DE102015017299B3

DE102015017299B3 - Verfahren zum Kalibrieren einer Bias-Schaltung

Info

Publication number: DE102015017299B3
Application number: DE102015017299.9A
Authority: DE
Inventors: Pavel Konecny; Dag Pettersen
Original assignee: Silicon Laboratories Inc
Current assignee: Silicon Laboratories Inc
Priority date: 2015-02-20
Filing date: 2015-11-04
Publication date: 2021-02-04
Anticipated expiration: 2035-11-05
Also published as: CN105912068B; US9342084B1; CN105912068A; DE102015014195A1; DE102015014195B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, welches nach einem ersten vorgegebenen Zeitintervall das Beenden eines Schlafzustands einer Biasschaltung und Bewirken, dass eine Ladungsspeichervorrichtung einer Ausgabeschaltung der Biasschaltung unter Verwendung eines ersten Biasstroms aufgefrischt wird, der von einer Konstant-Transkonduktanz-Verstärkerschaltung der Biasschaltung erzeugt wird, umfasst; nach dem Auffrischen der Ladungsspeichervorrichtung Bewirken, dass die Biasschaltung in den Schlafzustand geht; nach einem zweiten vorgegebenen Zeitintervall, Beenden des Schlafzustands der Biasschaltung und Bewirken, dass der erste Biasstrom mit einem zweiten Biasstrom, der von einer Bandabstand-Biasschaltung der Biasschaltung erzeugt wird, verglichen wird, und Aktualisieren eines Kalibrierwerts basierend auf dem Vergleich, wobei der Kalibrierwert dafür verwendet wird, den ersten Biasstrom gegenüber dem zweiten Biasstrom zu kalibrieren; und nach dem Aktualisieren des Kalibrierwerts Bewirken, dass die Biasschaltung in den Schlafzustand geht.

Description

Hintergrund
Viele integrierte Schaltungen (ICs) umfassen mehrere interne Schaltungen, um eine Vielzahl unterschiedlicher Funktionalitäten auszuführen. Um den korrekten Betrieb bestimmter Schaltungen zu ermöglichen, können Komponenten der Schaltungen, wie etwa Transistoren und andere elektronische Elemente einen Biasstrom und/oder eine Biasspannung benötigen. Oftmals umfasst ein IC einen internen Biasgenerator zum Erzeugen solcher Biassignale. Diese Schaltungen können jedoch zur Bereitstellung der Biassignale mit geeigneten Pegeln eine unerwünschte Menge an Energie verbrauchen. Außerdem können diese Schaltungen schwierig zu steuern sein, insbesondere, falls die Betriebsanforderungen des zugrunde liegenden IC variieren. US 7 795 857 B1 zeigt ein Verfahren zum Erzeugen eines Kalibrierungssignals basierend auf einer Bandabstand-Spannungsreferenzschaltung. Die Kalibrierung kann periodisch erfolgen und vergleicht die Ausgangsspannungen von zwei Bandabstand-Spannungsreferenzschaltungen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung stellt ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 bereit. In einem Beispiel umfasst eine Vorrichtung eine Bereit-Schaltung für die Ausgabe eines Bereit-Indikators wenn eine Versorgungsspannung, mit der die Bereitschaltung und ein Spannungsregler versorgt werden, für den Betrieb des Spannungsreglers ausreichend ist. Dabei ist der Spannungsregler für Folgendes vorgesehen: das Empfangen der Versorgungsspannung und das Ausgeben einer geregelten Spannung, das Empfangen eines ersten Stroms von der Bereit-Schaltung und das Einstellen der geregelten Spannung basierend auf dem ersten Strom, wenn der Bereit-Indikator inaktiv ist. Die Vorrichtung umfasst außerdem eine BiasSchaltung zum Empfangen der geregelten Spannung, wobei diese eine erste Schaltung zum Erzeugen eines ersten Bandabstand-Biasstroms und eine zweite Schaltung zum Erzeugen eines zweiten Biasstroms umfasst. Eine Ausgabeschaltung ist dafür vorgesehen, einen ausgewählten von dem ersten Bandabstand-Biasstroms und dem zweiten Biasstrom zu empfangen und, basierend auf dem ausgewählten von dem ersten Bandabstand-Biasstroms und dem zweiten Biasstrom, eine oder mehrere Biasausgaben an eine oder mehrere Clientschaltungen auszugeben.
In einem Beispiel ist der Spannungsregler dafür vorgesehen, die geregelte Spannung basierend auf einer von der einen oder den mehreren Biasausgaben von der Ausgabeschaltung einzustellen, wenn der Bereit-Indikator aktiv ist. Die Bereit-Schaltung kann eine erste Mehrzahl von Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) Stromspiegeln umfassen, von denen einer dafür vorgesehen ist, den ersten Strom für den Spannungsregler bereitzustellen. Die Ausgabeschaltung kann eine zweite Mehrzahl von CMOS-Stromspiegeln umfassen, um den ausgewählten von dem ersten Bandabstand-Biasstroms und dem zweiten Biasstrom zu empfangen und von diesem die eine oder mehreren Biasausgaben zu erzeugen. Die erste Schaltung kann eine Bandabstand-Kernschaltung umfassen und die zweite Schaltung umfasst eine Konstant-Transkonduktanz-Verstärkerschaltung.
In einem Beispiel umfasst der Spannungsregler einen ersten Vorverstärker, der dafür vorgesehen ist, auf einem ersten Energieverbrauchsniveau zu arbeiten, und einen zweiten Vorverstärker, der dafür vorgesehen ist, auf einem zweiten Energieverbrauchsniveau zu arbeiten, wobei der erste Vorverstärker so gesteuert wird, das er während Ein-Abschnitten eines Arbeitszyklusmodus eingeschaltet wird, und der zweite Vorverstärker so gesteuert wird, das er während der Ein-Abschnitte und Aus-Abschnitte des Arbeitszyklusmodus eingeschaltet wird, wobei das zweite Energieverbrauchsniveau niedriger ist als das erste Energieverbrauchsniveau. Der Spannungsregler kann außerdem Folgendes umfassen: einen ersten Schalter, um für den ersten Vorverstärker eine erste Referenzspannung bereitzustellen, wenn der Bereit-Indikator inaktiv ist, und für den ersten Vorverstärker eine zweite Referenzspannung bereitzustellen, wenn der Bereit-Indikator aktiv ist; und einen zweiten Schalter, um eine Ausgabe des ersten Vorverstärkers an eine Ausgabevorrichtung des Spannungsreglers bereitzustellen, wenn der Bereit-Indikator aktiv ist, und um die erste Referenzspannung an die Ausgabevorrichtung zu liefern, wenn der Bereit-Indikator inaktiv ist.
In einem Beispiel umfasst die Vorrichtung außerdem einen Kontroller, um die Konstant-Transkonduktanz-Verstärkerschaltung dazu zu befähigen, eine Ladungsspeichervorrichtung der Ausgabeschaltung in einem ersten Zeitintervall wieder aufzuladen, sowie die Konstant-Transkonduktanz-Verstärkerschaltung und die Bandabstand-Kernschaltung dazu zu befähigen, eine Kalibrierung des zweiten Biasstroms gegenüber dem ersten Bandabstand-Biasstrom in einem zweiten Zeitintervall auszuführen, wobei das zweite Zeitintervall länger ist als das erste Zeitintervall.
Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren Folgendes: nach einem ersten vorgegebenen Zeitintervall, Beenden eines Schlafzustands einer Biasschaltung und Bewirken, dass eine Ladungsspeichervorrichtung einer Ausgabeschaltung der Biasschaltung unter Verwendung eines ersten Biasstroms aufgefrischt wird, der von einer Konstant-Transkonduktanz-Verstärkerschaltung der Biasschaltung erzeugt wird; nach dem Auffrischen der Ladungsspeichervorrichtung, Bewirken, dass die Biasschaltung in den Schlafzustand eintritt; nach einem zweiten vorgegebenen Zeitintervall, Beenden des Schlafzustands der Biasschaltung und Bewirken, dass der erste Biasstrom mit einem zweiten Biasstrom, der von einer Bandabstand-Biasschaltung der Biasschaltung erzeugt wird, verglichen wird, und Aktualisieren eines Kalibrierwerts basierend auf dem Vergleich, wobei der Kalibrierwert dazu verwendet wird, den ersten Biasstrom gegenüber dem zweiten Biasstrom zu kalibrieren; und nach dem Aktualisieren des Kalibrierwerts Bewirken, dass die Biasschaltung in den Schlafzustand eintritt.
In einer Ausführungsform, umfasst das Beenden des Schlafzustands nach dem ersten vorgegebenen Zeitintervall außerdem das Einschalten eines sekundären Vorverstärkers einer Reglerschaltung der Biasschaltung. Das Beenden des Schlafzustands nach dem ersten vorgegebenen Zeitintervall kann außerdem das Einschalten der Konstant-Transkonduktanz-Verstärkerschaltung umfassen, während die Bandabstand-Biasschaltung abgeschaltet bleibt.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren außerdem das i Einschalten eines primären Vorverstärkers der Reglerschaltung, um zu bewirken, dass die Reglerschaltung die geregelte Spannung ausgibt. In einem aktiven Modus einer integrierten Schaltung, die die Biasschaltung enthält, kann das Verfahren außerdem das Beenden des Schlafzustands und das Einschalten der Konstant-Transkonduktanz-Verstärkerschaltung, der Bandabstand-Biasschaltung und eines ersten Vorverstärkers der Reglerschaltung umfassen. Das Aktualisieren des Kalibrierwerts umfasst das Speichern, in einem Speicher, einer Steuereinstellung für ein Widerstandselement, das mit einem Stromspiegel der Konstant-Transkonduktanz-Verstärkerschaltung verbunden ist, um einen Widerstand des Widerstandselements einzustellen.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren außerdem das Feststellen einer Temperatur basierend auf dem Kalibrierwert und das Aktualisieren einer oder mehrerer Vorrichtungseigenschaften der integrierten Schaltung, die die auf ihr befindliche Biasschaltung einschließt. Es ist zu bemerken, dass in einem Beispiel zur Steuerung der Biasschaltung eine Zustandsmaschine verwendet werden kann.
Eine weiteres Beispiel betrifft eine integrierte Schaltung, die Folgendes umfasst: mehrere Clientschaltungen, wobei wenigstens einige der mehreren Clientschaltungen dafür vorgesehen sind, ein Biassignal zu empfangen; und eine Biasschaltung, um mehrere Biassignale zu erzeugen und wenigstens einige der mehreren Biassignale an eine oder mehrere der mehreren Clientschaltungen zu liefern. In einem Beispiel umfasst die Biasschaltung Folgendes: eine Bereit-Schaltung, um anzuzeigen, wann eine Versorgungsspannung ausreichend ist, um die Biasschaltung zu betreiben; einen Spannungsregler, der mit der Bereit-Schaltung verbunden ist, um eine geregelte Spannung auszugeben; eine erste Biasschaltung, um einen ersten Biasstrom zu erzeugen; eine zweite Biasschaltung, um einen zweiten Biasstrom zu erzeugen; und eine Ausgabeschaltung, um den ersten Biasstrom und/oder den zweiten Biasstrom zu empfangen und daraus die mehreren Biassignale zu erzeugen, wobei die erste Biasschaltung, die zweite Biasschaltung und die Ausgabeschaltung dafür vorgesehen sind, unter Verwendung der geregelten Spannung zu arbeiten.
Der Spannungsregler, die erste Biasschaltung und die zweite Biasschaltung sind dafür vorgesehen, in einem Arbeitszyklusmodus zu arbeiten. In einem Beispiel umfasst die Bereit-Schaltung einen Komparator, der Folgendes umfasst: einen ersten Eingangsanschluss, um eine erste Spannung zu empfangen, die auf einem Proportional-zu-Absolut-Temperatur (proportional to absolute temperature, PTAT) Strom basiert, wobei der PTAT-Strom über eine CMOS-Stromgeneratorschaltung erzeugt wird, die mehrere CMOS-Stromspiegel hat; einen zweiten Eingangsanschluss, um eine Referenzspannung zu empfangen, die einem vorgegebenen Teil der Versorgungsspannung entspricht; und eine Vergleichsschaltung, um eine erste Spannung, die auf dem PTAT-Strom basiert, mit der Referenzspannung zu vergleichen und einen Vergleichswert auszugeben; und eine Verzögerungsschaltung, um den Vergleichswert zu empfangen und ein Bereit-Signal an den Spannungsregler auszugeben, und zwar nach einer Schwellwertperiode nachdem die erste Spannung die Referenzspannung übersteigt.
Die integrierte Schaltung kann außerdem eine Kalibrierschaltung umfassen, um den ersten Biasstrom mit dem zweiten Biasstrom zu vergleichen und daraus einen Kalibrierwert zu erzeugen, wobei der Kalibrierwert dafür vorgesehen ist, einen einstellbaren Widerstand einzustellen, der mit einem Stromspiegel der zweiten Biasschaltung verbunden ist.
In einem Beispiel umfasst der Spannungsregler Folgendes: einen ersten Vorverstärker, der dafür vorgesehen ist, auf einem ersten Energieverbrauchsniveau zu arbeiten; und einen zweiten Vorverstärker, der dafür vorgesehen ist, auf einem zweiten Energieverbrauchsniveau zu arbeiten, wobei das zweite Energieverbrauchsniveau niedriger ist als das erste Energieverbrauchsniveau.
Figurenliste

1 stellt ein Blockdiagramm einer nicht beanspruchten Biasschaltung auf hoher Abstraktionsebene dar.
Die 2 und 2-1 stellen ein Blockdiagramm dar, dass weitere Details einer Biasschaltung umfasst.
3 stellt ein schematisches Diagramm dar, das noch weitere Details einer Bereit-Schaltung umfasst.
4 stellt ein schematisches Diagramm mit weiteren Details einer Spannungsreglerschaltung dar.
Die 5 und 5-1 stellen ein schematisches Diagramm mit weiteren Details zusätzlicher Schaltungen innerhalb einer Biasschaltung dar.
6 stellt ein Flussdiagramm eines Verfahrens für den Betrieb einer Biasschaltung, wie etwa der in den 1 und 2 gezeigten Schaltung, dar.
7 stellt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern einer Biasschaltung in einem Arbeitszyklusmodus gemäß einer Ausführungsform dar.
8 stellt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern einer Biasschaltung in einem Arbeitszyklusmodus gemäß einer weiteren Ausführungsform dar.
9 stellt ein Blockdiagramm einer nicht beanspruchten integrierten Schaltung dar.

Detaillierte Beschreibung
Mit Bezug auf 1 wird ein Blockdiagramm einer nicht beanspruchten Biasschaltung auf hoher Abstraktionsebene gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Wie in der Darstellung in 1 gezeigt, kann die Biasschaltung 10 einen hochgenauen Generator niedriger Leistung für Biasquellen bereitstellen, zur Verwendung in unterschiedlichen Clientschaltungsblöcken eines gegebenen IC, wie etwa einer Mikrokontrollereinheit (MCU) oder einem anderen IC, das eine MCU oder eine andere Kontrollerschaltung umfasst. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Biasschaltung 10 dafür verwendet werden, genaue/rauscharme Biasausgaben (beispielsweise Ströme) für Clientschaltungen bereitzustellen. Solche Biasausgaben könne von diesen Schaltungen dafür verwendet werden, eine Vielzahl unterschiedlicher Schaltungstypen, wie etwa Komparatoren, Verstärker etc., mit einem Biassignal zu beaufschlagen und/oder genaue Strom/Spannungsreferenzen zu erzeugen.
Allgemein ist die Biasschaltung 10 dafür eingerichtet, eine Versorgungsspannung Vsupply zu empfangen, die, wenn sie nach dem Einschalten mit einem gegebenen Pegel empfangen wird, ausreicht, um die Biasschaltung 10 so zu betreiben, dass sie fähig ist, mehrere Biasausgaben Biaso - Biasn zu erzeugen. In verschiedenen Ausführungsformen können die Biasausgaben als Spannungen oder Ströme erzeugt werden, in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung und Implementierung.
In der dargestellten Ausführungsform umfasst die Biasschaltung 10 eine Bereit-Schaltung 20, die dafür eingerichtet ist, die Versorgungsspannung Vsupply zu empfangen und ein Bereit-Signal zu erzeugen, das an eine Reglerschaltung 30 geliefert wird, wenn die Versorgungsspannung einen Schwellwertpegel erreicht. Zusätzlich kann die Bereit-Schaltung 20 einen Referenzwert erzeugen, der in einer Ausführungsform als ein Proportional-zu-Absolut-Temperatur-Strom (proportional to absolute temperature current, Iptat) implementiert ist. Dieser Referenzwert kann dazu verwendet werden, innerhalb der Reglerschaltung 30 eine Referenzspannung zu erzeugen während die Schaltung sich im Einschaltmodus befindet, bevor von einer empfangenen Biasausgabe von der Biasschaltung 10 eine zuverlässigere Referenzspannung erzeugt werden kann.
In einer Ausführungsform kann die Reglerschaltung 30 als ein chipinterner Low-Drop (LDO) Regler implementiert werden, um für verschiedene Komponenten der Biasschaltung 10 eine geregelte Spannung Vreg bereitzustellen. In der dargestellten Ausführungsform erzeugt die Reglerschaltung 30 Vreg und liefert sie an mehrere Ziele, die eine Bandabstand-Biasschaltung 40, eine Konstant-Transkonduktanz-Verstärker (Gm) Schaltung 50 und eine Ausgabeschaltung 80 umfassen.
In der dargestellten Ausführungsform kann die Bandabstand-Biasschaltung 40 dafür eingerichtet werden, einen ausgehenden Bandabstand-Biasstrom (Ibgr) zu erzeugen, der an eine Auswahlschaltung 70 geliefert wird. Es ist zu bemerken, dass der Bandabstandstrom durch das Anlegen einer Bandabstandspannung (die eine temperaturunabhängige Spannung ist) an einen Widerstand Rx erzeugt werden kann. Anschließend kann die Bandabstandspannung wiederhergestellt werden, indem der Bandabstandstrom durch einen Widerstand gleitet wird, der vorzugsweise eine zu Rx identische Temperaturkompensation hat. In einer Ausführungsform kann die Auswahlschaltung 70 als ein Schalter implementiert sein. Wie außerdem dargestellt, kann die Konstant-Gm-Schaltung 50 auch einen Ausgangs-Gm-Biasstrom (Igmc) erzeugen. Diese Ströme werden auch in einer Rückkopplung auf eine Kalibrierschaltung 60 gegeben. Wie in diesem Dokument noch beschrieben wird, kann die Kalibrierschaltung 60 dafür eingerichtet sein, den von der Konstant-Gm-Schaltung 50 erzeugten Gm-Biasstrom mit dem von der Bandabstand-Biasschaltung 40 erzeugten Bandabstand-Biasstrom erfindungsgemäß periodisch zu vergleichen, um den Gm-Biasstrom am genaueren Bandabstand-Biasstrom zu kalibrieren. Dies ist der Fall, da in bestimmten Beispielen die Konstant-Gm-Schaltung 50 dafür eingerichtet werden kann, auf einem niedrigeren Leistungsniveau zu arbeiten als die Bandabstand-Biasschaltung 40. Dabei gilt, dass während bestimmter Leerlaufzeiten eines IC oder einer anderen Vorrichtung, wobei die Biasschaltung 10 eingeschlossen ist, die Bandabstand-Biasschaltung 40 in einen Niedrigverbrauchmodus oder Schlafmodus gebracht werden kann und der von der Konstant-Gm-Schaltung 50 erzeugte Biasstrom selektiv an eine Ausgabeschaltung 80 geliefert werden kann.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Ausgabeschaltung 80 durch einen oder mehrere Stromspiegel ausgeführt sein, um mehrere Biasausgaben, Biaso - Bias_n, zu erzeugen. In einigen Fällen kann wenigstens eine dieser Ausgaben als eine Rückkopplungseingabe Bias_x an die Reglerschaltung 30 geliefert werden, um dafür eingesetzt zu werden, eine Referenzspannung zur Verwendung bei der Regelung der Ausgangsspannung der Reglerschaltung 30 zu erzeugen.
Wie außerdem in 1 dargestellt, kann ein Kontroller 90 die ganze Steuerlogik oder ein Teil von ihr sein oder er kann eine unabhängige Logik innerhalb einer MCU sein. Der Kontroller 90 ist dafür eingerichtet, die verschiedenen Komponenten der Biasschaltung 10 zu steuern. Beispielsweise können, wenn zugrundeliegende Clientschaltungen inaktiv sind oder auf andere Weise keinen Bedarf für einen oder mehrere gegebene Biasausgaben haben, wenigstens einige Teile der Biasschaltung 10 ausgeschaltet werden. Außerdem gilt, dass wenn die gesamte Schaltung in einem Niedrigverbrauchzustand ist, wie etwa eine Messvorrichtung oder eine andere Erfassungsvorrichtung, die so arbeitet, dass sie periodisch Messungen ausführt, einige oder alle von den Biasausgaben so gesteuert werden können, dass sie aktiv bleiben, wobei Teile der Komponenten der Biasschaltung 10 verwendet werden. Somit kann der Kontroller 90 gegebenenfalls Steuersignale an eine oder mehrere Komponenten der Biasschaltung 10 senden (zur vereinfachten Darstellung in 1 nicht dargestellt), um basierend auf dem Gesamtzustand der Schaltung Leistungszustände der Komponenten zu steuern. Es ist zu bemerken, dass in einigen Fällen der Kontroller 90 dafür eingerichtet sein kann, Anweisungen auszuführen, die in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert sind, um den Biasstrom zu steuern. In anderen Fällen kann der Kontroller 90 als eine festverdrahtete Zustandsmaschine implementiert sein, um einen niedrigeren Stromverbrauch zu erreichen, da eine Haupt-CPU in einem Schlafzustand sein kann während eine Auffrischung und Kalibrierung ausgeführt wird, um eine robustere Lösung bereitzustellen. Es versteht sich, dass obgleich die Darstellung der Ausführungsform in 1 auf dieser hohen Abstraktionsebene gegeben wurde, viele Varianten und Alternativen möglich sind.
Jetzt mit Bezug auf die 2 und 2-1 ist ein Blockdiagramm dargestellt, das weitere Details einer Biasschaltung umfasst. In 2 ist die Biasschaltung 10 mit einigen schematischen Details der einzelnen Schaltungsblöcke dargestellt. Wie dargestellt, ist eine Bereit-Schaltung 100 mit einer Reglerschaltung 200 verbunden, die ihrerseits dafür eingerichtet ist, eine geregelte Spannung Vreg zu erzeugen. Wie zu sehen, wird die geregelte Spannung als eine Versorgungsspannung an eine Bandabstand-Kernschaltung 300 und eine Konstant-Gm-Schaltung 400 wie auch an eine Ausgabeschaltung 600 geliefert. Es ist zu bemerken, dass der von der Konstant-Gm-Schaltung 400 ausgegebene Strom stark mit der Temperatur variiert. Daher kann die Konstant-Gm-Schaltung 400 gegebenenfalls in regelmäßigen Abständen gegenüber der Bandabstand-Kernschaltung 300 kalibriert werden. Die Bandabstand-Kernschaltung 300, die Konstant-Gm-Schaltung 400 und die Reglerschaltung 200 können dafür eingerichtet sein, in einem erfindungsgemäßen Arbeitszyklus (ON/OFF) Modus zu arbeiten, um einen sehr geringen Stromverbrauch zu erreichen, insbesondere wenn diese in einem batterie-betriebenen IC implementiert werden. Hierfür wird Ladung in einem oder mehreren Abtast-Halte (sample and hold, S/H) Kondensatoren gehalten, die parallel zwischen Gate- und Source-Anschlüssen von Ausgangstransistoren der Ausgabeschaltung 600 geschaltet sind, um an Clientblöcke kontinuierliche Biasströme zu liefern, und dies auch während OFF-Perioden. Alternativ sind keine expliziten S/H-Kondensatoren vorhanden, da die Ladung in internen Gate-Source-Kapazitäten in vielen PMOS-Vorrichtungen in parallel gehalten werden kann.
Wie außerdem dargestellt, kann ein Ausgewählter von den in der Bandabstand-Kernschaltung 300 und der Konstant-Gm-Schaltung 400 erzeugten Strömen über einen Schalter SW31 an eine intermediäre Ausgabeschaltung 500 geliefert werden, die ihrerseits einen intermediären Strom an die Ausgabeschaltung 600 liefert, die wiederum mehrere Biasströme I_bias1 - I_biasN erzeugt. Durch den Schalter SW31 wird Strom entweder von der Bandabstand-Kernschaltung 300 (die für Rauscharmut/hohe Genauigkeit eingerichtet sein kann) oder der Konstant-Gm-Schaltung 400 (die dafür eingerichtet sein kann, einen sehr niedrigen Stromverbrauch/schnellen Einschaltvorgang zu haben) an die intermediäre Schaltung 500 geliefert. Diese Biasströme können an verschiedene Schaltungen geliefert werden, wie etwa Komparatoren, Verstärker und/oder Schaltungen zum Erzeugen von Spannungs- und Stromreferenzen innerhalb von Clientschaltungen einer Vorrichtung. Zusätzlich kann wenigstens einer der Biasströme als ein Rückkopplungs-Biasstrom an die Reglerschaltung 200 geliefert werden, wie nachfolgend in diesem Dokument beschrieben wird.
Wie in 2 noch detaillierter dargestellt, ist die Bereit-Schaltung 100 dafür eingerichtet, ein Bereit-Signal, Bias_rdy, zu erzeugen, wenn ein ausreichender Versorgungsspannungspegel erreicht ist, so dass ein korrekter Betrieb der Biasschaltung 10 realisiert werden kann. Genauer umfasst die Bereit-Schaltung 100 mehrere Stromquellen I₁ - I₃, von denen jede dafür eingerichtet ist, einen unabhängigen PTAT-Strom, Iptat, zu erzeugen. Es ist zu bemerken, dass die Stromquelle I₁ einen PTAT-Strom als einen anfänglichen Referenzwert zur Verwendung durch die Reglerschaltung 200 bereitstellt. Die Stromquelle I₂ ist ihrerseits mit einem Source-Anschluss eines ersten Bipolartransistors PNP1 verbunden, der einen Gate-Anschluss hat, der mit einem Referenzspannungsknoten verbunden ist (beispielsweise einem Massepegel), sowie einen Drain-Anschluss, der mit einer Substratmasse verbunden ist. Der Source-Anschluss des Transistors PNP1 ist außerdem mit einem Widerstand R5 verbunden, der in Reihe mit einem weiteren Widerstand R6 geschaltet ist. Zusätzlich ist ein Widerstand R7 zwischen einem Widerstandsmittelknoten N1 und einer dritten Stromquelle I₃ geschaltet.
Wie außerdem in 2 dargestellt, sind die Stromquelle I₃ und der Widerstand R7 an einen ersten Eingangsanschluss eines Komparators 110 angeschlossen, der in einer Ausführungsform als ein Schmitt-Trigger oder Hysteresekomparator implementiert sein kann. Außerdem ist ein zweiter Eingangsanschluss des Komparators 110 mit einem Widerstandsmittelknoten N2 verbunden, der zwischen Widerständen R1 und R2 liegt. Im Betrieb ist der Komparator 110 dafür eingerichtet, eine positive Ausgabe zu erzeugen, wenn die Versorgungsspannung Vdd einen Referenzwert übersteigt. Wenn sie dies tut, erzeugt der Komparator 110 einen positiven Ausgabeindikator, der von einer Verzögerungsschaltung 120 verzögert wird, um eine zusätzliche Verzögerungsmessung bereitzustellen, bevor das Bereit-Signal, Bias_rdy, ausgegeben wird, das anzeigt, das die Versorgungsspannung einen ausreichenden Pegel zur geeigneten Versorgung der Biasschaltung 10 hat.
Somit ist die Bereit-Schaltung 100 dafür eingerichtet anzuzeigen, wann die Versorgungsspannung hoch genug ist, damit die Biasschaltung 10 sicher innerhalb der spezifizierten Grenzen arbeiten kann. Es ist zu bemerken, dass in einigen Ausführungsformen die Bereit-Schaltung 100 außerdem die Ausgabe der Reglerschaltung 200 erfassen kann, derart, dass die Ausgabe des Komparators 110 nur dann auf HIGH geht, wenn sowohl die externe Versorgung Vdd als auch die interne Versorgung Vreg oberhalb vorgegebener Schwellwerte liegen. In diesem Fall kann eine UND-Funktion implementiert werden, wobei als ein Beispiel eine Ausgabe eines weiteren Komparators verwendet wird, der detektiert, wann die geregelte Versorgungsspannung einen NMOS-Vorrichtungsschwellwert übersteigt.
Mit dem in 2 dargestellten Aufbau stellt die Bereit-Schaltung 100 eine zweite Schaltungsfunktion zum Erzeugen einer Hochfahr-Referenz für die Reglerschaltung 200 bereit, die während einer Einschaltsequenz eines IC verwendet wird, bevor ein genauerer Referenzstrom verfügbar ist.
Die Bereit-Schaltung 100 kann somit eine sehr genaue Bias-Bereit-Schwellwertdetektion ausführen. Es ist ebenfalls zu bemerken, dass die untere Grenze eines Bias-Bereit-Schwellwerts die minimale Versorgungsspannung festlegt, für die vorgesehen ist, dass Schaltungen wie Spannungsabfall (Brownout) Detektoren voll funktionsfähig sind. Somit legt eine obere Grenze des Bias-Bereit-Schwellwerts die minimale hochfahrfähige Versorgungsspannung für das System fest. In einer Ausführungsform kann ein Aufbau darauf abzielen, die kleinstmögliche Differenz zwischen der oberen und unteren Grenze für den Schwellwert gegenüber Temperatur- und Prozessschwankungen zu haben. Zusätzlich kann ein gegebener Aufbau den Schwellwert so nahe wie möglich an den minimalen Batterie/Versorgungsspannungspeget und/oder einen etwaigen Schwellwert eines Spannungsabfalldetektors einstellen.
Es ist zu bemerken, dass ein Referenz-Trimmen für den Komparator 110 während des Hochfahrens des IC nicht verfügbar ist, da während Hochfahrvorgängen ein Trimmcode von einem nichtflüchtigen Speicher nicht verfügbar ist und die Referenz dafür ausgelegt ist, gegenüber der Versorgung, dem Prozess und der Temperatur eine geringe Schwankung zu haben. Trotzdem stellen Beispiele eine sehr genaue Schwellwertdetektion bereit, ohne dafür eine Schaltung vom Bandabstandtyp zu verwenden, was typischerweise ein Array von Bipolartransistoren für eine genaue Referenzerzeugung erfordert.
Mit Bezug auf die Reglerschaltung 200 gilt, dass eine eng gesteuerte geregelte Spannung Vreg über einen als Sourcefolger konfigurierten n-Kanal MetallOxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET oder NMOS) MN11 ausgegeben wird. In einer Ausführungsform kann dieser Transistor ein nativer (natürlicher) MOSFET sein, der eine Schwellwertspannung (Vt) von in etwa 0V hat, um einen verbesserten Headroom bereitzustellen. Ein nativer Transistor (oder manchmal natürlicher Transistor) ist eine MOSFET-Variante, die zwischen einem Verarmungstyp und einem Anreicherungstyp liegt. Für eine enge Steuerung der Ausgangsspannung wird der MOSFET MN11 durch einen Verstärker 210 gate-gesteuert, von dem Details weiter unten beschrieben werden. Wie dargestellt, erhält der Verstärker 210 an einem zweiten Eingangsanschluss die geregelte Spannungsausgabe in einer Rückkopplung und an einem ersten Eingangsanschluss ein Referenzsignal, das mit einem Referenzspannungsknoten Vref verbunden ist, der selektiv mittels eines Schalters SW10 bereitgestellt wird, um entweder durch eine Spannung gegeben zu sein, die unter Verwendung des PTAT-Stroms von der Stromquelle I₁ der Bereit-Schaltung 100 erzeugt wird, oder durch eine genauere Referenzspannung, die durch einen Biasstrom erhalten wird, der von der Ausgabespiegelschaltung 600 erzeugt wird. Wie dargestellt, steuert das Bereit-Signal die Schalter SW10 und SW11, um zu bewirken, dass eine geeignete Referenz an den Verstärker 210 geliefert wird bzw. dass ein geeignetes Signal auf den Gate-Anschluss des MOSFET MN11 geschaltet wird. Wie außerdem in 2 dargestellt, ist ein Widerstand R12 zwischen einer Hochfahr-Referenzleitung und dem Source-Anschluss eines Bipolartransistors PNP10 geschaltet, wobei letzterer einen Gate-Anschluss hat, der mit einem Referenzspannungsknoten (beispielsweise einem Massepegel) verbunden ist, und einen Drain-Anschluss, der mit einer Substratmasse verbunden ist. Zusätzlich ist ein Widerstand R11, der in einer Ausführungsform ein einstellbarer (beispielsweise trimmbarer) Widerstand sein kann, mit dem Referenzspannungsknoten verbunden.
Weiter mit Bezug auf 2 und in dieser abstrakten Darstellung, ist die Bandabstand-Kernschaltung 300 als eine Stromquelle I₄ dargestellt, um einen Bandabstandstrom Ibgr zu erzeugen. Dabei wird die Konstant-Gm-Schaltung 400 ebenfalls als eine Stromquelle I₅ dargestellt, um einen Gm-Strom Igmc zu erzeugen. Weiter wird ein ausgewählter von diesen Strömen über einen Schalter SW31 an die intermediäre Ausgabeschaltung 500 geleitet. In der dargestellten Ausführungsform ist die intermediäre Ausgabeschaltung 500 als ein NMOS-Stromspiegel mit parallelen MOSFETs MN51 und MN52 implementiert, die gemeinsam angeschlossene Gate- und Source-Anschlüsse haben und die in einer Stromquellen-Konfiguration geschaltet sind, um einen Ausgangsstrom I_int an die Ausgabeschaltung 600 zu liefern. Falls vorhanden, sind zusätzliche MOSFETs im NMOS-Spiegel an mehrfache Instanzen der Ausgabespiegelschaltung 600 angeschlossen. Mehrfache Instanzen der Ausgabespiegelschaltung 600 können vorteilhaft sein, beispielsweise zur Verringerung von Interferenzen zwischen Client-Biasströmen, wenn Client-Blockströme ON (an) und OFF (aus) geschaltet werden. Weitere Vorteile von mehrfachen Instanzen umfassen die Fähigkeit, den Ausgabespiegel für unterschiedliche Biasstromwerte zu optimieren, da einige gegebenenfalls unterschiedliche Größen von Biasströmen liefern. Einige Ausgabespiegelinstanzen können zusätzliche Trimmbits haben, um die Biasstromgenauigkeit weiter zu verbessern.
Schließlich mit Bezug auf 2, stellt die Ausgabeschaltung 600 einen CMOS-basierten Stromspiegel bereit, der mehrere p-Kanal MOSFETs (oder PMOS) Transistoren MP61 - MP6N umfasst. Es ist zu bemerken, dass von den mit dem Ausgang verbundenen Transistoren MP62 - MP6N jeder dafür eingerichtet ist, einen Biasstrom I_bias1 - I_biasN bereitzustellen. Diese PMOS-Vorrichtungen können verschieden dimensioniert sein, um unterschiedliche Stromwerte bereitzustellen, beispielsweise durch parallele Kombinationen von mehreren identischen Transistoreinheiten, um eine optimale Stromanpassung sicherzustellen. Es ist zu bemerken, dass die Ausgabespiegelschaltung 600 eine Abtast-Halte-Konfiguration vorsieht, derart, dass eine Ladung in Abtast/Halte (sample/hold, S/H) Kondensatoren Csh1 - Csh2 gespeichert verbleiben kann, die so gesteuert werden, dass sie selektiv mit den zugehörigen Gate-Anschlüssen der PMOS-Transistoren verbunden sind (wenn die Schalter SW_sh1 - SW_sh2 offen sind). Andererseits werden diese Kondensatoren geladen oder aufgefrischt, wenn die Schalter geschlossen sind. In anderen Fällen kann diese S/H-Funktion unter Verwendung eines einzelnen Schalters und Kondensators implementiert werden. Es versteht sich, dass obgleich die Darstellung der Ausführungsform in 2 auf dieser hohen Abstraktionsebene gegeben wurde, viele Varianten und Alternativen möglich sind.
Jetzt mit Bezug auf 3 ist ein schematisches Diagramm dargestellt, das noch weitere Details einer Bereit-Schaltung gemäß einer Ausführungsform darstellt. Wie in 3 dargestellt, ist die Bereit-Schaltung 100 allgemein so aufgebaut wie obenstehend mit Bezug auf die Bereit-Schaltung 100 in 2 beschrieben. Es sind jedoch Details in Bezug auf die Stromquellen I₂ und I₃ dargestellt. Hier ist die Stromquelle I₂ mittels eines MOSFET MP4 implementiert, der einen Gate-Anschluss hat, der gemeinsam an den Ausgang einer Stromerzeugungsschaltung 125 angeschlossen ist, und einen Drain-Anschluss, der mit dem Widerstand R5 und dem Source-Anschluss des Bipolartransistors PNP1 verbunden ist. Analog wird die Stromquelle I₃ durch den MOSFET MP3 repräsentiert, der einen Gate-Anschluss hat, der gemeinsam mit einem Ausgang der Stromerzeugungsschaltung 125 verbunden ist, und der einen Drain-Anschluss hat, der mit dem Referenzspannungsknoten verbunden ist.
Nicht abgebildet für eine vereinfachte Darstellung ist ein weiterer PMOS-Transistor, der die Stromquelle I₁ als ein Referenzsignal zum Hochfahren an die Reglerschaltung 200 liefert. Wie im Aufbau in 3 dargestellt, gilt somit, dass ein Strom in einen Aufbau mit einem einzelnen Bipolartransistor und Widerstand gespeist wird, wodurch sich eine sehr geringe Schwankung der Komparatorreferenz gegenüber dem Prozess und der Temperatur ergibt, und dies mit einer erheblich verringerten Flächen- und Schaltungskomplexität.
Wie in 3 dargestellt, wird die Referenzspannung Vref für den Komparator 110 unter Verwendung eines CMOS-transistorbasierten PTAT-Stroms von der Stromerzeugungsschaltung 125 erzeugt. Wie bereits beschrieben, umfasst die Stromerzeugungsschaltung 125 CMOS-basierte Stromspiegel, die diodenverbundene MOSFETs MN1 und MP2 und zusätzliche MOSFETs MP1 und MN2 umfassen. Die MOSFETs MP1 und MP2 haben gemeinsam angeschlossene Gate-Anschlüsse und Source-Anschlüsse sowie Drain-Anschlüsse, die mit den Drain-Anschlüssen der MOSFETs MN1 und MN2 verbunden sind, die ebenfalls gemeinsam angeschlossene Gate-Anschlüsse und Source-Anschlüsse haben. In einer Ausführungsform können die MOSFETs MN1 und MN2 verschieden dimensioniert sein, mit einem Verhältnis 1:N. Genauer ist MN2 größer dimensioniert als MN1. In verschiedenen Ausführungsformen kann N im Allgemeinen größer oder gleich 4 sein (beispielsweise N=8 oder 16 in einigen Fällen). Außerdem ist ein Widerstand R3 zwischen einem Referenzpegel (beispielsweise Masse) und dem Source-Anschluss des MOSFET MN2 geschaltet.
Da die Stromerzeugungsschaltung 125 in einer Konfiguration mit positiver Rückkopplung ausgeführt ist, um einen geeigneten Betrieb während des Einschaltvorgangs sicherzustellen, ist eine Einschalt-Schaltung 130 mit dem gemeinsam angeschlossenen Gate- und Drain-Anschluss des MOSFET MN1 verbunden. Mit diesen beiden Stromspiegeln in positiver Rückkopplung gibt es zwei Zustände oder Pegel, entweder stromlos oder durch das Ziehen der Gate-Anschlüsse der MOSFETs MN1 und MN2 auf einen höheren Pegel durch das Einspeisen eines Stroms durch die Einschalt-Schaltung 130. Wenn ein geeigneter Strom hergestellt wurde, kann die Einschalt-Schaltung 130 danach abgeschaltet werden.
Jetzt mit Bezug auf 4 ist ein schematisches Diagramm weiterer Details einer Spannungsreglerschaltung dargestellt. Genauer stellt 4 weitere Details der Reglerschaltung 200 dar. Wie dargestellt, ist der Verstärker 210 durch getrennte Vorverstärker 212 und 214 repräsentiert. In einer Ausführungsform können die Vorverstärker 212 und 214 als ein oder mehrere Transkonduktanz-Verstärker implementiert sein, die dafür eingerichtet sind, einen Strom an eine Ausgabevorrichtung auszugeben, die als ein MOSFET MN21 implementiert ist, der als Sourcefolger konfiguriert ist.
Der Vorverstärker 212 („Gm_pA“) ist als ein sekundärer Vorverstärker konfiguriert und er kann derart eingerichtet sein, dass er einen Strom in der Größenordnung von einigen Mikroampere (µA) verbraucht. Der Vorverstärker 212 ist dafür eingerichtet, ein hohes PSRR und einen schnellen Einschaltvorgang für einen Arbeitszyklusmodus zu haben. In Ausführungsformen ist der Vorverstärker 212 dafür eingerichtet, nur für kurze Zeitspannen ON zu sein, um die Ladung in allen S/H-Kondensatoren aufzufüllen/aufzufrischen, um dadurch alle ausgehenden Biasströme genau zu halten.
Der Vorverstärker 214 („Gm_nA“) ist als ein primärer Vorverstärker eingerichtet und er kann derart eingerichtet sein, dass er einen Strom in der Größenordnung von einigen Nanoampere (nA) verbraucht. Der Vorverstärker 214 ist für eine Hauptfunktion eingerichtet, um die Versorgungsspannung für die Ausgabespiegel aufrechtzuerhalten, so dass die Biasströme für die Clientblöcke ununterbrochen sein können. In Ausführungsformen ist der Vorverstärker 214 dafür eingerichtet immer ON zu sein, um ein gutes PSRR und eine gute Lastregelung bereitzustellen, wenn die Konstant-Gm-Schaltung und/oder BGR-Kernschaltung auf ON schaltet.
Der Referenzeingang, der mit ersten Eingangsanschlüssen der Vorverstärker 212 und 214 verbunden ist, wird unter der Steuerung eines Schalters SW20 (der selbst durch das Bias_rdy Signal gesteuert wird) selektiv so bereitgestellt, dass er entweder das Hochfahr-Referenzsignal ist, das vom PTAT-Strom (Iptat) erzeugt wird, der von der Bereit-Schaltung empfangen wird, oder der genauere Referenzspannungspegel, der von einer Biasausgabe (Ivbgr) der Ausgabeschaltung empfangen wird. Es ist außerdem zu bemerken, dass ein Referenzkondensator Cref mit diesen Eingangsanschlüssen verbunden ist. Die zweiten Eingangsanschlüsse der Vorverstärker 212 und 214 sind dafür angeschlossen, die geregelte Spannungsausgabe von der Reglerschaltung 200 zu empfangen.
Wie außerdem dargestellt, steuert das Bias_rdy Signal ebenfalls einen Schalter SW21, um selektiv die Ausgabe der Vorverstärker 212 und 214 oder das Hochfahr-Referenzsignal an den Gate-Anschluss des MOSFET MN21 zu liefern, der als eine Ausgabevorrichtung arbeitet. Wie außerdem dargestellt, ist auch ein Kopplungskondensator Cc mit diesem Anschluss verbunden. Die Hochfahr-Referenz, die vom PTAT-Strom erhalten wird, der von der Bereit-Schaltung empfangen wird, ist weniger genau und ihre Hauptfunktion ist es, einen erfolgreichen Einschaltvorgang (Hochfahren) der Biasschaltung sicherzustellen bevor Biasströme für die Vorverstärker und für eine genaue Referenzspannungserzeugung verfügbar sind. Wie in 4 dargestellt gilt, dass wenn dies durch die durch Bias_rdy gesteuerten Schalter SW20 und SW21 ausgewählt ist, die Hochfahr-Referenz direkt mit dem Gate-Anschluss des Sourcefolger-Transistors MN21 verbunden ist und somit während des Hochfahrens an beiden Vorverstärkern 212 und 214 vorbeigeführt wird. Es ist zu bemerken, dass diese Hochfahr-Referenz durch den CMOS-basierten PTAT-Strom bias-beaufschlagt wird, der von der Bereit-Schaltung 100 empfangen wird, um einen kleinen Referenzdrift gegenüber der Temperatur zu erreichen.
Nach dem erfolgreichen Hochfahren der Bandabstand/Biasschaltungen, was durch Bias_rdy angezeigt wird, schalten die Schalter SW21 und SW22 die Auswahl von dieser Hochfahr-Referenz auf eine genauere Referenz Vref um und sie schalten auch die Eingabe auf den Gate-Anschluss der Ausgabevorrichtung MN21 derart, dass er mit dem Ausgang der Vorverstärker 212 und 214 verbunden ist. Es ist zu bemerken, dass die Vref-Referenz genauer ist und dass sie auch einen ausgezeichneten Versorgungsspannungsdurchgriff (power supply rejection ratio, PSRR) hat, da der Referenzstrom von einer Schaltung abgeleitet wird, die durch die geregelte Versorgungsspannung Vreg versorgt wird.
Genauer gilt, dass obgleich es die Hauptfunktion der Reglerschaltung 200 ist, ein hohes PSRR und eine ausgezeichnete Lastregelung bereitzustellen, wenn die Bandabstand-Kernschaltung 300 und/oder die Konstant-Gm-Schaltung 400 eingeschaltet sind (ON-Modus), die Reglerschaltung 200 auch eine Versorgungsspannung für Ausgabespiegel bereitstellt, wenn die Bandabstand-Kernschaltung 300 oder die Konstant-Gm-Schaltung 400 abgeschaltet sind (OFF-Modus), da die Ausgabe-Stromspiegel dafür vorgesehen sind, auch im OFF-Modus immer noch Strom an wenigstens einige Schaltungsblöcke der Vorrichtung zu liefern. Es ist zu bemerken, dass in diesem OFF-Modus die Ausgabespiegel in einem HOLD-Modus sind und die Gate-Ladung in Abtastkondensatoren gehalten wird, wie in diesem Dokument beschrieben ist. Es ist zu bemerken, dass Vref auch mit einem Arbeitszyklus betrieben wird, um den Stromverbrauch zu verringern. Wenn Vref mit einem Arbeitszyklus betrieben wird (abtast-halte), kann der Strom Ibgr ON und OFF geschaltet werden und die Ladung wird während der OFF-Perioden in einem Kondensator Cref gehalten. Dabei verbindet ein zugehöriger S/H-Schalter Cref mit Vref, um die Ladung während des ON-Modus wieder aufzufüllen. Der S/H-Schalter kann beispielsweise zwischen dem Schalter SW20 und dem Kondensator Cref (in Reihe mit dem Schalter SW20) geschaltet sein. Die geregelte Versorgungsspannung Vreg kann immer vorhanden sein, während ein IC, das die Biasschaltung 10 enthält, an ist und wenigstens Teile der Reglerschaltung 200 können mit einem Arbeitszyklus betrieben sein, um den Stromverbrauch zu verringern. Es ist zu bemerken, dass die Referenzspannung, die von einer Biasausgabe der Ausgabespiegelschaltung 600 erzeugt wird, eine Einschaltsequenz komplizieren kann, jedoch kann sie das PSRR und die Referenzspannungsgenauigkeit deutlich verbessern. Es versteht sich, dass obgleich die Darstellung der Ausführungsform in 4 auf dieser hohen Abstraktionsebene gegeben wurde, viele Varianten und Alternativen möglich sind.
Jetzt mit Bezug auf die 5 und 5-1, ist ein schematisches Diagramm weiterer Details von zusätzlichen Schaltungen innerhalb einer Biasschaltung dargestellt. Wie in 5 dargestellt, ist die Bandabstand-Kernschaltung 300 so gezeigt, dass sie mehrere MOSFETs MP31 - MP33 umfasst, die Source-Anschlüsse haben, die alle gemeinsam mit einer Versorgungsspannung verbunden sind (die der geregelten Spannungsausgabe durch die Reglerschaltung 200 entspricht) und die gemeinsam angeschlossene Gate-Anschlüsse haben (die durch die Ausgabe eines Verstärkers 310 angesteuert werden). Wie dargestellt, ist der Drain-Anschluss des MOSFET MP31 mit einem zweiten Eingangsanschluss des Verstärkers 310 verbunden sowie, über einen Trimmwiderstand (R30), der in einer Ausführungsform ein einstellbarer Trimmwiderstand ist, mit einem Bipolartransistor PNP30, der parallel mit einem weiteren Widerstand R33 geschaltet ist. Dabei ist der zweite Eingangsanschluss des Verstärkers 310 mit dem Drain-Anschluss des MOSFET MP32 verbunden, der außerdem mit einem Widerstand R33 verbunden ist, der wiederum in Reihe mit einem Widerstand R32 und einem parallelen Widerstand R31 (der in einer Ausführungsform ein temperatur-trimmbarer Widerstand sein kann) verbunden ist. Der Widerstand R32 ist auch mit einem Source-Anschluss eines Bipolartransistors PNP31 verbunden, der eine andere Dimensionierung als der Bipolartransistor PNP30 haben kann (mit einem relativen Verhältnis von 1:M). Der Drain-Anschluss des MOSFET MP33 stellt den Bandabstand-Biasstrom Ibgr bereit, der, wenn selektiv gesteuert, wie dargestellt selektiv mit einer Kalibrierschaltung 450 oder einem Schalter SW31 zur Ausgabe verbunden ist.
Die Konstant-Gm-Schaltung 400 umfasst CMOS-basierte Stromspiegel, die MOSFETs MN41, MN42, MP44 und MP45 haben. Wie dargestellt, sind diese Stromspiegel mit einem Ausgabe-MOSFET MP46 verbunden, um über dessen Drain-Anschluss den Konstant-Gm-Biasstrom Igmc bereitzustellen, der analog mit der Kalibrierschaltung 450 und dem Schalter SW31 verbunden ist. Wie außerdem in 5 dargestellt, umfasst die Konstant-Gm-Schaltung 400 außerdem eine Einschalt-Schaltung 410, die so arbeiten kann, dass sie nach dem Einschaltvorgang einen Strom einspeist, um den Stromspiegel, mittels der Bereitstellung von Strom an die gemeinsam angeschlossenen Gate- und Drain-Anschlüsse des MOSFET MN41, geeignet zu steuern (um ebenso zu arbeiten, wie es analog obenstehend mit Bezug auf die Einschalt-Schaltung 130 in 3 beschrieben ist).
Während eines Arbeitszyklusmodus können Ausführungsformen (während eines ON-Zyklus) die Konstant-Gm-Schaltung 400 anstatt der Bandabstand-Kernschaltung 300 verwenden (insbesondere, wenn rauscharme Biasströme nicht erforderlich sind), da die Konstant-Gm-Schaltung 400 dafür eingerichtet sein kann, weniger Strom zu verbrauchen und dabei eine kürzere Einschaltzeit zu haben. Ein Nachteil bei der Verwendung der Konstant-Gm-Schaltung 400 ist es jedoch, dass ihr Ausgangsstrom stark temperaturabhängig ist (PTAT-Typ) und somit dieser Strom gegebenenfalls gegenüber der Bandabstand-Kernschaltung 300 zu kalibrieren ist, beispielsweise entsprechend einem periodischen Zeitintervall (das in verschiedenen Ausführungsformen variieren kann).
Jetzt mit Bezug auf die Kalibrierschaltung 450 gilt, dass wenn sie gesteuert wird, um einen Vergleich auszuführen (in Reaktion auf die selektive Steuerung von Schaltern CAL SW1 - CAL SW2), die von den Schaltungen 300 und 400 ausgegebenen Biasströme mit einem Stromspiegel verbunden sind, der durch die MOSFETs M46 und M47 gebildet wird. Dieser Stromspiegel gibt einen Vergleichswert an einen Komparator 460 aus, der einen positiven Wert ausgibt, wenn der Biasstrom von der Konstant-Gm-Schaltung 400 größer ist als der Biasstrom von der Bandabstand-Kernschaltung 300. In einer Implementierung ist die Ausgabe des Komparators 460 invertiert, was bedeutet, dass der Komparator einen positiven Wert ausgibt, wenn der Biasstrom von der Konstant-Gm-Schaltung 400 kleiner ist als der Biasstrom von der Bandabstand-Kernschaltung 300. Wie dargestellt, wird die Ausgabe des Komparators 460 an einen Digitalisierer 475 geleitet, der dafür eingerichtet ist, einen stufenweisen Approximationsalgorithmus auszuführen. In anderen Fällen kann die Signalinversion innerhalb des Digitalisierers 475 ausgeführt werden. In einem Beispiel kann der Digitalisierer als ein stufenweises Approximationsregister implementiert sein, um einen Kalibrierwert zu erzeugen, bei dem es sich um einen N-Bit Kalibrierwert handeln kann, der dazu verwendet wird, einen Kalibrierwiderstand Rcal der Konstant-Gm-Schaltung 400 einzustellen.
Da der Biasstrom der Konstant-Gm-Schaltung 400 direkt proportional zur Chiptemperatur ist (PTAT-Strom) und der Biasstrom der Bandabstand-Kernschaltung 300 annähernd konstant mit der Temperatur ist, ist der N-Bit Kalibrierwert ebenfalls direkt proportional zur absoluten Temperatur. Die N-Bit Kalibrierzahl kann in Grad Celsius konvertiert werden, beispielsweise unter Verwendung der folgenden Formel: Temp = (N_bit_cal - OFFSET) / GAIN + 27, wobei OFFSET und GAIN Konstanten für einen linearen Fit sind. Der Kalibrierwert kann weiter an eine Logik einer MCU geleitet werden, um einen Temperaturindikator bereitzustellen, den die Logik dazu verwenden kann, verschiedene Eigenschaften oder Parameter der Vorrichtung zu aktualisieren. Es ist zu bemerken, dass die Kalibrierung der Konstant-Gm-Schaltung 400 aufgrund von verschiedenen zufälligen Fehlanpassungen, systematischen Fehlern und eines Fehlers aufgrund von endlich kleinen Kalibrierungsschritten nicht unendlich genau ist, woraus eine Differenz (Fehler) zwischen den Biasströmen von der Bandabstand-Kernschaltung 300 (Ivbgr) und der Konstant-Gm-Schaltung 400 (Igmc) resultiert. In Ausführungsformen kann dieser Fehler sehr klein gehalten werden, so dass Clientblöcke unabhängig von der Quelle fast identische Biasströme sehen.
In einer Ausführungsform kann das folgende Verfahren verwendet werden, um einen Konstant-Gm-Kalibrierfehler aufgrund verschiedener wie oben erwähnter Fehlerquellen zu verringern. Als erstes kann eine Kalibrierung unter Verwendung des Digitalisierers 475 ausgeführt werden, um einen Konstant-Gm-Strom zu kalibrieren. Anschließend wird ein Fehler zwischen dem Konstant-Gm-Strom Igmc und dem Bandabstand-Kernstrom Ibgr gemessen. Err_cal = Igmc - Ibgr (idealerweise kann Err_cal Null sein). Aus dem Kalibrierfehler (Err_cal) kann eine aktualisierte Trimmeinstellung berechnet werden, die den Kalibrierfehler auf ein Minimum verringert. Dieser Vorgang kann während eines Herstellungstests ausgeführt werden und die Berechnung kann durch Testausrüstungssoftware ausgeführt werden.
Unter Verwendung des aktualisierten Werts kann die Kalibrierung erneut ausgeführt werden, um zu überprüfen, dass der Fehler auf ein gewünschtes Maß verringert wurde (beispielsweise unter einen Fehlerschwellwert). Falls dies der Fall ist, kann die Trimmeinstellung gespeichert werden, beispielsweise in einem nichtflüchtigen Speicher, und sie kann bei zukünftigen Kalibriervorgängen der Konstant-Gm-Schaltung 400 verwendet werden. Auf diese Weise wird die Kalibriergenauigkeit erhöht, ohne dass die Schaltungskomplexität, Kalibrierbits oder Siliziumfläche signifikant erhöht werden. Es ist zu bemerken, dass die Ausgabe der Kalibrierung selbst (Cal_bus) in einem flüchtigen Speicher (beispielsweise einem Register) gespeichert werden kann, da sie nur für eine gegebene Chiptemperatur gültig ist.
In einem normalen (nicht kalibrier) Modus schalten die Kalibrierschalter CAL SW1 - CAL SW2 die von den Schaltungen 300 und 400 ausgegebenen Biasströme stattdessen auf den Schalter SW31, der einen vorgegebenen von den Biasströmen dafür auswählt, ihn an die intermediäre Schaltung 500 zu leiten.
Jetzt mit Bezug auf 6 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens für den Betrieb einer Biasschaltung, wie etwa der in den 1 und 2 gezeigten Schaltung, dargestellt. Wie dargestellt, beginnt das Verfahren 600 damit, festzustellen, ob eine Versorgungsspannung eine erste Referenzspannung übersteigt (Raute 610). Dieser Vergleich kann in einem Komparator einer Bereit-Schaltung ausgeführt werden, der eine eingehende Versorgungsspannung mit einem Referenzwert vergleicht. Falls festgestellt wird, dass die Versorgungsspannung die Referenzspannung übersteigt (was anzeigt, das eine Versorgungsspannung verfügbar ist, die für einen korrekten Schaltungsbetrieb geeignet ist), geht die Kontrolle zu Block 620, in dem ein Bereit-Indikator gesetzt werden kann. Insbesondere kann der Bereit-Indikator von einer Bereit-Schaltung an einen Spannungsregler gesendet werden.
Weiter mit Bezug auf 6 kann bei Block 630 ein Biasstrom in einer Bandabstand-Kernschaltung und/oder einer Konstant-Gm-Schaltung erzeugt werden. Einer dieser Biasströme kann ausgewählt (Block 640) und an eine Ausgabeschaltung 650 geleitet werden, die ihrerseits aus diesem Biasstrom mehrere Biasausgaben erzeugt (Block 660).
Bei Block 670 kann aus einer der Biasausgaben eine zweite Referenzspannung für die Reglerschaltung erzeugt werden. Nachdem eine Wartedauer gewartet wurde, um es der Schaltung zu gestatten sich einzupendeln (Block 680), kann bei Block 690 die Reglerausgabe auf eine Ausgabevorrichtung geschaltet werden (beispielsweise ein als Sourcefolger konfigurierter Transistor), um es zu gestatten, dass die geregelte Spannung an verschiedene nachgeschaltete Teile der Biasschaltung geliefert wird, wobei dies eine Bandabstand-Biasschaltung, eine Konstant-Gm-Schaltung und eine Ausgabeschaltung einschließt. Es versteht sich, dass obgleich die Darstellung in 6 auf dieser hohen Abstraktionsebene gegeben wurde, der Betrieb einer Biasschaltung andere konstituierende Schritte umfassen kann.
Jetzt mit Bezug auf 7 ist ein Flussdiagramm eines ersten Teils des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern einer Biasschaltung in einem Arbeitszyklusmodus gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Wie in 7 dargestellt, kann das Verfahren 700 dafür eingesetzt werden, verschiedene Komponenten der Biasschaltung aufzuwecken, um Ladungs-Auffrischvorgänge auszuführen, so dass weiterhin geeignete Biasausgaben erzeugt werden können, während ein Großteil der Biasschaltung im Schlafmodus ist. In einigen Ausführungsformen kann ein Kontroller, der mit der Biasschaltung verbunden ist (wie etwa eine MCU oder Steuerlogik), das Verfahren 700 ausführen, um zu bewirken, dass verschiedene Teile der Schaltung eingeschaltet werden, um Vorgänge auszuführen, und anschließend in den Schlafzustand zurückkehren.
Wie dargestellt, beginnt das Verfahren 700 mit dem Beenden eines Schlafzustands der Biasschaltung in einem ersten vorgegebenen Zeitintervall (Block 710). In einer Ausführungsform kann das vorgegebene Zeitintervall in der Größenordnung von etwa einer Millisekunde liegen. Als Teil dieses Beendens kann ein sekundärer Vorverstärker einer Reglerschaltung eingeschaltet werden (Block 720). Beispielhaft kann der sekundäre Vorverstärker ein Gm-µA-Verstärker sein. Bei Block 730 kann eine Konstant-Gm-Schaltung (oder eine Bandabstand-Kernschaltung) eingeschaltet werden, um eine Ladungsspeichervorrichtung einer Ausgabeschaltung (beispielsweise ein oder mehrere Kondensatoren) aufzufrischen. Hierfür wird ein Umschalten des durch eine solche Schaltung erzeugten Biasstroms ausgeführt, um es zu gestatten, dass die Kondensatoren geladen werden. Nach dem Abschluss des Auffrischens der Ladung kann in Block 740 die Ladungsspeichervorrichtung in einen Haltemodus umgeschaltet werden. Anschließend können verschiedene eingeschaltete Komponenten der Biasschaltung, die für das Auffrischen der Ladung eingeschaltet wurden, zurück in einen Schlafzustand versetzt werden (Block 750). Entsprechend kann der Arbeitszyklus-ON-Zustand enden und die Biasschaltung kehrt zurück in den Betrieb in einem OFF-Zustand oder Schlafzustand des Arbeitszyklusmodus.
Jetzt mit Bezug auf 8 ist ein Flussdiagramm eines zweiten Teils des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern einer Biasschaltung in einem Arbeitszyklusmodus gemäß einer weiteren Ausführungsform dargestellt. Wie in 8 dargestellt, kann das Verfahren 800 dafür eingesetzt werden, verschiedene Komponenten der Biasschaltung aufzuwecken, um einen Kalibriervorgang auszuführen, so dass im Arbeitszyklusmodus die Konstant-Gm-Schaltung mit niedrigerer Leistung verwendet werden kann anstatt der Bandabstand-Kernschaltung mit höherem Energieverbrauch. In einigen Ausführungsformen kann ein Kontroller, der mit der Biasschaltung verbunden ist (wie etwa eine MCU oder eine andere Steuerlogik) das Verfahren 800 ausführen, um zu bewirken, dass verschiedene Teile der Schaltung eingeschaltet werden, um Vorgänge auszuführen, und anschließend in den Schlafzustand zurückkehren.
Wie dargestellt, beginnt 8 mit dem Beenden eines Schlafzustands der Biasschaltung in einem zweiten vorgegebenen Zeitintervall (Block 810). Das zweite vorgegebene Zeitintervall kann länger sein als das erste vorgegebene Zeitintervall und es kann beispielsweise zwischen in etwa 0,25 Sekunden und einer Sekunde betragen. Es ist zu bemerken, dass während eines ON-Zustands des Arbeitszyklusmodus in diesem zweiten vorgegebenen Zeitintervall Kalibriervorgänge ausgeführt werden können, um die Konstant-Gm-Schaltung an der Bandabstand-Biasschaltung zu kalibrieren. In diesem Kalibriermodus des ON-Zustands kann ein erster Vorverstärker (beispielsweise der GM-nA) der Reglerschaltung eingeschaltet werden (Block 820). Zusätzlich können sowohl die Bandabstand-Kernschaltung als auch die Konstant-Gm-Schaltung eingeschaltet werden (Blöcke 830 und 840).
Als Nächstes wird in Block 850 der von der Bandabstand-Kernschaltung erzeugte Bandabstand-Biasstrom mit dem von der Konstant-Gm-Schaltung erzeugten Konstant-Gm-Biasstrom verglichen. In einer Ausführungsform kann dieser Vergleich unter Verwendung eines binären Suchalgorithmus ausgeführt werden, beispielsweise unter Verwendung eines stufenweisen Approximationsregisters. In einer anderen Ausführungsform wird der binäre Suchalgorithmus nur während der ersten Kalibrierung nach dem Einschalten des IC verwendet. Alle nachfolgenden Kalibrierungen können durch einfaches Inkrementieren/Dekrementieren des existierenden N-Bit Kalibrierwerts bis Igmc=lbgr erreicht werden, was zu einer schnelleren Kalibrierung führen kann (niedrigerer Stromverbrauch), vorausgesetzt, dass die Chiptemperatur sich zwischen den Kalibrierungen nicht erheblich ändert (beispielsweise mehr als einige Grad), was eine vernünftige Annahme ist.
Als Nächstes kann in Block 860 ein Kalibrierwert, der dafür verwendet wird, den Konstant-Gm-Biasstrom gegenüber dem Bandabstand-Biasstrom zu kalibrieren, basierend auf dem Vergleich aktualisiert werden. Zusätzlich kann der Kalibrierwert, der dazu verwendet wird, einen Kalibrierwiderstand der Konstant-Gm-Schaltung einzustellen, gespeichert werden, beispielsweise zur zukünftigen Verwendung in einem nichtflüchtigen Speicher. Anschließend kann in Block 870 die Biasschaltung in den Schlafzustand versetzt werden. Es versteht sich, dass obgleich die Darstellung der Ausführungsform in 8 auf dieser hohen Abstraktionsebene gegeben wurde, viele Varianten und Alternativen möglich sind.
Es ist außerdem zu bemerken, dass die oben beschriebenen 7 und 8 einen Betrieb in einem Arbeitszyklusmodus repräsentieren, in dem Teile der Schaltkreise der Biasschaltung sogar während der ON-Abschnitte des Arbeitszyklusmodus in einem OFF-Zustand sein können. In anderen Arbeitsmodi, wie etwa einem aktiven Modus, in dem eine MCU oder eine andere Hauptverarbeitungs-Schaltungstechnik des IC sich in einem aktiven Arbeitsmodus befindet, können alle Komponenten der Biasschaltung (mit Ausnahme der Bereit-Schaltung (und der Einschalt-Schaltungen)) eingeschaltet sein.
Jetzt mit Bezug auf 9 ist ein Blockdiagramm einer nicht beanspruchten integrierten Schaltung dargestellt. Wie in 9 dargestellt, kann die integrierte Schaltung 900 die Form eines Mikrokontrollers oder einer anderen solchen Schaltung haben. Wie dargestellt, ist die integrierte Schaltung 900 mit einer Antenne 910 verbunden, die das Aussenden und den Empfang von Hochfrequenz (radio frequency, RF) Signalen in einem oder mehreren Bändern bereitstellen kann (wobei in einigen Fällen mehrere solche Antennen vorhanden sein können).
Dabei ist die Antenne 910 mit einem Funk-Transceiver 920 verbunden, der einen oder mehrere Signalverarbeitungspfade zur Verarbeitung eingehender und ausgehender RF-Signale des einen oder der mehreren Bänder umfassen kann. Außerdem kommuniziert der Funk-Transceiver 920 mit einer MCU 930, die die Hauptverarbeitungs- und Steuerungsschaltung der integrierten Schaltung umfassen kann. Die MCU 930 kommuniziert mit einer zusätzlichen Schaltung, die eine Analogschaltung 940 umfasst, die als eine Schnittstelle zu verschiedenen analogen Komponenten arbeiten kann, wie etwa einer Vielfalt an verschiedenen chip-externen Sensoren, die mit der integrierten Schaltung 900 über einen Satz von I/O-Ports 980 verbunden sein können. In der dargestellten Ausführungsform umfasst die Analogschaltung 940 eine Analog-zu-Digital/Digital-zu-Analog-Schaltung (ADC/DAC) 945 zur Digitalisierung eingehender analoger Signale, die von solchen chip-externen Quellen empfangen werden, und um digitale Information in eine analoge Form zu wandeln, wie etwa Steuerinformation, die zu chip-externen Quellen übertragen werden soll. Ein Satz von Bussystemen 970 kann die verschiedenen Komponenten der integrierten Schaltung verbinden, um eine Kommunikation von Leistungs-, Takt- und Datensignalen bereitzustellen.
Weiter mit Bezug auf 9 umfasst eine Leistungsschaltung 950 einen oder mehrere Spannungsregler 954, um geregelte Spannungen für verschiedene Komponenten der integrierten Schaltung 900 bereitzustellen. Eine Biasschaltung 952, wie in diesem Dokument beschrieben, kann dafür verwendet werden anzuzeigen, wann eine geeignete Versorgungsspannung für den Spannungsregler 954 verfügbar ist. Außerdem kann die Biasschaltung 952 dafür eingerichtet sein, geeignete Biasausgaben für verschiedene Clientschaltungen der integrierten Schaltung 900 bereitzustellen, wobei dies Komponenten innerhalb der Leistungsschaltung 950 und einer Taktsignalschaltung 960 einschließt, die dafür verwendet werden kann, verschiedene Taktsignale zu erzeugen und dabei einen oder mehrere interne Oszillatoren zu verwenden, die solche Biassignale empfangen. Es ist außerdem zu bemerken, dass zusätzliche Biasausgaben von der Biasschaltung 952 an Komponenten innerhalb der Analogschalung 940 bereitgestellt werden können. In einigen Fällen können Biasausgaben an andere Komponenten bereitgestellt werden. Es versteht sich, dass obgleich die Darstellung in 9 auf dieser hohen Abstraktionsebene gegeben wurde, viele Varianten und Alternativen möglich sind.

Claims

Verfahren, Folgendes umfassend: nach einem ersten vorgegebenen Zeitintervall das Beenden (710) eines Schlafzustands einer Biasschaltung (10) und Bewirken (720,730,740), dass eine Ladungsspeichervorrichtung einer Ausgabeschaltung (80) der Biasschaltung (10) unter Verwendung eines ersten Biasstroms (Igmc) aufgefrischt wird, der von einer Konstant-Transkonduktanz-Verstärkerschaltung (50) der Biasschaltung erzeugt wird; nach dem Auffrischen der Ladungsspeichervorrichtung Bewirken (750), dass die Biasschaltung (10) in den Schlafzustand geht; nach einem zweiten vorgegebenen Zeitintervall, Beenden (810) des Schlafzustands der Biasschaltung (10) und Bewirken (850), dass der erste Biasstrom mit einem zweiten Biasstrom (Ibgr), der von einer Bandabstand-Biasschaltung (40) der Biasschaltung erzeugt wird, verglichen wird, und Aktualisieren (860) eines Kalibrierwerts basierend auf dem Vergleich, wobei der Kalibrierwert dafür verwendet wird, den ersten Biasstrom gegenüber dem zweiten Biasstrom zu kalibrieren; und nach dem Aktualisieren des Kalibrierwerts Bewirken (870), dass die Biasschaltung (10) in den Schlafzustand geht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Beenden (710) des Schlafzustands nach dem ersten vorgegebenen Zeitintervall außerdem das Einschalten (720) eines sekundären Vorverstärkers (212) einer Reglerschaltung (30) der Biasschaltung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Beenden (710) des Schlafzustands nach dem ersten vorgegebenen Zeitintervall außerdem das Einschalten (730) der Konstant-Transkonduktanz-Verstärkerschaltung (50) umfasst während die Bandabstand-Biasschaltung (40) abgeschaltet beibehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 3, das außerdem das Einschalten eines primären Vorverstärkers (214) der Reglerschaltung (30) umfasst, um zu bewirken, dass die Reglerschaltung die geregelte Spannung ausgibt.
Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem, in einem aktiven Modus einer integrierten Schaltung, die die Biasschaltung (10) enthält, das Beenden des Schlafzustands und das Einschalten der Konstant-Transkonduktanz-Verstärkerschaltung (50), der Bandabstand-Biasschaltung (40) und eines ersten Vorverstärkers der Reglerschaltung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aktualisieren (860) des Kalibrierwerts das Speichern, in einem Speicher, einer Steuereinstellung für ein Widerstandselement, das mit einem Stromspiegel der Konstant-Transkonduktanz-Verstärkerschaltung (50) verbunden ist, um einen Widerstand des Widerstandselements einzustellen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem das Feststellen einer Temperatur basierend auf dem Kalibrierwert und das Aktualisieren einer oder mehrerer Vorrichtungseigenschaften der integrierten Schaltung, die die auf ihr befindliche Biasschaltung (10) einschließt, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem das Verwenden einer Zustandsmaschine zur Steuerung der Biasschaltung (10) umfasst.