WO2010052065A1 - High frequency differential amplifier and transceiver circuit - Google Patents

High frequency differential amplifier and transceiver circuit Download PDF

Info

Publication number
WO2010052065A1
WO2010052065A1 PCT/EP2009/062423 EP2009062423W WO2010052065A1 WO 2010052065 A1 WO2010052065 A1 WO 2010052065A1 EP 2009062423 W EP2009062423 W EP 2009062423W WO 2010052065 A1 WO2010052065 A1 WO 2010052065A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
amplifier
transistor
current source
common branch
high frequency
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/062423
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Marco Neuscheler
Ricardo Erckert
Axel Wenzler
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to CN200980144424.2A priority Critical patent/CN102210097B/en
Publication of WO2010052065A1 publication Critical patent/WO2010052065A1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/45Differential amplifiers
    • H03F3/45071Differential amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/45076Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier
    • H03F3/45179Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier using MOSFET transistors as the active amplifying circuit
    • H03F3/45183Long tailed pairs
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F1/00Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/30Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters
    • H03F1/301Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters in MOSFET amplifiers
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/45Differential amplifiers
    • H03F3/45071Differential amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/45479Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of common mode signal rejection
    • H03F3/45632Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of common mode signal rejection in differential amplifiers with FET transistors as the active amplifying circuit
    • H03F3/45636Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of common mode signal rejection in differential amplifiers with FET transistors as the active amplifying circuit by using feedback means
    • H03F3/45681Measuring at the common source circuit of the differential amplifier
    • H03F3/4569Controlling the common source circuit of the differential amplifier

Definitions

  • the invention relates to a high-frequency differential amplifier having the features of the preamble of claim 1 and a transceiver circuit having the features of the preamble of claim 5.
  • FlexRay is a fast, deterministic and fault-tolerant bus system, especially for use in motor vehicles.
  • the FlexRay protocol operates on the principle of Time Division Multiple Access (TDMA), whereby the subscribers or the messages to be transmitted are assigned fixed time slots in which they have exclusive access to the communication connection. The time slots are repeated in a fixed cycle, so that the time at which a message is transmitted over the bus, can be accurately predicted and the bus access is deterministic.
  • TDMA Time Division Multiple Access
  • FlexRay divides the cycle into a static and a dynamic part.
  • the fixed time slots are located in the static part at the beginning of a bus cycle.
  • the dynamic part the time slots are specified dynamically.
  • exclusive bus access is now only possible for a short time, for the duration of at least one so-called minislot. Only if a bus access occurs within a minislot, the Timeslot extended by the required time. Thus, bandwidth is only consumed when it is actually needed.
  • FlexRay communicates via one or two physically separate lines with a maximum data rate of 10 Mbit / sec. FlexRay can also operate at lower data rates. Through the lines realized channels correspond to the
  • Messages transmitted by means of a differential signal that is, the signal transmitted via the connecting lines results from the difference of transmitted over the two lines of individual signals.
  • the layer lying in the layer model over the physical layer is designed such that an electrical or an optical transmission of the signal or signals over the
  • Known transceiver circuits for FlexRay typically include a receiver circuit for receiving a digital signal transmitted over the lines.
  • a receiver circuit is usually a
  • High frequency amplifier for amplifying the digital signal available.
  • a gain, in particular a straight-line gain, of such a known high-frequency amplifier is dependent on the temperature of the components and on the production spread of the components.
  • a constant gain can only be achieved by an external negative feedback (closed-loop operation).
  • the external negative feedback has a disturbing effect on the operation of the known amplifiers in a transceiver circuit, because the negative feedback can lead to stability problems of the amplifiers (oscillations, ringing, etc.) and through a network commonly used for negative feedback
  • CMOS Amplifiers are also used circuits with MOS diodes as a load. These circuits operate sufficiently linearly only for small signal levels.
  • the object of the invention is to provide a high-frequency amplifier whose gain is largely independent of the temperature and of the dispersion of components of the amplifier, so that the amplifier is also applicable without external negative feedback for amplifying an input signal of a receiver circuit, in particular for a FlexRay communication system.
  • the object is achieved by an amplifier having the features of claim 1 and by a transceiver circuit having the features of claim 5.
  • Advantageous developments of the amplifier according to the invention are specified in the subclaims.
  • the invention provides an amplifier with temperature-independent amplification, in particular with temperature-independent straight-line amplification.
  • one or more transistors preferably a plurality of transistors connected in parallel, the power source operated at low inversion, so that by means of these transistors, the required for the temperature-compensated operation of the amplifying transistor stages temperature dependence of the current source can be achieved.
  • These transistors operate as a temperature sensor of the power source.
  • the amplifier may be realized by any semiconductor technology, but preferably by CMOS semiconductor technology.
  • the amplifier according to the invention operates particularly stable and is characterized by a low tendency to oscillate. Furthermore, the amplifier according to the invention requires a relatively small area on a semiconductor chip. Because the modern CMOS technologies that can be used to manufacture the amplifier allow smaller transistors than would be possible with bipolar technologies.
  • FIG. 1 shows a bus system with nodes, each having a transceiver circuit with a receiver circuit
  • Figure 2 shows an amplifier for amplifying a at the receiver circuit
  • FIG. 2 is a schematic representation of a Isolier harshfeld bulktransistors (MOSFET).
  • Figure 4 shows a known amplifier with a negative feedback path.
  • FIG. 1 shows a bus system 11 to which a plurality of nodes 13 are connected.
  • the bus system 1 1 may be a FlexRay communication system, and thus the bus system 1 1 may be constructed according to the specifications of the FlexRay consortium.
  • Each bus line 15 is formed as a cable with at least one wire pair consisting of two wires 19, each forming an electrical conductor.
  • the bus system 11 thus has a channel for transferring data passing through the wires 19 of the
  • the bus system 11 may comprise a plurality of channels, preferably two channels, which are implemented by two separate pairs of wires (not shown). By using two channels, the payload rate of data transfers between nodes 13 can be increased by transmitting different data over the two channels. Since that Bus system can continue to work in case of a defect on one of the two wire pairs, results in a higher reliability of the bus system 1 1.
  • Each node 13 has a transceiver circuit 21, which is preferably designed as an integrated circuit.
  • a first bus connection BP and a second bus connection BM of the transceiver circuit 21 are each connected to one of the wires 19 of one of the bus lines 15.
  • the transceiver circuit 21 has a receiver circuit 23 for receiving data via the bus line 15 and a transmitter circuit 25 for transmitting data via the bus line 15 to which the node 13 is connected. Both the receiver circuit 23 and the transmitter circuit 25 are connected within the transceiver circuit 21 to the two bus terminals BP and BM. Both the receiver circuit 23 and the transmitter circuit 25 are set up to transmit a differential digital signal via the pair of wires of the bus line 15 connected to the corresponding transceiver circuit 21.
  • the transceiver circuit 21 also has a logic unit 27 which is coupled to the receiver circuit 23 and to the transmitter circuit 25.
  • Logic unit 27 has terminals for connecting the transceiver circuit 21 to a control circuit formed, for example, by a microcontroller 31 or a microcomputer. These connections or lines connected thereto form an interface 29 between the transceiver circuit 21 and the control circuit or the microcontroller 31.
  • the microcontroller 31 has a communication controller 33 for controlling communications between the nodes 13 via the bus line 15.
  • the communication controller 33 is configured to control the communication operations in accordance with the protocols of the bus system 11, in particular for carrying out media access methods of the bus system 11.
  • the communication controller 33 may also be configured to calculate checksums of data frames to be transmitted over the bus 15, for example according to the CRC method and / or to check the checksums of the received data frames.
  • interface lines include a line RxD for transmitting data received from the transceiver circuit 21 via the bus line 15 from the transceiver circuit 21 to the communication controller 33, and a line TxD for transmitting data to be sent to the transceiver circuit 21 via the bus line 15 , from the communication controller 33 to the
  • Transceiver circuit 21 is provided.
  • the interface 29 also includes further lines 34, which serve, for example, for the exchange of control information between the communication controller 33 and the transceiver circuit 21.
  • the microcontroller 31 has a calculation core 35, memory 37 (main memory and / or read-only memory) and input and output devices 39.
  • the microcontroller 31 may be configured to execute further protocol software and / or application programs.
  • the communication controller 33 is integrated in the microcontroller 31. Notwithstanding this, in an embodiment, not shown, the communication controller 33 is designed as a separate circuit from the microcontroller 31, preferably as an integrated circuit.
  • FIG. 2 shows a high-frequency amplifier 61 of the receiver circuit 23.
  • the high-frequency amplifier 61 may be used for amplifying a digital signal applied to the two bus terminals BP and BM. However, it is also conceivable to use the amplifier 61 in other circuits, in particular in the transceiver circuit 21.
  • the amplifier 61 is constructed overall as a differential amplifier. It has a first transistor stage 63, which is connected in parallel with a second transistor stage 65. This parallel connection of the two transistor stages 63 and 65 is connected in series with a common branch 67 formed by a drain-source path of a transistor M3. In this case, a drain terminal of the transistor M3 of the common branch 67 is connected to a source terminal of a transistor M1 of the first transistor stage 63 and to a source terminal of a transistor M2 of the second transistor stage 65.
  • the source is connected to a source terminal of a transistor M1 of the first transistor stage 63 and to a source terminal of a transistor M2 of the second transistor stage 65.
  • Terminal of the transistor M3 is connected to a ground line 69 of the amplifier 61 connected.
  • a drain terminal of the transistor M1 forms an inverting output OUT_MINUS of the amplifier 61.
  • the drain terminal of the transistor M1 is also connected via a resistor M1 to a supply voltage line 71 of the amplifier 61.
  • a drain terminal of the transistor M2 is a non-inverting output
  • the transistors M1, M2 and M3 are formed as n-channel insulating layer field effect transistors (n-channel MOSFETs).
  • the transistor M3 forms, together with an n-channel MOSFET M4, a current mirror 73.
  • a gate terminal of the transistor M3 is connected to a gate terminal and a drain terminal of the transistor M4.
  • a source terminal of the transistor M4 is connected to the ground line 69 of the amplifier 61.
  • M5 is disposed between the power supply line 71 and the drain of the transistor M4.
  • the amplifier 61 has a ring current source 75, which is formed by p-channel MOSFETs M6 and M7 and by n-channel MOSFETs M8, M9, M10 and M1.
  • a drain terminal of the transistor M6 is connected to drains of the parallel-connected transistors M9, M10 and M1 1.
  • Source terminals of the three transistors M9, M10 and M1 1 are connected via a resistor R3 to the ground line 69.
  • Gate terminals of these three transistors M9, M10 and M1 1 are connected to a gate terminal of the transistor
  • a source terminal of the transistor M8 is connected to the ground line 69, and a drain terminal of the transistor M8 is connected to a drain terminal of the transistor M7.
  • a source terminal of the transistor M7 is connected to the power supply line 71.
  • a gate terminal of the transistor M7 is connected to a gate terminal and to the drain terminal of the transistor M6.
  • the ring current source 75 During operation of the amplifier 61, the ring current source 75 generates a temperature-dependent current.
  • the parallel-connected transistors M9, M10 and M1 1 act as a temperature sensor. The one of the
  • Ring current source 75 is generated by means of the transistor M5 and the Current mirror 73 transmitted to the common branch 67 of the amplifier 61.
  • a current conversion ratio of the ring current source 75 may be arbitrary; the current transmission ratio is preferably 1.
  • the amplifier 61 is preferably constructed so that the individual ones
  • Transistors M1 - M1 1 are thermally coupled together.
  • the amplifier 61 may be arranged on the same chip of an integrated circuit, resulting in a good thermal coupling between the individual components of the amplifier 61.
  • the amplifier 61 is designed so that at least the transistors M1 and M2, preferably the transistors M1, M2, M8, M9, M10 and M1 1, operate in an operating range of weak inversion.
  • the weak inversion operation can be achieved by a suitable choice of the operating points of these transistors M1, M2, M8, M9, M10, M1 1.
  • the gain of these MOS transistors is largely independent of at least such parameters of the technology by which they have been manufactured, which are associated with relatively large manufacturing tolerances of a manufacturing process for manufacturing the amplifier 61.
  • the gain gm the following applies:
  • the parameters e, k, T are independent of the technology.
  • the parameter n describes the capacitive division of an input signal of a MOS transistor through a first capacitance Cgch between gate and channel and a second capacitance Cchsub between channel and BuIk (see FIG. 3). The parameter n is calculated to
  • n (Cgch + Cchsub) / Cgch
  • the first capacitance Cgch is determined by the oxide thickness of a gate oxide of the MOS transistor. This is the core parameter of any CMOS process and is subject to the most accurate control possible, and thus at most low
  • the second capacity Cchsub is dependent on a width of a space charge zone between the channel and BuIk. This width follows the root of a bulk stress and the reciprocal of the root of a bulk doping. This means that the error propagation of doping or bulk voltage changes are disproportionate (see, e.g., R. Mueller, Semiconductor Electronics Components, Springer 1987 and Willy M.C. Sansen, Analog Design Essentials, Springer 2006). In practice, the parameter n usually moves in a range between 1.2 and 1 .6.
  • An amplification gain of the amplifier 61, that is of the stage M1, M2, R1, R2 is calculated as:
  • Ringstromqelle 75 that is generated by the transistors M6 - M1 1 and by the resistor R3.
  • the transistors M8 to M1 1 also operate at low inversion. For the current through the drain-source path of the transistor M3 results
  • the ratio R1 / R3 is determined by the geometry of the resistors and is process independent.
  • the parameter m is also a pure one
  • the gain is independent of process parameters and temperature.
  • K 'contains both technology, semiconductor material and temperature dependent parameters.
  • V gs -V th is the root of the current.
  • V gs -V th (L * 1 b ⁇ as / (W * K ')) 1/2
  • FIG. 4 shows a known amplifier 77.
  • the known amplifier 77 is used in closed-loop mode.
  • the closed-loop circuit 77 shown here has one through resistors R “l, R'2, R'3 and R'4 formed external negative feedback and therefore has repercussions on the inputs IN_PLUS and IN_MINUS and often suffers from stability problems. That is, depending on the load and the gain set by resistors R “1, R'2, R'3 and R'4, the conventional closed-loop amplifier 77 tends to ring or oscillate.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Amplifiers (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

The invention relates to a high frequency differential amplifier (61) for a transceiver circuit (21) for a bus system (11), having two transistor stages (63, 65) with metal-insulator-semiconductor field effect transistors (M1, M2), and with a common branch (67) connected to both transistor stages (63, 65) for coupling the transistor stages (63, 65) with each other. A current source (75) of the high frequency differential amplifier (61), for producing an operating current (Ibias) flowing through the common branch (67), is assigned to the common branch (67). In order to provide a high frequency amplifier (61), the amplification of which is substantially independent of temperature (T) and of the spatial distribution of components of the amplifier (61), it is suggested that the transistor stages (63, 65) are configured to operate the metal-insulator-semiconductor field effect transistors (M1, M2) given weak inversion, and that the current source (75) is designed to compensate the temperature dependency of the amplification of at least one metal-insulator-semiconductor field effect transistor (M1, M2) in such a manner that the operating current (lbias) depends on a temperature (T) of the high frequency differential amplifier (61).

Description

Beschreibung description
Titeltitle
Hochfrequenzdifferenzverstärker und TransceiverschaltungHigh frequency differential amplifier and transceiver circuit
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenzdifferenzverstärker mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und eine Transceiverschaltung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 5.The invention relates to a high-frequency differential amplifier having the features of the preamble of claim 1 and a transceiver circuit having the features of the preamble of claim 5.
Nutzfahrzeugs sind oftmals mit Hilfe eines Kommunikationssystems, wie das unter der Bezeichnung "FlexRay" bekannte Bussystem, miteinander verbunden. Der Kommunikationsverkehr auf dem Bussystem, Zugriffs- und Empfangsmechanismen, sowie Fehlerbehandlung werden über ein Protokoll geregelt. Bei FlexRay handelt es sich um ein schnelles, deterministisches und fehlertolerantes Bussystem, insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen. Das FlexRay-Protokoll arbeitet nach dem Prinzip des Time Division Multiple Access (TDMA), wobei den Teilnehmern bzw. den zu übertragenden Botschaften feste Zeitschlitze zugewiesen werden, in denen sie einen exklusiven Zugriff auf die Kommunikationsverbindung haben. Die Zeitschlitze wiederholen sich dabei in einem festgelegten Zyklus, so dass der Zeitpunkt, zu dem eine Botschaft über den Bus übertragen wird, exakt vorausgesagt werden kann und der Buszugriff deterministisch erfolgt.Commercial vehicles are often interconnected by means of a communication system, such as the bus system known as "FlexRay". The communication traffic on the bus system, access and reception mechanisms, as well as error handling are regulated by a protocol. FlexRay is a fast, deterministic and fault-tolerant bus system, especially for use in motor vehicles. The FlexRay protocol operates on the principle of Time Division Multiple Access (TDMA), whereby the subscribers or the messages to be transmitted are assigned fixed time slots in which they have exclusive access to the communication connection. The time slots are repeated in a fixed cycle, so that the time at which a message is transmitted over the bus, can be accurately predicted and the bus access is deterministic.
Um die Bandbreite für die Übertragung von Botschaften auf dem Bussystem optimal zu nutzen, unterteilt FlexRay den Zyklus in einen statischen und einen dynamischen Teil. Die festen Zeitschlitze befinden sich dabei im statischen Teil am Anfang eines Buszyklusses. Im dynamischen Teil werden die Zeitschlitze dynamisch vorgegeben. Darin wird nun der exklusive Buszugriff jeweils nur für eine kurze Zeit, für die Dauer mindestens eines sogenannten Minislots, ermöglicht. Nur wenn innerhalb eines Minislots ein Buszugriff erfolgt, wird der Zeitschlitz um die benötigte Zeit verlängert. Damit wird Bandbreite also nur verbraucht, wenn sie auch tatsächlich benötigt wird. Dabei kommuniziert FlexRay über eine oder zwei physikalisch getrennte Leitungen mit einer Datenrate von jeweils maximal 10 Mbit/sec. FlexRay kann auch mit niedrigeren Datenraten betrieben werden. Mittels der Leitungen realisierte Kanäle entsprechen dabei derTo make the most of the bandwidth used to transmit messages on the bus system, FlexRay divides the cycle into a static and a dynamic part. The fixed time slots are located in the static part at the beginning of a bus cycle. In the dynamic part, the time slots are specified dynamically. In this case, exclusive bus access is now only possible for a short time, for the duration of at least one so-called minislot. Only if a bus access occurs within a minislot, the Timeslot extended by the required time. Thus, bandwidth is only consumed when it is actually needed. FlexRay communicates via one or two physically separate lines with a maximum data rate of 10 Mbit / sec. FlexRay can also operate at lower data rates. Through the lines realized channels correspond to the
Bitübertragungsschicht, insbesondere des sogenannten OSI (Open System Architecture) Schichtenmodells. Die Verwendung zweier Kanäle dient hauptsächlich der redundanten und damit fehlertoleranten Übertragung von Botschaften, es können jedoch auch unterschiedliche Botschaften übertragen, wodurch sich dann die Datenrate verdoppeln würde. Üblicherweise werden diePhysical layer, in particular the so-called OSI (Open System Architecture) layer model. The use of two channels is mainly for the redundant and thus fault-tolerant transmission of messages, but it can also transmit different messages, which would then double the data rate. Usually, the
Botschaften mit Hilfe eines differentiellen Signals übertragen, das heißt das über die Verbindungsleitungen übertragene Signal ergibt sich aus der Differenz von über die beiden Leitungen übertragenen Einzelsignalen. Die im Schichtenmodell über der Bitübertragungsschicht liegende Schicht ist derart ausgestaltet, dass eine elektrische oder ein optische Übertragung des oder der Signale über dieMessages transmitted by means of a differential signal, that is, the signal transmitted via the connecting lines results from the difference of transmitted over the two lines of individual signals. The layer lying in the layer model over the physical layer is designed such that an electrical or an optical transmission of the signal or signals over the
Leitung(en) oder eine Übertragung auf anderem Wege möglich ist.Line (s) or a transfer by other means is possible.
Bekannte Transceiverschaltungen für FlexRay weisen üblicherweise eine Empfängerschaltung zum Empfangen eines über die Leitungen übertragenen digitalen Signals auf. In einer solchen Empfängerschaltung ist normalerweise einKnown transceiver circuits for FlexRay typically include a receiver circuit for receiving a digital signal transmitted over the lines. In such a receiver circuit is usually a
Hochfrequenzverstärker zum Verstärken des digitalen Signals vorhanden. Eine Verstärkung, insbesondere eine Geradeausverstärkung, eines solchen bekannten Hochfrequenzverstärkers ist abhängig von der Temperatur der Bauelemente und von der Fertigungsstreuung der Bauelemente. Bei den bekannten Hochfrequenzverstärkern kann eine konstante Verstärkung nur durch eine externe Gegenkopplung (Closed-Loop-Betrieb) erreicht werden. Die externe Gegenkopplung wirkt sich beim Betrieb der bekannten Verstärker in einer Transceiverschaltung störend aus, weil die Gegenkopplung zu Stabilitätsproblemen der Verstärker (Schwingungen, Klingeln, usw.) führen kann und durch ein zur Gegenkopplung üblicherweise verwendetes Netzwerk ausHigh frequency amplifier for amplifying the digital signal available. A gain, in particular a straight-line gain, of such a known high-frequency amplifier is dependent on the temperature of the components and on the production spread of the components. In the known high-frequency amplifiers, a constant gain can only be achieved by an external negative feedback (closed-loop operation). The external negative feedback has a disturbing effect on the operation of the known amplifiers in a transceiver circuit, because the negative feedback can lead to stability problems of the amplifiers (oscillations, ringing, etc.) and through a network commonly used for negative feedback
Widerständen störende Rückwirkungen auf Eingänge der Verstärker verursacht werden.Resistors disturbing reactions to inputs of the amplifier caused.
Außer den Closed-Loop-Verstärkern sind auch bipolare Schaltungen bekannt, da dort ebenfalls eine exponentielle Steuerkennlinie vorliegt. Als reine CMOS- Verstärker werden ferner Schaltungen mit MOS-Dioden als Last verwendet. Diese Schaltungen funktionieren nur für kleine Signalpegel hinreichend linear.Apart from the closed-loop amplifiers, bipolar circuits are also known since there is also an exponential control characteristic there. As pure CMOS Amplifiers are also used circuits with MOS diodes as a load. These circuits operate sufficiently linearly only for small signal levels.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Hochfrequenzverstärker bereitzustellen, dessen Verstärkung weitgehend unabhängig von der Temperatur und von der Streuung von Bauelementen des Verstärkers ist, sodass der Verstärker auch ohne externe Gegenkopplung zum Verstärken eines Eingangssignals einer Empfängerschaltung, insbesondere für ein FlexRay-Kommunikationssystem anwendbar ist.The object of the invention is to provide a high-frequency amplifier whose gain is largely independent of the temperature and of the dispersion of components of the amplifier, so that the amplifier is also applicable without external negative feedback for amplifying an input signal of a receiver circuit, in particular for a FlexRay communication system.
Die Aufgabe wird durch einen Verstärker mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Transceiverschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verstärkers sind in den Unteransprüchen angegeben. Insgesamt stellt die Erfindung einen Verstärker mit temperaturunabhängiger Verstärkung, insbesondere mit temperaturunabhängiger Geradeausverstärkung bereit.The object is achieved by an amplifier having the features of claim 1 and by a transceiver circuit having the features of claim 5. Advantageous developments of the amplifier according to the invention are specified in the subclaims. Overall, the invention provides an amplifier with temperature-independent amplification, in particular with temperature-independent straight-line amplification.
Vorzugsweise werden nach Anspruch 3 ein oder mehrere Transistoren, vorzugsweise mehrere parallel geschaltete Transistoren, der Stromquelle bei schwacher Inversion betrieben, sodass mittels dieser Transistoren die für den temperaturkompensierten Betrieb der verstärkenden Transistorstufen erforderliche Temperaturabhängigkeit der Stromquelle erzielt werden kann. Diese Transistoren arbeiten als ein Temperatursensor der Stromquelle.Preferably, according to claim 3, one or more transistors, preferably a plurality of transistors connected in parallel, the power source operated at low inversion, so that by means of these transistors, the required for the temperature-compensated operation of the amplifying transistor stages temperature dependence of the current source can be achieved. These transistors operate as a temperature sensor of the power source.
Der Verstärker kann mittels einer beliebigen Halbleitertechnologie, vorzugsweise jedoch mittels einer CMOS-Halbleitertechnologie, realisiert werden.The amplifier may be realized by any semiconductor technology, but preferably by CMOS semiconductor technology.
Aufgrund der konstanten Verstärkung kann ein bei bekannten Verstärkern benötigter Gegenkopplungszweig entfallen. Hierdurch werden Rückwirkungen auf das Einganssignal vermieden. Zudem arbeitet der erfindungsgemäße Verstärker besonders stabil und zeichnet sich durch eine geringe Neigung zum Schwingen aus. Ferner benötigt der erfindungsgemäße Verstärker eine relativ geringe Fläche auf einem Halbleiterchip. Denn die zum Herstellen des Verstärkers verwendbaren modernen CMOS-Technologien erlauben kleinere Transistoren als dies etwa mit bipolaren Technologien möglich wäre.Due to the constant gain can be omitted in known amplifiers negative feedback path. As a result, repercussions are avoided on the Einganssignal. In addition, the amplifier according to the invention operates particularly stable and is characterized by a low tendency to oscillate. Furthermore, the amplifier according to the invention requires a relatively small area on a semiconductor chip. Because the modern CMOS technologies that can be used to manufacture the amplifier allow smaller transistors than would be possible with bipolar technologies.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in welcher exemplarische Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description in which exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings. Showing:
Figur 1 ein Bussystem mit Knoten, die jeweils eine Transceiverschaltung mit einer Empfängerschaltung aufweisen;1 shows a bus system with nodes, each having a transceiver circuit with a receiver circuit;
Figur 2 einen Verstärker zum Verstärken eines an der Empfängerschaltung ausFigure 2 shows an amplifier for amplifying a at the receiver circuit
Figur 1 anliegenden Eingangssignals;Figure 1 adjacent input signal;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Isolierschichtfeldeffekttransistors (MOSFET); undFigure 2 is a schematic representation of a Isolierschichtfeldeffekttransistors (MOSFET); and
Figur 4 einen bekannten Verstärker mit einem Gegenkopplungszweig.Figure 4 shows a known amplifier with a negative feedback path.
Figur 1 zeigt ein Bussystem 11 , an das mehrere Knoten 13 angeschlossen sind. Bei dem Bussystem 1 1 kann es sich um ein FlexRay-Kommunikationssystem handeln, und somit kann das Bussystem 1 1 gemäß den Spezifikationen des FlexRay-Konsortiums aufgebaut sein.FIG. 1 shows a bus system 11 to which a plurality of nodes 13 are connected. The bus system 1 1 may be a FlexRay communication system, and thus the bus system 1 1 may be constructed according to the specifications of the FlexRay consortium.
Die einzelnen Knoten 13 sind über Busleitungen 15 entweder direkt oder indirekt über einen Sternkoppler 17 miteinander verbunden. Jede Busleitung 15 ist als Kabel mit mindestens einem Adernpaar bestehend aus zwei Adern 19, die jeweils einen elektrischen Leiter bilden, ausgebildet. Das Bussystem 11 weist somit einen Kanal zum Übertragen von Daten auf, der durch die Adern 19 desThe individual nodes 13 are connected via bus lines 15 either directly or indirectly via a star coupler 17. Each bus line 15 is formed as a cable with at least one wire pair consisting of two wires 19, each forming an electrical conductor. The bus system 11 thus has a channel for transferring data passing through the wires 19 of the
Adernpaars gebildet wird. In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann das Bussystem 1 1 mehrere Kanäle, vorzugsweise zwei Kanäle, aufweisen, welche durch zwei voneinander getrennte Adernpaare ausgeführt sind (nicht gezeigt). Durch die Verwendung von zwei Kanälen kann die Nutzdatenrate von Datenübertragungen zwischen den Knoten 13 durch Übertragung unterschiedlicher Daten über die beiden Kanäle erhöht werden. Da das Bussystem bei einem Defekt an einem der beiden Adernpaare weiterarbeiten kann, ergibt sich eine höhere Ausfallsicherheit des Bussystems 1 1.Cores pair is formed. In an embodiment which is not shown, the bus system 11 may comprise a plurality of channels, preferably two channels, which are implemented by two separate pairs of wires (not shown). By using two channels, the payload rate of data transfers between nodes 13 can be increased by transmitting different data over the two channels. Since that Bus system can continue to work in case of a defect on one of the two wire pairs, results in a higher reliability of the bus system 1 1.
Jeder Knoten 13 weist eine Transceiverschaltung 21 , die vorzugsweise als eine integrierte Schaltung ausgebildet ist, auf. Ein erster Busanschluss BP und ein zweiter Busanschluss BM der Transceiverschaltung 21 sind jeweils mit einer der Adern 19 einer der Busleitungen 15 verbunden.Each node 13 has a transceiver circuit 21, which is preferably designed as an integrated circuit. A first bus connection BP and a second bus connection BM of the transceiver circuit 21 are each connected to one of the wires 19 of one of the bus lines 15.
Die Transceiverschaltung 21 weist eine Empfängerschaltung 23 zum Empfangen von Daten über die Busleitung 15 sowie eine Senderschaltung 25 zum Senden von Daten über diejenige Busleitung 15, an die der Knoten 13 angeschlossen ist, auf. Sowohl die Empfängerschaltung 23 als auch die Senderschaltung 25 sind innerhalb der Transceiverschaltung 21 mit den beiden Busanschlüssen BP und BM verbunden. Sowohl die Empfängerschaltung 23 als auch die Senderschaltung 25 sind zum Übertragen eines differentiellen digitalen Signals über das Adernpaar der an die entsprechende Transceiverschaltung 21 angeschlossenen Busleitung 15 eingerichtet.The transceiver circuit 21 has a receiver circuit 23 for receiving data via the bus line 15 and a transmitter circuit 25 for transmitting data via the bus line 15 to which the node 13 is connected. Both the receiver circuit 23 and the transmitter circuit 25 are connected within the transceiver circuit 21 to the two bus terminals BP and BM. Both the receiver circuit 23 and the transmitter circuit 25 are set up to transmit a differential digital signal via the pair of wires of the bus line 15 connected to the corresponding transceiver circuit 21.
Die Transceiverschaltung 21 weist außerdem eine Logikeinheit 27 auf, die mit der Empfängerschaltung 23 und mit der Senderschaltung 25 gekoppelt ist. DieThe transceiver circuit 21 also has a logic unit 27 which is coupled to the receiver circuit 23 and to the transmitter circuit 25. The
Logikeinheit 27 weist Anschlüsse zum Anschließen der Transceiverschaltung 21 an eine beispielsweise von einem Mikrocontroller 31 oder einen Mikrocomputer gebildeten Steuerschaltung auf. Diese Anschlüsse bzw. daran angeschlossene Leitungen bilden eine Schnittstelle 29 zwischen der Transceiverschaltung 21 und der Steuerschaltung bzw. dem Mikrocontroller 31 .Logic unit 27 has terminals for connecting the transceiver circuit 21 to a control circuit formed, for example, by a microcontroller 31 or a microcomputer. These connections or lines connected thereto form an interface 29 between the transceiver circuit 21 and the control circuit or the microcontroller 31.
Der Mikrocontroller 31 weist einen Kommunikationscontroller 33 zum Steuern von Kommunikationsvorgängen zwischen den Knoten 13 über die Busleitung 15 auf. Der Kommunikationscontroller 33 ist zum Steuern der Kommunikationsvorgänge gemäß den Protokollen des Bussystems 1 1 , insbesondere zum Ausführen von Medienzugriffsverfahren des Bussystems 1 1 eingerichtet. Der Kommunikationscontroller 33 kann außerdem zum Berechnen von Prüfsummen von über die Busleitung 15 zu übertragenen Datenrahmen beispielsweise nach dem CRC-Verfahren und/oder zum Überprüfen der Prüfsummen der empfangenen Datenrahmen eingerichtet sein. AIs Schnittstellenleitungen sind insbesondere eine Leitung RxD zum Übertragen von Daten, die die Transceiverschaltung 21 über die Busleitung 15 empfangen hat, von der Transceiverschaltung 21 zu dem Kommunikationscontroller 33 sowie eine Leitung TxD zum Übertragen von Daten, die die Transceiverschaltung 21 über die Busleitung 15 senden soll, von dem Kommunikationscontroller 33 zu derThe microcontroller 31 has a communication controller 33 for controlling communications between the nodes 13 via the bus line 15. The communication controller 33 is configured to control the communication operations in accordance with the protocols of the bus system 11, in particular for carrying out media access methods of the bus system 11. The communication controller 33 may also be configured to calculate checksums of data frames to be transmitted over the bus 15, for example according to the CRC method and / or to check the checksums of the received data frames. Specifically, interface lines include a line RxD for transmitting data received from the transceiver circuit 21 via the bus line 15 from the transceiver circuit 21 to the communication controller 33, and a line TxD for transmitting data to be sent to the transceiver circuit 21 via the bus line 15 , from the communication controller 33 to the
Transceiverschaltung 21 vorgesehen. Die Schnittstelle 29 umfasst außer den beiden Leitungen RxD und TXD auch weitere Leitungen 34, die beispielsweise dem Austausch von Steuerinformationen zwischen dem Kommunikationscontroller 33 und der Transceiverschaltung 21 dienen.Transceiver circuit 21 is provided. In addition to the two lines RxD and TXD, the interface 29 also includes further lines 34, which serve, for example, for the exchange of control information between the communication controller 33 and the transceiver circuit 21.
Der MikroController 31 weist einen Rechenkern 35, Speicher 37 (Arbeitsspeicher und/oder Festwertspeicher) sowie Ein- und Ausgabeeinrichtungen 39 auf. Der MikroController 31 kann zum Ausführen von weiterer Protokollsoftware und/oder von Anwendungsprogrammen eingerichtet sein kann.The microcontroller 31 has a calculation core 35, memory 37 (main memory and / or read-only memory) and input and output devices 39. The microcontroller 31 may be configured to execute further protocol software and / or application programs.
In der gezeigten Ausführungsform ist der Kommunikationscontroller 33 in den MikroController 31 integriert. Abweichend hiervon ist in einer nicht gezeigten Ausführungsform der Kommunikationscontroller 33 als eine von dem MikroController 31 getrennte Schaltung, vorzugsweise als eine integrierte Schaltung, ausgebildet.In the embodiment shown, the communication controller 33 is integrated in the microcontroller 31. Notwithstanding this, in an embodiment, not shown, the communication controller 33 is designed as a separate circuit from the microcontroller 31, preferably as an integrated circuit.
In Figur 2 ist ein Hochfrequenzverstärker 61 der Empfängerschaltung 23 dargestellt. Der Hochfrequenzverstärker 61 kann zum Verstärken eines an den beiden Busanschlüssen BP und BM anliegenden digitalen Signals verwendet werden. Es ist jedoch auch denkbar, den Verstärker 61 in anderen Schaltungen, insbesondere in der Transceiverschaltung 21 , einzusetzen.FIG. 2 shows a high-frequency amplifier 61 of the receiver circuit 23. The high-frequency amplifier 61 may be used for amplifying a digital signal applied to the two bus terminals BP and BM. However, it is also conceivable to use the amplifier 61 in other circuits, in particular in the transceiver circuit 21.
Der Verstärker 61 ist insgesamt als ein Differenzverstärker aufgebaut. Er weist eine erste Transistorstufe 63 auf, die mit einer zweiten Transistorstufe 65 parallel geschaltet ist. Diese Parallelschaltung der beiden Transistorstufen 63 und 65 ist mit einem von einer Drain-Source-Strecke eines Transistors M3 gebildeten gemeinsamen Zweig 67 in Serie geschaltet. Hierbei ist ein Drain-Anschluss des Transistors M3 des gemeinsamen Zweigs 67 mit einem Source-Anschluss eines Transistors M1 der ersten Transistorstufe 63 und mit einem Source-Anschluss eines Transistors M2 der zweiten Transistorstufe 65 verbunden. Der Source-The amplifier 61 is constructed overall as a differential amplifier. It has a first transistor stage 63, which is connected in parallel with a second transistor stage 65. This parallel connection of the two transistor stages 63 and 65 is connected in series with a common branch 67 formed by a drain-source path of a transistor M3. In this case, a drain terminal of the transistor M3 of the common branch 67 is connected to a source terminal of a transistor M1 of the first transistor stage 63 and to a source terminal of a transistor M2 of the second transistor stage 65. The source
Anschluss des Transistors M3 ist mit einer Masseleitung 69 des Verstärkers 61 verbunden. Ein Drain-Anschluss des Transistors M1 bildet einen invertierenden Ausgang OUT_MINUS des Verstärkers 61. Der Drain-Anschluss des Transistors M1 ist zudem über einen Widerstand M1 mit einer Versorgungsspannungsleitung 71 des Verstärkers 61 verbunden. In entsprechender Weise ist ein Drain- Anschluss des Transistors M2 mit einem nicht invertierenden AusgangTerminal of the transistor M3 is connected to a ground line 69 of the amplifier 61 connected. A drain terminal of the transistor M1 forms an inverting output OUT_MINUS of the amplifier 61. The drain terminal of the transistor M1 is also connected via a resistor M1 to a supply voltage line 71 of the amplifier 61. Similarly, a drain terminal of the transistor M2 is a non-inverting output
OUT_PLUS des Verstärkers 61 sowie über einen Widerstand R2 mit der Versorgungsspannungsleitung 71 verbunden. Die Transistoren M1 , M2 und M3 sind als n-Kanal-lsolierschichtfeldeffekttransistoren (n-Kanal-MOSFETs) ausgebildet.OUT_PLUS of the amplifier 61 and via a resistor R2 to the supply voltage line 71. The transistors M1, M2 and M3 are formed as n-channel insulating layer field effect transistors (n-channel MOSFETs).
Der Transistor M3 bildet zusammen mit einem n-Kanal-MOSFET M4 einen Stromspiegel 73. Ein Gate-Anschluss des Transistors M3 ist mit einem Gate- Anschluss und einem Drain-Anschluss des Transistors M4 verbunden. Ein Source-Anschluss des Transistors M4 ist mit der Masseleitung 69 des Verstärkers 61 verbunden. Eine Drain-Source-Strecke eines p-Kanal-MOSFETsThe transistor M3 forms, together with an n-channel MOSFET M4, a current mirror 73. A gate terminal of the transistor M3 is connected to a gate terminal and a drain terminal of the transistor M4. A source terminal of the transistor M4 is connected to the ground line 69 of the amplifier 61. A drain-source path of a p-channel MOSFET
M5 ist zwischen der Versorgungsspannungsleitung 71 und dem Drain-Anschluss des Transistors M4 angeordnet.M5 is disposed between the power supply line 71 and the drain of the transistor M4.
Der Verstärker 61 weist eine Ringstromquelle 75 auf, die durch p-Kanal- MOSFETs M6 und M7 sowie durch n-Kanal-MOSFETs M8, M9, M10 und M1 1 gebildet wird. Ein Drain-Anschluss des Transistors M6 ist mit Drain-Anschlüssen der parallel geschalteten Transistoren M9, M10 und M1 1 verbunden. Source- Anschlüsse der drei Transistoren M9, M10 und M1 1 sind über einen Widerstand R3 mit der Masseleitung 69 verbunden. Gate-Anschlüsse dieser drei Transistoren M9, M10 und M1 1 sind mit einem Gate-Anschluss des TransistorsThe amplifier 61 has a ring current source 75, which is formed by p-channel MOSFETs M6 and M7 and by n-channel MOSFETs M8, M9, M10 and M1. A drain terminal of the transistor M6 is connected to drains of the parallel-connected transistors M9, M10 and M1 1. Source terminals of the three transistors M9, M10 and M1 1 are connected via a resistor R3 to the ground line 69. Gate terminals of these three transistors M9, M10 and M1 1 are connected to a gate terminal of the transistor
M8 verbunden. Ein Source-Anschluss des Transistors M8 ist mit der Masseleitung 69 verbunden, und ein Drain-Anschluss des Transistors M8 ist an einen Drain-Anschluss des Transistors M7 angeschlossen. Ein Source- Anschluss des Transistors M7 ist mit der Versorgungsspannungsleitung 71 verbunden. Ein Gate-Anschluss des Transistors M7 ist an einen Gate-Anschluss und an den Drain-Anschluss des Transistors M6 angeschlossen.M8 connected. A source terminal of the transistor M8 is connected to the ground line 69, and a drain terminal of the transistor M8 is connected to a drain terminal of the transistor M7. A source terminal of the transistor M7 is connected to the power supply line 71. A gate terminal of the transistor M7 is connected to a gate terminal and to the drain terminal of the transistor M6.
Beim Betrieb des Verstärkers 61 erzeugt die Ringstromquelle 75 einen temperaturabhängigen Strom. Hierbei wirken die parallel geschalteten Transistoren M9, M10 und M1 1 als ein Temperatursensor. Der von derDuring operation of the amplifier 61, the ring current source 75 generates a temperature-dependent current. In this case, the parallel-connected transistors M9, M10 and M1 1 act as a temperature sensor. The one of the
Ringstromquelle 75 erzeugte Strom wird mittels des Transistors M5 und des Stromspiegels 73 auf den gemeinsamen Zweig 67 des Verstärkers 61 übertragen. Ein Stromübersetzungsverhältnis der Ringstromquelle 75 kann beliebig gewählt sein; das Stromübersetzungsverhältnis beträgt vorzugsweise 1.Ring current source 75 is generated by means of the transistor M5 and the Current mirror 73 transmitted to the common branch 67 of the amplifier 61. A current conversion ratio of the ring current source 75 may be arbitrary; the current transmission ratio is preferably 1.
Der Verstärker 61 ist vorzugsweise so aufgebaut, dass die einzelnenThe amplifier 61 is preferably constructed so that the individual ones
Transistoren M1 - M1 1 miteinander thermisch miteinander gekoppelt sind. Beispielsweise kann der Verstärker 61 auf demselben Chip einer integrierten Schaltung angeordnet sein, so dass sich eine gute thermische Kopplung zwischen den einzelnen Bauteilen des Verstärkers 61 ergibt.Transistors M1 - M1 1 are thermally coupled together. For example, the amplifier 61 may be arranged on the same chip of an integrated circuit, resulting in a good thermal coupling between the individual components of the amplifier 61.
Der Verstärker 61 ist so ausgelegt, dass zumindest die Transistoren M1 und M2, vorzugsweise die Transistoren M1 , M2, M8, M9, M10 und M1 1 , in einem Betriebsbereich der schwachen Inversion (engl, weak inversion) arbeiten. Der Betrieb bei schwacher Inversion kann durch eine geeignete Wahl der Arbeitspunkte dieser Transistoren M1 , M2, M8, M9, M10, M1 1 erreicht werden.The amplifier 61 is designed so that at least the transistors M1 and M2, preferably the transistors M1, M2, M8, M9, M10 and M1 1, operate in an operating range of weak inversion. The weak inversion operation can be achieved by a suitable choice of the operating points of these transistors M1, M2, M8, M9, M10, M1 1.
Hierbei kann der Arbeitspunkt beispielsweise so gewählt werden, dass eine Differenz zwischen einer Gate-Source-Spannung Vgs und einer Schwellspannung Vth der Transistoren M1 , M2, M8, M9, M10, M1 1 kleiner oder gleich 100 mV beträgt. Das heißt, Vgs- Vth <= 100 mV.In this case, the operating point can be selected, for example, such that a difference between a gate-source voltage V gs and a threshold voltage V th of the transistors M1, M2, M8, M9, M10, M1 1 is less than or equal to 100 mV. That is, V gs - V th <= 100 mV.
Wenn die Transistoren M1 und M2 bei schwacher Inversion arbeiten, dann ist die Verstärkung dieser MOS-Transistoren weitgehend unabhängig von zumindest solchen Parametern der Technologie, mittels der sie hergestellt worden sind, die mit relativ großen Fertigungstoleranzen eines Herstellungsprozesses zum Herstellen des Verstärkers 61 behaftet sind. Für die Verstärkung gm gilt:When the transistors M1 and M2 operate at low inversion, the gain of these MOS transistors is largely independent of at least such parameters of the technology by which they have been manufactured, which are associated with relatively large manufacturing tolerances of a manufacturing process for manufacturing the amplifier 61. For the gain gm the following applies:
gm = Id * e /(n*k*T),gm = Id * e / (n * k * T),
wobeiin which
e für die Elementarladung 1 .602 *10"19 As, k für die Boltzmann-Konstante 1 .38*10"23 Vas/K unde for the elementary charge 1 .602 * 10 "19 As, k for the Boltzmann constant 1 .38 * 10 " 23 Vas / K and
T für die Temperatur des Verstärkers 61 gemessen in KelvinT for the temperature of the amplifier 61 measured in Kelvin
steht. Die Parameter e, k, T sind unabhängig von der Technologie. Der Parameter n beschreibt die kapazitive Teilung eines Eingangssignals eines MOS-Transistors durch eine erste Kapazität Cgch zwischen Gate und Kanal und eine zweite Kapazität Cchsub zwischen Kanal und BuIk (siehe Figur 3). Der Parameter n errechnet sich zustands. The parameters e, k, T are independent of the technology. The parameter n describes the capacitive division of an input signal of a MOS transistor through a first capacitance Cgch between gate and channel and a second capacitance Cchsub between channel and BuIk (see FIG. 3). The parameter n is calculated to
n = (Cgch+Cchsub) / Cgchn = (Cgch + Cchsub) / Cgch
Die erste Kapazität Cgch ist durch die Oxiddicke eines Gate-Oxides des MOS- Transistors bestimmt. Dies ist der Kernparameter jedes CMOS-Prozesses und unterliegt der genauest möglichen Kontrolle und somit allenfalls geringenThe first capacitance Cgch is determined by the oxide thickness of a gate oxide of the MOS transistor. This is the core parameter of any CMOS process and is subject to the most accurate control possible, and thus at most low
Fertigungstoleranzen.Manufacturing tolerances.
Die zweite Kapazität Cchsub ist abhängig von einer Weite einer Raumladungszone zwischen Kanal und BuIk. Diese Weite folgt der Wurzel einer Bulkspannung und dem Kehrwert der Wurzel einer Bulk-Dotierung. Das bedeutet, dass die Fehlerfortpflanzung von Änderungen der Dotierung oder der Bulk-Spannung unterproportional sind (siehe z.B. R. Mueller, Bauelemente der Halbleiter Elektronik, Springer 1987 sowie Willy M. C. Sansen, Analog Design Essentials, Springer 2006). In der Praxis bewegt sich der Parameter n meist in einem Bereich zwischen 1.2 und 1 .6.The second capacity Cchsub is dependent on a width of a space charge zone between the channel and BuIk. This width follows the root of a bulk stress and the reciprocal of the root of a bulk doping. This means that the error propagation of doping or bulk voltage changes are disproportionate (see, e.g., R. Mueller, Semiconductor Electronics Components, Springer 1987 and Willy M.C. Sansen, Analog Design Essentials, Springer 2006). In practice, the parameter n usually moves in a range between 1.2 and 1 .6.
Eine Verstärkung gain des Verstärkers 61 , das heißt der Stufe M1 , M2, R1 , R2 berechnet sich zu:An amplification gain of the amplifier 61, that is of the stage M1, M2, R1, R2 is calculated as:
gain = R1 *lbιas *e/(n*k*T)gain = R1 * lbias * e / (n * k * T)
Diese Gleichung gilt, so lange M1 und M2 bei schwacher Inversion arbeiten. Der Wert I bias steht für einen Strom durch die Drain-Source-Strecke des Transistors M3. Die Verstärkung gain wird unabhängig von der Temperatur durch Erzeugung eines temperaturproportionalen Stromes. Dieser Strom wird durch dieThis equation holds as long as M1 and M2 operate at low inversion. The value I b i as stands for a current through the drain-source path of the transistor M3. The gain gain becomes independent of the temperature by generating a temperature proportional current. This stream is through the
Ringstromqelle 75, das heißt durch die Transistoren M6 - M1 1 und durch den Widerstand R3 erzeugt. Die Transistoren M8 bis M1 1 arbeiten ebenfalls bei schwacher Inversion. Für den Strom durch die Drain-Source-Strecke des Transistors M3 ergibt sichRingstromqelle 75, that is generated by the transistors M6 - M1 1 and by the resistor R3. The transistors M8 to M1 1 also operate at low inversion. For the current through the drain-source path of the transistor M3 results
lbιas = ln(m)*n*k*T/(R3*e), wobei der Parameter m=W/L für ein Verhältnis zwischen Kanalbreite und Kanallänge der Transistoren M9 - M1 1 und M8 steht. In der gezeigten Ausführungsform ist m=3. Durch Einsetzen der letzten Gleichung in die vorletzte Gleichung ergibt sich lbias = ln (m) * n * k * T / (R3 * e), where the parameter m = W / L stands for a ratio between channel width and channel length of the transistors M9 - M1 1 and M8. In the embodiment shown, m = 3. By inserting the last equation into the penultimate equation results
gain = R1 *ln(m) / R3.gain = R1 * ln (m) / R3.
Das Verhältnis R1/R3 ist durch die Geometrie der Widerstände bestimmt und ist prozessunabhängig. Der Parameter m ist ebenfalls ein reinesThe ratio R1 / R3 is determined by the geometry of the resistors and is process independent. The parameter m is also a pure one
Geometrieverhältnis. Somit ist die Verstärkung von Prozessparametern und von der Temperatur unabhängig.Aspect ratio. Thus, the gain is independent of process parameters and temperature.
Es ist bevorzugt, dass die verwendeten Bauelemente gut gepaart realisiert werden können.It is preferred that the components used can be realized well paired.
In bekannten Verstärkern ist es üblich, MOSFETs in einem Betriebsbereich der Strong-Inversion zu betreiben. Hier gelten jedoch andere Gleichungen für die Verstärkung gm der einzelnen Transistoren:In known amplifiers, it is common to operate MOSFETs in a strong-inversion operating range. Here, however, other equations apply to the gain gm of the individual transistors:
gmstrang ιnversιon = 2*K'*(Vgs-Vth)*W/Lgm strand ιnversιon = 2 * K ' * (V gs -V th ) * W / L
K' enthält sowohl von der Technologie, vom Halbleitermaterial als auch von der Temperatur abhängige Parameter.K 'contains both technology, semiconductor material and temperature dependent parameters.
Der Term Vgs-Vth ist die Wurzel des Stromes abhängig.The term V gs -V th is the root of the current.
Vgs-Vth = (L* lbιas / (W*K'))1/2 V gs -V th = (L * 1 bιas / (W * K ')) 1/2
Wegen diesen Zusammenhängen ist es bei Strong-Inversion nicht möglich, einen von der Temperatur und den Prozessparametern unabhängigen Verstärker der im Open-Loop-Betrieb arbeitet, zu bauen.Because of these relationships, it is not possible to build an amplifier independent of the temperature and the process parameters in the case of strong inversion, which operates in open-loop mode.
Figur 4 zeigt einen bekannten Verstärker 77. Um stabile Verstärkungen zu erreichen wird der bekannte Verstärker 77 im Closed-Loop-Betrieb eingesetzt.FIG. 4 shows a known amplifier 77. In order to achieve stable amplifications, the known amplifier 77 is used in closed-loop mode.
Die hier gezeigte Closed-Loop-Schaltung 77 weist eine durch Widerstände R"l , R'2, R'3 und R'4 gebildete externe Gegenkopplung auf und hat deshalb Rückwirkungen auf die Eingänge IN_PLUS und IN_MINUS und leidet oft auch unter Stabilitätsproblemen. Das heißt, je nach Last und der durch Widerstände R"l , R'2, R'3 und R'4 eingestellter Verstärkung neigt der bekannte Closed-Loop- Verstärker 77 zum Klingeln oder zur Oszillation. The closed-loop circuit 77 shown here has one through resistors R "l, R'2, R'3 and R'4 formed external negative feedback and therefore has repercussions on the inputs IN_PLUS and IN_MINUS and often suffers from stability problems. That is, depending on the load and the gain set by resistors R "1, R'2, R'3 and R'4, the conventional closed-loop amplifier 77 tends to ring or oscillate.

Claims

Ansprüche claims
1 . Hochfrequenzdifferenzverstärker (61 ) für eine Transceiverschaltung (21 ) für eine Bussystem (1 1 ), der zwei Transistorstufen (63, 65) mit Isolierschichtfeldeffekttransistoren (M1 , M2) und einen an die beiden Transistorstufen (63, 65) angeschlossenen gemeinsamen Zweig (67) zum1 . High-frequency differential amplifier (61) for a transceiver circuit (21) for a bus system (1 1) comprising two transistor stages (63, 65) with insulated-gate field-effect transistors (M1, M2) and a common branch (67) connected to the two transistor stages (63, 65). to the
Koppeln der Transistorstufen (63, 65) miteinander aufweist, wobei dem gemeinsamen Zweig (67) eine Stromquelle (75) des Hochfrequenzdifferenzverstärkers (61 ) zum Erzeugen eines durch den gemeinsamen Zweig (67) hindurch fließenden Betriebsstromes (Ibias) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistorstufen (63, 65) zum Betreiben der Isolierschichtfeldeffekttransistoren (M 1 , M2) bei schwacher Inversion eingerichtet sind, und dass die Stromquelle (75) derart zur Kompensation einer Temperaturabhängigkeit einer Verstärkung mindestens eines Isolierschichtfeldeffekttransistors (M1 , M2) ausgebildet ist, dass der Betriebsstrom (lbιas) von einer Temperatur (T) desCoupling the transistor stages (63, 65) to each other, wherein the common branch (67) is associated with a current source (75) of the high frequency differential amplifier (61) for generating an operating current (I b i as ) flowing through the common branch (67), characterized in that the transistor stages (63, 65) are arranged to operate the insulated-gate field-effect transistors (M 1, M2) at low inversion, and in that the current source (75) is designed to compensate for a temperature dependence of a gain of at least one insulated-gate field-effect transistor (M1, M2) is that the operating current (l bιas ) of a temperature (T) of the
Hochfrequenzdifferenzverstärkers (61 ) abhängt.High frequency difference amplifier (61) depends.
2. Verstärker (61 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der von der Stromquelle (75) erzeugte Betriebsstrom (Ibias) zumindest im Wesentlichen proportional zu der Temperatur (T) des Hochfrequenzverstärkers (61 ) ist.Second amplifier (61) according to claim 1, characterized in that the of the current source (75) generated operating current (I b i as ) is at least substantially proportional to the temperature (T) of the high frequency amplifier (61).
3. Verstärker (61 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (75) weitere Isolierschichtfeldeffekttransistoren (M6, M7, M8, M9, M10, M1 1 ) umfasst und dass die Stromquelle (75) zum Betreiben zumindest eines dieser Isolierschichtfeldeffekttransistoren (M9, M10, M1 1 ) bei schwacher Inversion eingerichtet ist.3. Amplifier (61) according to claim 1 or 2, characterized in that the current source (75) further Isolierschichtfeldeffekttransistoren (M6, M7, M8, M9, M10, M1 1) and that the current source (75) for operating at least one of these Insulating layer field effect transistors (M9, M10, M1 1) are set up in weak inversion.
4. Verstärker (61 ) nach einem der Vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, die Stromquelle eine Ringstromquelle (75) zum Erzeugen des Betriebsstroms (lb,as) ist und dass der Verstärker (61 ) einen Stromspiegel (73) zum Einprägen des Betriebsstroms (lb,as) in den gemeinsamen Zweig (67) aufweist.4. Amplifier (61) according to one of the preceding claims, characterized in that the current source is a ring current source (75) for generating the operating current (l b , as ) and that the amplifier (61) has a current mirror (73) for impressing the operating current (l b , as) in the common branch (67).
5. Transceiverschaltung (21 ) für eine Bussystem, mit einem Hochfrequenzdifferenzverstärker (61 ), der zwei Transistorstufen(63, 65) mit5. Transceiver circuit (21) for a bus system, comprising a high-frequency difference amplifier (61), the two transistor stages (63, 65) with
Isolierschichtfeldeffekttransistoren (M1 , M2) und einen an die beiden Transistorstufen (63, 65) angeschlossenen gemeinsamen Zweig (67) zum Koppeln der Transistorstufen (63, 65) miteinander aufweist, wobei dem gemeinsamen Zweig (67) eine Stromquelle (75) des Hochfrequenzdifferenzverstärkers (61 ) zum Erzeugen eines durch den gemeinsamen Zweig (67) hindurch fließenden Betriebsstromes (lb,as) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenzdifferenzverstärker (61 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist. Insulated-layer field-effect transistors (M1, M2) and a common branch (67) connected to the two transistor stages (63, 65) for coupling the transistor stages (63, 65) to each other, the common branch (67) being a current source (75) of the high-frequency differential amplifier (67). 61) for generating an operating current (l b , as) flowing through the common branch (67), characterized in that the high-frequency difference amplifier (61) is designed according to one of the preceding claims.
PCT/EP2009/062423 2008-11-10 2009-09-25 High frequency differential amplifier and transceiver circuit WO2010052065A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN200980144424.2A CN102210097B (en) 2008-11-10 2009-09-25 High frequency differential amplifier and transceiver circuit

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102008057629.8A DE102008057629B4 (en) 2008-11-10 2008-11-10 High frequency differential amplifier and transceiver circuit
DE102008057629.8 2008-11-10

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2010052065A1 true WO2010052065A1 (en) 2010-05-14

Family

ID=41228666

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2009/062423 WO2010052065A1 (en) 2008-11-10 2009-09-25 High frequency differential amplifier and transceiver circuit

Country Status (3)

Country Link
CN (1) CN102210097B (en)
DE (1) DE102008057629B4 (en)
WO (1) WO2010052065A1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103001841B (en) * 2011-09-19 2016-03-09 安凯(广州)微电子技术有限公司 A kind of automotive bus system
CN104765405B (en) * 2014-01-02 2017-09-05 意法半导体研发(深圳)有限公司 The current reference circuit of temperature and technological compensa tion

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2014391A (en) * 1978-02-10 1979-08-22 Rca Corp Longtailed-pair connectors of mosfet's
US4929909A (en) * 1989-03-27 1990-05-29 Analog Devices, Inc. Differential amplifier with gain compensation
US5200654A (en) * 1991-11-20 1993-04-06 National Semiconductor Corporation Trim correction circuit with temperature coefficient compensation
US5912589A (en) * 1997-06-26 1999-06-15 Lucent Technologies Arrangement for stabilizing the gain bandwidth product
US6034567A (en) * 1997-02-27 2000-03-07 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor integrated circuit device provided with a differential amplifier

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1480333A3 (en) * 2003-05-22 2006-05-03 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. High frequency differential amplifier, differential mixer, differential oscillator and radio circuit using same
DE102006011059A1 (en) 2006-03-08 2007-09-13 Robert Bosch Gmbh Method and system for transmitting data encoded in a signal

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2014391A (en) * 1978-02-10 1979-08-22 Rca Corp Longtailed-pair connectors of mosfet's
US4929909A (en) * 1989-03-27 1990-05-29 Analog Devices, Inc. Differential amplifier with gain compensation
US5200654A (en) * 1991-11-20 1993-04-06 National Semiconductor Corporation Trim correction circuit with temperature coefficient compensation
US6034567A (en) * 1997-02-27 2000-03-07 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor integrated circuit device provided with a differential amplifier
US5912589A (en) * 1997-06-26 1999-06-15 Lucent Technologies Arrangement for stabilizing the gain bandwidth product

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ROSSI C ET AL: "Ultra-low Power CMOS Cells for Temperature Sensors", PROCEEDINGS 18TH. SYMPOSIUM ON INTEGRATED CIRCUITS AND SYSTEMS DESIGN. SBCCI 2005. FLORIANOPOLIS, BRAZIL, SEPT. 4 - 7, 2005; [PROCEEDINGS SYMPOSIUM ON INTEGRATED CIRCUITS AND SYSTEMS DESIGN], NEW YORK, NY : ACM, US, 1 September 2005 (2005-09-01), pages 202 - 206, XP031124611, ISBN: 978-1-59593-174-0 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102008057629B4 (en) 2021-09-09
CN102210097A (en) 2011-10-05
CN102210097B (en) 2015-06-17
DE102008057629A1 (en) 2010-05-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE4412055C1 (en) MOS terminal resistance circuit for transmission line
EP1704452B1 (en) Transistor arrangement with temperature compensation and method for temperature compensation
DE102017107329B4 (en) Differentialbusempfänger
EP0721269B1 (en) CMOS circuit
EP3665870A1 (en) Transceiver for a bus system, and method for reducing an oscillation inclination upon transitioning between different bit states
DE102020208635A1 (en) DIFFERENTIAL SIGNAL TRANSMISSION CIRCUIT
WO2019122208A1 (en) Participant station for a serial bus system, and method for transmitting a message in a serial bus system
DE102005059012A1 (en) Actuator-sensor-interface-system for connection e.g. binary sensor and/or actuator, has actuator-sensor-interface-transmission connection partially designed as coaxial- or triaxial-cable, where signals are transmitted from slave to master
WO2010052065A1 (en) High frequency differential amplifier and transceiver circuit
EP3665871B1 (en) Transceiver for a bus system, and method for reducing an oscillation inclination upon transitioning between different bit states
EP2110954B1 (en) Transmission switch, transmission method and use
WO2019122209A1 (en) Subscriber station for a serial bus system and method for transmitting a message in a serial bus system
DE102008057619B4 (en) Circuit arrangement for amplifying a digital signal and transceiver circuit for a bus system
DE102018220073A1 (en) Line termination for a bus of a bus system and method for suppressing reflections due to common mode interference in a bus system
EP3744049A1 (en) Participant station for a serial bus system, and method for transmitting a message in a serial bus system
DE102014101911B4 (en) Limiting amplifier
DE102009047895B4 (en) Receiver circuit for a differential input signal transmitted via a pair of conductors and transceiver circuit with such a receiver circuit
WO2003013084A2 (en) Line driver for transmitting data
EP3744050A1 (en) Participant station for a serial bus system, and method for transmitting a message in a serial bus system
DE102008057627B4 (en) Receiver circuit for a differential input signal and transceiver circuit for a bus system
DE102008057626B4 (en) Receiver circuit for a transceiver circuit and transceiver circuit for a bus system
WO2010052292A1 (en) Output circuit for a transceiver circuit for a bus system, and transceiver circuit for a bus system
DE102021207666A1 (en) Transmission/reception device and method for detecting bus system manipulation in a serial bus system
DE10239813B4 (en) Electronic circuit with improved current stabilization
WO2019029890A1 (en) Input stage for an lvds receiver circuit

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 200980144424.2

Country of ref document: CN

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 09783404

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 09783404

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1