NL8403693A

NL8403693A - Adaptief electronisch buffersysteem.

Info

Publication number: NL8403693A
Application number: NL8403693A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1984-12-05
Filing date: 1984-12-05
Publication date: 1986-07-01
Also published as: US4691127A; EP0184875A1; JPH061899B2; JPS61137421A; DE3576026D1; EP0184875B1

Description

i -- r

X

PHN 11.231 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Maptief electronisch buffersysteem.

De uitvinding heeft betrekking op een adaptief electronisch buffersysteem, bevattende een instelschakeling en ten minste een buffer-schakeling voorzien van een ingang, een uitgang en ten minste een instelingang waarbij de insteluitgang een signaal opwekt dat toegevoerd 5 wordt aan een instelingang van de bufferschakeling ter compensatie van fabricageprocesvariaties en invloeden van de bedrijfsomstandigheden.

Het ontwerp van een bufferschakeling is onder meer gericht op het binnen een gespecificeerde tijd op- en ontladen van een capaci-tieve belasting aan de uitgang. Aan de hand van deze eis kan een mini-tO male waarde voor de geleiding van de bufferuitgang bepaald worden.

Bij het ontwerp van een bufferschakeling die aan deze eis voor de uitgangsgeleiding voldoet moet men eveneens rekening houden met de variaties in het fabricageproces en de bedrijfsomstandigheden (temperatuur, voedingsspanning) waarin het ontwerp toegepast zal worden. Men 15 richt het ontwerp op de meest ongunstige combinatie (de zgn. "worst-case") van fabricageprocesvariaties en bedrijfsomstandigheden. Bij de toepassing van een gerealiseerd ontwerp zal deze "worst-case" combinatie zich over het algemeen niet voordoen. De buffer zal meestal overgedimensioneerd zijn, hetgeen betekent dat de uitgangsgeleiding en de 20 uitgangsstronen groter zijn dan in het ontwerp berekend was. Bij schakelacties geeft dit weer aanleiding tot het optreden van snelle strocmveranderingen (dl/dt) en spanningspieken over de inductiviteiten van de voedingsleidingen. Deze pulsen verlagen bij digitale schakelingen de stoormarge en kunnen zelfs foutief schakelen en derhalve informatie-25 verlies in geheugencellen veroorzaken.

Het Amerikaanse octroorschrift OS 3.970.875 beschrijft een schakeling waarin een analoog regelsignaal een buffer instelt om de invloed van de prccesvariaties en de fcedrij fsonstandigheden te compenseren. Deze schakeling regelt de oplaadstroon aan de uitgang van een 30 statisch dissiperend buffer; de ontlaadstroon is niet regelbaar.

Daarnaast is de grootte van het regelbereik niet willekeurig te kiezen.

Het is een doel van de uitvinding on te voorzien in een 3403593 EHN 11.231 2 ' j t adaptief electronisch buffersysteem waarin de buffer zodanig aangepast wordt dat de spreiding in de op- en ontlaadstromen aanmerkelijk kleiner is dan de spreiding die esp grond van de variaties in het fabricageproces en de bedrijfsomstandigheden van de buffer verwacht mag worden.

5 Een adaptief electronisch buffersysteem volgens de uitvinding heeft daartoe het kenmerk, dat de bufferschakelingen en de instel-schakelingen voorzien zijn van N (N yy 1) instelingangen respectievelijk -uitgangen en de instelschakeling voorzien is van een logische schakeling die logische instelsignalen. opwekt voor de insteluitgangen waarbij 10 iedere η (ί>$* n ^ N) insteluitgangen verbonden is met de n instel-ingang van alle tot het systeem behorende buff er schakeling.

Het gebruik van logische instelsignalen geeft een groot regelbereik,· daar ieder instelsignaal overeen kan komen met een vrij te kiezen bijdrage tot de totale uitgangsgeleiding van de buffer. De buffers 15 bevatten N parallel te schakelen deelbuffers die onder besturing van de instelsignalen al dan niet geactiveerd worden; een geactiveerd deel-buffer draagt bij aan de uitgangsgeleiding van het buffer. Bij een geïntegreerde met deelbuffers opgebouwde bufferschakeling is het benodigde oppervlak en de uitgangscapaciteit even groot als bij een 20 buffer waarvan het ontwerp op de "worst-case" situatie gericht is.

De instelschakeling bevat een karakteriseringsschakeling met een meetconductantie die een karakteristieke afbeelding van de bij de buffer-schakelingen ingestelde uitgangsgeleiding is. De meetconductantie wordt vergeleken met een constante referentieconductantie die bij voorkeur 25 niet door de fabricageprocesvariaties en de bedrijfsomstandigheden beïnvloed wordt. De resultaten van deze vergelijking worden door een logische schakeling gebruikt on die instelsignalen op te wekken, waarbij de uitgangsgeleiding van de buffer juist iets groter dan of gelijk aan de streefwaarde is.

30 De uitvinding zal worden toegelicht aan de hand van enkele in de volgende figuren weergegeven uitvoeringsvoorbeelden, waarin : figuur 1 een overzicht van een buffersysteem volgens de uitvinding toont, figuur 2 een bufferschakeling toont, .

35 figuur 3 een karakteriseringsschakeling toont.

In figuur 1 is een overzicht van een buffersysteem volgens de uitvinding weergegeven. Bufferschakelingen 20 voorzien van een ingang (21) en een uitgang (22) zijn met N (N;^1) instelsignaalingangen 8403693 * ΕΗΝ 11.231 3 ¢.- (23) verbanden aan N instelsignaaluitgangen (11) van een instelschakeling 10. De instelschakeling JO bevat een logische schakeling (30) voorzien van een ingang (43) en N uitgangen (47) die met de insteluitgangen 11 doorverbonden zijn. De uitgangen (11) van de logische schakeling 30 zijn 5 eveneens verbonden met de N ingangen (44) van een karakteriserings-schakeling (31). De karakteriseringsschakeling 2 is eveneens voorzien van een eerste (37) en tweede (38) neetaansluiting waarbij de eerste msetaansluiting 37 verbonden is net een eerste vergelijker ingang van een vergelijker (33) en de tweede neetaansluiting met een eerste voedings-10 spanningsklem (42) verhanden is. De instelschakeling 10 bevat voorts een eerste (36) en tweede (39) referentie aansluiting/ waarbij de eerste referentieaansluiting met een tweede vergelijkeringang (36’) verbonden is en de tweede referentie aansluiting 39 doorverbonden is met de tweede neetaansluiting (38). Een eerste (34) en een tweede (35) stroombron 15 zijn beide met een eerste aansluiting aan een. tweede voedingsspannings-klem (46) verbonden. De eerste respectievelijk tweede stroombron zijn met een tweede aansluiting aan de eerste meet- (37) respectievelijk referentie (36) - aansluiting verbonden. De stroombronnen sturen stronen door zowel de eerste referentieaansluiting (36) als de eerste 20 neetaansluiting (37), waarbij de verhouding van de strconsterkten constant en bij het ontwerp van de schakeling bepaald is.

De regelkring gevormd door de logische schakeling (30), de vergelijker (33), een referentieelement (32) en de karakteriseringsschakeling (31) wekt de instelsignalen voor de bufferschakelingen op. Deze 25 signalen worden eveneens aan de ingangen van de karakteriseringsschakeling (31)toegevoerd. De meetconductantie tussen de eerste (37) en de tweede (38) neetaansluiting is een karakteristieke afspiegeling van de bij de bufferschakelingen ingestelde uitgangsgeleiding/ die in dezelfde mate als de uitgangsgeleiding van de bufferschakelingen 30 afhankelijk is van de instelsignalen/ procesvariaties en bedrijfsomstandigheden.

Tussen de eerste (36) en de tweede (39) referentieaansluiting is let referentieelement (32) aangesloten, dat een constante, goed bekende en van de bedrijfsomstandigheden onafhankelijk conductantie 35 behoort te hebben. Wanneer het buffersysteem in een geïntegreerde schakeling toegepast wordt is het voordelig om het referentieelement als externe weerstand die onafhankelijk van de fabricage van en bedrijfsomstandigheden op de chip is, uit te voeren. Deze weerstand kan in een 8403393 « PHN 11.231 4 vaak toch al aanwezige "Resetschakeling" op de geïntegreerde schakeling aangesloten worden, hetgeen een extra ingang speciaal voor het referentie-element overbodig maakt. Het is eveneens mogelijk om het referentie-element in de vorm van een geschakelde capaciteit ("switched capacitor" 5 zoals beschreven in Philips Technisch Tijdschrift 1983, No. 4, pag. 115 en 116) met de schakeling mee te integreren. Dit heeft het voordeel dat er geen externe componenten nodig zijn, maar daarnaast het nadeel, dat de referentiegeleiding niet volledig onafhankelijk is van de procesvariaties. In de praktijk blijkt men met een spreiding van ongeveer 10 10 procent rekening te moeten houden, hetgeen nog steeds veel minder is dan de spreiding in de uitgangsgeleiding. Man kan natuurlijk ook een geïntegreerde weerstand als referentieelement gebruiken. Men dient zich dan te vergewissen of deze weerstand voldoende onafhankelijk van de procesvariaties en de bedrijfscmstandigheden is.

15 De. vergelijker (33) vergelijkt de spanningen die de stromen door de meetconductantie en de referentiegeleiding (32) opwekken.

Het uitgangssignaal van de vergelijker dient als ingangssignaal voor de logische schakeling (30). Deze schakeling wekt aan- zijn uitgangen (47) de instelsignalen qp waardoor de meetconductantie de referentie-20 geleiding beter benadert. De regelkring is in evenwicht wanneer de spanning over de meetconductantie juist iets kleiner of gelijk is aan de spanning over de referentiegeleiding.

Om te voorkomen dat de uitgangsgeleiding van de bufferschakelingen voortdurend verandert, dient het zoeken naar de beste instelling 25 met geschikte tussenpozen van bijvoorbeeld 0,1 a 1 seconde te gebeuren en kan er enige hysterese in de overdrachtsfunctie van de vergelijker aangebracht worden. Hiertoe kan de vergelijker een z.g. "Schmitt-triggerschakeling" bevatten. Op deze wijze wordt de instelling gevonden waarbij de uitgangsgeleiding van de bufferschakeling juist iets groter 30 of gelijk is aan de bij het ontwerp bepaalde waarde. De spreiding in de op- en ontlaadstramen aan de uitgang van de bufferschakelingen is daardoor aanmerkelijk kleiner dan de spreiding die veroorzaakt wordt door de procesvariaties en bedrijfsomstandigheden.

Er zijn vele uitvoeringsvormen van de logische schakeling 35 (30) denkbaar. In een vorm bevat, zij een binaire op-/neerteller waarbij de telrichting door het resultaat van de genoemde vergelijking bepaald wordt. De uitgangen van de teller vormen de instelsignalen.

De uitvoeringen van de bufferschakelingen en de karakteriserings- 8403693 PHN 11.231 5 schakeling zijn nauw net elkaar verbeven.

Figuur 2 toont een bufferschakeling (20')volgens de uitvinding, voorzien van een ingang (21f), een uitgang (22') en een eerste (23') en tweede (24') instelingang (N = 2}. De schakeling he vat een eerste 5 (25) en een tweede (26) schakelbaar deelbuffer, die ieder voorzien zijn van een activeringsingang (28 respectievelijk 29) welke net de eerste (23') respectievelijk tweede (24') instelingang verbonden is.

De bufferschakeling kan verder een niet schakelbare altijd aktieve deelbuffer (27) net een ingang en een uitgang bevatten. De iff verbindingsknocp van alle ingangen van de deelbuffers vormt de ingang; de knoop van alle uitgangen van de deelbuffers vormt de uitgang van de bufferschakeling. De schakelbare deelbuffers worden door het instel-signaal op hun activeringsingang in- dan wel uitgeschakeld.

Figuur 3 toont een uitvoeringsvoorbeeld van een karakteriserings-15 schakeling voor de beschreven bufferschakeling. De karakteriserings-schakeling (31 *) is voorzien van een eerste (44') en tweede (45 *) ingang (N = 2), een aansluitklem voor een eerste (42') en tweede (46') voedingsspanning en een eerste (37') en tweede (38’) meetaansluiting.

De schakeling bevat een eerste (50) respectievelijk tweede (51) stuur-20 schakeling voorzien van. een ingang (441 respectievelijk 451) en een uitgang waaraan een eerste (53) respectievelijk tweede (54) neetelement aangesloten is, De twee stuurschakelingen zijn verder voorzien van een aansluiting aan de eerste (42') en tweede (46*) voedingsspanningsklem.

De meetelenenten zijn in dit voorbeeld uitgevoerd als veldeffect-25 transistoren met geïsoleerde stuurelektroden (IGFOT's), waarbij het geleidingskanaal aan de eerste zijde met de eerste meetaansluiting (37') aan de tweede zijde met de tweede meetaansluiting (38') verbonden is; de stuurelektrode is verbonden met de uitgang van de bijbehorende stuurscha-keling.

30 Wanneer de bufferschakelingen een niet-schakelbaar deelbuffer bevatten, dan bevat de karakteriseringsschakeling een voorspannings-schakeling (52) met een derde neetelement (55). Deze laatste combinatie is identiek aan de eerder genoemde stuurschakeling - neetelement -combinaties geschakeld, met het verschil dat de voorspanningsschakeling 35 niet voorzien is van een ingang en het derde neetelement continue ingeschakeld is. De kanaallengten van de meetelenenten komen overeen met de kanaallengten van de veldeffecttransistoren (IGFET's) in de deelbuffers die zij karakteriseren, daar de spreiding in de geleiding sterk 8403693 * V w PHN 11.231 6 afhangt van deze lengten. De onderlinge verhoudingen van de geleidings-factoren van de veldeffecttransistoren zijn gelijk gekozen aan de verhoudingen van de uitgangsgeleidingen van de deelbuffers die zij karakteriseren.

5 Een ingeschakeld meetelement (IGFET) ontvangt op zijn stuur- electrode het gemiddelde van de spanningen op de beide vcedingsspannings-klemmen hetgeen de FET een karakteristieke instelling geeft en de conductance van het kanaal mede afhankelijk maakt van de voedingsspanningen. De temperatuur van de FET's is bij voorkeur gelijk aan die van de buffer-10 schakelingen. Bij toepassing in een geïntegreerde schakeling zijn de procesvariaties die de eigenschappen van de bufferschakelingen bepaald hebben, gelijk aan de variaties die de eigenschappen van de meetele-menten bepalen. Deze omstandigheden, waarborgen dat de meetconductantie een karakteristieke afspiegeling is van de uitgangsgeleiding van de buffer-15 schakelingen.

De schakelbare deelbuffers kunnen als zgn. "bi-state" buffers, zoals bijvoorbeeld de bekende geïntegreerde schakeling HEP 40098B, uitgevoerd worden. De instelsignaalingangen kunnen, indien wenselijk, eveneens gebruikt worden om de uitgang van een bufferschakeling in de 20 hoge impedantie toestand te schakelen.

Het volgende voorbeeld illustreert de resultaten die door toepassing van een buffersysteem volgens de uitvinding, behaald worden. Stel dat de uitgangsgeleiding een spreidingsfactor 4 vertoont (een praktische waarde bij geïntegreerde schakelingen), en dat er voor een 25 uitvoeringsvorm met twee schakelbare deelbuffers (N = 2) gekozen is.

De "worst-case" omstandigheden bepalen de totale buffercapaciteit.

Deze capaciteit wordt verdeeld over de beide deelbuffers. Berekeningen wijzen uit, dat.de verdeling optimaal, is wanneer het eerste deel-buffer een capaciteit heeft van 0,39 maal en- het tweede van 0,61 maal 30 de totale capaciteit heeft. De bufferschakeling is dan maximaal 1,6 maal overgedimensioneerd, hetgeen een winst van 2,5 maal oplevert.

Wanneer de uitgangsgeleiding groter dan gewenst is, zal de geleiding van de elementen die de buffers sturen in een geïntegreerde schakeling eveneens groter zijn. De buffers worden dus sneller aangestuurd en geven 35 een grotere stroom. Simulaties tonen dat er een kwadratisch verband bestaat tussen'de snelle stroomveranderingen (dl/dt) en de uitgangsgeleiding. Het verdient aanbeveling om de schakeling die de buffers stuurt ‘eveneens in het in deze uitvinding beschreven systeem op te 8403693 PHN 11.231 7 nemen. De winstfactor voor de snelle strocmveranderingen ligt dan aanmerkelijk hoger.

5 10 15 20 25 30 35 8403593

Claims

1. Een adaptief electronisch boffer systeem, bevattende een instelschakeling en ten minste een bufferschakeling voorzien van een ingang, een uitgang en ten minste een instelingang waarbij de instelschakeling een signaal opvekt dat toegevoerd wordt aan een instelingang 5 van de bufferschakelingen ter compensatie van fabricageprocesvariaties en invloeden van de bedrijfsomstandigheden, met het kenmerk, dat de bufferschakelingen en de instelschakelingen voorzien zijn van N (N ^.1) instelingangen respectievelijk -uitgangen en de instelschakeling voorzien is van een logische schakeling die logische instelsignalen 10 opwekt voor de insteluitgangen waarbij iedere ne (1^n^N) insteluit-gang verbonden is met de ne instelingang van alle tot het systeem behorende bufferschakelingen.

2. Een adaptief electronisch buffersysteem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de bufferschakelingen ten hoogste één niet-schakelbaar 15 deelbuffer voorzien van een gegevensingang en een gegevensuitgang en N schakelbare deelbuffers voorzien van een gegevensingang, een gegevensuitgang en een activeringsingang bevatten, waarbij de ne instelingang verbonden is met de activeringsingang van de ne schakelbare deelbuffer, die hetzij in- hetzij uitgeschakeld wordt door het logische 20 instelsignaal en waarbij de ingang van de bufferschakeling door een verbindingsknoop van alle gegevensingangen en de uitgang van de bufferschakeling door een verbindingsknoop van alle gegevensuitgangen van de deelbuffers gevormd wordt.

3. Een adaptief electronisch buffersysteem volgens conclusie 1 25 of 2, met het kenmerk, dat de instelschakeling een karakteriserings- schakeling voorzien van N ingangen, een eerste en een tweede meetaan-sluiting en een eerste en tweede referentieaansliuting bevat, waarbij iedere n ingang van de karakteriseringsschakeling met de n instel-uitgang verbonden is en waarbij een meetconductantie tussen een eerste 30 en tweede meetaansluiting een karakteristieke afspiegeling is van de bij de bufferschakelingen ingestelde uitgangsconductantie.

4. Een adaptief electronisch buffersysteem volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de conductantie van een op de eerste en tweede referentieaansluiting aan te sluiten referentieelement een constante 35 waarde heeft.

5. Een adaptief electronisch buffersysteem volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het referentieelement een van bedrijfsomstandigheden onafhankelijke weerstand bevat. 8403693 FHN 11.231 9

6. Een adaptief electronisch buffer systeem volgens conclusie 3, net bet kenmerk, dat bet referentieelement een geschakelde capaciteits-weerstand bevat.

7. Een adaptief electronisch buffersysteem volgens een der 5 voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de instelschakeling een regelkring bevat, die gevormd wordt door een logische schakeling voorzien van een ingang en N uitgangen, een karakteriseringsschakeling, een referentieelement en door een vergelijker, voorzien van een eerste en tweede vergelijkeringang en een uitgang, waarbij iedere ne uitgang 10 van de logische schakeling net de ne insteluitgang verbonden is, de eerste neetaansluiting met de eerste vergelijkeringang en de eerste referentieaansluiting met de tweede vergelijkeringang verbonden is, en de uitgang van de vergelijker met de ingang van de logische schakeling doorverbonden is, waarbij verder de tweede neetaansluiting en de tweede 15 referentieaansluiting eveneens met elkaar doorverbonden zijn en waarbij stroombronnen, aangesloten op de eerste en tweede vergelijkeringang, stromen met een constante verhouding door zowel de eerste meetaan-sluiting als de eerste referentieaansluiting sturen.

8. Een adaptief electronisch buffersysteem volgens conclusie 3, 4, 20 5 , 6 of 7, net het kenmerk, dat de karakteriseringsschakeling N parallelle schakelbare meetelementen en ten hoogste één parallel niet schakelbaar meet element bevat, waarbij iedere ne schakelbaar meetelement onder besturing van het ne instelsignaal al dan niet een bijdrage tot de meet-conductantie levert, en waarbij de geleidingen van de meetelementen 25 zich onderling verhouden als de geleidingen van de deelbuffers die zij karakteriseren.

9. Een adaptief electronisch buffersysteem volgens conclusie 8, met bet kenmerk, dat de karakteriseringsschakeling voorzien is van aansluitingen aan de eerste en tweede voedingsspanningsklem, en de neet- 30 elementen veldeffecttransistoren met geïsoleerde stuurelectrcden bevatten, waarbij een eerste zijde van het geleidingskanaal met de eerste neetaansluiting en de tweede zijde van het geleidingskanaal met de tweede neetaansluiting verbonden is, en waarbij de stuurelectrode van een geleidend meetelement een stuurspanning ontvangt, die gelijk is 35 aan het gemiddelde van de spanningen op de beide voedingsspanningsklemnen.

10. Een adaptief electronisch buffersysteem volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de lengte van de geleidingskanalen van de veldeffecttransistoren in de meetelementen gelijk is aan de lengte van de veld- 8403693 1. a r V PHN 11.231 10 effecttransistoren in de deelbuffers die zij karakteriseren.

11. Een geïntegreerde schakeling net een adaptief electronisch tuffersysteem volgens een der voorgaande conclusies. 5 10 15 20 25 30 8403693 35