DE3913446A1 - POWER MIRROR - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromspiegel in integrier ter Schaltkreistechnik mit einer aus der Emitter-Kollektor- Strecke oder aus dem leitfähigen Kanal eines ersten Transi stors, aus einem Stromspiegeleingang und aus einer Stromquelle bestehenden Reihenschaltung in einem Referenzstromkreis, mit der Emitter-Kollektor-Strecke oder dem leitfähigen Kanal eines zweiten Transistors in einem Kreis für einen gespiegelten Strom und mit einer Verbindung zwischen den Basen oder Gates des ersten und des zweiten Transistors einerseits und dem Strom spiegeleingang andererseits.The invention relates to an integrated current mirror circuit technology with one from the emitter collector Route or from the conductive channel of a first Transi stors, from a current mirror input and from a current source existing series connection in a reference circuit, with the emitter-collector path or the conductive channel one second transistor in a circuit for a mirrored current and with a connection between the bases or gates of the first and second transistor on the one hand and the current mirror entrance on the other.
Stromspiegel sind aus der Zeitschrift "Funk-Technik", 1973, Nr. 9, Seiten 313-314 und aus dem Buch "Analysis and Design of Analog Integrated Circuits", Second Edition, Gray and Meyer, John Wiley & Sons, New York, 1984, Seiten 709-718 bekannt.Current mirrors are from the magazine "Funk-Technik", 1973, No. 9, pages 313-314 and from the book "Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, "Second Edition, Gray and Meyer, John Wiley & Sons, New York, 1984, pages 709-718.
Einstufige Differenzverstärker sind aus dem Buch "Bipolar and MOS Analog Integrated Circuit Design", Grebene, John Wiley & Sons, New York, 1984, Seiten 234 und 294 bekannt.Single stage differential amplifiers are from the book "Bipolar and MOS Analog Integrated Circuit Design ", Grebene, John Wiley & Sons, New York, 1984, pages 234 and 294.
Zweistufige Operationsverstärker sind in den Büchern "CMOS Analog Circuit Design", Allen and Holberg, Holt, Rinehart & Winston Inc., New York, 1987, Seiten 387 und 388 und "Analysis and Design of Integrated Circiuts", Second Edition, Gray and Meyer, John Wiley & Sons, New York, 1984, Seiten 741 und 742 beschrieben.Two-stage operational amplifiers are in the books "CMOS Analog Circuit Design ", Allen and Holberg, Holt, Rinehart & Winston Inc., New York, 1987, pages 387 and 388 and "Analysis and Design of Integrated Circiuts ", Second Edition, Gray and Meyer, John Wiley & Sons, New York, 1984, pages 741 and 742 described.
Aus der Druckschrift "IEEE 1985 Custom Integrated Circuits Conference", Seiten 174-177, Fig. 4 ist schließlich eine An ordnung bekannt, in der ein Generator (bias circuit) mit meh reren Stromspiegeln für Operationsverstärker erforderliche Vorspannungspotentiale erzeugt. Diese werden beispielsweise für Telekommunikationsanwendungen in hochintegrierten Baustei nen benötigt, in denen analoge und digitale Funktionen zusammen in einem Chip integriert sind.Finally, from the publication "IEEE 1985 Custom Integrated Circuits Conference", pages 174-177, Fig. 4, an arrangement is known in which a generator (bias circuit) with several current mirrors generates the bias potentials required for operational amplifiers. These are required, for example, for telecommunications applications in highly integrated components, in which analog and digital functions are integrated together in one chip.
In derartigen Generatoren wird, je nach Anzahl der benötigten Vorspannungspotentiale, eine Mehfachumsetzung von Strömen durch kaskadierte Stromspiegel vorgenommen. Dadurch können, bedingt durch den endlichen Ausgangswiderstand der Transisto ren, bei einer mehrfachen Stromspiegelung beträchtliche Unter schiede zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsstrom entstehen.In such generators, depending on the number of required Bias potentials, a multiple conversion of currents made by cascaded current mirrors. This allows due to the finite output resistance of the Transisto ren, with a multiple current mirroring considerable lower differences arise between the input and the output current.
Um den Ausgangswiderstand und damit die Toleranz der gespiegel ten Ströme zu verbessern, werden statt einfacher Stromspiegel in der genannten Literatur beschriebene Wilson- oder Kaskoden- Stromspiegel verwendet. Wegen der mit den Emitter-Kollektor- Strecken oder den leitfähigen Kanälen in Reihe geschalteten Transistoren und der bei MOS-Schaltungen durch den Substrat- Steuereffekt erhöhten Schwellspannungen sind dabei relativ hohe Spannungsabfälle über dem Stromspiegelausgang notwendig, damit die Transistoren nicht aus der Sättigung geraten und dadurch der Ausgangswiderstand stark erniedrigt wird. Da für die digi talen Funktionen am Baustein standardmäßig eine Versorgungs spannung von 5 V anliegt und eine zusätzliche höhere Versor gungsspannung für die analoge Funktion unerwünscht ist, sind dieser Lösung enge Grenzen gesetzt.To the output resistance and thus the tolerance of the mirror to improve currents instead of simple current mirrors Wilson or cascode described in the literature cited Current mirror used. Because of the emitter collector Stretch or the conductive channels connected in series Transistors and that in MOS circuits through the substrate Increased threshold voltages are relatively high Voltage drops across the current mirror output necessary so the transistors do not go out of saturation and thereby the output resistance is greatly reduced. As for the digi tal functions on the module as standard voltage of 5 V is present and an additional higher supply voltage for the analog function is undesirable this solution has narrow limits.
Selbst wenn bei MOS-Schaltungen für die Feldeffekttransistoren große Kanallängen, also Ausgangswiderstände gewählt werden, können durch stark unterschiedliche Eingangs- und Ausgangsspan nungen an den Stromspiegeln bei mehrfacher Umsetzung beträcht liche Toleranzen entstehen.Even if with MOS circuits for the field effect transistors large channel lengths, i.e. output resistances are selected, can be due to very different input and output chips Considerations on the current levels with multiple implementation considerable tolerances arise.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromspiegel anzugeben, bei dem sich geringere Fehler in der Stromumsetzung, also geringere Unterschiede zwischen Eingangs- und Ausgangs strom als bei den bekannten Stromspiegeln ergeben. The invention has for its object a current mirror specify where there are fewer errors in power conversion, so smaller differences between input and output current than in the known current mirrors.
Ausgehend von einem Stromspiegel der einleitend geschilderten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein dritter Transistor als regelbarer Widerstand oder geregelte Stromquelle mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke oder seinem leitfähigen Kanal zur Emitter-Kollektor-Strecke oder zum leit fähigen Kanal des zweiten Transistors in Reihe geschaltet ist und daß ein Differenz- oder Operationsverstärker vorgesehen ist, dessen Plus-Eingang mit dem Stromspiegeleingang, dessen Minus- Eingang mit dem Verbindungspunkt des zweiten und dritten Tran sistors und dessen Ausgang mit der Basis oder dem Gate des dritten Transistors verbunden sind.Starting from a current mirror of the one described above Art this object is achieved in that a third transistor as adjustable resistor or regulated Power source with its emitter-collector range or its conductive channel to the emitter-collector path or to the conductive capable channel of the second transistor is connected in series and that a differential or operational amplifier is provided, its plus input with the current mirror input, its minus Entrance with the connection point of the second and third tran sistors and its output with the base or gate of the third transistor are connected.
Befinden sich der erste und der zweite Transistor unmittelbar benachbart auf einem Chip, dann ist anzunehmen, daß beide Tran sistoren gleich sind. Der Restfehler der Umsetzung beträgt dann:The first and the second transistor are located immediately adjacent on a chip, then it can be assumed that both Tran sistors are the same. The remaining error in the implementation is then:
I = I O - I Ref = U offset gd I = I O - I Ref = U offset gd
U offset bedeutet die Offsetspannung des Differenzverstärkers und gd ist der differentielle Ausgangsleitwert des zweiten Transistors. U offset means the offset voltage of the differential amplifier and gd is the differential output conductance of the second transistor.
Aufgrund der Regelung sind bei Feldeffekttransistoren große Kanallängen nicht mehr notwendig. Es kann vielmehr die in der jeweiligen Technologie minimale Kanallänge verwendet werden.Due to the regulation, field effect transistors are large Channel lengths are no longer necessary. Rather, it can be the one in the respective channel minimum channel length can be used.
Eine einfache Differenzverstärker-Standardschaltung wird in den meisten Fällen die Ansprüche an Verstärkung und Offsetspannung erfüllen. Der zusätzliche Leistungsbedarf ist dadurch gering. Für höhere Ansprüche an die Präzision der Umsetzung kann auch ein mehrstufiger Differenzverstärker verwendet werden.A simple differential amplifier standard circuit is used in the in most cases the requirements for amplification and offset voltage fulfill. The additional power requirement is therefore low. For higher demands on the precision of the implementation, too a multi-stage differential amplifier can be used.
Der erfindungsgemäße Stromspiegel kann vorteilhafterweise in Schaltungen mit mehrfacher Stromspiegelung wie Vorspannungs potentialgeneratoren eingesetzt werden. The current mirror according to the invention can advantageously be in Circuits with multiple current mirroring such as bias potential generators are used.
Die erfindungsgemäße Lösung ist für alle Anwendungen geeignet, bei denen eine genaue Stromspiegelung bei geringem Spannungsab fall über dem Stromspiegelausgang erforderlich ist. Sie benö tigt lediglich einen geringen Entwicklungsaufwand und ist nicht auf MOS-Schaltungen beschränkt.The solution according to the invention is suitable for all applications where an exact current reflection at low voltage case above the current mirror output is required. You need only requires little development effort and is not limited to MOS circuits.
Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.The invention is described below using exemplary embodiments explained in more detail.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Stromspiegel und Fig. 1 shows a current mirror and
Fig. 2 zeigt eine Anordnung mit mehrfacher Stromspiegelung zur Erzeugung verschiedener Vorspannungspotentiale. Fig. 2 shows an arrangement with multiple current mirroring for generating different bias potentials.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Stromspiegel. Dieser ent hält n-Kanal-Feldeffekttransistoren T 1 bis T 3, einen Differenz verstärker D 1, eine Stromquelle Q und eine Verbindungsleitung L 1. Der Stromspiegeleingang ist mit E 1 und der Stromspiegelaus gang ist mit A 1 bezeichnet. Fig. 1 shows a current mirror according to the invention. This ent contains n-channel field effect transistors T 1 to T 3 , a differential amplifier D 1 , a current source Q and a connecting line L 1 . The current mirror input is labeled E 1 and the current mirror output is labeled A 1 .
Ohne den Differenzverstärker D 1 und den Transistor T 3 hat man den bekannten Stromspiegel, in dem der Strom I Ref 1 den Strom I O 1 unabhängig von sonstigen Parametern wie Spannungen und Widerständen im Eingangs- und Ausgangskreis möglichst gleich groß steuert.Without the differential amplifier D 1 and the transistor T 3 , one has the known current mirror, in which the current I Ref 1 controls the current I O 1 as large as possible, independently of other parameters such as voltages and resistances in the input and output circuits.
Der Differenzverstärker D 1 vergleicht die Spannungen am Strom spiegeleingang E 1 und zwischen den Transistoren T 2 und T 3 und hält die Differenzspannung mit dem Transistor T 3 minimal. Dabei kann dieser sowohl im Widerstandsbereich als geregelter Wider stand als auch im Stromquellenbereich als geregelte Stromquelle arbeiten.The differential amplifier D 1 compares the voltages at the current mirror input E 1 and between the transistors T 2 and T 3 and keeps the differential voltage with the transistor T 3 minimal. This can stand both in the resistance area as a regulated resistance and work in the current source area as a regulated current source.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung mit zwei erfindungsgemäßen Strom spiegeln zur Erzeugung von Vorspannungspotentialen U 1 und U 2. Diese Anordnung enthält den Stromspiegel nach Fig. 1 zur Erzeu gung des Vorspannungspotentials U 1 am Stromspiegeleingang E 1. Die Transistoren T 1 bis T 3 sind n-Kanal-Feldeffekttransistoren. FIG. 2 shows an arrangement with two current mirrors according to the invention for generating bias potentials U 1 and U 2 . This arrangement contains the current mirror according to FIG. 1 for the generation of the bias potential U 1 at the current mirror input E 1 . The transistors T 1 to T 3 are n-channel field effect transistors.
Die Anordnung enthält einen weiteren Stromspiegel mit - wegen der anderen Stromrichtung - p-Kanal-Feldeffekttransistoren T 4 bis T 6, mit einem Differenzverstärker D 2 mit einer Verbindungs leitung L 2, mit einem Stromspiegeleingang E 2 und mit einem Stromspiegelausgang A 2. Mit U B ist die Betriebsspannung bezeichnet.The arrangement contains a further current mirror with - because of the different current direction - p-channel field effect transistors T 4 to T 6 , with a differential amplifier D 2 with a connecting line L 2 , with a current mirror input E 2 and with a current mirror output A 2 . U B denotes the operating voltage.
Der erste Stromspiegel arbeitet so, wie es anhand der Fig. 1 bereits beschrieben wurde. In den Kreis des gespiegelten Stro mes I O 1 ist der leitfähige Kanal des p-Kanal-Feldeffekttransi stors T 4 eingefügt. Der Verbindungspunkt zwischen den Transi storen T 3 und T 4 ist der Stromspiegeleingang E 2. Der im ersten Stromspiegel gespiegelte Strom I O 1 ist gleichzeitig der Refe renzstrom I Ref 2 des zweiten Stromspiegels. Dieser arbeitet wie der erste und erzeugt am Stromspiegeleingang E 2 das Vorspan nungspotential U 2. Der gespiegelte Strom des zweiten Strom spiegels ist mit I O 2 bezeichnet.The first current mirror operates in the manner already described with reference to FIG. 1. In the circle of the mirrored Stro mes I O 1 , the conductive channel of the p-channel field effect transistor T 4 is inserted. The connection point between the transistors T 3 and T 4 is the current mirror input E 2 . The current I O 1 reflected in the first current mirror is simultaneously the reference current I Ref 2 of the second current mirror. This works like the first and generated at the current mirror input E 2 Vorspan the voltage potential U. 2 The mirrored current of the second current mirror is designated I O 2 .
Als Differenzverstärker werden Anordnungen eingesetzt, wie sie beispielsweise aus den eingangs dazu genannten Literaturstellen bekannt sind.Arrangements such as those used are used as differential amplifiers for example from the references mentioned at the beginning are known.
Claims (4)
mit der Emitter-Kollektor-Strecke oder dem leitfähigen Kanal eines zweiten Transistors (T 2) in einem Kreis für einen gespiegelten Strom (I O 1) und
mit einer Verbindung (V) zwischen den Basen oder Gates des ersten (T 1) und des zweiten (T 2) Transistors einerseits und dem Stromspiegeleingang (E 1) andererseits, dadurch gekennzeichnet,
daß ein dritter Transistor (T 3) als regelbarer Widerstand oder geregelte Stromquelle mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke oder seinem leitfähigen Kanal zur Emitter-Kollektor-Strecke oder zum leitfähigen Kanal des zweiten Transistors (T 2) in Reihe geschaltet ist und
daß ein Differenz- oder Operationsverstärker (D 1) vorgesehen ist, dessen Plus-Eingang mit dem Stromspiegeleingang (E 1), des sen Minus-Eingang mit dem Verbindungspunkt des zweiten (T 2) und dritten (T 3) Transistors und dessen Ausgang mit der Basis oder dem Gate des dritten Transistors (T 3) verbunden sind.1. current mirror in integrated circuit technology with a series connection in a reference circuit consisting of the emitter-collector path or the conductive channel of a first transistor (T 1 ), a current mirror input (E 1 ) and a current source (Q) ,
with the emitter-collector path or the conductive channel of a second transistor (T 2 ) in a circuit for a mirrored current (I O 1 ) and
with a connection (V) between the bases or gates of the first (T 1 ) and the second (T 2 ) transistor on the one hand and the current mirror input (E 1 ) on the other hand, characterized in that
that a third transistor (T 3 ) as a variable resistor or regulated current source with its emitter-collector path or its conductive channel to the emitter-collector path or to the conductive channel of the second transistor (T 2 ) is connected in series and
that a differential or operational amplifier (D 1 ) is provided, its plus input with the current mirror input (E 1 ), its sen minus input with the connection point of the second (T 2 ) and third (T 3 ) transistor and its output with the base or the gate of the third transistor (T 3 ) are connected.
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