DE60009080T2

DE60009080T2 - Integrierte gyratorschaltung

Info

Publication number: DE60009080T2
Application number: DE60009080T
Authority: DE
Inventors: Sven Mattisson; Henrik Geis
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1999-07-16
Filing date: 2000-07-05
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2020-07-06
Also published as: HK1048398B; CN100345376C; GB9916808D0; MXPA02000394A; WO2001006648A1; JP2003505907A; CN1361940A; EP1201032B1; ATE262237T1; IL147515A0; HK1048398A1; DE60009080D1; EP1201032A1; TR200200080T2; MY133239A; AU6431900A; US6577212B1; GB2352102B; GB2352102A

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich auf integrierte Schaltkreise, speziell auf integrierte Analog-Filter Schaltkreise.
Hintergrund der Erfindung
In integrierten Schaltkreisen ist es äußerst schwierig Induktivitäten zu realisieren, mit Ausnahme sehr kleiner Induktivitäten. Dies hat zur Folge, dass es im allgemeinen nur möglich ist RC-Filter (mit Widerständen und Kondensatoren) zu verwenden, außer bei sehr hohen Frequenzen.
Als eine Alternative werden oft aktive Filter verwendet. Solche Baugruppen verwenden Transkonduktanz (Steilheit) Elemente wie Transistoren in Kombination mit Kondensatoren, welche zusammen Integratoren oder Gyratoren bilden, und können den Widerstand von Induktivitäten emulieren.
Eine integrierte Gyrator Struktur für die Verwendung in einem Filter für sehr hohe Frequenz ist in Nauta "A CMOS Transkonduktanz-C Filter Technique for Very High Frequencies", IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. 27, No. 2, February 1992, vorgeschlagen. Die Analyse erster Ordnung des Autors kommt zu dem Schluss, dass sich der vorgeschlagene Gyrator stabil verhält.
Der Autor schlägt außerdem eine ,Q-turning' Schleife vor, um einen kontrollierbaren Q-Wert für das Filter bei sehr hohen Frequenzen bereitzustellen.
G. Aaronson: "Active Filters: part 10; Synthetic inductors from gyrators" ELECTRONICS, Vol. 42, no. 14, 7 July 1969 (1969-07-07), pages 118-125, XPO02149336 VNU BUSINESS PUBLICATIONS, NEW YORK, US ISSN: 0883-4989 offenbart einen Gyrator welcher aus Transistoren besteht und Serien-Rückkopplungs-Widerstände beinhaltet.
Beschreibung der Erfindung
Die hier beschriebene Erfindung entwickelt sich aus der Erkenntnis, dass diese Analyse erster Ordnung der dem Stand der Technik entsprechenden Struktur zu einem unvollständigen Verständnis der Struktur führt.
Speziell zeigt eine detailliertere Analyse der MOS Transistoren auf, dass jeder MOS Transistor ein Verzögerungselement hinzufügt, bedingt durch die Aktivitäten geladener Teilchen im Transistor Kanal. Genauer, das nicht-quasistatische Verhalten der Kanal-Ladung fügt eine Verzögerung hinzu, die als parasitärer Pol in der Frequenz-Charakteristik der Transkonduktanz (Steilheit) der Baugruppe angenähert werden kann. Die Kanal-Verzögerungen der Transistoren können den Gyrator instabil machen, insbesondere im Falle von Filtern höherer Ordnung (welche häufig erforderlich sind um die notwendige Filter-Charakteristik zu erreichen) oder bei höheren Frequenzen (wenn die Kanal-Verzögerung größer oder ein Problem wird).
Darüber hinaus bedeutet die Kanal-Verzögerung, dass die dem Stand der Technik entsprechende ,Q-turning' Schleife nicht wie beabsichtigt funktioniert.
Die hier vorgestellte Erfindung versucht die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden, indem sie die Kanal-Verzögerung der Transistoren in Betracht zieht.
Im Speziellen bezieht sich die Erfindung in einer Hinsicht auf einen integrierten Gyrator Schaltkreis, bestehend aus einer Vielzahl von in einer Schleife angeordneten Invertern mit serieller Rückkopplung für zumindest einige der darin enthaltenen Transistoren, wobei die Schleife vier MOS Invertern umfasst, und der Gyrator Schaltkreis ein Paar von Eingangs-Anschlüssen und ein Paar von Ausgangs-Anschlüssen hat. Das Design entspricht einer integrierten Schaltkreis Baugruppe, in einer Weise welche die Berücksichtigung der Kanal-Verzögerung der Transistoren einschließt.
In anderer Hinsicht bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren des Entwurfs eines integrierten Analog-Filter Schaltkreises, das Filter bestehend zumindest aus einer querverbundenen Struktur die viele Transistoren enthält, wobei das Verfahren eine Berücksichtigung der Kanal-Verzögerung von zumindest einigen der Transistoren umfasst, und das Hinzufügen von serieller Rückkopplung in Verbindung mit den Transistoren, um dadurch über eine große Bandbreite zu kompensieren, wobei die querverbundene Struktur vier Invertern umfasst.
Kurze Legenden der Zeichnungen
1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines der Erfindung entsprechenden Gyrators.
2 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Inverters aus 1.
3 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Transistors mit einem Rückkopplungs-Schaltkreis der in dem Schaltkreis der 1 verwendet werden kann.
4 zeigt eine Graphik der Transadmittanz (Gegenscheinleitwert) Stärke in Abhängigkeit von der Frequenz für Baugruppen gemäß der Erfindung.
5 zeigt eine Graphik der Transadmittanz Phase für Baugruppen gemäß der Erfindung.
6 zeigt ein Schaltungsdiagramm für einen Transistor mit einem Rückkopplungs-Schaltkreis welcher in dem Schaltkreis der 1 verwendet werden kann.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
1 zeigt eine Gyrator Zelle 2. Der Kern der Gyrator Zelle besteht aus vier CMOS Inverter-Schaltkreisen 4, 6, 8, 10, welche in einer Schleife angeordnet sind, wobei der Ausgang eines jeden Inverters mit dem Eingang des nächsten verbunden ist. Der Gyrator hat erste und zweite differentielle Eingänge i_1, i_2 und erste und zweite differentielle Ausgänge o_1, o_2. Die Zelle beinhaltet auch ein input-common-mode Rückkopplungs-Netzwerk 12, bestehend aus den Invertern 14, 16, 18, 20, und ein output-common-mode Rückkopplungs-Netzwerk 22, bestehend aus den Invertern 24, 26, 28, 30.
Im Allgemeinen besteht ein Gyrator aus einer positiven Transkonduktanz (Gegenwirkleitwert) und einer negativen Transkonduktanz. In der Zelle der 1 wird die negative Transkonduktanz durch die Verwendung differentieller Signale und das Kreuzen eines Leitungs-Paares erzeugt. Es ist dieses Kreuzen der Leitungen zur Erzeugung der querverbundenen Struktur, welches zu Stabilitätsproblemen führt. Daher lässt sich diese Erfindung auf jede querverbundene Struktur anwenden.
In Baugruppen gemäß dieser Erfindung können konventionelle CMOS Inverter, wie in 2 gezeigt, bequem verwendet werden, die nachfolgende Beschreibung bezieht sich primär auf derartige Baugruppen. Jedoch, die Analyse gilt auch für bipolare und BiCMOS Baugruppen und folglich auch für mit solchen Baugruppen gebildete Filter. Daher schließt die Erfindung auch derartige Baugruppen ein.
Die gegenwärtige Erfindung entwickelt sich aus der Erkenntnis dass die übliche Analyse der Eigenschaften der Baugruppen in erster Ordnung, zum Beispiel im Fall eines MOS Transistors, die Annahme dass die Transadmittanz rein leitend sei, unzureichend ist. Eine alternative Analyse, die eine nicht- quasistatische Kanal-Verzögerung betrachtet, ist deshalb vorgeschlagen.
Damit kann die MOS Transmittanz mit Modellierung der Kanal-Verzögerung angenähert werden als:
wobei üblich Notation verwendet wurde, das bedeutet, g_m ist die Transmittanz der Baugruppe, C_gs ist die Kapazität zwischen Gate und Source, t_gm, = 2/(εω_τ), C_m = 2C_gs /ε, wobei ω_τ die Übergangs-Winkel-Geschwindigkeit, das ist die Winkel-Geschwindigkeit bei welcher die Stromverstärkung gleich eins ist, und die Elmore Konstante des Kanals ε = 5 ist.
Damit gibt diese Analyse verschiedene mögliche Annäherungen für die Auswirkung des Kanal-Verzögerung. Eine erste Möglichkeit ist es, eine reine Verzögerung anzunehmen, unter Verwendung einer Exponential-Funktion. Jedoch, die resultierende Funktion ist in Analysen schwierig anzuwenden. Eine zweite Möglichkeit ist es, die letzte Approximation zu verwenden, welche eine Null ergibt in der rechtshändigen Hälfte der komplexen Ebene. Eine dritte Möglichkeit ist es, eine dazwischen liegende Approximation zu verwenden, welche einen Pol ergibt, sofern die Pol und Null Zeitkonstanten gleich sind. Die zweiten und dritten möglichen Modelle ergeben die gleiche Phasen-Verzögerung, damit ist dieser Aspekt der Stabilitätsanalyse zufriedenstellend. Die Null im rechtshändigen Teil der komplexen Ebene gibt der Amplitude der Transadmittanz eine Hochpass-Charakteristik, während die dazwischenliegende Annäherung mit dem Pol der Amplitude der Transadmittanz eine Tiefpass-Charakteristik gibt. Die Letztere ist realistischer, weshalb dieses Modell im Weiteren verwendet wird.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist jedem MOS Transistor im Gyrator-Kern eine serielle Rückkopplung angefügt. 3 zeigt einen Transistor 42 und einen Rückkopplungs-Schaltkreis 44. Speziell besteht der Rückkopplungs-Schaltkreis 44 aus der Parallel-Kombination eines Rückkopplungs-Widerstandes R_f (mit dem Widerstand r_f) und einem Kondensator C_f (mit der Kapazität C_f), verbunden mit dem Source-Anschluß des Transistors und in Serie mit diesem. Wird die Impedanz des Rückkopplungskreises als r_f || C_f = z_f, = r_f/(1 + s·τ_f) definiert, dann ist die Transadmittanz G_τ der geschlossenen Schleife:
Im Limit, wenn g_m·r_f » 1, wird sich G_τ bei niedrigen Frequenzen 1/z_f annähern. Damit wird G_τ eine Null in der linken Halb-Ebene haben, was in einer Phasen-Vorwärts-Verschiebung resultiert. Nachdem ohne Rückkopplung eine Phasen-Verzögerung besteht, lässt dies erwarten dass eine Ausgleichsbedingung gefunden werden kann, für welche zumindest unterhalb einer bestimmten Frequenz die Phasen-Verzögerung minimiert werden kann.
Damit ist es möglich, durch Wahl der geeigneten Näherung für die Kanal-Verzögerung, über eine große Bandbreite zu kompensieren. Der resultierende Entwurf kann dann als Grundlage für eine integrierte Schaltungs-Baugruppe verwendet werden.
Die 4 und 5 zeigen verschiedene Graphen A–G der Größe und Phase beziehungsweise die Transadmittanz für unterschiedliche Werte der Parameter T und z, wobei T = g_m·r_f, und τ_f = l/z, und g_m = 1 ist. Es ist ersichtlich dass eine moderate Schleifen-Verstärkung in einer beträchtlichen Aufweitung der Bandbreite der Transadmittanz resultieren kann, sowie außerdem eine Phasen Vorwärts-Verschiebung liefern kann, die erwünscht sein kann, um einige andere parasitär-induzierte Phasen-Verzögerungen zu kompensieren.
In einer praktischen Anwendung der Erfindung ist es wichtig, dass die charakteristischen Parameter (wie g_m, r_f, τ_gm und τ_f) in allen produzierten Baugruppen bei differierenden Temperaturen und Versorgungsspannungen eine konstante Beziehung aufweisen sollten. 6 zeigt einen Weg um dies in einem IC zu erreichen. Speziell ist hier ein MOS Transistor 50, in seinem Trioden-Bereich arbeitend, als Rückkopplungs-Impedanz verwendet. In diesem Falle ist r_f = 1/g_d und c_f = c_gd. Vorteilhafter Weise folgt die an das Gate des Transistors 50 angelegte Vorspannung Veränderungen der Versorgungsspannung der Gyrator-Zelle. Im Falle der Gyrator Struktur die durch Nauta vorgeschlagen ist in "A CMOS Transkonduktanz-C Filter Technique for Very High Frequencies", IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. 27, No. 2, February 1992, ist zum Beispiel die Versorgungsspannung des Gyrators abgeleitet von einer Steuer-Schaltung, welche eine Spannung liefert die abhängig ist von Variationen im Prozess, der Temperatur und der Versorgungsspannung. Damit kann dies, wenn die Vorspannung den Veränderungen der Zellen-Steuer-Spannung folgt, sicherstellen dass r_f ∝ 1/g_m und τ_f ∝ τ_gm ist, über normale Veränderungen im Prozess, der Temperatur und der Versorgung.
Damit ist also ein Schaltkreis bereitgestellt, der Kanal-Verzögerung in einem Gyrator oder einer anderen querverbundenen Struktur kompensieren kann. Außerdem ist ein Verfahren bereitgestellt für den Entwurf einer integrierten Schaltung zur Erzielung einer derartigen Kompensation.

Claims

Ein integrierter Gyrator-Schaltkreis (2), bestehend aus einer Vielzahl von in einer Schleife angeordneten Invertern (4, 6, 8, 10), wobei zumindest für einige der darin enthaltenen Transistoren serielle Rückkopplung besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleife vier MOS Inverter (4, 6, 8, 10) umfasst, und der Gyrator ein Paar von Eingangs-Anschlüssen (i_1, i_2) und ein Paar von Ausgangs-Anschlüssen (o_1, o_2) enthält.
Ein integrierter Gyrator-Schaltkreis nach Anspruch 1, wobei dieser eine querverbundene Struktur hat.
Ein integrierter Gyrator-Schaltkreis nach Anspruch 1, wobei serielle Rückkopplung in Verbindung mit jeder MOS Baugruppe in den MOS Integratoren besteht.
Ein integrierter Gyrator-Schaltkreis nach Anspruch 1, wobei die serielle Rückkopplung (44) bewirkt wird durch eine Parallel-Kombination aus einem Widerstand (Rf) und einem Kondensator (Cf), in Serie verbunden mit dem zugehörigen Transistor (42).
Ein integrierter Gyrator-Schaltkreis nach Anspruch 1, wobei jede Parallel-Kombination aus einem Widerstand (Rf) und einem Kondensator (Cf) verbunden ist mit dem Source-Anschluß des zugehörigen Transistors (42).
Ein integrierter Gyrator-Schaltkreis nach Anspruch 1, wobei die serielle Rückkopplung durch einen weiteren mit der zugehörigen Baugruppe verbundenen MOS Transistor (50) bewirkt ist, und jeder weitere Transistor (50) mit einer Vorspannung so versorgt ist, dass er in seinem Trioden-Bereich arbeitet.
Ein integrierter Gyrator-Schaltkreis nach Anspruch 6, wobei die Vorspannung Veränderungen einer dem Gyrator zugeführten Steuer-Spannung folgt, um Veränderungen des Prozesses, der Temperatur und der Versorgung zu kompensieren.
Ein Verfahren für den Entwurf eines integrierten Analog-Filter Schaltkreises, wobei der Filter aus zumindest einer querverbundenen Struktur besteht, die eine Vielzahl von Transistoren (4, 6, 8, 10) enthält, und wobei das Verfahren ein Verwerten der Kanal-Verzögerung von zumindest einigen dieser Transistoren (4, 6, 8, 10) umfasst, und das Hinzufügen von serieller Rückkopplung in Verbindung mit diesen Transistoren, um dadurch über eine große Bandbreite zu kompensieren, dadurch gekennzeichnet, dass die querverbundene Struktur vier MOS Invertern enthält.
Ein Verfahren nach Anspruch 8, außerdem darin bestehend dass eine integrierte Schaltkreis-Struktur gemäß dem Verfahren realisiert wird.