DE10345691A1

DE10345691A1 - Integrierte Schaltung

Info

Publication number: DE10345691A1
Application number: DE10345691A
Authority: DE
Inventors: Ulf Mattsson; Gordon Wilson
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 2002-10-01
Filing date: 2003-10-01
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2023-10-02
Also published as: US6933773B2; DE10345691B4; GB2393868B; GB2393868A; GB0222781D0; US20050077956A1

Abstract

Eine integrierte Schaltung umfasst eine Vorspannschaltung zum Konstanthalten der Transkonduktanz einer Gm-Zelle. Die integrierte Schaltung umfasst eine Konstantspannungsquelle auf dem Chip und eine Konstantstromquelle auf dem Chip. Die On-Chip-Konstantstromquelle hat eine Verbindung für einen externen Widerstand, wobei der Wert des externen Widerstands den Strom bestimmt, der durch die Konstantstromquelle generiert wird. Die Vorspannschaltung umfasst Mittel zum Vorsehen eines ersten Anteils (beta) des Stroms, der durch die On-Chip-Stromquelle generiert wird, um den Ausgang der Gm-Zelle vorzuspannen, und Mittel zum Vorsehen eines zweiten Anteils (alpha) der Spannung, die durch die On-Chip-Spannungsquelle generiert wird, um den Eingang der Gm-Zelle vorzuspannen. Die Transkonduktanz der Gm-Zelle wird gesteuert, gleich dem Verhältnis des Anteils des Stroms, der durch die On-Chip-Stromquelle generiert wird, zu dem Anteil der Spannung, die durch die On-Chip-Spannungsquelle generiert wird, zu sein.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Schaltung, und insbesondere auf eine integrierte Schaltung mit einer Vorspannschaltung zum Konstanthalten der Transkonduktanz einer Gm-Zelle.

Die Transkonduktanz (Gm) einer Zelle wird als das Verhältnis des Ausgangstroms I_OU _T zu der Eingangsspannung V_IN definiert. Die Transkonduktanz einer Gm-Zelle in einer integrierten Schaltung ändert sich mit Prozess und Temperatur. Abhängig von den für die Zelle verwendeten Komponenten auf dem Chip kann diese Abweichung größer als ±30% sein.

Diese Abweichung ist für integrierte Schaltungen, die auf einer konstanten Transkonduktanz beruhen, nicht akzeptabel. Z.B. ist eine konstante Transkonduktanz erforderlich, um die Verstärkung in Verstärkern mit niedrigem Rauschen (low noise amplifiers, LNAs) mit induktiven Kollektorlasten konstant zu halten, oder um die Abweichung in der Inbetriebnahmeverstärkung eines spannungsgesteuerten Oszillators (voltage controlled oscillator, VCO) zu minimieren. In einem anderen Beispiel ist eine konstante Transkonduktanz erforderlich, um einen Frequenzfehler in einem konstanten GmC-Filter zu mini mieren, derart, dass die Abweichung in der Frequenzcharakteristik der Filterfrequenz zu der wegen einer Abweichung in den Kondensatoren reduziert wird. Die Abweichungen in Kapazitätswerten sind gewöhnlich im Vergleich zu den Abweichungen einer Transkonduktanz klein.

In GmC-Filtern und Gyrator-C-Schaltungen ist bekannt, einen "Autotuner" zum Steuern der Abstimmungsf requenz des Filters zu verwenden.

Diese Schaltungen verwenden einen sekundären Filter oder Oszillator, der eine ähnliche GmC-Zelle innerhalb einer Steuerschleife verwendet, wo die Frequenz des Filters mit einem externen Frequenzbezug verglichen wird, um ein Fehlersignal zu generieren. GB 1,421,093 ist ein Beispiel eines GmC-Filters mit einem externen Frequenzbezug. US 6,304,135 ist ein anderes Beispiel, in dem der GmC-Filter einen externen Widerstand zum Steuern der Frequenz verwendet. US 4,388,539 legt eine konstante Gm-Schaltung offen, die wie oben den Nachteil hat, dass sie die Verwendung eines dedizierten externen Widerstands erfordert, um die Transkonduktanz konstant zu halten.

Somit haben alle bekannten Lösungen den Nachteil, dass sie einen zusätzlichen externen Frequenzbezug oder einen dedizierten externen Widerstand erfordern, um eine konstante Transkonduktanz zu erreichen, wobei der externe Frequenzbezug oder Widerstand verwendet wird, um die Filterreaktion fein abzustimmen. Die Notwendigkeit eines externen Frequenzbezugs oder Widerstands hat auch den Nachteil, dass ein oder mehr zusätzliche Pins an der integrierten Schaltung erforderlich sind.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine integrierte Schaltung mit einer konstanten Gm-Vorspannschaltung vorzusehen, die nicht die oben erwähnten Nachteile aufweist.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine integrierte Schaltung vorgesehen, umfassend eine Vorspannschaltung zum Konstanthalten der Transkonduktanz einer Gm-Zelle, wobei die integrierte Schaltung eine On-Chip-Konstantspannungsquelle (Konstantspannungsquelle auf dem Chip) und eine On-Chip-Konstantstromquelle (Konstantstromquelle auf dem Chip) umfasst, die On-Chip-Konstantstromquelle eine Verbindung für einen externen Widerstand hat, der Wert des externen Widerstands den Strom bestimmt, der durch die Konstantstromquelle generiert wird, gekennzeichnet dadurch, dass die Vorspannschaltung umfasst.
Mittel zum Vorsehen eines ersten Anteils (β) des Stroms, der durch die On-Chip-Stromquelle generiert wird, um den Ausgang der Gm-Zelle vorzuspannen;
Mittel zum Vorsehen eines zweiten Anteils (α) der Spannung, die durch die On-Chip-Spannungsquelle generiert wird, um den Eingang der Gm-Zelle vorzuspannen; und
Mittel zum Steuern der Transkonduktanz der Gm-Zelle, gleich dem Verhältnis des Anteils des Stroms, der durch die On-Chip-Stromquelle generiert wird, zu dem Anteil der Spannung, die durch die On-Chip-Spannungsquelle generiert wird, zu sein.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Konstanthalten der Transkonduktanz einer Gm-Zelle in einer integrierten Schaltung vorgesehen, wobei die integrierte Schaltung eine On-Chip-Konstantspannungsquelle und eine On-Chip-Konstantstromquelle umfasst, die On-Chip-Konstantstromquelle eine Verbindung für einen externen Widerstand aufweist, der Wert des externen Widerstands den Strom bestimmt, der durch die Konstantstromquelle generiert wird, gekennzeichnet dadurch, dass das Verfahren die Schritte umfasst:
Vorsehen eines ersten Anteils (β) des Stroms, der durch die On-Chip-Stromquelle generiert wird, um den Ausgang der Gm-Zelle vorzuspannen;
Vorsehen eines zweiten Anteils (α) der Spannung, die durch die On-Chip-Spannungsquelle generiert wird, um den Eingang der Gm-Zelle vorzuspannen; und
Steuern der Transkonduktanz der Gm-Zelle, gleich dem Verhältnis des Anteils des Stroms, der durch die On-Chip-Stromquelle generiert wird, zu dem Anteil der Spannung, die durch die On-Chip-Spannungsquelle generiert wird, zu sein.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass sie nicht die Verwendung eines externen Frequenzbezugs, eines zusätzlichen externen Widerstands oder beliebiger zusätzlicher externer Pins erfordert.

Für ein besseres Verständnis der Erfindung und um klarer zu zeigen, wie sie zur Wirkung gebracht werden kann, wird nun auf dem Weg eines Beispiels Bezug auf die begleitenden Zeichnungen genommen, in denen:
1 eine typische Gm-Zelle zeigt;
2 ein anderes Beispiel einer typischen Gm-Zelle zeigt;
3 ein Blockdiagramm einer konstanten Gm-Vorspannschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 weitere Details der Konstantstromquelle zeigt, die in der Vorspannschaltung von 3 gezeigt wird;
5' weitere Details der Konstantspannungsquelle zeigt, die in der Vorspannschaltung von 1 gezeigt wird;
6a die Gm-Übertragungscharakteristika mit einem Differenzialeingang oder einem einpolig abgeschlossenen Eingang mit dem definierten Ruhebetriebspunkt der Gm-Zelle zeigt;
6b zeigt, wie die Transkonduktanzkurve unter Verwendung einer Steuerspannung V_CNTL oder eines Steuerstroms I_CNTL gesteuert wird;
7 die Anwendung der Erfindung in einer einpolig abgeschlossenen Implementierung zeigt;
8 die Anwendung der Erfindung in einer Differenzialimplementierung zeigt.
Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt eine typische Gm-Zelle 1, nämlich einen CMOS-Inverter, der erste und zweite Transistoren 3, 5 umfasst. Die Transkonduktanz einer derartigen Gm-Zelle 1 wird durch Steuern der Gesamtspannung V_ctrl gesteuert, die über der Gm-Zelle 1 angelegt wird.
2 zeigt einen anderen üblichen Typ einer Gm-Zelle 7, nämlich eine Konfiguration eines bipolaren Differenzialpaars, die Transistoren 9, 11 umfasst. Die Transkonduktanz der Konfiguration eines bipolaren Differenzialpaars 7 wird durch Steuern des Vorspannstroms I_ctrl gesteuert.
Es wird nun Bezug darauf genommen, wie die Transkonduktanz einer Gm-Zelle, z.B. einer Gm-Zelle 1, 7, wie in 1 oder 2 gezeigt, in Übereinstimmung mit der Erfindung konstant gehalten wird. Es wird vermerkt, dass 1 und 2 Beispiele von Transkonduktanzverstärkern in ihren einfachsten Formen geben, und die Erfindung auf eine beliebige Transkonduktanzschaltungsanordnung angewendet werden kann, die Mittel zum Steuern ihrer Transkonduktanz mittels einer Steuerspannung oder eines Steuerstroms hat.
3 zeigt ein Blockdiagramm einer Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, in der die Transkonduktanz einer Gm-Zelle 31 zu steuern ist. Die konstante Gm-Vorspannschaltung umfasst eine Konstantstromquelle 33, eine Konstantspannungsquelle 35 und einen Verstärker 37 zum Einführen einer Schleifenverstärkung. Es wird eine Spannung V_o an den invertierenden Eingang des Verstärkers 37 angelegt, um die Ruhebetriebspunktspannung für die Gm-Zelle 31 zu definieren. Falls V_o an die Gm-Zelle 31 angelegt wird, wird in dem Ausgangsanschluss kein Strom fließen, und die Zelle ist in ihrem Ruhezustand vorgespannt.
Gemäß der Erfindung ist der Strom I_DC, der durch die Konstantstromquelle 33 bereitgestellt wird, ein Anteil des Stroms von einer On-Chip-Stromquelle, die in der integrierten Schaltung für andere Zwecke vorgesehen ist, z.B. zum Vorspannen des Chips. Des Weiteren ist die Spannung V_DC, die durch die Konstantspannungsquelle 35 bereitgestellt wird, ein Anteil der Spannung einer On-Chip-Spannungsquelle, die in der integrierten Schaltung auch für andere Zwecke vorgesehen ist.
Wie oben angezeigt, sind die On-Chip-Konstantstromquelle 33 und die On-Chip-Konstantstromquelle 35 auf der integrierten Schaltung bereits für andere Zwecke vorgesehen, z.B.: Einstellen des Eingangs- und Ausgangs-Gleichstroms und Signalpe gel, um Chip-zu-Chip-Schnittstellenspezifikationen zu erfüllen, z.B. LVDS- und CML-Ausgangspegel; Vorspannen von Analog-Digital- (ADC) und Digital-Analog- (DAC) Wandlern; oder Überwachen von Eingangssignalpegeln oder Energiepegeln in Empfängerschaltungen.
Die Erfindung hat den Vorteil zu ermöglichen, dass die Transkonduktanz ohne die Notwendigkeit von beliebigen externen Komponenten, die speziell für diesen Zweck vorgesehen werden, gesteuert wird.
Um eine konstante Transkonduktanz über einen Bereich von Temperatur und Prozessen zu erreichen, erfordert die On-Chip-Gm-Zelle 31 ein Mittel einer Steuerung, entweder durch Anlegen einer Spannung oder eines Stroms, abhängig von den Typ einer Gm-Zelle, die gesteuert wird (d.h. einer Steuerspannung für eine Gm-Zelle 1, wie in 1 gezeigt, oder eines Steuerstroms für eine Gm-Zelle 7, wie in 2 gezeigt). Die konstante Gm-Vorspannschaltung sieht Idealerweise eine Steuerspannung oder Strom (CTRL) zu den On-Chip-Gm-Zellen vor, um ihre Transkonduktanz über Prozess- und Temperaturenabweichungen konstant zu halten.
Die Transkonduktanz wird durch Erzwingen der Transkonduktanz der Gm-Zelle 31, I_DC/V_DC gleich zu sein, konstant gehalten. Dies wird durch Steuern des Steuersignals 39 der Gm-Zelle in einer Schleifenkonfiguration erreicht. Wie oben erwähnt, kann das Steuersignal entweder ein Steuerstrom oder eine Steuerspannung sein.
Die Genauigkeit der Transkonduktanz der Gm-Zelle 31 von 3 wird durch die Genauigkeiten der Konstantstromquelle 33 (I_DC) und der Konstantspannungsquelle 35 (V_DC) bestimmt. Wie oben erwähnt, werden die Konstantstromquelle 33 und die Konstantspannungsquelle 35 aus dem jeweiligen konstanten Strom und der konstanten Spannung, die auf dem Chip bereitgestellt werden, abgeleitet. Es wird nun Bezug darauf genommen, wie die Konstantstromquelle 33 und die Konstantspannungsquelle 35 von der On-Chip-Stromquelle und der On-Chip-Spannungsquelle abgeleitet werden.
4 zeigt detaillierter, wie die Konstantstromquelle 33 abgeleitet wird. Die On-Chip-Stromquelle 41 wird in gestrichelten Linien gezeigt und wird z.B. unter Verwendung einer Spannungsquelle 43, eines Verstärkers 45 und Transistoren 47, 49 generiert. Die On-Chip-Stromquelle 41 umfasst auch einen externen Widerstand 51, der als eine externe Komponente gewählt werden kann, auf weniger als 1% genau zu sein und einen Temperaturkoeffizienten von Null aufzuweisen. Die resultierende Stromquelle ist deshalb weitestgehend invariant gegenüber z.B. On-Chip-Prozess- und/oder Temperaturenabweichungen. Die Stromquelle wird als ein Bezug für viele On-Chip-Schaltungen verwendet, wie oben beschrieben.
Gemäß der Erfindung wird eine Schaltung 53 zum Ableiten eines Anteils der On-Chip-Stromquelle 41 zur Verwendung in der Gm-Vorspannschaltung, die in 3 gezeigt wird, vorgesehen. Vorzugsweise umfasst die Schaltung 53 einen Transistor 55. Der Anteil β des Stroms, der der On-Chip-Stromquelle 41 entnommen wird, wird durch das Verhältnis der Verstärkung von Transistor 47 (in Worten "1") in Bezug auf die Verstärkung von Transistor 55 (in Worten "m") bestimmt, d.h. β ist als das Verhältnis m:1 definiert.
Die Konstantstromquelle 33 (oder I_DC) für die konstante Gm-Vorspannschaltung ist deshalb als IDC = β·Vbg/Rext definiert, wobei V_b _g die Bezugs- oder Bandlückenspannung 43 ist und R_ext der externe Widerstand 51 ist.
Wie zuvor oben erwähnt wird angenommen, dass die Konstantstromquelle 33 und ihr zugehöriger externer Widerstand 51 bereits in der integrierten Schaltung für andere Vorspannschaltungen vorgesehen sein werden, was bedeutet, dass die konstante Gm-Schaltung der vorliegenden Erfindung keinerlei weitere externe Komponenten oder zusätzliche Pins erfordert.
5 zeigt detaillierter, wie die Konstantspannungsquelle 35 (V_DC) vorzugsweise abgeleitet wird. Die On-Chip-Spannungsquelle 56 wird in gestrichelten Linien gezeigt und ist, wie oben erwähnt, bereits auf dem Chip für andere Zwecke vorgesehen, z.B. zum Fixieren der Amplitude einer ECL-Logik. Es wird vermerkt, dass gleichermaßen andere Schaltungen verwendet werden könnten, um die On-Chip-Spannungsquelle 56 vorzusehen. Ein Spannungsbezug 43 und ein interner Widerstand 59 sind vorgesehen, um eine prozess-/temperaturabhängige Kurve zu ergeben, die dann auf einen lokalen Widerstand 61 der Schaltung 58 angewendet wird, die verwendet wird, um den Anteil der On-Chip-Spannungsquelle abzuleiten. Der lokale Widerstand 61 ist angepasst zu, aber nicht notwendigerweise gleich dem internen Widerstand 59. Somit hebt der Strom, der durch den lokalen Anpassungswiderstand 61 fließt, jegliche Prozess- oder Temperaturabweichungen auf. Die Konstantspannungsquelle 5 (oder V_DC) zur Verwendung in der konstanten Gm-Vorspannschaltung wird über Punkte 63, 65 in 5 genommen. Die Konstantspannungsquelle 5 (V_DC) ist ein Anteil α des ursprünglichen Spannungsbezugs V_bg d.h. VDC = α·Vbg.
Der Anteil α wird durch das Verhältnis der Verstärkungen von Transistoren 67, 69, 71, 73 und das Verhältnis der internen Widerstände 59, 61 bestimmt, wie nachstehend erläutert wird. Zunächst wird α durch das Verhältnis der Verstärkung von Transistor 67 (in Worten "1") in Bezug auf die Verstärkung von Transistor 69 (in Worten "n") bestimmt. Das Verhältnis der NMOS-Transistoren 71 und 73 wird auch auf 1:n eingestellt, sodass der Strom, der in Knoten 65 durch Transistor 69 bezogen wird, durch die NMOS-Stromsenke entfernt wird.
Des Weiteren kann durch Verwenden von internen Widerständen 59, 61, die vom gleichen Typs sind, wobei sie sich so einander über Prozess und Temperatur verfolgen, ein Anteil α von V_bg generiert werden, um eine absolute Vorspannspannung zu dem Eingang der gesteuerten Gm-Zelle innerhalb der Rückkopplungsschleife der Steuerschaltung vorzusehen (wobei V_bg die Bandlückenspannung auf dem Chip ist, die großenteils von Prozess und/oder Temperatur unabhängig ist).
Somit sind α = n·R₆₁/R₅₉ und VDC = (n·R61·Vbg)/R59.
Vorzugsweise werden die Konstantstromquelle 3 und die Konstantspannungsquelle 5 aus dem gleichen Spannungsbezug 43 abgeleitet. Die endgültige gesteuerte Transkonduktanz Gm wird dadurch als Gm = IDC/VDC = β/α·1/Rext definiert. Dies hat den Vorteil, dass die gesteuerte Transkonduktanz von Abweichungen oder Schwankungen in dem tatsächlichen Spannungsbezug 43 unabhängig ist.
Vorzugsweise werden die Anteile α und β für die Vorspannschaltung gemäß dem Typ einer Gm-Zelle, die gesteuert wird, bestimmt. Mit anderen Worten werden die Anteile derart ge wählt, dass die Transkonduktanz in einer linearen Region der Transkonduktanzkurve für die Gm-Zelle, die gesteuert wird, gesteuert wird.
α wird derart gewählt, dass die Gm-Zelle innerhalb ihres linearen Bereichs mit V_DC arbeitet, die beträchtlich höher als beliebige eingegebene Versatzabweichungen der Gm-Zelle ist, die Fehler in der Einstellung der Transkonduktanz verursachen würden. Der Wert von β wird dann aus der Gleichung IDC = β·Vbg/Rext d.h. β = IDC·Rext/Vbg bestimmt.
6a zeigt die Übertragungsfunktion, I_OU _T gegen V_IN, einer Gm-Zelle mit einem Differenzialspannungseingang (oder einer einpolig abgeschlossenen Spannung, die auf die in Ruhe angewendete Spannung angewendet wird). Die drei Kurven der Charakteristik zeigen die Abweichung einer Transkonduktanz, definiert durch die Steilheit, über Prozess und Temperatur, wobei das steuernde Element fixiert ist. V_DC ist die Spannung, die an den Eingang der Zelle angelegt wird, und I_D _C ist der Strom, der an den Ausgang der Zelle angelegt wird, die verwendet werden, um die Transkonduktanz der Zelle in ihrer Steuerschleife zu definieren. Die Transkonduktanz ist gleich der Steilheit der linearen Region zwischen Spannungen V₁ und V₂.
6b zeigt, wie die Transkonduktanz durch die angelegte Steuerspannung oder Strom, d. h. V_ctrl oder I_ctrl, abhängig von dem Typ einer Gm-Zelle, die gesteuert wird, justiert werden kann (wie in 1 und 2 oben gezeigt). Um die Transkonduktanz auf den Wert Gm einzustellen, müsste die Steuerspannung oder Strom auf Werte A, B oder C für die drei Kurven, die die Nominale und die Extrema von Prozess und Temperatur darstellen, eingestellt werden.
Eine detailliertere Erläuterung der Erfindung wird nun in Bezug auf eine einpolig abgeschlossene Implementierung und eine Differenzialimplementierung gegeben.
7 zeigt eine einpolig abgeschlossene Implementierung der Erfindung. Wie oben in Bezug auf 3 erwähnt, umfasst die konstante Gm-Vorspannschaltung eine Gm-Zelle 31 mit steuerbarer Transkonduktanz, eine Konstantstromquelle 33, eine Konstantspannungsquelle 35 und einen Verstärker 37, der eine Schleifenverstärkung einführt. Das Ziel der Schaltung ist, die Transkonduktanz von Gm-Zelle 31 zu zwingen, I_DC/V_DC zu sein. Gemäß dieser Ausführungsform einer einpolig abgeschlossenen Implementierung umfasst die Vorspannschaltung eine zweite Gm-Zelle 71. Die zweite Gm-Zelle 71 sieht die Ruhegleichspannung für die Gm-Zelle 31 vor, die gesteuert wird. Alternativ könnte die Gleichspannung unter Verwendung eines Widerstands oder einer anderen Vorrichtung vorgesehen werden. Die konstante Transkonduktanz wird durch Vorsehen eines Steuersignal 39 zu den Gm-Zellen 31 und 71 erreicht, die ihre Transkonduktanz über Prozess und Temperatur konstant halten, wobei das Steuersignal 39 entweder ein Spannungssignal oder ein Stromsignal ist, abhängig von der Konfiguration der Gm-Zelle.
Die zweite Gm-Zelle 71 ist von dem gleichen Typ wie die erste Zelle 31 und ist als ein aktiver Spannungsteiler verbunden, wobei ihr Ausgangsstrom zu ihrem Eingang rückgekoppelt wird. Die zweite Gm-Zelle 71 sieht dann den Betriebspunkt eines gemeinsamen Modus (Spannung) für die erste Zelle 31 vor. Mit der auf diese Art und Weise an dem Eingang der ersten Zelle 31 angeordneten zweiten Zelle 71 wird kein Gleichstrom in den oder aus dem Ausgang der ersten Gm-Zelle 31 fließen. Die Gleichspannung in "B" an dem Eingang von Gm-Zelle 31 wird automatisch abstimmen, um einen Nullstrom-Zustand zu erhalten. Die Konstantspannungsquelle 35 (V_DC) ist in Reihe mit der Spannung in B vorgesehen, was der ersten Gm-Zelle 31 ermöglicht, einen Strom in ihrem Ausgang zu ziehen. Eine beliebige Differenz zwischen diesem Strom und dem angelegten Strom 33 erzeugt in A eine Fehlerspannung, die durch Verstärker 37 verstärkt wird, um ein Steuersignal 39 zu erzeugen. Steuersignal 39 justiert die Transkonduktanz von beiden Zellen 31 und 71, bis die Spannung in A der Spannung in B gleich ist und der Strom, der durch Zelle 31 gezogen wird, gleich dem angelegten Strom 33 ist. Die Transkonduktanz der ersten Gm-Zelle 31 wird dadurch gezwungen, I_DC/V_DC zu sein.
Da die Konstantstromquelle 33 und die Konstantspannungsquelle 35 vorbestimmte Anteile der jeweiligen Strom- und Spannungsquellen auf dem Chip sind, wird die Genauigkeit der Transkonduktanz durch die passenden Genauigkeiten der On-Chip-Stromquelle und der On-Chip-Spannungsquelle und die Temperaturabweichung des externen Widerstands der On-Chip-Stromquelle bestimmt.
Der niedrige Eingangsversatz des Verstärkers 37 zwingt die Spannung in A, gleich B zu sein. Das Steuersignal 39 kann auch verwendet werden, um die Transkonduktanz von anderen GM-Zellen einzustellen, die anderswo auf dem Chip verwendet werden, z.B. den Transkonduktanzverstärkern von GmC-Filtern, vorausgesetzt, dass diese Transkonduktanzverstärker in der Gestaltung identisch zu Zelle 31 sind. Außerdem kann das Steuersignal 39 auch verwendet werden, um die Transkonduktanz von anderen Gm-Zellen einzustellen, die anderswo auf dem Chip verwendet werden, vorausgesetzt, dass die Gestaltung derartiger Zellen zu Gm-Zelle 31 auf ein genaues vordefiniertes Verhältnis angepasst ist. Dies ist besonders im Fall von CMOS-Verstärkern des Typs, der in 1 gezeigt wird, von Bedeutung, wo mehrere Gates, in Worten m, die Transkonduktanz um das gleiche Verhältnis erhöhen würden. Falls der Transkonduktanzverstärker 31 in 7 z.B. zwei Gatestreifen hat und z.B. durch die Steuerschleife auf 50 μS eingestellt war, würde dann eine ähnliche Gm-Zelle in einem GmC-Filter mit zehn Streifen gesteuert werden, um fünf mal 50 μS zu sein, d.h. 250 μS.
8 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung für eine Differenzialimplementierung. Die Transkonduktanz von Zelle 31 wird gezwungen, I_D _C/V_D _C zu sein. Es wird zusätzliche Schaltungstechnik eines gemeinsamen Modus, nicht gezeigt, verwendet, um die Spannung eines gemeinsamen Modus an dem Eingang und Ausgang der Gm-Zelle 31 einzustellen. Eine Konstantspannungsquelle 35 (V_DC), d.h. ein Anteil der On-Chip-Spannungsquelle, wird differenzial an dem Eingang 63, 65 der Gm-Zelle 31 angelegt, was es ihr ermöglicht, einen Strom an ihrem Ausgang zu senken/zu beziehen. Eine beliebige Abweichung dieses Stroms von dem angelegten Strom I_DC erzeugt eine Fehlerspannung A, die durch Verstärker 37 verstärkt wird, um ein Steuersignal 39 zu erzeugen. Steuersignal 39 justiert die Transkonduktanz von Zelle 31, bis die Spannung in A gleich der Spannung in B ist und der Strom, der durch Gm-Zelle 31 gezogen wird, gleich dem angelegten Strom 33 ist. Die Transkonduktanz der ersten Gm-Zelle 31 wird dadurch gezwungen, I_DC/V_DC zu sein.
Die Differenzialspannung, die an den Eingang 63, 65 angelegt wird, wird abgeleitet, wie oben in Bezug auf 5 gezeigt. Die Genauigkeit der Transkonduktanz wird durch die passenden Genauigkeiten der Konstantstromquelle 33 (I_DC) und der Konstantspannungsquelle 35 (V_DC) bestimmt, und daher die Genauigkeit der On-Chip-Stromquelle, On-Chip-Spannungsquelle und der Prozess- und/oder Temperaturabweichung des externen Widerstands, der für die On-Chip-Stromquelle vorgesehen ist.
Die oben beschriebene Erfindung sieht ein Steuersignal zu einer Gm-Zelle vor, das ihre Transkonduktanz Idealerweise gegenüber Prozess- und Temperaturabweichungen konstant macht.
Die Erfindung ermöglicht, die Transkonduktanz einer Gm-Zelle unter Verwendung der On-Chip-Spannungsquelle und einer On-Chip-Stromquelle und ihres externen Widerstands, die bereits auf der integrierten Schaltung für andere Zwecke vorgesehen sind, konstant zu halten, wobei dadurch die Notwendigkeit beliebiger zusätzlicher externer Komponenten beseitigt wird.
Es wird vermerkt, dass die Spannungen und Ströme, die in den verschiedenen Ausführungsformen erwähnt werden, abhängig von einer Implementierung einpolig abgeschlossen oder differenzial sein können.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf gewöhnliche Gm-Zellen, wie etwa einen CMOS-Inverter oder ein bipolares Differenzialpaar beschrieben wurde, wird vermerkt, dass die Erfindung auch auf andere Typen von Gm-Zellen anwendbar ist.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf eine Steuerung von nur einer Gm-Zelle beschrieben wurde, wird außerdem leicht erkannt, dass die Erfindung verwendet werden kann, um eine Vielzahl von Gm-Zellen in einer integrierten Schaltung zu steuern.
Vorzugsweise kann die Filterreaktion unter Verwendung einfacher interner Logik und Schalter fein abgestimmt werden, um den Strom I_D _C in 2 fein abzustimmen und beliebige Änderungen in der absoluten Kapazität auf dem Chip wegen einer Prozessabweichung zu kompensieren.
Da die Erfindung von keinem externen Frequenzbezug für Gm-C-Filter Gebrauch macht, ist sie gegenüber anderen konstanten Gm-Vorspannschemata von Vorteil, die externe Frequenzbezüge verwenden.
Die oben beschriebene Architektur kann mit CMOS-, bipolarer, BiCMOS- oder anderen Technologien implementiert werden.

Claims

Integrierte Schaltung, umfassend eine Vorspannschaltung zum Konstanthalten der Transkonduktanz einer Gm-Zelle, wobei die integrierte Schaltung eine On-Chip-Konstantspannungsquelle und eine On-Chip-Konstantstromquelle umfasst, die On-Chip-Konstantstromquelle eine Verbindung für einen externen Widerstand hat, der Wert des externen Widerstands den Strom bestimmt, der durch die Konstantstromquelle generiert wird, gekennzeichnet dadurch, dass die Vorspannschaltung umfasst: Mittel zum Vorsehen eines ersten Anteils (β) des Stroms, der durch die On-Chip-Stromquelle generiert wird, um den Ausgang der Gm-Zelle vorzuspannen; Mittel zum Vorsehen eines zweiten Anteils (α) der Spannung, die durch die On-Chip-Spannungsquelle generiert wird, um den Eingang der Gm-Zelle vorzuspannen; und Mittel zum Steuern der Transkonduktanz der Gm-Zelle, um gleich dem Verhältnis des Anteils des Stroms, der durch die On-Chip-Stromquelle generiert wird, zu dem Anteil der Spannung, die durch die On-Chip-Spannungsquelle generiert wird, zu sein.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei das Mittel zum Steuern der Transkonduktanz eine Rückkopplungsschaltung umfasst, inkludierend einen Verstärker, wobei der Verstärker ein Steuersignal (39) zum Steuern der Transkonduktanz der Gm-Zelle vorsieht.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 2, wobei das Steuersignal (39) ein Stromsignal ist.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 2, wobei das Steuersignal (39) ein Spannungssignal ist.
Integrierte Schaltung nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei das Mittel zum Vorsehen eines Anteils (α) der On-Chip-Spannungsquelle erste und zweite Transistoren (68, 69) umfasst, die ersten und zweiten Transistoren ein Verstärkungsverhältnis von 1:n haben.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 5, wobei die Verstärkung n des zweiten Transistors (69) gemäß den Transkonduktanzcharakteristika der Gm-Zelle, die gesteuert wird, vorbestimmt ist.
Integrierte Schaltung nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei das Mittel zum Vorsehen eines Anteils (β) der On-Chip-Stromquelle einen Transistor (55) umfasst.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 7, wobei die Verstärkung m des Transistors (55) gemäß den Transkonduktanzcharakteristika der Gm-Zelle, die gesteuert wird, gewählt wird.
Integrierte Schaltung nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei die On-Chip-Stromquelle und die On-Chip-Spannungsquelle unter Verwendung des gleichen Spannungsbezugs derart generiert werden, dass die Transkonduktanz der Gm-Zelle gleich dem Verhältnis des ersten Anteils (β) zu dem zweiten Anteil (α), geteilt durch den Wert des externen Widerstands (51) ist.
Integrierte Schaltung nach einem beliebigen von Ansprüchen 2 bis 9, ferner umfassend eine zweite Gm-Zelle, wobei die zweite Gm-Zelle eine Betriebspunktspannung eines gemeinsamen Modus an dem Eingang der ersten Gm-Zelle vorsieht, die zweite Gm-Zelle auch durch das Steuersignal (39) gesteuert wird.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 10, wobei die Komponenten, die die zweite Gm-Zelle bilden, mit den Komponenten angepasst sind, die die erste Gm-Zelle bilden.
Integrierte Schaltung nach einem beliebigen von Ansprüchen 1 bis 9, wobei der Anteil (β) der On-Chip-Stromquelle differenzial mit dem Ausgang der Gm-Zelle verbunden ist, und wobei der Anteil (α) der On-Chip-Spannungsquelle differenzial mit dem Eingang der Gm-Zelle verbunden ist.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 2, wobei das Steuersignal 39 auch verwendet wird, um eine andere Gm-Zelle der gleichen Gestaltung auf der integrierten Schaltung zu steuern.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 2, wobei das Steuersignal 39 verwendet wird, eine andere Gm-Zelle auf der integrierten Schaltung zu steuern, wobei die Gestaltungscharakteristika der anderen Gm-Zelle ein vorbestimmtes Verhältnis zu den Gestaltungscharakteristika der ersten Gm-Zelle haben.
Verfahren zum Konstanthalten der Transkonduktanz einer Gm-Zelle auf einer integrierten Schaltung, wobei die integrierte Schaltung eine On-Chip-Konstantspannungsquelle und eine On-Chip-Konstantstromquelle umfasst, die On- Chip-Konstantstromquelle eine Verbindung für einen externen Widerstand hat, der Wert des externen Widerstands den Strom bestimmt, der durch die Konstantstromquelle generiert wird, gekennzeichnet dadurch, dass das Verfahren die Schritte umfasst: Vorsehen eines ersten Anteils (β) des Stroms, der durch die On-Chip-Stromquelle generiert wird, um den Ausgang der Gm-Zelle vorzuspannen; Vorsehen eines zweiten Anteils (α) der Spannung, die durch die On-Chip-Spannungsquelle generiert wird, um den Eingang der Gm-Zelle vorzuspannen; und Steuern der Transkonduktanz der Gm-Zelle, gleich dem Verhältnis des Anteils des Stroms, der durch die On-Chip-Stromquelle generiert wird, zu dem Anteil der Spannung, die durch die On-Chip-Spannungsquelle generiert wird, zu sein.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt zum Steuern der Transkonduktanz Vorsehen einer Rückkopplungsschaltung umfasst, inkludierend einen Verstärker, wobei der Verstärker ein Steuersignal (39) zum Steuern der Transkonduktanz der Gm-Zelle vorsieht.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Steuersignal (39) ein Stromsignal ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Steuersignal (39) ein Spannungssignal ist.
Verfahren nach einem beliebigen von Ansprüchen 15 bis 18, wobei der Schritt zum Vorsehen eines Anteils (α) der On-Chip-Spannungsquelle Vorsehen von ersten und zweiten Transistoren (68, 69) mit einem Verstärkungsverhältnis von 1:n umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend den Schritt zum Einstellen der Verstärkung n des Transistors (69) gemäß den Transkonduktanzcharakteristika der Gm-Zelle, die gesteuert wird.
Verfahren nach einem beliebigen von Ansprüchen 15 bis 20, wobei der Schritt zum Vorsehen eines Anteils (β) der On-Chip-Stromquelle Vorsehen eines Transistors (55) umfasst, um den Anteil (β) der On-Chip-Stromquelle zu generieren.
Verfahren nach Anspruch 21, ferner umfassend den Schritt zum Einstellen der Verstärkung m des Transistors (55) gemäß den Transkonduktanzcharakteristika der Gm-Zelle, die gesteuert wird.
Verfahren nach einem beliebigen von Ansprüchen 15 bis 22, wobei die On-Chip-Stromquelle und die On-Chip-Spannungsquelle unter Verwendung des gleichen Spannungsbezugs derart generiert werden, dass die Transkonduktanz der Gm-Zelle gleich dem Verhältnis des ersten Anteils (β) zu dem zweiten Anteil (α), geteilt durch den Wert des externen Widerstands (51) ist.
Verfahren nach einem beliebigen von Ansprüchen 16 bis 23, ferner umfassend den Schritt zum Vorsehen einer zweiten Gm-Zelle, wobei die zweite Gm-Zelle eine Betriebsspannung eines gemeinsamen Modus zu dem Eingang der ersten Gm-Zelle vorsieht, die zweite Gm-Zelle auch durch das Steuersignal (39) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 24, ferner umfassend den Schritt zum Anpassen der Komponenten, die die zweite Gm-Zelle bilden, mit den Komponenten, die die erste Gm-Zelle bilden.
Verfahren nach einem beliebigen von Ansprüchen 15 bis 23, ferner umfassend den Schritt zum differenzialen Verbinden des Anteils (β) der On-Chip-Stromquelle mit dem Ausgang der Gm-Zelle und differenzialen Verbinden des Anteils (α) der On-Chip-Spannungsquelle mit dem Eingang der Gm-Zelle.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Steuersignal 39 auch verwendet wird, um eine andere Gm-Zelle der gleichen Gestaltung auf der integrierten Schaltung zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Steuersignal 39 verwendet wird, um eine andere Gm-Zelle auf der integrierten Schaltung zu steuern, wobei die Gestaltungscharakteristika der anderen Gm-Zelle ein vordefiniertes Verhältnis zu den Gestaltungscharakteristika der ersten Gm-Zelle haben.