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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Anmeldung betrifft Bias-Strom-Generatoren und insbesondere Bias-Strom-Generatoren, die für einen schnellen Start konfiguriert sind.
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HINTERGRUND
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Mobile Vorrichtungen, wie Tablets und Smartphones, verwenden typischerweise Lithiumbatterien, die relativ hohe Spannungen, wie 4 V, erzeugen. Obwohl solche Batterien effizient sind und eine relativ lange Lebensdauer haben, sind ihre resultierenden Spannungen für moderne Transistorverarbeitungsknoten zu hoch. Zum Beispiel ist es für digitale Kerne üblich, mit Leistungsversorgungsspannungen von weniger als 1 V zu arbeiten. Mobile Vorrichtungen umfassen daher typischerweise einen Buck- bzw. Abwärtswandler zum Regeln der relativ hohen Batteriespannung in eine relativ niedrige Leistungsversorgungsspannung für ihre digitalen Schaltungen.
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Abwärtswandler (und andere Typen von Schaltleistungswandlern) umfassen typischerweise einen Bias-Strom-Generator zum Erzeugen eines Bias-Stroms (zum Beispiel 10µA), der von verschiedenen anderen Wandlerkomponenten verwendet wird. Ein beispielhafter herkömmlicher Bias-Strom-Generator 100 ist in 1 gezeigt. Ein Operationsverstärker 105 steuert ein Gate eines NMOS-Ausgangstransistors M1 mit einer Steuerspannung an, responsiv auf die Differenz zwischen einer Source-Spannung für den Transistor M1 und einer Referenzspannung, wie eine Bandlückenreferenzspannung (VBG - bandgap reference voltage). Die Source des Transistors M1 ist über einen Widerstand R1 mit Masse gekoppelt. Eine Rückkopplung durch den Operationsverstärker 105 hält somit die Source-Spannung für den Transistor M1 gleich der Referenzspannung VGB, so dass ein durch den Widerstand R1 geleiteter Bias-Strom I nach dem Ohmschen Gesetz gleich VBG/R1 ist. Dieser Bias-Strom I wird dann durch Stromspiegel gespiegelt, die durch einen Diode-verbundenen PMOS-Transistor P1 gebildet werden, dessen Gate- (und Drain-) Spannung auch die Gates der PMOS-Transistoren P2 und P3 ansteuert, deren Sources mit einer Leistungsversorgungsspannung VDD gekoppelt sind, gemeinsam mit der Source des Diode-verbundenen Transistors P1. Die Transistoren P2 und P3 spiegeln somit den Bias-Strom I in einen Sekundärstrom, der proportional zu dem Bias-Strom ist, wobei die Proportionalität von den Größenverhältnissen zwischen den Transistoren P1, P2 und P3 abhängt.
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Es ist anzumerken, dass es für einen Prozessor einer mobilen Vorrichtung üblich ist, während Perioden von Inaktivität in einen Ruhemodus einzutreten, um Batterieleistung zu sparen. Es ist wünschenswert, dass der Prozessor der mobilen Vorrichtung so schnell wie möglich aus einem solchen Ruhemodus aufwachen und in einen Normalbetrieb gehen kann. Um einen solchen schnellen Übergang zu ermöglichen, kann der Bias-Strom-Generator 100 während des Ruhemodus (der auch als Schlafmodus oder als inaktive Periode bezeichnet werden kann) in Betrieb bleiben, aber ein derartiger konstanter Betrieb verringert eine Effizienz aufgrund des resultierenden Drains der Bias- und Sekundärströme. Ein Ausschalten des Bias-Strom-Generators 100 ist jedoch auch problematisch, da eine Rückkopplung durch den Operationsverstärker 105 einige Zeit benötigt, um sich einzustellen, so dass eine stabile Bias-Strom-Erzeugung typischerweise einige Mikrosekunden erfordert, was die Übergangsgeschwindigkeit von dem Ruhemodus in den Normalbetrieb verringert.
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Dementsprechend besteht in der Technik ein Bedarf hinsichtlich verbesserter Bias-Strom-Generatoren, die während inaktiver Perioden ausgeschaltet werden können, die sich jedoch nach dem Einschalten während aktiver Perioden schnell einstellen können, um einen stabilen Bias-Strom mit minimaler Verzögerung vorzusehen.
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[0005a] Die US 2016 / 0 147 246 A1 zeigt einerseits einen Schnellstart-Leistungskreis mit einem Stromspiegel, einem Stromspiegelnetzwerk und einem Verstärker mit niedrigem Ausgangswiderstand und andererseits ein Verfahren, die dazu dient eine Bias-Schaltung zu beschleunigen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Bias-Strom-Generator wird offenbart, der eine Stromquelle umfasst, die Knoten eines Operationsverstärkers mit einem Bias versieht, während der Bias-Strom-Generator im Ruhezustand ist und keinen Bias-Strom erzeugt. In einem aktiven Modus, in dem der Bias-Strom-Generator den Bias-Strom erzeugt, versieht die Stromquelle die Operationsverstärkerknoten nicht mit Bias. Das Selbst-Biasing der Knoten durch die Stromquelle, während der Bias-Strom-Generator keinen Bias-Strom erzeugt, ist ziemlich vorteilhaft, da der Übergang von einem ruhenden zu einem aktiven Betrieb sehr schnell erfolgt, zum Beispiel in der Größenordnung von Nanosekunden. Im Gegensatz dazu dauern herkömmliche Übergänge in einen aktiven Betriebsmodus für Bias-Strom-Generatoren wesentlich länger. Darüber hinaus geht diese verbesserte Übergangsgeschwindigkeit mit einem sehr geringen Energieverbrauch während eines inaktiven Betriebs einher, da die Stromquelle die Operationsverstärkerknoten mit einem Knoten-Biasing-Strom versieht, der im Vergleich zu dem Bias-Strom klein ist.
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Diese vorteilhaften Merkmale können durch eine Betrachtung der nachstehenden detaillierten Beschreibung besser erkannt werden.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Schaltungsdiagramm eines herkömmlichen Bias-Strom-Generators.
- 2 ist ein Diagramm eines Bias-Strom-Generators gemäß einem Aspekt der Offenbarung.
- 3 ist ein Schaltungsdiagramm des Operationsverstärkers in dem Bias-Strom-Generator von 2 gemäß einem Aspekt der Offenbarung.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung und ihre Vorteile werden am besten unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung verstanden. Es sollte angemerkt werden, dass gleiche Bezugszahlen verwendet werden, um gleiche Elemente zu identifizieren, die in einer oder mehreren der Figuren dargestellt sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Ein Bias-Strom-Generator wird vorgesehen, der mit einer Stromquelle assoziiert ist, die Knoten eines Operationsverstärkers in dem Bias-Strom-Generator mit einem Knoten-Biasing-Strom versieht, der durch ein Schaltnetzwerk geleitet wird. Das Schaltnetzwerk funktioniert derart, dass die Operationsverstärkerknoten nur dann durch den Knoten-Biasing-Strom mit einem Bias versehen werden, während der Bias-Strom-Generator während eines Ruhebetriebsmodus ausgeschaltet ist, in dem der Bias-Strom-Generator seinen Bias-Strom nicht erzeugt. Wenn der Bias-Strom-Generator in den aktiven Betriebsmodus übergeht, um den Bias-Strom zu erzeugen, verhindert das Schaltnetzwerk, dass die Stromquelle die Knoten des Operationsverstärkers mit dem Knoten-Biasing-Strom versieht. Der resultierende Übergang von ruhender zu aktiver Erzeugung des Bias-Stroms ist aufgrund des Biasing der Operationsverstärkerknoten vorteilhaft schnell. Der Leistungsverbrauch wird reduziert, da der Knoten-Biasing-Strom im Vergleich zu dem Bias-Strom gering ist. Zum Beispiel kann der Bias-Strom 5 bis 10 Mikroampere sein, während der Knoten-Biasing-Strom in einigen Ausführungsbeispielen nur 5 bis 10 Nanoampere sein kann, so dass das Biasing der Knoten für den Operationsverstärker relativ wenig Leistung verbraucht.
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Ein beispielhafter Bias-Strom-Generator 200 ist in 2 gezeigt. Während des aktiven Betriebs steuert ein Operationsverstärker 205 ein Gate eines PMOS-Ausgangstransistors P5 an, um einen Bias-Strom I zu steuern, der durch einen variablen Widerstand R2 durch einen Schalter S3 zu Masse fließt, der konfiguriert ist, in Reaktion auf eine Aktivierung eines Enable-Signals zu schließen. Das Enable-Signal wird während eines aktiven Betriebs des Bias-Strom-Generators 200 aktiviert. Wenn der Schalter S3 geschlossen ist, funktioniert eine Rückkopplung durch den Operationsverstärker 205 analog wie in Bezug auf 1 diskutiert, um den Drain (als Rückkopplungsknoten bezeichnet) des Ausgangstransistors P5 gleich einer Referenzspannung Vref, wie eine Bandlückenspannung, zu halten. Der Bias-Strom I ist somit während eines aktiven (normalen) Betriebs gleich Vref/R2. Der Widerstand R2 ist ein variabler Widerstand, so dass sein Widerstandswert R2 variiert werden kann, um den Bias-Strom zu kalibrieren, um Prozess-, Spannungs- oder Temperaturschwankungen zu berücksichtigen.
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Der Rückkopplungsknoten ist über einen PMOS-Schalttransistor MPU2 mit einem Leistungsversorgungsknoten gekoppelt, der eine Leistungsversorgungsspannung VDD liefert. Das Enable-Signal steuert das Gate des Schalttransistors MPU2 derart an, dass der Rückkopplungsknoten während eines inaktiven Betriebs, wenn das Enable-Signal deaktiviert ist, auf die Leistungsversorgungsspannung geladen wird. Während eines solchen inaktiven Betriebs öffnet der Schalter S3 in Reaktion auf die Deaktivierung des Enable-Signals, um zu verhindern, dass der Ausgangstransistor P5 Strom leitet. Die Deaktivierung des Enable-Signals ist äquivalent zu einer Aktivierung eines Komplement-Enable-Signals (en-bar), das einen Schalter S2 schließt, um eine Stromquelle 210 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 205 zu verbinden. Der Schalter S2 und der Schalttransistor MPU2 stellen das Schaltnetzwerk dar, das funktioniert, um die Operationsverstärkerknoten mit Bias zu versehen. Während eines aktiven Betriebs, während der Ausgangstransistor P5 den Bias-Strom leitet, ist der Schalter S2 geöffnet. Um die Stromquelle 210 aktiv zu halten, so dass der Operationsverstärker bei Bedarf sofort mit einem Bias versehen werden kann, schließt ein Schalter S1 in Reaktion auf die Aktivierung des Enable-Signals, so dass die Stromquelle 210 von einem Diode-verbundenen PMOS-Transistor P4 mit Energie versorgt wird, dessen Source mit dem Leistungsversorgungsknoten verbunden ist. Der Transistor P4 liefert somit den Knoten-Biasing-Strom an die Stromquelle 210 während des aktiven Betriebsmodus für den Bias-Strom-Generator 200. Der Schalter S1 öffnet in Reaktion auf die Deaktivierung des Enable-Signals.
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Der Bias-Strom-Generator 200 umfasst einen Sekundärstromgenerator 215, der den Bias-Strom in einen oder mehrere Sekundärströme spiegelt, die zum Biasing eines externen Schaltungsbetriebs verwendet werden können, wie Biasing-Komponenten eines Schaltleistungswandlers. In dem Sekundärstromgenerator 215 steuert der Ausgang des Operationsverstärkers 205 ein Gate eines PMOS-Transistors P6 sowie ein Gate eines PMOS-Transistors P7 über einen isolierenden Widerstand RISO an. Die Sources der Transistoren P5, P6 und P7 sind alle mit dem Leistungsversorgungsknoten verbunden und haben eine gemeinsame Gate-Spannung. Der Transistor P6 leitet somit einen Sekundärstrom, der proportional zu dem Bias-Strom ist, abhängig von dem Größenverhältnis zwischen den Transistoren P5 und P6. In ähnlicher Weise liefert der Transistor P7 einen Sekundärstrom, der proportional zu dem Bias-Strom ist, abhängig von dem Größenverhältnis des Transistors P7 zu dem Transistor P5. Wenn der Bias-Strom zum Beispiel 5 µA ist, kann der von dem Transistor P7 gelieferte Strom 0,5 µA sein. Es ist offensichtlich, dass die hier diskutierten Stromgrößen lediglich beispielhaft sind. Um zusätzlich zu einem solchen Liefern eines Sekundärstroms ein Abführen vorzusehen, ist der Drain des Transistors P6 über einen Schalter S4 mit dem Drain eines Diode-verbundenen NMOS-Transistors M2 in einer Stromspiegelkonfiguration mit einem NMOS-Transistor M3 verbunden. Das Gate des Transistors M2 ist somit mit dem Gate des Transistors M3 verbunden. Beide Sources der Transistoren M2 und M3 sind mit Masse verbunden. Der Drain des Transistors M3 wird somit einen Sekundärstrom proportional zu dem Bias-Strom während des aktiven Modus abführen, wenn der Schalter S4 in Reaktion auf die Aktivierung des Enable-Signals geschlossen ist. Zum Beispiel können die Transistoren M2 und M3 derart dimensioniert sein, dass der durch den Transistor M3 geleitete Sekundärstrom in einem Ausführungsbeispiel, in dem der Bias-Strom 5 µA ist, 1 µA ist. Um zu verhindern, dass der Transistor M3 während des inaktiven Betriebsmodus für den Strom-Bias-Generator 200 Strom entlädt, ist das Gate des Transistors M3 über einen NMOS-Schalttransistor M4, der in Reaktion auf die Aktivierung des Komplement-Enable-Signals (en-bar) eingeschaltet wird, mit Masse gekoppelt. Der Schalttransistor M4 schaltet somit während des aktiven Betriebsmodus aus.
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Das Biasing der Operationsverstärkerknoten durch den Knoten-Biasing-Strom ermöglicht dem Operationsverstärker 205 einen schnellen Übergang in einen stabilen Betrieb in dem aktiven Modus. Zum Beispiel wird der Ausgangsknoten des Operationsverstärkers 205 mit den Knoten-Biasing-Strom versehen. Da diese Ausgangsknotenspannung auch die Gate-Spannung für den Ausgangstransistor P5 ist, ist das Biasing dieser Gate-Spannung sehr nahe an der für einen aktiven Betrieb erforderlichen Gate-Spannung. Der Übergang von einem Ruhe- zu einem aktiven Betrieb erfordert daher wenig Zeit, um die Gate-Spannung des Ausgangstransistors P5 auf den gewünschten Pegel für den aktiven Betrieb zu bringen. Außerdem kann der Bias-Strom im Vergleich zu den durch den Sekundärstromgenerator 215 erzeugten Sekundärströmen relativ groß sein. Zum Beispiel kann der Bias-Strom gleich 5 µA sein, während der durch den Transistor P7 gelieferte Sekundärstrom um eine Größenordnung kleiner ist (0,5 µA). Dieser relativ robuste Pegel für den Bias-Strom trägt dazu bei, dass der Operationsverstärker 205 schnell einen stabilen Betrieb in Bezug auf das Ansteuern des Gates des Ausgangstransistors P5 erreicht, so dass der Bias-Strom an dem gewünschten Pegel mit einer relativ geringen Übergangszeit von dem Ruhemodus zu dem aktiven Betriebsmodus stabil erzeugt wird.
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Das Selbst-Biasing der Operationsverstärkerknoten durch den Knoten-Biasing-Strom ist unter Bezugnahme auf das in 3 gezeigte Schaltungsdiagramm für den Operationsverstärker 205 besser zu verstehen. Der Operationsverstärker 205 umfasst ein differentielles Paar von Transistoren, das von einem ersten Differentialpaar-NMOS-Transistor M4 und einem zweiten Differentialpaar-NMOS-Transistor M5 gebildet wird. Die Sources der Transistoren M4 und M5 sind über jeweilige Widerstände RS mit einem Drain eines NMOS-Schalttransistors M6 gekoppelt, dessen Source mit Masse verbunden ist. Die Aktivierung des Enable-Signals schaltet den Schalttransistor M6 während des aktiven Betriebs ein, so dass eine Rückkopplung durch den Operationsverstärker 205 den Bias-Strom wie oben diskutiert steuern kann.
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Die Rückkopplungsknotenspannung steuert das Gate des Transistors M4 an, während die Referenzspannung das Gate des Transistors M5 ansteuert. Während eines inaktiven Betriebs ist der Schalttransistor MPU2 (2) eingeschaltet, so dass der Rückkopplungsknoten auf die Leistungsversorgungsspannung VDD geladen wird. Zur gleichen Zeit liefert die Stromquelle 210 von 1 den Knoten-Biasing-Strom von dem Ausgang des Operationsverstärkers 205 (dem Drain des Transistors M5). Der Drain des Transistors M4 ist über einen PMOS-Transistor P9, der eingeschaltet ist, während das Enable-Signal deaktiviert ist, mit dem Leistungsversorgungsknoten gekoppelt. Der Knoten-Biasing-Strom kann somit von dem Leistungsversorgungsknoten an die Source des Transistors P9 geliefert werden und durch die Kanäle für die Transistoren P9 und M4 während der inaktiven Betriebsperiode oder Betriebsmodus fließen. Der Selbst-Biasing-Strom fließt dann weiter durch beide Widerstände RS zu der Source des Transistors M5, woraufhin er durch die Body-Diode für den Transistor M5 zu dem Ausgang des Operationsverstärkers 205 leitet. Der Ausgangsknoten des Operationsverstärkers 205 ist mit dem Gate des Ausgangstransistors P5 verbunden, so dass die Gate-Spannung des Ausgangstransistors P5 während des Ruhebetriebsmodus derart mit einem Bias versehen ist, dass sie nahe an ihrem Endwert ist, der während eines aktiven Betriebsmodus erreicht wird, so dass der Übergang zu dem aktiven Betriebsmodus schnell ist.
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Sobald das Enable-Signal aktiviert ist, leitet der Transistor M6 derart, dass die Transistoren M4 und M5 über die Widerstände RS und den Transistor M6 an Masse leiten können. Der Transistor P9 schaltet aus, aber der Drain des Transistors M4 ist auch mit dem Leistungsversorgungsknoten über einen Diode-verbundenen PMOS-Transistor P8 gekoppelt, der in einer Stromspiegelkonfiguration mit einem PMOS-Transistor P10 ist. Die Sources der Transistoren P8 und P10 sind mit dem Leistungsversorgungsknoten verbunden. In ähnlicher Weise ist das Gate (sowie der Drain) für den Transistor P8 mit dem Gate des Transistors P10 verbunden, dessen Drain mit dem Drain des zweiten Differentialpaartransistors M5 verbunden ist. Die Rückkopplung über die Differentialpaartransistoren M4 und M5 zwingt somit die Rückkopplungsknotenspannung während des normalen Betriebs (aktiver Modus) gleich der Referenzspannung zu sein. Zusätzlich kann diese Rückkopplung weiter durch eine Kompensationsschaltung stabilisiert werden, die zum Beispiel durch eine serielle Kombination eines Kompensationskondensators Cc und eines Kompensationswiderstands Rc gebildet wird, die von dem Leistungsversorgungsknoten zu dem Ausgangsknoten für den Operationsverstärker 205 koppeln.
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Im Folgenden wird ein Betriebsverfahren für den Bias-Strom-Generator 200 diskutiert. Das Verfahren umfasst Vorgänge, die während einer inaktiven Periode für den Operationsverstärker 205 stattfinden. Diese Vorgänge der inaktiven Periode umfassen ein Öffnen des Schalters S3, um zu verhindern, dass der Ausgangstransistor P5 leitet, und auch ein Schließen des durch den Schalttransistor MPU2 gebildeten Schalters, um das Gate des ersten Differentialpaartransistors M4 auf die Leistungsversorgungsspannung VDD zu laden, während der Knoten-Biasing-Strom durch einen Kanal des ersten Differentialpaartransistors M4 und durch eine Body-Diode des zweiten Differentialpaartransistors M5 geleitet wird, um das Gate des Ausgangstransistors mit dem Knoten-Biasing-Strom zu versehen.
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Das Verfahren umfasst auch Vorgänge, die während der aktiven Periode für den Operationsverstärker 205 stattfinden. Diese Vorgänge der aktiven Periode umfassen ein Schließen des Schalters S3, um zu ermöglichen, dass der Ausgangstransistor P5 ein Leiten durch den Ausgangswiderstand beginnen kann, und auch ein Ausschalten des Schalttransistors MPU2, so dass eine Rückkopplung durch den Operationsverstärker 205 bewirkt, dass der Ausgangstransistor P5 den Bias-Strom leitet, der einem Verhältnis der Referenzspannung und des Widerstands für den Ausgangswiderstand entspricht, wobei der Bias-Strom größer ist als der Knoten-Biasing-Strom.
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Die vorangehende Beschreibung war beispielhaft derart, dass Fachleute auf dem Gebiet erkennen werden, dass zahlreiche Modifikationen, Substitutionen und Variationen in und an den Materialien, Vorrichtungen, Konfigurationen und Verfahren zur Verwendung der Vorrichtungen der vorliegenden Offenbarung vorgenommen werden können, ohne von deren Umfang abzuweichen. Zum Beispiel kann die Polarität von Transistoren umgekehrt werden (PMOS anstelle von NMOS oder NMOS anstelle von PMOS), um alternative Ausführungsbeispiele zu bilden. In Anbetracht dessen soll der Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht auf den der hier dargestellten und beschriebenen bestimmten Ausführungsbeispiele beschränkt sein, da sie lediglich einige Beispiele davon sind, sondern vielmehr mit denen der beigefügten Ansprüche und ihrer funktionalen Äquivalente übereinstimmen.
