NL8001115A

NL8001115A - Geintegreerde schakeling omvattende een aantal spanningsstroomomzetters.

Info

Publication number: NL8001115A
Application number: NL8001115A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1980-02-25
Filing date: 1980-02-25
Publication date: 1981-09-16
Also published as: CA1165826A; FR2476940B1; GB2070360B; FR2476940A1; GB2070360A; HK75584A; DE3106558A1; SE450676B; SE8101161L; BE887643A; AU6757781A; US4388539A; AU539887B2; JPS56168298A; JPS644364B2; DE3106558C2

Description

Λ PHN 9689 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven

Geïntegreerde schakeling omvattende een aantal spanningsstroomomzetters

De uitvinding heeft betrekking op een geïntegreerde schakeling omvattende een aantal spanningsstroomomzetters (1, 2, 3, 4) elk met een ingang (11, 21, 31, 41) een uitgang (12, 22, 32, 42) en een instelsignaalingang (13, 23, 33, 43) voor het door middel van een 5 instelsignaal aan die instelsignaalingang instellen van de transcon-ductanties (ajGQ, 32^ο’ a3^o> a4^o^ van sPannin9sstro°ro°mzetters, waarbij de transconcuctanties van de spanningsstroomomzetters ondeling in hoofdzaak een vaste verhouding vertonen, een instelsignaalbron (5, 51, 52, 53, 54) voor het toevoeren van onderling in hoofdzaak een 10 vaste verhouding vertonende instelsignalen aan die instelsignaalin-gangen, en een regelnetwerk ter regeling van de instelsignaalgenerator zodanig dat de transconductanties van de spanningsstroomomzetters in hoge mate ongevoelig zijn voor procesvariaties en variaties in bedrijfsomstandigheden waarbij althans êên van de spanningsstroomomzetters (1) 15 als referentieomzetter in het regelnetwerk is opgenomen.

Spannincpstroomomzetters worden onder andere toegepast in analoge filters. Daarbij is het van belang dat de transconductanties van die spanningsstroomomzetters in hoge mate constant zijn of betrouwbaar ingesteld kunnen worden en in hoge mate onafhankelijk van proces-20 variaties tijdens de fabricage van de geïntegreerde schakeling en eveneens in hoge mate onafhankelijk van variaties in bedrijfsomstandigheden, zoals voedingsspanning en temperatuur, ingesteld kunnen worden c.q. zijn. Gebaseerd op het gegeven dat in een geïntegreerde schakeling diverse parameters sterk kunnen variëren edoch dat de onderlinge ver-25 houdingen van de parameters van gelijksoortige componenten relatief weinig variëren kan genoemde onafhankelijkheid in een geïntegreerde schakeling door de in de aanhef genoemde maatregelen goed gerealiseerd worden. Een dergelijke geïntegreerde schakeling is bekend uit een pu-blikatie in het tijdschrijft "Electronic Design" van 15 februari 1978, 30 pagina's 26-32, in het bijzonder de op pagina 30 getoonde schakeling.

Bij deze geïntegreerde schakeling zijn twee als integrator geschakelde spanningsstroomomzetters als spanningsgestuurde oscillator geschakeld.

Dë uitgangsfrequentie van deze aldus gevormde oscillator wordt in een 80 0 1 1 15 * PHN 9689 2 fasecomparator met een referentiéfrequentie vergeleken en de spannings-gestuurde oscillator u/ordt zodanig bestuurd dat de oscillatiefrequentie van die oscillator met de referentiefrequentie overeenstemt. De aan de oscillator toegevoerde stuurspanning wordt tevens aan een met als inte-5 grator geschakelde spanningsstroomomzetters opgebouwd analoog filter toegevoerd waardoor de filterfrequentie in hoge mate onafhankelijk van proces- en temperatuursvariaties met de referentiefrequentie overeenstemt. Bij een dergelijke schakeling worden de spanningsstroomomzetters op een indirekte manier gestabiliseerd en is de toepassing beperkt 10 tot een toepassingsgebied waar een stabiele frequentie voorhanden is. Bovendien vereist de bekende stabilisatiemethode een relatief omvangrijke schakeling.

De uitvinding beoogt een geïntegreerde schakeling van de in de aanhef genoemde soort aan te geven waarbij op eenvoudige 15 wijze een aantal spanningsstroomstabilisatoren qua procesvariaties en variaties in bedrijfsomstandigheden gestabiliseerd kunnen worden.

De uitvinding heeft daartoe als kenmerk, dat het regelnetwerk omvat een eerste (6) en een tweede (7) stroombron, waarvan de stromen (1^, respektievelijk nl^) onderling in hoofdzaak een vaste 20 verhouding vertonen, een met de ingang (11) van de referentieomzetter (1) gekoppelde aansluitpunt (9) voor koppelingimet een referentieweer-standselement (8), welke ingang (11) in de uitgangsstroomketen van de eerste stroombron is opgenomen, en een komparerende regelversterker (10) die opgenomen is tussen de uitgang van de referentieomzetter en 25 een stuuringang van de instelsignaalgenerator voor vergelijking van de uitgangsstroom van de referentieomzetter en de stroom van de tweede stroombron en het sturen van de instelsignaalgenerator zodanig dat in hoofdzaak een vaste verhouding gehandhaafd blijft; tussen de uitgangsstroom van de referentieomzetter en de tweede stroombron.

30 De uitvinding berust op het inzicht dat door het toe voeren van een eerste stroom met een op zich onbekende en aan variaties onderhevige sterkte aan de ingang van de referentieomzetter en een met die stroom in vaste verhouding staande tweede stroom -wat in geïntegreerde schakelingen eenvoudig: realiseerbaar is- aan een komparator ter 35 vergelijking van de uitgangsstroom van de referentieomzetter met die tweede stroom, en door het sturen van die referentieomzetter zodanig, dat zijn uitgangsstroom een vaste vehouding vertoont met, in het bijzonder gelijk is aan, die tweede stroom, de transconductantie van die 800 1 1 15

Jfi ·* PHN 9689 3 referentieomzetter ongeacht de absolute waarde van de eerste en tweede stroom, omgekeerd evenredig is met de weerstandswaarde van een aan de ingang van die referentieomzetter aangebrachte referentieweerstand -welke in de praktijk vaak een extern aan de geïntegreerde schakeling 5 aangebrachte precisieweerstand zal zijn of een met behulp van geschakelde capaciteiten gesimuleerde weerstand waarvan de equivalente weerstandswaarde door een schakelfrequentie bepaald wordt. Met het aldus verkregen regelsignaal of met signalen die daarmee in een vaste verhouding staan worden dan ook alle andere spanningsstroomomzetters qua transconductantie 10 aan de waarde van die referentieweerstand gerelateerd.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de tekening waarin

Figuur 1 een blokschema van een schakeling volgens de uitvinding toont, 15 Figuur 2 een voorkeursuitvoeringsvorm van de schakeling volgens figuur met toepassing van C-MOS transistoren toont, en

Figuur 3 een uitvoeringsvorm van de spanningsstroomomzetters toegepast in de schakeling volgens figuur 2 toont.

Figuur 1 toont het blokschema van een geïntegreerde 20 schakeling volgens de uitvinding. Deze omvat een aantal spanningsstroomomzetters waarvan er een viertal 1, 2, 3 en 4, elk met een ingang 11, 21, 21, respektievelijk 41, een uitgang 12, 22, 32 respektievelijk 42 en een instelingang 13, 23, 33, respektievelijk 43, getoond worden. De spanningsstroomomzetters krijgen via hun instelingangen instelsignalen 25 toegevoerd van een isstelsignaalgenerator 5 die onderling gerelateerde instelsignalen levert. De omzetters 1, 2, 3 en 4 vertonen transconduc-tanties a^Gg, a2^o> a3% resPektievelijk die in een onderling vaste verhouding a^ : a2 : : a^ staan waarbij die onderlinge ver houding door de onderlinge opbouw van die omzetters en/of de onderlinge 30 relatie van de door instelgenerator 5 geleverde regelsignalen bepaald wordt. In de praktijk zullen die transconductanties vaak onderling gelijk (a^ = a2 s a3 = a4 = 1) gekozen worden.

Spanningsstroomomzetter 1 is als referentieomzetter gekozen. Zijn ingang 11 is via een weerstand 8 met weerstandswaarde 35 RQ, welke weerstand buiten de geïntegreerde schakeling aan een pin 9 aangebracht kan zijn, met in dit voorbeeld massa verbonden. De geïntegreerde schakeling omvat verder een eerste (6) en een tweede (7) onderling gekoppelde stroombron. Deze stroombronnen 6 en 7 leveren stromen 800 1 1 15 PHN 9689 4 - * 'V.

met sterkten 1^, respektievelijk nl^, die onderling een vaste verhouding 1 : n vertonen. De stroom vloeit over weerstand 8 en veroorzaakt aan ingang 11 een spanning I^Rg waardoor de referentieomzetter 1 een uit-gangsstroom Iu = levert. Deze stroom wordt in een komparerende 5 versterker 10 gewogen met een faktor m -in praktijk meestal gelijk aan 1- en vergeleken met de stroom nl^. Deze komparerende versterker kan bijvoorbeeld een spanningsverschilversterker met weerstanden aan zijn ingangen zijn maar ook zoals in het voorbeeld van figuur 2 een hoog-ohmige spanningsversterker met een knooppunt tussen stroombron 7 en 10 de uitgang van de referentieomzetter als ingang. Het uitgangssignaal van de komparerende versterker stuurt de instelsignaalgenerator 5 zodat, bij voldoende rondgaande versterking in de door de komparerende versterker 10, de regelsignaalgenerator 5 en de referentieomzetter 1 gevormde regellus, geldt dat ml^ = nl^, hetgeen voor de transconductantie 15 van referentieomzetter 1 leidt tot de betrekking a^Gg = -j· · . Voor het praktische geval dat n = m = 1 en a^ = a^ = a^ = a^ = 1 geldt dan Gg = ^ . Deze betrekking is alleen onderhevig aan variaties van de parameters a^, n en m, welke verhoudingen weergeven en in geïntegreerde schakelingen relatief weinig aan spreiding of variatie onderhevig zijn.

20 Voor de overige omzetters geldt door de koppeling via instelsignaalgenerator 5 hetzelfde.

De referentieweerstand 8 met weerstandswaarde Rg kan ook gesimuleerd worden met behulp van een geschakelde capaciteit waardoor de schijnbare weerstandswaarde Rg door de waarde van die capaciteit 25 en de schakelfrequentie wordt bepaald, hetgeen bijvoorbeeld van praktisch belang kan zijn in genoemde filtertoepassingen indien een klok-signaal aanwezig is. Een belangrijkevoordeel is dan, omdat in dergelijke filterschakelingen capaciteiten toegepast worden en de weerstandswaarde Rg ook door zo'n capaciteit bepaald wordt, de absolute waarde van:de 30 diverse capaciteiten niet meer van belang is. Immers een variatie van de filtercapaciteitswaarde wordt dan gecompenseerd doordat de schijnbare weerstandswaarde Rg van de gesimileerde weerstand 8 in compenserende zin verloopt. Een voorbeeld van een met een geschakèlde capaciteit gesimuleerde weerstand staat onder andere beschreven in 35 "IEEE Transactions on Circuits and Systems", Vol. CAS-26, no. 2, februari 1979, pagina's 140-144.

Figuur 2 toont in wezen dezelfde schakeling als figuur 800 1 1 15 -'Τ' 4 ΡΗΝ 9689 5 1 waarbij de spanningsstroomomzetters ter illustratie met differentiële ingangen zijn weergegeven. In dit voorbeeld is de inverterende ingang 14 van de referentieomzetter intern met massa verbonden waardoor de weerstand 8, die tussen de differentiële ingangen 11 en 14 is opgenomen, 5 extern slechts één extra pin 9 benodigt omdat een massa-aansluitpin aanwezig is.

De instelsignaalgenerator 5 is uitgevoerd als gestuurde multiple stroombron met p-kanaals transistoren 51, 52, 53 en 54 waarvan de bronelektrode met een positieve voedingsaansluiting +\Ig zijn ver-10 bonden, de afvoerelektroden met de respektievelijke instelingangen 13, 23, 33 en 43 en de stuurelektroden met de stuur- en afvoerelektrode van een p-kanaals transistor 55, waarvan de bronelektrode met de voedingsaansluiting +Vg is verbonden. De transistoren 51, 52, 53 en 54 vormen dus elk een stroomspiegel met transistor 55 waarbij eventueel gewenste 15 onderling van één afwijkende stroomverhoudingen door onderlinge geo-metrieverhoudingen bepaald kunnen worden. De stroombronnen 6 en 7 worden eveneens door als stroomspiegel geschakelde p-kanaals transistoren gevormd met als ingangstransistor een transistor 16 met doorverbonden stuur- en afvoerelektrode die in serie met een weerstand 17 tussen de 20 voedingsaansluitingen 15 en +Vg is opgenomen. De onderlinge stroom-verhouding n wordt wederom door de geometrieverhoudingen van de als stroombronnen 6 en 7 geschakelde transistoren bepaald. De comparerende versterker 10 wordt gevormd door een n-kanaals transistor 18 waarvan de bronelektrode met massa is verbonden en de stuurelektrode met de 25 uitgang 12 van de referentieomzetter 1 en met de uitgang van stroombron 7. De comparatie geschdèdt doordat de stuurelektrode van transistor 18 geen stroom trekt en dus moet gelden Iu = nl^. De afvoerelektrode van transistor 18 is via de ingangstransistor 55 van de instelsignaalgenerator met het positieve voedingsaansluitpunt +Vg verbonden en bestuurt 30 daardoor die instelgenerator zodanig dat de betrekking Iu = nl^ is voldaan.

De spanningsstroomomzetters 1, 2, 3 en 4 kunnen op velerlei wijze opgebouwd zijn.

Figuur 3 toont een eenvoudige uitvoering van zo'n 35 spanningsstroomomzetter in C-MOS met een stroomgestuurde transconduc-tantie. Deze bestaat uit twee als verschilpaar geschakelde p-kanaals-transistoren 25 en 26 en met een afvoerstroomuitkoppeling via een stroomspiegel bestaande uit n-kanaalstransistoren 27 en 28. Aan de 8001115 PHN 9689 6 gemeenschappelijke bronelektroden (13) van de transistoren 25 en 26 wordt het instelsignaal als stroom toegevoerd terwijl de stuurelektroden de differentiële ingang vormen waardoor de transconductantie van die omzetter door de "steilheid" van transistoren 25 en 26 bepaald wordt.

5 10 15 20 25 30 8001115 35

Claims

1. Geïntegreerde schakeling omvattende een aantal spannings- stroomomzetters (1, 2, 3, 4), elk met een ingang (11, 21, 31, 41), een : uitgang (12, 22, 32, 42) en een instelsignaalingang (13, 23, 33, 43) voor het door middel van een instelsignaal aan die instelsignaalingang 5 instellen van de transconductanties (a^Gg, a2Gg, a^Gg, a^Gg) van die spanningsstroomomzetters, waarbij de transconductanties van de spannings-stroomomzetters onderling in hoofdzaak een vaste verhouding vertonen, een instelsignaalbron (5, 51, 52, 53, 54) voor het toevoeren van onderling in hoofdzaak een vaste verhouding vertonende instelsignalen aan M die instelsignaalingangen, en een regelnetwerk ter regeling van de in-stelsignaalgenerator, zodanig dat de transconductanties van de spannings-stroomomzetters in hoge mate ongevoelig zijn voor procesvariatiês en variaties in bedrijfsomstandigheden, waarbij althans één van de spanningsstroomomzetters (1) als referentieamzetter in het regelnetwerk 15 is opgenomen, met het kenmerk, dat het regelnetwerk omvat een eerste (6) en een tweede (7) stroombron, waarvan de stromen (1^ respektievelijk nl^) onderling in hoofdzaak een vaste verhouding vertonen, een met de ingang (11) van de referentieomzetter (1) gekoppelde ingang (9) voor koppeling met een referentieweerstand (8), wélke ingang (11) in de 20 uitgangsstroomketen van de eerste stroombron is opgenomen, en een kom-parerende regelversterker (10) die opgenomen is tussen de uitgang van de referentieomzetter en een stuuringang van de instelsignaalgenerator voor vergelijking van de uitgangsstroom van de referentieomzetter en de stroom van de tweede stroombron en het sturen van de instelsignaal-25 generator zodanig dat in hoofdzaak een vaste verhouding gehandhaafd blijft tussen de uitgangsstromen van de referentieomzetter en de tweede stroombron.

2. Geïntegreerde schakeling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de spanningsstroomomzetters qua instelling stroom-.30 gestuurd zijn, dat het instelnetwerk een stroomspiegel met een ingang en multiple uitgangen omvat welke uitgangen naar de instelingangen van de spanningsstroomomzetters voeren en waarvan de ingang in de afvoerketen van een transistor is geplaatst waarvan de stuurelektrode met de uitgang van de refrentieomzetter is verbonden en dat de eerstelen tweede 35 stroombron door uitgangen van een tweede stroomspiegelschakeling worden gevormd aan de ingang waarvan een instelstroom wordt toegevoerd, en waarvan een eerste van de uitgangen met de ingang van de referentieomzetter is verbonden en de tweede van de uitgangen met de uitgang van de referentieomzetteji is verbonden. 80 0 1 1 1 5