DE69221999T2

DE69221999T2 - Bezugsstromschleife

Info

Publication number: DE69221999T2
Application number: DE69221999T
Authority: DE
Inventors: Leeuwen Gerrit Hendrik Van
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1991-11-25
Filing date: 1992-11-18
Publication date: 1998-03-05
Anticipated expiration: 2012-11-19
Also published as: SG44015A1; EP0544360A3; KR930010834A; EP0544360B1; JPH05224761A; EP0544360A2; US5341087A; DE69221999D1

Description

Die Erfindung hezieht sich auf eine Bezugsstromschleife. In der Elektronik passiert es oft, daß eine Anzahl integrierter Schaltungen (IC) verwendet werden, um eine bestimmte elektronische Funktion zu verwirklichen. Dies ist beispielsweise der Fall bei Reihen- und Parallel-Treiberschaltungen für Flüssigkristall-Wiedergabeanordnungen (LCD), die gruppenweise in einer Anzhl ICs untergebracht sind. Für eine einwandfreie Wirkung der Treiberschaltungen ist es erforderlich, daß in allen Endstufen dieser Treiberschaltungen derselbe Ruhestrom fließt. Jede IC enthält eine oder mehrere Endstufen, die mit demselben Ruhestrom versehen werden können, und zwar mit Hilfe eines Stromspiegels, dessen Eingangsstrom mit Hilfe eines Widerstands oder einer anderen Impedanz dadurch bestimmt wird, daß eine bekannt genaue Spannung zu einem Strom umgewandelt wird. Die bekannte genaue Spannung wird über alle ICs verteilt und ist folglich für alle ICs gleich. Durch Fertigungstoleranzen in dem Widerstand (oder in der anderen Impedanz) sind die resultierenden Eingangsströme der Stromspiegel in den jeweiligen ICs nicht gleich. Die Folge ist, daß die Ruheströme in den Endstufen von IC zu IC abweichen und je IC eine Nachregelung des Eingangsstroms erforderlich ist.
Dieses Toleranzproblem tritt im allgemeinen auf bei Gruppen von ICs, bei denen ein wichtiges Leistungsmerkmal durch den Wert eines Stromes bestimmt wird.
Die Erfindung hat nun zur Aufgabe, eine Lösung für dieses Toleranzproblem zu schaffen.
Nach der Erfindung wird dazu eine Bezugsstromschleife geschaffen, wie diese in Anspruch 1 defmiert ist. Vorteilhafte Ausftlhrungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß alle ICs in eine geschlossene Stromschleife aufgenommen werden, in der ein Bezugsstrom fließt. Dieser für alle ICs gleiche Strom wird in jeder IC mit Hilfe der ersten Impedanz, die in einer bevorzugten Ausfbuungsform als Widerstand ausgebildet ist, in eine Spannung umgewandelt. Die Spannung an der ersten Impedanz wird in dem Spannung-Stromwandler in einen Ausgangsstrom umgewandelt, dessen Größe durch den Wert der zweiten Impedanz, die vorzugsweise wieder ein Widerstand ist, und durch die Spannung an der ersten Impedanz bestimmt wird. Der Ausgangsstrom des Spannung-Stromwandlers ist auf diese Weise dem Verhältnis der Impedanzwerte der zweiten und der ersten Impedanz proportional. In der IC- Technologie läßt sich das Verhältnis der Werte zweier Impedanzen, wie Widerstände, Kondensatoren und Transistorübergänge, in dem Entwurf einer IC sehr genau bestimmen. Die Größe des Ausgangsstromes des Spannung-Stromwandlers hat deswegen ein vorher sehr genau bestinimbares Verhältnis zu der Größe des Bezugsstromes, der in der Bezugsstromschleife fließt. Der Ausgangsstrom fließt in den Eingangszweig des Stromspiegels, dessen Spiegelfaktor bekanntlich in dem Entwurf einer IC ebenfalls sehr genau bestimmbar ist. Der in dem Ausgangszweig bzw. in den Ausgangszweigen fließende Strom hat also ebenfalls einen Wert, der in einem genau vorher zu bestimmenden Beziehung zu dem Bezugsstrom steht.
Auf diese Weise wird erreicht, daß die Ströme in den Ausgangszweigen der jeweiligen ICs einander sehr genau entsprechen. Diese Ströme können als Ruhestrom in den Endstufen der obengenannten LCD-Treiberschaltungen wirksam sein. Sie sind selbstverständlich auch für viele andere Zweche geeignet, wobei es sich um ein stromabhängiges Leistungsmerkmal handelt. Beispielsweise bei Vielkanal-Digital-Analog-Umwandlung mit einer Anzahl Digital-Analog-Wandler, die in einzelnen ICs untergebracht sind und deren Wirkung auf der Addierung von strömen beruht, die eine binär gewichtete Reihe gegenüber einem Bezugsstrom bilden.
Die erfindungsgemäße Bezugsstromschleife bietet den weiteren Vorteil, daß das stromabhängige Leistungsmerkmal aller ICs ind er Schleife durch Änderung nur eines Stromes, und zwar durch Änderung des Bezugsstromes gändert werden kann. Einzelne Voreinstellungenje IC sind nicht notwendig für einen guten Gleichlauf (Tracking) zwischen ICs.
In US-A-3.731.181 wird ein Digital-Analog-Wandler mit dem Problem, daß die absoluten Werte von Widerständen in der Widerstandsschlatung sich kaum regeln lassen, aber ihre Verhältnisse können einfach gemacht werden, wenn der Digital-Analog- Wandler integriert ist. Weiterhin wird eine Stromquelle beschrieben, die aus einer konstanten Eingangsspannung und einem einzigen Widerstand einen konstanten Strom erzeugt, so daß der Strom unabhängig ist von den den Speisebussen zugeführten Spannungen.
In "IEEE transactions on instrumentation and measurement", Heft 39, Nr.1 Februar 1990, New York, USA, Seiten 42 bis 47, XP000101408, Owen Laug: "A highcurrent very wide-band transconductance amplifier", ist ein sehr breitbandiger Hochstrom- Transkonduktanz-Verstärker mit einem Differenzspannung-Stromwandler zum Steuern parallelgeschalteter Stromspiegelzellen dargestellt. Die Zellen haben keinen Differenzeingang mit zwei Eingangsklemmen, zwischen denen eine Eingangsimpedanz vorgesehen ist, die mit Eingangsimpedanzen anderer ICs in Reihe geschaltet ist zum Empfangen eines Bezugsstroms.
In "IEEE transactions on instrumentation and measurements" Heft IM-39, Nr.3 September 1980, New York, USA, Seiten 212 und 213, J. Haslett und M. Rao:"A Precision Controlled Current Source", ist ein Spannung-Stromwandler mit Operationsverstärkern und Transistoren, deren Basis-Elektrode mit einem Ausgang eines Operationsverstärkers verbundne ist, dargestellt. Dieses Dokument zeigt nicht einen Spannung-Stromwandler mit einem Differenzeingang mit zwei Eingangsklemmen, zwischen denen eine Eingangsimpedanz vorgesehen ist, die mit Eingangsimpedanzen anderer ICs reihengeschaltet ist, zum Empfangen eines Bezugsstromes.
Die Bezugsstromquelle nach der Erfmdung verursacht einen Spannungsabfall an ersten Impedanzen. Die absolute Spannung an den ersten und zweiten Bezugsstromklemmen ist also jede IC aus der Gruppe verschieden. Dies kann die Anzahl ICs, die in der Bezugsstromschleife in Reihe geschaltet werden können, beschränken. Um diesen Nachteil auszuschalten ist eine Ausführungsform eines Spannung-Stromwandlers ausgebildet wie in Anspruch 2 definiert.
Der Spannung-Stromwandler in der erfmdungsgemäßen Bezugsstromschleife ist deswegen als schwebender Wandler ausgebildet. Dadurch kann jedes IC an einer beliebigen Stelle in die schleife aufgenommen werden. Dadurch wird der Ausgangsstrom des Spannung-Stromwandlers ebenfalls aus einer für jedes IC anderen absoluten Spannung geliefert. Dadurch, daß man diesen Ausgangsstrom durch den Eingangszweig des Stromspiegels fließen läßt, werden in dem Ausgangszweig Ströme auf einem Absolutspannungspegel verfligbar, der für alle ICs derselbe ist.
Die Eingänge der Operationsverstärker ziehen einen vernachlässigbaren Strom und belasten daher die Ströme, die durch die erste und zweite Impedanz fließen, fast nicht. Dadurch wird erreicht, daß insbesondere der Bezugsstrom für alle ICs gleich ist.
Ausführunsgsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform einer Bezugsstromschleife nach der Erfindung, und
Fig. 2 einen alternativen Spannung-Stromwandler zum gebrauch in einer erfindungsgemäßen Bezugsstromschleife.
In der Zeichnung sind Elemente oder Bauteile mit derselben Funktion durch dieselben Bezugszeichen angegeben.
In Fig. 1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bezugsstrom schleife dargestellt. Die dargestellten Transistoren sind bipolar, wobei die Basis-Elektrode der Steuer-Elektrode entspricht, wobei die Emitter-Elektrode der ersten Hauptelektrode und die Kollektor-Elektrode der zweiten Hauptelektrode des Transistors entspricht. Statt bipolarer Transistoren lassen sich auch unipolare Transistoren berwendet, wobei dann die Steuerelektrode, die erste Hauptelektrode und die zweite Hauptelektrode der Gate-Elektrode, der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode des unipolaren Transistors entspricht. Die Schleife umfaßt eine Gruppe integrierter Schaltungen (ICs), von denen beispielsweise drei Stück dargestellt sind, bezeichnet durch 1, 2 und 3, und eine Bezugsstromquelle 4, die einen Bezugsstrom Iref liefert. Von dem IC 1 sind zur Erläuterung wichtige Teile eingezeichnet. Die übrigen ICs entsprechen dem IC 1 und sind nur symbolisch angegeben. IC 1 umfaßt eine erste Bezugsstromklemme 5 und eine zweite Bezugsstromklemme 6. An diese Bezugsstromklemmen 5 und 6 ist eine erste Impedanz 7 angeschlossen. Die Impedanz 7 ist vorzugsweise ein Widerstand, aber ein Kondensator, eine Anzahl Transistorübergänge und eine Kombination der genannten Elemente ist auch möglich. Das IC 1 umfaßt weiterhin einen schwebenden Spannung-Stromwandler 8, der aus einem ersten Operationsverstärker 9, der mit einem nicht-invertierenden Eingang 10, einem invertierenden Eingang 11 und einem Ausgang 12 versehen ist, einem zweiten Operationsverstärker, der mit einem nichtinvertierenden Eingang 14, einem invertierenden Eingang 15 und einem Ausgang 16 versehen ist, einem ersten NPN-Transistor 17, einem zweiten PNP-Transistor 18 und einer zweiten Impedanz 19 besteht, die der Impedanz 7 ähnlich ist. Die nicht-invertierenden Eingänge 10 und 14 sind mit den Bezugsstromklemmen 5 bzw. 6 verbunden. Die invertierenden Eingänge 11 und 15 sind mit den Emitter-Elektroden des ersten Transistors 17 bzw. zweiten Transistors 18 verbunden. Die zweite Impedanz 19 liegt zwischen den Emitter-Elektroden des ersten Transistors 17 und des zweiten Transistors 18. Die Ausgänge 12 und 16 sind mit der Basis-Elektrode ds ersten Transistors 17 bzw. zweiten Transistors 18 verbunden, wobei die Kollektor-Elektroden dieser Transistoren die Ausgänge 24 bzw. 25 des Spannung-Stromwandlers 8 bilden.
Das IC 1 enthält weiterhin eine PNP-Stromspiegelschaltung 20, deren Eingangszweig durch einen als Diode geschalteten PNP-Transistor 21 und deren Ausgangszweig durch den PNP-Transistor 22 gebildet wird. Die Emitter-Elektroden der Transistoren 21 und 22 sind mit einer positiven Spannung VP verbunden. Die Kollektor-Elelttrode des ersten Transistors 17 ist mit der Kollektor-Elektrode des Transistors 21 verbunden, so daß der Ausgangsstrom 10 des Spannung-Stromwandlers durch den Eingangszweig des Stromspiegels 20 fließt. Die Basis-Emitteröbergänge der Transistoren 21 und 22 sind parallelgeschaltet. Der Stromspiegel 20 liefert einen Strom I1, der dem Kollektor ddes Transistors 22 entnommen werden kann. Von dem Stromspiegel 20 ist nur der Ausgangszweig dargestellt. Mit noch mehr Transistoren, die auf ähnliche Weise wie der Transistor 22 eingeschlossen sind, können Ausgangszweige hinzugefügt werden.
Die Kollektor-Elektrode des zweiten Transistors 18 ist mit dem Eingangszweig eines NPN-Stromspiegels 23 verbunden, der auf ähnliche Weise aufgebaut ist wie der Stromspiegel 20 und wobei der Ausgangszweig einen Strom I2 liefert. Gewünschtenfalls kann einer der Stromspiegel 20, 23 fortfallen. In dem Fall muß der be treffende Kollektor des ersten Transistors 17 oder des zweiten Transistors 18 mit der positiven Spannung VP oder der negativen Spannung VN verbunden werden.
Der Bezugsstrom Iref verursacht an der ersten Impedanz 7 einen Spannungsabfall, der von dem Spannung-Stromwandler in einen gleich großen Spannungsabfall an der zweiten Impedanz 19 umgewandelt wird. Die Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen der Operationsverstärker 9 und 13 ist nämlich gering. Der Ausgangsstrom 10 des Spannung- Stromwandlers ist dem Wert Iref proportional. Die Proportionalität wird bestimmt durch das Verhältnis des Impedanzwertes der ersten Impedanz 7 zu dem der zweiten Impedanz 19. Da in der IC-Technologie das verhältnis der Impedanzwerte genau bestimmt werden kann, ist das Verhältnis zwischen dem Strom 10 und dem Bezugsstrom Iref ebenfalls genau bestimmt. Die Spiegelfaktoren der Stromspiegel 20 und 23 können, bekanntlich, ebenfalls sehr genau gemacht werden. Das Ergebnis ist, daß es zwischen den Strömen I1 und Iref und zwischen den Strömen I2 und Iref eine genaue Beziehung gibt. Wenn die ICs identisch sind, werden diese Beziehungen für alle ICs gleich sein, so daß der Strom I1 und der Strom I2 in allen ICs untereinander nahezu gleich groß sind. Dadurch, daß der Strom Iref der Bezugsstromquelle 4 variabel gemacht wird, können die Ströme I1 und I2 aller ICs mit nur einer Einstellung geändert werden.
Der Schleifenstrom Iref fließt von dem einen IC zu dem anderen IC. Ein IC darf dem Schleifenstrom keinen Strom entziehen. Dies wird erreicht durch Verwendung der Operationsverstärker 9, 13, demen nicht-invertierende Eingänge die Bezugsstromklemmen und 6 nahezu nicht belasten.
Die Ströme I1 und/oder I2 können fur viele Zwecke benutzt werden. Beispielsweise als Ruhestrom für eine Endstufe einer Treiberschaltung einer LCD-Wiedergabeanordnung oder als Bezugsstrom für einen Digital-Analog-Wandler mit Stromquellen.
Fig. 2 zeigt einen alternativen Spannung-Stromwandler 8. Der invertierende Eingang 31 und der nicht-invertierende Eingang 32 eines Operationsverstärkers 30 werden mittels Widerstände 33 und 34 mit den Bezugsstromklemmen 5 bzw. 6 verbunden, wobei über diese Klemmen die erste Impedanz vorgesehen ist. Der invertierende Eingang 31 ist über einen Widerstand 35 mit dem Ausgang 36 des Operationsverstärkers 30 verbunden. Der Ausgang 36 ist weiterhin mittels einer zweiten Impedanz 19 mit einem Ausgang 37 verbunden, der über einen Widerstand 38 mit dem nicht-invertierenden Eingang 32 verbunden ist. Der Ausgangs 37 liefert dem Eingangszweig eines (nicht dargestellten) Stromspiegels den Strom 10. Die Widerstände 34, 38, 33 und 35 haben die Werte R1, R2, R3 bzw. R4. Die Spannung an der ersten Impedanz (7) ist Uin. Wenn R2/R1 = R4/R3 ist, dann ist 10 = Uin/z*R2/R1, wobei Z der Wert der zweiten Impedanz 19 ist. Auf diese Weise ist der Ausgangsstrom 10 eine Funktion der Eingangsspannung Uin.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die dargestellten Ausführungsformen. Bipolar-Transistoren lassen sich, entweder völlig oder teilweise, durch Unipolar- Transistoren ersetzten. Die dargestellten Stromspiegel 20 und 23 lassen sich durch fortschrittlichere und genauere Stromspiegel ersetzen, die an sich aus der Fachliteratur bekannt sind.

Claims

1. Bezugsstromschleife mit:

einer Bezugsstromquelle (4), die einen Bezugsstrom (Iref) liefert;

einer Gruppe von wenigstens zwei integrierten Schaltungen (1, 2, 3), mit je:

- einer ersten (5) und einer zweiten (6) Bezugsstromklemme,

- einer ersten (7) Impedanz, die über die erste (5) und die zweite (6) Bezugsstromklemme verbunden ist,

- einer zweiten Impedanz (19) von demselben Typ wie die erste Impedanz (7) und mit einem Impedanzwert, der in einem vorbestimmten Verhältnis zu dem Impedanzwert der ersten Impedanz (7) steht,

- einem Spannung-Stromwandler (8) mit:

- einem Eingang (10,14) zum Empfangen einer Spannungsdifferenz, die zwischen der ersten und der zweiten Bezugsstromklemme (5, 6) auftritt und mit

- einem Ausgang (24, 25) zum Liefern eines Ausgangsstroms (10), der zu dem Bezugsstrom (Iref) proportional ist, wobei die Proportionalität durch das Verhältnis des Impedanzwertes der ersten Impedanz (7) zu dem Impedanzwert der zweiten Impedanz (19) bestimmt wird,

- einer Stromspiegelschaltung (20) mit einem Eingangszweig und wenigstens einem Ausgangszweig (22), wobei der Eingangszweig (21) mit dem Ausgang (24) des Spannung-Stromwandlers (8) gekoppelt ist;

Mitteln zur gegenseitigen Kopplung der ersten (5) und de zweiten (6) Bezugsstromklemme der integrierten Schaltungen (1, 2, 3), wobei die betreffenden ersten Impedanzen (7) der integrierten Schaltungen eine Reihenschaltung bilden, und

Mitteln zur Kopplung der Bezugsstromquelle (4) mit der Reihenschaltung.

2. Bezugsstromschleife nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannung-Stromwandler (8) die nachfolgenden Elemente aufweist:

- einen ersten und einen zweiten Operationsverstärker (9, 13) mit je einem Eingang (11, 15), einem nicht-linearen Eingang (10, 14) und einem Ausgang (12, 16), wobei der nicht-lineare Eingang (10, 14) des ersten und des zweiten Operationsverstäkers (9, 13) mit der ersten bzw. zweiten Bezugsstromklemme (5, 6) gekoppelt ist

- einen ersten und einen zweiten Transistor (17, 18) mit je einer Steuerelektrode, einer ersten Hauptelektrode und einer zweiten Hauptelektrode, wobei die Steuerelektrode des ersten und des zweiten Transistors (17, 18) mit dem Ausgang (12, 16) des ersten bzw. zweiten Operationsverstärkers (9, 13) gekoppelt ist, wobei die erste Hauptelektrode des ersten und des zweiten Transistors (17, 18) mit dem invertierenden Eingang (11, 15) des ersten bzw. zweiten Operationsverstärkers (9, 13) gekoppelt ist, und wobei die erste Hauptelektrode des ersten und des zweiten Transistors über die zweite Impedanz (19) miteinander gekoppelt sind,

wobei der Eingangszweig (21) mit einer durch den ersten und den zweiten Transistor (17, 18) sowie die zweite Impedanz (19) gebildeten Stromstrecke (10) verbunden ist.

3. Bezugsstromschleife nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste (7) und die zweite Impedanz (19) Widerstände sind.