DE3106558C2

DE3106558C2 -

Info

Publication number: DE3106558C2
Application number: DE3106558A
Authority: DE
Inventors: Wouter Maria Nijmegen Nl Boeke
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1980-02-25
Filing date: 1981-02-21
Publication date: 1989-05-11
Also published as: AU539887B2; GB2070360A; NL8001115A; DE3106558A1; JPS644364B2; HK75584A; US4388539A; FR2476940B1; GB2070360B; CA1165826A; BE887643A; AU6757781A; JPS56168298A; SE8101161L; SE450676B; FR2476940A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Schaltung mit einer Anzahl von Spannungs-Strom-Umsetzern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Spannungs-Strom-Umsetzer werden u. a. in analogen Filtern verwendet. Dabei ist es von Bedeutung, daß die Steilheiten der Spannungs-Strom- Umsetzer in hohem Maße konstant sind oder auf zuverlässige Weise eingestellt werden können und in hohem Maße unabhängig von Prozeßänderungen während der Herstellung der integrierten Schaltung und auch in hohem Maße unabhängig von Änderungen in Betriebsbedingungen, wie Speisespannung und Temperatur, eingestellt werden können oder sind. Ausgehend von der Tatsache, daß in einer integrierten Schaltung unterschiedlicher Parameter sich stark ändern können, daß aber die gegenseitigen Verhältnisse der Parameter ähnlicher Bestandteile sich verhältnismäßig wenig ändern, kann diese Unabhängigkeit in einer integrierten Schaltung durch die eingangs genannten Maßnahmen gut verwirklicht werden.

Eine derartige integrierte Schaltung ist aus der Veröffentlichung in der Zeitschrift "Electronic Design" vom 15. Februar 1978, S. 26 bis 32, insbesondere bekannt (siehe insbesondere die auf Seite 30 gezeigte Schaltung). Bei dieser integrierten Schaltung sind zwei als Integrator geschaltete Spannungs-Strom-Umsetzer als spannungsgesteuerter Oszillator geschaltet. Die Ausgangsfrequenz dieses auf diese Weise gebildeten Oszillators wird in einem Phasenkomparator mit einer Bezugsfrequenz verglichen und der spannungsgesteuerte Oszillator wird derart gesteuert, daß die Schwingungsfrequenz dieses Oszillators der Bezugsfrequenz entspricht. Die dem Oszillator zugeführte Steuerspannung wird zugleich einem aus als Integrator geschalteten Spannungs-Strom-Umsetzern aufgebauten analogen Filter zugeführt, wodurch die Filterfrequenz in hohem Maße unabhängig von Prozeß- und Temperaturänderungen mit der Bezugsfrequenz übereinstimmt. Bei einer derartigen Schaltung werden die Spannungs-Strom-Umsetzer auf indirekte Weise stabilisiert, und die Anwendung ist auf einen Anwendungsbereich beschränkt, in dem eine stabile Frequenz vorhanden ist. Außerdem erfordert das bekannte Stabilisierungsverfahren eine verhältnismäßig umfangreiche Schaltung.

Weiterhin ist aus der Zeitschrift "IEEE Journal of Solid- State Circuits", 1978, Nr. 6, S. 814-821, ein integriertes Analogfilter mit insgesamt sieben Integratoren bekannt, von denen fünf zum eigentlichen spannungsgesteuerten Filter und zwei zu einem spannungsgesteuerten Oszillator gehören. Jeder dieser Integratoren besteht aus einem Spannungs-Strom-Umsetzer und einem nachgeschalteten, über eine Kapazität rückgekoppelten Operationsverstärker. Die Steuerung der Filterbandbreite erfolgt mit Hilfe eines Frequenzregelkreises, bei dem eine externe Frequenz mit der vom spannungsgesteuerten Oszillator abgegebenen Frequenz in einem Phasenkomparator verglichen wird und eine hiervon abhängige Steuerspannung gleichzeitig den beiden Integratoren des Oszillators und den fünf Integratoren des Filters zugeführt wird. Dadurch wird der Oszillator auf Frequenzgleichheit mit der externen Frequenz gesteuert. Da alle Integratoren mit der gleichen Steuerspannung beaufschlagt werden, ist mit der extern zugeführten Frequenz die Bandbreite des Filters steuerbar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine integrierte Schaltung der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß auf einfache Weise eine Anzahl von Spannungs-Strom-Umsetzern in bezug auf Änderungen des Herstellprozesses und der Betriebsbedingungen stabilisiert werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung ist in Anspruch 2 beschrieben. Dazu ist anzumerken, daß ein Stromspiegel mit mehreren Ausgängen und einem im Drainkreis eines Transistors angeordneten Eingang an sich schon aus der DE-AS 26 39 790 bekannt ist.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform der Schaltung nach Fig. 1 unter Verwendung von C-MOS-Transistoren und

Fig. 3 eine Ausführungsform der Spannungs-Strom-Umsetzer zur Anwendung in der Schaltung nach Fig. 2.

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild einer integrierten Schaltung nach der Erfindung. Diese enthält eine Anzahl von Spannungs-Strom-Umsetzern, von denen vier 1, 2, 3 und 4 mit je einem Eingang 11, 21, 31 bzw. 41, einem Ausgang 12, 22, 32 bzw. 42 und einem Einstelleingang 13, 23, 33 bzw. 43 dargestellt sind. Den Spannungs-Strom-Umsetzern werden über ihre Einstelleingänge Einstellsignale eines Einstellsignalgenerators 5 zugeführt, der aufeinander bezogene Einstellsignale liefert. Die Umsetzer 1, 2, 3 und 4 weisen Steilheiten a₁G₀, a₂G₀, a₃G₀ bzw. a₄G₀ auf, die ein festes gegenseitiges Verhältnis a₁ : a₂ : a₃ : a₄ aufweisen, das durch den gegenseitigen Aufbau dieser Umsetzer und/oder die gegenseitige Beziehung der vom Einstellsignalgenerator 5 gelieferten Regelsignale bestimmt wird. In der Praxis werden diese Steilheiten oft einander gleich (a₁=a₂=a₃= a₄=1) gewählt werden.

Der Spannungs-Strom-Umsetzer 1 ist als Bezugsumsetzer gewählt. Sein Eingang 11 ist über einen Widerstand 8 mit einem Widerstandswert R₀, der außerhalb der integrierten Schaltung an einem Pin 9 angebracht sein kann, im vorliegenden Beispiel mit der Masse verbunden. Die integrierte Schaltung enthält weiter eine erste (6) und eine zweite (7) Stromquelle, die miteinander gekoppelt sind. Diese Stromquellen 6 und 7 liefern Ströme mit Stärken I₁ bzw. nI₁, die ein festes gegenseitiges Verhältnis 1 : n aufweisen.

Der Strom I₁ fließt über den Widerstand 8 und führt am Eingang 11 eine Spannung I₁R₀ herbei, wodurch der Bezugsumsetzer 1 einen Ausgangsstrom I _u=a₁G₀R₀I₁ liefert. Dieser Strom wird in einem vergleichenden Verstärker 10 mit einem Faktor m - in der Praxis meistens gleich 1 - gewichtet und mit dem Strom nI₁ verglichen. Dieser vergleichende Verstärker kann z. B. ein Spannungsdifferenzverstärker mit Widerständen an seinen Eingängen, aber auch, wie im Beispiel nach Fig. 2, ein hochohmiger Spannungsverstärker mit einem Knotenpunkt zwischen der Stromquelle 7 und dem Ausgang des Bezugsumsetzers als Eingang sein. Das Ausgangssignal des vergleichenden Verstärkers steuert den Einstellsignalgenerator 5 derart, daß bei genügender Schleifenverstärkung in der durch den vergleichenden Verstärker 10, den Regelsignalgenerator 5 und den Bezugsumsetzer 1 gebildeten Regelschleife gilt, daß mI _u=nI₁, was für die Steilheit des Bezugsumsetzers 1 zu der Beziehung

führt.

Für den praktischen Fall, daß
n=m=1 und a₁=a₂=a₃=a₄=1
gilt dann, daß

Diese Beziehung ist nur Änderungen der Parameter a₁, n und m ausgesetzt, die Verhältnisse darstellen und in integrierten Schaltungen in verhältnismäßig geringem Maße Streuung oder Änderung ausgesetzt sind. Für die übrigen Umsetzer gilt ähnliches durch die Kopplung über den Einstellsignalgenerator 5.

Ein Bezugswiderstand 8 mit einem Widerstandswert R₀ kann auch mit Hilfe einer geschalteten Kapazität nachgebildet werden, wodurch der Scheinwiderstandswert R₀ durch den Wert dieser Kapazität und die Schaltfrequenz bestimmt wird, was z. B. in den genannten Filteranwendungen von praktischer Bedeutung sein kann, wenn ein Taktsignal vorhanden ist. Ein großer Vorteil ist der, daß, weil in derartigen Filterschaltungen Kapazitäten verwendet werden und der Widerstand R₀ auch durch eine solche Kapazität bestimmt wird, der Absolutwert der unterschiedlichen Kapazitäten nicht mehr von Bedeutung ist. Eine Änderung des Filterkapazitätswertes wird dann ja dadurch ausgeglichen, daß der Scheinwiderstandswert R₀ des nachgebildeten Widerstandes 8 sich in ausgleichendem Sinne ändert. Ein Beispiel eines mit einer geschalteten Kapazität nachgebildeten Widerstandes ist u. a. in "I. E. E. E. Transactions on Circuits and Systems", Band CAS-26, Nr. 2, Februar 1979, S. 140 bis 144 beschrieben.

Fig. 2 zeigt grundsätzlich die gleiche Schaltung wie Fig. 1, wobei die Spannungs-Strom-Umsetzer zur Illustrierung mit Differentialeingängen dargestellt sind. Im vorliegenden Beispiel ist der invertierende Eingang 14 des Bezugsumsetzers intern mit der Masse verbunden, wodurch der Widerstand 8, der zwischen den Differentialeingängen 11 und 14 angeordnet ist, extern nur einen zusätzlichen Stift 9 benötigt, weil ein Massenanschlußstift vorhanden ist.

Der Einstellsignalgenerator 5 ist als eine gesteuerte Mehrfach- Stromquelle mit p-Kanaltransistoren 51, 52, 53 und 54 ausgeführt, deren Source-Elektroden mit einem positiven Speisungsanschluß +V _B, deren Drain-Elektroden mit den Einstelleingängen 13, 23, 33 bzw. 43 und deren Steuerelektroden mit der Steuer- und der Drain-Elektrode eines p- Kanaltransistors 55 verbunden sind, dessen Source-Elektrode mit dem Speisungsanschluß +V _B verbunden ist. Die Transistoren 51, 52, 53 und 54 bilden also je einen Stromspiegel mit dem Transistor 55, wobei gegebenenfalls erwünschte von 1 abweichende gegenseitige Stromverhältnisse durch gegenseitige Geometrieverhältnisse bestimmt werden können. Die Stromquellen 6 und 7 werden ebenfalls durch als Stromspiegel geschaltete p-Kanaltransistoren gebildet, wobei der Eingangstransistor ein Transistor 16 mit miteinander verbundenen Steuer- und Drain-Elektroden ist, der in Reihe mit einem Widerstand 17 zwischen den Speisungsanschlüssen 15 und +V _B angeordnet ist. Das gegenseitige Stromverhältnis n wird wieder durch die Geometrieverhältnisse der als Stromquellen 6 und 7 geschalteten Transistoren bestimmt. Der vergleichende Verstärker 10 wird durch einen n-Kanaltransistor 18 gebildet, dessen Source-Elektrode mit der Masse und dessen Steuerelektrode mit dem Ausgang 12 des Bezugsumsetzers 1 und mit dem Ausgang der Stromquelle 7 verbunden ist. Der Vergleich erfolgt dadurch, daß die Steuerelektrode des Transistors 18 keinen Strom zieht, so daß gelten muß: I _u=nI₁. Die Drain-Elektrode des Transistors 18 ist über den Eingangstransistor 55 des Einstellsignalgenerators mit dem positiven Speisungsanschlußpunkt +V _B verbunden und steuert dadurch diesen Einstellsignalgenerator derart, daß die Beziehung I _u=nI₁ erfüllt ist.

Die Spannungs-Strom-Umsetzer 1, 2, 3 und 4 können auf vielerlei Weise aufgebaut sein.

Fig. 3 zeigt eine einfache Ausführungsform eines solchen Spannungs-Strom-Umsetzers mit C-MOS-Transistoren mit einer stromgesteuerten Steilheit. Diese besteht aus zwei als Differenzpaar geschalteten p-Kanaltransistoren 25 und 26 und aus einer Drainstromauskopplung über einen Stromspiegel, der aus n-Kanaltransistoren 27 und 28 besteht. Den gemeinsamen Source-Elektroden (13) der Transistoren 25 und 26 wird das Einstellsignal als Strom zugeführt, während die Steuerelektroden den Differentialeingang bilden, wodurch die Steilheit dieses Umsetzers durch die "Steilheit" der Transistoren 25 und 26 bestimmt wird.

Claims

1. Integrierte Schaltung mit einer Anzahl von Spannungs-Strom-Umsetzern (1, 2, 3, 4) mit je einem Eingang (11, 21, 31, 41), einem Ausgang (12, 22, 32, 42) und einem Einstellsignaleingang (13, 23, 33, 43) zur Einstellung der Steilheitswerte (a₁G₀, a₂G₀, a₃G₀, a₄G₀) der Spannungs-Strom-Umsetzer mittels eines Einstellsignals, wobei die Steilheitswerte der Spannungs-Strom-Umsetzer im wesentlichen in einem festen Verhältnis zueinander stehen, gekennzeichnet durch einen Einstellsignalgenerator (5, 51, 52, 53, 54), mit dessen Hilfe in einem festen Verhältnis zueinander stehende Einstellsignale den Einstellsignaleingängen zugeführt werden; ein Regelnetzwerk zur Regelung des Einstellsignalgenerators, wobei wenigstens einer der Spannungs-Strom-Umsetzer (1) als Bezugsumsetzer in das Regelnetzwerk aufgenommen ist, und das Regelnetzwerk enthält:
eine erste (6) und eine zweite (7) Stromquelle, deren Ströme (I₁ bzw. nI₁) im wesentlichen in einem festen Verhältnis zueinander stehen; einen mit dem Eingang (11) des Bezugsumsetzers (1) gekoppelten Anschlußpunkt (9) zur Kopplung mit einem Bezugswiderstand (8), wobei dieser Eingang (11) in den Ausgangsstromkreis der ersten Stromquelle (6) aufgenommen ist; sowie einen vergleichenden Regelverstärker (10), der zwischen dem Ausgang des Bezugsumsetzers (1) und einem Steuereingang des Einstellsignalgenerators (5) angeordnet ist und den Ausgangsstrom (I _u) des Bezugsumsetzers (1) mit dem Strom (nI₁) der zweiten Stromquelle (7) vergleicht und den Einstellsignalgenerator so steuert, daß im wesentlichen ein festes Verhältnis zwischen den Ausgangsströmen (I _u, nI₁) des Bezugsumsetzers (1) und der zweiten Stromquelle (7) erhalten bleibt.

2. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs-Strom-Umsetzer (1 . . .4 ) in bezug auf ihre Einstellung stromgesteuert sind, daß der Einstellsignalgenerator einen Stromspiegel ( 55; 51. . . 54) mit einem Eingang und mehrfachen Ausgängen enthält, wobei diese Ausgänge zu den Einstelleingängen ( 13. . . 43) der Spannungs- Strom-Umsetzer ( 1. . . 4) führen, und wobei der Eingang in dem Drainkreis eines Transistors (18) angeordnet ist, dessen Steuerelektrode mit dem Ausgang (12) des Bezugsumsetzers (1) verbunden ist, und daß die erste und die zweite Stromquelle (6, 7) durch Ausgänge einer zweiten Stromspiegelschaltung (16; 6, 7) gebildet werden, dessen Eingang (16) ein Einstellstrom zugeführt wird und von dem ein erster Ausgang (6) mit dem Eingang (11) des Bezugsumsetzers (1) und ein zweiter Ausgang (7) mit dem Ausgang (12) des Bezugsumsetzers (1) verbunden ist.