DE102017214144B4

DE102017214144B4 - Elektrische Schaltung für ein Common Mode Feedback System

Info

Publication number: DE102017214144B4
Application number: DE102017214144.1A
Authority: DE
Inventors: Alexander Richter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-08-14
Filing date: 2017-08-14
Publication date: 2019-11-21
Anticipated expiration: 2037-08-15
Also published as: DE102017214144A1; WO2019034379A1

Abstract

Elektrische Schaltung für ein Common Mode Feedback System zur Verringerung des Einflusses von Gleichtakt-Interferenzen, umfassend einen wenigstens zwei Stromquellen (I, I) aufweisenden Leitungstreiber, zwei Messwiderstände (R, R) und einen Fehlerverstärker (A), dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungstreiber ferner wenigstens vier weitere Stromquellen (I, I, I, I) umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung für ein Common Mode Feedback System zur Verringerung des Einflusses von Gleichtakt-Interferenzen, umfassend einen wenigstens zwei Stromquellen aufweisenden Leitungstreiber, zwei Messwiderstände und einen Fehlerverstärker.
Stand der Technik
Sogenannte Common Mode Feedback Systeme kommen als Teil einer Datenübertragung mittels sogenannter differentieller Signale niederer Spannung, auch als LVDS (Low Voltage Differential Signaling) bezeichnet, beispielsweise im Bereich Automotive zum Einsatz. Derartige Systeme umfassen gemäß dem Stand der Technik einen Leitungstreiber mit zwei Stromquellen sowie vier Transistoren und sind des Weiteren aus zwei Messwiderständen sowie einem Fehlerverstärker aufgebaut.
Unter einem Leitungstreiber (Line Driver) wird dabei ein Verstärker verstanden, welcher Signale mit verstärktem Signalpegel in Übertragungsleitungen einspeist. Durch die durch die Verstärkung erhaltene Pegelanhebung werden das Signal-Rausch-Verhältnis und die Übertragungsqualität auf der Übertragungsleitung verbessert. Mit Leitungsverstärkern werden aufgrund der Pegelanhebung die Verluste vor allem auf längeren Übertragungsleitungen ausgeglichen und so empfangsseitig für einen höheren Empfangspegel gesorgt.
Der Zweck eines herkömmlichen Common Mode Feedback Systems besteht darin, den an einer ersten Stromquelle angelegten Strom derart einzustellen, dass dieser dem an einer zweiten Stromquelle anliegenden Strom entspricht und dadurch eine definierte Ausgabe einer Gleichtaktspannung erreicht wird, welche einer am Fehlerverstärker angelegten Referenzspannung entspricht.
Im normalen Betriebsmodus wird zur Erzeugung einer logischen „1“ für die Ausgabe eines differentiellen LVDS das eine Transistorpaar geschaltet, während zur Erzeugung einer logischen „0“ entsprechend das andere Transistorpaar geschaltet wird. Problematisch hierbei ist, dass die beiden Stromquellen nicht nur die ausgegebene Gleichtaktspannung definieren, sondern auch einen Signalstrom erzeugen. Aus diesem Grund ist es nicht möglich, die Ausgabe der Gleichtaktspannung unabhängig von einem Signalhub durchzuführen.
Bei einer zu gering ausgegebenen Gleichtaktspannung wird bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Common Mode Feedback System die aus einer pull-up-Stromquelle abgegebene Stromstärke solange erhöht, bis die ausgegebene Gleichtaktspannung den Wert der Referenzspannung erreicht hat. Aus einer derartigen Erhöhung der Stromstärke resultiert jedoch auch ein höherer Signalstrom. Im umgekehrten Fall wird bei einer zu hoch ausgegebenen Gleichtaktspannung bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Common Mode Feedback System die aus einer pull-up-Stromquelle abgegebene Stromstärke solange verringert, bis die ausgegebene Gleichtaktspannung den Wert der Referenzspannung erreicht hat. Aus einer derartigen Verringerung der Stromstärke resultiert jedoch auch eine geringere Amplitude des Signalstroms.
Bekannte Common Mode Feedback Systeme sind lediglich robust gegenüber Gleichtakt-Interferenzen, welche deutlich kleiner sind als der Signalstrom des Leitungstreibers. Dies ist dadurch begründet, dass der Empfänger von mittels LVDS übertragenen Informationen in der Lage sein muss, für die empfangenen Informationen eindeutig zwischen einer logischen „1“ und einer logischen „0“ zu unterscheiden. Sofern Gleichtakt-Interferenzen auftreten, deren Stärke der Stärke des Pegels des Signalstroms nahekommt, ist es dem Empfänger aufgrund der daraus resultierenden schlechten Signalqualität nicht mehr möglich, eine solche Unterscheidung durchzuführen, was beispielsweise in einem sogenannten Augendiagramm anhand einer geringen Öffnung des Auges erkennbar ist.
Daher kann das Vorliegen von Gleichtakt-Interferenzen eine Signalübertragung mittels LVDS deutlich beeinträchtigen, wobei diese Problemstellung bei allen Common Mode Feedback Systemen gegeben ist, in denen die Gleichtakt-Ausgangsspannung von der gleichen Stromquelle abhängig ist, die auch den Signalstrom definiert. Hierzu wird auf die chinesische Patentanmeldung CN 1 805 285 A verwiesen.
Insbesondere in der Automobilindustrie muss jeder Pin einer elektrischen Schaltung elektromagnetische Interferenztests bestehen. Bei einem dieser Tests, dem sogenannten „Direct Power Injection“-Test (DPI-Test), wird ein Leistungspegel von wenigstens 10 dBm gleichmäßig an die beiden differentiellen Treiberausgangs-Pins angelegt. Aus dem Stand der Technik bekannte Common Mode Feedback Systeme sind aufgrund des eingangs beschriebenen Aufbaus nicht in der Lage, die Gleichtakt-Interferenzen, welche im Rahmen derartiger elektromagnetischer Interferenztests auftreten, zu kompensieren.
In der Veröffentlichung „An Integrated LVDS Transmitter in 0.18-um CMOS Technology With High Immunity to EMI (IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility)“ wurde versucht, dieses Problem zu lösen, indem ein gegenüber elektromagnetischen Interferenzen robuster LVDS-Treiber hergestellt wurde, welcher jedoch eine herkömmliche Schaltung verwendet, die nicht geeignet ist, die Gleichtaktspannung einzustellen. Die Nachteile der bekannten Architektur sollten gemäß der Veröffentlichung durch eine Vielzahl von zusätzlichen Verstärkern und Vorspannungsschaltkreisen kompensiert werden, die zusätzliche Energie und Chip-Fläche verbrauchen und die zudem fehleranfällig sind.
Die Dokumente US 8 319 554 B1 und US 8 912 849 B2 beschreiben eine Schaltung für ein Common Mode Feedback System. Diese Schaltungen umfassen verschiedene Stromquellen als Leitungstreiber und weisen verschiedene Verstärker auf.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine elektrische Schaltung für ein Common Mode Feedback System zur Verringerung des Einflusses von Gleichtakt-Interferenzen zur Verfügung gestellt, umfassend einen wenigstens zwei Stromquellen aufweisenden Leitungstreiber, zwei Messwiderstände und einen Fehlerverstärker. Die elektrische Schaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungstreiber ferner wenigstens vier weitere Stromquellen umfasst.
Dadurch kann erfindungsgemäß erreicht werden, dass eine Ausgangs-Gleichtaktspannung nicht nur entsprechend dem Stand der Technik über eine einzige Stromquelle gesteuert wird, sondern dass vier weitere Stromquellen zu diesem Zweck eingesetzt werden, wobei alle Stromquellen dabei vorzugsweise im Klasse AB-Betriebsmodus betrieben werden. Daraus resultieren Ströme nahezu null, sofern keine Gleichtakt-Interferenz auftritt, wodurch erfindungsgemäß Energie eingespart werden kann.
Vorteile der Erfindung
Wenn eine von den Messwiderständen erfasste Ausgangs-Gleichtaktspannung, beispielsweise verursacht durch eine Gleichtakt-Interferenz, in Bezug auf eine Referenzspannung zu niedrig ist, wird durch den in der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung vorgesehenen Fehlerverstärker die Stromstärke an den entsprechenden Stromquellen erhöht, sodass den Treibern der nicht-invertierenden und der invertierenden Ausgänge die gleiche Strommenge zugeführt wird, um die negative Gleichtakt-Abweichung zu kompensieren.
Ist jedoch die erfasste Ausgangs-Gleichtaktspannung in Bezug auf eine Referenzspannung zu hoch, erhöht der Fehlerverstärker die Menge des von den entsprechenden Stromquellen auszugebenden Stroms, sodass eine gleiche Menge an Strom von den Treibern des nicht-invertierenden und des invertierenden Ausgangs abgeführt wird, um auf diese Weise die positive Gleichtakt-Abweichung zu kompensieren.
Durch die erfindungsgemäße Schaltung für ein Common Mode Feedback System kann der Gleichtaktausgang daher unabhängig vom Signalstrom eingestellt werden, woraus sich eine höhere Robustheit bei vorhandenen Gleichtakt-Interferenzen ergibt
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die wenigstens vier weiteren Stromquellen des Leitungstreibers regelbar sind. Dadurch wird es ermöglicht, die jeweils von den Stromquellen abzugebenden Stromstärken adaptiv an das mittels der Messwiderstände erhaltene Messergebnis anzupassen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Fehlerverstärker derart ausgebildet ist, dass durch den Fehlerverstärker die Stromstärke an den Stromquellen erhöht wird, wenn eine von den Messwiderständen erfasste Ausgangs-Gleichtaktspannung niedriger als eine Referenzspannung ist. Dadurch kann eine vorhandene Gleichtakt-Interferenz kompensiert werden.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist der Fehlerverstärker derart ausgebildet, dass durch den Fehlerverstärker die Stromstärke an den Stromquellen erhöht wird, wenn eine von den Messwiderständen erfasste Ausgangs-Gleichtaktspannung höher als eine Referenzspannung ist. Dies ermöglicht die Kompensation einer Gleichtakt-Interferenz mit umgekehrter Polarität.
Weiter ist bevorzugter Weise vorgesehen, dass die elektrische Schaltung ferner eine Klasse AB-Endstufe umfasst. Derartige Endstufen bieten den Vorteil, dass für den Fall, dass keine Gleichtakt-Interferenz gegeben ist, Ströme nahezu null vorhanden sind und somit eine Energieeinsparung möglich ist. Vorzugsweise weist der Fehlerverstärker dabei zwei gleichphasige Ausgänge auf, durch welche die Klasse AB-Endstufe steuerbar ist.
Erfindungsgemäß kann weiter vorgesehen sein, dass die Klasse AB-Endstufe eine Reihenschaltung eines ersten Transistors, eines Widerstandes und eines zweiten Transistors aufweist. Dadurch kann eine Vorspannung für die Klasse-AB-Endstufe erzeugt werden.
Vorteilhafterweise umfasst die Klasse AB-Endstufe vier Transistoren. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind dabei jeweils zwei der Transistoren der Klasse AB-Endstufe PMOS-Transistoren und NMOS-Transistoren.
In einer bevorzugten Variante der elektrischen Schaltung sind die Transistoren als Schutzeinrichtungen vor elektrostatischer Entladung („electrostatic discharge“; ESD) vorgesehen. Dadurch wird erreicht, dass kein zusätzlicher Platz für ESD-Schutzvorrichtungen erforderlich ist und daraus ein geringer Platzbedarf für die elektrische Schaltung resultiert.
Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass die Klasse AB-Endstufe einen Regelkreis aufweist, welcher mittels Kondensatoren millerkompensiert ist. Dadurch ergibt sich eine gute Steuerung der Ausgangs-Gleichtaktspannung auch unter dem Einfluss von Hochfrequenzstörungen.
Vorzugsweise ist ferner parallel zu jedem der Messwiderstände ein Kondensator geschaltet. Daraus resultieren eine Erhöhung des Phasenrandes und damit eine höhere Stabilität des Regelkreises der elektrischen Schaltung.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 einen aus dem Stand der Technik bekannten Leitungstreiber mit einem konventionellen Common Mode Feedback System,
2 einen an einen 100 Ohm-Widerstand angeschlossenen Leitungstreiber gemäß dem Stand der Technik,
3 ein Augendiagramm für einen mit einer Datenrate von 100 Mb/s übertragenden Leitungstreiber mit einem herkömmlichen Common Mode Feedback System ohne Gleichtakt-Interferenz,
4 ein Augendiagramm für einen mit einer Datenrate von 100 Mb/s übertragenden Leitungstreiber mit einem herkömmlichen Common Mode Feedback System mit Gleichtakt-Interferenz,
5 ein erfindungsgemäßes Common Mode Feedback System mit Leitungstreiber,
6 ein Augendiagramm für einen mit einer Datenrate von 100 Mb/s übertragenden Leitungstreiber mit einem erfindungsgemäßen Common Mode Feedback System mit Gleichtakt-Interferenz, und
7 eine Schaltung des erfindungsgemäßen Common Mode Feedback Systems ohne Leitungstreiber.

Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist ein aus dem Stand der Technik bekannter Leitungstreiber mit einem konventionellen Common Mode Feedback System dargestellt. Der Leitungstreiber wird dabei von den beiden Stromquellen I₁ , I₂ sowie den Transistoren M₁ bis M₄ gebildet. Das Common Mode Feedback System wird durch die Messwiderstände R₁ , R₂ und den Fehlerverstärker A₁ gebildet, der die mittels der Spannung V_DD gesteuerte Stromquelle I₁ des Leitungstreibers steuert. Der Zweck des herkömmlichen Common Mode Feedback Systems besteht darin, den Strom I₁ auf den von der idealen Stromquelle I₂ abgegebenen Strom derart abzustimmen, dass eine definierte Ausgangs-Gleichtaktspannung am Ausgang LVDS_out erzielt wird, welche der Referenzspannung V_bg entspricht. Der Leitungstreiber befindet sich im Normalbetrieb, wenn I₁ = I₂ = 3,5 mA ist und die Ausgangs-Gleichtaktspannung 1,2 V entspricht. Dann wird der Signalstrom von 3,5 mA über die Transistoren M₂ und M₃ auf den differentiellen LVDS-Ausgang umgeschaltet, um eine logische „1“ zu erzeugen. Um eine logische „0“ zu erzeugen, wird der Strom über die Transistoren M₁ und M₄ mit umgekehrter Polarität zum LVDS-Ausgang geschaltet.
Das Problem bei dieser aus dem Stand der Technik bekannten Lösung besteht darin, dass die Stromquellen I₁ und I₂ nicht nur die Ausgangs-Gleichtaktspannung, sondern auch den Signalstrom definieren. So kann die Ausgangs-Gleichtaktspannung nicht unabhängig vom Signalhub eingestellt werden. Unter der Annahme, dass die Gleichtaktspannung am Differentialausgang LVDS_out nach unten gezogen wird, würde das Common Mode Feedback System den Strom I₁ solange erhöhen, bis die Ausgangs-Gleichtaktspannung wieder V_bg entspricht. Der Strom I₁ ist danach jedoch deutlich größer als der Sollwert von 3,5 mA, was zu einem größeren Signalstrom führt. Unter der Annahme, dass die Gleichtaktspannung am Differentialausgang LVDS_out nach oben gezogen wird, würde das Common Mode Feedback System den Strom I₁ solange verringern, bis die Ausgangs-Gleichtaktspannung wieder V_bg ist. In diesem Fall ist der Strom I₁ jedoch viel kleiner als der Sollwert von 3,5 mA, was zu einer kleineren Amplitude des Signalstroms und damit zu einem geringeren Signal-Rausch-Verhältnis, also zu einer schlechteren Signalqualität, und zu einer höheren Bitfehlerrate führt. Die herkömmlichen Common Mode Feedback Systeme sind nur in der Lage, Gleichtakt-Interferenzen zu kompensieren, welche erheblich kleiner sind als der Signalstrom I₂ des Leitungstreibers.
In 2 ist dargestellt, wie eine mit einem 100 Ohm-Widerstand terminierte Differentialleitung mit dem differentiellen LVDS-Ausgang LVDS_out verbunden ist, beispielsweise in einer Zielanwendung. Es werden Daten übertragen, wobei der Strom entweder nicht-invertiert oder invertiert auf die den 100 Ohm-Widerstand verbindende Leitung geschaltet wird, welche an den Ausgängen LVDS_out angeschlossen ist. Dabei wird am 100 Ohm-Abschlusswiderstand eine Spannung Vout von 350 mV (entsprechend einer logischen „1“) oder von -350 mV (entsprechend einer logischen „0“) erzeugt. Der 100 Ohm-Widerstand ist dabei Teil eines Empfängers. Aus der empfangenen Signalspannung Vout am 100 Ohm-Widerstand kann ein sogenanntes Augendiagramm generiert werden. Die Öffnung des sogenannten Auges ist dabei ein Maß für die Signalqualität. Wenn das Auge klar geöffnet ist, kann ein Empfänger die erhaltenen Daten leicht detektieren und entscheiden, ob eine logische „1“ oder eine logische „0“ empfangen wurde. Wenn das Auge geschlossen ist, kann der Empfänger nicht mehr zwischen einer logischen „0“ und einer logischen „1“ unterscheiden.
In 3 ist das Augendiagramm eines mit einer Datenrate von 100 Mb/s übertragenden Leitungstreibers mit einem herkömmlichen Common Mode Feedback System und ohne jegliche Gleichtakt-Interferenz dargestellt. Die Augenöffnung beträgt vorliegend 700 mV (2 * 350 mV), sodass die Detektion einer logischen „1“ bei 350 mV und einer logischen „0“ bei -350 mV problemlos durchführbar ist.
In 4 ist das Augendiagramm eines mit einer Datenrate von 100 Mb/s übertragenden Leitungstreibers mit einem herkömmlichen Common Mode Feedback System dargestellt, welcher jedoch von einer Gleichtakt-Interferenz mit 110 MHz und einem Leistungspegel von 10 dBm gestört wird. Das entspricht einer Störleistung von 10 mW, welche demnach zehn Mal größer ist als die Signalleistung von 1 mW selbst. Es ist zu sehen, dass das im Augendiagramm der 4 dargestellte Auge bis ca. 80 mV geschlossen ist. Im Vergleich zu dem in 3 dargestellten Augendiagramm ohne Interferenz ist die Öffnung des Auges nahezu um den Faktor zehn kleiner. Die Signalqualität wird durch die Gleichtakt-Interferenz demnach deutlich reduziert. Dieses Problem ist bei allen Common Mode Feedback Systemen gegeben, bei denen die Ausgangs-Gleichtaktspannung durch dieselbe Stromquelle (I₁ in 2) eingestellt wird, welche auch den Signalstrom definiert.
In 5 ist ein erfindungsgemäßes Common Mode Feedback System dargestellt, bei welchem die Ausgangs-Gleichtaktspannung nicht nur über die Stromquelle I₁ gesteuert wird, sondern vier weitere Stromquellen I₃ bis I₆ zu diesem Zweck eingesetzt werden. Alle Stromquellen werden dabei im Klasse AB-Betriebsmodus betrieben. Daraus resultieren Ströme nahezu null, sofern keine Gleichtakt-Interferenz auftritt, wodurch erfindungsgemäß Energie eingespart wird. Wenn die von den Widerständen R₁ und R₂ erfasste Ausgangs-Gleichtaktspannung bedingt durch eine Gleichtakt-Interferenz zu niedrig ist, wird durch den Fehlerverstärker A₁ die Stromstärke an den Stromquellen I₃ und I₄ solange erhöht, bis die Gleichtaktspannung am Treiberausgang LVDS_out wieder dem Sollwert V_bg entspricht., wobei die Stromquellen I₅ und I₆ aufgrund des Klasse AB-Betriebsmodus bei null verbleiben.
Im umgekehrten Fall, in welchem die von den Widerständen R₁ und R₂ erfasste Ausgangs-Gleichtaktspannung zu hoch ist, erhöht der Fehlerverstärker A₁ die Menge des von den Stromquellen I₅ und I₆ ausgegebenen Stroms so lange, bis die Gleichtaktspannung am Treiberausgang LVDS_out wieder dem Sollwert V_bg entspricht. Dabei verbleiben die Stromquellen I₃ und I₄ aufgrund des Klasse AB-Betriebsmodus bei null. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Common Mode Feedback Systems kann der Gleichtaktausgang somit unabhängig vom Signalstrom eingestellt werden, woraus sich eine höhere Robustheit bei gegebenen Gleichtakt-Interferenzen ergibt.
In 6 ist ein Augendiagramm für einen mit einer Datenrate von 100 Mb/s übertragenden Leitungstreiber mit einem erfindungsgemäßen Common Mode Feedback System dargestellt, in welchem - entsprechend 4 - eine Gleichtakt-Interferenz mit 110 MHz bei einem Leistungspegel von 10 dBm vorhanden ist. Durch das erfindungsgemäße Common Mode Feedback System kann eine Augenöffnung von etwa 640 mV erreicht werden.
7 zeigt eine Schaltung des erfindungsgemäßen Common Mode Feedback Systems, in welcher der Leitungstreiber nicht dargestellt ist. Die Widerstände R₁ und R₂ erfassen die Gleichtakt-Ausgangsspannung des LVDS-Treibers. Der parallel zum Widerstand R₁ geschaltete Kondensator C₁ und der parallel zum Widerstand R₂ geschaltete Kondensator C₂ bilden in der Übertragungsfunktion eine Nullstelle, woraus eine Erhöhung des Phasenrandes und damit eine höhere Stabilität des Regelkreises resultieren. Die Transistoren M₁ , M₂ , M₃ , M₄ , M₅ , M₆ , M₇ , M₈ , M₉ , M₁₀ und M₁₁ bilden einen differentiellen Fehlerverstärker A₁ , welcher die Differenz zwischen der Gleichtaktspannung und der Referenzspannung V_bg erfasst und verstärkt. Der Fehlerverstärker A₁ hat zwei gleichphasige Ausgänge, von denen der eine zwischen den Transistoren M₅ und M₁₀ und der andere zwischen den Transistoren M₄ und M₉ angeordnet ist. Die beiden gleichphasigen Ausgänge steuern eine aus den Transistoren M₁₂ bis M₁₇ gebildete Klasse AB-Endstufe. Diese Klasse AB-Endstufe führt einen Strom in den Ausgang des LVDS-Treibers zurück, um dessen Ausgangs-Gleichtaktspannung zu regeln. Der Regelkreis wird durch die Kondensatoren C₃ bis C₆ millerkompensiert. Der dominante Pol des Regelkreises befindet sich daher am Ausgang des Fehlerverstärkers.
Bei hohen Frequenzen schließen die Rückkopplungskondensatoren C₃ , C₄ und C₅ , C₆ jeweils den Drain und das Gate von M₁₂ , M₁₃ , M₁₅ und M₁₆ kurz. Somit bleibt der Gleichtakt-Ausgangswiderstand der Endstufe auch bei hohen Frequenzen niederohmig. Für den Gleichtakt-Ausgangswiderstand bei hohen Frequenzen ergibt sich in Näherung 1/(gm₁₂+gm₁₃+gm₁₅+gm₁₆), wobei gm die Transkonduktanz des jeweiligen Transistors M₁₂ , M₁₃ , M₁₅ und M₁₆ darstellt. Daraus ergibt sich eine gute Steuerung der Ausgangs-Gleichtaktspannung LVDS_out+ , LVDS_out- auch unter Einfluss von Hochfrequenzstörungen.
Zur Erzeugung der Klasse-AB-Vorspannung für die aus den Transistoren M₁₂ (I₄ ), M₁₃ (I₃ ), M₁₅ (I₅ ) und M₁₆ (I₆ ) gebildete Endstufe dient die Reihenschaltung von M₁₄ , R₃ und M₁₇ . Die Vorspannung am Gate der PMOS-Transistoren M₁₂ und M₁₃ wird über R₄ angelegt, wogegen die Vorspannung am Gate der NMOS-Transistoren M₁₅ und M₁₆ über R₅ angelegt wird.
Im stationären Zustand wird, wenn die Differenz zwischen der ausgegebenen LVDS-Gleichtaktspannung und der Referenzspannung V_bg gleich null ist, wird der Strom von M₁₁ gleichmäßig zwischen M₁ und M₂ aufgeteilt. Daraus resultiert, dass der Strom im Transistor M₄ dem Strom im Transistor M₉ und der Strom im Transistor M₅ dem Strom im Transistor M₁₀ entspricht. In die Ausgänge des Fehlerverstärkers fließt daher weder Strom hinein noch aus diesen heraus, was einen Spannungsabfall von null über den Widerständen R₄ und R₅ ergibt. Daher entsprechen die von M₁₃ (I₃ ) nach M₁₅ (I₅ ) und von M₁₂ (I₄ ) nach M₁₆ (I₆ ) fließenden Querströme im Arbeitspunkt dem durch den Widerstand R₃ fließenden Strom.
Wenn die Ausgangs-Gleichtaktspannung bedingt durch eine Gleichtaktinterferenz höher als V_bg ist, sind die Drainströme von M₄ und M₅ größer als Drainströme von M₉ und M₁₀ , woraus ein aus beiden Verstärkerausgängen herausfließender Strom resultiert. Der zusätzliche von dem Transistor M₄ ausgehende Strom fließt durch den Widerstand R₅ zum Transistor M₁₇ und erzeugt dadurch eine hohe Gate-Source-Spannung für die Transistoren M₁₅ und M₁₆ . Die Transistoren M₁₆ und M₁₅ nehmen somit einen großen Gleichtakt-Interferenzstrom auf und verhindern somit ein Abdriften der Ausgangs-Gleichtaktspannung in positiver Richtung. Der zusätzliche von dem Transistor M₅ ausgehende Strom fließt durch den Widerstand R₄ zum Transistor M₁₇ und verringert dadurch die Gate-Source-Spannung für die Transistoren M₁₂ und M₁₃ auf null, sodass der Klasse-AB-Arbeitspunktstrom, welcher durch M₁₂ und M₁₃ dem Gleichtaktausgang bereitgestellt wird, komplett abgeschaltet wird. Dadurch werden Querströme vermieden.
Wenn die Ausgangs-Gleichtaktspannung bedingt durch eine Gleichtakt-Interferenz niedriger als V_bg ist, dann sind die Drainströme von M₄ und M₅ kleiner als die Drainströme von M₉ und M₁₀ , woraus ein Stromfluss in beide Verstärkerausgänge hinein resultiert. Der zusätzliche von dem Transistor M₁₀ aufgenommene Strom fließt durch den Widerstand R₄ und den Transistor M₁₄ und erzeugt eine hohe Gate-Source-Spannung an den Transistoren M₁₂ und M₁₃ . Die Transistoren M₁₂ und M₁₃ geben somit einen großen Gleichtakt-Interferenzstrom ab und verhindern somit ein Abdriften der Ausgangs-Gleichtaktspannung in negativer Richtung. Der zusätzliche von M₉ aufgenommene Strom fließt durch den Widerstand R₅ und verringert dadurch die Gate-Source-Spannung von den Transistoren M₁₅ und M₁₆ auf null, sodass der Klasse-AB-Arbeitspunktstrom, welcher durch die Transistoren M₁₅ und M₁₆ dem Gleichtaktausgang zugeführt wird, vollständig abgeschaltet wird.
Neben der Möglichkeit, mit der erfindungsgemäßen Schaltung große Gleichtakt-Interferenzen zu kompensieren, bietet die vorgeschlagene Lösung weitere Vorteile. So verbraucht das erfindungsgemäße Common Mode Feedback System aufgrund des vorgestellten Klasse AB-Vorspannungsschemas nur eine geringe Leistung. Bei korrektem Schaltungsentwurf sind die Querströme im Arbeitspunkt in der Endstufe maximal etwa 100 uA groß. Im Vergleich dazu liegt der typische Stromverbrauch eines LVDS-Leitungstreibers bei 5 mA. Die Klasse AB-Endstufe liefert nur dann einen großen Kompensationsstrom, wenn es eine Gleichtakt-Interferenz gibt. Zudem wird bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ansatz lediglich eine kleine Chipfläche verbraucht. Die Transistoren M₁₂ , M₁₃ , M₁₅ und M₁₆ der Endstufe können zusätzlich als Schutzeinrichtungen vor elektrostatischer Entladung, auch als sogenannte „electrostatic discharge (ESD)“-Schutzeinrichtungen bezeichnet, verwendet werden. Da sie direkt mit den Pads verbunden sind, müssen sie ohnehin nach ESD-Vorgaben konstruiert werden. Daher sind keine zusätzlichen Platz verbrauchende ESD-Schutzvorrichtungen erforderlich. Des Weiteren ist die erfindungsgemäße Schaltung einfach konzipiert und besteht aus nur wenigen Komponenten im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Vorschlägen. Aus diesem Grund weist die Schaltung eine höhere Robustheit auf.

Claims

Elektrische Schaltung für ein Common Mode Feedback System zur Verringerung des Einflusses von Gleichtakt-Interferenzen, umfassend einen wenigstens zwei Stromquellen (I₁, I₂) aufweisenden Leitungstreiber, zwei Messwiderstände (R₁, R₂) und einen Fehlerverstärker (A₁), dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungstreiber ferner wenigstens vier weitere Stromquellen (I₃, I₄, I₅, I₆) umfasst.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, wobei die wenigstens vier weiteren Stromquellen (I₃, I₄, I₅, I₆) des Leitungstreibers regelbar sind.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Fehlerverstärker (A₁) derart ausgebildet ist, dass durch den Fehlerverstärker (A₁) die Stromstärke an den Stromquellen (I₃, I₄) erhöht wird, wenn eine von den Widerständen R₁ und R₂ erfasste Ausgangs-Gleichtaktspannung niedriger als eine Referenzspannung (V_bg) ist.
Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Fehlerverstärker (A₁) derart ausgebildet ist, dass durch den Fehlerverstärker (A₁) die Stromstärke an den Stromquellen (I₅, I₆) erhöht wird, wenn eine von den Widerständen R₁ und R₂ erfasste Ausgangs-Gleichtaktspannung höher als eine Referenzspannung (V_bg) ist.
Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die elektrische Schaltung ferner eine Klasse AB-Endstufe umfasst.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 5, wobei der Fehlerverstärker (A₁) zwei gleichphasige Ausgänge aufweist, durch welche die Klasse AB-Endstufe steuerbar ist.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei die Klasse AB-Endstufe eine Reihenschaltung eines ersten Transistors (M₁₄), eines Widerstandes (R₃) und eines zweiten Transistors (M₁₇) aufweist.
Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Klasse AB-Endstufe vier Transistoren (M₁₂, M₁₃, M₁₅, M₁₆) umfasst.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 8, wobei jeweils zwei der Transistoren (M₁₂, M₁₃, M₁₅, M₁₆) der Klasse AB-Endstufe PMOS-Transistoren (M₁₂, M₁₃) und NMOS-Transistoren (M₁₅, M₁₆) sind.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei die Transistoren (M₁₂, M₁₃, M₁₅, M₁₆) als Schutzeinrichtungen vor elektrostatischer Entladung vorgesehen sind.
Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche Anspruch 5 bis 9, wobei die Klasse AB-Endstufe einen Regelkreis aufweist, welcher mittels Kondensatoren (C₃, C₄, C₅, C₆) millerkompensiert ist.
Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei parallel zu jedem der Messwiderstände (R₁, R₂) ein Kondensator (C₁, C₂) geschaltet ist.