EP1402328A2

EP1402328A2 - Stromquellenschaltung

Info

Publication number: EP1402328A2
Application number: EP02704588A
Authority: EP
Inventors: Bernhard Engl
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-01-19
Filing date: 2002-01-16
Publication date: 2004-03-31
Anticipated expiration: 2022-01-16
Also published as: US6885220B2; EP1402328B1; US20040017249A1; DE10102443A1; WO2002057864A3; WO2002057864A2

Abstract

Die beschriebene Stromquellenschaltung zeichnet sich dadurch aus, das die Stromquellenschaltung eine Steuervorrichtung (T2', T11', T12', T6, IQ1, IQ2) enthält, welche eine die Größe des von der Stromquellenschaltung abgegebenen Stromes bestimmende Komponente (T2) der Stromquellenschaltung steuert, und dass die Steuerung abhängig von den Verhältnissen erfolgt, die in der von der Stromquellenschaltung mit Strom versorgten Einheit herrschen. Dadurch kann erreicht werden, dass die Stromquellenschaltung ohne Beschränkung der Einsatzmöglichkeiten derselben stets einen konstanten Strom liefert.

Description

Beschreibung

Stromquellenschaltung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, d.h. eine Stromquellenschaltung.

Stromquellenschaltungen kommen beispielsweise, aber bekanntlich bei weitem nicht ausschließlich in Differenzverstärkern, genauer gesagt als Fußstromquelle eines Differentialpaares von Transistoren zum Einsatz.

Die Figuren 1A, IB, und IC zeigen verschiedene Aus- führungsformen einer solchen Anordnung.

In den gezeigten Schaltungen besteht das erwähnte Differentialpaar jeweils aus Transistoren TU, T12, und die Fußstromquelle aus einem Transistor T2.

Die Fußstromquelle liefert einen auch als Tailstrom bezeichneten Fußstrom IT an den gemeinsamen Sourceknoten des Differentialpaares. Die Größe dieses Stromes (die Größe einer den Transistor T2 steuernden Spannung VB2) wird gewöhnlich über einen als Diode geschalteten Transistor T2D und eine Stromquelle IQ erzeugt.

Die drainseitige Beschaltung des Differentialpaares kann beispielsweise aus Lastwiderständen Rl, R2 (Figur 1A) , einer sogenannte Folded Cascode (Figur IB) oder einer beliebigen anderen Schaltung (Figur IC) bestehen.

Ein wesentlicher Nachteil von Anordnungen dieser Art ist die Abhängigkeit des Tailstroms IT von der Gleichtaktaussteuerung des Differentialpaares an dessen Eingängen E+ (Gateanschluß des Transistors TU), und E- (Gateanschluß des Transistors T12) . Schuld hieran ist der endliche Ausgangsleitwert des Transistors T2, der vor allem bei zeitgemäßen CMOS-Prozessen mit 0.12 um Kanallänge sehr groß sein kann, so daß sich starke Schwankungen von IT ergeben.

Die sich am gemeinsamen Sourceknoten einstellenden Verhältnisse, genauer gesagt das sich dort einstellende Potential Vs, werden auch von der Drainseite der Transistoren TU und T12 her beeinflußt, und zwar durch endliche Ausgangsleitwerte von TU, T12, oder durch typische Kurzkanaleffekte wie DIBL. Diese Einflüsse können durch bekannte Maßnahmen wie drainsei- tige Kaskoden (siehe beispielsweise Figur IB) behoben werden.

Prinzipiell könnte auch die Fußstromquelle T2 kaskodiert werden (siehe Figur IC; Kaskodetransistor T4), doch schränkt eine solche Maßnahme den Gleichtaktaussteuerungsbereich an E+, E- ein, da eine weitere Drain-Source-Stättigungsspannung (die Drain-Source-Stättigungsspannung von T4) untergebracht werden muß, und dies ist gerade bei geringen Vorsorgungsspan- nungen von typischerweise 1.2 V oder weniger oftmals nicht mehr machbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu finden, durch welche durch die Gleichtaktaussteuerung bedingte Fehler der Fußstromquelle von Differ- entialpaaren oder sonstigen elektrischen Schaltungen ohne ohne Beschränkung der Einsatzmöglichkeiten minimiert werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Patentan- spruch 1 beanspruchte Stromquellenschaltung gelöst.

Die erfindungsgemäße Stromquellenschaltung zeichnet sich dadurch aus,

- daß die Stromquellenschaltung eine Steuervorrichtung (T2¹, TU', T12', T6, IQl, IQ2) enthält, welche eine die Größe des von der Stromquellenschaltung abgegebenen Stromes be- stimmende Komponente (T2) der Stromquellenschaltung steuert, und - daß die Steuerung abhängig von den Verhältnissen erfolgt, die in der von der Stromquellenschaltung mit Strom versorg- ten Einheit herrschen.

Dadurch kann auf sehr einfache Weise sichergestellt werden, daß der von der Stromquellenschalung abgegebene Strom unter allen Umständen wunschgemäß groß ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, der folgenden Beschreibung, und den Figuren ent- nehmbar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Es zeigen

Figuren la, lb, und lc verschiedene bekannte Ausführungsfor- men einer ein Differentialpaar und eine Fußstromquelle für das Diffentialpaar enthaltenden Anordnung,

Figur 2a den Aufbau einer ein Differentialpaar und eine im folgenden näher beschriebene Stromquellenschaltung enthaltenden Anordnung,

Figur 2b den Aufbau der in der Figur 2a gezeigten Anordnung für den Fall, daß anstelle des Differtialpaares eine andere Schaltung vorgesehen ist,

Figuren 3 bis 6 den Aufbau einiger möglicher Abwandlungen der in der Figur 2a gezeigten Anordnung, und

Figur 7 eine Darstellung der Ströme, die von herkömmlichen Stromquellenschaltungen und einer der im folgenden näher beschriebenen Stromquellenschaltungen, unter verschiedenen Bedingungen ausgegeben werden.

Es wird zunächst unter Bezugnahme auf Figur 2a die Grundidee der hier vorgeschlagenen Stromquellenschaltung beschrieben, und im Anschluß daran einige der möglichen Abwandlungen.

Die in der Figur 2a gezeigte Anordnung enthält eine mit Strom zu versorgende Schaltung und eine diese Schaltung mit Strom versorgende Stromquellenschaltung, wobei die Stromquellenschaltung aus einer die Größe des abgegebenen Stromes bestimmenden Komponente und einer diese Komponente steuernden Steuereinrichtung besteht.

Die mit Strom zu versorgende Schaltung ist bei dem in Figur

2a gezeigten Beispiel ein aus Transistoren TU und T12 bestehendes Differentialpaar mit einer beliebigen drainseitigen Beschaltung, kann aber, wie später noch anhand von Beispielen erläutert wird, auch eine beliebige andere Schaltung sein.

Die die Größe des abgegebenen Stromes bestimmende Komponente der Stromquellenschaltung ist vorliegend ein drainseitig mit dem gemeinsamen Sourceknoten der Transistoren TU und T12, und sourceseitig mit einer Versorgungsspannung VSS verbun- dener Transistor T2; dieser Transistor wird im folgenden teilweise auch als Fußstromquellentransistor T2 bezeichnet.

Die diesen Transistor T2 steuernde Steuervorrichtung ist ein in den Figuren mit FKS bezeichneter Regelkreis, der bei dem in in Figur 2a gezeigten Beispiel eine erste Stromquelle IQl, eine zweite Stromquelle IQ2, und Transistoren T6, T2 ' , und TU' umfaßt.

Der Transistor T2¹ ist ein Replicatransistor, auf welchen das gemeinsame Sourcepotential Vs des Differentialpaares, das gleichzeitig das Drainpotential des Fußstromquellentransistors T2 ist, auf einen Replicatransistor T2' abgebildet wird. Dien geschieht über den mit T2 ' in Serie geschalteten Tran-, sistor TU' (oder mehrere mit T2' in Serie geschaltete Transistoren) . Das Gate des Transistors TU¹ wird so angesteuert, daß die Drainpotentiale Vs von T2 und Vs' von T2' weitgehend gleich sind. Der drainseitige Ausgangsstrom der Serienschaltung aus T2' und TU' entspricht damit weitgehend dem Tail- strom IT des Differentialpaars, ist also ein Replikat desselben, gegebenenfalls mit einem konstanten Faktor skaliert, der sich aus der Skalierung der Transistorweiten ergibt. Im be- trachteten Beispiel beträgt der replizierte Strom beispielsweise IT/2, wenn die Weite von TU genauso groß ist wie die Weite von TU¹, aber T2 doppelt so groß ist wie T2 ' , bei gleicher Länge der Transistoren. Dieses Verhältnis 1:2 kann durch Variation der Transistorgeometrien geändert werden, wichtig für die bestmögliche Replikation des Potentials Vs an Vs' sind lediglich jeweils gleiche Stromdichten in den Transistorpaaren T2, T2' bzw. TU, TU*.

Die bereits erwähnte erste Stromquelle IQl liefert an den Re- gelkreis einen Strom, der der Summe des - möglicherweise mit einem Faktor skalierten - Sollwertes IS des Fußstroms, hier beispielhaft als IS/2 gewählt, und dem Arbeitsstrom IB des Regelkreises entspricht. Über die zweite Stromquelle IQ2 wird dem Regelkreis sein Arbeitsstrom IB wieder entzogen. Das Ga- tepotential VB2 am gemeinsamen Gateanschluß von T2 und T2¹ steigt, wenn der replizierte Strom IT/2 kleiner ist als der Sollstrom IS/2, und sinkt, wenn er größer ist. Durch dieses • Regelgesetz wird das Gatepotential VB2 so geregelt, daß der Tailstrom IT dem Sollstrom IS entspricht. Die Schaltungstopo- logie erlaubt sehr hohe Bandbreiten, und ist in der Regel ohne weitere Maßnahmen stabil, wobei die Gate-Sourcekapazitäten von T2 und T2 ' als Kompensationskspazität wirken.

Für die Anwendung der Erfindung bei Differentialpaaren genügt die Verbindung des Gateanschlusses von TU' mit einem der Eingänge E+, E- des Differentialpaars zur Übertragung des Dreinpotentials Vs von T2 als Vs ' an das Drain von T2 ' . OJ (-0 ) NJ P¹

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etwa den Operationsverstärker aus Figur 2b, möglich ist, und sich somit ein minimaler Schaltungsaufwand ergibt.

Die Regelkreis-Variante gemäß Figur 2a wird vorzugsweise in Fällen angewendet, in welchen sich das Differentialpaar im eingeschwungenen Zustand immer im Gleichgewicht befindet.

Eine andere Variante des Stromregelkreises ist in der später noch genauer beschriebenen Figur 6 gezeigt. Diese Variante enthält zwei Stelltransistoren TU¹, T12' für die Replikation des Drainpotentials Vs, so daß beide Eingänge E+, E- des Differentialpaares in die Regelung eingehen. Diese Regelkreis- Variante wird bevorzugt, wenn das Differentialpaar nicht immer im Gleichgewicht betrieben wird. Dies ist beispielsweise bei schnellen Analog-Digitalwandlern vom Flash- oder Folding- typ der Fall.

Figur 3 zeigt beispielhaft eine praktische Realisierung des erfindungsgemäßen Stromregelkreises ohne ideale Stromquellen IQl, IQ2.

Die Stromquelle IQl aus den Figuren 2a, 2b, 6 ist hierbei durch einen Transistor T7 realisiert, der zusammen mit einem Transistor T7' einen Stromspiegel bildet. Zur Verbesserung der Eigenschaften des Stromspiegels T7, T7' ist ein Kaskode- transistor T6' in Serie mit T7* geschaltet, der vorzugsweise dieselbe Stromdichte aufweist wie der Kaskodetransistor T6 im Stromregelkreis. Den Kaskodetransistoren T6, T6* wird ein Gatepotential VB6 zugeführt, das den Arbeitspunkt der Kaskode einstellt. Die Stromquelle IQ2 aus den Figuren 2a, 2b, 6 ist durch einen Transistor T8 realisiert. Der Arbeitsstrom IB sowie der skalierte Sollstrom IS/2 wird der Schaltung über zwei Klemmen Kl, K2 sowie weitere Stromspiegel, T8'', T8', T8 und T9', T9 zugeführt. Die Summation von IB und IS/2 für die Stromquelle IQl, also Transistor T7, geschieht am gemeinsamen Gateanschluß der Transistoren T7, T7 ' . Dieses Realisierungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Stromregelkreis hat noch den Nachteil, daß die Stromspiegel an den Klemmen Kl, K2 nicht kaskodiert sind. Für geringere Anforderungen gelingt es aber in der Praxis oftmals, durch geeignete Dimensionierung von T2¹ und T8 dafür zu sorgen, daß das Gatepotential von T8" , T8', T8 ungefähr so groß ist wie das Potential VB2. Hierdurch wird zumindest der Fehler durch endliche Ausgangsleitwerte der Transistoren T8", T8', T8 gelindert.

Figur 4 zeigt beispielhaft eine für höhere Genauigkeitsanforderungen geeignete Schaltung, die aus der Figur 3 hervorgeht, wenn die an den Klemmen Kl und K2 angeschlossenen Stromspiegel ebenfalls kaskodiert werden. Hierzu dienen die Transisto- ren T10, T10¹, die den Transistoren T9, T9' in Serie geschaltet sind, sowie die Transistoren T13, T13', T13'¹, die den Transistoren T8, T8', T8'' in Serie geschaltet sind. Den Gateanschlüssen von T10, T10' wird ein Gatepotential VB10 zugeführt, um den Arbeitspunkt der Kaskode einzustellen. Densel- ben Zweck hat das den Gateanschlüssen von T13, T13¹, T13'* zugeführte Gatepotential VB13. Bei dieser Schaltung ist der Aussteuerungsbereich des Potentials VB2 zwar etwas enger als bei der Schaltung nach Figur 3, aber heutige CMOS Prozesse stellen meist eine genügende Auswahl von Thresholdspannungen zur Verfügung, um die Gate-Sourcespannung von T2 passend auszuführen. Bei CMOS-Prozessen mit getrennten Wannen ist es ferner möglich, die Thresholdspannungen über eine entsprechende Vorspannung der Wanne einstellbar zu machen, und hier ist die Schaltung nach Figur 4 in der Regel problemlos, da die Aussteuerung von VB2 um den Nominalwert aufgrund der Verstärkung der Schleife nur gering ist.

Figur 5 zeigt beispielhaft eine weitere Realisierungsvariante der erfindungsgemäßen Schaltung, bei der die Stromquelle IQl durch parallelgeschaltete Transistoren T7 und T14 realisiert ist. T7 führt dem Regelkreis den Arbeitsstrom IB zu, während T14 den skalierten Sollstrom IS/2 zuführt. Die Stromquelle ω cυ to t

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Die beschriebene Stromquellenschaltung ist eine fehlerkompensierte Stromquelle, die auf Replikation des Fehlers in einem Stromregelkreis beruht. Sie ermöglicht eine hohe Performance der Stromquelle ohne Kaskodierung des Stro quellentransi- stors.

Bezugszeichenliste

FKS Fehlerkompensationsschleife

IB Arbeitsstrom des Reglers

IQ, IQl, IQ2 Stromquellen

IS Sollstrom

IT Tailstrom, Fußstrom

Kl, K2 Anschlußklemmen zur Stromzuführung

OP Operationsverstärker

Rl, R2 Lastwiderstände

T2 Fußstromquellentransistor eines

Differentialpaares

T2' Replicatransistor der Fußstromquelle T2

T2D als Diode geschalteter Transistor zur Erzeugung von VB2

T31, . T32 Stromquellentransistoren einer "Folded Cascode"

T41, T42 Kaskodetransistoren einer"Folded Cascode"

T4 Kaskodetransistor für Stromquelle T2 T6 Kaskodetransistor in der

Fehlerkompensationsschleife T6¹ Transistor in der Biasschaltung mit Stromdichte wie T6

T7 Stromquellentransistor zur Realisierung von IQl _τ7ι Transistor in der Biasschaltung mit Stromdichte wie T7

T8 Stromquellentransistor zur Realisierung von IQ2

T8¹, T8" Transistoren in der Biasschaltung mit

Stromdichte wie T8

T9, T9' Stromspiegel für Sollstrom

T10, T10' Kaskodetransistoren für T9, T9'

TU, T12 Transistoren eines Differentialpaares

TU' erster Stelltransistor für die Drainspannung von T2' T12' zweiter Stelltransistor für die Drainspannung von T2¹ T13 Kaskodetransistor für Stromquelle T8 T13', T13¹' Transistoren in der Biasschaltung mit

Stromdichte wie T13 T14 Stromquellentransistor zur Realisierung von IQl

VBl, VB2, VBn Biasspannung zur Arbeitspunkteinstellung VDD Positive Versorgungsspannungsklemme

Vs Drainpotential des Stromquellentransistors T2

Vs' an T2' repliziertes Drainpotential

Vs6 Sourcepotential von T6 oder Knotenbezeichner

Vs6 VSS Negative Versorgungsspannungsklemme

Claims

Patentansprüche

1. Stromquellenschaltung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, - daß die Stromquellenschaltung eine Steuervorrichtung (T2', TU¹, T12*, T6, IQl, IQ2) enthält, welche eine die Größe des von der Stromquellenschaltung abgegebenen Stromes bestimmende Komponente (T2) der Stromquellenschaltung steuert, und - daß die Steuerung abhängig von den Verhältnissen erfolgt, die in der von der Stromquellenschaltung mit Strom versorgten Einheit herrschen.

2. Stromquellenschaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die die Größe des von der Stromquellenschaltung abgegebenen Stromes bestimmende Komponente (T2) der Stromquellenschaltung ein Transistor ist.

3. Stromquellenschaltung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Steuervorrichtung (T2', TU*, T12', T6, IQl, IQ2) einen Stromreplikationszweig (T2', TU', T12*) enthält, in welchem ein Strom zum Fließen gebracht wird, der dem Strom oder einem bestimmten Vielfachen oder einem bestimmten Bruchteil des Stromes entspricht, der der von der Stromquellenschaltung mit Strom versorgten Einheit zugeführt wird.

4. Stromquellenschaltung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Stromreplikationszweig (T2', TU', T12¹) einen ersten Transistor (T2') enthält, welcher derartig betrieben wird, daß sich an seinem Gate- bzw. Basisanschluß, seinem Drainbzw. Kollektoranschluß, und seinem Source- bzw. Emitteran- schluß, im wesentlichen die selben Potentiale gegen sein Substrat ergeben wie an den entsprechenden Anschlüssen der die Größe des von der Stromquellenschaltung abgegebenen Stromes bestimmenden Transistors (T2) .

5. Stromquellenschaltung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Stromreplikationszweig (T2', TU', T12') einen zweiten Transistor (TU¹, T12') enthält, und daß das Drain- bzw. Kollektorpotential des ersten Transistors (T2') dadurch eingestellt wird, daß der Gate- bzw. Basisanschluß des zweiten Transistors (TU', T12') in geeigneter Weise aus der mit Strom versorgten Einheit angesteuert wird.

6. Stromquellenschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß daß die Steuervorrichtung (T2¹, TU', T12¹, T6, IQl, IQ2) eine Regelvorrichtung (T6) enthält, und daß der aus dem Stromreplikationszweig (T2', TU', T12¹) hervorgebrachte replizierte Strom der Regelvorrichtung zugeführt wird.

7. Stromquellenschaltung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Regelvorrichtung (T6) ein Sollstrom zugeführt wird, und daß die Regelvorrichtung die Größe des von der Stromquellenschaltung an die versorgte Einheit abgegebenen Stroms so nachregelt, daß der replizierte Strom aus dem Stromreplikationszweig dem Sollstrom entspricht.

8. Stromquellenschaltung nach Anspruch 6 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Regelvorrichtung (T6) mindestens einen dritten Transistor enthält.

9. Stromquellenschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Steuervorrichtung ein Regelkreis ist, der einen ersten Transistor (T2'), mindestens einen zweiten Transistor (TU', T12'), einen dritten Transistor (T6) , und mindestens zwei Stromquellen (IQl, IQ2) enthält,

- wobei der Drain- bzw. Kollektoranschluß des ersten Transistors (T2¹) mit dem Source- bzw. Emitteranschluß des zwei- ten Transistors (TU', T12¹) verbunden ist,

- wobei der Drain- bzw. Kollektoranschluß des zweiten Transistors (TU', T12¹) mit einer ersten Stromquelle (IQl) und dem Source- bzw. Emitteranschluß des dritten Transistors (T6) verbunden ist, - wobei der Drain- bzw. Kollektoranschluß des dritten Transistors (T6) mit einer zweiten Stromquelle (IQ2), dem Gatebzw. Basisanschluß des ersten Transistors (T2¹), und dem Steueranschluß der die Größe des von der Stromquellenschaltung abgegebenen Stromes bestimmenden Komponente (T2) ver- bunden ist,

- wobei die erste und die zweite Stromquelle (IQl, IQ2) zur Zuführung eines Sollstromes (IS/n) sowie zur Zu- und Abführung eines Betriebsstromes (IB) des Regelkreises dienen, und - wobei der Gate- bzw. Basisanschluß des zweiten Transistors so angesteuert wird, daß sich am Drain- bzw. Kollektoranschluß des ersten Transistors im wesentlichen das selbe Potential (Vs¹) ergibt wie am Ausgang der die Größe des von der Stromquellenschaltung abgegebenen Stromes bestimmenden Komponente (T2) .