SE450676B - Integrerad krets med ett flertal spennings-stromomvandlare - Google Patents

Description

450 676 2 krets av inledningsvis_beskrivet slag, i vilken ett antal spännings/strömom- vandlare enkelt kan stabiliseras med avseende på processvariationer och varia- tioner i driftstillstånden.

För detta ändamål kännetecknas uppfinningen därav, att styrnätet innefat- tar en första och en andra strömkälla, vilkas strömmar står i ett väsentligen fast förhållande till varandra, en klämma som är kopplad till referensomvandla- rens ingång för att kopplas till ett referensmotståndselement, vilken ingång är inkopplad i den första strömkällans utgångskrets, samt en jämförande styrför- stärkare som är inkopplad mellan referensomvandlarens utgång och en styringång på förspänningssignalgeneratorn för att jämföra referensomvandlarens utgångs- ström och strömmen från den andra strömkällan och styra förspänningssignalgene- ratorn på sådant sätt att ett huvudsakligen fast förhållande upprätthålles mel- lan referensomvandlarens och den andra strömkällans utgångsströmmar.

Uppfinningen är baserad på insikten om det faktum att genom att mata en första ström, vars storlek är i och för sig okänd och som är utsatt för varia- tioner, till referensomvandlarens ingång och en andra ström, som står i ett fast förhållande till nämnda ström - vilket är enkelt att realisera i integre- rade kretsar - till en jämförare för att jämföra referensomvandlarens utgångs- ström och nämnda andra ström och genom att styra nämnda referensomvandlare på sådant sätt att dess utgångsström står i ett fast förhållande till, i synnerhet är lika med, nämnda andra ström den nämnda referensomvandlarens transkonduk- tans, oberoende av den första och den andra strömmens absolutvärde, blir omvänt proportionell,mot resistansen hos ett referensmotstånd som är anordnat vid in- gången till nämnda referensomvandlare - som i praktiken ofta är ett precisions- motstånd som är externt anslutet till den integrerade kretsen eller ett mot- stånd som är simulerat medelst omställbara kapacitanser, vars ekvivalenta mot- stånd bestämmes av omkopplingsfrekvensen. Med den sålunda erhållna styrsignalen eller med de signaler, som står i ett fast förhållande till densamma blir också alla de andra spännings-strömomvandlarnas transkonduktanser relaterade till nämnda referensmotstånd.

Uppfinningen beskrivs mera detaljerat med hänvisning till ritningen, där fig_l visar ett blockschema för en kopplingsanordning enligt uppfinningen, fig g visar en föredragen utföringsform av kopplingsanordningen enligt fig 1, vil- ken innehåller C-MOS-transistorer, och fig_§ visar en utföringsfonn av den spännings-strömomvandlare som användes i kopplingsanordningen enligt fig 2.

Fig 1 visar ett blockschema för en integrerad krets i enlighet med uppfin- ningen. Den innefattar ett antal spännings-strömomvandlare, av vilka fyra l,2,3 och 4 är visade, vilka vardera har en ingång 11,2l,3l och 41, en utgång 12,Z2,32 och 42 samt en förspänningsingång l3,23,33 respektive 43. Via sina N ti? 2 _ 450 676 förspänningsingångar tar spännings-strömomvandlarna emot förspänningssignaler från en förspänningssignalgenerator 5 som avger inbördes relaterade förspän- ningssignaler. Omvandlarna l,2,3 och 4 har transkonduktanser al G0, az G0, a3 Go respektive a4 G0, vilka står i ett fast förhållande al: ae: a3: a4 till varandra, vilket förhållande är bestämt av den inbördes strukturen hos nämnda omvandlare och/eller det inbördes förhållandet mellan de styrsignaler som avges av förspänningsgeneratorn 5. I praktiken väljes dessa transkonduktanser ofta lika (al = az = a3 = a4 = 1).

Spännings-strömomvandlaren 1 är vald att vara referensomvandlare. Via ett motstånd 8 med ett motståndsvärde RO, vilket motstånd kan vara anslutet till ett stift 9 utanför den integrerade kretsen, är dess ingång 11 ansluten till jord i föreliggande exempel. Den integrerade kretsen innefattar vidare en första (6) och en andra (7) strömkälla vilka är kopplade till varandra. Dessa strömkällor 6 och 7 avger strömmar av storleken Il respektive nI1 vilka står i ett fast förhållande lzn till varandra. Strömmen Il flyter genom mot- ståndet 8 och alstrar en spänning IIRO på ingången ll, så att referensom- vandlaren 1 avger en utgångsström Iu=a1G0R0I1. I en jämförande för- stärkare 10 viktas denna ström med en faktor m - i praktiken vanligen lika med 1 - och jämföres med strömmen nI Denna jämförelseförstärkare kan t.ex. vara en differentialspänningsförstärkåre med motstånd på sina ingångar, men alterna- tivt såsom i exemplet i fig 2 en högohmig spänningsförstärkare, vars ingång är en förbindningspunkt mellan strömkällan 7 och referensomvandlarens utgång. Jäm- förelseförstärkarens utgångssignal styr förspänningssignalgeneratorn 5 så att, vid en lämplig slingförstärkning i den styrslinga som bildas av jämförelseför- stärkaren 10, förspänningssignalgeneratorn 5 och referensomvandlaren 1,__ mIu=nIl, vilket ger sambandet a1G0=(n/m).(1/RO) för referensomvandla- rens l transkonduktans. I det praktiska fallet att n=m=l och att al?a2=a3=a4=1 ger detta GO=1/RO. Detta samband är bara utsatt för variationer i parametrarna al,n och m som representerar förhållandena och är utsatt för en relativt liten spridning eller variation i integrerade kretsar.

Detsamma gäller för de andra omvandlarna till följd av kopplingen via förspän- ningssignalgeneratorn 5.

Referensmotståndet 8 med ett motståndsvärde RO kan också simuleras me- delst en omkopplingsbar kapacitans, så att det ekvivalenta motståndet RO be- stämmes av värdet på nämnda kapacitans och omkopplingsfrekvensen, vilket exempelvis kan vara av praktisk betydelse i nämnda filterapplikationer om en klocksignal finns. Emedan sådana filterkretsar utnyttjar kapacitanser och re- sistansen RO också bestämmes av en sådan kapacitans är det en väsentlig för- del att absolutvärdet av de olika kapacitanserna ej längre blir av betydelse. 450 676 4 En variation i filterkápacitansen kompenseras då därigenom att det ekvivalenta motståndet RO hos det simulerade motståndet 8 varierar i kompenserande rikt- ning. Ett exempel på ett motstånd som är simulerat medelst en omkopplingsbar kapacitans är bl.a. beskrivet i "IEEE Transactions on Circuits and Systems" volym CAS-26, nr. 2, februari 1979, sid. 140-144.

Fig 2 visar i huvudsak samma kopplingsanordning som fig 1, varvid spän- nings-strömomvandlarna för illustration är visade med differentialingångar. I detta exempel är referensomvandlarens inverterande ingång 14 internt ansluten till jord, så att för motståndet 8, som är inkopplat mellan differentialin- gångarna ll och 14, bara ett extra yttre stift 9 krävs, emedan ett jordstift redan finns. I f Förspänningssignalgeneratorn 5 utgöres av en styrd multipelströmkälla med p-kanaltransistorer 51, 52, 53 och 54, vilkas emitterelektroder är anslutna till en positiv effektmatningsklämma +VB, vilkas kollektorelektroder är an- slutna till de respektive förspänningsingângarna 13, 23, 33 och 43 och vilkas grindelektroder är anslutna till grinden och kollektorelektroden i en p-kanal- transistor 55, vars emitterelektrod är ansluten till effektmatningsklämman +VB. Transistorerna 51, 52, 53 och 54 bildar således var och en en ström- spegel med transistorn 55 vilket möjliggör att alla önskade strömförhållanden som ej är ett att realiseras genom lämpliga geometriska förhållanden. Strömkäl- lorna 6 och 7 utgöres också av p-kanaltransistorer anordnade såsom strömspeglar med användning av en transistor 16 med sammankopplade grind- och kollektorelek- troder såsom ingångstransistor, vilken transistor är inkopplad i serie med ett motstånd lf mellan effektmatningsklämmorna 15 och +VB. Strömförhållandet n bestämmes återigen genom geometriförhållandena i transistorerna som är anordna- de såsom strömkällor 6 och 7. Den jämförande förstärkaren 10 utgöres av en n-kanaltransistor 18, vars emitterelektrod är ansluten till jord och vars grindelektrod är ansluten till referensomvandlarens 1 utgång 12 och till ström- källans 7 utgång. Jämförelsen sker därigenom att transistorns 18 grindelektrod inte drar någon ström så att Iu = nll. Transistorns 18 kollektorelektrod är ansluten till den positiva matningsklämman +VB via förspänningssignalgenera- torns ingångstransistor 55 och styr således nämnda förspänningsgenerator på sådant sätt att sambandet Iu =nI1 uppfylles.

Spännings-strömomvandlarna 1, 2, 3 och 4 kan vara utförda på olika sätt.

Fig 3 visar en enkel utföringsform av en sådan spännings-strömomvandlare i C-MOS-teknik med en strömstyrd transkonduktans. Den innefattar två p-kanaltran- sistorer 25 och 26 kopplade som ett differentialpar, varvid kollektorströmmen kopplas ut via en strömspegel innefattande n-kanaltransistorer 27 och 28. För- spänningssignalen matas till transistorernas 25 och 26 gemensamma emitter- 5 450 676 eïektroder (13) som en ström, medan gr-índelektroderna utgör dífferentíaHn- gången, så att denna omvandïares tr-anskonduktans bestämmes av transístorernas 25 och 26 "ïutningar".

Claims (2)

450 676 Patentkrav.

1. Integrerad krets innefattande ett flertal spännings-strömomvandlare (1, 2, 3, 4) som var och en har en ingång (11, 21, 31, 41), en utgång (12, 22, 32, 42) och en förspänningssignalingång (13, 23, 33, 34) för att styra de nämnda spän- nings-strömomvandlarnas transkonduktans (alßo, a2G0, a3G0, a4G0) medelst en förspänningssignal på nämnda förspänningssignalingång, varvid spännings-strömomvandlarnas transkonduktanser står i ett huvudsakligen fast förhållande till varandra, en förspänningssignalkälla (5, 51, 52, 53, 54) för att mata förspänningssignaler, som står i ett huvudsakligen fast förhållan- de till varandra, till nämnda förspänningssignalingångar och ett styrnät för att styra förspänningssignalgeneratorn på sådant sätt att spännings-strömom- vandlarnas transkonduktanser är i hög grad okänsliga för processvariationer och variationer i driftsförhâllandena, varvid åtminstone en av spännings-strömom- vandlarna (1) är inkopplad i styrnätet såsom en referensomvandlare, k ä n- n e t e c k n a d av att styrnätet innefattar en första (6) och en andra (7) strömkälla, vilkas strömmar (Il respektive nll) står i ett huvudsakligen fast förhållande till varandra, en ingång (9) som är kopplad till referensom- vandlarens (1) ingång (11) för att kopplas till ett referensmotstånd (8), vil- ken ingång (11) är inkopplad i den första strömkällans utgångskrets, samt en jämförande styrförstärkare (10) som är inkopplad mellan referensomvandlarens utgång och en styringång på förspänningssignalgeneratorn för att jämföra refe- rensomvandlarens utgångsström och strömmen från den andra strömkällan och styra förspänningssignalgeneratorn på sådant sätt att ett huvudsakligen fast'Törhål- lande upprätthålles mellan referensomvandlarens och den andra strömkällans ut- gångsströmmar.

2. Integrerad krets enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att spännings-strömomvandlarnas förspänningsinställningar är strömstyrda, att styr- nätet innefattar en strömspegel med en ingång och ett flertal utgångar, vilka utgångar leder till spännings-strömomvandlarnas förspänningsingångar och vars ingång är inkopplad i kollektorkretsen hos en transistor, vars grindelektrod är ansluten till referensomvandlarens utgång, och att den första och den andra strömkällan utgöres av utgångar på en andra strömspegelkrets, till vars ingång en förspänningsström matas och i vilken en första utgång av utgångarna är an- sluten till referensomvandlarens ingång och den andra utgången är ansluten till referensomvandlarens utgång. J: