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Die
Erfindung betrifft eine Stromquelle zur Erzeugung eines konstanten
Referenzstromes, insbesondere für
anwenderspezifische integrierte Schaltungen in CMOS-Technologie.
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Konstantstromquellen
sind dazu vorgesehen einen Strom zu liefern, der neben weitgehender
Unabhängigkeit
von Betriebsspannungsänderungen,
Temperaturänderungen
und Langzeitänderungen
unabhängig von
der Ausgangsspannung ist. Konstantstromquellen weisen daher einen
sehr hohen Innenwiderstand auf.
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In
integrierten Schaltkreisen werden vielfach analoge Referenzstromquellen
zur Erzeugung von Vorströmen
bzw. Biasströmen
eingesetzt. Es sind Stromquellen mit unterschiedlichster Bauart
bekannt. Eine Konstantstromquelle kann als aktiver Zweipol mit einem
Innenwiderstand von Ri = ∞ durch
Stromgegenkopplung oder als aktiver Zweipol mit geregeltem Klemmstrom
realisiert werden. Zu den Konstantstromquellen zählen auch die sogenannten Stromspiegelschaltungen.
Bei den Stromspiegeln handelt es sich um eine elektronische Schaltung
mit Transistoren, die zur Erzeugung konstanter Ströme aus einem
Referenzstrom dienen. Stromspiegelschaltungen lassen sich aus Bipolartransistoren
oder aus MOS-Feldeffekttransistoren aufbauen, wobei jeweils die
Basis bzw. die GATE-Anschlüsse
der beiden Transistoren miteinander verbunden sind.
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In
vielen technischen Anwendungen ist von Bedeutung, einen Vorstrom
bzw. Bias-Strom IBI AS zu
erzeugen, der unabhängig
ist von Schwankungen der Versorgungsspannung. Ist daher wichtig,
dass die Stromquelle zur Erzeugung der Referenzströme bzw.
Biasströme
eine niedrigere Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen der Versorgungsspannung
VDD aufweist. Eine niedrige Versorgungsspannungsempfindlichkeit der
Referenzstromquelle ist eine wichtige Voraussetzung für viele
Anwendungen, beispielsweise für
Verstärker,
Komparatoren oder Oszillatoren, die den erzeugten Referenzstrom
empfangen. Der Oszillator einer phase locked loop PLL erzeugt eine
von der Versorgungsspannung möglichst
unabhängige
Signalfrequenz. Die Frequenzänderungen
der phase locked loop, die durch Versorgungsspannungsschwankungen
hervorgerufen werden, führen
zu einem unerwünschten
Jitter des Ausgangssignals.
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Die
anwenderspezifischen integrierten Schaltkreise ASICs weisen in vielen
Fällen
sowohl einen digitalen Schaltungsteil als auch einen analogen Schaltungsteil
auf. Dabei ist die Referenzstromquelle innerhalb des analogen Schaltkreises
integriert und erzeugt Referenz- bzw. Konstantströme für unterschiedliche
analoge Schaltungskomponenten, wie beispielsweise Verstärker, Komparatoren
oder Oszillatoren. Der digitale Schaltungsteil der anwenderspezifischen
integrierten Schaltung ASIC wird mit einem synchronen Taktsignal
getaktet. Sowohl der analoge Schaltungsteil als auch der digitale
Schaltungsteil erhalten eine externe Versorgungsspannung und sind über gemeinsame
Stromversorgungsleitungen miteinander gekoppelt. Darüber hinaus
ist sowohl der analoge Schaltungsteil als auch der digitale Schaltungsteil
auf demselben Substrat integriert. Über die Versorgungsspannungsleitungen
werden Versorgungsspannungsschwankungen, die durch Schaltvorgänge in dem
digitalen Schaltungsteil hervorgerufen werden (Spikes) auf den analogen
Schaltungsteil übertragen. Ferner
wird ein Rauschen, welches durch die Schaltvorgänge innerhalb des digitalen
Schaltungsteils hervorgerufen wird, über das gemeinsame Substrat
an die analogen Schaltkreise, insbesondere die analoge Konstantstromquelle, übertragen.
Eine hohe PSRR (power supply rejection ratio) der Konstantstromquelle
ist daher mit zunehmenden Integrationsgrad nötig.
wobei PSS die Stromversorgungssensibilität (power
supply sensivity)
I
OU T den
Ausgangsstrom der Stromquelle und
V
DD die
Versorgungsspannung der Stromquelle darstellt.
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Je
niedriger die Stromversorgungssensibilität PSS ist, desto unempfindlicher
ist die Stromquelle gegenüber
Schwankungen der Versorgungsspannung VDD.
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Die
Sensibilität
PSS der Stromquelle gegenüber
Schwankungen der Versorgungsspannung wird durch den schaltungstechnischen
Aufbau der Stromquelle bestimmt.
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1 zeigt eine Stromquelle,
die auch als bootstrapped Stromquelle bezeichnet wird. Diese Stromquelle
wird beispielsweise in R.L. Geiger, P. E. Allen, N. R. Strader: "VLSI design techniques
for analog and digital circuits",
McGraw-Hill, International
Edition 1990, Seiten 363-365 beschrieben. Die bootstrapped Stromquelle
BSQ nach dem Stand der Technik, wie sie in 1 gezeigt ist, erzeugt einen konstanten
Referenzstrom (IBIAS). Sie weist zwei Versorgungsspannungsanschlüsse VDD und VSS auf. Der
negative Versorgungsspannungsanschluss VSS liegt
beispielsweise an Masse GND an. Die Stromquelle BSQ enthält einen
Verstärkerschaltkreis
AMP, der zwei komplementäre
MOSFET-Transistoren (P1, N1) aufweist. Das GATE des MOSFET-Transistors
N1 ist mit einem Eingang E des Verstärkerschaltkreises AMP verbunden.
Der Verstärkerschaltkreis
AMP weist einen Ausgang A auf, der mit dem GATE einen MOSFET-Feldeffekttransistors
N2 verbunden ist. Der MOSFET-Transistor N2 bildet einen Spannungsstromwandler,
der in Abhängigkeit
von der Verstärkerausgangsspannung
einen Strom I2 erzeugt. Der Strom I2 fließt
durch einen Widerstand R1 an den negativen Versorgungsspannungsanschluss
VSS ab. Dadurch füllt an dem Widerstand R1 eine
Gegenkopplungsspannung VR1 ab. Diese Gegenkopplungsspannung
VG wird an den Eingang E des Verstärkerschaltkreises AMP
angelegt. Der durch den Spannungsstrom wandler N2 fließende Strom
I2 fließt
durch einen komplementären
PMOS-Feldeffekttransistor P2, der den Strom I2 einerseits über den
PMOS-Transistor P1 und andererseits über den PMOS-Transistor POUT spiegelt. Die Spiegelung führt dazu,
dass die Ströme
I1, I2 und der erzeugte Referenzstrom IOUT gleich
sind: I1 =
I2 = IOUT (2)
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Die
in 1 dargestellte Stromquelle
arbeitet mit einer Gegenkopplungsspannung VG an
dem Widerstand R1 über
den der Arbeitspunkt der Stromquelle einstellbar ist. Das Ansteigen
der Gegenkopplungsspannung VG senkt aufgrund
des invertierenden Verstärkers
AMP die am Ausgang A anliegende Ausgangsspannung des Verstärkers AMP
verstärkt
ab. VA = –K·VG (3)
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Der
Feldeffekttransistor N2 bildet einen SOURCE-Folger, so dass die
an dem Widerstand R1 anliegende Spannung im gleichen Maße wie die
Ausgangsspannung des Verstärkers
AMP absinkt. VG = K'·VA(K' ≈ 1) (4)
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Die
beiden MOSFET-Transistoren N1, N2 arbeiten jeweils im Sättigungsbereich,
wobei die hindurchfließenden
Ströme
I1, I2 aufgrund der Stromspiegelung gleich groß sind.
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Die
Ausgangsspannung des Verstärkerschaltkreises
AMP ergibt sich aus der Summe der beiden GATE-SOURCE-Spannungen
der MOSFET-Transistoren N1, N2: VA = VGS
N1 + VGS N2 (5)
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Die
Ausgangsspannung des Verstärkerschaltkreises
VA ergibt sich somit zu: VA =
VT1 + ΔV1 + VT2 + ΔV2 (6) wobei
VT1 die Schwellenspannung des MOS-Transistors
N1,
VT2 die Schwellenspannung des MOS-Transistors
N2,
ΔV1
die Overdrive-Spannung des Transistors N1 und
ΔV2 die Overdrive-Spannung
des Transistors N2 darstellt.
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Im
Sättigungsbereich
gilt ferner:
wobei I1, I2, die durch die
Transistoren N1, N2 fließende
Ströme,
K1,
K2, die Transkonduktanz der Transistoren N1, N2,
W1, W2, die
Kanalbreiten der Transistoren N1, N2 und
L1, L2, die Kanallängen der
Transistoren N1, N2 darstellen.
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Die
DRAIN-SOURCE-Spannung an dem PMOS-Feldeffekttransistor P1 ergibt
aus der Differenz zwischen der angelegten Versorgungsspannung VDD und der Ausgangsspannung am Ausgang A
des Verstärkerschaltkreises. VDS =
VDD – VA (9)
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Die
Ausgangsspannung am Ausgang A des Verstärkerschaltkreises beträgt bei der
in 1 dargestellten herkömmlichen
Schaltung etwa 1,1 V. für
eine ausreichende genaue Stromspiegelung darf die DRAIN-SOURCE-Spannung
an dem Stromspiegeltransistor P1 eine gewisse Spannung nicht unterschreiten, die
beispielsweise bei 0,4 V liegt.
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2 zeigt das Prinzip einer über eine
Gegenkopplungsspannung durchgekoppelten Stromquelle aus dem Stand
der Technik, wie in 1 dargestellt
ist. Der gespiegelte Strom I1 ist einerseits eine Funktion des durch
den Stromwandler N2 fließenden
Stroms I2 der an dem Widerstand R1 einen Spannungsabfall VR1 hervorruft und den MOSFET-Transistor N1
steuert.
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Durch
die Stromspiegelung an den beiden PMOS-Transistoren P1, P2 gilt
ferner die Bedingung, dass die beiden Ströme, I1, I2 identisch sind.
An dem Schnittpunkt der beiden Kennlinien liegen die beiden Arbeitspunkte
ARB1, ARB2. Bei dem Arbeitspunkt 2 handelt es sich um nicht
gewünschten
Arbeitspunkt, bei dem die beiden Ströme I1 = I2 = Null sind. Der
gewünschte
Arbeitspunkt ist der Arbeitspunkt ARB1,
der über
den Widerstand R1 einstellbar ist.
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Der
Zusammenhang zwischen den beiden Strömen I1, I2 ist über die
folgende Gleichung gegeben:
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Ein
Nachteil der in 1 dargestellten
herkömmlichen
Stromquelle BSQ besteht darin, dass aufgrund der relativ hohen notwendigen
Ausgangsspannung VA am Ausgang A des Verstärkerschaltkreises
die benötigte
Versorgungsspannung VDD ebenfalls relativ
hoch ist und in einer Größenordnung
von etwa 1,5 V liegt.
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Ein
weiterer Nachteil der in 1 dargestellten
Stromquelle besteht darin, dass die Sensitivität PSS gegenüber der Versorgungsspannungsschwankungen ΔVDD relativ groß ist und nicht durch zusätzliche
Kaskodierung der Stromspiegelschaltung P1, P2 bzw. P3, Pout erhöht
werden kann, weil dies zu einer noch höheren Versorgungsspannung VDD führen
würde.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Stromquelle
zur Erzeugung eines konstanten Referenzstromes zu schaffen, die
eine möglichst
niedrige Versorgungsspannung VDD benötigt und
gleichzeitig möglichst
unempfindlich gegenüber
Versorgungsspannungsschwankungen ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
eine Stromquelle mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen
gelöst.
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Die
Erfindung schafft eine Stromquelle zur Erzeugung eines konstanten
Referenzstromes mit
einem Verstärkerschaltkreis, der eine bei
einem ersten Widerstand anliegende Gegenkopplungsspannung (VG) invertiert verstärkt als Verstärkerausgangsspannung
(V7) abgibt,
einem ersten Spannungsstromwandler,
der in Abhängigkeit
von der Verstärkerausgangsspannung
einen Strom erzeugt,
einer ersten Stromspiegelschaltung, die
den von dem Spannungsstromwandler erzeugten Strom zu einem gespiegelten
Strom spiegelt, der zur Erzeugung der Gegenkopplungsspannung (VG) durch den ersten Widerstand fließt und mit
einer
zweiten Stromspiegelschaltung, die den von dem Spannungsstromwandler
erzeugten Strom zu dem Referenzstrom spiegelt.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Stromquelle
ist der Verstärkerschaltkreis
ein invertierender Verstärker
mit einem ersten MOSFET an dessen GATE die Gegenkopplungsspannung anliegt
und mit einem zu dem ersten MOSFET komplementär aufgebauten MOSFET.
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Der
erste MOSFET des Verstärkerschaltkreises
besitzt vorzugsweise einen SOURCE-Anschluss, der mit einer negativen
Versorgungsspannung (VSS) der Stromquelle
verbunden ist, und einen Drainanschluss, der mit einem Ausgangsanschluss
(A) des Verstärkerschaltkreises
verbunden ist.
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Der
zweite MOSFET des Verstärkerschaltkreises
besitzt vorzugsweise einen SOURCE-Anschluss, der mit einer positiven
Versorgungsspannung (VDD) der Stromquelle
verbunden ist und einen Drainanschluss, der mit dem Ausgangsanschluss
(A) des Verstärkerschaltkreises
verbunden ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Stromquelle
weist die erste Stromspiegelschaltung einen ersten MOSFET auf, mit
einem Drainanschluss, der mit dem Spannungsstromwandler verbunden
ist, und mit einem SOURCE-Anschluss,
der mit der positiven Versorgungsspannung (VDD)
der Stromquelle verbunden ist.
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Dabei
enthält
die erste Stromspiegelschaltung vorzugsweise einen zweiten MOSFET
mit einem Drainanschluss, der mit dem ersten Widerstand verbunden
ist und mit einem SOURCE-Anschluss,
der mit der positiven Versorgungsspannung (VDD)
der Stromquelle verbunden ist.
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Das
GATE des ersten MOSFETs der ersten Stromspiegelschaltung ist vorzugsweise
mit dem GATE des zweiten MOSFETs der ersten Stromspiegelschaltung
verbunden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Stromquelle
ist das GATE des ersten MOSFETs der ersten Stromspiegelschaltung
mit dem GATE des zweiten MOSFETs des Verstärkerschaltkreises zur Bildung
einer dritten Stromspiegelschaltung verbunden.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Stromquelle
weist der erste Spannungsstromwandler einen MOSFET auf mit einem
GATE, das mit dem Ausgang des Verstärkerschaltkreises verbunden
ist, einem SOURCE-Anschluss,
der über
einen zweiten Widerstand an die negative Versorgungsspannung (VSS) der Stromquelle angeschlossen ist, und
mit einem Drainanschluss, der mit dem SOURCE-Anschluss des ersten
MOSFETs der ersten Stormspiegelschaltung verbunden ist.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist der Widerstandswert des ersten Widerstandes einstellbar.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Stromquelle
ist der Widerstandswert des zweiten Widerstandes einstellbar.
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Dabei
ist der Widerstandswert des zweiten Widerstandes vorzugsweise geringer
als der Widerstandswert des ersten Widerstandes.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Stromquelle
ist der Widerstandswert des zweiten Widerstandes gleich Null.
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Der
Widerstandswert des zweiten Widerstandes ist bei einer bevorzugten
Ausführungsform
halb so groß wie
der Widerstandswert des ersten Widerstandes.
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Der
erste und zweite Widerstand sind vorzugsweise aus Polysilizium hergestellt.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Stromquelle
ist zu jeder Stromspiegelschaltung jeweils eine Kaskoden-Stromspiegelschaltungen
in Reihe geschaltet.
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Bei
der erfindungsgemäßen Stromquelle
ist vorzugsweise ein zweiter Stromspannungswandler vorgesehen, der
einen MOSFET aufweist mit einem GATE, das mit dem Ausgang (A) des
Verstärkerschaltkreises verbunden
ist, einem SOURCE-Anschluss, der über einen dritten Widerstand
an die negative Versorgungsspannung (VSS)
der Stromquelle angeschlossen ist, und mit einem Drainanschluss,
der an einen komplementär aufgebauten MOSFET
angeschlossen ist, der die GATE-Spannung für die Kaskoden-Stromspiegelschaltungen
erzeugt.
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Die
erfindungsgemäße Stromquelle
ist vorzugsweise in eine integrierte Schaltung integriert.
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Im
weiteren werden bevorzugte Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Stromquelle
zur Erläuterung
erfindungswesentlicher Merkmale unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren
beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine Stromquelle nach
dem Stand der Technik;
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2 eine Stromkennlinie einer
Stromquelle nach dem Stand der Technik, wie sie in 1 dargestellt ist;
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3 eine erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Stromquelle;
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4 eine zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Stromquelle;
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5 eine dritte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Stromquelle;
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6 eine vierte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Stromquelle;
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7a, 7b Stromspannungskennlinien zur Erläuterung
der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Stromquelle.
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3 zeigt eine erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Stromquelle 1.
Die Stromquelle 1 gemäß der Erfindung weist
zwei Versorgungsspannungsanschlüsse 2, 3,
auf. An dem ersten Versorgungsspannungsanschluss 2 liegt
eine positive Versorgungsspannung VDD an
und an dem zweiten Versorgungsspannungsanschluss 3 liegt
eine negative Versorgungsspannung VSS an.
Die negative Versorgungsspannung VSS wird
beispielsweise durch einen Masseanschluss GND gebildet. Die Stromquelle 1 gemäß der Erfindung weist
keinen Signaleingang jedoch einen Signalausgang 4 auf, über den
der erzeugte konstante Referenzstrom IOUT ausgegeben
wird.
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Die
erfindungsgemäße Stromquelle 1 enthält einen
Verstärkerschaltkreis 5,
bei dem es sich vorzugsweise um einen invertierenden Verstärkerschaltkreis
handelt. Der invertierende Verstärkerschaltkreis 5 weist einen
Signaleingang E und einen Signalausgang A auf. Der Verstärkerschalter 5 wird über die
beiden Versorgungsspannungsanschlüsse 2, 3 mit
der Versorgungsspannung versorgt. Der Verstärkerschaltkreis 5 umfasst einen
NMOS-Transistor 1 und einen dazu komplementär aufgebauten
PMOS-Transistor P1. Der GATE-Anschluss des N-MOS N1 ist mit dem
Eingang E des Verstärkerschaltkreises 5 verbunden.
Der MOSFET N1 des Verstärkerschaltkreises 5 weist
einen SOURCE-Anschluss auf, der an den negativen Versorgungsspannungsanschluss 3 angeschlossen
ist, und einen Drainanschluss, der mit dem Ausgangsanschluss A des
Verstärkerschaltkreises 5 verbunden
ist. Der zweite MOSFET P1 des Verstärkerschaltkreises 5 besitzt
einen SOURCE-Anschluss, der an den positiven Versorgungsspannungsanschluss 2 der
Stromquelle 1 angeschlossen ist, und einen Drainanschluss,
der mit dem Ausgangsanschluss A des Verstärkerschaltkreises 5 verbunden
ist. An dem Eingang E des Verstärkerschaltkreises 5 liegt
eine Gegenkopplungsspannung VG an, die durch
den Spannungsabfall eines durch einen Widerstand 6 fließenden Stromes
I2 erzeugt wird.
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Der
Ausgang A des Verstärkerschaltkreises 5 ist über eine
Leitung 7 mit einem Eingang EW eines Spannungsstromwandlers 8 verbunden.
Der Spannungsstromwandler des Schaltkreises 8 weist einen
Ausgang AW auf, der über eine Leitung 9 an
den negativen Versorgungsspannungsanschluss 3 der Stromquelle 1 angeschlossen
ist. Der Spannungsstromwandler 8 wandelt die am Ausgang
AV des Verstärkerschaltkreises 5 anliegende
Verstärkerausgangsspannung
(VA) in einen Strom I3 um. Bei der in 3 dargestellten bevorzugten
Ausführungsform
umfasst der Spannungsstromwandler 8 einen MOSFET N1 dessen
GATE mit dem Ausgang AV des Verstärkerschaltkreises 5 über die
Leitung 7 verbunden ist. Der MOSFET N2 weist einen SOURCE-Anschluss
auf, der über
einen zweiten Widerstand 10 innerhalb des Spannungsstromwandlers 8 an
die negative Versorgungsspannung VSS der
Stromquelle 1 angeschlossen ist. Der MOSFET N2 weist ferner
einen Drainanschluss auf, der über
eine Leitung 11 an eine erste Stromspiegelschaltung 12-1 angeschlossen
ist, die aus den zweiten PMOS-Feldeffekttransistor P2, P3 besteht.
Die erste Stromspiegelschaltung 12-1 spiegelt den von den
Spannungsstromwandler 8 erzeugten Strom I3 zu
einem gespiegelten Strom I2, der über eine
Leitung 13 zu dem Gegenkopplungswiderstand 6 fließt und zu
einer daran abfallenden Gegenkopplungsspannung VG geführt. Die
erfindungsgemäße Stromquelle 1 enthält ferner
eine zweite Stromspiegelschaltung 12-2, die aus den beiden
PMOS-Feldeffekttransistoren P3, POUT besteht.
Der durch den Spannungsstromwandler erzeugte Strom I3 wird
von dem PMOS-Transistor P3 zu dem PMOS-Transistor POUT gespiegelt,
der den Referenzstrom IOUT über den
Stromausgang 4 abgibt. Ferner wird der durch den Spannungsstromwandler 8 erzeugte
Strom I3 über eine dritte Stromspiegelschaltung,
die durch die PMOS-Transistoren P1, P3 gebildet, wird in den Verstärkerschaltkreis 5 gespiegelt.
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Es
gilt daher: I1 = I2 = I3 = IOUT (11)
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Der
GATE-Anschluss des PMOS-Transistors P3 ist mit dem GATE-Anschlüssen der übrigen PMOS-Transistoren
P1, P2, POUT verbunden. Der PMOS-Transistor
P1 der erfindungsgemäßen Stromquelle 1 erfüllt eine
Doppelfunktion, nämlich
einerseits innerhalb des Verstärkerschaltkreises 5 und
andererseits als Teil der dritten Stromspiegelschaltung 12-3.
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Die
Widerstandswerte R6, R10,
der beiden Widerstände 6, 10 sind
vorzugsweise unabhängig
voneinander extern einstellbar bzw. steuerbar. Dabei ist der Widerstand
R10 des Widerstandes 10 geringer
als der Widerstandswert R6 des Widerstandes 6: R10 < R6 (12)
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Der
Widerstandswert des zweiten Widerstandes R10 ist
dabei vorzugsweise größer gleich
Null: R10 ≥ 0 (13)
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Bevorzugt
ist der Widerstandswert R10 des zweiten
Widerstandes 10 halb so groß wie der Widerstandswert R6 des ersten Widerstandes 6.
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Eine
typische Dimensionierung des Widerstandswertes ist beispielsweise
R6 = 300 kΩ und R10 =
150 kΩ.
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Die
beiden Widerstände 6, 10 werden
vorzugsweise aus Polysilizium hergestellt. Die beiden Widerstände 6, 10 liegen
vorzugsweise nahe beieinander.
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Im
weiteren wird die Funktionsweise der in 3 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromquelle 1 beschrieben.
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Steigt
die Gegenkopplungsspannung V
G an dem Widerstand
6 an,
sorgt der invertierende Verstärker
5 dafür, dass
die Ausgangsspannung V
A an dem Ausgang A
V verstärkt
absinkt. Der Spannungsstromwandler
8 bzw. SOURCE-Folger
bewirkt, dass die an dem Widerstand
10 anliegende Spannung
im gleichen Maße
wie die Spannung am Ausgang A
V des Verstärkerschaltkreises
5 sinkt.
Der Widerstand
10 ruft einen Strom I
3 hervor,
wobei gilt.
das heißt, dass mit sinkender Spannung
V
10 auch der durch den Spannungsstromwandler
8 erzeugte
Strom I3 sinkt.
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Der
sinkende Strom I3 wird durch die erste Stromspiegelschaltung, welche
aus den PMOS-Transistoren P2, P3 besteht, gespiegelt, so dass der
Strom I2 auf der Leitung 13 ebenfalls
sinkt und so zu einem verminderten Spannungsabfall an dem Widerstand 6 führt. Hierdurch
sind die Gegenkopplungsspannung VG erzeugt,
die an dem Eingang EV des Verstärkerschaltkreises 5 angelegt
wird. Die oben beschriebene Gegenkopplung führt zu einem stabilen Arbeitspunkt
der Stromquelle 1.
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Die
Spannung VA am Ausgang des Verstärkers 5 ergibt
sich gemäß folgender
Gleichung zu: VA
= V10 + VGSN2 (15)
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Die
GATE-SOURCE-Spannung des Transistors N2 ergibt sich aus der Summe
der Schwellenspannung V
T2 und der Overdrive-Spannung ΔV2, so dass
die Gleichung 15 wie folgt umgewandelt werden kann:
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Da
die Gegenkopplungsspannung V
G am Eingang
der Verstärkerschaltung
5 gleich
der SOURCE-Spannung NMOS-Transistors N1 ist kann die Gleichung die
Gleichung (16) weiter umgewandelt werden in:
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Vergleicht
man die Gleichungen (6) für
die in 1 gezeigte herkömmliche
Stromquelle mit der Gleichung (17) für die erfindungsgemäße Stromquelle 1,
wie sie in 3 dargestellt
ist, ergibt sich, dass die Ausgangsspannung VA am
Verstärkerschaltkreis 5 bei
der erfindungsgemäßen Stromquelle 1 durch
das Verhältnis der
Widerstandswerte der beiden Widerstände 6, 10 einstellbar
ist. Indem man den Widerstandwert R10 des Widerstandes 10 kleiner
wählt als
den Widerstandswert R6 wird die Ausgangsspannung
VA an dem Ausgang AV des
Verstärkerschalters 5 abgesenkt.
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Bei
gleichbleibender DRAIN-SOURCE-Spannung VDS an
dem PMOS-Transistor
P1 kann hierdurch die benötigte
Versorgungsspannung VDD an dem Versorgungsspannungsanschluss 2 der
Stromquelle 1 ebenfalls vermindert werden.
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Die
Ausgangsspannung VA kann vorzugsweise auf
eine Spannung in der Größenordnung
von 0,85 V gesenkt werden. Diese Ausgangsspannung VA reicht
aus, um den PMOS-Transistor N1 in Sättigung zu halten. Im Vergleich
zu der herkömmlichen
Stromquelle, wie sie in 1 dargestellt
ist, erreicht man eine Absenkung der Versorgungsspannung VA um etwa 0,2 V. Dies wiederum führt dazu,
dass auch die Spannungsversorgung VDD um
0,2 V geringer sein kann als bei einer herkömmlichen Stromquelle, wie sie
in 1 dargestellt ist.
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Vergleicht
man den schaltungstechnischen Aufbau der herkömmlichen Stromquelle, wie sie
in 1 dargestellt ist,
mit der erfindungsgemäßen Stromquelle 1,
wie sie in 3 dargestellt
ist, erkennt man, dass die gewünschte
Absenkung der Spannung VA erfindungsgemäß durch
das Vorsehen eines weiteren Stromzweiges erreicht wird, der durch
den PMOS-Transistor P3, den NMOS-Transistor N2 und den Widerstand 10 gebildet
wird. Dieser zusätzliche
Stromzweig enthält
einen zusätzlichen Einstellwiderstand 10 mit
dem ein zusätzlicher
Freiheitsgrad zur Einstellung der Ausgangsspannung VA gewonnen
wird. Der zusätzliche
Freiheitsgrad wird zur Absenkung der am Ausgang AV anliegenden
Ausgangsspannung VA eingesetzt. Während die Spannungsgegenkopplung
bei der herkömmlichen
Stromquelle in 1 direkt
geschieht, erfolgt bei der erfindungsgemäßen Stromquelle gemäß 3 ein Zwischenschritt, indem
man den Strom I3 zunächst
auf den Strom I2 spiegelt, der dann die Gegenkopplungsspannung VG hervorruft. Bei der herkömmlichen
Stromquelle wird die Gegenkopplungsspannung VG nicht
durch einen gespiegelten Strom hervorgerufen.
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4 zeigt eine zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Stromquelle 1.
Bei der zweiten Ausführungsform
handelt es sich um eine zu der ersten Ausführungsform komplementäre Ausführungsform,
dass heißt
die Ausführungsform
ist vollkommen symmetrisch zu der ersten Ausführungsform aufgebaut, wobei
der PMOS-Transistor P1 in 4 die
Funktion des MOS-Transistors
N1 in 3 übernimmt
usw.
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5 zeigt eine dritte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Stromquelle 1.
Wie Zusammenhang mit 3 beschrieben,
besteht erfindungsgemäß durch
das Vorsehen des zusätzlichen
Stromzweiges die Möglichkeit
die Ausgangsspannung VA am Ausgang der Verstärkerstufe 5 abzusenken.
Wird gleichzeitig die Versorgungsspannung VDD konstant
gelassen, wird die DRAIN-SOURCE-Spannung
VDS zwischen dem Drainanschluss und dem
SOURCE-Anschluss des PMOS-Transistors P1 in 3 erhöht.
Hierdurch ist es möglich zusätzlich zu
der Stromspiegelschaltung 12-i jeweils eine zusätzliche
Kaskoden-Stromspiegelschaltung
vorzusehen. In 5 weist
die Stromquelle 1 eine erste Stromspiegelschaltung auf,
die aus den PMOS-Transistoren P3, P2 besteht. Zu dieser ersten Stromspiegelschaltung
wird eine zusätzliche
Kaskoden-Stromspiegelschaltungen
in Reihe geschaltet, die aus den PMOS-Transistoren P3C, P2C besteht.
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Die
Stromquelle 1 weist ferner eine zweite Stromspiegelschaltung 12-2 auf,
die aus dem PMOS-Transistor P3, POUT besteht.
Zu dieser zweiten Stromspiegelschaltung wird eine weitere Kaskoden-Stromspiegelschaltung
in Reihe geschaltet, die aus den PMOS-Transistoren P3C, POUTC besteht.
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In
gleicher Weise wird zu dem PMOS-Transistor P1 ein Kakodentransistor
P1C in Reihe geschaltet, der zusammen mit dem PMOS-Transistor P1C
eine weitere Kaskoden-Stromspiegelschaltungen bildet.
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Durch
das Vorsehen der Kaskoden-Stromspiegelschaltungen wird bei gleichbleibender
Versorgungsspannung VDD die Performance
der Stromquelle 1 gesteigert, das heißt der Innenwiderstand Ri der Stromquelle 1 wird erhöht. Durch
das Vorsehen der Kaskoden-Stromspiegelschaltungen wird die Sensitivität der Stromquelle 1 gegenüber der
Versorgungsspannungsschwankungen VDD verringert,
das heißt
die PSRR (power supply rejection ratio) wird erhöht. Das Vorsehen der Kaskodenstufe 14 bei
der in 5 dargestellten
dritten Ausführungsform,
die die PMOS-Transistoren P1c, P2c, P3c, POUTC
umfasst, ist bei gleichbleibender Versorgungsspannung VDD nur
möglich,
weil es erfindungsgemäß gelingt,
die Spannung VA herabzusenken.
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6 zeigt eine weitere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Stromquelle 1.
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Neben
dem ersten Spannungsstromwandler 8 wird bei der in 6 dargestellten Stromquelle 1 ein zweiter
Spannungsstromwandler 15 vorgesehen, der einen MOSFET N3
enthält
sowie einen dritten Widerstand 16. Zu dem Spannungsstromwandler 15 ist
ein weiterer PMOS-Transistor P4 in Reihe geschaltet. Der PMOS-Tansistor
P4 und der zweite Spannungsstromwandler 15 bilden einen
weiteren Stromzweig innerhalb der Stromquelle 1. Der GATE-Anschluss
des MOSFET-Transistors N3 ist mit dem Ausgang AV des Verstärkerschaltkreises 5 verbunden
und bildet einen SOURCE-Folger. Der PMOS-Transistor P4 ist komplementär aufgebaut
zu dem MOSFET-Transistor N3 und liefert die GATE-Spannung für die Kaskoden-Stromspiegelschaltungsstufe 14,
die die PMOS-Transistoren P1c, P2c, P3c, POUTc umfasst. Durch den weiteren Stromzweig
fließt der
Strom I4. Dieser vierte Stromzweig innerhalb
der Stromquelle 1 ist vorzugsweise identisch aufgebaut
wie der dritte Stromzweig durch den der Strom I3 fließt. Der
PMOS-Transistor P4 ist derart ausgebildet, dass für er Spannung
erzeugt die ausreicht um die Transistoren in Sättigung zu halten. Für die Einstellung
der Widerstände 10, 16 kann
eine Skalierung der durch die beiden Stromzweige fließenden Ströme I3, I4 erreicht werden.
-
7a, 7b zeigen Stromspannungskennlinien zur
Erläuterung
der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Stromquelle 1. 7a zeigt eine Kennlinie
ohne Kaskodierung mit einem einfachen Stromspiegel. Wie man aus 7a erkennen kann fällt die
Stromspannungskennlinie bis einer Sättigungsspannung Vds SAT
in etwa linear ab, wobei die Steigung der Kennlinie umgekehrt proportional
ist zum Ausgangswiderstand der Stromquelle. Ein typisch Ausgangswiderstand
liegt bei etwa 500 KΩ.
-
7b zeigt die Kennlinie bei
einer Kaskodierung der Stromquelle. Wie man 7b entnehmen kann, verläuft die
Stromspannungskennlinie bis zu einer Schwellenspannungssatzstrich
nahezu horizontal, d.h. der Ausgangswiderstand der Stromquelle 1 ist
annähernd
unendlich und liegt typischerweise bei 50 MΩ. Durch die Kaskodisierung
kann ein erheblich höhere
Innenwiderstand Ri der Stromquelle 1 erreicht
werden. Dieswiederum gelingt durch Absenkung der Ausgangsspannung
VA der Verstärkerstufe 5, die bei
gleichbleibender Versorgungsspannung VDD eine
größere DRAIN-SOURCE-Spannung
Vds der Stromspiegelstufe 12 erlaubt,
so dass eine Kakodisierungsstufe 14 innerhalb der Stromquelle 1 vorgesehen
werden kann, wie sie beispielsweise in 6 dargestellt ist.
-
Die
erfindungsgemäße Stromquelle 1 kann
entweder derart ausgebildet werden, dass sie mit einer geringeren
Versorgungsspannung VDD auskommt oder durch
Vorsehen einer zusätzlichen
Stromspiegelkaskodierungsstufe 14 kann die Performance
der Stromquelle 1 bei gleichbleibender Versorgungsspannung
VDD erheblich gesteigert werden.
-
- 1
- Stromquelle
- 2
- Positiver
Versorgungsspannungsanschluss VDD
- 3
- Negativer
Versorgungsspannungsanschluss VSS
- 4
- Stromquellenausgang
- 5
- Verstärkerschaltkreis
- 6
- Erster
Widerstand
- 7
- Leitung
- 8
- Erster
Spannungsstromwandler
- 9
- Leitung
- 10
- Zweiter
Widerstand
- 11
- Leitung
- 12
- Stromspiegelschaltung
- 13
- Leitung
- 14
- Kaskoden-Stromspiegelschaltungen
- 15
- Zweiter
Spannungsstromwandler
- 16
- Dritter
Widerstand
