüber Fehlerquellen zu reduzieren, falls bzw. in dem Maße, in dem die Ausgangskonformität dies zulässt.
Diese Präzisionstranskonduktanztechnologie kann beispielsweise im Gesundheitssektor durch optische Vitalparametermessungen verwendet werden. Optische Vitalparametermessung ist wichtig, da sie die Messung von Vitalparametern eines Patienten in nicht-invasiver Weise ermöglicht. Einige der messbaren Vitalparameter beinhalten Blutsauerstoffsättigung (SpO2) und Herzfrequenz. Die Vitalparameter werden gemessen, indem die Oberfläche und der subkutane Bereich der Haut mit einer Lichtquelle beleuchtet werden und dann das optische Signal gemessen wird, wenn es zurückreflektiert und durch das Gewebe und den Blutfluss moduliert wird. Um über präzise und richtige Vitalparametermessungen zu verfügen, ist es wichtig, einen rauscharmen Weg bereitstellen zu können, um das Licht zur Messung der Vitalparameter zu produzieren. Bemühungen in der Vergangenheit konnten keine Lösung mit niedrigem Verbrauch bereitstellen, die ausreichend Photometrie, Kolorimetrie und Spektrometrie in der optischen Vitalparametermessung bereitstellt. Photometrie ist eine Messung der Helligkeit des Lichts, das durch das menschliche Auge wahrgenommen wird. Kolorimetrie ist eine Messung der Farbwahrnehmung des Lichtes durch den Menschen. Spektrometrie ist eine Messung der Wellenlänge des Lichts. Diese Präzisionstranskonduktanzvorrichtung kann das Design eines Präzisionstranskonduktanz-Digital-Analog-Wandlers und dessen Anordnung in einem Modul einer optischen Vitalparametermessvorrichtung ermöglichen, die zur präzisen Steuerung einer Licht emittierenden Quelle verwendet werden kann, die das Licht durch irgendeinen Teil des Körpers führt, welches wiederum durch einen optischen Detektor empfangen wird. Der optische Leiter kann aus jeglichem Material aufgebaut sein, das Licht leiten kann, beispielsweise aus Polycarbonat, wasserklarem Polycarbonat, Kunststoffen, Glas, usw. Indem die Lichtquelle mit der Präzisionstranskonduktanzvorrichtung präzise gesteuert werden kann, werden die Wellenlängen des in dem Rohr übertragenen Lichts präziser übertragen, was richtige Ablesungen der Vitalparameter bei geringerem Energieverbrauch ermöglicht. Optische Vitalparametermessungen können an vielen Körperstellen erfolgen, wobei es sehr unterschiedliche optische Abschwächung zwischen dem Emitter und dem Detektor geben kann. Es ist üblich, die Intensität am Emitter anzupassen, um am Detektor ein praktisch konstantes Signal aufrechtzuerhalten. Die vorliegende Offenbarung ist zur Maximierung des SNR angepasst, wenn der Anregungsstrom gering ist, während nicht notwendigerweise eine große Eingangsspannung benötigt wird, wenn der vorgesehene Strom groß ist.
Die Präzisionstranskonduktanzvorrichtung kann auch in industriellen Anwendungen Vorteile bieten, wie in der Steuerung industrieller Prozesse, in Feldsendern und 4 mA - 20 Milliampere (mA)-Systemen. Die analogen 4 mA - 2 mA- und 10 mA - 50 mA-Stromkreise werden häufig für Steuerungssysteme für industrielle Prozesse verwendet, wobei 4 mA am unteren Ende des Bereichs und 20 mA am oberen Ende stehen. Die Vorteile dieser Analogstromkreise liegen darin, dass die Richtigkeit des Signals nicht durch Spannungsabfall in der dazwischen liegenden Verdrahtung beeinflusst werden kann und der Kreis der Vorrichtung Betriebsleistung zuführen kann. Somit ist Stromausgabe beispielsweise wünschenswert, wo es eine weitverbreitete Nutzung der 4 mA - 20 mA-Architekturen gibt. Selbst wenn in der Leitung signifikanter elektrischer Widerstand vorhanden ist, kann der Stromkreissender den korrekten Strom bis zu seiner Maximalspannungskapazität aufrechterhalten. Die durch 4 mA repräsentierte Live-Zero ermöglicht dem empfangenden Instrument, einige Fehler des Kreises zu erkennen, und ermöglicht die Energieversorgung der Sendegeräte durch denselben Stromkreis (als Zweidrahtsender bezeichnet). Solche Instrumente könnten beispielsweise zur Messung von Druck, Temperatur, Flussraten, pH-Wert oder anderen Prozessvariablen in industriellen Systemen verwendet werden. Die Präzisionstranskonduktanzvorrichtung kann auch zur Steuerung industrieller Systeme verwendet werden, wie eines Ventilpositionierers oder anderen Ausgangsstellmotors, zusammen mit weiteren industriellen Anwendungen in beliebiger Zahl.
Die Präzisionstranskonduktanzvorrichtung kann in Verbraucheranwendungen, wie Audio- und Videoanwendungen, Vorteile bieten. Viele Mobilgeräte senden beispielsweise analoge Audiosignale an Kopfhörer. Die Präzisionstranskonduktanzvorrichtung kann verwendet werden, um den Kopfhörern ein besseres Audiosignal zur Verfügung zu stellen. Das Mobilgerät könnte ein Mobiltelefon, ein Smartphone, ein digitales Musikabspielgerät, ein Tablet, ein Laptopcomputer oder jedes andere handgeführte Gerät sein. Die Präzisionstranskonduktanz kann auch in anderen Audioanwendungen verwendet werden, um jeglichen Typ von Lautsprechern anzutreiben, einschließlich Lautsprechern und Stereosprechern. Der Vorteil der Präzisionstranskonduktanzvorrichtung liegt darin, dass die Sprecher über einen weiten Bereich und über längere Drähte angetrieben werden können, als dies mit anderen Lösungen möglich ist. Dies gilt auch für Videoanwendungen, wie das Senden eines Analogsignals an eine Anzeigevorrichtung, zusammen mit jeglicher Anzahl an zusätzlichen Audio/Videoanwendungen.
Die hier präsentierten Ansprüche sind im Einzelabhängigkeitsformat geschrieben, das zur Verwendung im Patentamt der Vereinigten Staaten von Amerika geeignet ist. Um Zweifel auszuschließen, kann jedoch jeder Anspruch von jeglichem vorhergehenden Anspruch derselben Kategorie abhängen, es sei denn, dass dies technisch eindeutig nicht möglich ist.
In den Erörterungen der obigen Ausführungsformen können die Controller, Back-Gates, Transistoren, Kondensatoren, Arrays, Schalter, Spulen, Widerstände (beliebigen Typs), Verstärker, Knoten, Wandler, Digitalkern- und/oder andere Komponenten leicht ersetzt, substituiert oder anderweitig modifiziert werden, um sich den Anforderungen spezieller Schaltkreise anzupassen. Es sei zudem darauf hingewiesen, dass die Verwendung ergänzender elektronischer Chips, Hardware, Software, usw. eine gleichermaßen machbare Option darstellt, um die Lehren der vorliegenden Offenbarung zu implementieren.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann jegliche Anzahl von elektrischen Schaltkreisen der FIGUREN auf einer Platine eines zugeordneten elektronischen Chips implementiert werden. Die Platine kann eine allgemeine Schaltplatine sein, die verschiedene Komponenten eines internen elektronischen Systems des elektronischen Chips enthalten kann und ferner Anschlüsse für andere Peripheriegeräte bereitstellen kann. Die Platine kann spezieller die elektrischen Anschlüsse bereitstellen, mit denen die anderen Komponenten des Systems elektrisch kommunizieren können. Jegliche geeigneten Prozessoren (einschließlich Digitalsignalprozessoren, Mikroprozessoren, unterstützenden Chipsätzen, usw.), Speicherelemente, usw. können geeigneterweise basierend auf speziellen Konfigurationsanforderungen, Verarbeitungsansprüchen, Computerdesigns, usw. mit der Platine gekoppelt werden. Sonstige Komponenten, wie externer Speicher, zusätzliche Sensoren, Controller für Audio/Videodarstellung und andere Peripheriechips können als Steckkarten, über Kabel oder in die Platine selbst integriert an der Platine angebracht werden.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform können die elektrischen Schaltkreise der FIGUREN als eigenständige Module implementiert werden (beispielsweise ein Chip mit zugeordneten Komponenten und Schaltkreisen, die zur Durchführung einer bestimmten Anwendung oder Funktion konfiguriert sind) oder als Steckmodule in anwendungsspezifische Hardware von elektronischen Chips integriert werden. Es sei darauf hingewiesen, dass bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ganz oder teilweise leicht in ein Ein-Chip-System- (SOC)-Paket eingeschlossen werden können. Ein SOC steht für ein IC, das Komponenten eines Computers oder anderen elektronischen Systems in einen einzigen Chip integriert. Er kann digitale, analoge, Mischsignal- und oft Hochfrequenzfunktionen enthalten: alle hiervon können auf einem einzigen Chipsubstrat bereitgestellt werden. Andere Ausführungsformen können ein Multichipmodul (MCM) mit einer Vielzahl separaten ICs einschließen, die sich innerhalb eines einzelnen Elektronikpakets befinden und konfiguriert sind, um über das elektronische Paket eng miteinander in Interaktion zu treten. In verschiedenen anderen Ausführungsformen können die hier beschriebenen Funktionalitäten in einen oder mehrere Siliciumkerne in anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGAs) und anderen Halbleiterchips implementiert werden.
Es ist auch zu beachten, dass alle der hier dargestellten Spezifikationen, Abmessungen und Beziehungen (z. B. die Anzahl der Komponenten, Logikoperationen, Gleichungen, usw.) nur zu Zwecken der Veranschaulichung und der Lehre dargelegt wurden. Jede derartige Information kann erheblich variieren, ohne von der Idee der vorliegenden Offenbarung oder dem Umfang der angefügten Ansprüche abzuweichen. Die Beschreibungen gelten nur für ein nicht-einschränkendes Beispiel und sollten daher als solche ausgelegt werden. In der vorhergehenden Beschreibung sind beispielhafte Ausführungsformen in Bezug auf bestimmte Komponentenanordnungen beschrieben worden. An solchen Ausführungsformen können verschiedene Modifikationen und Veränderungen vorgenommen werden, ohne von dem Umfang der angefügten Ansprüche abzuweichen. Die Beschreibung und Zeichnungen sind daher im illustrierenden und nicht in einschränkendem Sinne zu verstehen.
Es ist zu beachten, dass die zuvor in Bezugnahme auf die FIGUREN erörterten Aktivitäten auf jegliche integrierten Schaltkreise anwendbar sind, die Signalverarbeitung beinhalten, insbesondere jene, die auf Synchronisierungssignalen basieren, um spezielle Softwareprogramme auszuführen, oder Algorithmen, von denen einige mit der Verarbeitung digitalisierter Echtzeitdaten zugeordnet sein können. Bestimmte Ausführungsformen können Multi-DSP-Signalverarbeitung, Gleitkommaverarbeitung, Signal/Steuerungsverarbeitung, Festfunktionsverarbeitung, Mikrocontrolleranwendungen usw. betreffen. Die hier erörterten Merkmale können in bestimmten Kontexten auf medizinische Systeme, wissenschaftliche Instrumente, drahtlose und drahtgebundene Kommunikation, Radar, Steuerung industrieller Prozesse, Audio- und Videogeräte, Stromabfühlen, Instrumentierung (die hochpräzis sein kann) und andere Systeme auf Basis von digitaler Verarbeitung anwendbar sein.
Bestimmte zuvor erörterte Ausführungsformen können zudem in Digitalsignalverarbeitungstechnologien zur medizinischen Bildgebung, zum Monitoring von Patienten, für medizinische Instrumente und Gesundheitsversorgung im häuslichen Bereich bereitgestellt werden. Dies könnte Atemmonitore, Akzelerometer, Herzfrequenzmonitore, Schrittmacher, usw. beinhalten. Andere Anwendungen können Automobiltechnologie für Sicherheitssysteme (z. B. Stabilitätssteuerungssysteme, Fahrerassistenzsysteme, Bremssysteme, Infotainment und Innenanwendungen jeglicher Art) umfassen. Antriebsstrangsysteme (beispielsweise in Hybrid- und Elektrofahrzeugen) können zudem die hier beschriebenen Funktionalitäten in Hochpräzisions-Datenkonvertierungsprodukten in der Batterieüberwachung, in Steuerungssystemen, Bedienelementen zur Berichterstellung, Wartungsaktivitäten, usw. verwenden.
In anderen beispielhaften Szenarien können die Lehren der vorliegenden Offenbarung in den industriellen Märkten anwendbar sein, die Prozesssteuerungssysteme einschließen, die zur Steigerung von Produktivität, Energieeffizienz und Zuverlässigkeit dienen. Die Lehren der zuvor erörterten elektrischen Schaltkreise können in Verbraucheranwendungen zur Bildverarbeitung, zum Autofokus und zur Bildstabilisierung eingesetzt werden (z. B. für digitale Standbildkameras, Camcorder, usw.). Andere Verbraucheranwendungen können Audio- und Videoprozessoren für Heimkinosysteme, DVD-Recorder und hochauflösende Fernsehgeräte einschließen. Hochentwickelte Touchscreen-Controller (z. B. für irgendeine Art von tragbarem Medienchip) können andere Verbraucheranwendungen darstellen. Diese Technologien können somit leicht Teile von Smartphones, Tablets, Sicherheitssystemen, PCs, Spieletechnologien, Virtual Reality, Simulationstraining, usw. sein.
Es ist zu beachten, dass Interaktion in den zahlreichen hier bereitgestellten Beispielen in Form von zwei, drei, vier oder mehr elektrischen Komponenten beschrieben werden kann. Dies erfolgte jedoch zu lediglich Zwecken der Klarheit und Illustration. Es sollte zu erkennen sein, dass das System in jeder geeigneten Weise konsolidiert werden kann. Unter ähnlichen Designalternativen können beliebige der dargestellten Komponenten, Module und Elemente der FIGUREN in verschiedenen möglichen Konfigurationen kombiniert werden, die alle eindeutig innerhalb des allgemeinen Umfangs dieser Anmeldung liegen. Es mag in bestimmten Fällen einfacher sein, eine oder mehrere der Funktionalitäten eines gegebenen Satzes von Strömen zu beschreiben, indem nur eine begrenzte Anzahl an elektrischen Elementen genannt wird. Es sollte zu erkennen sein, dass die elektrischen Schaltkreise der FIGUREN und deren Lehren leicht skalierbar sind und eine große Anzahl an Komponenten sowie kompliziertere/weiterentwickelte Anordnungen und Konfigurationen beinhalten können. Die hier gegebenen Beispiele sollen demzufolge den Umfang der elektrischen Schaltkreise nicht einschränken sowie deren allgemeine Lehre nicht hemmen, die potentiell auf unzählige andere Architekturen angewendet werden kann.
Der Fachmann kann zahlreiche sonstige Veränderungen, Substitutionen, Varianten, Abänderungen und Modifikationen ersinnen, und es ist vorgesehen, dass die vorliegende Offenbarung alle derartigen Veränderungen, Substitutionen, Varianten, Abänderungen und Modifikationen als unter den Umfang der angefügten Ansprüche fallend umfasst. Zur Unterstützung des US-amerikanischen Patent- und Markenamts (United States Patent and Trademark Office; USPTO) und darüber hinaus sämtlicher Leser jedweden Patents, das für diese Anmeldung ausgegeben wurde, bei der Interpretation der Ansprüche möchte der Anmelder anmerken, dass der Anmelder: (a) nicht vorhat, dass irgendeiner der angefügten Ansprüche Paragraph sechs (6) von 35 U.S.C. Abschnitt 112 in seiner Form vom Anmeldedatum zur Geltung bringt, wenn die Worte „Mittel für“ oder „Schritt für“ spezifisch in den aufgeführten Ansprüchen verwendet werden; und (b) diese Offenbarung durch nicht durch irgendeine Aussage in der Beschreibung, die sich in den angefügten Ansprüchen nicht widerspiegelt, in irgendeiner Weise beschränken möchte.
SONSTIGE HINWEISE, BEISPIELE UND IMPLEMENTIERUNGEN
Es sei darauf hingewiesen, dass alle optionalen Merkmale des zuvor beschriebenen Apparats auch in Bezug auf das hier beschriebene Verfahren oder den hier beschriebenen Prozess implementiert werden können und konkrete Angaben in den Beispielen an beliebiger Stelle in einer oder mehreren Ausführungsformen eingesetzt werden können. In einem ersten Beispiel wird ein System bereitgestellt (das jegliche geeigneten Schaltkreise, Teiler, Kondensatoren, Widerstände, Spulen, DACs, ADCs, Arrays, Logik-Gates, Software, Hardware, Links, usw. einschließen kann), das Teil eines beliebigen Typs von elektronischer Vorrichtung (z. B. Computer) sein kann, die ferner eine Schaltplatine einschließen kann, die an eine Vielzahl von elektronischen Komponenten gekoppelt ist.
Das System kann Mittel zum Trimmen von Strömen zwischen einer Vielzahl von Stromsteuerungsstufen bereitstellen, wobei die ersten und zweiten Stufen jeweils einen jeweiligen Feldeffekttransistor umfassen, wobei die Feldeffekttransistoren Top-Gates und Back-Gates aufweisen, wobei die Top-Gates mit einem gemeinsam genutzten Knoten verbunden sind, um so eine gemeinsam genutzte Steuerungsspannung zu erhalten, und die Back-Gates auf jeweilige Spannungen angetrieben werden, um so ein Stromverhältnis zwischen der ersten Stufe und der zweiten Stufe auf einen bestimmten Wert festzulegen.
In anderen Ausführungsformen kann eine an das Back-Gate angelegte Spannung durch ein DAC bereitgestellt werden. Die Stufen können zudem als Teil eines Transkonduktanz-DACs bereitgestellt werden. Das/die „Mittel für“ diese (obigen) Fälle kann/können (ohne darauf beschränkt zu sein) jede geeignete hier erörterte Komponente zusammen mit jeglicher Software, Schaltkreis(en), Hub, Computercode, Logik, Algorithmen, Hardware, Controller, Schnittstelle, Link, Bus, Kommunikationsweg(en), usw. einschließen. Das System schließt in einem zweiten Beispiel Speicher ein, der ferner maschinenlesbare Anweisungen umfasst, die bei Ausführung herbeiführen, dass das System jedwede der bereits erörterten Aktivitäten durchführt.

Claims

Transkonduktanzschaltkreis, umfassend: einen Ausgangsknoten (8,106); mindestens einen Transistor (2, 72.n); einen variablen Widerstand (42); einen Controller (54), um den variablen Widerstand (42) in Reaktion auf ein Eingangswort (56) anzupassen; und einen Differenzialverstärker (22), wobei der mindestens eine Transistor (2, 72.1-72.n) und der variable Widerstand (42) in Reihe mit dem Ausgangsknoten (8, 106) verbunden sind, ein Ausgang des Differenzialverstärkers (22) mit einem Steuerknoten des mindestens einen Transistors (2, 72.1-72.n) verbunden ist, ein erster Eingang des Verstärkers (22) auf ein Eingangssignal anspricht und ein zweiter Eingang des Verstärkers (22) mit einem Knoten zwischen dem variablen Widerstand (42) und dem Transistor verbunden ist, so dass dieser auf eine Spannung über dem variablen Widerstand (42) anspricht
Transkonduktanzschaltkreis nach Anspruch 1, wobei der variable Widerstand (42) eine Mehrzahl von Widerständen (42.1-42.n, 74.1-74.n) aufweist.
Transkonduktanzschaltkreis nach Anspruch 2, wobei individuelle Widerstände (42.1) der Mehrzahl von Widerständen (42.1-42.n, 74.1-74.n) steuerbar zwischen einem ersten Widerstandsknoten (12) und einem zweiten Widerstandsknoten (16) verbindungsfähig sind.
Transkonduktanzschaltkreis nach Anspruch 1, wobei eine Mehrzahl von FeldeffektTransistoren jeweils mit Widerständen zwischen ihren Source-Anschlüssen und einem gemeinsamen Knoten bereitgestellt werden; wobei wenigstens einigen der Transistoren Steuerschalter zwischen einer Steuerklemme des jeweiligen Transistors und dem Verstärkerausgang zugeordnet sind; und wobei jeweils Rückkopplungsschalter in einem Signalweg zwischen dem zweiten Eingang des Verstärkers und den Source-Anschlüssen der Transistoren bereitgestellt werden.
Transkonduktanzschaltkreis nach Anspruch 3, wobei sich ein oder mehrere der Widerstände (74.1-74.n) in Reihe mit jeweiligen Transistoren (72.1-72.n) befinden.
Transkonduktanzschaltkreis nach Anspruch 5, wobei eine Mehrzahl von Transistoren (72.1-72.n) bereitgestellt wird, wobei mindestens einige der Transistoren (72.1-72.n) mit jeweiligen Steuerschaltern (76.1-76.n) zwischen einer Steuerklemme des Transistors (72.1-72.n) und dem Verstärkerausgang zugeordnet sind.
Transkonduktanzschaltkreis nach Anspruch 6, wobei jeweilige Rückkopplungsschalter (78.1-78.n) in einem Signalweg zwischen dem zweiten Eingang des Verstärkers und dem ersten Widerstandsknoten bereitgestellt werden.
Transkonduktanzschaltkreis nach Anspruch 7, wobei die Rückkopplungsschalter (78.1-78.n) einen Widerstand im eingeschalteten Zustand aufweisen, der im Wesentlichen einer Funktion des Stroms entspricht, der durch einen jeweiligen Ausgangstransistor (72.1-72.n) hindurchgeleitet wird.
Transkonduktanzschaltkreis nach Anspruch 1, wobei der Transkonduktanzschaltkreis eine Mehrzahl von Ausgangstransistoren (72.1-72.n) umfasst und ferner einen Korrekturschaltkreis (94) einschließt, der an ein Back-Gate von mindestens einem Ausgangstransistor (72.2-72.n) gekoppelt ist und zum Modifizieren einer Back-Gate-Spannung an dem mindestens einen Ausgangstransistor (72.2-72.n) angeordnet ist
Transkonduktanzschaltkreis nach Anspruch 9, wobei der Korrekturschaltkreis (94) zum Modifizieren der Back-Gate-Spannungen individueller Transistoren angeordnet ist, so dass unterschiedliche Ausgangstransistoren (72.2, 72.n) innerhalb des Transkonduktanzschaltkreises unterschiedliche Back-Gate-Spannungen aufweisen.
Transkonduktanzschaltkreis nach Anspruch 10, wobei die Back-Gate-Spannungen modifiziert werden durch: a) Anlegen einer Spannung an das Back-Gate oder b) Erzwingen eines Stromflusses in einer Verbindung zu einem Back-Gate.
Transkonduktanzschaltkreis nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Digital-Analog-Wandler (52), der den Transkonduktanzschaltkreis einschließt.
Transkonduktanzschaltkreis nach Anspruch 12, ferner aufweisend: eine erste Mehrzahl von Transistoren, die angeordnet sind, um eine erste thermometerkodierte Stufe zu bilden, wobei jeder der Transistoren betrieben werden kann, um einen ersten Strom hindurchzuleiten; und eine zweite Mehrzahl von Transistoren, die eine zweite Stufe bilden, wobei mindestens einige der Transistoren der zweiten Stufe einen Strom hindurchleiten, der sich von dem ersten Strom unterscheidet
Transkonduktanzschaltkreis nach Anspruch 12, ferner aufweisend: einen Controller (54), um die Eingangsspannung des Differenzialverstärkers (22) und den Wert des variablen Widerstands (42) in Reaktion auf das Eingangswort oder ein weiteres Eingangswort zu variieren.
Integrierter Schaltkreis, in dem ein elektrisch steuerbarer Widerstand (42) einem Rückkopplungskreis eines Digitalcode-Strom-Wandlers zugeordnet wird, wobei der elektrisch steuerbare Widerstand (42) in Reihe zwischen einer Referenzspannung und einem Source-Anschluss eines Transistors angeschlossen ist, um einen Stromflussweg auszubilden und eine Spannung an dem Knoten des elektrisch steuerbaren Widerstands gesteuert wird, indem der Strom variiert wird, der durch einen in Reihe verbundenen Transistor hindurchgeleitet wird in Reaktion auf einen digitalen Code.
Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 15, wobei eine Spannung über dem elektrisch steuerbaren Widerstand (42) durch eine Vergleichsvorrichtung mit einer Eingangsspannung verglichen wird und infolge des Vergleichs eine Spannung an einem Knoten des elektrisch steuerbaren Widerstands (42) modifiziert wird, um mithilfe des elektrisch steuerbaren Widerstands (42) einen gewünschten Stromfluss zu erhalten.
Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 16, wobei der elektrisch steuerbare Widerstand (42) eine Mehrzahl von Impedanzen umfasst, die selektiv mit einem Vergleichseingang einer Komponente verbindungsfähig sind, die adaptiert ist, um eine Spannung über dem elektrisch steuerbaren Widerstand (42) mit einer Eingangsspannung zu vergleichen.
Integrierter Schaltkreis, aufweisend: eine Mehrzahl von parallel angeordneten Stromsteuerungsstufen, wobei mindestens einige der Stufen einen Feldeffekttransistor (72.n) umfassen, der angeordnet ist, um einen Strom in Reaktion auf eine gemeinsame Spannung hindurchzuleiten, welche Gates in den Feldeffekttransistoren(72.n) bereitgestellt wird, und wobei eine Mehrzahl der Transistoren(72.n) Back-Gates aufweisen, die mit einem Schaltkreis verbunden sind, der adaptiert ist, um den Back-Gates der Transistoren (72.n) jeweilige Spannungen oder Ströme zuzuführen, so dass unterschiedliche Transistoren (72.n) unterschiedliche Back-Gate-Spannungen haben; wobei die Stufen weiterhin Impedanzen aufweisen, die in Reihe mit dem Transistor (72.n) jeder Stufe verbunden sind, und, wenn eine Stufe zur Durchleitung eines Stroms ausgewählt wird, eine Spannung über der Impedanz dieser Stufe als ein Maß für einen durch die Stufe durchgeleiteten Strom verwendet wird und mit der Spannung von der oder jeder Stufe, welche auch einen Strom durchleitet, gemittelt wird.
Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 18, wobei die Impedanzen für Stufen, die zum Hindurchleiten eines Stroms ausgewählt sind, parallel zwischen ersten und zweiten Knoten verbunden sind und die Spannungsdifferenz zwischen den Knoten als Eingang an einen Verstärker bereitgestellt wird.
Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 19, wobei die Eingangsspannung in Bezug auf einen der ersten und zweiten Knoten als Referenz dient, so dass die Spannung an dem jeweils anderen des ersten und zweiten Knotens eine Eingabe an den Verstärker ist
Verfahren, aufweisend: Trimmen der Ströme zwischen einer Mehrzahl von Stromsteuerungsstufen, wobei die ersten und zweiten Stufen jeweils einen jeweiligen Feldeffekttransistor (72.2-72.n) aufweisen, in Reihe mit einem variablen Widerstand (74.2-74.n), wobei die Feldeffekttransistoren (72.2-72.n) Top-Gates und Back-Gates aufweisen, wobei die Top-Gates mit einem gemeinsam genutzten Knoten verbunden sind, um so eine gemeinsam genutzte Steuerungsspannung zu erhalten, und die Back-Gates, auf der Basis eines digitalen Worts, auf jeweilige Spannungen getrieben werden, um so ein Stromverhältnis zwischen den ersten und den zweiten Stufen auf einen gewünschten Wert festzulegen.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei eine an das Back-Gate angelegte Spannung durch einen DAC bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Stufen als Teil eines Transkonduktanz-DAC bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 21, weiterhin aufweisend, den variablen Widerstand (74.2-74.n) zu verändern, um den Einfluss von nicht-idealen Artefakten von einem Differenzialverstärker (22) zu reduzieren.
Transkonduktanzschaltkreis nach Anspruch 12, wobei der Controller (54) dazu eingerichtet ist, das Eingangswort (56) zu empfangen, welches einen Ausgangsstrom repräsentiert, der den Transkonduktanzschaltkreis durchlaufen soll, und das Eingangswort (56) in ein erstes Steuerungswort (58), welches an den Digital-Analog-Wandler (52) zu senden ist, und in ein zweites Steuerungswort (60), das an den variablen Widerstand (42) zu senden ist, umzudefinieren, um durch Steuern sowohl der Eingangsspannung an dem ersten Eingang des Verstärkers (22) als auch des Werts des variablen Widerstands (42) den Ausgangsstrom in einer solchen Weise zu steuern, dass eine verbesserte Rauschleistung erreicht wird.
Transkonduktanzschaltkreis nach Anspruch 1, wobei der Ausgangsknoten des Transkonduktanzschaltkreises eine Lichtquelle steuert, um Vitalparametermessungen durchzuführen.
Transkonduktanzschaltkreis nach Anspruch 26, wobei die Vitalparametermessungen eines oder mehreres von Folgendem beinhalten: Blutsauerstoffsättigung und Herzfrequenz.
Transkonduktanzschaltkreis nach Anspruch 1, wobei der Ausgangsknoten eine Lichtquelle für eines oder mehreres von Folgendem steuert: Photometrie, Kolorimetrie und Spektrometrie.
Transkonduktanzschaltkreis nach Anspruch 1, wobei der Ausgangsknoten Strom für eine oder mehrere Vorrichtungen bereitstellt, die eines oder mehreres von Folgendem durchführen: Steuerung industrieller Systeme, Druckmessung, Temperaturmessung, Flussratenmessung, Messung eines pH-Wertes, Steuerung eines Ventilpositionierers oder eines Ausgangsstellmotors.
Transkonduktanzschaltkreis nach Anspruch 1, wobei der Ausgangsknoten Strom für eines oder mehreres von Folgendem bereitstellt: 4 mA bis 20 mA Stromkreise und 10 mA bis 50 mA Stromkreise.
Transkonduktanzschaltkreis nach Anspruch 1, wobei der Ausgangsknoten Strom für eines oder mehreres von Folgendem treibt: Kopfhörer, Lautsprecher, Stereosprecher und Anzeigevorrichtungen.
Transkonduktanzschaltkreis, aufweisend: einen Ausgangsknoten (8,106); eine Mehrzahl von Transistoren (72.1-72.n), jeder mit einem jeweiligen in Reihe angeordneten Widerstand (74.1-74.n); und einen Differenzialverstärker (22) mit ersten und zweiten Eingängen, wobei die Mehrzahl der Transistoren (72.1-72.n) und zugeordneten Widerständen (74.1-74.n) parallel mit dem Ausgangsknoten (8) verbunden sind; ein Ausgang des Differenzialverstärkers (22) mit jeweiligen Steuerknoten der Transistoren (72.1-72.n) verbunden ist, der erste Eingang des Verstärkers auf ein Eingangssignal anspricht; und einzelne Widerstände (74.1-74.n) aus der Mehrzahl von Widerständen (74.1-74.n) steuerbar zwischen dem zweiten Eingang des Verstärkers und einem gemeinsamen Widerstandsknoten verbindbar sind.
Transkonduktanzschaltkreis nach Anspruch 32, wobei: wenigstens eine Mehrzahl der Transistoren (72.1-72.n) mit jeweiligen Steuerschaltern zwischen einer Steuerklemme (76.1) des Transistors (72.1-72.n) und dem Differenzialverstärkerausgang zugeordnet sind.