EP2762989A2 - Verfahren zur Steuerung oder Regelung eines Energiebedarfs und/oder einer Leistungsfähigkeit einer elektronischen Schaltung - Google Patents

Verfahren zur Steuerung oder Regelung eines Energiebedarfs und/oder einer Leistungsfähigkeit einer elektronischen Schaltung Download PDF

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EP2762989A2
EP2762989A2 EP20130191801 EP13191801A EP2762989A2 EP 2762989 A2 EP2762989 A2 EP 2762989A2 EP 20130191801 EP20130191801 EP 20130191801 EP 13191801 A EP13191801 A EP 13191801A EP 2762989 A2 EP2762989 A2 EP 2762989A2
Authority
EP
European Patent Office
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electronic circuit
supply current
controllable
circuit
performance
Prior art date
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EP20130191801
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English (en)
French (fr)
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EP2762989A3 (de
EP2762989B1 (de
Inventor
Frank Ellinger
Ronny Henker
Ralf Eickhoff
Ralf Rieske
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Dresden
Original Assignee
Technische Universitaet Dresden
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Publication date
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Publication of EP2762989A3 publication Critical patent/EP2762989A3/de
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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
    • G05F1/565—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 sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling or regulating an energy requirement and / or a performance of an electronic circuit, in which the electronic circuit is controlled or regulated as a function of a predetermined energy requirement or a predetermined performance.
  • This control or regulation of an electronic circuit by means of a currently prescribed energy requirement or a current predetermined or necessary performance is referred to below as energy and performance adaptivity.
  • the demand or consumption of electrical power P or electrical energy E is referred to as the energy requirement of an electronic circuit.
  • performance of an electronic circuit includes its specific characteristics or operating characteristics such as the parameters data rate, bit error rate, bandwidth, clock frequency, gain or noise.
  • the data connections are usually operated at their maximum performance, ie at the maximum data rate or bandwidth and at the maximum output powers or gains.
  • the system components also consume a high supply power.
  • the maximum bandwidth is only needed at certain times or for a specific period of time and usually varies. Over the course of the day, for example, the data load rises slowly in the morning, peaking in the afternoon, then falling off again in the evening until it reaches its minimum at night.
  • the power consumption can be varied and ultimately significantly reduced, which also reduces the associated costs.
  • the implementation of performance and energy adaptivity can be realized in a variety of ways.
  • the simplest variant is the demand-related connection and disconnection of components or complete parallel connections.
  • the GSM standard is initially radiated with a connection at the highest transmission power and this adjusted and down-regulated in the course of the connection according to the transmission conditions, such as distance between transmitter and receiver, bit error rate, transmission loss, etc. and the reception quality (3GPP TS 45.-series specifications ). This is usually done by voltage controlled power amplifiers with variable gain.
  • an arrangement and a method for controlling an output voltage in a linear voltage regulator are known.
  • This provides a constant output voltage, which is independent of fluctuations of the input voltage or the load current.
  • a supply voltage as in power supplies, stabilize.
  • the output voltage of the voltage regulator can be set linearly within a certain range.
  • a control loop keeps the output voltage constant.
  • a shunt regulator (equivalent to a "programmable" reference voltage source) is used. In the case of deviations from the reference voltage value, the current is changed by the shunt regulator and the readjusted or stabilized the output voltage. In this way, a constant output potential is indirectly achieved by means of a controllable current.
  • an ELC output buffer circuit for generating a predetermined output voltage swing which is designed to be robust against fluctuations in the power supply and the temperature.
  • This emitter coupled logic (ECL) output buffer circuit is a circuit that provides a stable predetermined output voltage swing (eg, a logic high voltage level) that is independent of temperature, power, or process variations.
  • a compensation circuit is used, which generates a compensation current in case of deviations of the output voltage (eg due to temperature fluctuations, etc.) and thus stabilizes the output voltage.
  • circuits of the two cited documents are circuits in which currents and voltages are regulated / controlled, however, to stabilize / compensate for changes due to external influences.
  • the invention is thus based on the object of specifying a method for the adaptive energy and performance control of electronic circuits, with which the energy requirement of electronic circuits, components and systems, in particular the communication technology, is reduced.
  • the object is achieved in a method for adaptive energy and efficiency control of the type mentioned above in that a control or regulation of the supply current I SS of the electronic circuit for controlling an energy demand and / or a performance of the electronic circuit in response to a predetermined Data transmission rate of the electronic circuit is effected by means of a controllable or controllable current source and that a compensation of a conditional by a change of the supply current I SS Shifting of the output potential of the circuit using a stored table is carried out, which in each case assigned values for the supply current I SS and values for adapting the load resistance and / or the feedback resistance to different requirements for a data transmission rate in this table.
  • a stored table is used for the adaptation of the load resistance and / or the feedback resistor, wherein in this table, for each of the data transmission rate requirements, respectively assigned values for the supply current I SS and values for adjusting the load resistance and / or of the feedback resistor are stored.
  • the control signals necessary for adjusting the load or feedback resistance can be generated by means of a stored value table.
  • values for the associated current I SS and values for generating the control signal for the resistance network are respectively stored in the table at different data transmission rates.
  • the present description thus presents methods which aim to drastically reduce the energy requirements by implementing component, circuit and transistor level adaptability in electronic systems in general, especially in communication systems.
  • the performance of a electronic system continuously adapted to their actual current performance or energy requirements and thus also achieves a needs-based energy consumption of the systems.
  • a control of the supply current has, over the usual in the prior art control of the supply voltage, a large control range and can be easily realized via variable current sources, as they are already used in most differential circuits.
  • the supply current I SS can be regulated down according to the proposed method. This reduces the power consumption of the circuit at the same time.
  • a controllable supply current I SS can be realized, for example, by means of variable controllable current sources.
  • Applicable components of communications technology include multiplexer / demultiplexer, frequency divider, oscillators, retimer circuits, laser drivers, clock and data recovery, voltage, power, limiting and transimpedance amplifiers, digital circuits such as latches or logic gates, and others.
  • an ohmic resistor or a variable-resistance semiconductor may be used to compensate for the shift in the output voltage. It is possible that the resistor or semiconductor is controlled by means of a higher-level control. Likewise, the resistor or semiconductor can be part of a control loop and regulated.
  • this Output potential shift achieved by a suitable change in the values of the arranged in the circuit feedback resistors.
  • Another variation of output potential offset compensation is to adjust the load resistance of the circuit so that the shift is compensated.
  • the adaptation of the load resistance and / or the feedback resistor takes place by means of various connectable and disconnectable branches of a resistor network.
  • controllable resistance networks can be used.
  • the switching on and off of the branches of this resistor network can be done by control signals of a higher-level central control entity.
  • field-effect transistors or active inductive loads for the change in resistance.
  • the adaptation of the load resistance and / or the feedback resistor takes place by means of a control which detects the displacement of the output potential of the circuit and compares it with a predetermined tolerance range and thus generates a control signal for adaptation.
  • an adaptation can also take place using a control loop. This monitors, for example, the output potential of the circuit with a predetermined tolerance range. For deviations outside this tolerance, a control signal for the resistor network is then generated by the control to compensate for the deviation.
  • a controllable transistor or other active loads can be used at the location of the resistor network.
  • the performance of the circuit is understood to mean, for example, the bandwidth, the clock frequency, the amplification, a bit error rate or the output potential of the circuit.
  • the energy requirement includes the demand or consumption of electrical power or energy.
  • This adaptive control essentially involves the variable setting of various power operating points through the regulation of supply currents and resistances, and may be used for all electrical components of, for example, a transmission system independent of the given semiconductor technology (e.g., CMOS, SiGe BiCMOS, etc.), e.g. for multiplexers / demultiplexers, frequency dividers, oscillators, retimer circuits, laser drivers, clock and data recovery, voltage, power, limiting and transimpedance amplifiers, digital circuits such as e.g. Latches or logic gates, etc.
  • FIG. 1a an implementation of the method is shown with a single-ended amplifier arrangement.
  • the Fig. 1b shows a variant with a differential amplifier.
  • the current energy requirement or the performance of the amplifier arrangement with respect to the necessary data rate is specified by a central control instance which is the parent of the illustrated circuit arrangement.
  • the bandwidth BB of the circuits can be reduced.
  • the transconductance g m which is proportional to the bandwidth BB, is lowered.
  • the noise is also proportionally reduced.
  • ⁇ g m R D / 2) also decreases with decreasing g m .
  • This can be compensated by increasing the load resistances R D again, which is a constant Output potential of the circuits at constant voltage gain A causes.
  • the increase in the load resistances R D in turn produces the positive side effect that the bandwidth BB is further reduced.
  • the bandwidth BB is increased again by increasing the current.
  • the enlargement of I SS causes an increase in the transconductance g m , which is proportional to the bandwidth BB.
  • ⁇ g m R D / 2) increases.
  • an adaptation of the load resistances R D carried out at a lower data rate can be correspondingly reduced again so that the regular value for R D is established.
  • the voltage gain A remains constant.
  • variable resistors R D which are controllable or controllable, can be realized for example by means of a switchable resistor network (array).
  • the control signals for connecting and disconnecting the branches of the resistor network can be generated by the higher-level central entity or control unit. For example, in the form of a table, associated values for the current I SS at different data rates and corresponding control signal values can be stored.
  • a control can be carried out such that a detection of the output potential of the circuit takes place and that in a deviation of this output potential of a predetermined value, a control by switching on or off of the branches of the resistor network is carried out until the predetermined value is reached again.
  • Fig. 1c are the to the circuit arrangements Fig. 1a and Fig. 1b associated gain-frequency characteristics shown.
  • the voltage amplification A is shown for the single-ended amplifier and the difference amplification A diff for the differential amplifier on the ordinate of the coordinate system and on the abscissa the frequency f.
  • the dot-dot line indicates the course in the case of a high required data transmission rate at which a large bandwidth BB is provided and in which the power consumption P DC is high.
  • the case of a low data transmission rate represents the dash-dot line, which is characterized by a small bandwidth BB and a low power consumption P DC .
  • the gain curve can also take any course between these two limits BB min and BB max .
  • FIG. 2 an implementation of the method according to the invention is shown using the example of a laser diode driver, as it is commonly used in the field of communication technology.
  • This laser diode driver is essentially the general amplifier stages already described above. Analogously, the adaptive control also takes place.
  • the bandwidth BB of the laser diode driver can also be reduced here.
  • the power consumption P DC of the laser diode driver is lowered.
  • the transconductance g m which is proportional to the bandwidth BB, is lowered.
  • the noise is also proportionally reduced.
  • ⁇ g m R D / 2) also decreases with decreasing g m .
  • This can be correspondingly compensated for by increasing the load resistances R D , which causes a constant output potential of the circuits while the voltage amplification A remains the same.
  • the increase in the load resistances R D in turn produces the positive side effect that the bandwidth BB is further reduced.
  • Fig. 3a a circuit arrangement of a transimpedance amplifier is shown, to which the method according to the invention for adaptive power control is applied.
  • the feedback resistor R F can be realized variably, for example, by means of a switchable resistor network, controllable passive resistive field-effect transistor or by means of an active inductive load.
  • the Fig. 3b shows the to the Transimedanzverorgran note Fig. 3a associated gain-frequency characteristics.
  • the dot-dot line represents the gain curve at a maximum supply current I SS, ie at maximum data transmission rate.
  • the dash-dot line shows the gain curve at a minimum supply current I SS, ie at a minimum data transmission rate.
  • the gain curve can also take any course between the two limits BB min and BB max .
  • FIG. 4a the implementation of the method is shown on a voltage and limiting amplifier with serial feedback.
  • FIG. 4b shows the arrangement in Fig. 4a associated course of the voltage gain A as a function of the frequency f in the already Fig. 1c way described.
  • Analogous to the transimpedance amplifier in the Fig. 3a is reduced by the reduction of the supply current I ss , the transconductance g m , the bandwidth BB ⁇ 1 + g m R s / 2 and finally the power consumption P DC of the circuit. Due to the negative feedback, the voltage gain A does not change as long as g m R s / 2 »1 applies. If necessary, the voltage gain and other circuit parameters can be additionally set by the control of R S or R D.
  • Oscillators are also an essential component in circuits and systems for data transmission. They are mainly used in the control of multiplexers / demultiplexers and in clock and data recovery circuits. This circuit example corresponds to a multi-stage differential amplifier as described above.
  • the oscillator can be operated at a maximum frequency of 18.7 GHz at maximum data transfer rate. By reducing a supply current I ss , this frequency can be lowered to a minimum value of, for example, 2.7 GHz.
  • the sinking current I SS again causes a reduction of the transconductance g m .
  • the voltage gain A of the device is kept constant since A ⁇ g m R D & Vout and the relation f ck ⁇ 1 / (R D C) holds.
  • a further adaptive operating point adaptation can also be achieved by an additional control of the supply voltages V DD , as already used in some systems.
  • Adaptive control of the individual components generally allows their performance to be matched to the actual actual performance requirements. Thereby, a reduction or dynamization of energy consumption in the operation of the electronic system, in particular the Communication system, which is gaining in importance in view of the ever-increasing bandwidth requirements and the ever-increasing number of connections. With reduced system performance, less heat loss is generated at the same time. As a result, the systems must be cooled less, which in turn leads to a further reduction in energy consumption.
  • the invention thus makes a decisive contribution to the reduction of CO 2 emissions by electronic systems and components, in particular by means of message transmission systems.
  • the invention has enormous potential for saving energy or operating costs (on the order of billions of euros within Europe) for such systems.
  • the circuit parameters can also be optimized for transmission characteristics such as the bit error rate of the connections.
  • Another great advantage of the invention is that the presented methods can be used for any electronic systems, in particular for data transmission.
  • the invention within the communication technology, for example, both in long-distance telecommunications networks as well as short connections in data and data centers and high-performance computing systems can be used.

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Abstract

Der Erfindung, welche ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung eines Energiebedarfs und/oder einer Leistungsfähigkeit einer elektronischen Schaltung betrifft, liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit welchem der Energiebedarf von elektronischen Schaltungen, Komponenten und Systemen insbesondere der Kommunikationstechnik reduziert wird. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, eine Steuerung oder Regelung des Versorgungsstroms I SS der elektronischen Schaltung mittels einer steuer- oder regelbaren Stromquelle und eine Kompensation einer durch eine Änderung des Versorgungsstroms I SS bedingten Verschiebung des Ausgangspotenzials der Schaltung erfolgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung eines Energiebedarfs und/oder einer Leistungsfähigkeit einer elektronischen Schaltung, bei welchem in Abhängigkeit eines vorgegebenen Energiebedarfs oder einer vorgegebenen Leistungsfähigkeit die elektronische Schaltung gesteuert oder geregelt wird.
  • Diese Steuerung oder Regelung einer elektronischen Schaltung mittels eines aktuell vorgegebenen Energiebedarfs oder einer aktuell vorgegebenen bzw. notwendigen Leistungsfähigkeit wird nachfolgend als Energie- und Leistungsfähigkeitsadaptivität bezeichnet.
  • Als Energiebedarf einer elektronischen Schaltung wird der Bedarf oder Verbrauch an elektrischer Leistung P bzw. elektrischer Energie E bezeichnet.
  • Der Begriff Leistungsfähigkeit einer elektronischen Schaltung umfasst deren spezifische Kenngrößen bzw. Betriebseigenschaften wie beispielsweise die Parameter Datenübertragungsgeschwindigkeit, Bitfehlerrate, Bandbreite, Taktfrequenz, Verstärkung oder Rauschen.
  • Heutzutage ist der Energieverbrauch elektrischer Systeme enorm. Einen großen Teil nehmen dabei Kommunikationssysteme ein. Es werden enorme Mengen an Daten über sowohl kurze Strecken, beispielsweise zwischen Rechen- und Datenzentren oder in öffentlichen Einrichtungen als auch über längere oder lange Strecken, beispielsweise in sogenannte Weitverkehrsübertragungsnetze, durch drahtgebundene und drahtlose sowie elektrische und optische Kommunikationsverbindungen übertragen.
  • Der kontinuierlich steigende Bedarf an verfügbaren Bandbreiten in Übertragungssystemen, zu übertragenden Datenmengen und immer höhere Datenübertragungsgeschwindigkeiten bedingen einen stetigen Anstieg der Anzahl der Verbindungen und damit einen stetig steigenden Energiebedarf.
  • Damit wird für die Übertragung von Daten heutzutage bereits das 200-fache an Energie als für deren Verarbeitung benötigt, wie in DARPA/IPTO study, by Peter Kogge, et. Al.: http://www.nd.edu/-kogge/reports.html, Alan Benner (IBM), Key note at IEEE Winter Topical Meeting Mallorca (2010)] aufgezeigt wird.
  • Um beispielsweise in Kommunikationssystemen die bei einer Datenübertragung maximal auftretende Datenlast zu gewährleisten, werden die Datenverbindungen meistens bei ihrer maximalen Leistungsfähigkeit, d. h. mit der maximalen Datenrate bzw. Bandbreite sowie mit den maximalen Ausgangsleistungen oder Verstärkungen, betrieben. Damit verbrauchen die Systemkomponenten auch eine hohe Versorgungsleistung. In realen Netzen wird die maximale Bandbreite aber nur zu bestimmen Zeitpunkten bzw. für eine bestimmte Zeitdauer benötigt und variiert in der Regel. Im Tagesverlauf beispielsweise steigt die Datenlast am Morgen langsam an, erreicht am Nachmittag ihren Höhepunkt, fällt zum Abend wieder ab, bis es in der Nacht das Minimum erreicht.
  • Durch Anpassung der Leistungsfähigkeit der Übertragung an den aktuellen Datenratenbedarf kann der Energieverbrauch variiert und schließlich signifikant gesenkt werden, womit sich ebenfalls die damit verbundenen Kosten verringern lassen.
  • Die Implementierung einer Leistungsfähigkeits- und Energieadaptivität kann auf verschiedene Art und Weise realisiert werden. Die einfachste Variante ist das bedarfsmäßige Zu- und Abschalten von Komponenten bzw. kompletten parallelen Verbindungen.
  • Im Stand der Technik wird die Leistungsfähigkeits- und Energieadaptivität in der Kommunikationstechnik bisher überwiegend und sehr ausführlich im Mikroprozessorbereich sowie bei elektrischen Verbindungen untersucht und umgesetzt. Eine Verringerung des Energiebedarfs von Mikroprozessoren bei geringer werdenden Rechengeschwindigkeiten kann durch eine Skalierung deren Versorgungsspannung (Stichwort: Dynamic Voltage Scaling) erreicht werden. Beispiele hierfür sind aus Q. Wu, P. Juang, M. Martonosi, L.-S. Peh, D.W. Clark, "Formal control techniques for power-performance management," IEEE Micro., vol.25, no.5, pp. 52-62, 2005, T. D. Burd and R. W. Brodersen, "Design issues for dynamic voltage scaling," In Proceedings of the 2000 international symposium on Low power electronics and design (ISLPED '00). ACM, New York, NY, USA, 2000 oder Gang Qu, "What is the limit of energy saving by dynamic voltage scaling," International Conference on Computer Aided Design (ICCAD 2001), 2001 bekannt.
  • Aufgrund der begrenzten Ladekapazität von Batterien bzw. Akkumulatoren ist eine Energieadaptivität vor allem auch bei mobilen Anwendungen bekannt und von großer Bedeutung. Beispiele hierfür finden sich in F. Haßler, F. Ellinger and J. Carls, 'Analysis of buck-converters for efficiency enhancements in power amplifiers for wireless communication', SBMO/IEEE MTT-S International Microwave and Optoelectronics Conference, 2007. IMOC 2007., pp. 616-620, 2007 oder R. Wolf, F. Ellinger and R. Eickhoff, 'On the Maximum Efficiency of Power Amplifiers in OFDM Broadcast Systems with Envelope Following', The 2nd International ICST Conference on Mobile Lightweight Wireless Systems (MobiLight), Barcelona, 2010.
  • Beispielsweise beim GSM Standard wird bei einem Verbindungsaufbau zunächst mit der höchsten Sendeleistung abgestrahlt und diese im Laufe der Verbindung entsprechend den Übertragungsbedingungen, wie Distanz zwischen Sender und Empfänger, Bitfehlerrate, Übertragungsdämpfung etc. und der Empfangsqualität angepasst und heruntergeregelt (3GPP TS 45.-series specifications). Diese geschieht in der Regel durch spannungsgesteuerte Leistungsverstärker mit variabler Verstärkung.
  • Für drahtgebundene elektrische Verbindungen existieren ebenfalls Lösungen zur Energieadaptivität. Durch die IEEE802.3az Energy-Efficient Ethernet Gruppe wurde beispielsweise ein Übertragungsprotokoll eingeführt, mit welchem einzelne Verbindungen zeitweise in einen Leerlaufbetrieb mit verringerter Versorgungsleistung geschalten werden können, wie in M. Bennett, "Energy Efficient Ethernet. Overview." ITU-T SG15. Geneva, Switzerland. February 15, 2008, Lawrence Berkeley National Laboratory, http://www.itu.int/dms pub/itu-t/oth/09/05/T09050000010005PDFE.pdf dargestellt ist.
  • Darüber hinaus ist für elektrische Verbindungen per Simulation die Anwendbarkeit von Dynamic Voltage Scaling gezeigt worden. Siehe Li Shang; Li-Shiuan Peh; Jha, N.K.;, "Dynamic voltage scaling with links for power optimization of interconnection networks," High-Performance Computer Architecture, 2003. HPCA-9 2003. Proceedings. The Ninth International Symposium on , vol., no., pp. 91- 102, 8-12 Feb. 2003.
  • Bei elektrischen Verbindungen zwischen Prozessoren und Speicherbauelementen wurden bereits Möglichkeiten zum vollständigen Ein- und Ausschalten in B. Leibowitz et al. "A 4A 4.3 GB/s Mobile Memory Interface With Power-Efficient Bandwidth Scaling", IEEE Journal on Solid-State Circuits, vol. 45, no. 4, April 2010 und J. Zerbe et al., "A 5.6Gb/s 2.4mW/Gb/s Bidirectional Link With 8ns Power-On", in IEEE IVLSI Symposium, Kyoto, 2011 demonstriert.
  • Zur Adaptivität bei optischen Verbindungen gibt es zwar bereits einige Studien, zum einen ist eine solche Leistungsfähihkeits- und Energieadaptivität jedoch praktisch noch nicht im Einsatz und zum anderen unterscheiden sich diese Ansätze maßgeblich von dem hier beschriebenen Verfahren. Zum großen Teil existieren Systemansätze, um die Leistungsfähigkeit und den Energieverbrauch einer optischen Verbindung zu steuern, wie aus Kodi, A.K.; Louri, A., "Energy-Efficient and Bandwidth-Reconfigurable Photonic Networks for High-Performance Computing (HPC) Systems," Selected Topics in Quantum Electronics, IEEE Journal of , vol.17, no.2, pp.384-395, March-April 2011 und Avinash Karanth Kodi; Louri, A.; , "Power-Aware Bandwidth-Reconfigurable Optical Interconnects for High-Performance Computing (HPC) Systems," Parallel and Distributed Processing Symposium, 2007. IPDPS 2007. IEEE International, vol., no., pp.1-10, 26-30 March 2007 bekannt ist.
  • Hierbei werden intelligente Algorithmen und Architekturen auf Systemebene vorgestellt, die zu einer Rekonfiguration und Anpassung von Bandbreite und Energieverbrauch für die individuellen Kanäle in einem optischen Netz führen. In F. Idzikowskiet al. "Saving energy in IP-over-WDM networks by switching off line cards in low-demand scenarios," 14th Conference on Optical Network Design and Modeling (ONDM), Feb. 2010 wird beispielsweise beschrieben, wie in Langstreckennetzen durch das Ein-/Ausschalten von Verbindungen und durch Umleitung der Daten über andere Verbindungen Energie gespart werden kann. Eine Umsetzung auf Komponenten- und Schaltungsebene wird dabei allerdings nicht betrachtet.
  • Auf Komponentenebene von optischen Übertragungssystemen gibt es nur wenige Arbeiten. In J. Hu, D. Qian, and T. Wang, "Energy Efficient OFDM Transceiver based on Traffic Tracking and Adaptive Bandwidth Adjustment," in 37th European Conference and Exposition on Optical Communications, OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2011), paper We.10.P1.53 werden Strategien zur Energieeinsparung im Digitalteil eines OFDM-basierten optischen Transceivers vorgestellt. Dabei wird lediglich die Bandbreite des OFDM Signals und damit die Abtastrate für den Digitalteil eingestellt, die Betriebsparameter der analogen Schaltungsteile bleiben jedoch unverändert.
  • Es gibt zwar weitere Arbeiten und Patente, welche auf die Adaptivität von optischen Verbindungen abzielen, allerdings dienen diese nicht der Senkung des Energieverbrauchs, sondern vielmehr der Optimierung hinsichtlich der Übertragungseigenschaften. Ausführungen hierzu bezüglich des Parameters Bitfehlerrate sind aus Chih-Kang Chien; Hsieh-Hung Hsieh; Huan-Sheng Chen; Liang-Hung Lu, "A Transimpedance Amplifier With a Tunable Bandwidth in 0.18-CMOS," Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on , vol.58, no.3, pp.498-505, March 2010 und Huei-Yan Hwang; Jun-Chau Chien; Tai-Yuan Chen; Liang-Hung Lu, "A CMOS Tunable Transimpedance Amplifier," Microwave and Wireless Components Letters, IEEE , vol.16, no.12, pp.693-695, Dec. 2006 bekannt. Bezüglich des Parameters "Signalintegrität" ist die G. Giaretta (Finisar), "Dynamically adaptive optical transceiver," US patent 7684710, 2010 und bezüglich der "Flexibilität" also unterschiedlicher Datenraten einer Verbindung die Ewen et al. (IBM), "Switchable-bandwidth optical receiver, " US patent 6862322, 2005 und die Killmeyer et al. (Vitesse Semiconductor Corporation) "Variable bandwidth transimpedance amplifier with one-wire interface," US patent 7,657,191, 2010 aus dem Stand der Technik bekannt.
  • Lediglich in X. Chen and L.-Shiuan. Peh, "Exploring the design space of power-aware opto-electronic network systems," In Proc. Of the 11th International Symposium on High-Performance Computer Architecture (HPCA-11), pp. 120-131, 2005 und Xuning Chen; Gu-Yeon Wei; Li-Shiuan Peh; ,"Design of low-power short-distance opto-electronic transceiver front-ends with scalable supply voltages and frequencies," ACM/IEEE International Symposium on Low Power Electronics and Design pp. 277-282, Aug. 2008 wird das Entwicklungspotential von energie- und frequenzadaptiven Transceiverkomponenten zur optischen Datenübertragung mittels einer Steuerung der Versorgungsspannung untersucht und umgesetzt.
  • Aus der US 2009/0039847 A1 sind eine Anordnung und ein Verfahren zur Regelung einer Ausgangsspannung in einem linearen Spannungsregler bekannt. Dieser stelle eine konstante Ausgangspannung zur Verfügung, die unabhängig von Schwankungen der Eingangsspannung oder dem Laststrom ist. Somit lässt sich beispielsweise eine Versorgungsspannung, wie in Netzteilen, stabilisieren. Die Ausgangsspannung des Spannungsreglers kann in einem bestimmten Bereich linear eingestellt werden. Durch eine Regelschleife wird die Ausgangsspannung konstant gehalten. Dazu wird ein Shunt-Regler (entspricht einer "programmierbaren" Referenzspannungsquelle) verwendet. Bei Abweichungen von Referenzspannungswert wird der Strom durch den Shunt-Regler verändert und damit die Ausgangsspannung nachgeregelt bzw. stabilisiert. Derart wird indirekt durch einen regelbaren Strom ein konstantes Ausgangspotenzial erreicht.
  • Aus der DE 69112890 T2 ist eine ELC-Ausgangspufferschaltung zur Erzeugung eines vorbestimmten Ausgangsspannungshubs bekannt, welche robust gegen Schwankungen in der Stromversorgung und der Temperatur arbeiten soll. Bei dieser ECL (emitter coupled logic) Ausgangspufferschaltung handelt es sich um eine Schaltung, die einen stabilen vorbestimmten Ausgangsspannungshub (z. B. den eines logischen High-Spannungspegels) liefert, der unabhängig von Temperatur-, Stromversorgungs- oder Prozessschwankungen ist. Im vorliegenden Fall wird eine Ausgleichsschaltung verwendet, die bei Abweichungen der Ausgangsspannung (z.B. durch Temperaturschwankungen usw.) einen Kompensationsstrom generiert und somit die Ausgangsspannung stabilisiert.
  • Bei den Schaltungen der beiden zitierten Druckschriften handelt es sich zwar um Schaltungen, bei denen Ströme und Spannungen geregelt/gesteuert werden, allerdings zur Stabilisierung/Kompensation von Änderungen durch äußere Einflüsse.
  • Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die aus dem Stand der Technik bekannten, oben beschriebenen Methoden zur Adaptivität in Kommunikationssystemen entweder nur auf Systemebene implementiert worden sind oder andere Ziele als die Senkung des Energieverbrauchs verfolgen, wie beispielsweise die Optimierung von Übertragungseigenschaften oder eine höhere Flexibilität in der Anwendung.
  • Leistungsfähigkeits- und Energieadaptivität auf Komponentenebene zur Verringerung des Energieverbrauchs wurde bisher nur rudimentär und bei elektrischen Verbindungen implementiert. Energieadaptivität bei optischen Verbindungen wurde bisher nur auf Systemebene untersucht. Es existieren aber noch keine praktischen Realisierungen, weder auf System- noch auf Komponentenebene.
  • Weiterhin wurde die Anpassung der Leistungsfähigkeit der einzelnen Komponenten dabei ausschließlich über eine Variation der Versorgungsspannung realisiert.
  • Der Nachteil dieser Realisierung besteht zum einen darin, dass eine Spannungseinstellung einen geringen Regelbereich besitzt und dass damit ein nur geringer Effekt bei der Einsparung an Versorgungsleistung bewirkt wird.
  • Zum anderen ist die Realisierung einer Spannungssteuerung aufwendig. In der Regel werden dazu DC/DC Konverter verwendet, welche eine niedrige Effizienz besitzen und daher einen geringen Beitrag zur Energieeinsparung leisten.
  • Des Weiteren wurden bisher keine Verfahren vorgestellt, wie eine mit der Veränderung der Versorgungsspannung einhergehende Änderung der Verstärkung der Schaltungen kompensiert werden kann. Dies ist ein wesentlicher Nachteil aller bisherigen Methoden zur Adaptiviät, da die meisten Anwendungen konstante Potentiale unabhängig von variablen Versorgungsspannungen und -strömen benötigen.
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur adaptiven Energie- und Leistungsfähigkeitssteuerung von elektronischen Schaltungen anzugeben, mit welchem der Energiebedarf von elektronischen Schaltungen, Komponenten und Systemen insbesondere der Kommunikationstechnik reduziert wird.
  • Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einem Verfahren zur adaptiven Energie- und Leistungsfähigkeitssteuerung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine Steuerung oder Regelung des Versorgungsstroms ISS der elektronischen Schaltung zur Regelung eines Energiebedarfs und/oder einer Leistungsfähigkeit der elektronischen Schaltung in Abhängigkeit einer vorgegebenen Datenübertragungsrate der elektronischen Schaltung mittels einer steuer- oder regelbaren Stromquelle erfolgt und dass eine Kompensation einer durch eine Änderung des Versorgungsstroms ISS bedingten Verschiebung des Ausgangspotenzials der Schaltung unter Verwendung einer abgespeicherten Tabelle erfolgt, wobei in dieser Tabelle zu verschiedenen Anforderungen an eine Datenübertragungsrate jeweils zugeordnete Werte für den Versorgungsstrom ISS und Werte zur Anpassung des Lastwiderstands und/oder des Rückkoppelwiderstands hinterlegt sind.
  • Allgemein erfolgt eine Einstellung eines variablen Versorgungsstroms ISS der elektronischen Schaltung, wobei gleichzeitig eine Kompensation einer durch eine Änderung des Versorgungsstroms ISS bedingten Verschiebung des Ausgangspotenzials der Schaltung vorgenommen wird.
  • In der Erfindung ist vorgesehen, dass für die Anpassung des Lastwiderstands und/oder des Rückkoppelwiderstands eine abgespeicherte Tabelle verwendet wird, wobei in dieser Tabelle zu verschiedenen Anforderungen an eine Datenübertragungsrate jeweils zugeordnete Werte für den Versorgungsstrom ISS und Werte zur Anpassung des Lastwiderstands und/oder des Rückkoppelwiderstands hinterlegt sind.
  • Die zur Anpassung des Last- oder Rückkopplungswiderstands notwendigen Steuersignale können mittels einer gespeicherten Werte-Tabelle erzeugt werden. Hierfür sind in der Tabelle beispielsweise zu verschiedenen Datenübertragungsraten jeweils Werte für den zugehörigen Strom ISS und Werte zur Erzeugung des Steuersignals für das Widerstandsnetzwerk hinterlegt.
  • Die vorliegende Beschreibung stellt somit Methoden vor, welche darauf abzielen, den Energiebedarf durch die Implementierung von Adaptivität auf Komponenten-, Schaltungs- und Transistorebene in elektronischen Systemen allgemein, insbesondere in Kommunikationssystemen, drastisch zu verringern. Dabei wird die Leistungsfähigkeit eines elektronischen Systems kontinuierlich an deren tatsächlichen aktuellen Leistungsfähigkeits- oder Energiebedarf angepasst und somit auch ein bedarfsgerechter Energieverbrauch der Systeme erzielt.
  • Eine Steuerung des Versorgungsstromes besitzt, gegenüber der im Stand der Technik üblichen Steuerung der Versorgungsspannung, einen großen Regelbereich und kann einfach über variable Stromquellen, wie sie bereits in den meisten differentiellen Schaltungen verwendet werden, realisiert werden.
  • In diesem Patent wird ein Verfahren vorgestellt, wie der Arbeitspunkt der Schaltungen durch den Versorgungsstrom ISS adaptiv angepasst und die Verstärkung A bzw. das Ausgangspotenzial der Schaltungen gleichzeitig konstant gehalten werden können.
  • Ist beispielsweise die Datenrate eines Kommunikationssystems, wie beispielsweise einem optisch oder elektrisch arbeitenden Datenübertragungssystem, gering, wird nur eine geringe Systembandbreite BB benötigt. Hierzu kann der Versorgungsstrom ISS entsprechend dem vorgeschlagenen Verfahren heruntergeregelt werden. Damit verringert sich gleichzeitig der Energieverbrauch der Schaltung. Ein steuerbarer Versorgungsstrom ISS kann beispielsweise durch variable steuerbare Stromquellen realisiert werden.
  • Mit Verringerung des Stromes ISS kann es unter Umständen zu Veränderungen der Verstärkungscharakteristik der Schaltungsanordnung kommen, beispielsweise zu einer Verringerung der Verstärkung A bei Verringerung des Stromes Iss.
  • Für die meisten Schaltungen wie beispielsweise Laserdiodentreiber werden aber konstante Ausgangspotenziale bei verschiedenen Versorgungsströmen benötigt. Eine Änderung des Ausgangspotenzials kann durch steuerbare variable Widerstände kompensiert werden. Diese neuen Konzepte sind universell bzw. ähnlich bei allen integrierten Schaltungen eines elektronischen Systems insbesondere bei Übertragungssystemen und in allen Halbleitertechnologien anwendbar, was insgesamt zu einer Energieadaptivität bzw. zu einer signifikanten Verringerung des Energiebedarfs der Einzelkomponenten und des gesamten Systems führt. Anwendbare Komponenten der Kommunikationstechnik sind beispielsweise Multiplexer/Demultiplexer, Frequenzteiler, Oszillatoren, Retimer-Schaltungen, Lasertreiber, Clock- and Data-Recovery, Spannungs-, Leistungs-, Begrenzungs- und Transimpedanzverstärker, digitale Schaltungen wie beispielsweise Latches oder Logikgatter und andere.
  • In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kompensation einer durch eine Änderung des Versorgungsstroms bedingten Verschiebung des Ausgangspotenzials mittels steuer- oder regelbarer Widerstände erfolgt.
  • Allgemein kann ein ohmscher Widerstand oder ein als Widerstand wirkender veränderlicher Halbleiter genutzt werden, um die Verschiebung der Ausgangsspannung zu kompensieren. Dabei ist es möglich, dass der Widerstand oder Halbleiter mittels einer übergeordneten Steuerung gesteuert wird. Ebenso kann der Widerstand oder Halbleiter teil eines Regelkreises sein und geregelt werden.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kompensation einer durch eine Änderung des Versorgungsstroms bedingten Verschiebung des Ausgangspotenzials mittels steuerbarer Rückkoppelwiderstände innerhalb der elektronischen Schaltung erfolgt.
  • Durch eine Veränderung des Stromes ISS kann es zu einer unerwünschten Verschiebung des Ausgangspotenzials der gesteuerten Schaltung kommen. Erfindungsgemäß wird diese Ausgangspotenzialverschiebung durch eine geeignete Veränderung der Werte der in der Schaltung angeordneten Rückkoppelwiderstände erreicht.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kompensation einer durch eine Änderung des Versorgungsstroms bedingten Verschiebung des Ausgangspotenzials mittels einer Anpassung des Lastwiderstands der elektronischen Schaltung erfolgt.
  • Eine andere Variation der Kompensation einer Ausgangspotenzialverschiebung besteht darin, den Lastwiderstand der Schaltung anzupassen, sodass die Verschiebung kompensiert wird.
  • In einer besonderen Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anpassung des Lastwiderstands und/oder des Rückkoppelwiderstands mittels verschiedener zu- und abschaltbarer Zweige eines Widerstandsnetzwerkes erfolgt.
  • Zur Anpassung des Last- oder Rückkoppelwiderstands können steuerbare Widerstandsnetzwerke eingesetzt werden. Die Zuund Abschaltung der Zweige dieses Widerstandsnetzwerkes kann durch Steuersignale einer übergeordneten zentralen Steuerinstanz erfolgen. Alternativ können zur Widerstandsveränderung auch Feldeffekttransistoren oder aktive induktive Lasten eingesetzt werden.
  • In einer Realisierungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anpassung des Lastwiderstands und/oder des Rückkoppelwiderstands mittels einer Regelung erfolgt, welche die Verschiebung des Ausgangspotenzials der Schaltung erfasst und mit einem vorgegebenen Toleranzbereich vergleicht und derart ein Steuersignal zur Anpassung erzeugt.
  • Alternativ zur vorgegebenen Werte-Tabelle kann auch eine Anpassung unter Nutzung eines Regelkreises erfolgen. Dieser überwacht beispielsweise das Ausgangspotenzial der Schaltung mit einem vorgegebenen Toleranzbereich. Bei Abweichungen außerhalb dieser Toleranz wird dann durch die Regelung ein Steuersignal für das Widerstandsnetzwerk zu Kompensation der Abweichung erzeugt. Prinzipiell können an der Stelle des Widerstandsnetzwerks auch ein regelbarer Transistor oder andere aktive Lasten zum Einsatz kommen.
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
    • Fig. 1a
    eine erfindungsgemäße adaptive Steuerung der Leistungsfähigkeit und des Energiebedarfs am Beispiel eines Single-Ended-Verstärkers,
    Fig. 1b
    eine erfindungsgemäße adaptive Steuerung der Leistungsfähigkeit und des Energiebedarfs am Beispiel eines Differenzverstärkers,
    Fig. 1c
    eine grafische Darstellung des zur Fig. 1a und 1b gehörigem Verlauf der Spannungsverstärkung A und der Differenzverstärkung Adiff in Abhängigkeit der Frequenz f,
    Fig. 2
    eine erfindungsgemäße adaptive Steuerung der Leistungsfähigkeit und des Energiebedarfs am Beispiel eines Laserdiodentreibers,
    Fig. 3a
    eine erfindungsgemäße adaptive Steuerung der Leistungsfähigkeit und des Energiebedarfs am Beispiel eines Transimpedanzverstärkers mit paralleler Rückkopplung,
    Fig. 3b
    eine zur Schaltung in Fig. 3a gehörige grafische Darstellung der Transimpedanzverstärkung rT in Abhängigkeit der Frequenz f,
    Fig. 4a
    eine erfindungsgemäße adaptive Steuerung der Leistungsfähigkeit und des Energiebedarfs am Beispiel eines Spannungs- und Begrenzungsverstärkers mit Serienrückkoppelung,
    Fig. 4b
    eine zur Schaltung in Fig. 4a gehörige grafische Darstellung der Spannungsverstärkung A in Abhängigkeit der Frequenz f und
    Fig. 5
    eine erfindungsgemäße adaptive Steuerung der Leistungsfähigkeit und des Energiebedarfs am Beispiel eines Oszillators mit mehreren Phasen für Sub-Datenraten; fck = Datenrate/3.
  • Vorgeschlagen wird eine dynamische Anpassung der Leistungsfähigkeit und des Energiebedarfs einer elektronischen Schaltung. Hierbei wird in dieser Beschreibung als Leistungsfähigkeit der Schaltung beispielsweise die Bandbreite, die Taktfrequenz, die Verstärkung, eine Bitfehlerrate oder das Ausgangspotenzial der Schaltung verstanden. Der Energiebedarf umfasst den Bedarf bzw. Verbrauch elektrischer Leistung bzw. Energie.
  • Hierzu werden Methoden vorgestellt, wie eine Adaptivität auf Schaltungs- bzw. Komponentenebene erreicht werden kann. Diese adaptive Steuerung umfasst im Wesentlichen die variable Einstellung verschiedener Leistungsfähigkeits-Arbeitspunkte über die Reglung von Versorgungsströmen sowie Widerständen und kann für alle elektrischen Komponenten beispielsweise eines Übertragungssystems unabhängig von der gegebenen Halbleitertechnologie (z.B. CMOS, SiGe BiCMOS usw.) verwendet werden, z.B. für Multiplexer/Demultiplexer, Frequenzteiler, Oszillatoren, Retimer-Schaltungen, Lasertreiber, Clock- and Data-Recovery, Spannungs-, Leistungs-, Begrenzungs- und Transimpedanzverstärker, digitale Schaltungen wie z.B. Latches oder Logikgatter usw.
  • Hierzu wird Adaptivität auf Komponenten- bzw. Schaltungsebene implementiert, welche eine Anpassung der Leistungsfähigkeit und damit des Energieverbrauchs an die aktuelle Datenlast ermöglicht. Die Realisierung dieser Adaptivität erfolgt über eine Variation der Arbeitspunkte jeder einzelnen Schaltung durch eine dynamische Steuerung von Versorgungsströmen und Widerständen.
  • Im Folgenden wird die erfindungsgemäße adaptive Anpassung von Leistungsfähikeit- und Energieverbrauch der Komponenten auf Schaltungs- und Transistorebene, zunächst anhand grundlegender Verstärkerschaltungen und darauf folgend anhand verschiedener praktischer Beispiele näher erläutert.
  • Dabei stellen die Beispiele nur eine Auswahl an Schaltungen dar, bei denen das vorgestellte Verfahren einsetzbar ist. Grundsätzlich ist diese Art von Adaptivität zur Senkung des Energieverbrauchs bei allen notwendigen elektronischen Komponenten insbesondere für die Kommunikationstechnik ähnlich und implementierbar.
  • In dieser Beschreibung werden die nachfolgend aufgeführten Abkürzungen verwendet.
    • ISS
    Versorgungsstrom
    VDD
    Versorgungsspannung
    PDC
    Leistungsverbrauch
    gm
    Transkonduktanz
    Ri
    Eingangsimpedanz
    CD
    Diodenkapazität
    ft
    Transitfrequenz
    BB
    Bandbreite
    RD
    Lastwiderstand
    RF
    Rückkoppelwiderstand
    A
    Spannungsverstärkung
    Adiff
    Differenzverstärkung
    rT
    Transimpedanzverstärkung
    Vin
    Eingangsspannung
    Vout
    Ausgangsspannung
    Iin
    Eingangsstrom
    Iout
    Ausgangsstrom
    Rs
    Quellenimpedanz
    Cs
    Quellenkapazität
  • In der Fig. 1a ist eine Realisierung des Verfahrens mit einer Single-Ended-Verstärkeranordnung dargestellt. Die Fig. 1b zeigt eine Variante mit einem Differenzverstärker.
  • Da in diesem und den nachfolgenden Beispielen zur Erläuterung des Verfahrens nur elektronische Grundschaltungen gezeigt werden, wird auf eine detaillierte Beschreibung der Schaltungsanordnungen verzichtet und nur die für das Verfahren bedeutsamen Teile der Schaltungen in die Beschreibung des Verfahrensablaufs einbezogen.
  • Von einer der erläuterten Schaltungsanordnung übergeordneten zentralen Steuerinstanz wird der aktuelle Energiebedarf oder die Leistungsfähigkeit der Verstärkeranordnung bezüglich der notwendigen Datenrate vorgegeben.
  • Für den Fall, dass eine niedrige Datenrate ausreichend ist, kann die Bandbreite BB der Schaltungen verringert werden. Sowohl beim Single-Ended-Verstärker in der Fig. 1a als auch beim Differenzverstärker in der Fig. 1b erfolgt dies durch eine Reduzierung des Versorgungsstromes ISS über variable Stromquellen. Dadurch sinkt der Leistungsverbrauch des Verstärkers PDC drastisch ab.
  • Durch die Verringerung des Stromes ISS wird die Transkonduktanz gm, welche sich proportional zur Bandbreite BB verhält, abgesenkt. Als positiver Seiteneffekt wird proportional auch das Rauschen verringert. Jedoch fällt gleichzeitig auch die Spannungs- (|A|≈gmRD) bzw. Differenzverstärkung (|Adiff|≈gmRD/2) mit sinkendem gm ab. Dies kann durch die Erhöhung der Lastwiderstände RD wieder entsprechend kompensiert werden, was ein konstantes Ausgangspotenzial der Schaltungen bei gleichbleibender Spannungsverstärkung A bewirkt. Die Erhöhung der Lastwiderstände RD erzeugt wiederum den positiven Nebeneffekt, dass sich die Bandbreite BB weiter verringert.
  • Für den Fall, dass eine hohe Datenrate gefordert wird, wird durch eine Erhöhung des Stromes die Bandbreite BB wieder vergrößert. Die Vergrößerung von ISS bewirkt eine Vergrößerung der Transkonduktanz gm, welche sich proportional zur Bandbreite BB verhält. Mit steigendem gm vergrößert sich die Spannungs- (|A|≈gmRD) bzw. Differenzverstärkung (|Adiff|≈gmRD/2). In diesem Fall kann eine bei einer geringeren Datenrate vorgenommene Anpassung der Lastwiderstände RD wieder entsprechend zurückgenommen werden, sodass sich der reguläre Wert für RD einstellt. Auch in diesem Fall bleibt die Spannungsverstärkung A konstant.
  • Die in den Figuren 1a und 1b dargestellten variablen Widerstände RD, welche regelbar oder auch steuerbar sind, können beispielsweise mittels eines schaltbaren Widerstandsnetzwerks (Array) realisiert werden. Die Steuersignale zum Zu- und Abschalten der Zweige des Widerstandsnetzwerks können durch die übergeordnete zentrale Instanz oder Regeleinheit erzeugt werden. So können beispielsweise in Form einer Tabelle zugehörige Werte für den Strom ISS zu verschiedenen Datenraten sowie entsprechende Steuersignalwerte hinterlegt werden.
  • Alternativ kann eine Regelung derart erfolgen, dass eine Erfassung des Ausgangspotenzials der Schaltung erfolgt und dass bei einer Abweichung dieses Ausgangspotenzials von einem vorgegebenen Wert eine Regelung mittels Zu- oder Abschalten der Zweige des Widerstandsnetzwerks erfolgt, bis der vorgegebene Wert wieder erreicht ist.
  • In der Fig. 1c sind die zu den Schaltungsanordnungen aus Fig. 1a und Fig. 1b zugehörigen Verstärkungs-Frequenz-Verläufe gezeigt. Dabei ist für den Single-Ended-Verstärker die Spannungsverstärkung A und für den Differenzverstärker die Differenzverstärkung Adiff auf der Ordinate des Koordinatensystems und auf der Abszisse die Frequenz f dargestellt. Die Punkt-Punkt-Linie kennzeichnet den Verlauf für den Fall einer hohen geforderten Datenübertragungsrate, bei welchem eine große Bandbreite BB bereitgestellt wird und bei welchem der Leistungsverbrauch PDC hoch ist. Der Fall einer nur geringen Datenübertragungsrate stellt die Strich-Punkt-Line dar, welcher durch eine geringe Bandbreite BB und einen geringen Leistungsverbrauch PDC gekennzeichnet ist. Der Verstärkungsverlauf kann auch jeden beliebigen Verlauf zwischen diesen beiden Grenzwerten BBmin und BBmax annehmen.
  • In der Fig. 2 ist eine Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel eines Laserdiodentreibers gezeigt, wie er üblicherweise im Bereich der Kommunikationstechnik eingesetzt wird.
  • Bei diesem Laserdiodentreiber handelt es sich im Wesentlichen um die bereits oben beschriebenen allgemeinen Verstärkerstufen. Analog dazu erfolgt auch die adaptive Steuerung.
  • Der Betrieb dieses Treibers für den Fall eines hohen Leistungsbedarfs, also einer hohen benötigten Datenrate, erfolgt wie in dieser Grundschaltung üblich mit dem maximalen Strom ISS und somit der maximalen Bandbreite BB und dem maximalen Leistungsverbrauch PDC wie bereits zur Fig. 1a und 1b ausgeführt.
  • Für den Fall, dass eine niedrige Datenrate ausreichend ist, kann auch hier die Bandbreite BB des Laserdiodentreibers verringert werden. Durch eine Reduzierung des Versorgungstromes ISS über die dargestellte variable Stromquelle erfolgt ein Absenken des Leistungsverbrauchs PDC des Laserdiodentreibers.
  • Durch die Verringerung des Stromes ISS wird die Transkonduktanz gm, welche sich proportional zur Bandbreite BB verhält, abgesenkt. Als positiver Seiteneffekt wird proportional auch das Rauschen verringert. Jedoch fällt gleichzeitig auch die Spannungs- (|A|≈gmRD) bzw. Differenzverstärkung (|Adiff|≈gmRD/2) mit sinkendem gm ab. Dies kann durch die Erhöhung der Lastwiderstände RD wieder entsprechend kompensiert werden, was ein konstantes Ausgangspotenzial der Schaltungen bei gleichbleibender Spannungsverstärkung A bewirkt. Die Erhöhung der Lastwiderstände RD erzeugt wiederum den positiven Nebeneffekt, dass sich die Bandbreite BB weiter verringert.
  • In der Fig. 3a ist eine Schaltungsanordnung eines Transimpedanzverstärkers gezeigt, bei welcher das erfindungsgemäße Verfahren zur adaptiven Leistungssteuerung zu Anwendung kommt.
  • Auch bei dieser Schaltung kann der Versorgungsstrom ISS verringert werden, wenn niedrige Datenraten bei der Datenübertragung ausreichend sind. Mit der Verringerung des Stroms ISS verringert sich gleichzeitig die Bandbreite BB, welche durch die
    Beziehung 1/(Verstärkereingangsimpedanz Ri.
    Photodiodenkapazität CD) gegeben ist.
  • Die Eingangsimpedanz Ri ≈ RF/(1+gmRD) wiederum hängt maßgeblich von der Transkonduktanz gm ab, welche ebenfalls mit sinkendem Strom ISS abfällt. Als positiver Seiteneffekt wird auch das Rauschen verringert, welches sich proportional zu gm und zur Bandbreite verhält. Durch die Verringerung des Versorgungsstromes ISS sinkt der Leistungsverbrauch PDC des Transimpedanzverstärkers drastisch ab.
  • Falls es durch die Veränderung des Arbeitspunktes zu einer Verringerung der effektiven Transimpedanzverstärkung rT = RF kommt, kann dies durch eine Vergrößerung des Rückkoppelwiderstandes RF kompensiert werden. Der Rückkoppelwiderstand RF kann beispielsweise mittels eines schaltbaren Widerstandsnetzwerkes, steuerbaren passiven resistiven Feldeffekttransistors oder mittels einer aktiven induktiven Last variabel realisiert werden.
  • Die Fig. 3b zeigt die zur Transimedanzverstärkeranordnung aus Fig. 3a zugehörigen Verstärkungs-Frequenz-Verläufe.
  • Die Punkt-Punkt-Linie stellt den Verstärkungsverlauf bei einem maximalen Versorgungsstromes ISS also bei maximaler Datenübertragungsrate dar. Die Strich-Punkt-Linie den Verstärkungsverlauf bei einem minimalen Versorgungsstromes ISS also bei minimaler Datenübertragungsrate. Der Verstärkungsverlauf kann auch jeden beliebigen Verlauf zwischen den beiden Grenzwerten BBmin und BBmax annehmen.
  • In der Fig. 4a ist die Umsetzung des Verfahrens an einem Spannungs- und Begrenzungsverstärker mit serieller Rückkopplung gezeigt. Die Figur 4b zeigt den zur Anordnung in Fig. 4a zugehörigen Verlauf der Spannungsverstärkung A in Abhängigkeit der Frequenz f in der bereits zur Fig. 1c beschriebenen Weise dar.
  • Analog zum Transimpedanzverstärker in der Fig. 3a wird durch die Verringerung des Versorgungstroms Iss, die Transkonduktanz gm, die Bandbreite BB ∼ 1+gmRs/2 und schließlich der Energieverbrauch PDC der Schaltung reduziert. Aufgrund der Gegenkopplung verändert sich die Spannungsverstärkung A nicht, solange gmRs/2 » 1 gilt. Bei Bedarf kann die Spannungsverstärkung und andere Schaltungsparameter zusätzlich durch die Steuerung von RS oder RD eingestellt werden.
  • In der Fig. 5 wird eine Umsetzung des Verfahrens an einem Oszillator dargestellt. Dieser Oszillator weist mehrere Phasen für Sub-Datenraten auf, wobei gilt fck = Datenrate/3. Oszillatoren sind ebenfalls ein wesentlicher Bestandteil in Schaltungen und Systemen zur Datenübertragung. Sie werden vor allem bei der Ansteuerung von Multiplexern/Demultiplexern und in Takt- und Datenrückgewinnungsschaltungen verwendet. Dieses Schaltungsbeispiel entspricht einem mehrstufigen Differenzverstärker, wie oben beschrieben wurde.
  • Sinkt die Datenlast einer Kommunikationsverbindung ab und wird daraufhin die Bandbreite BB des Systems wie oben beschrieben verringert, um Energie zu sparen. In diesem Fall ist dann auch eine Reduktion der Taktfrequenzen fck, welche durch den Oszillator erzeugt werden, möglich. Dies geschieht ebenfalls analog zu den bereits beschriebenen Verfahren.
  • So kann der Oszillator beispielsweise mit einer maximalen Frequenz von 18,7 GHz bei maximaler Datenübertragungsrate betrieben werden. Durch eine Verringerung eines Versorgungstroms Iss kann diese Frequenz bis auf einen Minimalwert von beispielsweise 2,7 GHz abgesenkt werden.
  • Der sinkende Strom ISS bewirkt wieder eine Verringerung der Transkonduktanz gm. Mittels einer Vergrößerung des Lastwiderstände RD wird die Spannungsverstärkung A der Anordnung konstant gehalten, da A ∼ gm RD & Vout ist und die Beziehung fck ∼ 1/(RDC) gilt.
  • Zusätzlich zur verfahrensgemäßen Regelung des Stroms ISS kann eine weitere adaptive Arbeitspunktanpassung auch durch eine zusätzliche Steuerung der Versorgungsspannungen VDD erreicht werden, wie sie in einigen Systemen bereits zur Anwendung kommt.
  • Eine adaptive Steuerung der einzelnen Komponenten ermöglicht generell die Anpassung ihrer Leistungsfähigkeit an den aktuellen, tatsächlichen Leistungsfähigkeitsbedarf. Dadurch wird eine Senkung bzw. Dynamisierung des Energieverbrauchs beim Betrieb des elektronischen Systems insbesondere des Kommunikationssystems erreicht, was in Anbetracht des stetig steigenden Bandbreitenbedarfs und der stetig steigenden Anzahl von Verbindungen eine immer größere Bedeutung gewinnt. Mit einer verringerten Systemperformanz wird gleichzeitig weniger Verlustwärme erzeugt. Dadurch müssen die Systeme weniger gekühlt werden, was wiederum zu einer weiteren Senkung des Energieverbrauchs führt. Damit leistet die Erfindung einerseits einen entscheidenden Beitrag zur Reduzierung der CO2-Emmission durch elektronische Systeme und Komponenten insbesondere durch Nachrichten-übertragungssysteme. Zum anderen besitzt die Erfindung ein enormes Potential zur Einsparung von Energie- bzw. Betriebskosten (in der Größenordnung von Milliarden € innerhalb Europas) für solche Systeme.
  • Bei der Anwendung der Methoden in der Kommunikationstechnik wird durch die Reduzierung des Versorgungsstromes und die damit verbundene verringerte Bandbreite außerdem ein viel geringeres Rauschen der Schaltungen erzielt. Zusätzlich können durch eine adaptive Widerstandssteuerung die Schaltungsparameter auch hinsichtlich der Übertragungseigenschaften wie beispielsweise der Bitfehlerrate der Verbindungen optimiert werden.
  • Ein weiterer großer Vorteil der Erfindung ist, dass die vorgestellten Verfahren für jegliche elektronische Systeme insbesondere zur Datenübertragung verwendet werden können.
  • So ist die Erfindung innerhalb der Kommunikationstechnik beispielsweise sowohl in Weitverkehrs-Telekommunikationsnetzen als auch bei kurzen Verbindungen in Daten- und Rechenzentren sowie Hochleistungsrechensystemen einsetzbar.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Steuerung oder Regelung eines Energiebedarfs und/oder einer Leistungsfähigkeit einer elektronischen Schaltung, bei welchem in Abhängigkeit eines vorgegebenen Energiebedarfs oder einer vorgegebenen Leistungsfähigkeit die elektronische Schaltung gesteuert oder geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung oder Regelung des Versorgungsstroms ISS der elektronischen Schaltung zur Regelung eines Energiebedarfs und/oder einer Leistungsfähigkeit der elektronischen Schaltung in Abhängigkeit einer vorgegebenen Datenübertragungsrate der elektronischen Schaltung mittels einer steuer- oder regelbaren Stromquelle erfolgt und dass eine Kompensation einer durch eine Änderung des Versorgungsstroms ISS bedingten Verschiebung des Ausgangspotenzials der Schaltung unter Verwendung einer abgespeicherten Tabelle erfolgt, wobei in dieser Tabelle zu verschiedenen Anforderungen an eine Datenübertragungsrate jeweils zugeordnete Werte für den Versorgungsstrom ISS und Werte zur Anpassung des Lastwiderstands und/oder des Rückkoppelwiderstands hinterlegt sind.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensation einer durch eine Änderung des Versorgungsstroms bedingten Verschiebung des Ausgangspotenzials mittels steueroder regelbarer Widerstände erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensation einer durch eine Änderung des Versorgungsstroms bedingten Verschiebung des Ausgangspotenzials mittels steuer-oder regelbarer Rückkoppelwiderstände innerhalb der elektronischen Schaltung erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensation einer durch eine Änderung des Versorgungsstroms bedingten Verschiebung des Ausgangspotenzials mittels einer Anpassung des Lastwiderstands der elektronischen Schaltung erfolgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung des Lastwiderstands und/oder des Rückkoppelwiderstands mittels verschiedener zu- und abschaltbarer Zweige eines Widerstandsnetzwerkes erfolgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung des Lastwiderstands und/oder des Rückkoppelwiderstands mittels einer Regelung erfolgt, welche die Verschiebung des Ausgangspotenzials der Schaltung erfasst und mit einem vorgegebenen Toleranzbereich vergleicht.
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