EP1310850A2 - Umschaltbare Stromquelle - Google Patents
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- EP1310850A2 EP1310850A2 EP02015758A EP02015758A EP1310850A2 EP 1310850 A2 EP1310850 A2 EP 1310850A2 EP 02015758 A EP02015758 A EP 02015758A EP 02015758 A EP02015758 A EP 02015758A EP 1310850 A2 EP1310850 A2 EP 1310850A2
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- European Patent Office
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- current
- potential
- current source
- controlled mode
- voltage
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- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
- G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
- G05F1/10—Regulating voltage or current
- G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is DC
- G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is DC using semiconductor devices in series with the load as final control devices
Definitions
- the present invention relates to a power source between one current controlled and one voltage controlled Mode is switchable.
- Such power sources have a variety of uses, for example in connection with digital / analog converters.
- the switchable current source In current controlled mode, the switchable current source a current Iref is fed through a current mirror to other circuit parts on an integrated circuit passes.
- the present invention is therefore based on the object one between a current controlled mode and a voltage controlled one Mode to create switchable power source that works stably under all circumstances and with a minimal Number of housing connections is sufficient.
- the switching threshold of the comparator a value, by which under all circumstances it can be ensured that those controlled by the comparator Switches are operated so that the power source in the current controlled mode works when in current controlled Mode should work, and that the power source is voltage controlled Mode works when in voltage controlled Mode should work.
- the switchable power source described below is Part of an integrated circuit. However, it should illuminate that the power source also on any other Way is feasible.
- the transistor T1 is arranged so that it interacts with one connected to the output terminal KC another transistor forms a current mirror through which is caused that the current flowing through the transistor T1 in the other connected to the output connection KC Transistor is mirrored.
- the transistor T1 is a P-channel MOSFET, whose source connection with the positive pole VDD Supply voltage is connected.
- it can also be a PNP bipolar transistor take its place depending on the used for the implementation of the integrated circuit Process technology.
- the controllable switches S1 and S2 ensure that that the transistor T1 in the voltage-controlled mode by the Output signal OA of the operational amplifier OP driven is, and in the current-controlled mode by the at the drain connection of the transistor T1 adjusting voltage driven becomes.
- the switches S1 and S2 themselves become dependent on the output signal CA of the comparator COMP controlled.
- the reference voltage Vref is selected so that the output CA of the comparator COMP assumes a state in which the controlled one Switch S1 is closed and the controlled one Switch S2 is open; the reference voltage Vref must be considered Example of this above the switching threshold of Comparator COMP lie.
- the operational amplifier OP With the closed switch S1 and the open switch S2 becomes the operational amplifier OP so that a voltage is present across resistor R. sets the ideally against the voltage at terminal KB the reference potential corresponds to GND.
- switch S1 opens in current-controlled mode the operational amplifier OP has no influence the conditions at terminal KC; this are exclusively from the reference current supplied to terminal KA Iref determined.
- a comparator COMP whose inner switching threshold close to that in the current controlled Mode applied to the terminal KB, in the considered Example, for example, some 100 mV above GND lies.
- Such a comparator is in the current-controlled Potential applied to terminal KB (GND) in the state that he must have in order for him (through a corresponding control of switches S1 and S2) Power source placed in the current controlled mode, and on the other hand through the in voltage controlled mode to the Terminal KB applied potential (Vref) set in the state which he must hold so that he (by means of an appropriate control the switches S1 and S2) the current source in the voltage controlled mode.
- GND current-controlled Potential applied to terminal KB
- Vref Terminal KB applied potential
- the switching threshold is some 100mV below VDD.
- the small switching thresholds used can be in comparator circuits achieved through a deliberately built-in asymmetry but also the use of transistor switching thresholds is conceivable what the circuitry for the comparator (this will be explained later with reference to the figure 2 explained in more detail).
- the KB terminal is connected to GND, this is the case the terminal KB applied potential in any case far below the potential at terminal KA, which is due to the im current controlled mode closed controllable switch S2 is identical to the potential at terminal KC.
- This results results from the higher supply potential VDD minus the gate source voltage or the base-emitter voltage of the transistor T1 and is in any case significantly above the supply potential GND.
- the plus is located Input of the operational amplifier OP at a much higher level Potential as its input marked with minus and the The output of a suitable operational amplifier is then reliable at a stable maximum value and moves Not.
- Figure 2 shows an example of a practical implementation of the Circuit according to Figure 1 in a CMOS process.
- CMOS process For this too Example applies that by swapping the supply voltage terminals VDD, GND and n-channel MOSFETs through p-channel MOSFETs a complementary circuit can be derived.
- the operational amplifier OP is by transistors T2 to T6 realized, and the comparator COMP by transistors T7 and T8, which are connected as shown in Figure 2.
- the controllable switches S1 and S2 are made by p-channel MOS-FETs realized whose gate connections with the signals CA (Switch S1) or CA ⁇ (switch S2) are connected.
- a resistor Rc and a series resistor Capacitor Cc are used for compensation the frequency response of the control loop that arises when switch S1 is closed and switch S2 is open is, that is, in the voltage-controlled mode of the power source.
- the comparator COMP is a simple circuit, because there is no high accuracy of the switching threshold Value is placed.
- the switching threshold is essentially by the threshold voltage of the transistor T7 and its Given process amplification, and by a current Ic, the it is supplied via transistor T8.
- Whose gate connection G8 has a suitable potential Vbp for this connected so that transistor T8 has a defined drain current Ic delivers.
- transistor T3 When transistor T7 turns off, transistor T3 also turns off the differential stage T3 / T4 of the operational amplifier. consequently flows the supplied to the differential stage via the foot power source T2 Bias current Ib from a potential Vbn at the gate terminal G2 of the transistor T2 is completely dependent on the transistor T4 on the current mirror T5, T6. Because the transistor T3 blocks, turns at the output OA of the operational amplifier a potential VDD. Fluctuations of this output due to the negative feedback being switched off locked out.
- the accuracy of Iref essentially depends on the offset voltage of the operational amplifier, which is why the Reference voltage Vref should preferably be chosen so that the amount is much larger than the offset voltage.
- Vref can the built-in threshold voltage of the comparator never be chosen small, so that a practice-typical offset voltage of a few 10 mV is not so important.
- the series connection off the resistor Rc and the capacitor Cc cause miller compensation of the entire control loop and is appropriate Sizing able for stability any gain value in practice F guarantee.
- This dimensioning is from theory of the so-called mill-compensated operational amplifier as known to presuppose.
- the dynamic behavior of the circuit is essentially the steepness of the transistors T3, T4 in the operational amplifier and the value of the Capacitor Cc and foot current Ib, and not from Gain factor F.
- Vbn and Vbp are suitable for generating the gate potentials a variety of bias circuits, such as the bias circuit from Wai-Kai Chen: “The Circuit and Filters Handbook", CRC Press 1995, Figure 57.56, page 1686.
- the gate potentials Vbn and Vbp can be connected directly to the gates of the corresponding p-channel and n-channel current mirror of this bias circuit be removed.
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Abstract
Die beschriebene Stromquelle ist eine Stromquelle, die zwischen
einem stromgesteuerten Modus und einem spannungsgesteuerten
Modus umschaltbar ist. Durch eine besondere Ansteuerung
der Stromquelle wird erreicht, daß diese bei nur zwei Eingangsanschlüssen
unter allen Umständen ordnungsgemäß und stabil
arbeitet.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromquelle, die zwischen
einem stromgesteuerten und einem spannungsgesteuerten
Modus umschaltbar ist.
Solche Stromquellen finden eine Vielzahl von Anwendungen,
beispielsweise im Zusammenhang mit Digital/Analog-Wandlern.
Im stromgesteuerten Modus wird der umschaltbaren Stromquelle
ein Strom Iref zugeführt, den diese über einen Stromspiegel
an weitere Schaltungsteile auf einem integrierten Schaltkreis
weitergibt. Im spannungsgesteuerten Modus wird der umschaltbaren
Stromquelle eine Referenzspannung Vref zugeführt, den
diese über einen Widerstand R in einen Referenzstrom Iref =
Vref / R umsetzt, und auch dieser Strom wird über den Stromspiegel
an die weiteren Schaltungsteile des integrierten
Schaltkreises weitergegeben.
Diese beiden Modi werden besonders häufig bei Videobausteinen
für den Consumermarkt gefordert, um Fernseherherstellern eine
größere Flexibilität in der Grundeinstellung der Bildinformationsausgänge
für die RGB-Signale zu geben.
Eine hierfür geeignete Schaltungsanordnung ist aus der US
4,814,688 bekannt. Die dort beschriebene Schaltungsanordnung
weist jedoch den Nachteil auf, daß bei ihr im stromgesteuerten
Modus ein Operationsverstärker nicht mehr gegengekoppelt
ist, was Fluktuationen seines Ausgangs und dadurch Substratstörungen
auslösen kann, die zu Bildstörungen führen können.
Dieser Nachteil wird durch die in der US 5,142,219 beschriebene
Schaltungsanordnung beseitigt. Dies geschieht dadurch,
der Operationsverstärker mit Hilfe eines Komparators und eine
als "Power-Down"-Schaltung bezeichnete Schaltung im stromgesteuerten
Modus abgeschaltet wird.
Ein wesentlicher Nachteil der aus der US 5,142,219 bekannten
Schaltungsanordnung besteht, wie sich aus den Figuren 5 und 6
dieses Dokuments ergibt, in der Notwendigkeit, für den geforderten
Funktionsumfang vier Gehäuseanschlüsse eines integrierten
Schaltkreises vorsehen zu müssen. Dadurch wird die
umschaltbare Stromquelle größer und teurer.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
eine zwischen einem stromgesteuerten Modus und einem spannungsgesteuerten
Modus umschaltbare Stromquelle zu schaffen,
die unter allen Umständen stabil arbeitet und mit einer minimalen
Anzahl von Gehäuseanschlüssen auskommt.
Diese Aufgabe wir erfindungsgemäß durch die in Patentanspruch
1 beanspruchte Stromquelle gelöst.
Die erfindungsgemäße Stromquelle zeichnet sich dadurch aus,
daß sie nur zwei Eingangsanschlüsse und einen Ausgangsanschluß
aufweist,
- wobei der Ausgangsanschluß mit dem Gate- oder Basisanschluß eines Transistors verbunden ist,
- wobei die Stromquelle steuerbare Schalter aufweist, durch welche dafür gesorgt wird, daß der Transistor im spannungsgesteuerten Modus durch das Ausgangssignal eines Operationsverstärkers angesteuert wird, und im stromgesteuerten Modus durch die sich am Drainanschluß des Transistors einstellende Spannung angesteuert wird,
- wobei die Schalter abhängig vom Ausgangssignal eines Komparators gesteuert werden,
- wobei der erste Eingangsanschluß der Stromquelle mit dem Drainanschluß des Transistors und einem ersten Eingangsanschluß des Operationsverstärkers verbunden ist,
- wobei der zweite Eingangsanschluß der Stromquelle mit dem zweiten Eingangsanschluß des Operationsverstärkers und einem der Eingangsanschlüsse des Komparators verbunden ist, und
- wobei das im stromgesteuerten Modus an den zweiten Eingangsanschluß der Stromquelle anzulegende Potential sich sowohl von dem sich im spannungsgesteuerten Modus am zweiten Eingangsanschluß der Stromquelle einstellenden Potential als auch von dem sich im stromgesteuerten Modus am ersten Eingangsanschluß der Stromquelle einstellenden Potential deutlich unterscheidet.
Daß die Stromquelle mit nur zwei Eingangsanschlüssen und
einem Ausgangsanschluß auskommt, wird insbesondere durch die
besondere Wahl der an die Eingangsanschlüsse angelegten
Spannungen bzw. eingeprägten Ströme bewirkt.
Dadurch, daß das im stromgesteuerten Modus an den zweiten
Eingangsanschluß der Stromquelle angelegte Potential so gewählt
ist, daß es sich von dem im spannungsgesteuerten Modus
an diesen Eingangsanschluß angelegten Potential deutlich
unterscheidet, kann die Schaltschwelle des Komparators auf
einen Wert gelegt werden, durch welchen unter allen Umständen
sichergestellt werden kann, daß die durch den Komparator gesteuerten
Schalter so betätigt werden, daß die Stromquelle im
stromgesteuerten Modus arbeitet, wenn sie im stromgesteuerten
Modus arbeiten soll, und daß die Stromquelle im spannungsgesteuerten
Modus arbeitet, wenn sie im spannungsgesteuerten
Modus arbeiten soll.
Dadurch, daß das im stromgesteuerten Modus an den zweiten
Eingangsanschluß der Stromquelle angelegte Potential so gewählt
ist, daß es sich von dem im stromgesteuerten Modus am
ersten Eingangsanschluß der Stromquelle anliegenden Potential
deutlich unterscheidet, ergibt sich an den Eingangsanschlüssen
des Operationsverstärkers eine große, genauer gesagt eine
den Operationsverstärker übersteuernde Spannungsdifferenz,
wodurch der Operationsverstärker immer das maximale Ausgangssignal
ausgibt, und das Ausgangssignal mithin keinen oder
allenfalls vernachlässigbar geringen Schwankungen (Fluktuationen)
unterworfen ist.
Dadurch ergibt sich, obgleich die Stromquelle nur zwei Eingangsanschlüsse
aufweist, einerseits eine gegen Störungen robuste,
sichere Umschaltung, und andererseits ein unter allen
Umständen stabiler Ausgangsstrom.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen,
der folgenden Beschreibung, und den Figuren entnehmbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es
zeigen
- Figur 1
- den prinzipiellen Aufbau der im folgenden beschriebenen Stromquelle, und
- Figur 2
- eine Möglichkeit der praktischen Realisierung der in der Figur 1 gezeigten Stromquelle.
Die im folgenden beschriebene umschaltbare Stromquelle ist
Bestandteil einer integrierten Schaltung. Es dürfte jedoch
einleuchten, daß die Stromquelle auch auf beliebige andere
Art und Weise realisierbar ist.
Die umschaltbare Stromquelle ist in den Figuren mit dem Bezugszeichen
USQ bezeichnet. Sie enthält einen Operationsverstärker
OP, einen Komparator COMP, gesteuerte Schalter S1 und
S2, und mindestens einen Transistor T1. Sie weist drei Anschlußklemmen
KA, KB und KC auf, wobei die Klemmen KA und KB
einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluß darstellen,
und wobei die Klemme KC einen Ausgangsanschluß darstellt.
Von den Ein- und Ausgangsanschlüssen KA bis KC sind
- der Ausgangsanschluß KC mit dem Gate- oder Basisanschluß des Transistors T1 verbunden,
- der erste Eingangsanschluß KA mit dem Drainanschluß des Transistors T1 und einem ersten Eingangsanschluß + des Operationsverstärkers OP verbunden, und
- der zweite Eingangsanschluß KB der Stromquelle mit dem zweiten Eingangsanschluß - des Operationsverstärkers OP und einem der Eingangsanschlüsse des Komparators COMP verbunden.
Der Transistor T1 ist so angeordnet, daß dieser im Zusammenwirken
mit einem an den Ausgangsanschluß KC angeschlossenen
weiteren Transistor einen Stromspiegel bildet, durch welchen
bewirkt wird, daß der den Transistor T1 durchfließende Strom
in den an den Ausgangsanschluß KC angeschlossenen weiteren
Transistor gespiegelt wird.
Im betrachteten Beispiel ist der Transistor T1 ein P-Kanal-MOSFET,
dessen Sourceanschluß mit dem positiven Pol VDD der
Versorgungsspannung verbunden ist. Es kann jedoch auch ein
PNP-Bipolartransistor an seine Stelle treten, abhängig von
der für die Realisierung der integrierten Schaltung benutzten
Prozeßtechnologie.
Durch Vertauschen der Versorgungsspannungsanschlüsse VDD, GND
ergibt sich eine komplementäre Schaltung, bei der der Transistor
T1 durch einen N-Kanal-MOSFET oder ein NPN- Bipolartransistor
realisiert werden kann.
Durch die steuerbaren Schalter S1 und S2 wird dafür gesorgt,
daß der Transistor T1 im spannungsgesteuerten Modus durch das
Ausgangssignal OA des Operationsverstärkers OP angesteuert
wird, und im stromgesteuerten Modus durch die sich am Drainanschluß
des Transistors T1 einstellende Spannung angesteuert
wird. Die Schalter S1 und S2 selbst werden abhängig vom Ausgangssignal
CA des Komparators COMP gesteuert.
Im Block MOD1 ist die äußere Beschaltung der Klemmen KA und
KB der umschaltbaren Stromquelle USQ für den spannungsgesteuerten
Modus dargestellt:
Demnach wird im spannungsgesteuerten Modus
- an die Klemme KA ein Widerstand R angeschlossen, und
- an die Klemme KB eine aus einer Spannungsquelle SPQ stammende Referenzspannung Vref angelegt.
Die Referenzspannung Vref ist so gewählt, daß der Ausgang CA
des Komparators COMP einen Zustand einnimmt, in dem der gesteuerte
Schalter S1 geschlossen ist und der gesteuerte
Schalter S2 offen ist; die Referenzspannung Vref muß im betrachteten
Beispiel hierfür oberhalb der Schaltschwelle des
Komparators COMP liegen. Durch den geschlossenen Schalter S1
und den offenen Schalter S2 wird der Operationsverstärker OP
derart gegengekoppelt, daß sich am Widerstand R eine Spannung
einstellt, die im Idealfall der Spannung an Klemme KB gegen
das Bezugspotential GND entspricht. Die Klemme KC wird hierbei
durch den aus dem Operationsverstärker OP und den Transistor
T1 bestehenden Regelkreis auf ein Potential gebracht,
bei dem der Transistor T1 einen Referenzstrom Iref = Vref / R
erzeugt. Durch Anschuß der Gates bzw. der Basis weiterer
Transistoren an die Klemme KC kann ein Stromspiegel gebildet
werden, mit dem sich der Referenzstrom auf weitere Teile
innerhalb der integrierten Schaltung verteilen läßt.
Im Block MOD2 ist die äußere Beschaltung der Klemmen KA und
KB der umschaltbaren Stromquelle USQ für den stromgesteuerten
Modus dargestellt:
Demnach wird im stromgesteuerten Modus
- der Klemme KA ein aus einer Stromquelle STQ stammender Referenzstrom Iref zugeführt, und
- die Klemme KB auf ein Potential gelegt, bei dem der Komparator COMP an seinem Ausgang CA einen Zustand einnimmt, bei dem der gesteuerte Schalter S1 offen ist, und der gesteuerte Schalter S2 geschlossen ist.
Dadurch, daß der Schalter S1 im stromgesteuerten Modus geöffnet
ist, hat der Operationsverstärker OP keinen Einfluß auf
die sich an der Klemme KC einstellenden Verhältnisse; diese
werden ausschließlich von dem der Klemme KA zugeführten Referenzstrom
Iref bestimmt.
Vorzugsweise ist das im stromgesteuerten Modus an die Klemme
KB angelegte Potential so gewählt, daß es sich
- sowohl von dem im spannungsgesteuerten Modus an die Klemme KB angelegten Potential (dem Referenzpotential Vref)
- als auch von dem im stromgesteuerten Modus an der Klemme KA anliegenden Potential
Dadurch, daß das im stromgesteuerten Modus an die Klemme KB
angelegte Potential so gewählt ist, daß es sich von dem im
spannungsgesteuerten Modus an die Klemme KB angelegten Potential
(dem Referenzpotential Vref) deutlich unterscheidet,
kann die Schaltschwelle des die Stellung der Schalter S1 und
S2 bestimmenden Komparators COMP auf einen Wert gelegt werden,
durch welchen unter allen Umständen sichergestellt werden
kann,
- daß im spannungsgesteuerten Modus der Schalter S1 geschlossen ist, und der Schalter S2 geöffnet ist, und
- daß im stromgesteuerten Modus der Schalter S1 geöffnet ist, und der Schalter S2 geschlossen ist.
Dadurch kann ausgeschlossen werden, daß die Stromquelle im
stromgesteuerten Modus arbeitet, wenn sie im spannungsgesteuerten
Modus arbeiten soll, und/oder daß die Stromquelle
im spannungsgesteuerten Modus arbeitet, wenn sie im stromgesteuerten
Modus arbeiten soll.
Dadurch, daß das im stromgesteuerten Modus an die Klemme KB
angelegte Potential so gewählt ist, daß es sich von dem im
stromgesteuerten Modus an der Klemme KA anliegenden Potential
deutlich unterscheidet, ergibt sich an den Eingangsanschlüssen
des Operationsverstärkers OP eine große, genauer gesagt
eine den Operationsverstärker übersteuernde Spannungsdifferenz,
wodurch der Operationsverstärker OP immer das maximale
Ausgangssignal ausgibt, und das Ausgangssignal mithin keinen
oder allenfalls vernachlässigbar geringen Schwankungen (Fluktuationen)
unterworfen ist.
Die verschiedenen Anforderungen an die Größenverhältnisse der
an die Klemmen KA und KB angelegten Spannungen werden im betrachteten
Beispiel dadurch erfüllt, daß die Klemme KB im
stromgesteuerten Modus mit dem negativen Pol GND der Versorgungsspannung
verbunden wird.
Dadurch ergibt sich einerseits eine gegen Störungen robuste,
sichere Umschaltung, und andererseits ein unter allen Umständen
stabiler Ausgangsstrom.
Vorzugsweise wird ein Komparator COMP verwendet, dessen
innere Schaltschwelle in der Nähe des im stromgesteuerten
Modus an die Klemme KB angelegten Potentials, im betrachteten
Beispiel also beispielsweise einige 100 mV überhalb GND
liegt. Ein solcher Komparator wird durch das im stromgesteuerten
Modus an die Klemme KB angelegte Potential (GND) in
den Zustand versetzt, den er innehaben muß, damit er (durch
eine entsprechende Ansteuerung der Schalter S1 und S2) die
Stromquelle in den stromgesteuerten Modus versetzt, und andererseits
durch das im spannungsgesteuerten Modus an die
Klemme KB angelegte Potential (Vref) in den Zustand versetzt,
den er innehaben muß, damit er (durch eine entsprechende Ansteuerung
der Schalter S1 und S2) die Stromquelle in den
spannungsgesteuerten Modus versetzt. Letzteres ist weitestgehend
unabhängig von der gewählten Referenzspannung Vref der
Fall; diese darf nur nicht zwischen GND und der Schaltschwelle
des Komparators COMP liegen, was sich aber in der
Praxis problemlos vermeiden läßt, da der von der Stromquelle
erzeugte Strom ja nicht alleine von der Referenzspannung
Vref, sondern in gleichem Maße vom dem an der Klemme KA angeschlossenen
Widerstand R abhängt.
Der Vollständigkeit halber sei angemerkt, daß im komplementären
Fall im stromgesteuerten Modus die Klemme KB mit dem positiven
Versorgungspotential VDD verbunden werden würde, und
ein Komparator COMP verwendet werden würde, dessen Schaltschwelle
einige 100mV unterhalb von VDD liegt.
Die verwendeten kleinen Schaltschwellen können in Komparatorschaltungen
durch eine absichtlich eingebaute Unsymmetrie erzielt
werden, aber auch die Verwendung von Transistorschaltschwellen
ist denkbar, was den Schaltungsaufwand für den Komparator
senkt (dies wird später unter Bezugnahme auf die Figur
2 näher erläutert).
Wenn die Klemme KB mit GND verbunden ist, dann liegt das an
die Klemme KB angelegte Potential in jedem Fall weit unterhalb
des Potentials an Klemme KA, welches aufgrund des im
stromgesteuerten Modus geschlossenen steuerbaren Schalters S2
identisch mit dem Potential an Klemme KC ist. Dieses ergibt
sich aus dem höheren Versorgungspotential VDD minus der Gate-Sourcespannung
bzw. der Basis-Emitter-Spannung des Transistors
T1 und liegt in jedem Fall deutlich über dem Versorgungspotential
GND. Hierdurch liegt der mit Plus bezeichnete
Eingang des Operationsverstärkers OP an einem sehr viel höheren
Potential als sein mit Minus bezeichneter Eingang und der
Ausgang eines geeigneten Operationsverstärkers liegt dann zuverlässig
auf einem stabilen Maximalwert und bewegt sich
nicht. Die Gefahr einer Fluktuation dieses Ausgangs ist damit
gebannt, ohne die in der eingangs bereits erwähnten US
5,142,219 vorgeschlagene "Power-Down"-Schaltung verwenden zu
müssen. Die vorstehend unter Bezugnahme auf Figur 1 beschriebene
Stromquelle weist weniger Elemente auf als die in der US
5,142,219 beschriebene Stromquelle, und benötigt zudem höchstens
zwei Gehäuseanschlüsse als Eingangsanschlüsse.
Es ist auch denkbar, die Umschaltung innerhalb einer integrierten
Schaltung erfolgen zu lassen, z.B. durch den Anschluß
von weiteren steuerbaren Schaltern an den Klemmen KA
und KB der Stromquellenschaltung USQ, sowie durch Integration
der Referenzspannungsquelle SPQ und/oder der Referenzstromquelle
STQ und/oder des Widerstandes R auf demselben Halbleiterkörper,
wobei dann die weiteren steuerbaren Schalter beispielsweise
durch ein digitales Konfigurationsregister des
integrierten Schaltkreises angesteuert werden. Die hier beschriebene
Stromquellenschaltung stellt somit einen flexiblen
Funktionsblock dar, der vielseitig verwendbar ist.
Figur 2 zeigt beispielhaft eine praktische Realisierung der
Schaltung gemäß Figur 1 in einem CMOS-Prozeß. Auch für dieses
Beispiel gilt, daß durch Vertauschen der Versorgungsspannungsklemmen
VDD, GND und von n-Kanal-MOSFETs durch p-Kanal-MOSFETs
eine komplementäre Schaltung abgeleitet werden kann.
Der Operationsverstärker OP wird durch Transistoren T2 bis T6
realisiert, und der Komparator COMP durch Transistoren T7 und
T8, welche wie in der Figur 2 gezeigt verschaltet sind.
Am Ausgangsanschluß CA des Komparators COMP ist ein durch
Transistoren T9 und T10 gebildeter Inverter INV angeschlossen;
durch diesen Inverter INV wird aus dem aus dem Komparator
ausgegebenen Signal ein komplementäres Signals CA\ gebildet.
Die steuerbaren Schalter S1 und S2 werden durch p-Kanal-MOS-FETs
realisiert, deren Gateanschlüsse mit den Signalen CA
(Schalter S1) bzw. CA\ (Schalter S2) verbunden sind.
Zwischen dem Plus-Eingangsanschluß + des Operationsverstärkers
OP und dem Ausgangsanschluß OA des Operationsverstärkers
OP sind ein Widerstand Rc und ein dazu in Serie geschalteter
Kondensator Cc angeordnet. Diese Elemente dienen zur Kompensation
des Frequenzganges des Regelkreises, der entsteht,
wenn der Schalter S1 geschlossen und der Schalter S2 offen
ist, also im spannungsgesteuerten Modus der Stromquelle.
Die Funktionsweise der Schaltung entspricht dem unter Bezugnahme
auf die Figur 1 erläuterten Grundprinzip. Es wird im
folgenden daher nur auf die Besonderheiten eingegangen, die
in der Modusumschaltung und dem Komparator zu finden sind.
Bei dem Komparator COMP handelt es sich um eine Einfachschaltung,
da auf hohe Genauigkeit der Schaltschwelle kein
Wert gelegt wird. Die Schaltschwelle ist im wesentlichen
durch die Schwellspannung des Transistors T7 und seiner
Prozeßverstärkung gegeben, sowie durch einen Strom Ic, der
ihm über den Transistor T8 zugeführt wird. Dessen Gateanschluß
G8 ist hierzu mit einem geeigneten Potential Vbp
verbunden, so daß der Transistor T8 einen definierten Drainstrom
Ic liefert.
Im stromgesteuerten Modus liegt eine äußere Beschaltung der
Klemmen KA, KB gemäß dem Block MOD2 vor. D.h., an der Klemme
KB liegt ein Potential an, welches unterhalb der Schwellspannung
des Transistors T7 liegt, im Beispiel GND. Dadurch
sperrt der Transistor T7, und der Strom Ic aus dem Transistor
T8 bringt den Ausgang CA des Komparators COMP auf das Potential
VDD, wodurch Schalter S1 offen ist. Der Ausgang CA\ des
Inverters INV geht auf GND, wodurch der Schalter S2 geschlossen
ist. Die Schaltung ist damit in den stromgesteuerten Modus
versetzt. Wird nun an die Klemme KA eine Stromquelle STQ
angeschlossen, die dort einen Strom Iref herauszieht, stellt
sich an Klemme KC ein Potential ein, das in einem daran mit
seinem Gate angeschlossenen Transistor T11 einen gespiegelten
Strom Iref' hervorbringt. Es kann eine Vielzahl solcher Transistoren
innerhalb eines solchen Stromspiegels vorhanden
sein, um den Strom Iref' zu vervielfältigen und weiteren
Schaltungen zuzuführen.
Wenn der Transistor T7 sperrt, sperrt auch der Transistor T3
der Differenzstufe T3/T4 des Operationsverstärkers. Folglich
fließt der der Differenzstufe über die Fußstromquelle T2 zugeführter
Biasstrom Ib, der von einem Potential Vbn am Gateanschluß
G2 des Transistors T2 abhängig ist, vollständig über
den Transistor T4 auf den Stromspiegel T5, T6. Da der Transistor
T3 sperrt, stellt sich am Ausgang OA des Operationsverstärkers
ein Potential VDD ein. Fluktuationen dieses Ausgangs
aufgrund der ausgeschalteten Gegenkopplung sind somit
ausgeschlossen.
Im spannungsgesteuerten Modus liegt eine äußere Beschaltung
der Klemmen KA, KB gemäß dem Block MOD1 vor. An der Klemme KB
liegt ein Potential Vref an, das genügend weit überhalb der
Schwellspannung von T7 liegt, typischerweise 1.23 V aus einer
Bandabstandreferenz oder höher, so daß T7 einen Drainstrom
ziehen könnte, der größer ist als der aus T8 stammende Strom
Ic. Da der Strom Ic durch Auslegung der Schaltung und der
Wahl des Gatepotentials Vbp kleiner ist als der mögliche
Drainstrom von T7, zieht dieser den Ausgang CA des Komparators
auf Potential GND herunter, wodurch Schalter S1 geschlossen
wird. Der Ausgang CA\ des Inverters INV geht auf
VDD, wodurch Schalter S2 geöffnet wird. Die Schaltung ist
damit in den spannungsgesteuerten Modus versetzt. Wird nun an
Klemme KA ein Widerstand R gegen GND geschaltet, überträgt
der nun gegengekoppelte Operationsverstärker durch Steuerung
des Gateanschlusses von T1 über den Schalter S1 das Potential
Vref an den Widerstand R, wozu in T1 der Strom Iref = Vref /
R fließen muß. Ein an der Klemme KC angeschlossener Transistor
T11 liefert somit ebenso einen Referenzstrom Iref =
Vref / R. Die Genauigkeit von Iref hängt im wesentlichen von
der Offsetspannung des Operationsverstärkers ab, weshalb die
Referenzspannung Vref vorzugsweise so gewählt werden sollte,
daß diese betragsmäßig wesentlich größer ist als die Offsetspannung.
Bei der hier gewählten Realisierung kann Vref durch
die eingebaute Schwellspannung des Komparators niemals zu
klein gewählt werden, so daß eine praxistypische Offsetspannung
von einigen 10 mV nicht so sehr ins Gewicht fällt.
Es hätte keinen Zweck, einen größeren Aufwand zu treiben,
etwa einen aufwendigeren Operationsverstärker zu verwenden,
da in beiden Betriebsmodi der durch statistische Streuungen
der an KC angeschlossenen Transistoren eines Ausgangsstromspiegels
entstehende Mismatchfehler die dominante Ursache für
Abweichungen von Iref vom ldealwert ist.
Im spannungsgesteuerten Modus bildet T1 zusammen mit dem an
Klemme KA angeschlossenen Widerstand R eine Verstärkerstufe,
die abhängig von der Steilheit Gm des Transistors T1 und dem
Wert von R einen relativ weiten Wertebereich des Verstärkungsfaktors
F = Gm * R ergeben kann. Die Serienschaltung aus
dem Widerstand Rc und dem Kondensator Cc bewirkt eine Millerkompensation
des gesamten Regelkreises und ist bei sachgemäßer
Dimensionierung in der Lage, seine Stabilität für
jeden in der Praxis vorkommenden Wert des Verstärkungsfaktors
F zu garantieren. Diese Dimensionierung ist aus der Theorie
des sogenannten millerkompensierten Operationsverstärker als
bekannt vorauszusetzen. Das dynamische Verhalten der Schaltung
ist dabei im wesentlichen von der Steilheit der Transistoren
T3, T4 im Operationsverstärker sowie vom Wert des
Kondensators Cc und des Fußstromes Ib abhängig, und nicht vom
Verstärkungsfaktor F.
Durch Skalierung des durch die Transistoren T1 und T11 gebildeten
Stromspiegels, zum Beispiel durch Änderung der Weite
dieser Transistoren, kann auch ein Vielfaches des Referenzstroms,
oder ein Bruchteil davon erhalten werden.
Für die Erzeugung der Gatepotentiale Vbn und Vbp eignen sich
eine Vielzahl von Biasschaltungen, wie z.B. die Biasschaltung
aus Wai-Kai Chen: "The Circuit and Filters Handbook", CRC
Press 1995, Figur 57.56, Seite 1686.
Die Gatepotentiale Vbn und Vbp können direkt an den Gates der
entsprechenden p-Kanal und n-Kanal-Stromspiegel dieser Biasschaltung
abgenommen werden.
Für höhere Anforderungen an die Genauigkeit und eine bessere
Unterdrückung von Versorgungsstörungen können die Stromquellen
in der beispielhaften Schaltung der Figur 2 zusätzlich
mit Kaskodetransistoren versehen werden. Es ist ohne weiteres
möglich, Funktionsblöcke wie COMP und OP aufwendiger auszuführen,
ohne von der Grundidee der Erfindung gemäß Figur 1
abzuweichen.
Die beschriebene Stromquelle arbeitet unabhängig von den Einzelheiten
der praktischen Realisierung unter allen Umständen
stabil und kommt dabei mit nur zwei Eingangsanschlüssen aus.
- CA
- Ausgang des Komparators COMP
- CA\
- invertierter Ausgang des Komparators COMP
- Cc
- Kondensator zur Kompensation des Frequenzganges
- COMP
- Komparator
- GND
- Bezugspotential, niedrigstes Versorgungspotential
- G2
- Gateanschluß von T2
- G8
- Gateanschluß von T8
- Ib
- T2 durchfließender Strom
- Ic
- T8 durchfließender Strom
- INV
- Inverter
- KA
- erster Eingangsanschluß von USQ
- KB
- zweiter Eingangsanschluß von USQ
- KC
- Ausgangsanschluß von USQ
- MOD1
- äußere Beschaltung der Klemmen KA und KB, durch welche USQ in den spannungsgesteuerten Modus versetzt wird
- MOD2
- äußere Beschaltung der Klemmen KA und KB, durch welche USQ in den stromgesteuerten Modus versetzt wird
- OA
- Ausgang des Operationsverstärkers OP
- OP
- Operationsverstärker
- R
- Widerstand zur Bildung eines Referenzstromes Iref = Vref / R
- Rc
- Widerstand zur Kompensation des Frequenzganges
- SPQ
- Spannungsquelle, die eine Referenzspannung Vref liefert
- STQ
- Stromquelle, die einen Referenzstrom Iref liefert
- S1, S2
- steuerbare Schalter
- T1
- Transistor, in dem der ursprüngliche Referenzstrom fließt
- T2 - T6
- den Operationsverstärker OP bildende Transistoren
- T7, T8
- den Komparator COMP bildende Transistoren
- T9, T10
- den Inverter INV bildende Transistoren
- T11
- Transistor, durch dessen Anschluß an KC der Referenzstrom gespiegelt bzw. vervielfacht werden kann
- USQ
- umschaltbare Stromquelle
- Vbn, Vbp
- Potentiale zur Einstellung von Arbeitspunkten der Schaltung
- VDD
- höchstes Versorgungspotential
- +, -
- positiver und negativer Eingang des Operationsverstärkers
Claims (10)
- Stromquelle (USQ), die zwischen einem stromgesteuerten Modus und einem spannungsgesteuerten Modus umschaltbar ist, mit zwei Eingangsanschlüssen (KA, KB) und einem Ausgangsanschluß (KC),wobei der Ausgangsanschluß (KC) mit dem Gate- oder Basisanschluß eines Transistors (T1) verbunden ist,wobei die Stromquelle steuerbare Schalter (S1, S2) aufweist, durch welche dafür gesorgt wird, daß der Transistor (T1) im spannungsgesteuerten Modus durch das Ausgangssignal (OA) eines Operationsverstärkers (OP) angesteuert wird, und im stromgesteuerten Modus durch die sich am Drainanschluß des Transistors (T1) einstellende Spannung angesteuert wird,wobei die Schalter (S1, S2) abhängig vom Ausgangssignal (CA) eines Komparators (COMP) gesteuert werden,wobei der erste Eingangsanschluß (KA) der Stromquelle mit dem Drainanschluß des Transistors (T1) und einem ersten Eingangsanschluß (+) des Operationsverstärkers (OP) verbunden ist,wobei der zweite Eingangsanschluß (KB) der Stromquelle mit dem zweiten Eingangsanschluß (-) des Operationsverstärkers (OP) und einem der Eingangsanschlüsse des Komparators (COMP) verbunden ist, undwobei das im stromgesteuerten Modus an den zweiten Eingangsanschluß (KB) der Stromquelle anzulegende Potential sich sowohl von dem sich im spannungsgesteuerten Modus am zweiten Eingangsanschluß (KB) der Stromquelle einstellenden Potential als auch von dem sich im stromgesteuerten Modus am ersten Eingangsanschluß (KA) der Stromquelle einstellenden Potential deutlich unterscheidet.
- Stromquelle nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn die Stromquelle im stromgesteuerten Modus betrieben werden soll,dem ersten Eingangsanschluß (KA) der Stromquelle ein Referenzstrom (Iref) zugeführt wird, undder zweite Eingangsanschluß (KB) der Stromquelle auf ein Potential gelegt wird, durch welches das Ausgangssignal (CA) des Komparators (COMP) auf einen Wert gebracht wird, durch welchen die Schalter (S1, S2) in die Stellung gebracht werden, die sie im stromgesteuerten Modus einnehmen müssen, - Stromquelle nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn die Stromquelle im spannungsgesteuerten Modus betrieben werden soll,der erste Eingangsanschluß (KA) der Stromquelle über einen Widerstand (R) mit einem Bezugspotential (GND) verbunden wird, undan den zweiten Eingangsanschluß (KB) der Stromquelle eine Referenzspannung (Vref) angelegt wird. - Stromquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das im stromgesteuerten Modus an den zweiten Eingangsanschluß (KB) der Stromquelle angelegte Potential so gewählt ist, daß die Schwellenspannung des Komparators (COMP) zwischen diesem Potential und dem sich im spannungsgesteuerten Modus am zweiten Eingangsanschluß (KB) der Stromquelle einstellenden Potential liegt. - Stromquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenspannung des Komparators (COMP) so gewählt ist, daß sie in der Nähe des Potentials liegt, das im stromgesteuerten Modus an den zweiten Eingangsanschluß (KB) der Stromquelle anzulegen ist. - Stromquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenspannung des Komparators (COMP) so gewählt ist, daß sie in der Nähe des Potentials eines der Pole der Versorgungsspannung liegt. - Stromquelle nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenspannung des Komparators (COMP) so gewählt ist, daß sie näher am Potential des einen Pols der Versorgungsspannung als am Potential des anderen Pols der Versorgungsspannung liegt. - Stromquelle nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenspannung des Komparators (COMP) so gewählt ist, daß sie 100 bis 1500 mV über dem Potential des das niedrigere Potential aufweisenden Pols der Versorgungsspannung liegt. - Stromquelle nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenspannung des Komparators (COMP) so gewählt ist, daß sie 100 bis 1500 mV unter dem Potential des das höhere Potential aufweisenden Pols der Versorgungsspannung liegt. - Stromquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das im stromgesteuerten Modus an den zweiten Eingangsanschluß (KB) der Stromquelle anzulegende Potential, und das sich im stromgesteuerten Modus am ersten Eingangsanschluß (KA) der Stromquelle einstellende Potential so gewählt sind, daß die Differenz zwischen diesen Potentialen so groß ist, daß der Operationsverstärker (OP) übersteuert wird.
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