DE68909576T2 - Integrierte Schaltung mit einem schaltbaren Stromquellengenerator. - Google Patents

Integrierte Schaltung mit einem schaltbaren Stromquellengenerator.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine integrierte Schaltung mit einem schaltbaren Stromquellengenerator mit wenigstens einem ersten Stromversorgungszustand und einem zweiten Hochimpedanzzustand.
  • Aus dem Stand der Technik sind derartige schaltbare Stromgeneratoren bekannt (insbesondere derartige A-Betrieb-Verstärker mit einer aktiven Ladung), aber sie haben den Nachteil, daß sie wenigstens einen zu schaltenden pnp-Transistor erfordern. Die Stromquellen enthalten einen oder mehreren npn-Transistoren und die Stromsenken enthalten einen oder mehreren pnp-Transistoren, was zum Gewährleisten genauestens gesteuerter und belastungsunabhängiger Stromversorgung und Stromsenken erforderlich ist. Jedoch haben npn-Transistoren in integrierten Schaltungen wesentlich schnellere Schaltzeiten. Die Patentschrift EP-A-0 223 259 gibt eine Beschreibung eines schaltbaren Stromgenerators, der einen Strom entsprechend der Polarität eines Eingangssignals erzeugt und zwei Stromspiegel, eine Bezugsstromquelle und zwei mit den npn- Transistoren verwirklichte Schaltkreise benutzt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte Schaltung mit einem schaltbaren Stromgenerator nach obiger Angabe zu schaffen, in dem die Schaltfunktion ausschließlich mit Hilfe von npn-Transistoren zum Erhalten einer hohen Schaltgeschwindigkeit ausgeführt wird.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße Schaltung dadurch gekennzeichnet, daß sie eine erste Stufe mit einem Stromspiegel mit einer ersten und einem zweiten Zweig, die einen ersten und einen zweiten Strom im wesentlichen mit derselben Stärke liefern, und eine zweite differentielle Stufe mit einem ersten und einem zweiten Transistor vom npn-Typ enthält, deren Emitter miteinander und mit einer ersten Stromquelle zum Ausgeben eines Stroms mit vorgegebener Größe verbunden sind und deren Kollektoren mit dem ersten bzw. dem zweiten Zweig des Stromspiegels verbunden sind, der Kollektor des ersten Transistors einen Ausgang des schaltbaren Stromgenerators bildet, daß sie eine steuerbare zweite Stromquelle mit einem dritten Transistor vom npn-Typ enthält, der mit den Emittern der ersten und zweiten Transistoren verbunden ist, die zweite Stromquelle einen Stromversorgungszustand und einen betriebslosen Zustand hat, daß sie einen Schaltkreis enthält, der derart aufgebaut ist, daß im ersten Zustand die zweite Stromquelle in den betriebslosen Zustand gebracht wird und die zweite Stufe derart unsymmetrisch gemacht wird, daß der erste Transistor im wesentlichen gesperrt bleibt, und im zweiten Betriebszustand die zweite Stromquelle in den Stromversorgungszustand gebracht und die zweite Stufe in den Gleichgewichtszustand gebracht wird, und daß die Ströme der ersten und zweiten Stromquellen im wesentlichen gleich sind.
  • Also beziehen sich die einzigen Schaltoperationen auf npn-Transistoren (zweite Stromquelle, zweite Stufe), wobei der im wesentlichen gleiche Wert der Ströme der ersten und der zweiten Stromquelle es ermöglicht, daß der Strom in den npn- Transistoren des Stromspiegels im wesentlichen konstantgehalten werden kann.
  • In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Basen des ersten und des zweiten Transistors mit einer Bezugsspannungsquelle über einen ersten bzw. einen zweiten Wiederstand verbunden, enthält der Generator eine steuerbare dritte Stromquelle vom npn-Typ in Verbindung mit der Basis des ersten Transistors und mit einem Stromversorgungszustand und einem betriebslosen Zustand, und enthält der Schaltkreis ein Mittel zum Steuern der dritten Stromquelle zum Setzen dieser Stromquelle in ihren Stromversorgungszustand im ersten Betrieb und in ihren betriebslosen Zustand im zweiten Betrieb.
  • Die Unsymmetrie der zweiten Stufe ist auf geeignete Weise derart wählbar, daß der erste Transistor nicht vollständig abgesperrt wird, aber nichtsdestoweniger den Durchgang des ersten Stroms wirksam abblockt. Hierdurch wird ein sehr schneller Übergang vom ersten in den zweiten Betrieb erhalten.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechend eines Dreizustandebetriebs enthält der steuerbare Schaltkreis vom npn-Typ einen Stromversorgungszustand und einen betriebslosen Zustand sowie eine vierte Stromquelle in Verbindung mit dem Kollektor des ersten Transistors.
  • In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Schaltkreis derart ausgelegt, daß in der dritten Betriebsart die zweite und die vierte Stromquelle sich im Stromversorgungszustand befinden und die zweite Stufe symmetrisch ist. Die Intensität der vierten Stromquelle kann im wesentlichen gleich der der ersten Stromquelle sein.
  • In einem geänderten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Schaltkreis derart ausgelegt, daß in der dritten Betriebsart die zweite Stromquelle sich im betriebslosen Zustand befindet, die zweite Stufe unsymmetrisch ist und die vierte Stromquelle sich im Stromversorgungszustand befindet. Der Strom aus der vierten Stromquelle kann im wesentlichen gleich dem Zweifachen des Stroms der ersten Stromquelle sein.
  • Eine steuerbare Stromquelle kann aus einem Digital/Analog-Wandler mit npn-Transistoren und einem Stromausgang aufgebaut sein.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und Fig. 2 eine Abwandlung nach der Erfindung.
  • In der Figur ist ein Zweitransistor-Stromspiegel vom Widlar-Typ mit zwei pnp-Transistoren T&sub3; und T&sub4; dargestellt, deren Emitter mit einer Stromversorgungsquelle Vcc und deren Basen miteinander verbunden sind. Außerdem sind die Basis und der Kollektor des Transistors T&sub4; miteinander verbunden. Dies ergibt im wesentlichen gleiche Ströme aus den Kollektoren der Transistoren T&sub3; und T&sub4;, so daß eine erste Stufe aus diesem Stromspiegel mit zwei Zweigen besteht. Für weitere Einzelheiten über einen Stromspiegel dieser Art und anderer Arten sei auf die Veröffentlichung "Analysis and Design of Analog Integrated Circuits" von Gray und Meyer verwiesen (2. Quartal 1984, veröffentlicht von John WILEY AND SONS).
  • Die von der ersten Stufe ausgehenden Ströme gelangen zum Beeinflussen des Schaltvorgangs an eine zweite differentielle npn-Stufe. Diese zweite Stufe enthält zwei emittergekoppelte Transistoren T&sub1; und T&sub2;, deren Kollektoren mit denen der Transistoren T&sub3; bzw. T&sub4; verbunden sind. Die miteinander verbundenen Emitter der Transistoren T&sub1; und T&sub2; sind mit einer ersten Stromquelle zur Lieferung eines Konstantstroms I&sub1; verbunden, die einen Transistor T&sub1;&sub0; enthält, dessen Basis ein vorgegebenes Potential U führt, dessen Kollektor mit den Emittern der Transistoren T&sub1; und T&sub2; verbunden ist, und dessen Emitter über einen Widerstand R&sub1;&sub0; an die Gleichtaktklemme angeschlossen ist. Die Basen der Transistoren T&sub1; und T&sub2; werden an eine Bezugsspannungsquelle VREF über die Widerstände R&sub1; und R&sub2; angeschlossen, deren Werte derart gewählt werden, daß die Differentialstufe symmetrisch ist (d.h. R&sub1; = R&sub2;, wenn Streuungen ignoriert werden). Eine steuerbare zweite Stromquelle, die einen Transistor T&sub2;&sub0; enthält, dessen Kollektor mit den Emittern der Transistoren T&sub1; und T&sub2; verbunden ist, und dessen Emitter an die Gleichtaktklemme über einen Widerstand R&sub2;&sub0; angeschlossen ist, wird von einem Logiksignal S&sub1; aus einem logischen Schaltkreis LC gesteuert. Wenn S&sub1; hoch ist, ist die zweite Stromquelle (R&sub2;&sub0;, T&sub2;&sub0;) aktiv und gibt einen Strom I&sub2; aus.
  • Die Differentialstufe (T&sub1;, T&sub2;) ist durch eine Stromquelle mit einem npn- Transistor T&sub3;&sub0; unsymmetrisch, dessen Kollektor an der Basis des Transistors T&sub1; liegt, dessen Emitter an die Gleichtaktklemme über einen Widerstand R&sub3;&sub0; angeschlossen ist und dessen Basis vom Signal , dem logischen umgekehrten Signal von S&sub1;, aus dem logischen Schaltkreis LC gesteuert wird. Wenn hoch ist, zieht die Stromquelle T&sub3;&sub0; einen Strom I&sub3;, der dafür sorgt daß das Basispotential des Transistors T&sub1; reduziert und der Transistor allmählich gesperrt wird. R&sub1;I&sub3; wird klein genug gewählt (etwa 300 mV), um zu gewährleisten, daß der Strom im Transistor T&sub1; ohne vollständiges Sperren des Transistors vernachlässigbar ist. Im symmetrischen Zustand der Differentialstufe ist der Transistor T&sub1; nicht mehr im gesättigten Betrieb. Das bedeutet also, daß eine Differentialstufe im wesentlichen in ihrem linearen Bereich arbeitet, wodurch die erforderliche Zeit zum Schalten zwischen dem ersten und dem zweiten Betreib optimiert wird. Offensichtlich kann T&sub1; zwischen seinem Sperrzustand und seinem gesättigten Zustand geschaltet werden, aber die Schaltzeit verlängert sich dadurch nicht, obgleich sie viel kürzer bleibt als die Schaltzeit eines pnp-Transistors.
  • Die Schaltung arbeitet weiter wie folgt. Wenn S&sub1; niedrig ist (erster Betrieb), fließt in T&sub2;&sub0; kein Strom. Die Differentialstufe (T&sub1;, T&sub2;) ist unsymmetrisch, so daß der Transistor T&sub1; sich in einem quasi-gesperrten Zustand befindet. Der Strom I&sub1; durchfließt den Transistor T&sub4; und daher den Transistor T&sub3;. Hierdurch verhält sich der Ausgang S wie eine Stromquelle zur Lieferung eines Stroms I&sub1;.
  • Wenn S&sub1; hoch ist (zweiter Betrieb), durchfließt T&sub2;&sub0; den Strom I&sub2;. Die Differentialstufe (T&sub1;, T&sub2;) ist symmetrisch, wodurch einerseits die Transistoren T&sub4; und T&sub2; von einem Strom [I&sub1;+I&sub2;]/2 durchflossen werden. Der Ausgang S liefert keinen Strom und steht in einem Hochimpedanzzustand. Also wird eine Stromquelle zur Lieferung eines Stroms (und mit einem pnp-Transistor) nur durch Schalten von npn-Transistoren umgeschaltet. Wenn I&sub2; = I&sub1; ist, ändert sich der Strom in den Zweigen des Stromspiegels nicht. Daher ist keine Zeit erforderlich zum Aufbauen des Stroms im Stromspiegel. Wenn keine zweite Stromquelle zur Lieferung des Stroms I&sub2; vorliegt, geht die Schaltzeit durch die erforderliche Zeit zurück, die der Strom des Stromspiegels zum Absinken auf seinen halben Wert benötigt, d.h. eine Schaltzeit entsprechend der von pnp-Transistoren. I&sub2; ermöglicht es, die Transistoren T&sub3; und T&sub4; mit einem Konstantstrom arbeiten zu lassen.
  • Wenn ein Dreizustände-Stromgenerator erforderlich ist, kann an den Ausgang S eine steuerbare Stromquelle vom npn-Typ angeschlossen werden, die in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in den Stromversorgungszustand (Strom I&sub4;) gebracht werden kann, wenn der Generator im Hochimpedanzbetrieb (zweiter Betrieb) steht.
  • Die Stromquelle enthält einen Transistor T&sub4;&sub0;, dessen Basis vom Signal S&sub1; gesteuert wird und dessen Emitter an die Gleichtaktklemme über einen Widerstand R&sub4;&sub0; angeschlossen ist. Der Kollektor des Transistors T&sub4;&sub0; ist mit einem Differentialschaltkreis verbunden, der von einem Signal aus dem logischen Schaltkreis LC gesteuert wird, wobei das Signal niedrig ist (d.h. S&sub2; = S&sub1;), um den dritten Betrieb zu aktivieren (nur wenn S&sub1; = 1 ist).
  • Der Differentialschaltkreis enthält zwei Transistoren T&sub4;&sub1; und T&sub4;&sub2;, deren Emitter mit einander und mit dem Kollektor des Transistors T&sub4;&sub0; verbunden sind. Eine Bezugsspannung V'REF gelangt an die Basis des Transistors T&sub4;&sub1;, dessen Kollektor mit dem Ausgang S verbunden ist. Das Signal , das das logische invertierte Signal von S&sub2; ist, gelangt an die Basis des Transistors T&sub4;&sub2;, dessen Kollektor mit der Speisespannungsquelle Vcc verbunden ist. Wenn S&sub1; = 0 ist, ist die Stromquelle (R&sub4;&sub0;, T&sub4;&sub0;) außer Betrieb und außerdem ist S&sub2; = 0, so daß T&sub4;&sub1; gesperrt wird. Wenn S&sub1; = 1 ist, fließt ein Strom I&sub4; in der Stromquelle (T&sub4;&sub0;, R&sub4;&sub0;). Wenn S&sub2; = 0 ist, leitet T&sub4;&sub2; und der Strom I&sub4; durchfließt diesen Transistor. Wenn S&sub2; = 1 ist, ist T&sub4;&sub2; gesperrt, T&sub4;&sub2; leitet und der Generator verhält sich als Stromquelle zum Ziehen eines Stroms I&sub4;. Es ist möglich, I&sub4; = I&sub1; zu wählen. Wenigstens eine der steuerbaren Stromquellen kan digital gesteuert werden. Das bedeutet, daß sie aus einem Digital/Analog-Wandler mit npn-Transistoren aufgebaut sein kann und einen Stromausgang hat. Dies ermöglicht es, eine Anzahl von Nennstrompegeln zu erhalten, beispielsweise für ein adaptives System (Schnellschalten zwischen den Zuständen und langsame Änderung der Nennstrompegel).
  • Fig. 2 unterscheidet sich von Fig. 1 darin, daß die Basis des Transistors T&sub4;&sub0; mit dem Ausgang 1 des logischen Schaltkreises LC verbunden ist, und I&sub4; im wesentlichen gleich 2I&sub1; gewählt wird, wenn der gelieferte Strom und der absorbierte Strom gleich sein sollen. Im Hochimpedanzzustand (S&sub1; = 1, 1 = 0) ist die Stromquelle (R&sub4;&sub0;, T&sub4;&sub0;) außer Betrieb. Im anderen Zustand entsprechend S&sub1; = 0 ( 1 = 1) steuert das Signal 2 einen Stromausgabezustand ( 2 = 0), in dem S den Strom I&sub1; liefert, oder einen Stromabsorptionszustand ( 2 = 1), in dem S den Strom I&sub4;-I&sub1; I&sub1; absorbiert.
  • Die Erfindung, und insbesondere die Dreizuständeabwandlung, bezieht sich insbesondere auf ein Pegelverriegelungssystem, das das Laden und Entladen (vorzugsweise mit einem Strom desselben absoluten Werts) oder den statischen Zustand eines kapazitiven Elements benutzt, insbesondere für einen Fernseh-Tuner TV (Verriegelschaltung).
  • Es sei bemerkt, daß zum Erhalten der Ströme I&sub2; und I&sub4; mit verschiedenen Werten (Fig. 1) oder der Ströme I&sub3; und I&sub4; mit verschiedenen Werten (Fig. 2) mit gleichen Basisspannungen der entsprechenden Transistoren es lediglich erforderlich wird, diese Transistoren verschieden zu bemessen (T&sub2;&sub0; und T&sub4;&sub0; für Fig. 1, T&sub3;&sub0; und T&sub4;&sub0; für Fig. 2).
  • Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die beschriebenen oder hier dargestellten Ausführungsbeispiele. So können mehrere steuerbare Stromquellen mit dem Kollektor des Transistors T&sub1; verbunden werden, beispielsweise zum Verwirklichen eines Mehrpegelstromgenerators (positive, negative oder Nullpegel), oder für denselben Zweck kann die steuerbare Stromquelle in Verbindung mit dem Kollektor des Transistors T&sub1; eine Anzahl von Strompegeln haben (LC kann mehrere Spannungspegel an die Basis von T&sub4;&sub0; legen).

Claims (8)

1. Integrierte Schaltung mit einem schaltbaren Stromquellengenerator mit wenigstens einem ersten Stromversorgungszustand und einem zweiten Hochimpedanzzustand, und dieser Generator enthält eine erste Stufe mit einem Stromspiegel (T&sub3;, T&sub4;) mit einer ersten und einem zweiten Zweig, die einen ersten und einen zweiten Strom im wesentlichen mit derselben Stärke liefern, und eine zweite differentielle Stufe mit einem ersten (T&sub1;) und einem zweiten Transistor (T&sub2;) vom npn-Typ enthält, deren Emitter miteinander und mit einer ersten Stromquelle zum Ausgeben eines Stroms mit vorgegebener Größe verbunden sind und deren Kollektoren mit dem ersten bzw. dem zweiten Zweig des Stromspiegels verbunden sind, der Kollektor des ersten Transistors einen Ausgang des schaltbaren Stromgenerators bildet, daß er ebenfalls eine steuerbare zweite Stromquelle (R&sub2;&sub0;, T&sub2;&sub0;) mit im wesentlichen dieselbe Stärke wie die erste Stromquelle und mit einem dritten Transistor vom npn-Typ enthält, der mit den Emittern der ersten und zweiten Transistoren verbunden ist, die zweite Stromquelle einen Stromversorgungszustand und einen betriebslosen Zustand hat, daß er außerdem einen Schaltkreis (LC) enthält, der derart aufgebaut ist, daß im ersten Zustand die zweite Stromquelle (R&sub2;&sub0;, T&sub2;&sub0;) in den betriebslosen Zustand gebracht wird und die zweite Stufe derart unsymmetrisch gemacht wird, daß der erste Transistor (T&sub1;) im wesentlichen gesperrt bleibt, und im zweiten Betriebszustand die zweite Stromquelle (R&sub2;&sub0;, T&sub2;&sub0;) in den Stromversorgungszustand und die zweite Stufe in den Gleichgewichtszustand gebracht wird.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basen des ersten und des zweiten Transistors mit einer Bezugsspannungsquelle (VREF) über einen ersten (R&sub1;) bzw. einen zweiten Widerstand (R&sub2;) verbunden sind, daß der Generator eine steuerbare dritte Stromquelle vom npn-Typ in Verbindung mit der Basis des ersten Transistors (T&sub1;), einen Stromversorgungszustand und einen betriebslosen Zustand enthält, und daß der Schaltkreis (LC) ein Mittel zum Steuern der dritten Stromquelle zum Setzen dieser Stromquelle in ihren Stromversorgungszustand im ersten Betrieb und in ihren betriebslosen Zustand im zweiten Betrieb enthält.
3. Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Dreizuständebetrieb der steuerbare Schaltkreis vom npn-Typ eine vierte Stromquelle (R&sub4;&sub0;, T&sub4;&sub0;) mit einem Stromversorgungszustand und einem betriebslosen Zustand in Verbindung mit dem Kollektor des ersten Transistors (T&sub1;) enthält.
4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis derart ausgelegt ist, daß in der dritten Betriebsart die zweite (R&sub2;&sub0;, T&sub2;&sub0;) und die vierte Stromquelle (R&sub4;&sub0;, T&sub4;&sub0;) sich im Stromversorgungszustand befinden und die zweite Stufe symmetrisch ist.
5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom der vierten Stromquelle (R&sub4;&sub0;, T&sub4;&sub0;) im wesentlichen gleich dem Strom der ersten Stromquelle (R&sub1;&sub0;, T&sub1;&sub0;) ist.
6. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Schaltkreis derart ausgelegt ist, daß im dritten Zustand die zweite Stromquelle im betriebslosen Zustand steht, daß die zweite Stufe im unsymmetrischen Zustand steht, unddaß die vierte Stromquelle (R&sub4;&sub0;, T&sub4;&sub0;) im Stromversorgungszustand steht.
7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom der vierten Stromquelle (R&sub4;&sub0;, T&sub4;&sub0;) im wesentlichen gleich dem doppelten Stromwert der ersten Stromquelle (R&sub1;&sub0;, T&sub1;&sub0;) ist.
8. Schaltung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine steuerbare Stromquelle ein Digital/Analogwandler mit npn-Transistoren und mit einem Stromausgang ist.
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