DE19803471C2 - Schaltbare Stromquellenschaltung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine schaltbare Stromquel­ lenschaltung, bei der Ströme unterschiedlichen Vorzeichens auf einen gemeinsamen Ausgang geschaltet werden können. Sol­ che Schaltungen finden beispielsweise in Phasenregelschleifen Verwendung.

Aus dem Stand der Technik sind schaltbare Stromquellenschal­ tungen bekannt. In den Stromquellenschaltungen ist dabei eine sogenannte Stromspiegelschaltung vorgesehen. Eine Stromspie­ gelschaltung ist eine Stromquellenschaltung mit Transistoren, bei der der Ausgangsstrom in bestimmtem Verhältnis zum Ein­ gangs- oder Referenzstrom steht. Über eine Steuerstufe wird ein Steuer- oder Eingangsstrom eingeprägt, und in Abhängig­ keit vom eingeprägten Steuerstrom wird eine Steuerspannung bereitgestellt. Weiter hat die Stromspiegelschaltung eine Ausgangsstufe, die in Abhängigkeit von der Steuerspannung der Steuerstufe einen Ausgangsstrom bereitstellt, der nahezu la­ stunabhängig ist. Der Ausgangsstrom ist proportional zum Ein­ gangs- oder Steuerstrom. Der Ausgangsstrom kann dabei größer, gleich oder kleiner als der Eingangsstrom sein.

Diese Stromquellenschaltungen können nun als schaltbare Stromquellenschaltungen ausgebildet sein. Dabei wird eine Ausgangsstufe des Stromspiegels über einen elektronischen Schalter mit einem üblicherweise festen Bezugspotential ver­ bunden. In einer Abwandlung verwendet die Stromquellenschal­ tung zwei Stromspiegelschaltungen, deren Ausgangsstufen über elektronische Schalter mit Bezugspotentialen unterschiedli­ chen Vorzeichens verbunden werden können. Der oder die sich so ergebenden Ströme werden auf einen gemeinsamen Ausgang ab­ gebildet.

Eine solche schaltbare Stromquellenschaltung ist aus der eu­ ropäischen Patentschrift EP 0 570 820 A2 bekannt. Ihr Aufbau und ihre Funktionsweise sollen im folgenden anhand der Zeich­ nungsfigur 1 näher dargestellt werden. Die in dieser europäi­ schen Patentschrift und in der Zeichnungsfigur 1 dargestellte Stromquellenschaltung besteht aus zwei Einzelschaltungen, die einen oberen Teil beziehungsweise einen unteren Teil der Ge­ samtschaltung bilden, deren Hauptbestandteil jeweils eine Stromspiegelschaltung ist.

Der obere Teil der Schaltung, der sich oberhalb einer gedach­ ten waagrechten Linie befindet, die sich in Höhe des gemein­ samen Ausgangs pdx erstreckt, gestattet es, einen positiven Strom am gemeinsamen Ausgangs pdx zu erzeugen. Der untere Teil der Schaltung, der sich unterhalb der gedachten waag­ rechten Linie befindet, die sich in Höhe des gemeinsamen Aus­ gangs pdx erstreckt, gestattet es, einen negativen Strom am gemeinsamen Ausgang pdx zu erzeugen. Der obere Teil der Schaltung umfaßt die Stromspiegelschaltung aus den Transisto­ ren T3b und T1b, und der untere Teil der Schaltung umfaßt die Stromspiegelschaltung aus den Transistoren T3a und T1a. An den Knoten ipx und inx werden die zu spiegelnden Referenz­ ströme für den oberen Teil beziehungsweise den unteren Teil der Schaltung zur Verfügung gestellt. Diese Referenzströme erzeugen an den Knoten x eine Steuerspannung, die dann den jeweiligen Spiegeltransistor T1b beziehungsweise T1a der obe­ ren beziehungsweise unteren Stromspiegelschaltung ansteuert. Schaltet man den Schalttransistor T2b beziehungsweise T2a, die als elektronische Schalter fungieren, in den leitenden Zustand, was über die Steuerleitung upn beziehungsweise dnx erfolgt, so wird der über das Transistorpaar T3b/T1b bezie­ hungsweise T3a/T1a gespiegelte Strom auf den Ausgang pdx ab­ gebildet.

Abhängig von der Größe der Spiegeltransistoren T1b sowie T1a folgt einem Einschalten des Transistors T2b beziehungsweise T2a ein entsprechend langsames Entladen beziehungsweise Auf­ laden der parasitären Kapazitäten der Transistoren T1b bezie­ hungsweise T1a über deren Gateflächen, bevor der Ausgangs­ strom den gemäß der Schaltungsdimensionierung eingestellten Wert erreicht.

Um nun dieses Über- oder Unterschwingen des Ausgangsstroms unmittelbar nach dem Einschalten der jeweiligen Schalttransi­ storen T2b beziehungsweise T2a zu verhindern, wird eine Kapa­ zität im oberen Teil der Schaltung zwischen die Knoten ipx, an dem der Referenzstrom eingespeist wird, und upn, an dem das Steuersignal für den Schalttransistor T2b eingespeist wird, beziehungsweise im unteren Teil der Schaltung zwischen die Knoten inx, an dem der Referenzstrom eingespeist wird, und dnx, an dem das Steuersignal für den Schalttransistor T2a eingespeist wird, geschaltet. Diese Kapazitäten werden in der in der EP 0 570 820 A2 beschriebenen Schaltung durch die CMOS- Transistoren T6b beziehungsweise T6a verwirklicht. Die Kapa­ zitäten werden so dimensioniert, daß beim Einschalten des Transistors T2b beziehungsweise T2a die gleiche Ladung über die Kapazität auf das Gate des Transistors T1b beziehungswei­ se T1a eingekoppelt wird, wie zum Entladen beziehungsweise Aufladen der Gate-Source-Kapazität des Transistors benötigt wird. Durch diese so dimensionierten und geschalteten Kapazi­ täten erhält man unmittelbar nach dem Einschalten der Strom­ quelle einen Ausgangsstrom, der ohne ein Über- oder Unter­ schwingen dem Gleichstromwert entspricht.

Nachteilig an dieser in der EP 0 570 820 A2 beschriebenen und hier näher erläuterten Schaltung ist, daß der Verlauf des Ausgangsstroms eine Abhängigkeit gegenüber der Schaltfrequenz der Stromquelle und gegenüber der Versorgungsspannung zeigt.

Die Abhängigkeit des Pegels des Stromimpulses zum Einschalt­ zeitpunkt am Ausgang gegenüber der Schaltfrequenz wird durch die kapazitive Charakteristik des Source-Drain Bereiches der Transistoren T1a und T1b verursacht. Als Folge davon entlädt sich das Spannungspotential am Knoten mp1s beziehungsweise mn1s auf kapazitive Art und Weise gegenüber dem Ausgang pdx desto stärker, je länger der obere Spiegeltransistor T1b be­ ziehungsweise der untere Spiegeltransistor T1a von der Ver­ sorgungsspannung abgekoppelt wird, wenn die jeweiligen Tran­ sistoren T2b beziehungsweise T2a abgeschaltet sind. Bei einem schnelleren Schalten erhält man so einen betragsmäßig höheren Ausgangsstrom als bei einem langsameren Schalten; dies ist direkt nach dem Einschalten am stärksten ausgeprägt.

Die Abhängigkeit des Stromimpulses am Ausgang gegenüber der Versorgungsspannung wird dadurch verursacht, daß bei einem Ansteigen der Versorgungsspannung sich die Gate-Source/Drain- Spannung der Transistoren T6b beziehungsweise T6a stark er­ höht. Dies tritt insbesondere am Übergang der Transistoren vom Subthreshold in den Triodenbereich auf. Bei den Transi­ storen T6b und T6a sind Source und Drain direkt miteinander verbunden, also kurzgeschlossen, wodurch sich der einzige Spannungsabfall zwischen Gate und Source (verbunden mit Drain) ergibt, was als Gate-Source/Drain-Spannung bezeichnet werden soll.

Weiterhin herrscht bis zu diesem Zeitpunkt eine Unsymmetrie zwischen dem oberen und dem unteren Teil der Schaltung. Diese ist direkt nach dem Einschalten der Stromquelle(n) am größ­ ten. Diese Unsymmetrie rührt daher, daß sich eine Versor­ gungsspannungsänderung (Versorgungsspannung VDD) auf den obe­ ren und unteren Teil der Schaltung unterschiedlich auswirkt, während das Massebezugspotential (VSS) gleich bleibt.

Somit führt eine Erhöhung der Versorgungsspannung um einen bestimmten Faktor zu einer Variation des erzeugten Ausgangs­ stromimpulses, die weit über diesem Faktor liegt. Erst nach dem vollständigen Entladen beziehungsweise Aufladen der Kapa­ zitäten stellt sich der aufgrund der Schaltungsdimensionie­ rung gewählte Nominalstrom am Ausgang ein.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine schaltbare Stromquellenschaltung anzugeben, die frei von dieser Fre­ quenz- und Versorgungsspannungsabhängigkeit ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine schaltbare Stromquellen­ schaltung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Günstige Ausgestaltungen der Schaltung werden in den Unteransprüchen angegeben.

Der Aufbau und die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schaltung werden nachstehend anhand der in den Figuren ge­ zeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schaltbare Stromquellenschaltung des Standes der Technik;

Fig. 2 eine schaltbare Stromquellenschaltung gemäß der vor­ liegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt die schon oben ausführlich beschriebene Strom­ quellenschaltung des Standes der Technik, wie sie insbeson­ dere in der europäischen Patentschrift EP 0 570 820 A2 beschrie­ ben ist.

Fig. 2 zeigt die schaltbare Stromquellenschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. Schaltungselemente, die den schon aus der Schaltung der Fig. 1 bekannten Schaltungselementen ent­ sprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die erfindungsgemäße Schaltung der Fig. 2 unterscheidet sich von der vorbekannten Schaltung der Fig. 1 dadurch, daß die Transistoren T5b und T5a und die Transistoren T7b und T7a neu hinzugekommen sind.

Die Transistoren T5b und T5a werden verwendet, um die Abhän­ gigkeit des Ausgangsstromimpulses von der Schaltfrequenz zu vermindern. Durch entsprechendes Wählen und Beschalten von T5b und T5a ist es möglich, das unerwünschte Spannungspoten­ tial am Knoten mp1s beziehungsweise mn1s zu vermeiden. Da der obere und der untere Teil der Schaltung symmetrisch aufgebaut sind, soll im folgenden nur der obere Teil der Schaltung be­ schrieben werden.

Wenn der Schalttransistor T2b abgeschaltet wird, wird das Spannungspotential am Knoten mp1s über den Transistor T5b entladen. Dabei ist ein Entladen über eine getrennte Strom­ quelle, über die Referenzströme dnx beziehungsweise inx oder über die Versorgungsspannungen VDD beziehungsweise VSS mög­ lich. In der in Fig. 2 dargestellten Schaltung erfolgt die Entladung gegenüber den Versorgungsspannungen VDD beziehungs­ weise VSS. Bei einer Entladung über die Versorgungsspannungen verhindert man eine Beeinflussung der Referenzströme. Weiter­ hin ist dadurch eine Minimierung der Transistorfläche von T5a möglich. Im allgemeinen wird hier ein sehr kleiner Transistor (T5a/b) ausreichen, um trotzdem eine sehr schnelle Entladung des Potentials mp1s/mn1s zu gewährleisten.

Die Transistoren T7b und T7a werden verwendet, um die Abhän­ gigkeit der Stromquellenschaltung von Variationen der Versor­ gungsspannung zu vermindern. Durch die Transistoren T7b und T7a wird eine zusätzlich Kapazität eingeführt. Da oberer und unterer Teil der Schaltung symmetrisch zueinander sind, soll im folgenden wiederum nur der obere Teil der Schaltung be­ schrieben werden. Beim Einschalten des Schalttransistor T2b entkoppelt der Transistor T6b den Knoten PC vom Einschaltsig­ nal upn. Am Transistor T6b fällt dabei eine Spannung ab, die mit der Versorgungsspannung und somit auch deren Änderung korreliert. Dabei kann man bei entsprechender Dimensionierung der Transistorgeometrien davon ausgehen, daß diese am Transi­ stor T6b abfallende Spannung weit über der Thresholdspannung des Transistors T6b liegt. Folglich variieren dessen Kapazi­ tätswerte kaum. Der Transistor T6b wird also nur im Bereich LINEAR/TRIODE betrieben.

Als Folge des Spannungsabfalls über dem Transistor T6b ent­ steht ein entgegen der Änderung der Versorgungsspannung ge­ richteter Spannungsabfall über dem Transistor T7b. Dieser korreliert ebenfalls mit der Versorgungsspannung und somit auch mit deren Änderung. Der Unterschied gegenüber dem Tran­ sistor T6b liegt jedoch darin, daß der Spannungsabfall über dem Transistor T7b die Sperrschichtkapazitäten sehr stark be­ einflußt, da er in einem völlig anderen Bereich liegt. Der Transistor T7b wird also, auch wieder eine entsprechende Wahl der Transistorgeometrie vorausgesetzt, im Bereich LINEAR/TRIODE bis SUBTRESHOLD betrieben. Somit folgt bei­ spielsweise einer Erhöhung der Versorgungsspannung VDD ein Absinken der Gate-Source/Drain-Spannung über dem Transistor T7b in entsprechendem Maße.

Durch entsprechende Dimensionierung der Transistoren T7b und T7a sowie T6b und T6a läßt sich durch Ausnützen der Abhängig­ keit der Gate-Source/Drain-Kapazität der Transistoren T7b be­ ziehungsweise T7a sowie T6b beziehungsweise T6a die Span­ nungsabhängigkeit der Stromimpulse am Ausgang erheblich kom­ pensieren. In der Praxis besitzt der Transistor T7b beziehungsweise T7a gegenüber dem Transistor T6b beziehungsweise T6a ungefähr die doppelte Größe.

Auch hier ist es wiederum möglich, die Gesamtschaltung geome­ trisch zu variieren. Verwendet man beispielsweise kleinere (größere) Stromspiegeltransistoren (T3b/T1b sowie T3a/T1a), so können auch die Transistoren T7a/T6a (beziehungsweise T7b/T6b) entsprechend verkleinert (vergrößert) werden. Ver­ ringert man die Source-Drain-Abmessungen der verwendeten Transistoren, so kann man die Gate-Abmessungen dieser Transi­ storen ebenfalls verkleinern. Dies hat keinen Einfluß auf die Funktionalität der Schaltung, vorausgesetzt es wurde eine Op­ timierung dieser Parameter durchgeführt.

Anstelle der in Fig. 2 dargestellten MOSFET-Transistorkombi­ nation T6b/T7b beziehungsweise T6a/T7a können auch zwei anti­ serielle Dioden oder zwei antiserielle Bipolartransistoren verwendet werden.

Insgesamt weißt die erfindungsgemäße schaltbare Stromquellen­ schaltung gegenüber schaltbaren Stromquellenschaltungen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, insbesondere gegen­ über der in der EP 0 570 820 A2 beschriebenen schaltbaren Strom­ quellenschaltung, eine stark verminderte Abhängigkeit des Ausgangsstromimpulses gegenüber Änderungen der Schaltfrequenz und gegenüber Änderungen der Versorgungsspannung auf.

Claims (7)

1. Schaltbare Stromquellenschaltung mit einem elektronischen Schalter (T2b, T2a) und mit einer Stromspiegelanordnung (T3b, T4b, T1b; T3a, T4a, T1a), gebildet aus einer Steuerstufe (T3b, T4b; T3a, T4a), die abhängig von einem an einem Strom­ eingang (ipx, inx) eingeprägten Referenzstrom an einem Span­ nungsausgang (x) eine Steuerspannung bereitstellt, und aus einer Ausgangsstufe (T1b, T1a) mit einem Steuereingang, der mit dem Spannungsausgang (x) der Steuerstufe (T3b, T4b; T3a, T4a) verbunden ist, und mit einer Steuerstrecke mit zwei An­ schlüssen, von denen einer den Stromausgang (pdx) der Strom­ quellenschaltung bildet und der andere mit einem Anschluß des elektronischen Schalters (T2b; T2a) verbunden ist, wobei der andere Anschluß des elektronischen Schalters (T2b; T2a) mit einem Versorgungsspannungsanschluß (VDD; VSS) verbunden ist, und die Stromquellenschaltung abhängig von der Ansteuerung des Steuereingangs (upn; dnx) des elektronischen Schalters (T2b; T2a) ein- und ausschaltbar ist, wobei der Steuereingang (upn; dnx) des elektronischen Schalters (T2b; T2a) über eine Kapazität (T6b; T6a) mit dem Stromeingang (ipx; inx) des Re­ ferenzstromes verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den sich zwischen dem elektronischen Schalter (T2b; T2a) und dem Spiegeltransistor (T1b; T1a) befindlichen Knoten (mp1s; mn1s) und dem Versorgungsspannungsanschluß (VSS; VDD) oder einer getrennten Stromquelle oder dem Anschluß des Referenzstromes (ipx; inx) ein Transistor (TSb; T5a) zum Entladen des am Knoten (mp1s; mn1s) vorhandenen Span­ nungspotentials beim Abschalten des elektronischen Schalters (T2b; T2a) geschaltet ist, und daß zusätzlich zur schon vor­ handenen Kapazität (T6b; T6a) zwischen Steuereingang (upn; dnx) des elektronischen Schalters (T2b; T2a) und Stromeingang (ipx; inx) in Reihe eine weitere Kapazität (T7b; T7a) ge­ schaltet ist.

2. Schaltbare Stromquellenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitäten (T6b; T6a, T7b; T7a) durch MOS-Transisto­ ren gebildet werden, deren Source- und Drain-Anschlüsse in kurzschließender Weise miteinander verbunden sind.

3. Schaltbare Stromquellenschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (T7b; T7a), die die zusätzlichen Kapazi­ täten bilden, gegenüber den Transistoren (T6b; T6a), die die ursprünglichen Kapazitäten bilden, die doppelte Größe aufwei­ sen.

4. Schaltbare Stromquellenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitäten (T6b; T6a, T7b; T7a) durch zwei antiseri­ elle Dioden gebildet werden.

5. Schaltbare Stromquellenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitäten (T6b; T6a, T7b; T7a) durch zwei antiseri­ elle Bipolartransistoren gebildet werden.

6. Schaltbare Stromquellenschaltung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Transistoren und Schalter selbstsperrende n-Kanal MOS-Transistoren verwendet werden.

7. Schaltbare Stromquellenschaltung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß als Transistoren und Schalter selbstsperrende p-Kanal MOS-Transistoren verwendet werden.