NL192168C - Referentie-keten. - Google Patents

Description

1 192168

Referentie-keten

De uitvinding heeft betrekking op een refeientieketen met geschakelde condensator voor het in hoofdzaak temperatuurongevoelig houden van de transconductantie van variabele transconductantie-elementen.

5 Een dergelijke referentieketen is beschreven in de internationale octrooiaanvrage WO-A-8.202.806.

Het is bekend op grote schaal geïntegreerde (LSI)-ketens op een enkel halfgeleiderplaatje te vervaardigen onder gebruik van normale metaal-oxide-halfgeleider-(MOS)-vervaardigingsmethoden. In de MOS-technologie worden dichte stelsels van veldeffect-transistor-(FET)-inrichtingen en condensatoren met kleine waarde en hoge kwaliteit op een eenvoudige wijze gerealiseerd. De gebruikelijke gediffundeerde of 10 polysilicum-weerstandselementen, die in een MOS-plaatje worden gevormd, nemen echter een ongewenst groot deel van het beschikbare oppervlak van het plaatje in beslag. Bovendien zijn deze elementen temperatuurgevoelig. Wanneer de temperatuur van het plaatje verandert, verandert ook de weerstands-waarde van deze elementen. Op hun beurt kunnen deze door de temperatuurveranderingen veroorzaakte veranderingen de bedrijfskarakteristieken van LSI-ketens, zoals nauwkeurige actieve filters, op een 15 schadelijke wijze beïnvloeden.

Het is verder bekend, dat een MOSFET-inrichting als een spanningsbestuurde weerstand voor zwakke signalen met elke willekeurige polariteit kan worden gebruikt. De weerstand van een dergelijke inrichting varieert eveneens echter met de temperatuur. Derhalve zijn zelfs voor een werking met zwakke signalen de MOSFET-inrichtingen, zoals deze tot dusverre zijn voorgesteld, niet geschikt om te worden toegepast bij 20 gevallen met grote nauwkeurigheid, waarin weerstanden die gekenmerkt zijn door een grote ongevoeligheid voor temperatuurvariaties, nodig zijn.

Er bestaat aldus een behoefte aan middelen voor het in hoofdzaak temperatuurongevoelig houden van de transconductantie van variabele transconductantie-elementen.

Er is een aantrekkelijke benadering voor het verschaffen van temperatuur-ongevoelige weerstands-25 elementen met klein oppervlak bij MOS-plaatjes. Deze benadering is gebaseerd op het nastreven van een resistief gedrag door het gebruik van geschakelde condensatormethoden. Het toepassen van deze methoden bij bijvoorbeeld het ontwerp van actieve filters met grote nauwkeurigheid is bekend en is bijvoorbeeld door R. W. Brodersen, P. R. Gray en D. A. Hodges beschreven in "MOS Switched-Capacitor Filters”, Proceedings of IEEE, Vol. 67, pag. 61-75, januari 1979. De bedrijfskarakteristieken van deze filters 30 worden bepaald door zeer stabiele kristalbestuurde klokfrequenties en condensatorverhoudingen.

De temperatuurcoëfficient van een MOS-condensator is typerend bijzonder gering. Het is verder bekend, dat de temperatuurcoëfficient van condensatorverhoudingen nog lager ligt. In de praktijk is de variatie met de temperatuur van MOS-condensatometwerken derhalve zo gering, dat deze in bijna alle gevallen insignificant is. Derhalve vormen geschakelde MOS-condensatoren een gunstige basis voor het realiseren 35 van LSI-ketens met grote nauwkeurigheid, die in hoofdzaak temperatuurongevoelig zijn. De keten zoals beschreven in de genoemde publicatie WO-A-8.202.806 is, voor gebruik in een referentiespanningsbron, gebaseerd op dit principe.

Een keten zoals een geschakeld condensatorfilter is in wezen een steekproefinformatienetwerk. Derhalve moeten signalen, welke daaraan worden toegevoerd, eerst wat bandbreedte betreft worden beperkt. Dit 40 geschiedt bijvoorbeeld door gebruik te maken van een zgn. anti-aliasfilter, dat een filter van het continue-signaaltype is. Dit anti-aliasfilter is representatief voor LSI-ketens, welke niet kunnen worden gerealiseerd onder gebruik van een geschakelde condensatormethode. Voor deze ketens geldt een vraag naar een andere weg dan de geschakelde condensatorbenadering voor het realiseren van temperatuurgevoelige weerstanden met klein oppervlak.

45 Bovendien wordt, ofschoon de bovenbeschreven geschakelde condensatormethoden, wanneer deze bijvoorbeeld worden toegepast bij filteren, gunstig zijn in het audiofrequentiegebied, het gebruik van deze methoden bij hogere frequenties lastiger en kan dit leiden tot een ongewenst hoog niveau van schakelruis. Derhalve bestaat meer in het bijzonder voor een werking bij hoge frequenties een vraag naar een substituut met geringe ruis voor geschakelde condensatoren bij belangrijke toepassingen, zoals filteren. Het is 50 duidelijk, dat voor dergelijke toepassingen een temperatuurongevoelig element van gering oppervlak en met een continue transconductantie een bijzonder gunstige component zou zijn.

Volgens de uitvinding wordt dit probleem opgelost doordat een referentieketen van de in de aanhef vermelde soort wordt gekenmerkt door een primair variabel transconductie-element waardoorheen een eerste stroom vloeit, een condensator, een eerste schakeling voor het afwisselend laden en ontladen van de 55 condensator om een tweede stroom door de condensator op te wekken, een tweede schakeling die verbonden is met het primaire element en met de eerste schakeling voor het opwekken van een stuur-spanning in reactie op de som van de eerste en tweede stromen, een geleider om de stuurspanning aan te 192168 2 leggen aan het primaire element om zo de transconductantie van het primaire element en derhalve de eerste stroom bij te regelen, een en ander zodanig dat veranderingen in de transconductantie van het primaire element ten gevolge van temperatuuivariaties tegengewerkt worden door veranderingen in de transconductantie ten gevolge van stuurspanningsvariaties.

5

De uitvinding zal onderstaand nader worden toegelicht onder verwijzing naar de tekening. Daarbij toont: figuur 1 een gegeneraliseerde schematische afbeelding van een geschakelde-condensator-conductantieregeling van variabele transconductantie-elementen volgens de uitvinding; figuur 2 een bepaalde illustratieve uitvoeringsvorm van figuur 1, waarbij elk variabel element een enkele 10 MOSFET-inrichting omvat; figuur 3 een tijddiagram, dat klokpulsen toont, welke worden gebruikt om de werking van de in figuren 1, 2, 5 en 6 afgebeelde uitvoeringsvormen te besturen; figuur 4 twee MOSFET-inrichtingen, die op een normale wijze met elkaar zijn verbonden voor het vormen van een bekend differentiaalpaar, 15 figuur 5 een stroomspiegel, die in een geschakelde-condensator-conductantiebesturingslus is verbonden op een wijze, waarbij constante ruststromen worden onderhouden; figuur 6 een illustratieve uitvoeringsvorm, waarbij een geschakelde-condensatorbesturingslus wordt gebruikt voor het opwekken van mststromen, die op hun beurt worden gebruikt om de transconductanties van differentiaalparen constant te houden; 20 figuur 7 een blokschema van een bijzonder gunstig variabel transconductantie-element, dat geschikt is om te worden opgenomen in de afbeelding volgens figuur 1; en figuur 8 een specifieke, illustratieve geheel uit MOSFET bestaande uitvoeringsvorm volgens figuur 7.

In deze beschrijving zal de uitdrukking ’’transconductantie” in algemene zin worden gebruikt voor het 25 omvatten van zowel transconductantie als zelf-conductantie

Ter illustratie zal worden aangenomen, dat de hierna te beschrijven configuraties zijn uitgevoerd als geïntegreerde ketens en wel onder gebruik van normale vervaardigingsmethoden, die op zichzelf bekend zijn. Aangenomen wordt, dat elk van deze configuraties, bijvoorbeeld de basisuitvoeringsvorm volgens figuur 1, op een enkel plaatje aanwezig is. Bij wijze van voorbeeld verdient het de voorkeur dergelijke plaatjes te 30 vervaardigen onder gebruik van de normale complementaire-metaal-oxide-halfgeleider (CMOS)-technologie. In de CMOS-technologie wordt een dicht stelsel voorzien van MOSFET-inrichtingen met slechts n-kanaal en p-kanaal condensatoren met grote kwaliteit en geringe waarde (kleiner dan ongeveer 100 picofarad) op een eenvoudige wijze met een betrekkelijk eenvoudig vervaardigingsproces verkregen.

Bij de in figuur 1 afgebeelde basisconfiguratie, is de transconductatie van ee primair variabel 35 transconductantie-element 10, gevormd in een geïntegreerd ketenplaatje 11, in wezen aangepast aan de conductantie van een bekende geschakelde condensator. Hierna zullen verschillende specifieke illustratieve uitvoeringsvormen van het element 10 worden beschreven.

De geschakelde-condensator volgens figuur 1 omvat een condensator 12, waarvan de waarde C1 picofarad bedraagt. Ter illustratie is de condensator met bijbehorende geklokte schakelaars 14-17 en een 40 referentiespanning 18 op de aangegeven bepaalde wijze verbonden. De bepaalde afgebeelde geschakelde-condensator is een bijzonder gunstige condensator, welke gekenmerkt is door een grote ongevoeligheid voor de invloed van parasitaire capaciteiten, ais beschreven door K. Martin en A. S. Sedra in ’’Strays-Insensitive Switched-Capacitor Filters Based on Bilinear Z-Transform”, Electronics Letters, Vol 15, No. 13, pag. 365-366, 1979.

45 Bij wijze van voorbeeld omvat elk van de schakelaars 14-17 (figuur 1) een enkele MOSFET-inrichting, die op gebruikelijke wijze als een IN-UIT-schakelaar wordt bedreven door stuurpulsen, welke daaraan vanuit een hoofdklokketen 20 worden toegevoerd. Van de keten 20, waarvan de werking is gebaseerd op een zeer stabiele, kwarts-bestuurde standaardeenheid, wordt aangenomen, dat deze in hoofdzaak temperatuur-ongevoelig is.

50 De uitgangssignalen van de hoofdklokketen 20 bestaan uit pulsreeksen P1, P2 en P3, als aangegeven in figuur 3. In responsie op en tijdens de duur van elke P1-puls, worden de schakelaars 14 en 15 elk gesloten. In de andere gevallen zijn de schakelaars 14 en 15 open, als aangegeven in figuur 1. Op een soortgelijke wijze worden in responsie op en tijdens de duur van elke P2-puls de schakelaars 16 en 17 elk gesloten. De pulsreeks P3 wordt gebruikt voor het besturen van de walking van de schakelaar 22, waarvan de functie 55 later zal worden beschreven, in figuur 3 stelt T de klokperiode van de aangegeven pulsen voor.

Wanneer de schakelaar 16 volgens figuur 1 wordt gesloten, verbindt deze de condensator 12 met het knooppunt 24. Op zijn beurt is het knooppunt 24 direct verbonden met de niet-inverterende ingangsklem 26 3 192168 (virtuele aarde) van een normale operationele versterker 28. De versterker 28 vormt in combinatie met de condensator 30 (waarvan de waarde is aangegeven met C2) een standaardintegrator, zoals op zichzelf bekend is.

Van het uitgangssignaal van de in figuur 1 afgebeelde integrator worden periodiek steekproeven 5 genomen en het uitgangssignaal wordt via de schakelaar 22 toegevoerd aan een uitgangscondensator 32. De spanning, die over de condensator 32 optreedt, dient als een stuurspanning, welke via de geleider 34 wordt gevoerd om de transconductantie van het variabele transconductantie-element 10 op een vooraf gespecificeerde waarde te brengen en te houden. Dezelfde stuurspanning wordt via de geleider 36 toegevoerd aan een aantal andere of secundaire variabele transconductantie-elementen, die in het plaats 10 11 aanwezig zijn. Twee van deze andere elementen 38 en 40 zijn aangegeven in figuur 1. Deze andere elementen zijn óf identiek aan óf veihoudingstegenhangers van het primaire element 10. Bij wijze van voorbeeld zijn de elementen 38 en 40 componenten van een continu actief filter, dat eveneens in het plaatje 11 is gevormd.

De werking van de keten volgens figuur 1 begint op het tijdstip to (figuur 3) wanneer een puls P1 aan de 15 schakelaars 14 en 15 wordt toegevoerd. Hierdoor wordt de condensator 12 over de referentiespanning 18 verbonden. De waarde van de referentiespanning is hier aangegeven als VR. Derhalve wordt de condensator 12 geladen tot de spanning VR. Vervolgens wordt op het tijdstip t1 een puls P2 aan de schakelaars 16 en 17 toegevoerd. Hierdoor wordt de condensator 12 met de capaciteit C1 met het knooppunt 24 verbonden. Door het ontladen van de condensator 12 over de schakelaar 17 naar aarde treedt een overeenkom-20 CiVR .

stige ladingsstroom of stroom j— uit het knooppunt 24 naar de concensator 12 op. Dientengevolge neemt

ClVn de spanning op de uitgangsklem 44 van de versterker 28 met een increment — toe.

Op het tijdstip t2 (figuur 3) veroorzaakt een puls P3, dat de zojuist geïncrementeeide uitgangsspanning 25 van de versterker 28 wordt toegevoerd aan en opgeslagen in de condensator 32. Wanneer deze opgesta-gen waarde toeneemt, neemt de transconductantie van het element 10 toe, waardoor meer stroom naar het knooppunt 24 wordt gevoerd. Door deze stroom wordt de uitgangsspanning van de operationele versterker verlaagd. Derhalve treedt in de weergegeven keten een negatief terugkoppeleffect op. In de constante toestand is de waarde van de stroom, die door het transconductantie-element 10 naar het knooppunt 24 30 wordt gevoerd, gelijk aan Gy^-Vp, waarbij G^ de transconductantie van het element 10 is.

In de constante toestand zijn de twee bovengenoemde processen n.l. de discrete ladingsafvoer uit de integrator via de geschakelde-condensator en de continue ladingstoevoer aan de integrator vanuit het element 10 met elkaar in evenwicht. Het is significant, dat een eventuele evenwichtsverstoring tussen deze twee processen veroorzaakt, dat de uitgangsspanning van de integrator verandert teneinde de ladings-35 evenwichtstoestand te herstellen.

In de ladingsevenwichtstoestand is de stroom vanuit het knooppunt 24 (figuur 1) naar de geschakelde-condensator gelijk aan de stroom, welke vanuit het variabele transconductantie-element 10 naar het knooppunt 24 vloeit. Zoals boven is gespecificeerd, zijn de waarden van deze stromen respectievelijk

C V

40 —en Gvte · Vr. Derhalve is in de constante evenwichtstoestand C1VR _ r w /«x —γ Gvte . Vr (1) welke wordt gereduceerd tot 45 T= Gvte · (2)

Derhalve blijkt, dat de transconductantie van het primaire element 10 is aangepast aan de conductantie van de geschakelde condensator. Deze conductantie wordt uitsluitend bepaald door de capaciteit van de condensator 12 en de klokperiode T, die beide in hoofdzaak temperatuurongevoelig zijn.

Bovendien wordt de spanning, welke aan het primaire element 10 van figuur 1 wordt toegevoerd om de 50 transconductantie daarvan te regelen, ook toegevoerd aan de secundaire elementen 38 en 40. Derhalve worden de transconductanties van deze secundaire elementen daardoor eveneens elk aangepast aan de conductantie van de geschakelde-condensator. de tijdconstanten van continue filters, die de elementen 38, 40 (en bijbehorende condensatoren) omvatten, zijn derhalve slechts evenredig met het product van de klokperiode T en de verhouding van C, tot de filtercapaiteiten.

55 Wanneer de temperatuur van het plaatje 11 (figuur 1) verandert, wordt verondersteld, dat alle daarop aanwezige componenten, inclusief de elementen 10,38 en 40, aan in hoofdzaak dezelfde temperatuur-variatie worden onderworpen. Indien derhalve bijvoorbeeld de temperatuur van het plaatje 11 toeneemt, 192168 4 heeft de vooraf gespecificeerde transconductantie van het primaire element 10 de neiging om af te nemen. Doch wanneer deze afneemt, verandert de stuurspanning, welke via de geleider 34 aan het element 10 wordt toegevoerd, waardoor de transconductantie van het element 10 op de vooraf gespecificeerde waarde wordt gehouden. Op een soortgelijke wijze worden de transconductanties van de secundaire elementen 38 5 en 40 daardoor eveneens op hun respectieve, vooraf gespecificeerde waarden gehouden.

Er zijn verschillende specifieke illustratieve uitvoeringsvormen mogelijk voor de in figuur 1 afgebeelde variabele transconductantie-elementen 10, 38 en 40. Bij een dergelijke uitvoeringsvorm, omvat elk van deze elementen een enkele MOSFET-inrichting. Een plaatje 50, dat een uit een enkele MOSFET bestaand primair element 52 en uit enkele MOSFET bestaande secundaire elementen 54 en 56 omvat, welk plaatje 10 volgens de uitvinding is vervaardigd, is schematisch weergegeven in figuur 2. De andere componenten in figuur 2 zijn identiek aan de overeenkomstige elementen van figuur 1 en zijn derhalve van dezelfde verwijzingen voorzien.

Bij wijze van voorbeeld is eik van de MOSFET's 52, 54 en 56, weergegeven in figuur 2, een standaardinrichting met n-kanaal. Volgens de uitvinding wordt elke inrichting in een niet-verzadigde zwakke-15 signaalmodus bedreven bij een in hoofdzaak lineair gedeelte van de spanningstroomkarakteristiek daarvan. De inrichtingen zijn óf identiek aan elkaar, óf zijn verhoudingsversies van elkaar. Ter illustratie zijn de lengten van de weergegeven inrichtingen dezelfde, doch verschillen de breedten daarvan teneinde verschillende bepaalde transconductanties te realiseren.

Uit een enkele MOSFET bestaande elementen vertonen een beperkt dynamisch gebied voor ingangs-20 signalen en een betrekkelijk slechte harmonische-vervormingskarakteristiek. Derhalve zijn andere praktische uitvoeringsvormen voor deze elementen gewenst. Bij een dergelijke andere uitvoeringsvorm wordt gebruik gemaakt van z.g. differentiaalparen van MOSFET-inrichtingen, zoals later zal worden beschreven.

Eerst toont, bij wijze van achtergrond, figuur 4 een normale differentiaal-paarschakeling. De schakeling omvat twee identieke MOSFET-inrichtingen 60 en 62, welke worden voorgespannen door een stroom 21, die 25 door een MOSFET-inrichting 65 wordt geleverd. Ter illustratie zijn deze inrichtingen alle van het n-kanaaltype en worden zij elk voorgespannen om in het verzadigingsgebied te werken. In de rusttoestand, d.w.z. in afwezigheid van een spanningsverschil tussen de poortelektroden van de inrichtingen 60 en 62, wordt de mststroom 21 gelijkelijk tussen de afvoer-toevoerbanen van de inrichtingen 60 en 62 verdeeld.

Aangenomen wordt, dat een spanningssignaal v met kleine amplitude tussen de poortelektroden van de 30 inrichtingen 60 en 62 wordt aangelegd, als aangegeven in figuur 4. In responsie daarop neemt de stroom in de afvoer-toevoerelektrodebaan van de inrichting 60 toe met een bedrag i, terwijl de stroom in de afvoer-toevoerelektrodebaan van de inrichting 62 met hetzelfde bedrag i afneemt. Evenals tevoren is de stroom in de geleider 64 gelijk aan 21.

Voor het in figuur 4 afgebeelde differentiaalpaar is het bekend, dat 35 i = Vkïv, (3) waarbij k een temperatuur-afhankelijke parameter is, welke bij elke FET behoort. Derhalve wordt de incrementale transconducantie GDP voor zwakke signalen van het differentiaalpaar gegeven door: GDP = Vïd (4)

Bij talrijke van praktisch belang zijnde toepassingen bestaat er een vraag naar het opwekken van ruststro-40 men, die in hoofdzaak onafhankelijk van de temperatuur zijn. Bij de in figuur 5 afgebeelde keten wordt dit verkregen mits de referentiebron 18 in hoofdzaak temperatuur-ongevoelig is. Dergelijke bronnen zijn beschikbaar. Een voorbeeld van een dergelijke beschikbare bron is de bekende energiesprongreferentie.

Volgens de uitvinding is een inrichting, welke bestemd is voor het onderhouden van een constante stroom I, die in elk van de geleiders 66 en 68 vloeit, afkomstig uit de respectieve afvoerelektroden van een 45 standaardstroomspiegel, welke inrichtingen 70 en 72 een p-kanaal omvat, weergegeven in figuur 5. De stroom is de geleider 68 van figuur 5 naar het knooppunt 24 wordt gegeven door \=ψ (5)

Zoals reeds eerder is aangegeven, zijn C1 en T in hoofdzaak temperatuur-ongevoelig. Bovendien zijn 50 zeer stabiele, in hoofdzaak temperatuur-ongevoelige spanningsreferenties bekend. Indien derhalve ten gevolge van temperatuurvariaties de stroom I de neiging heeft om ten opzichte van de vooraf gespecificeerde waarde daarvan te veranderen, verandert de spanning over de condensator 32 op een compenserende wijze om de poortelektrodespanning van de MOSFET -inrichting 74 met n-kanaal te wijzigen. Hierdoor wordt op zijn beurt de stroom in elk van de geleiders 66 en 68 op de vooraf gespecificeerde waarde 55 gehouden.

Het verdient de voorkeur, dat de spanning, welke wordt gebruikt voor het besturen van de MOSFET-inrichting 74 van figuur 5, ook wordt toegevoerd aan de poortelektroden van de inrichtingen 76 en 78. De 5 192168 inrichtingen 76 en 78 zijn identieke of verhoudingsversies van de inrichting 74. Derhalve wordt de stroom in de afvoer-toevoerelektrodebaan van elk van de inrichtingen 76 en 78 daardoor ook constant gehouden.

Deze stromen kunnen bijvooibeeld ruststromen vormen, welke in een bijbehorende (niet-afgebeelde) schakeling met grote nauwkeurigheid op het plaatje 80 worden gebruikt. Op deze wijze worden deze 5 ruststromen onafhankelijk van temperatuurveranderingen constant gehouden.

Bovendien is onderkend, dat indien de door de in figuur 5 afgebeelde onafhankelijke spanningsbron 8 geleverde constante spanning VR wordt vervangen door een afhankelijke spanningsbron, gedefinieerd door vr = Vr* <6> 10 de transconductanties van samenwetkende differentiaalparen constant kunnen worden gehouden. Dit blijkt, indien vergelijking (6) voor VR in vergelijking (5) wordt gesubstitueerd. De substitutie levert vH = % (7)

Zoals echter boven reeds is opgemerkt, is 15 gdp = VE (8)

Derhalve is

Gqp = ~ψ~· (9)

Het blijkt derhalve, dat een geschakelde-condensatoroonductantieregeling van de transconductantie van 20 een differentiaalpaar kan worden verkregen.

Een specifieke illustratieve keten voor het leveren van een referentiespanning VR, als bepaald door vergelijking (6), is in figuur 6 binnen de gestippelde rechthoek 82 van het plaatje 84 aangegeven. De keten, welke MOSFET-inrichtingen 85-88 omvat, levert in het knooppunt 90 een spanning VR, bepaald door vergelijking (6). Zoals bekend, is een z.g. standaardstartketen (niet afgebeeld) nodig om de werking van de 25 afhankelijke spanningsbron 82, weergegeven in figuur 6, in te leiden.

In figuur 6 is de MOSFET-inrichting 85 met p-kanaal, die in de spanningsreferentieketen 82 aanwezig is, identiek aan de twee aangepaste inrichtingen 70 en 72 met p-kanaal. Ter illustratie zijn de inrichtingen 86 en 87 met n-kanaal in de spanningsreferentieketen zodanig ontworpen, dat de lengten daarvan dezelfde zijn, doch de breedte van de inrichting 87 ongeveer viermaal zo groot is als de breedte van de inrichting 86. 30 Verder is de inrichting 88 ook met n-kanaal in de spanningsreferentieketen zodanig ontworpen, dat deze een identieke of vertioudingsversie van de inrichtingen 92-94, welke op het plaatje 84 aanwezig zijn, is.

De inrichtingen 93 en 94, weergegeven in figuur 6, worden gebruikt voor het voorspannen van differentiaalparen, die op het plaatje 84 aanwezig zijn. Het is van belang, dat deze stromen worden bestuurd door het geschakelde-condensatorstelsel, als aangegeven, teneinde de transconductanties van de 35 0 differentiaalparen elk evenredig te maken met de conductantie y- van de geschakelde-condensator. Op deze wijze worden de transconductanties van de differentiaalparen in de praktijk in hoofdzaak temperatuur-ongevoelig gehouden.

De boven gespecificeerde differentiaalparen, die op de beschreven wijze worden bestuurd, zijn in het 40 algemeen gunstig vergeleken met de uit een enkele MOSFET bestaande inrichtingen van het in figuur 5 afgebeelde type. Voor een groot aantal verschillende praktische toepassingen, die van commercieel belang zijn, vertonen differentiaalparen echter niet een voldoend groot dynamisch gebied voor ingangssignalen en evenmin een voldoend geringe vervorming om aantrekkelijk te worden geacht.

De uitvinding voorziet in een gunstig variabel transconductantie-element met verbeterde karakteristieken 45 ten opzichte van enkele MOSFETs en differentiaalparen. Een blokschema-afbeelding van dit verbeterde element vindt men in figuur 7. De rechthoek 96 in figuur 7 vormt een specifieke illustratieve voorstelling van elk van de elementen 10, 38 en 40, welke bij de inrichting volgens figuur 1 zijn aangegeven.

Het in figuur 7 afgebeelde element omvat slechts een aantal MOSFET-inrichtingen met n-kanaal en p-kanaal, die eik individueel een kwadratische stroom-spanningskarakteristiek voor ingangssignaalzwaaien 50 met groot dynamisch gebied (bijvoorbeeld 3 V) vertonen. Door gebruik te maken van het bekende kwart-kwadraat-principe, worden volgens de uitvinding dergelijke kwadratische inrichtingen individueel gecombineerd voor het vormen van een inrichting, welke voorziet in een uitgangsstroom i0, die lineair evenredig is met het product van een ingangsbesturingsspanning ve en een signaalspanning v met een groot dynamisch gebied.

55 Het element volgens figuur 7 omvat een rechthoek 98, welke spanningsspiegeis en optel/ aftrekschakelingen omvat. In de rechthoek 98 worden de inwendig opgewerkte spanningen vc1 en vc2 gedefinieerd door 192168 6 ν0ι-ν02ανο (10) waarbij cc het evenredigheidssymbool is. De spanning vc1 is de gemeenschappelijke moduscomponent van v, en v2 en vc2 is de gemeenschappelijke moduscomponent van v3 en v4, waarbij v, α vc1 + v, (11) 5 v2 av^-v, (12) ν3ανώ + v, (13) en v4avc2-v. (14)

Zoals aangegeven in figuur 7, zijn de uitgangssignalen van de rechthoek 98 de boven gespecificeerde 10 spanningen v·,, v2, v3 en v4. Deze spanningen worden respectievelijk toegevoerd aan kwadrateerketens 100-103, die elk zijn voorzien van een enkele MOSFET-inrichting. De respectieve uitgangssignalen van de ketens 100-103 zijn stromen!,, i2, i3 en i4, welke worden gedefinieerd door »1 o (vc1 + v)2, (15) i2 α (vci - v)2, (16) 15 i3a (vc2 + v)2, (17) en »4«(vc2“v)2. 08)

De uitgangsstromen i1 en i4 worden in het knooppunt 104 bij elkaar opgeteld en toegevoerd aan de positieve ingangsklem van een aftrekinrichting 106, terwijl de uitgangsstromen i2 en i3 in het knooppunt 108 20 bij elkaar worden opgeteld en aan de negatieve ingangsklem van de aftrekinrichting 106 worden toegevoerd.

De uitgangsstroom i0 van de aftrekinrichting 106 van figuur 7 wordt derhalve bepaald door i0 α ft + U) - 02 + is) O9) of 25 ic cc 4v(vc1 - vc2) (20) welke, uit vergelijking (10), wordt gereduceerd tot ic α w0. (21)

Derhalve blijkt, zoals boven reeds is aangegeven, dat de uitgangsstroom i0 van de inrichting volgens figuur 7, lineair evenredig is met het product van de ingangsbesturingsspanning vc en de ingangssignaal-30 spanning v.

Een specifieke illustratieve, geheel uit MOSFET opgebouwde uitvoeringsvorm van de rechthoek 96 van figuur 7, vindt men in figuur 8. Figuur 8 omvat een stuurspannings (vc) spiegelbuffer 110, welke inrichtingen 112-115 met n-kanaai omvat. Bovendien omvat figuur 8 een signaalspanning -(v) spiegelbuffer, welke inrichtingen 116-119,124, 126, 128 en 130 met n-kanaal omvat. Vier identieke aangepaste inrichtingen 35 120-123 met p-kanaal omvatten respectievelijk de kwadrateerketens 100-103, weergegeven in figuur 7.

In figuur 8 combineren de inrichtingen 116 en 124 met n-kanaal +v en vc1 en voeren een daarmede evenredige poort-toevoereiektrodespanning aan de kwadrateerinrichting 120 toe. De inrichtingen 119 en 126 combineren -v en vc1 en voeren een daarmede evenredige poort-toevoereiektrodespanning aan de kwadrateerinrichting 121 toe. Op een soortgelijke wijze combineren de inrichtingen 117 en 128 +v en vc2 en 40 voeren een daarmede evenredige poort-toevoereiektrodespanning aan de kwadrateerinrichting 122 toe. Voorts combineren de inrichtingen 118 en 130 -v en vc2 en voeren een daarmede evenredige poort-toevoereiektrodespanning aan de kwadraateerin richting 123 toe.

Een in figuur 8 afgebeelde aftrekketen 132 omvat inrichtingen 134 en 136 met n-kanaal. De voor-spanningsketen 138, welke inrichtingen 140-142 met n-kanaai omvat, wekt vooraf bepaalde stromen in de 45 afgebeefde inrichting op.

In figuur 8 zijn de inrichtingen 112,113 en 116-119 identieke aangepaste eenheden met n-kanaal. De inrichtingen 114,115,124, 126, 128 en 130 zijn eveneens identieke aangepaste eenheden met n-kanaal. Bij wijze van voorbeeld is Vqq in figuur 8 gelijk aan +5 V en is Vss daarin gelijk aan -5 V.

Figuur 8 is een specifiek illustratief voorbeeld van een gunstige inrichting, welke als een variabel 50 transconductantie-element kan werken. Een versie van de inrichting is gekenmerkt door een dynamisch ingangssignaalgebied van 3 V, een totale harmonische vervorming van bij benadering 0,3% en een bandbreedte van 30 megaherz.

Men kan een vooraf gespecificeerde waarde van de transconductantie van de inrichting volgens figuur 8 tot stand brengen door een geschikte schaalwerking van de vier kwadrateerinrichtingen 120-123. Het is ook 55 mogelijk om in plaats daarvan of daarnaast de uitgangsstroom ic op een standaardwijze aan een schaalwerking te onderwerpen onder gebruik van verdere stroomspiegels.

Claims (9)

1. Referentieketen met geschakelde condensator voor het in hoofdzaak temperatuurongevoelig houden van de transconductantie van variabele transconductantie-elementen, gekenmerkt door een primair variabel 5 transconductantie-element (10) waardoorheen een eerste stroom vloeit, een condensator (12), een eerste schakeling (18,14,15, 16, 17) voor het afwisselend laden en ontladen van de condensator om een tweede stroom door de condensator op te wekken, een tweede schakeling (28, 30, 22, 32) die verbonden is met het primaire element en met de eerste schakeling voor het opwekken van een stuurspanning in reactie op de som van de eerste en tweede stromen, een geleider (34) om de stuurspanning aan te leggen aan het 10 primaire element om zo de transconductantie van het primaire element en derhalve de eerste stroom bij te regelen, een en ander zodanig dat veranderingen in de transconductantie van het primaire element ten gevolge van temperatuurvariaties tegengewerkt worden door veranderingen in de transconductantie ten gevolge van stuurspanningsvariaties.

2. Keten volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de geleider (34, 36) voor de stuurspanning tevens 15 verbonden is met secundaire variabele transconductantie-elementen (38, 40) om de transconductantie van de secundaire elementen overeenkomstig de regelingen van de transconductantie van het primaire etemerö te regelen.

3. Keten volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de eerste schakeling is voorzien van een eerste spanningsbron (18) en een aantal, door een klokbestuurde schakelaars (14, 15,16,17), waarbij het 20 variabele transconductantie-element is voorzien van een transistor (52), de tweede schakeling is voorzien van een integrator (28, 30), de eerste en tweede stromen beide naar één ingangsklem (26) van de integrator worden gevoerd, de stuurspanningsgeleider (34) met de poortelektrode van de transistor is verbonden, en de stuurspanning wordt gestabiliseerd wanneer de eerste en tweede stromen aan elkaar gelijk zijn.

4. Keten volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de tweede keten verder is voorzien van een inrichting (22, 32) voor het bemonsteren en vasthouden van de spanning, die representatief is voor het uitgangssignaal van de integrator, waarbij de genoemde inrichting met de stuurspanningsgeleider is verbonden.

5. Keten volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat een eerste klem van de condensator (12) via een eerste schakelaar (14) met de eerste spanningsbron (18) en via een tweede schakelaar (17) met een tweede 30 spanningsbron (aarde) is verbonden, een tweede klem van de condensator via een derde schakelaar (16) met een ingang van de integrator en via een vierde schakelaar (15) met de tweede constante spanningsbron is verbonden, de steekproef- en vasthoudketen is voorzien van een tweede condensator (32) en een vijfde schakelaar (22), die een uitgang van de integrator met de tweede condensator en de stuurspanningsgeleider (34) verbindt, waarbij alle schakelaars noimaliter open zijn en een korte tijd worden gesloten door 35 pulsen van een pulsreeks met een periode T, waarbij de eerste (14) en vierde (15) schakelaars worden bestuurd door een eerste pulsreeks (PI), de tweede (17) en derde (16) schakelaars worden bestuurd door een tweede pulsreeks (P2), en de vijfde schakelaar (22) wordt bestuurd door een derde pulsreeks (P3), waarbij de tweede pulsreeks bij de eerste pulsreeks naijlt en bij de derde pulsreeks voorijlt.

6. Keten volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de eerste stroom gelijk is aan G^-Vr, waarbij de 40 transconductantie van het eerste variabele transconductantie-element is en VR de spanning van de eerste C V referentiebron (18) is, de tweede stroom gelijk is aan - j—, waarbij C, de capaciteit van de eerstgenoemde condensator is en T de periode van de pulsreeksen is, en de stuurspanning een functie van de temperature* van het transconductantie-element is.

7. Keten volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat het transconductantie-element is voorzien van een eerste MOSFET (74), welke met een stroomspiegelketen (70, 72) is verbonden, welke stroomspiegeiketen met de integrator (28, 30) is verbonden (68).

7 192168

8. Keten volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de stuurspanningsgeleider is verbonden met de poortelektrode van de eerste MOSFET, één uitgangsklem van de eerste MOSFET met de stroomspiegel is §0 verbonden en een andere uitgangsklem van de eerste MOSFET is verbonden met een aantal andere MOSFET-ketens (93, 94), die elk een differentiaalpaar van MOSFETs omvatten.

9. Keten volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de stroomspiegel is voorzien van tweede en derde MOSFETs (70, 72), die elk een constante stroom I voeren, waarbij de eerste spanningsbron (VREF) bij de eerste schakelaar (90,14) een spanning VR = Vj/k opwekt, waarbij k een temperatuur-afhankelijke 192168 8 parameter is, welke bij de eerste, tweede en derde MOSFETs behoort, de tweede stroom gelijk is aan C2 en de met de integrator en de eerste spanningsbron gekoppelde schakeling de stroom door elke MOSFET C2 van elk differentiaalpaar op de waarde ^ houdt. Hierbij 7 bladen tekening