DE60128403T2

DE60128403T2 - Mittel zur kompensation eines datenabhängigen versorgungsstromes in einer elektronischen schaltung

Info

Publication number: DE60128403T2
Application number: DE60128403T
Authority: DE
Inventors: Jeroen M. Van Den Boom; Jan R. Westra; Quino A. Sandifort
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2000-09-27
Filing date: 2001-09-14
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2021-09-15
Also published as: US20020047792A1; KR20020060753A; WO2002027940A2; EP1380113B1; EP1380113A2; ATE362228T1; WO2002027940A3; US6501401B2; DE60128403D1; JP2004510381A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Schaltkreis, der eine Datenverarbeitungsschaltung zum Verarbeiten eines digitalen Signals enthält, die zwischen einen ersten Versorgungsverbindungsanschluss und einen zweiten Versorgungsverbindungsanschluss zum Empfangen einer Versorgungsspannung geschaltet ist, wobei der Stromverbrauch der Datenverarbeitungsschaltung eine datenabhängige Komponente enthält.
Solch ein elektronischer Schaltkreis ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Üblicherweise ist der Strom, der von der Datenverarbeitungsschaltung verbraucht wird, abhängig vom Dateninhalt des digitalen Datensignals. Eine bestimmte Verdrahtungsimpedanz (Ohmscher Widerstand und Selbstinduktion) ist immer in Serie mit den Versorgungsleitungen der Datenverarbeitungsschaltung vorhanden. Wegen dieser Verdrahtungsimpedanz und wegen der Tatsache, dass der Strom, der von der Datenverarbeitungsschaltung verbraucht wird, abhängig vom Dateninhalt des digitalen Signals ist, wird die Datenverarbeitungsschaltung mit einer Spannung, welche eine datenabhängige Komponente hat, versorgt. Das sogenannte Energieversorgungsunterdrückungsverhältnis (engl. Power Supply Rejection Ratio) eines elektronischen Schaltkreises ist immer endlich, so dass die Störung von Signalen in der Datenverarbeitungsschaltung in Abhängigkeit vom Wert des Energieversorgungsunterdrückungsverhältnisses entsteht. Zusätzlich kann ein unerwünschtes Signalübersprechen in anderen Teilen des elektronischen Schaltkreises entstehen. In der Praxis werden Bemühungen angestellt, um diese Signalstörung und dieses Signalübersprechen zu begrenzen, indem die Datenverarbeitungsschaltung so konzipiert wird, dass das Energieversorgungsunterdrückungsverhältnis maximal ist. Bemühungen werden weiterhin angestellt, um die vorhandene Verdrahtungsimpedanz zu minimieren. Diese Maßnahmen sind jedoch nicht immer ausreichend. Darüber hinaus können diese Maßnahmen das Ergebnis haben, dass die Implementierung der Datenverarbeitungsschaltung sehr kompliziert ist. Es ist auch möglich, dass eine solche Implementierung, bei welcher ein hohes Energieversorgungsunterdrückungsverhältnis zu erreichen versucht wird, einen negativen Einfluss auf andere Qualitätsaspekte haben wird.
Die EP-A-0 378 840 beschreibt einen Digital-Analog-Wandler, der einen einzelnen Widerstandsstrang zwischen ersten und zweiten Knoten hat, wobei die Spannungsdifferenz zwischen den ersten und zweiten Knoten im wesentlichen gleich bleibt, und der Strom durch jeden der Widerstände im wesentlichen gleich bleibt.
Es ist dementsprechend ein Ziel der Erfindung, einen elektronischen Schaltkreis mit einer Datenverarbeitungsschaltung bereitzustellen, die nicht die obigen Nachteile hat oder zumindest in sehr geringem Maße.
Gemäß der Erfindung ist der im einleitenden Abschnitt erwähnte elektronische Schaltkreis für diesen Zweck dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Schaltkreis eine Stromkompensationsschaltung enthält, welche zwischen den ersten Versorgungsverbindungsanschluss und den zweiten Versorgungsverbindungsanschluss zum Empfangen der Versorgungsspannung geschaltet ist, wobei die Stromkompensationsschaltung im Betriebszustand vom digitalen Signal so gesteuert wird, dass der Stromverbrauch der Stromkompensationsschaltung eine datenabhängige Komponente enthält, welche von der selben Amplitude aber der gegenteiligen Phase ist wie die datenabhängige Komponente des Stromverbrauchs der Datenverarbeitungsschaltung, und die Summe des Stromverbrauchs der Datenverarbeitungsschaltung und des Stromverbrauchs der Stromkompensationsschaltung im wesentlichen unabhängig vom Dateninhalt des digitalen Signals ist.
Sowohl die Datenverarbeitungsschaltungen als auch die Stromkompensationsschaltung haben einen Stromverbrauch, der datenabhängig ist. Die datenabhängige Komponente des Stromverbrauchs der Stromkompensationsschaltung hat die selbe Amplitude wie die datenabhängige Komponente des Stromverbrauchs der Datenverarbeitungsschaltung. Die zwei besagten Stromkomponenten sind jedoch in entgegengesetzter Phase. Weil die Versorgungsverbindungspunkte der Datenverarbeitungsschaltung und der Stromkompensationsschaltung durch sehr kurze Verdrahtung verbunden sind, wird es im wesentlichen keinen datenabhän gigen Stromfluss durch die Verdrahtungsimpedanzen geben. Dies geschieht, weil die datenabhängige Komponente der Datenverarbeitungsschaltung und die datenabhängige Komponente der Stromkompensationsschaltung sich gegenseitig kompensieren. Das Ergebnis dessen ist, dass die Datenverarbeitungsschaltung mit einer Versorgungsspannung versorgt wird, die im wesentlichen unabhängig vom Dateninhalt des digitalen Signals ist. Signalstörung und Signalübersprechen werden daher vermieden, sogar im Fall eines geringen Energieversorgungsunterdrückungsverhältnisses der Datenverarbeitungsschaltung.
Ein Beispiel für eine elektronische Datenverarbeitungsschaltung ist ein sogenannter DA-Wandler, welcher das digitale Signal in ein analoges Signal wandelt.
Vorteilhafte Ausführungsformen von Stromkompensationsschaltungen zur Benutzung in dem elektronischen Schaltkreis gemäß der Erfindung sind in den Ansprüchen 3 bis 6 spezifiziert. Eine vorteilhafte Ausführungsform eines DA-Wandlers zur Benutzung in einem elektronischen Schaltkreis gemäß der Erfindung ist in Anspruch 7 spezifiziert.
Die Erfindung wird mit Bezug auf die begleitende Zeichnung detaillierter beschrieben, in der:
1 einen bekannten elektronischen Schaltkreis mit einer Datenverarbeitungsschaltung zeigt,
2 ein Schaltungsdiagramm eines elektronischen Schaltkreises gemäß der Erfindung ist,
3 ein Schaltungsdiagramm einer ersten Ausführungsform einer Stromkompensationsschaltung zur Benutzung in dem elektronischen Schaltkreis von 2 ist,
4 ein Schaltungsdiagramm einer zweiten Ausführungsform einer Stromkompensationsschaltung zur Benutzung in dem elektronischen Schaltkreis von 2 ist, und
5 ein Schaltungsdiagramm einer Ausführungsform eines DA-Wandlers zur Benutzung in dem elektronischen Schaltkreis von 2 ist.
Äquivalente Komponenten oder Elementen wurden die selben Bezugszeichen in diesen Figuren gegeben.
1 zeigt einen bekannten elektronischen Schaltkreis mit einer Datenverarbeitungsschaltung DCR. Ein erster Versorgungsverbindungspunkt 1 der Datenverarbeitungsschaltung DCR ist mit einem ersten Versorgungsverbindungsanschluss V_SS des elektronischen Schaltkreises verbunden. Ein zweiter Versorgungsverbindungspunkt 2 der Datenverarbeitungsschaltung DCR ist mit einem zweiten Versorgungsverbindungsanschluss V_DD des elektronischen Schaltkreises verbunden. Eine Versorgungsspannung U₁ ist zwischen dem ersten Versorgungsverbindungsanschluss V_SS und dem zweiten Versorgungsverbindungsanschluss V_DD angeschlossen. Parasitäre Verdrahtungsimpedanzen zwischen dem Verbindungspunkt 1 und dem ersten Versorgungsverbindungsanschluss V_SS und zwischen dem Verbindungspunkt 2 und dem zweiten Versorgungsverbindungsanschluss V_DD werden jeweils mit Z₁₁ und Z₁₂ bezeichnet. Die Datenverarbeitungsschaltung DCR empfängt ein digitales Eingangssignal DS. Der Stromverbrauch I_DCR der Datenverarbeitungsschaltung DCR enthält üblicherweise eine Komponente, die vom digitalen Eingangssignal DS abhängt. Die Präsenz der parasitären Verdrahtungsimpedanzen Z₁₁ und Z₁₂ erzeugt daher eine effektive Versorgungsspannung U₂ mit einer Komponente, die vom digitalen Eingangssignal DS abhängt. Wenn nun die Datenverarbeitungsschaltung DCR ein ungenügend hohes Energieversorgungsunterdrückungsverhältnis hat, wird eine Signalverzerrung wegen der datenabhängigen Komponente der effektiven Versorgungsspannung U₂ und möglicherweise auch ein Signalübersprechen zu anderen Teilen des elektronischen Schaltkreises entstehen.
2 zeigt einen elektronische Schaltkreis gemäß der Erfindung mit einer Datenverarbeitungsschaltung DCR wie in 1 gezeigt, mit einer hinzugefügten Stromkompensationsschaltung CMP. Das digitale Signal DS wird nicht nur an die Datenverarbeitungsschaltung DCR sondern auch an die Stromkompensationsschaltung CMP geliefert. Die Versorgungsleitungen der Stromkompensationsschaltung CMP sind nicht mit dem ersten Versorgungsverbindungsanschluss V_SS und dem zweiten Versorgungsverbindungsanschluss V_DD verbunden, sondern sind jeweils mit dem ersten Versorgungsverbindungspunkt 1 und dem zweiten Versorgungsverbindungspunkt 2 verbunden. Der Stromverbrauch der Stromkompensationsschaltung CMP ist mit I_CMP bezeichnet. Der Wert von I_CMP liegt vorzugsweise viel tiefer als der Wert von I_DCR, sodass der gesamte Stromverbrauch des elektronischen Schaltkreises nicht spürbar erhöht wird. Die Stromkompensationsschaltung CMP ist so ausgelegt, dass der Stromverbrauch I_CMP eine datenabhängige Komponente enthält, die von der selben Amplitude wie die datenabhängige Komponente des Stromverbrauchs I_DCR der Datenverarbeitungsschaltung DCR ist, aber in entgegengesetzter Phase. Daher enthält die effektive Versorgungsspannung U₂ im Wesentlichen keine datenabhängige Komponente.
Dr elektronische Schaltkreis von 2 wird nun in größerem Detail mit Bezug zu den 3, 4 und 5 erklärt. 5 zeigt einen DA-Wandler DAC als ein Beispiel einer Datenverarbeitungsschaltung DCR. Der DA-Wandler DAC enthält Schalt-Mittel S_CNV und Wandlerwiderstände R_CNV0 bis R_CNVn. Die Schalt-Mittel S_CNV enthalten Schalter, welche durch digitale Signale DS gesteuert werden, die mit a₀ bis a_n bezeichnet sind. Der DA-Wandler DAC liefert ein analoges Ausgangssignal U_OUT zu einem Ausgangsanschluss OUT des DA-Wandlers DAC. Die Wandlerwiderstände sind entweder zwischen dem ersten Verbindungspunkt 1 und dem Ausgangsanschluss OUT oder zwischen dem zweiten Versorgungsverbindungspunkt 2 und dem Ausgangsanschluss OUT verbunden, in Abhängigkeit der logischen Werte der Signale a₀ bis an. 5 zeigt beispielhaft die Situation, in welcher die Wandlerwiderstände R_CNV0 und R_CNV1 zwischen dem zweiten Versorgungsverbindungspunkt 2 und dem Ausgangsanschluss OUT verbunden sind. Der Stromverbrauch I_DCR des DA-Wandlers DAC ist minimal, wenn alle Wandlerwiederstände R_CNV0 bis R_CNVn entweder zwischen dem ersten Versorgungsverbindungspunkt 1 und dem Ausgangsanschluss OUT oder zwischen dem zweiten Versorgungsverbindungspunkt 2 und dem Ausgangsanschluss OUT verbunden sind. In allen anderen Fällen ist der Stromverbrauch I_DCR größer. Der Stromverbrauch I_DCR ist maximal, wenn eine gleiche Anzahl von Wandlerwiderständen zwischen dem ersten Versorgungsverbindungspunkt 1 und dem Ausgangsanschluss OUT und zwischen dem zweiten Versorgungsverbindungspunkt 2 und dem Ausgangsanschluss OUT verbunden ist. All das unterliegt der Annahme, das alle Wandlerwiderstände im Wesentlichen den selben Wert haben. Der Stromverbrauch I_DCR ist dementsprechend abhängig vom Wert des digitalen Signals DS. 4 zeigt ein Beispiel einer Stromkompensationsschaltung CMP, welche in diesem Beispiel drei Kompensationenwiderstände enthält, welche mit R_CMP1 bis R_CMP3 bezeichnet sind. Die Stromkompensationsschaltung CMP enthält weiterhin Schalt-Mittel S_CMP, die durch das digitale Signal DS gesteuert werden. Abhängig vom digitalen Signal DS werden eine Anzahl von Kompensationswiderständen zwischen dem ersten Versorgungsverbindungspunkt 1 und dem zweiten Versorgungsverbindungspunkt 2 verbunden oder nicht. Es wird offensichtlich, dass der Stromverbrauch I_CMP vom digitalen Signal DS abhängt. Ist eine korrekte gegenseitige Dimensionierung des DA-Wandlers DAC und der Stromkompensationsschaltung CMP gegeben, wird folglich die Summe der Stromverbrauchswerte I_DCR und I_CMP konstant sein.
Um die Art der Dimensionierung zu verdeutlichen, werden nun die folgenden Annahmen gemacht. Der Ausgangsanschluss OUT ist ohne Last, die Anzahl von Wandlerwiderständen nach 5 ist gleich 4 und die Anzahl von Kompensationswiederständen nach 4 ist gleich 4, die Versorgungsspannung ist 3 Volt, der Wert der Wandlerwiderstände ist 30 kΩ und der Wert der Kompensationswiederstände ist 120 kΩ. Es werden nun zwei Situationen diskutiert.
In Situation 1 sind zwei Wandlerwiderstände zwischen dem ersten Versorgungsverbindungspunkt 1 und dem Ausgangsanschluss OUT verbunden, und zwei Wandlerwiderstände sind zwischen dem zweitem Versorgungsverbindungspunkt 2, und dem Ausgangsanschluss OUT verbunden. Die Ausgangsspannung U₀ ist gleich 1,5 Volt. Der gesamte Widerstand, der zwischen dem ersten Versorgungsverbindungspunkt 1 und dem zweiten Versorgungsverbindungspunkt 2 geschaltet ist, ist gleich 30 kΩ. Der Stromverbrauch I_DCR ist 100 μA. Drei Kompensationswiderstände, jeder mit einem Wert von 120 kΩ, sind auch in der Stromkompensationsschaltung CMP zwischen den ersten Versorgungsverbindungspunkt 1 und dem zweiten Versorgungsverbindungspunkt 2 geschaltet. Dies macht den Stromverbrauch I_CMP gleich 75 μA. Als Ergebnis ist die Summe der Stromverbrauchswerte I_DCR und I_CMP gleich 175 μA.
In der Situation 2 ist ein Wandlerwiderstand zwischen den zweiten Versorgungsverbindungspunkt 2 und dem Ausgangsanschluss OUT geschaltet, und drei Wandlerwiderstände sind zwischen den ersten Versorgungsverbindungspunkt 1 und den Ausgangsanschluss OUT geschaltet. Die Ausgangsspannung U_OUT ist gleich 0,75 Volt. Der gesamte Widerstand zwischen dem ersten Versorgungsverbindungspunkt 1 und dem zweiten Versorgungsverbindungspunkt 2 des DA-Wandlers DAC ist gleich 40 kΩ. Dies macht den Stromverbrauch I_DCR gleich 75 μA. Gleichzeitig sind in der Stromkompensationsschaltung CMP vier Kompensationswiderstände von 120 kΩ zwischen dem ersten Versorgungsverbindungspunkt 1 und dem zweiten Versorgungsverbindungspunkt 2 angeschlossen. Folglich ist der Stromverbrauch _ICMP gleich 100 μA. Der gesamte Stromverbrauch ist dementsprechend gleich 175 μA.
Es wird durch das obige offensichtlich sein, dass die Summe der Stromverbrauchswerte I_DCR und I_CMP konstant und in diesem Beispiel gleich 175 μA ist.
Anstatt einer Stromkompensationsschaltung CMP mit Widerständen wie in 4 gezeigt, kann alternativ auch eine Stromkompensationsschaltung CMP verwendet werden, die Stromquellen wie in 3 gezeigt enthält. 3 zeigt beispielhaft drei Kompensationsstromquellen I_CMP1 bis I_CMP3, die zwischen den ersten Versorgungsverbindungspunkt 1 und den zweiten Versorgungsverbindungspunkt 2 geschaltet sind. Die Kompensationsstromquellen liefern einen bestimmen Referenzstrom, oder eine oder mehrere Kompensationsstromquellen sind abgeschaltet, in Abhängigkeit vom Dateninhalt des digitalen Datensignals DS.
Als eine Alternative zu der Stromkompensationsschaltung CMP, wie in 3 gezeigt, ist es möglich, die Anzahl der angeschalteten Kompensationsstromquellen I_CMP _, bis I_CMP3 nicht vom Dateninhalt des digitalen Datensignals DS abhängig zu machen, sondern jederzeit nur eine der Kompensationsstromquellen I_CMP ₁ bis I_CMP3 anzuschalten, wobei der Wert des Stromes, der vonder einen angeschalteten Kompensationsstromquelle I_CMP ₁ bis I_CMP3 geliefert wird, abhängig vom Dateninhalt des digitalen Dateninhalts ist.
Als eine Alternative zu der Stromkompensationsschaltung CMP, wie in 4 gezeigt, ist es auch möglich, die Anzahl der Kompensationswiderstände R_CMP1 bis R_CMP3, die zwischen dem ersten Versorgungsverbindungspunkt und dem zweiten Versorgungsverbindungspunkt 2 angeschlossen sind, nicht vom Daten inhalt des digitalen Datensignals abhängig zu machen, sondern jederzeit nur einen der Kompensationswiderstände R_CMP1 – R_CMP3 zwischen dem ersten Versorgungsverbindungspunkt 1 und dem zweiten Versorgungsverbindungspunkt 2 zu schalten, wobei der Wert des besagten einen Kompensationswiderstands R_CMP1 – R_CMP3 abhängig vom Dateninhalt des digitalen Datensignals ist.
Der elektronische Schaltkreis kann aus diskreten Komponenten aufgebaut sein oder als integrierter Schaltkreis implementiert sein. Transistoren können für die Kompensationsstromquellen verwendet werden, zum Beispiel Bipolartransistoren oder Feldeffekttransistoren.

Claims

Elektronischer Schaltkreis, der eine Datenverarbeitungsschaltung (DCR) zum Verarbeiten eines digitalen Signals (DS) enthält, die zwischen einen ersten Versorgungsverbindungsanschluss (VSS) und einen zweiten Versorgungsverbindungsanschluss (VDD) zum Empfangen einer Versorgungsspannung (U1) geschaltet ist, wobei der Stromverbrauch (IDCR) der Datenverarbeitungsschaltung (DCR) eine datenabhängige Komponente enthält, welche vom digitalen Signal abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Schaltkreis eine Stromkompensationsschaltung enthält, welche zwischen den ersten Versorgungsverbindungsanschluss (VSS) und den zweiten Versorgungsverbindungsanschluss (VDD) zum Empfangen der Versorgungsspannung (U1) geschaltet ist, wobei die Stromkompensationsschaltung (CMP) im Betriebszustand vom digitalen Signal so gesteuert wird, dass der Stromverbrauch (ICMP) der Stromkompensationsschaltung eine datenabhängige Komponente enthält, welche von der selben Amplitude aber der gegenteiligen Phase ist wie die datenabhängige Komponente des Stromverbrauchs (IDCR) der Datenverarbeitungsschaltung, und die Summe des Stromverbrauchs (IDCR) der Datenverarbeitungsschaltung und der Stromkompensationsschaltung (CMP) im Wesentlichen unabhängig vom Dateninhalt des digitalen Signals (DS) ist.
Elektronischer Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungsschaltung (DCR) ein Digital-Analog-Wandler (DAC) zum Wandeln des digitalen Signals (DS) in ein analoges Signal (UOUT) ist.
Elektronischer Schaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromkompensationsschaltung (CMP) Kompensationsstromquellen (ICMP1 – ICMP3) enthält, welche zwischen den ersten Versorgungsverbindungsanschluss (VSS) und den zweiten Versorgungsverbindungsanschluss (VDD) geschaltet sind, und wobei eine Anzahl von Kompensationsstromquellen (ICMP3) im Betriebszustand angeschaltet ist und diese Anzahl vom Dateninhalt des digitalen Signals (DS) abhängt.
Elektronischer Schaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromkompensationsschaltung (CMP) Kompensationswiderstände (RCMP1 – RCMP3) enthält, wobei eine Anzahl der Kompensationswiderstände (RCMP3) im Betriebszustand zwischen den ersten Versorgungsverbindungsanschluss (VSS) und den zweiten Versorgungsverbindungsanschluss (VDD) geschaltet ist und diese Anzahl vom Dateninhalt des digitalen Signals (DS) abhängt.
Elektronischer Schaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromkompensationsschaltung (CMP) Kompensationsstromquellen (ICMP1 – ICMP3) enthält, welche zwischen den ersten Versorgungsverbindungsanschluss (VSS) und den zweiten Versorgungsverbindungsanschluss (VDD) geschaltet sind, wobei eine der Kompensationsstromquellen (ICMP1 – ICMP3) im Betriebszustand angeschaltet ist und die Menge des Stromes, welcher von den angeschalteten Stromquellen (ICMP1 – ICMP3) geliefert wird, vom Dateninhalt des digitalen Signals (DS) abhängt.
Elektronischer Schaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromkompensationsschaltung (CMP) Kompensationswiderstände (RCMP1 – RCMP3) enthält, von welchen einer der Kompensationswiderstände (RCMP1 – RCMP3) im Betriebszustand zwischen den ersten Versorgungsverbindungsanschluss (VSS) und den zweiten Versorgungsverbindungsanschluss (VDD) geschaltet ist, wobei der Wert des einen Kompensationswiderstands (RCMP1 – RCMP3) vom Dateninhalt des digitalen Signals (DS) abhängt.
Elektronischer Schaltkreis nach Anspruch 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Digital-Analog-Wandler (DAC) Wandlerwiderstände (RCNV0 – RCNVn) enthält, von welchen eine Anzahl der Wandlerwiderstände (RCNV0 – RCNVn) im Betriebszustand zwischen den ersten Versorgungsverbindungsanschluss (VSS) und einen Ausgangsanschluss (OUT) des Digital-Analog-Wandlers (DAC) geschaltet ist, während die übrige Anzahl von Wandlerwiderständen (RCNV0 – RCNVn) zwischen den zweiten Versorgungsverbindungsanschluss (VDD) und den Ausgangsanschluss (OUT) geschaltet ist und die Anzahl vom Dateninhalt des digitalen Signals (DS) abhängt.