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Oberbegriff
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Die Erfindung richtet sich auf die Eingangsstufe eines Ausgangstreibers für eine Datenleitung bei der die Eingangsstufe einen Strom in einen gemeinsamen Knoten mit einer Leistungsstufe einspeist. Dieser Strom der Eingangsstufe in den gemeinsamen Knoten hinein hängt dabei von der Spannungsdifferenz zwischen einem positiven Eingang und einem negativen Eingang der Eingangsstufe ab. Die Leistungsstufe erzeugt dabei ein Potenzial an dem Ausgangsknoten, das von dem Strom der Eingangsstufe in den gemeinsamen Knoten hinein bevorzugt, wenn man von parasitären Effekten absieht, ausschließlich abhängt.
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Allgemeine Einleitung
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Für die Ansteuerung von Datenbusleitungen durch integrierte Schaltungen werden Bustreiber benötigt. Diese sollen klein und robust sein. Typischerweise sind die Bus-Spannungen wesentlich höher als die Spannungen, die in modernen digitalen Zellen der integrierten Schaltung verarbeitet werden. Solche integrierten Schaltungen weisen daher in der Regel mehr als eine Versorgungsspannung auf. In dem hier diskutierten Beispiel eines DSI3-Bustreibers werden auf dem Datenbus 30V Spannung benötigt, während die Eingangsstufe mit 5V arbeiten muss.
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Für die Leistungsstufe sind Hochvolttransistoren erforderlich, die die nominale Datenbusspannung und ggf. auftretende Überschwinger verarbeiten können und die entsprechenden Zuverlässigkeitsanforderungen erfüllen. Diese Hochvolttransistoren sind relativ flächenintensiv, um die elektrische Feldstärke beim Abbau der elektrischen Spannung begrenzt zu halten. Daher soll deren Anzahl in einem solchen Bustreiber minimiert werden.
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Bei der Ausarbeitung der Erfindung hat sich gezeigt, dass ausnahmslos alle anderen Implementierungsversuche einer AB-Endstufe zur Ansteuerung der Datenleitung mit einer Strombegrenzung über einen Regelkreis geschwungen haben oder nicht die geforderte Bandbreite hatten.
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Aus der
US 2016 / 0 164 517 A1 ist eine Differenzverstärkerstufe (
6 der
US 2016 / 0 164 517 A1 ) bekannt. Die Differenzverstärkerstufe der
US 2016 / 0 164 517 A1 umfasst einen negativen Eingang (Bezugszeichen Vinn der
US 2016 / 0 164 517 A1 ), einen positiven Eingang (Bezugszeichen Vinp der
US 2016 / 0 164 517 A1 ), einen ersten Transistor (Bezugszeichen
Q2 der
US 2016 / 0 164 517 A1 ), einen zweiten Transistor (Bezugszeichen
Q1 der
US 2016 / 0 164 517 A1 ), einen dritten Transistor (Bezugszeichen
Q3 der
US 2016 / 0 164 517 A1 ), eine ersten Stromquelle (Bezugszeichen
602 der
US 2016 / 0 164 517 A1 ), eine nullten Stromquelle (Bezugszeichen I der
US 2016 / 0 164 517 A1 ), einen ersten Knoten (Bezugszeichen Vout der
US 2016 / 0 164 517 A1 ), einen zweiten Knoten (Knoten zwischen Source des dritten Transistors mit dem Bezugszeichen
Q3 der
US 2016 / 0 164 517 A1 und dem Drain des zweiten Transistors mit dem Bezugszeichen
Q1 der
US 2016 / 0 164 517 A1 ) und einen siebten Knoten (Einspeisepunkt der Stromquelle I der
US 2016 / 0 164 517 A1 ). Der erste Transistor (Bezugszeichen
Q2 der
US 2016 / 0 164 517 A1 ) weist einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss und einen Steueranschluss auf. Der zweite Transistor (Bezugszeichen
Q1 der
US 2016 / 0 164 517 A1 ) weist einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss und einen Steueranschluss auf. Der dritte Transistor (Bezugszeichen
Q3 der
US 2016 / 0 164 517 A1 ) weist einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss und einen Steueranschluss auf. Die nullte Stromquelle (Bezugszeichen I der
US 2016 / 0 164 517 A1 ) entnimmt einen nullten Strom aus dem siebten Knoten (Einspeisepunkt der Stromquelle I der
US 2016 / 0 164 517 A1 ). Der erste Transistor (Bezugszeichen
Q2 der
US 2016 / 0 164 517 A1 ) ist mit seinem ersten Anschluss mit dem siebten Knoten (Einspeisepunkt der Stromquelle I der
US 2016 / 0 164 517 A1 ) verbunden. Der zweite Transistor (Bezugszeichen
Q1 der
US 2016 / 0 164 517 A1 ) ist mit seinem ersten Anschluss mit dem siebten Knoten (Einspeisepunkt der Stromquelle I der
US 2016/0 164 517 A1 ) verbunden. Der Steueranschluss des ersten Transistors (Bezugszeichen
Q2 der
US 2016 / 0 164 517 A1 ) ist mit dem negativen Eingang (Bezugszeichen Vinn der
US 2016 / 0 164 517 A1 ) verbunden. Der Steueranschluss des zweiten Transistors (Bezugszeichen
Q1 der
US 2016 / 0 164 517 A1 ) ist mit dem positiven Eingang (Bezugszeichen Vinp der
US 2016 / 0 164 517 A1 ) verbunden. Der erste Transistor (Bezugszeichen
Q2 der
US 2016 / 0 164 517 A1 ) ist mit seinem zweiten Anschluss mit dem ersten Knoten (Bezugszeichen Vout der
US 2016 / 0 164 517 A1 ) verbunden. Der zweite Transistor (Bezugszeichen
Q2 der
US 2016 / 0 164 517 A1 ) ist mit seinem zweiten Anschluss mit dem zweiten Knoten (Knoten zwischen Source des dritten Transistors mit dem Bezugszeichen
Q3 der
US 2016 / 0 164 517 A1 und dem Drain des zweiten Transistors mit dem Bezugszeichen
Q1 der
US 2016 / 0 164 517 A1 ) verbunden. Der erste Knoten (Bezugszeichen Vout der
US 2016 / 0 164 517 A1 ) ist mit dem Ausgang der ersten Stromquelle (Bezugszeichen I/2 der
US 2016 / 0 164 517 A1 ) verbunden. Die erste Stromquelle (Bezugszeichen
602 der
US 2016 / 0 164 517 A1 ) speist in den ersten Knoten (
K1) einen ersten Strom (Bezugszeichen Vout der
US 2016 / 0 164 517 A1 ) eins. Der zweite Anschluss des dritten Transistors (Bezugszeichen
Q3 der
US 2016 / 0 164 517 A1 ) ist mit dem zweiten Knoten (Knoten zwischen Source des dritten Transistors mit dem Bezugszeichen
Q3 der
US 2016 / 0 164 517 A1 und dem Drain des zweiten Transistors mit dem Bezugszeichen
Q1 der
US 2016 / 0 164 517 A1 ) verbunden. Der erste Anschluss des dritten Transistors (Bezugszeichen
Q3 der
US 2016 / 0 164 517 A1 ) ist mit einem Bezugspotenzial (Im Falle der
US 2016 / 0 164 517 A die Versorgungsspannung) verbunden. Der Steueranschluss des dritten Transistors (Bezugszeichen
Q3 der
US 2016 / 0 164 517 A1 ) ist mit dem ersten Knoten (Bezugszeichen Vout der
US 2016 / 0 164 517 A1 ) verbunden.
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Die
US 2016 / 0 164 517 A1 offenbart insbesondere in ihrer
6 eine mit Feldeffekttransistoren realisierte Differenzverstärkerstufe, deren Sourceströme von der nullten Stromquelle (Bezugszeichen I der
US 2016 / 0 164 517 A1 ) gespeist werden. In der Drainleitung des zweiten Transistors (Bezugszeichen
Q2 der
US 2016 / 0 164 517 A1 ) liegt ein dritter Transistor (Bezugszeichen
Q3 der
US 2016 / 0 164 517 A1 ). In der Drain-Leitung des ersten Transistors (Bezugszeichen
Q2 der
US 2016 / 0 164 517 A1 ) liegt eine erste Stromquelle (Bezugszeichen
602 der
US 2016 / 0 164 517 A1 )
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Diese Konstruktion hat den Nachteil, dass sie a) eine Ausgangsspannung und nicht den gewünschten Ausgangsstrom als Ausgangssignal liefert und b) nicht über die geforderte Bandbreite verfügt.
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Aus der
US 6 859 075 B1 ist eine Differenzverstärkerstufe bekannt, die mit Feldeffekttransistoren realisiert wird und in der ein „bleed resistor“ (Bezugszeichen
125 bzw.
126 der
US 6 859 075 B1 vorgesehen ist.
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Aufgabe
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Dem Vorschlag liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die möglichst wenige Hochvolttransistoren benötigt und gleichzeitig eine große Bandbreite bei geringer Schwingneigung aufweist. Die Ausgangsstufe der Lösungsschaltung soll dabei über eine integrierte Strombegrenzung verfügen. Die Schwingfähigkeit des dabei zur Leistungsbegrenzung genutzten Regelkreises soll dabei auf den Anwendungsfall bezogen minimiert werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
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Lösung der Aufgabe
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Es wurde erfindungegemäß erkannt, dass es zu Lösung der Aufgabe sinnvoll ist, zusätzlich zur technischen Lehre der
US 2016 / 0 164 517 A1 einen ersten Widerstand (
R1) vorzusehen, wobei der erste Widerstand (
R1) einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist und wobei der erste Widerstand (
R1) mit seinem ersten Anschluss mit dem ersten Knoten (
K1) verbunden ist und wobei der erste Widerstand (
R1) mit seinem zweiten Anschluss mit dem zweiten Knoten (
K2) verbunden ist und wobei der zweite Knoten (
K2) das Ausgangssignal der Differenzverstärkerstufe (
PA) und nicht der erste Knoten (
K1) das Ausgangssignal der Differenzverstärkerstufe darstellt.
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Die erfindungsgemäße Schaltung gliedert sich in zwei Teile. Der Erste Teil ist eine Eingangsstufe (PA), die als Vorverstärker dient. Der zweite Teil ist eine Leistungsstufe (PS) zur Ansteuerung des Datenbusses am Ausgangsknoten (Outp). Es handelt sich somit um einen Low-Voltage/Low-Side Eingangsdifferenzverstärker, der Eingangsstufe (PA), mit einer ersten Versorgungsspannungsleitung (Vdd5V) mit einer niedrigen Betriebsspannung von beispielsweise 5V, gefolgt von einer High-Voltage Endstufe, der Leistungsstufe (PS), mit Hochvolttransistoren und mit einer zweiten Versorgungsspannungsleitung (Vdd30V) mit einer höheren Betriebsspannung von beispielsweise 30V.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert. Maßgeblich für den beanspruchten Umfang sind die Ansprüche. Insofern stellen die Figuren nur beispielhafte Implementierungen der erfinderischen Lösung dar. Dem Fachmann ist offenbar, dass es sich bei den in den Figuren dargestellten Schaltsymbolen auch um Zusammenschaltungen mehrerer mikroelektronischer Funktionselemente mit m Wesentlichen gleicher Wirkung zu der dem verwendeten jeweiligen Schaltsymbol entsprechenden Wirkung handeln kann. Solche äquivalenten Funktionselemente, die eine Zusammenschaltung mehrerer mikroelektronischer Funktionselemente sind, sollen ausdrücklich von dem beanspruchten Umfang mit umfasst sein.
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Zur Eingangsstufe
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Die Eingangsstufe umfasst eine Differenzstufe aus einem ersten Transistor (T1) eines ersten Leitungstyps und einem zweiten Transistor (T2) eines ersten Leitungstyps. Hier ist der erste Leitungstyp beispielhaft ein P-Kanal-Transistor. Dementsprechend ist im Folgenden ein Transistor eines zweiten Leitungstyps beispielhaft ein N-Kanal-Transistor, wobei der zweite Leitungstyp sich immer vom ersten Leitungstyp unterscheidet. Wie bei Differenzstufen üblich sind die beiden Differenzstufen-Transistoren, nämlich der erste Transistor (T1) und der zweite Transistor (T2), mit ihrem Source-Anschluss mit einem gemeinsamen Knoten verbunden. Hier ist der gemeinsame Knoten der siebte Knoten (K7). Eine nullte Stromquelle (10) speist einen nullten Strom (i0) in den siebten Knoten (K7) ein. Dieser nullte Strom (i0), wird in einen ersten Zweigstrom (id1) und einen zweiten Zweigstrom (id2) aufgespalten. Der erste Zweigstrom (id1) durchströmt den ersten Transistor (T1). Der zweite Zweigstrom(id2) durchströmt den zweiten Transistor (T2). Ein erster Strom (i1) einer ersten Stromquelle (I1) nimmt einen ersten Teil des ersten Zweigstromes (id1) auf, während ein zweiter Teil des ersten Zweigstromes (id1) einen ersten Widerstand (R1) durchströmt und einem zweiten Knoten (K2) zugeführt wird. Hierfür ist der erste Transistor (T1) mit seinem Drain-Anschluss mit einem ersten Knoten (K1) verbunden. Mit dem ersten Knoten (K1) ist der erste Widerstand (R1) mit einem ersten Anschluss dieses ersten Widerstands (R1) verbunden. Der erste Widerstand (R1) ist mit seinem zweiten Anschluss mit dem zweiten Knoten (K2) verbunden. Der zweite Transistor (T2) ist mit seinem Drain-Anschluss mit dem zweiten Knoten (K2) verbunden. Der zweite Zweigstrom (id2) wird ebenfalls dem zweiten Knoten (K2) zugeführt. Ein dritter Transistor (T3) des zweiten Leitungstyps führt einen Teil der dem zweiten Knoten (K2) zugeführten Ströme zu einem Bezugspotenzial (GND) hin ab. Hierfür ist der dritte Transistor (T3) mit seinem Drain-Anschluss mit dem zweiten Knoten (K2) verbunden und mit seinem Source-Anschluss mit dem Bezugspotenzial (GND) verbunden. Eine erste Stromquelle (I1) speist in den ersten Knoten (K1) den besagten ersten Strom (i1) der ersten Stromquelle (I1) ein. Der Steuereingang (das Gate) des dritten Transistors (T3) ist mit dem ersten Knoten (K1) verbunden. Damit hängt die Gate-Source-Spannung des dritten Transistors (T3) direkt vom differentiellen Innenwiderstand der ersten Stromquelle (I1) ab. Die sich dadurch ergebende große Verstärkung wird nun durch die Kette aus Differenzstufe (T1, T2) und erstem Widerstand (R1) wieder zurückgekoppelt, wodurch die große Verstärkung in eine große Bandbreite der Eingangsstufe (PA) umgewandelt wird.
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Wäre der dritte Transistor (T3) als Stromquelle, wie aus dem Stand der Technik bekannt, mit einer MOS-Diode an Stelle der ersten Stromquelle (I1) beschaltet, so würde es sich um eine übliche Eingangsstufe handeln. In der oben beschriebenen Form jedoch, mit der ersten Stromquelle (I1) an Stelle der sonst üblichen MOS-Diode, handelt es sich um zwei hintereinanderliegende Inverter-Stufen. In der Eingangsstufe (PA) wäre eine große Verstärkung von Nachteil, weil diese die Phasen-Reserve für das Gesamtsystem reduzieren würde, was zu Schwingungen führen würde. Der Querwiderstand in Form des ersten Widerstands (R1) dient dabei zur Reduktion der Verstärkung auf einen Wert, den üblicherweise eine Standarddifferenz-Eingangsstufe hätte. Die Eingangsstufe (PA) soll aufgabengemäß eine große Bandbreite aufweisen.
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Die erste Stromquelle (I1) kann beispielsweise aus einem fünften Transistor (T5) des zweiten Leitungstyps und einem vierten Transistor (T4) des zweiten Leitungstyps bestehen. Dabei kann der fünfte Transistor (T5) als MOS-Diode verschaltet sein, um beispielsweise zusammen mit einem Referenzwiderstand (Rref) aus einer erste Versorgungsspannung (Vdd5V), die typischerweise im Innern einer integrierten Schaltung verwendet wird, einen ersten Referenzstrom (iref1 ) zu erzeugen, der dann durch eine beispielhafte Stromspiegelstruktur aus dem fünften Transistor (T5) und dem vierten Transistor (T4) in den besagten ersten Strom (i1) der ersten Stromquelle (I1) gewandelt wird.
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Der Stromspiegel besteht somit aus dem vierten Transistor (T4) und dem fünften Transistor (T5). Dieser Stromspiegel (T4, T5), der die erste Stromquelle (11) bildet, hat eine große, die Bandbreite begrenzende, parasitäre Kapazität. Der erste Knoten (K1) ist durch diese parasitäre Kapazität der ersten Stromquelle kapazitiv belastet und damit hinsichtlich transienter Änderungen seines elektrischen Potenzials bezogen auf das Bezugspotenzial (GND) langsamer. Der zweite Knoten (K2) profitiert jedoch von der Funktion der Differenzstufe aus dem ersten Transistor (T1) und dem zweiten Transistor (T2). Der zweite Knoten (K2) ist durch die parasitäre Kapazität der ersten Stromquelle (I1) kapazitiv nicht belastet und damit hinsichtlich transienter Änderungen seines elektrischen Potenzials bezogen auf das Bezugspotenzial (GND) schneller. Die hierdurch hervorgerufene größere Bandbreite ist der Zweck dieser Eingangsstufe (PA).
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Das Ausgangssignal der Eingangsstufe (PA) ist ein Stromsignal am zweiten Knoten (K2). Die Bandbreite verbessert sich durch die Verwendung dieser Eingangsstufe beispielsweise in typischen CMOS-Schaltungen ungefähr um einen Faktor 1,8. Die Eingangsstufe (PA) ist ein Niederspannungsverstärker, der nur auf der Low-Seite einkoppelt.
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Leistungsstufe (PS)
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Eine beispielhafte Schaltung der Leistungsstufe (PS) ist in 8 und in 9 und in 10 dargestellt. Eine stark vereinfachte Schaltung der Leistungsstufe (PS) ist in 2 und in 4 und in 5 dargestellt.
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Die starke Vereinfach ist dem Fachmann offensichtlich, so wie auch die Tatsache, dass die dargestellten Transistoren durch andere mikroelektronische Baugruppen ersetzt werden können, die eine äquivalente Funktionsweise haben. Diese Zusammenhänge sind aus der Lehre der Schaltungstechnik dem Fachmann allgemein bekannt. Die hier erwähnte Vereinfachung wird im Folgenden kurze erläutert.
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2, 4 und 5 zeigen einen siebten Transistor (T7) und einen vierzehnten Transistor (T14) und einen fünfzehnten Transistor (T15) und einen sechzehnten Transistor (T16). 8, 9 und 10 zeigen einen siebzehnten Transistor (T17) und einen achtzehnten Transistor (T18) und einen neunzehnten Transistor (T19) und einen zwanzigsten Transistor (T20) und einen einundzwanzigsten Transistor (T21) und einen zweiundzwanzigsten Transistor (T22) und einen dreiundzwanzigsten Transistor (T23) und einen vierundzwanzigsten Transistor (T24).
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Der vierzehnte Transistor (T14) repräsentiert die Verschaltung des achtzehnten Transistors (T18) und des zweiundzwanzigsten Transistors (T22).
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Der achtzehnte Transistor (T18) ist hierbei für die korrekte Arbeitspunkteinstellung des zweiundzwanzigsten Transistors (T22) notwendig, da ohne den achtzehnten Transistor (T18) der zweiundzwanzigste Transistor (T22) nicht richtig aufsteuern würde. Dies ist dem Fachmann aber offensichtlich, so dass vereinfacht in 2 nur der vierzehnte Transistor (T14) gezeigt wird.
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Die anderen, oben genannten Vereinfachungen sind analog begründet.
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Der fünfzehnte Transistor (T15) repräsentiert die Verschaltung des siebzehnten Transistors (T17) und des einundzwanzigsten Transistors (T21).
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Der sechzehnte Transistor (T16) repräsentiert die Verschaltung des neunzehnten Transistors (T19) und des dreiundzwanzigsten Transistors (T23).
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Der siebte Transistor (T7) repräsentiert die Verschaltung des zwanzigsten Transistors (T20) und des vierundzwanzigsten Transistors (T24).
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Zur einfacheren Lesbarkeit wird im Folgenden die vereinfachte Darstellung, wie in 2, in 4 und 5 beispielhaft gezeigt, verwendet.
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Bei der Besprechung der Leistungsstufe (PS) sei vorweggestellt, dass ein dreizehnter Transistor (T13), ein neunter Transistor (T9), und ein sechster Transistor (T6) leistungsbegrenzend wirken.
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Ein achter Transistor (T8) stellt den Low-Side-Teil einer AB-Endstufe dar. Ein zwölfter Transistor (T12) stellt den High-Side-Teil dieser AB-Endstufe dar.
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Der Strom durch den zwölften Transistor (T12) wird durch den neunten Transistor (T9) begrenzt.
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Der Strom durch den achten Transistor (T8) wird durch den dreizehnten Transistor (T13) begrenzt.
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Entsprechend dem Stand der Technik müsste hier in der Leistungsstufe (PS) eine symmetrische Eingangsstufe anstelle der hier vorgeschlagenen Eingangsstufe (PA) auch auf der High-Side vorgesehen werden, die komplementär zum vierten Knoten (K4) in den dritten Knoten (K3) einspeist.
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Dies hätte den Nachteil, dass der Eingangsverstärker bei der relativ hohen Spannung der zweiten Versorgungsspannungsleitung (Vdd30V) der Leistungsstufe, hier beispielsweise 30V, anstelle der vorgeschlagenen niedrigeren inneren Betriebsspannung der ersten Versorgungsspannungsleitung (Vdd5V) des integrierten Schaltkreises, hier beispielsweise 5V, betrieben werden muss. Dies würde in der Vorverarbeitung der Eingangsstufe (PA) spannungsfestere Transistoren erfordern, die zudem eine größere Chipfläche zur Folge hätten. Des Weiteren hätten solche Transistoren in Folge der vergrößerten parasitären Kapazitäten auch massive Einschränkungen der Frequenzcharakteristik der Eingangsstufe (PA) zur Folge.
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Diese Verwendung von Hochvolttransistoren kann bei Anwendung der erfindungsgemäßen technischen Lehre eingespart werden. Die Stromeinspeisung des Stromausgangssignals der Eingangsstufe (PA) am zweiten Knoten (K2) erfolgt ausschließlich auf der Low-Side der Leistungsstufe (PS) durch den Eingangsdifferenzverstärker.
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Wie bereits beschrieben begrenzt der neunte Transistor (T9) den Strom durch den zwölften Transistor (T12). Der Strom wird hierbei durch eine fünfte Stromquelle (15) bestimmt, die einen fünften Strom (i5) einem als MOS-Diode verschalteten fünfzehnten Transistor (T15) entnimmt und in einen ebenfalls als MOS-Diode geschalteten sechzehnten Transistor (T16) einspeist.
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Die Referenzspannung, die hierdurch über den als MOS-Diode verschalteten sechzehnten Transistor (T16) abfällt, stellt dann den Strom durch den neunten Transistor (T9) und damit durch den zwölften Transistor (T12) ein.
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Die Referenzspannung, die durch den fünften Strom (i5) über den als MOS-Diode verschalteten fünfzehnten Transistor (T15) abfällt, stellt dann den Strom durch den dreizehnten Transistor (T13) und damit durch den neunten Transistor (T9) ein.
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Der neunte Transistor (T9) stellt die Trennung zwischen Niedervolt-Bereich, mit der niedrigen Betriebsspannung (Vdd5V) und dem Hochvolt-Bereich mit der hohen Betriebsspannung (Vdd30) sicher. Die Eingangsstufe (PA) zieht das Gate eines zehnten Transistors (T10) nach oben und der sechste Transistor (T6) begrenzt den Maximalwert der Spannung am vierten Knoten (K4) gegen das Bezugspotenzial (GND). Der vierte Knoten (K4) ist mit dem Gate des zehnten Transistors (T10) verbunden. Das Gate-Potenzial am sechsten Transistor (T6) ist dabei so eingestellt, dass der begrenzte Spannungswert am vierten Knoten (K4) der gewünschten Strombegrenzung entspricht, da der sechzehnte Transistor (T16) und der sechste Transistor (T6) einen Stromspiegel bilden.
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Die hier vorgeschlagene Eingangsstufe (PA) bildet zusammen mit dem sechsten Transistor (T6) auf der einen Seite eine Struktur, die einer vierten Stromquelle (14) zusammen mit dem zwölften Transistor (T12) und dem neunten Transistor (T9) auf der anderen Seite äquivalent und parallelgeschaltet ist. Im weitesten Sinne korrespondiert also die nullte Stromquelle (10) mit der vierten Stromquelle (14), der zwölfte Transistor (T12) mit dem zweiten Transistor (T2) und der neunte Transistor (T9) mit dem sechsten Transistor (T6). Beide Strukturen erwirken die beabsichtigte Strombegrenzung
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Das Transistor-Paar aus dem dreizehnten Transistor (T13) und einem elften Transistor (T11) funktioniert äquivalent zu dem bereits erläuterten Transistorpaar aus dem sechsten Transistor (T6) und dem zehnten Transistor (T10).
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In den Figuren sind alle Endstufentransistoren (T6 bis T16) der Leistungsstufe (PS) bevorzugt Hochvolttransistoren, während alle Transistoren (T1, T2, T3, T4, T5) der Eingangsstufe (PA) bevorzugt Niedervolttransitoren sind.
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Der neunte Transistor (T9) sorgt somit für eine Strombegrenzung des zehnten Transistors (T10). Der dreizehnte Transistor (T13) sorgt analog dazu für eine Strombegrenzung des elften Transistors (T11).
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Merkmale der Erfindung
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Die Erfindung zeichnet sich zum Ersten durch eine besonders breitbandige Differenzverstärkerstufe (PA) mit einem Stromausgang aus, dessen Ausgangsstrom (iPA ) in seinem Wert von der Spannungsdifferenz zwischen einem positiven Eingang (INP) und einem negativen Eingang (INN) abhängt. Diese erfindungsgemäße Differenzverstärkerstufe (PA) weist somit einen negativen Eingang (INN) und einen positiven Eingang (INP) auf. Darüber hinaus umfasst sie auch einen ersten Transistor (T1), zweiten Transistor (T2) und dritten Transistor (T3). Sie verfügt als Arbeitswiderstand in dem dem Ausgangsknoten, dem zweiten Knoten (K2), gegenüberliegenden Zweig über eine erste Stromquelle (I1) und damit über einen großen differentiellen Arbeitswiderstand, der hier die Verstärkung maximiert. Des Weiteren verfügt sie über einen ersten Widerstand (R1), der zur Spannungsgegenkopplung mit dem Potenzial des Ausgangsknotens (K2) dient. Wie bei Differenzstufen üblich verfügt die vorgeschlagene Differenzstufe über eine nullte Stromquelle (10) als gemeinsame Stromquelle beider Zweige. Die Differenzstufe verfügt über einen ersten Knoten (K1), einen zweiten Knoten (K2) und einen siebten Knoten (K7). Der erste Transistor (T1) weist einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss und einen Steueranschluss auf. Der zweite Transistor (T2) weist einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss und einen Steueranschluss auf. Der dritte Transistor (T3) weist einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss und einen Steueranschluss auf. Der erste Widerstand (R1) weist einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf. Die nullte Stromquelle (10) speist einen nullten Strom (i0) in den siebten Knoten (K7) ein, der durch den ersten Transistor (T1) und den zweiten Transistor (T2) auf die beiden Zweige der Differenzstufe aufgeteilt wird. Der erste Transistor (T1) ist mit seinem ersten Anschluss mit dem siebten Knoten (K7) verbunden. Der zweite Transistor (T2) ist mit seinem ersten Anschluss mit dem siebten Knoten (K7) verbunden. Der Steueranschluss des ersten Transistors (T1) ist mit dem negativen Eingang (INN) verbunden. Der Steueranschluss des zweiten Transistors (T2) ist mit dem positiven Eingang (INP) verbunden. Der erste Transistor (T1) ist mit seinem zweiten Anschluss mit dem ersten Knoten (K1) verbunden. Der zweite Transistor (T2) ist mit seinem zweiten Anschluss mit dem zweiten Knoten (K2) verbunden. Der erste Widerstand (R1) ist mit seinem ersten Anschluss mit dem ersten Knoten (K1) verbunden. Der erste Widerstand (R1) ist mit seinem zweiten Anschluss mit dem zweiten Knoten (K2) verbunden. Der erste Knoten (K1) ist mit dem Ausgang der ersten Stromquelle (I1) verbunden. Die erste Stromquelle (I1) entnimmt dem ersten Knoten (K1) einen ersten Strom (i1). Der zweite Anschluss des dritten Transistors (T3) ist mit dem zweiten Knoten (K2) verbunden. Der erste Anschluss des dritten Transistors (T3) ist mit einem Bezugspotenzial (GND) direkt oder indirekt verbunden. Der Steueranschluss des dritten Transistors (T3) ist mit dem ersten Knoten (K1) verbunden. Der zweite Knoten (K2) speist das Ausgangssignal der Differenzverstärkerstufe (PA).
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Darüber zeichnet sich die Erfindung durch eine Leistungsstufe (PS) aus. Diese umfasst als Schaltungsknoten u.a. einen zweiten Knoten (K2) als Eingangsknoten, einen dritten Knoten (K3), einen vierten Knoten (K4), einen fünften Knoten (K5), einen sechsten Knoten (K6), einen achten Knoten (K8), einen neunten Knoten (K9), einen zehnten Knoten (K10) und einen elften Knoten (K11). An Stromquellen weist die Leistungsstufe (PS) typischerweise eine zweite Stromquelle (12) und eine vierte Stromquelle (14) auf. Den Ausgang der Leistungsstufe (PS) bildet der Ausgangsknoten (Outp). An Transistoren umfasst die Leistungsstufe u.a. einen sechsten Transistor (T6), einen achten Transistor (T8), einen neunten Transistor (T9), einen zehnten Transistor (T10), einen elften Transistor (T11), einen zwölften Transistor (T12) und einen dreizehnten Transistor (T13). Die Energieversorgung erfolgt aus einer zweiten Versorgungsspannungsleitung (Vdd30V) und mittels der Bezugspotenzialleitung (GND). Intern verfügt die Leistungsstufe über eine erste Doppelreferenzspannungsquelle. Die erste Doppelreferenzspannungsquelle weist bevorzugt einen fünfzehnten Transistor (T15), einen sechzehnten Transistor (T16), sowie eine fünfte Stromquelle (15) auf. Die fünfte Stromquelle (15) ist dann bevorzugt in Serie zwischen den fünfzehnten Transistor (T15) und den sechzehnten Transistor (T16) geschaltet. Der fünfzehnte Transistor (T15) ist bevorzugt als MOS-Diode verschaltet. Der sechzehnte Transistor (T16) ist bevorzugt ebenfalls als MOS-Diode verschaltet. Der fünfzehnte Transistor (T15) und die fünfte Stromquelle (15) sind bevorzugt über den sechsten Knoten (K6) miteinander verbunden. Der sechzehnte Transistor (T16) und die fünfte Stromquelle (15) sind bevorzugt über den fünften Knoten (K5) miteinander verbunden. Der fünfzehnte Transistor (T15) ist bevorzugt mit seinem ersten Anschluss mit der zweiten Versorgungsspannungsleitung (Vdd30V) verbunden. Der sechzehnte Transistor (T16) ist bevorzugt mit seinem ersten Anschluss mit der Bezugspotenzialleitung (GND) verbunden. Die Leistungsstufe weist bevorzugt eine zweite Doppelreferenzspannungsquelle auf. Die zweite Doppelreferenzspannungsquelle umfasst u.a. bevorzugt einen vierzehnten Transistor (T14), einen siebten Transistor (T7) und eine dritte Stromquelle (13). Die dritte Stromquelle (13) ist bevorzugt in Serie zwischen den vierzehnten Transistor (T14) und den siebten Transistor (T7) geschaltet. Der vierzehnte Transistor (T14) ist bevorzugt als MOS-Diode verschaltet. Der siebte Transistor (T7) ist ebenfalls bevorzugt als MOS-Diode verschaltet. Der vierzehnte Transistor (T14) und die dritte Stromquelle (13) sind bevorzugt über den achten Knoten (K8) miteinander verbunden. Der siebte Transistor (T7) und die dritte Stromquelle (13) sind bevorzugt über den neunten Knoten (K9) miteinander verbunden. Der vierzehnte Transistor (T14) ist mit seinem ersten Anschluss mit der zweiten Versorgungsspannungsleitung (Vdd30V) verbunden. Der siebte Transistor (T7) ist mit seinem ersten Anschluss mit dem Bezugspotenzial (GND) verbunden. Der sechste Transistor (T6) weist einen ersten Anschluss und einen Steueranschluss und einen zweiten Anschluss auf. Der achte Transistor (T8) weist einen ersten Anschluss und einen Steueranschluss und einen zweiten Anschluss auf. Der neunte Transistor (T9) weist einen ersten Anschluss und einen Steueranschluss und einen zweiten Anschluss auf. Der zehnte Transistor (T10) weist einen ersten Anschluss und einen Steueranschluss und einen zweiten Anschluss auf. Der elfte Transistor (T11) weist einen ersten Anschluss und einen Steueranschluss und einen zweiten Anschluss auf. Der zwölfte Transistor (T12) weist einen ersten Anschluss und einen Steueranschluss und einen zweiten Anschluss auf. Der dreizehnte Transistor (T13) weist einen ersten Anschluss und einen Steueranschluss und einen zweiten Anschluss auf. Der sechste Transistor (T6) ist mit seinem zweiten Anschluss mit dem vierten Knoten (K4) verbunden. Der achte Transistor (T8) ist mit seinem zweiten Anschluss mit dem vierten Knoten (K4) verbunden. Der neunte Transistor (T9) ist mit seinem zweiten Anschluss mit dem vierten Knoten (K4) verbunden. Der sechste Transistor (T6) ist mit seinem ersten Anschluss mit dem zweiten Eingangsknoten (K2) verbunden. Der achte Transistor (T8) ist mit seinem ersten Anschluss mit dem elften Knoten (K11) verbunden. Der neunte Transistor (T9) ist mit seinem ersten Anschluss mit dem zehnten Knoten (K10) verbunden. Der sechste Transistor (T6) ist mit seinem Steueranschluss mit dem fünften Knoten (K5) verbunden. Der achte Transistor (T8) ist mit seinem Steueranschluss mit dem neunten Knoten (K9) verbunden. Der neunte Transistor (T9) ist mit seinem Steueranschluss mit dem fünften Knoten (K5) verbunden. Die zweite Stromquelle (12) entnimmt einen zweiten Strom (i2) aus dem vierten Knoten (K4). Der Steueranschluss des zehnten Transistors (T10) ist mit dem vierten Knoten (K4) verbunden. Der erste Anschluss des zehnten Transistors (T10) ist direkt oder indirekt mit dem Bezugspotenzial (GND) verbunden. Der zweite Anschluss des zehnten Transistors (T10) ist mit dem Ausgangsknoten (Outp) verbunden. Der zweite Anschluss des elften Transistors (T11) ist mit dem Ausgangsknoten (Outp) verbunden. Der erste Anschluss des elften Transistors (T11) ist direkt oder indirekt mit der zweiten Versorgungsspannungsleitung (Vdd30V) verbunden. Der Steueranschluss des elften Transistors (T11) ist mit dem dritten Knoten (K3) verbunden. Die dritte Stromquelle (13) speist einen dritten Strom (i3) in den dritten Knoten (K3) ein. Der zwölfte Transistor (T12) ist mit seinem ersten Anschluss mit dem dritten Knoten (K3) verbunden. Der zwölfte Transistor (T12) ist mit seinem zweiten Anschluss mit dem zehnten Knoten (K10) verbunden. Der zwölfte Transistor (T12) ist mit seinem Steueranschluss mit dem achten Knoten (K8) verbunden. Der dreizehnte Transistor (T13) ist mit seinem ersten Anschluss mit dem dritten Knoten (K3) verbunden. Der dreizehnte Transistor (T13) ist mit seinem zweiten Anschluss mit dem elften Knoten (K11) verbunden. Der dreizehnte Transistor (T13) mit seinem Steueranschluss mit dem sechsten Knoten (K6) verbunden.
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Die erste Doppelreferenzspannungsquelle legt somit den sechsten Knoten (K6) auf ein Referenzpotenzial gegenüber dem Potenzial der zweiten Versorgungspannungsleitung (Vdd30V) und den fünften Knoten (K5) auf ein Referenzpotenzial gegenüber dem Bezugspotenzial (GND). Die zweite Doppelreferenzspannungsquelle legt somit den achten Knoten (K8) auf ein Referenzpotenzial gegenüber dem Potenzial der zweiten Versorgungspannungsleitung (Vdd30V) und den neunten Knoten (K9) auf ein Referenzpotenzial gegenüber dem Bezugspotenzial (GND).
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Ganz allgemein beschreibt damit diese Beschreibung einen erfindungsgemäßen Ausgangstreiber für eine Datenleitung mit einem positiven Eingang (INP), mit einem negativen Eingang (INN), mit einem Ausgangsknoten (Outp), mit einem zweiten Knoten (K2), mit einer Eingangsstufe (PA) und mit einer Leistungsstufe (PS). Die Eingangsstufe (PA) speist dabei einen Ausgangsstrom (iPA ) der Eingangsstufe (PA) in den zweiten Knoten (K2) hinein ein, wobei dieser Ausgangsstrom (iPA ) der Eingangsstufe (PA) in den zweiten Knoten (K2) hinein von der Spannungsdifferenz zwischen dem positiven Eingang (INP) der Eingangsstufe (PA) und dem negativen Eingang (INN) der Eingangsstufe (PA) abhängt. Die Leistungsstufe (PS) erzeugt ein Potenzial an dem Ausgangsknoten (Outp) mit einer Spannung gegenüber dem Bezugspotential (GND), das von dem Strom (iPA ) der Eingangsstufe (PA) in den zweiten Knoten (K2) hinein abhängt. Bevorzugt wird die Eingangsstufe (PA) dabei wie zuvor beschrieben gestaltet. Ebenso wird bevorzugt die Leistungsstufe (PS) wie zuvor beschrieben gestaltet.
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Bei dem zuvor beschriebenen Ausgangstreiber für eine Datenleitung werden die Eingangsstufe (PA) typischerweise aus einer ersten Versorgungsspannungsleitung (Vdd5V) und einem Bezugspotenzial (GND) mit elektrischer Energie versorgt und typischerweise die Leistungsstufe (PS) aus einer zweiten Versorgungsspannungsleitung (Vdd30V) und dem Bezugspotenzial (GND) mit elektrischer Energie versorgt. Dabei ist bevorzugt die Spannungsdifferenz zwischen dem Potenzial der ersten Versorgungsspannungsleitung (Vdd5V) und dem Bezugspotenzial (GND) bei bestimmungsgemäßem Gebrauch in mindestens einer Betriebsspannungskonfiguration mindestens um einen betragsmäßigen Faktor 3 kleiner als die Spannungsdifferenz zwischen dem Potenzial der zweiten Versorgungsspannungsleitung (Vdd30V) und dem Bezugspotenzial (GND).
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Figurenliste
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- 1 1 zeigt eine erfindungsgemäße Eingangsstufe (PA).
- 2 2 zeigt eine erfindungsgemäße Leistungsstufe (PS).
- 3 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Ausgangstreiber aus Eingangsstufe (PA) und Leistungsstufe (PS).
- 4 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Ausgangstreiber aus Eingangsstufe (PA) und Leistungsstufe (PS) entsprechend 3 mit den beispielhaften Schaltungen aus 1 und 2.
- 5 5 zeigt einen erfindungsgemäßen Ausgangstreiber aus Eingangsstufe (PA) und Leistungsstufe (PS). Dabei ist der Stromquellentransistor, der vierte Transistor (T4), durch die erste Stromquelle (I1) ersetzt.
- 6 6 zeigt eine erfindungsgemäße Eingangsstufe (PA) grob vereinfacht schematisch, wobei die Bezugszeichen mit der Berechnung im Anhang übereinstimmen.
- 7 7 zeigt eine erfindungsgemäße Eingangsstufe (PA) als Ersatzschaltbild, wobei die Bezugszeichen mit der Berechnung im Anhang wie schon in 6 übereinstimmen.
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Vorteil
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Die Vorrichtung erlaubt das breitbandige Treiben großer kombinierter induktiver und kapazitiver Lasten, wie sie in automobilen Bussystemen vorkommen.
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Bezugszeichenliste
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- K1
- erster Knoten;
- K2
- zweiter Knoten;
- K3
- dritter Knoten;
- K4
- vierter Knoten;
- K5
- fünfter Knoten;
- K6
- sechster Knoten;
- K7
- siebter Knoten;
- K8
- achter Knoten;
- K9
- neunter Knoten;
- K10
- zehnter Knoten;
- K11
- elfter Knoten;
- K12
- zwölfter Knoten;
- K13
- dreizehnter Knoten;
- K14
- vierzehnter Knoten;
- K15
- fünfzehnter Knoten;
- GND
- Bezugspotenzial;
- I0
- nullte Stromquelle;
- i0
- nullter Strom der nullten Stromquelle (10);
- I1
- erste Stromquelle;
- i1
- erster Strom;
- I2
- zweite Stromquelle;
- i2
- zweiter Strom;
- I3
- dritte Stromquelle;
- i3
- dritter Strom;
- I4
- vierte Stromquelle;
- i4
- vierter Strom;
- I5
- fünfte Stromquelle;
- i5
- fünfter Strom;
- id1
- erster Zweigstrom;
- id2
- zweiter Zweigstrom;
- ik2
- Strom in den Knoten 2 hinein;
- iPA
- Ausgangsstrom (iPA ) der Eingangsstufe (PA). Dieser Strom ist der Eingangsstrom der Leistungsstufe (PS);
- iref1
- erster Referenzstrom;
- INN
- negativer Eingang (INN) der Eingangsstufe (PA);
- INP
- positiver Eingang (INP) der Eingangsstufe (PA);
- Outp
- Ausgangsknoten;
- PA
- Eingangsstufe, die hier eine Differenzverstärkerstufe ist;
- PS
- Leistungsstufe;
- R1
- erster Widerstand;
- Rref
- Referenzwiderstand;T1 erster Transistor;
- T2
- zweiter Transistor;
- T3
- dritter Transistor;
- T4
- vierter Transistor;
- T5
- fünfter Transistor;
- T6
- sechster Transistor, der ein HV-Transistor ist;
- T7
- siebter Transistor, der ein HV-Transistor ist;
- T8
- achter Transistor, der ein HV-Transistor ist;
- T9
- neunter Transistor, der ein HV-Transistor ist;
- T10
- zehnter Transistor, der ein HV-Transistor ist;
- T11
- elfter Transistor, der ein HV-Transistor ist;
- T12
- zwölfter Transistor, der ein HV-Transistor ist;
- T13
- dreizehnter Transistor, der ein HV-Transistor ist;
- T14
- vierzehnter Transistor, der ein HV-Transistor ist;
- T15
- fünfzehnter Transistor, der ein HV-Transistor ist;
- T16
- sechzehnter Transistor, der ein HV-Transistor ist;
- T17
- siebzehnter Transistor, der ein HV-Transistor ist;
- T18
- achtzehnter Transistor, der ein HV-Transistor ist;
- T19
- neunzehnter Transistor, der ein HV-Transistor ist;
- T20
- zwanzigster Transistor, der ein HV-Transistor ist;
- T21
- einundzwanzigster Transistor, der ein HV-Transistor ist;
- T22
- zweiundzwanzigster Transistor, der ein HV-Transistor ist;
- T23
- dreiundzwanzigster Transistor, der ein HV-Transistor ist;
- T24
- vierundzwanzigster Transistor, der ein HV-Transistor ist;
- Vdd5V
- erste Versorgungsspannungsleitung (Vdd5V) mit einer niedrigeren Betriebsspannung (Vdd5V) von beispielsweise 5V;
- Vdd30V
- zweite Versorgungsspannungsleitung (Vdd30V) mit einer höheren Betriebsspannung (Vdd30V) von beispielsweise 30V;
