DE10251695A1 - Stromquellenschaltung zur Erzeugung eines rauscharmen Stroms - Google Patents

Abstract

Eine Stromquellenschaltung zur Erzeugung eines rauscharmen Stroms weist eine Stromspiegelschaltung (23) mit einem ersten und zweiten Transistor (T1, T2) auf. Die Stromspiegelschaltung umfasst eine zwischen einem Source-Anschluss und einem Gate-Anschluss des zweiten Transistors (T2) geschaltete Kapazität (CH). Sie umfasst ebenfalls ein zwischen einem Drain-Anschluss des ersten Transistors (T1) und dem Gate-Anschluss des zweiten Transistors (T2) angeordnetes Schaltelement (N1). Dieses ist in Abhängigkeit eines Betriebszustandes der Stromquellenschaltung steuerbar.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromquellenschaltung zur Erzeugung eines rauscharmen Stroms, ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Stromquellenschaltung und die Verwendung in einer Phasenregelschleife.
• In integrierten Halbleiterbausteinen werden Stromquellenschaltungen naturgemäß oft eingesetzt. In der Kommunikationstechnik werden sie insbesondere in Ladungspumpen für Phasenregelschleifen verwendet. Phasenregelschleifen ihrerseits sind eine aufwandsarme Realisierungen von Übertragungskonzepten, die sich einer Frequenzmodulation bedienen, beispielsweise in modernen Mobilfunksystemen aber auch in anderen, drahtgebundenen Kommunikationssystemen.
• Die Wahl der Bandbreite im Kommunikationssystem ist grundsätzlich ein wesentlicher Faktor. Zum einen müssen Rauschanforderungen, insbesondere die Einhaltung der spektralen Sendemaske beachtet werden, was die Wahl einer geringen Bandbreite bedeutet. Im Gegensatz dazu erfordert die Übertragung der modulierten Daten eine hohe Bandbreite. Eine einflußreiche Rauschquelle innerhalb des Kommunikationssystems stellt die Ladungspumpe in der Phasenregelschleife und in ihr die Stromquellenschaltung dar, so dass es im Sinne vorstehender Überlegungen wichtig ist, ihren Rauscheinfluss zu reduzieren.
• Schaltungskonzepte für Phasenregelschleifen verwenden häufig ein integrierendes Schleifenfilter, so dass im eingerasteten Zustand der Phasenregelschleife die Ladungspumpe im Idealfall keinen Ladungspuls liefert. In der Praxis treten jedoch, beispielsweise aufgrund von Leckströmen, störende Ladungspulse auf. Um den Einfluss auf das Phasenrauschen der Phasenregelschleife zu reduzieren, wird in herkömmlichen Systemen die Pulsbreite des Ausgangsstromimpulses minimiert. Zudem wird in den Stromquellenschaltungen ein Stromspiegel verwendet, um einen stabilen Ausgangsstrom zu erhalten. Die dominanten Rauschquellen innerhalb der Stromquellenschaltungen sind der Referenzwiderstand sowie die Stromspiegel-Transistoren.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Stromquellenschaltung und ein Verfahren zum Betrieb einer Stromquellenschaltung insbesondere für eine Phasenregelschleife bereitzustellen, mit denen sich der durch die Stromquellenschaltung verursachte Rauscheinfluss weiter reduzieren läßt.
• Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1, 4 und 6.
• Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht dabei, die Vorteile eines Stromspiegels in der Einschaltphase zu nutzen, und danach die Stabilität und geringere Abhängigkeit vom thermischen Rauschen eines einzelnen Transistors herzustellen.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert.
• Dabei zeigen:
• 1 ein schematisches Blockschaltbild einer bekannten Σ/Δ-Phasenregelschleife,
• 2 ein prinzipielles Schaltbild einer bekannten Stromquellenschaltung in einer konventionellen Ladungspumpe und
• 3 das prinzipielle Schaltbild einer Stromquellenschaltung in einer Ladungspumpe zur Erzeugung eines rauscharmen Stroms.
• In 1 wird das Blockschaltbild einer bekannten Σ/Δ-Phasenregelschleife gezeigt. Die Phasenregelschleife weist einen Phasendetektor 1 mit einem ersten Eingang für eine Referenzfrequenz f_ref auf. An dem Ausgang des Phasendetektors 1 ist eine Ladungspumpe 2 und ein Schleifenfilter 3 geschaltet. Das Schleifenfilter 3 ist ausgangsseitig an einen spannungsgesteuerten Oszillator 4 angeschlossen. Von dem Frequenzausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 4 wird ein zweiter Pfad über einen Frequenzteiler 5 an einen zweiten Eingang des Phasendetektors 1 zurückgeführt. Der Frequenzteiler 5 wird von einem Σ/Δ-Modulator 6 angesteuert.
• Das Prinzip einer Phasenregelschleife besteht darin, dass aus der am ersten Eingang eingespeisten Referenzfrequenz f_ref, welche aus einem stabilen Bezugsoszillator (nicht dargestellt) erhalten wird, und aus einer am zweiten Eingang eingespeisten Teilerfrequenz f_div mittels des Phasendetektors 1 und der Ladungspumpe 2 eine Steuerspannung erzeugt wird, die an dem spannungsgesteuerten Oszillator 4 zugeführt wird. Dieser erzeugt in Abhängigkeit der Steuerspannung eine Ausgangsfrequenz f_out, die einem gewünschten frequenzmodulierten Trägersignal entspricht. Die Ausgangsfrequenz f_out des spannungsgesteuerten Oszillators 4 wird an dem Frequenzteiler 5 zugeführt. Das Ausgangssignal des Frequenzteilers 5 entspricht der Teilerfrequenz f_div, die wieder zurück an den Phasendetektor 1 gegeben wird. Der Frequenzteiler 5 wird von dem Σ/Δ-Modulator 6 angesprochen, welcher seinerseits von digitalen Daten d_k angesteuert wird, die in das frequenzmodulierte Trägersignal f_out umgesetzt werden sollen.
• 2 zeigt eine prinzipielle Schaltung einer Stromquellenschaltung in einer Ladungspumpe. Dargestellt ist ein Phasendetektor 11, der aus dem Vergleich der Referenzfrequenzen f_ref mit der Teilerfrequenz f_div ein Steuersignal an eine Ladungspumpe 12 (durch unterbrochene Linie umrandet) gibt. Das Steuersignal wird in der Ladungspumpe 12 über einen Inverter 14 an einen Schalter 15 gegeben, der den Strom aus einem Stromspiegel 13 (durch unterbrochene Linie umrandet) an einen Stromausgang I_out durchschalten oder an einen Masseanschluß legen kann.
• Dem Stromspiegel 13 wird seinerseits ein Steuerstrom zugeführt, der sich aus einem festen Betriebsstrom i_{out_U/I} und einem Ausgangsstrom eines Spannungs-Stromwandlers U/I zusammensetzt. Der Spannungs-Stromwandler U/I ist eingangsseitig mit einem Spannungsausgang eines Operationsverstärkers 17 verbunden. Das Potential am Spannungsausgang ergibt sich aus dem Vergleich einer Eingangsspannung VBG mit einer Kontaktspannung en. Die Eingangsspannung VBG wird dem Operationsverstärker 17 an einem ersten Spannungseingang zugeführt, während die Kontaktspannung en dem Operationsverstärker 17 über einen Referenzwiderstand R_ref an einem zweiten Spannungseingang zugeführt wird.
• Der Stromspiegel 13 enthält einen Stromspiegel-Transistor T1, dessen Drain und Gate-Anschlüsse an ein gemeinsames Potential angeschlossen sind, einen Stromquellen-Transistor T2 und zwei Stromquellen in1 und in2, die jeweils an den Drain-Source-Anschlüssen der Stromspiegel-Transistoren T1 und einen Stromquellen-Transistor T2 eine Spannung erzeugen.
• Weil der Drain-Anschluß und der Gate-Anschluß des Stromspiegel-Transistors T1 auf ein gleiches Potential gesetzt sind, wirkt dieser effektiv als eine Diode. In einer Realisierung in Bipolartechnik handelt es sich um eine npn-Diode, während im Falle einer Realisierung des Stromspiegel-Transistors T1 als Feldeffekttransistor, wie beispielsweise in einer CMOS Technologie, es sich um eine n-Kanal Diode handelt.
• In einer konventionellen Ladungspumpe sind als dominante Rauschgrößen der Referenzwiderstand R_ref, sowie der Stromspiegel-Transistor T1 und der Stromquellen-Transistor T2 anzusehen. Das Rauschen wird mit einem Stromspiegelfaktor M verstärkt. Daher wird zur Minimierung des Rauschens ein kleiner Stromspiegelfaktor M angestrebt, wodurch allerdings die Stromaufnahme erheblich ansteigt.
• 3 zeigt das prinzipielle Schaltbild einer rauscharmen Ladungspumpe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es wird neben einem Phasendetektor 21 (durch unterbrochene Linie umrandet) eine Funktionseinheit einer Ladungspumpe 22, die der Ladungspumpe 2 aus 2 entspricht, dargestellt. Der Phasendetektor 21 liefert durch Vergleich einer Referenzfrequenz f_ref und einer Teilerfrequenz f_div ein Steuersignal an die Ladungspumpe 22. Diese erhält ein Schaltsignal von einer Steuerungseinrichtung 28, die ihrerseits von einer Betriebskontrolleinrichtung 26 gesteuert wird.
• Die Ladungspumpe 22 weist eine Stromspiegelschaltung 23 (durch unterbrochene Linie umrandet) auf, die sich von der in 2 gezeigten konventionellen Stromspiegelschaltung 13 unterscheidet.
• Die Stromspiegelschaltung 23 erhält einen Steuerstrom, der aus einem Ausgangsstrom eines Spannungs-Stromwandler U/I und einem festen Betriebsstrom i_{out_U/I} zusammengesetzt ist. Der Spannungs-Stromwandler U/I ist eingangsseitig mit einem Spannungsausgang eines Operationsverstärkers 27 verbunden. Das Potential am Spannungsausgang ergibt sich aus dem Vergleich einer Eingangsspannung VBG mit einer Kontaktspannung en. Die Eingangsspannung VBG wird dem Operationsverstärker 27 an einem ersten Spannungseingang zugeführt, während die Kontaktspannung en dem Operationsverstärker 27 über einen Referenzwiderstand R_ref an einem zweiten Spannungseingang zugeführt wird.
• Die Stromspiegelschaltung 23 besteht aus einem Stromspiegel-Transistoren T1 und einem Stromquellen-Transistor T2, sowie zwei Stromquellen in1 und in2. Der Stromquellen-Transistor T2 arbeitet als Konstantstromquelle, wobei der Drain-Strom über einen Schalter 25 wahlweise an einen Stromausgang I_out oder an einen Masseanschluß ausgegeben werden kann. Der Schalter 25 wird durch das Steuersignal bestätigt, das aus dem Phasendetektor 21 ausgegeben und über einen Inverter 24 geführt wird. Der Stromausgang I_out wird über einen Abgreifwiderstand R₀ an eine Stromsenke 29 geführt.
• Zusätzlich zu der in 2 gezeigten konventionellen Realisierung enthält der Stromspiegel 23 eine Kapazität C_H und einen als verbindendes Schaltelement dienenden Einschalt-Transistor N1. Die Kapazität C_H ist parallel zu der Source-Gate Strecke des Stromquellen-Transistors T2 geschaltet. Die Source-Drain Strecke des Einschalt-Transistors N1 ist zwischen dem Gate bzw. Drain-Potential (die miteinander verbunden sind) des Stromspiegel-Transistor T1 und der Kapazität C_H bzw. der Gate des Stromquellen-Transistors T2 geschaltet.
• Ist der Einschalt-Transistor N1 gesperrt, so liegt zwischen der Source und der Gate des Stromquellen-Transistors T2 eine durch die auf dem Kondensator C_H aufgebrachte Ladung definierte Durchschaltspannung an, und der Stromquellen-Transistor T2 läßt einen entsprechenden Strom auf seiner Source-Drain Strecke durch. ist der Einschalt-Transistor N1 geöffnet, so wird das zwischen Source und Gate des Stromquellen-Transistors T2 liegende Spannungspotential durch den Stromspiegel-Transistor T1 bestimmt. Der Kondensator C_H lädt sich auf und wirkt gleichzeitig als Tiefpassfilter.
• Das Gate des Einschalt-Transistor N1 ist mit der Steuerungseinrichtung 28 verbunden, die durch das Anlegen eines Schaltpotentials an dem Gate des Einschalt-Transistors N1 diesen durchschalten oder sperren kann. Die Steuerungseinrichtung 28 wird von der Betriebskontrolleinrichtung 26 angesteuert. So kann die Ladungspumpe 22 bei Inbetriebnahme zunächst den gesamten Stromspiegel 23 nutzen, während der Kondensator C_H aufgeladen wird. Bei Inbetriebnahme der Stromquellenschaltung ist der Rauscheinfluss noch sehr gering, da das Rauschen im wesentlichen durch das thermische Rauschen des Referenzwiderstands R_ref und der effektiven Widerstände des Stromspiegel-Transistors T1 und des Stromquellen-Transistors T2 bestimmt ist. Es kann somit die lineare Stromantwort des Stromspiegels 22 auf den Steuerungsstrom genutzt werden.
• Sobald die Ladungspumpe eine gewisse Zielstromstärke oder eine gewisse Ladung auf dem Kondensator C_H erreicht hat, wird der Einschalt-Transistor N1 gesperrt. Damit dient allein der Stromquellen-Transistor T2 als Stromquelle und das Rauschen der gesamten Stromquellenschaltung wird allein von dem Rauschen des Stromquellen-Transistors T2 bestimmt.
• Bei Betrieb der Ladungspumpe 22 wird sich der Kondensator C_H entladen, so dass vorgesehen werden kann, dass bei Abnahme der Ladung unter einen kritischen Wert die Ladungspumpe 22 abgeschaltet wird, oder der Einschalt-Transistor N1 zum Laden der Kapazität C_H durchgeschaltet wird. Vorzugsweise wird die Kapazität C_H derart ausgelegt, dass die Entladungszeit wesentlich länger als die typische Betriebsdauer der Ladungspumpe ist. Deswegen sollte die Kapazität C_H möglichst klein. gewählt werden. In einer einfachen Realisierung kann die Kapazität C_H durch die parasitären Kapazitäten an den Knoten realisiert sein.
• Der Einschalt-Transistor N1 wird vorzugsweise als n-Kanal MOS Transistor realisiert, so dass er schnell von Durchlaß auf Sperren umschaltet. Zudem kann dann ein digitales Schaltsignal genutzt werden, um an der Gate des Einschalt-Transistors N1 das Steuerpotential anzulegen. Ein Schaltsignalwert 1 entspricht dann einem Durchschalten des Gate, während ein Schaltsignalwert 0 den Einschalt-Transistor N1 sperrt.
• In bisherigen Realisierungen von Phasenregelschleifen wird häufig ein integrierendes Schleifenfilter verwendet, das zwischen den Stromausgang I_out der Ladungspumpe 3 und dem spannungsgesteuerten Oszillator 4 geschaltet ist. In diesem Fall wird in der Ladungspumpe 3 eine zusätzliche Ladungssenke wie beispielsweise die Stromsenke 29 zum Entladen des Schleifenfilterkondensators im integrierenden Schleifenfilter benötigt. Hierzu kann ein weiterer Zweig mit einem Stromquellen-Transistor verwendet werden. dieser kann als n-Kanal MOS Transistor realisiert sein. Die oben beschriebene Stromquellenschaltung kann ebenfalls für die Schaltung der Stromsenke 29 genutzt werden.
• In vielen Kommunikationssystemen, beispielsweise in TDMA Systemen wie DECT oder GSM, werden Daten in Form von kurzen Datenpaketen, sogenannten Bursts, übertragen. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Betriebskontrolleinrichtung der Burststeuerungseinrichtung des Kommunikationsystems entspricht. Mit Beginn jedes Empfangs- oder Sende-Bursts wird die Stromschaltung in Betrieb genommen, d.h. der Einschalt-Transistor N1 wird geöffnet und die Kapazität C_H wird aufgeladen. Es ist vorteilhaft, die Kapazität C_H so zu wählen, dass ihre Entladezeit wesentlich größer als die Burstdauer im Kommunikationssystem ist.

1, 11, 21

Phasendetektor

2, 12, 22

Ladungspumpe

3

Schleifenfilter

4

spannungsgesteuerter Oszillator

5

Frequenzteiler

6

Σ/Δ-Modulator

13, 23

Stromspiegelschaltung

14, 24

Inverter

15, 25

Schalter

17, 27

Operationsverstärker

26

Betriebskontrolleinrichtung

28

Steuerungseinrichtung

29

Stromsenke

C_H

Kapazität

T1, T2, N1

Transistor

in1, in2, i_{out_U/I}

Stromquelle

en

Kontaktspannung

U/I

Spannungs-Stromwandler

R₀

Abgreifwiderstand

R_ref

Referenzwiderstand

I_out

Stromausgang

f_ref

Referenzfrequenz

f_out

Ausgangsfrequenz

f_div

Teilerfrequenz

Claims (6)

1. Stromquellenschaltung zur Erzeugung eines rauscharmen Stroms mit einer einen ersten und zweiten Transitor (T1, T2) aufweisenden Stromspiegelschaltung (13, 23), die – eine zwischen einem Source-Anschluß und einem Gate-Anschluß des zweiten Transistors T2 geschaltete Kapazität (C_H) und – ein zwischen einem Drain-Anschluß des ersten Transitors (T1) und dem Gate-Anschluß des zweiten Transistors (T2) angeordnetes Schaltelement (N1), das in Abhängigkeit eines Betriebszustandes der Stromquellenschaltung steuerbar ist, aufweist.
2. Stromquellenschaltung zur Erzeugung eines rauscharmen Stromes gemäß Anspruch 1, wobei der Transistor T2 mit seinem Drain-Ausgang einen Stromausgang (I_out) der Stromquellenschaltung bildet, der über einen Widerstand (R₀) mit einer Stromsenke (29) verbunden ist.
3. Stromquellenschaltung zur Erzeugung eines rauscharmen Stromes gemäß Anspruch 2, mit einem weiteren Stromspiegel gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 als Stromsenke (29).
4. Verfahren zum Betreiben einer Stromquellenschaltung zur Erzeugung eines rauscharmen Stromes gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem während einer Einschaltphase der Stromquellenschaltung das Schaltelements (N1) geschlossen wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, die dem nach der Einschaltphase das Schaltelement geöffnet wird, und die Zeitdauer der Einschaltphase das Erreichen einer Zielstromstärke der Stromquellenschaltung oder einer Zielspannung an der Kapazität (C_H) sicherstellt.
6. Verwendung einer Stromquellenschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 in einer Ladungspumpe einer Phasenregelschleife.