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Die
Erfindung betrifft eine Stromspiegelschaltung mit einem Stromeingangsanschluss,
einem Stromaungangsanschluss und einem gemeinsamen Anschluss, einem
ersten, zwischen dem Stromeingangsanschluss und dem gemeinsamen Anschluss
angeordneten, steuerbaren Halbleiterelement und einem zweiten, zwischen
dem Stromausgangsanschluss und dem gemeinsamen Anschluss angeordneten,
steuerbaren Halbleiterelement, wobei die steuerbaren Halbleiterelemente
miteinander verbundene Steuerelektroden haben, die auch an eine Vorspannungsquelle
gekoppelt sind, um die genannten Steuerelektroden mit einer Referenzspannung vorzuspannen,
und die Schaltung außerdem
eine Transkonduktanzstufe mit einem an den Stromeingangsanschluss
gekoppelten Eingang und einem an den gemeinsamen Anschluss gekoppelten
Ausgang umfasst.
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Eine
solche Stromspiegelschaltung ist aus WO 00/31604 bekannt. In der
bekannten Schaltung generiert die Transkonduktanzstufe einen Strom,
der über
das erste und das zweite Halbleiterelement aufgeteilt ist, so dass
die Eingangsspannung nahe an einer Referenzspannung aufrechterhalten
wird. Damit ist realisiert, dass die Eingangsimpedanz signifikant verkleinert
wird, so dass eine große
Bandbreite erreicht wird. Aber in der bekannten Schaltung hängt die
Eingangsimpedanz relativ stark von dem Stromverstärkungsfaktor
des ersten und des zweiten steuerbaren Halbleiterelements ab, der
wiederum abhängig
von dem Eingangsstrom ist. Da die Quelle für den Eingangsstrom im Allgemeinen
eine endliche Impedanz hat, bringt dies mit sich, dass die Bandbreite
der Spiegelschaltung vom Eingangsstrom abhängig ist.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Stromspiegelschaltung wie eingangs
erwähnt
zu schaffen, in der die Abhängigkeit
der Bandbreite von dem Eingangsstrom reduziert ist. Erfindungsgemäß ist die
Stromspiegelschaltung dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektroden über ein
drittes steuerbares Halbleiterelement an den gemeinsamen An schluss
gekoppelt sind, und dass die Vorspannungsquelle über eine Steuerelektrode des
dritten steuerbaren Halbleiterelements an die Steuerelektroden des
ersten und des zweiten steuerbaren Halbleiterelements gekoppelt
ist. Bei einem kleinen Eingangsstrom reduziert sich der Stromverstärkungsfaktor
des ersten und des zweiten steuerbaren Halbleiterelements stark.
Das hat den Effekt, dass über
die Steuerelektroden dieser Halbleiterelemente ein relativ hoher
Strom fließt.
In der Stromspiegelschaltung der Erfindung fließt der Strom über die
Steuerelektroden zu dem gemeinsamen Anschluss über das dritte steuerbare Halbleiterelement
zurück,
so dass dieser Effekt kompensiert wird. Als ein Ergebnis ist die
Eingangsimpedanz und damit die Bandbreite weniger von dem Eingangsstrom
abhängig.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die miteinander verbundenen Steuerelektroden außerdem mit
einer Stromquelle verbunden. Diese Stromquelle kann gleichzeitig
dazu dienen, das dritte Halbleiterelement vorzuspannen und eine
Komponente der Transkonduktanzstufe vorzuspannen.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform
ist dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Halbleiterelement
ein Flächenverhältnis von 1:P
haben. Auf diese Weise arbeitet die Schaltung als ein Stromverstärker.
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Noch
eine weitere bevorzugte Ausführungsform
ist dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Halbleiterelement
durch eine erste und eine zweite kapazitive Impedanz mit Kapazitätswerten
in einem Verhältnis
1:P überbrückt werden.
Diese Maßnahme
verbessert weiter die Bandbreite. Die von der Transkonduktanzstufe
generierten Hochfrequenzkomponenten werden über die erste und die zweite
kapazitive Impedanz in einem von dem Verhältnis ihrer Kapazitätswerte
bestimmten Verhältnis aufgeteilt.
Da das Verhältnis
der Kapazitätswerte dem
Flächenverhältnis der
steuerbaren Halbleiterelemente entsprechen, wird über einen
großen
Frequenzbereich eine flache Verstärkungs-Frequenz-Charakteristik erreicht.
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Eine
andere bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die miteinander verbundenen
Steuerelektroden außerdem über eine
dritte kapazitive Impedanz und über ein
viertes steuerbares Halbleiterelement mit einer Referenzspannung
verbunden sind und dass eine Steuerelektrode des vierten steuerbaren
Halbleiterelements mit dem gemeinsamen Anschluss verbunden ist.
In der Schaltung der Erfindung weist der gemeinsamen Anschluss relativ
große
Spannungsvariationen auf. Diese können Verluste über Streukapazitäten herbeiführen. Mit
der durch das dritte kapazitive Element und das vierte steuerbare
Halbleiterelement gebildete Hilfsschaltung wird erreicht, dass diese
Verluste kompensiert werden, und als ein Ergebnis davon die Bandbreite
noch weiter verbessert wird.
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Eine
erfindungsgemäße integrierte
Schaltung umfasst mindestens eine erfindungsgemäße Stromspiegelschaltung und
eine Photodiode mit einem an deren Stromeingangsanschluss gekoppelten Ausgang.
Die integrierten Photodioden haben im Vergleich zu diskreten Photodioden
eine relativ geringe Kapazität,
was auch vorteilhaft für
die Bandbreite ist.
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Eine
solche integriere Schaltung ist detaillierter in dem ANNEX: „High-Bandwidth Low-Capacity Integrated
Photo Diodes for Optical Storage" beschrieben.
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1 zeigt
schematisch eine integrierte Schaltung mit Photodioden A, ..., F.
Die Photodioden A, ..., D sind an Stromvorverstärker 1A, ..., 1D gekoppelt
und die Photodioden E und F sind an die Transimpedanzverstärker 3F beziehungsweise 3G gekoppelt.
Die Stromvorverstärker 1A,
..., 1D haben jeder einen ersten, an einen entsprechenden
Transimpedanzverstärker 2A,
..., 2D gekoppelten Ausgang. Die Stromvorverstärker 1A,
..., 1D haben jeder einen zweiten Ausgang. Letztere sind
miteinander wie auch an den Eingang eines weiteren Transimpedanzverstärkers gekoppelt.
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Einer
der Stromvorverstärker
ist detaillierer in 2 gezeigt. Der Stromverstärker umfasst
eine Kaskade von Stromspiegeln 14, 18, 22 und 26,
um das von der Diode A gelieferte Signal zu verstärken. Der
Stromverstärker
umfasst eine Stromspiegelschaltung 14, die einen an die
Photodiode A gekoppelten Stromeingangsanschluss 14A, einen
Stromausgangsanschluss 14B und einen gemeinsamen Anschluss 14C hat.
Eine Transkonduktanzstufe 12 hat einen an den Stromeingangsanschluss 14A gekoppelten
Eingang 12A und einen an den gemeinsamen Anschluss 14C gekoppelten
Ausgang 12B. Die Transkonduktanzstufe hat einen an eine
Referenzspannungsquelle 10 gekoppelten weiteren Eingang 12C. Ähnlich sind
die Stromspiegelschaltungen 18 und 22 an eine
Transkonduktanzstufe 16 und 20 gekoppelt. Auch
die Stromspiegelschaltung 26 ist an eine Transkonduktanzstufe 24 gekoppelt,
aber in diesem Fall ist der Ausgang der Transkonduktanzstufe 24 an
die gegenseitig miteinander gekoppelten Steuerelektroden der steuerbaren
Halbleiterelemente 26A, 26B, die einen Teil dieser
Stromspiegelschaltung bilden, gekoppelt.
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3 zeigt
eine erfindungsgemäße Ausführungsform
einer Stromspiegelstufe 14. Die Stromspiegelschaltung umfasst
einen Stromeingangsanschluss 14A, einen Stromausgangsanschluss 14B und
einen gemeinsamen Anschluss 14C. Der Eingangseinschluss 14A ist
an eine Photodiode A angeschlossen, die hier in Form eine Signalstrom quelle Sph
und einer parasitären
Kapazität
Cph dargestellt ist. Der Ausgangsanschluss 14B ist an eine
Last Zi2 angeschlossen. Ein erstes steuerbares Halbleiterelement
T1 ist zwischen dem Stromeingangsanschluss 14A und dem
gemeinsamen Anschluss 14C angeordnet. Ein zweites steuerbares
Halbleiterelement T2 ist zwischen dem Stromaungangsanschluss 14B und dem
gemeinsamen Anschluss 14C angeordnet. Für alle Fälle sind die Halbleiterelemente
T1, T2 über
Gegenkopplungswiderstände
R2, R3 an den gemeinsamen Anschluss angeschlossen. Die steuerbaren Halbleiterelemente
T1, T2 haben miteinander verbundene Steuerelektroden T1A, T2A, die
zur Vorspannung der genannten Steuerelektroden mit einer Referenzspannung
auch an eine Vorspannungsquelle VBIAS gekoppelt
sind.
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Die
Schaltung umfasst außerdem
eine Transkonduktanzstufe 12 mit einem an den Stromeingangsanschluss 14A gekoppelten
Eingang 12A und einen an den gemeinsamen Anschluss 14C gekoppelten
Ausgang 12B.
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Die
erfindungsgemäße Schaltung
ist dadurch gekennzeichnet, dass die miteinander verbundenen Steuerelektroden
T1A, T2A über
ein drittes steuerbares Halbleiterelement T3 an den gemeinsamen
Anschluss gekoppelt sind, und dass die Vorspannungsquelle VBIAS über
eine Steuerelektrode T3A des dritten steuerbaren Halbleiterelements
T3 an diese Steuerelektroden T1A, T2A gekoppelt ist. Die miteinander
verbundenen Steuerelektroden T1A, T2A sind außerdem eine Stromquelle SI
angeschlossen.
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In
der gezeigten Ausführungsform
umfasst die Transkonduktanzstufe 12 ein fünftes steuerbares Halbleiterelement
T5, das zwischen ihren Ausgang 12B und der Masse GND angeordnet
ist. Das fünfte steuerbare
Halbleiterelement T5 hat eine Steuerelektrode, die an einen gemeinsamen
Knoten 12D einer Serienanordnung aus einem weiteren steuerbaren Halbleiterelement
M0 und einer ohmschen Impedanz R1 gekoppelt ist. Die Stromquelle
SI spannt das dritte wie auch das fünfte steuerbare Halbleiterelement
T3 und T5 vor.
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Die
in 3 gezeigte Schaltung arbeitet wie folgt. Wenn
die Photodiode einen Strom Iph an den Eingangsanschluss 14A des
Stromspiegels liefert, zieht die Transkonduktanzstufe 12 so
einen Strom Ic aus dem gemeinsamen Anschluss 14C des Stromspiegels,
dass der Strom Ii1 durch den Eingangsanschluss 14A dem
durch die Photodiode A gelieferten Strom Iph gleicht. Die Arbeit
des durch T1 und T2 gebildeten Stromspiegels hat den Effekt, dass
ein Strom Io1 von dem zweiten steuerbaren Halbleiterelement 72 geliefert
wird. Die Ströme
haben ein Verhältnis
Io1:Ii1 = P, wobei P das Flächenverhältnis der steuerbaren
Halbleiterelemente T1, T2 ist. Gleichzeitig leiten die Steuerelektroden
T1A, T2A der steuerbaren Halbleiterelemente T1 beziehungsweise T2
einen Strom Ib1, Ib2 so, dass Ii1 = αIb1 und Io1 = αIb2. Da das
dritte steuerbare Halbleiterelement T3 durch eine Stromquelle vorgespannt
ist, werden die Signalströme
Ib1 + Ib2 im Wesentlichen von dem gemeinsamen Anschluss 12B über den
Hauptstrompfad von diesem Halbleiterbauelement T3 geleitet. Also
tragen diese Signalströme
Ib1, Ib2 nicht wesentlich zu dem Strom Ic bei, der von der Transkonduktanzstufe 12 gezogen
wird. Der Strom Ic ist deshalb Ii1(1 + P). Wenn die Transkonduktanzstufe
eine Verstärkung gm
hat, dann beläuft
sich der Eingangswiderstand auf
(1 + P)/gm, was unabhängig von
der Stromverstärkung
der steuerbaren Halbleiterelemente T1, T2 ist.
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In
der bekannten Schaltung, die kein steuerbares Halbleiterelement
T3 wie in der Erfindung enthält,
beläuft
sich der Eingangswiderstand auf
(1 + P)(1 + 1/α)gm.
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Also
ist der Eingangswiderstand in der bekannten Schaltung abhängig von
der Verstärkung α der steuerbaren
Halbleiterelemente. Dieser wiederum ist abhängig von dem von diesen Elementen
geleiteten Strom. Bei niedrigen Eingangsströmen nimmt die Verstärkung α ab und als
Ergebnis davon nimmt der Eingangswiderstand zu. Dies verursacht Signalverluste
bei höheren
Frequenzen. In der Schaltung der Erfindung wurde dieses Phänomen im Wesentlichen
ausgelöscht.
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4 zeigt
eine zweite Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Stromspiegels.
In 4 sind Elemente, die dasselbe Bezugszeichen haben, die
gleichen. Diese Ausführungsform
ist dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Halbleiterelement
T1, T2 durch eine erste und eine zweite kapazitive Impedanz C1,
C2 mit Kapazitätswerten
in einem Verhältnis
1:P überbrückt werden.
Die erste und die zweite kapazitive Impedanz C1, C2 leiten entsprechend
Signalströme
Ic1 und Ic2 mit einem Verhältnis
Ic2/Ic1 = P. Also tragen die kapazitiven Impedanzen C1, C2 zu den
Strömen,
die durch den Eingangs- und den Ausgangsanschluss 14A, 14B fließen, in
dem selben Verhältnis
bei wie die steuerbaren Halbleiterelemente. Da die Frequenz des
Eingangssignals des Stromspiegels zunimmt und die Verstärkungsfaktoren
der steuerbaren Halbleiterelemente T1, T2 abnehmen, übernehmen
die kapazitiven Impedanzen C1, C2 allmählich die Funktion der Halbleiterelemente
T1, T2.
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5 zeigt
eine dritte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Stromspiegels.
Teile in 5 mit demselben Bezugszeichen
wie in 4 sind identisch. Die gezeigte Ausführungsform
ist dadurch gekennzeichnet, dass die miteinander verbundenen Steuer elektroden
T1A, T2A außerdem über eine
dritte kapazitive Impedanz C3 und über ein viertes steuerbares
Halbleiterelement T4 mit einer Referenzspannung GND verbunden sind.
Eine Steuerelektrode T4A des vierten steuerbaren Halbleiterelements T4
ist an den gemeinsamen Anschluss 14C gekoppelt.
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Wie
in 5 illustriert ist, können Verluste Ip durch die
parasitäre
Impedanz Cp verursacht werden. Aber da in dieser Ausführungsform
der Erfindung der parasitäre
Kondensator Cp, die Vorspannungsquelle, der Basis-Emitter-Übergang
von T3, die kapazitive Impedanz C und der Emitter-Basis-Übergang
von T4 eine geschlossene Schleife bilden, sollte die Summe der Spannungen
0 sein. Daraus folgt, dass der parasitäre Strom Ip komplett kompensiert wird,
vorausgesetzt, dass die Kapazität
C3 gleich der parasitären
Kapazität
Cp gewählt
ist.
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6 zeigt
schematisch eine Anordnung zur Reproduktion eines optischen Datenrägers. Die
Anordnung umfasst einen Lesekopf 40 mit einer Strahlungsquelle 41 zum
Erzeugen eines Strahls 42. Der Lesekopf umfasst außerdem ein
optisches System 43 zum Lenken des Strahls nach der Interaktion
mit dem Datenträger 30 auf
eine oder mehr Photodioden. Der Lesekopf 40 umfasst auch
eine Signalverarbeitungsschaltung mit entsprechenden Verstärkern mit einer
erfindungsgemäßen Stromspiegelschaltung, beispielsweise
gemäß einer
der in 3, 4 oder 5 gezeigten
Ausführungsformen.
Die Stromspiegelschaltungen haben jede einen an eine der Photodioden
gekoppelten Eingang. In der gezeigten Ausführungsform sind die Photodioden
und die Verstärker
zusammen in einem, in 1 schematisch gezeigten, IC45
integriert. Ein Signalausgang der Signalverarbeitungsschaltung ist
an eine Kanaldecodierungsschaltung und/oder eine Fehlerkorrekturschaltung 50 zur
Rekonstruktion einer Informationsdatenkette Sinfo aus dem von der
Datenverarbeitungsschaltung gelieferten Signal Sout gekoppelt. Die
Anordnung ist mit Mitteln 61, 62 zum Bereitstellen
einer Relativbewegung zwischen dem Lesekopf 40 und dem
Datenträger 30 versehen.
In der gezeigten Ausführungsform
rotieren die Mittel 61 den Datenträger und die Mittel 62 sorgen
für eine
radiale Bewegung des Lesekopfs. Anderseits können die Mittel 61, 62 beispielsweise
Linearmotoren zum Bewegen des Lesekopfs beziehungsweise des Datensatzträgers in zueinander
senkrechte Richtungen.
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Es
wird angemerkt, dass der Schutzrahmen der Erfindung nicht auf die
hier beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt
ist. In den Ausführungsführungsformen
sind hauptsächlich
Bipolartransistoren gezeigt. Aber es können statt Bipolartransistoren auch
Unipolar- oder MOSFET-Transistoren verwendet werden. In dem Falle
ersetzen Gate, Source und Drain der Unipolartransistoren Basis,
Emitter beziehungsweise Kollektor der Bipolartransistoren. Durch Bereitstellen
von Kopien des Transistors T2 zwischen dem gemeinsamen Anschluss 14C und
zusätzlichen
Ausgangsanschlüssen 14B sind
Vielfachausgänge
möglich.
Auch ist der Schutzrahmen der Erfindung nicht durch die Bezugszeichen
in den Ansprüchen
eingeschränkt.
Das Wort „umfasst" schließt andere
Teile als die in einem Anspruch erwähnten nicht aus. Das Wort „ein(e)" vor einem Element schließt eine
Vielzahl dieser Elemente nicht aus. Mittel, die einen Teil der Erfindung
bilden, können
sowohl in Form dedizierter Hardware wie auch in Form eines programmierten
Universalprozessors implementiert sein.
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Texte in der Zeichnung:
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- 1: read-front ends – Lesen
Eingangsseiten
read-back ends – Lesen Ausgangsseiten
- 2: Stage – Stufe