DE69128911T2

DE69128911T2 - Symmetrischer Kaskodenstromspiegel

Info

Publication number: DE69128911T2
Application number: DE69128911T
Authority: DE
Inventors: Lenny L Lewyn
Original assignee: Brooktree Corp
Current assignee: Mindspeed Technologies LLC
Priority date: 1990-11-29
Filing date: 1991-11-28
Publication date: 1998-05-28
Anticipated expiration: 2011-11-29
Also published as: DE69128911D1; JPH0750526A; EP0488315B1; EP0488315A2; US5099205A; EP0488315A3; CA2056098A1; CA2056098C; JP3200122B2

Description

Diese Erfindung betrifft Stromspiegelschaltungen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine symmetrische Kaskadenstromspiegelschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stromspiegelschaltungen werden oft in elektronischen Systemen verwendet, um einen Ausgangsstrom zu erzeugen, der einem Eingangsstrom entspricht. Die Stromspiegelschaltungen sind mit zwei (2) Zweigen oder Strompfaden versehen. Der Eingangsstrom wird in einem Zweig oder Strompfad eingegeben, wobei die Zweige oder Strompfade derart zusammengeschaltet sind, daß der Ausgabestrom im zweiten Zweig oder Strompfad erzeugt wird. Die Ausgabe aus dem zweiten Zweig oder Strompfad wird oft in einen Verstärker zur Lieferung einer Verstärkung geführt.
Es zeigte sich, daß die Stromspiegelschaltungen, die derzeit in Gebrauch sind, Beschränkungen haben, die sich mit einem Anwachsen der Frequenz verschlimmern. Dies resultiert aus der Tatsache, daß die Impedanzen der einzelnen Transistoren in dem ersten Pfad nicht an die Impedanzen der entsprechenden Transistoren in dem zweiten Pfad angepaßt sind. Die Unterschiede in den Impedanzen zwischen den Transistoren in dem ersten und zweiten Zweig resultiert aus der Tatsache, daß die Transistoren in dem ersten Pfad so angeschlossen sind, daß sie als Dioden arbeiten, wohingegen die Transistoren in dem zweiten Pfad als Verstärker mit gemeinsamer Quelle arbeiten. Da die Frequenzen der elektrischen Schaltungen auf Chips mit integrierten Schaltungen mit der Zeit zunehmend anwachsen, sind in Stromspiegelschaltungen die Unterschiede zwischen den Kenndaten des Ausgangsstroms in bezug auf den Eingangsstrom fortwährend bedeutender geworden. Versuche sind unternommen worden, um diese Probleme zu lösen, allerdings nur mit beschränktem Erfolg.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Stromspiegelschaltung zu schaffen, die eine symmetrische Beziehung zwischen den Impedanzen in den zwei Stromwegen aufweist.
Diese Erfindung betrifft eine Stromspiegelschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Sie sieht zwei Zweige oder Strompfade vor, einen für den Eingangsstrom und den anderen für den Ausgangsstrom, und sieht eine symmetrische Beziehung zwischen den Impedanzen in den zwei Strompfaden vor. Außerdem führt sie bei hohen Frequenzen zu einem symmetrischen Antwortverhalten der zwei Strompfade in bezug auf Änderungen im Eingangsstrom. Sie führt außerdem bei niedrigen Frequenzen zu einer guten Symmetrie des Stroms zwischen den ersten Strompfaden. Auf diese Weise entspricht der Ausgangsstrom in dem zweiten Strompfad dem Eingangsstrom in dem ersten Strompfad in einem Frequenzbereich, der beträchtlich größer als im Stand der Technik ist.
Bevorzugte Ausführungsformen sind der Gegenstand verschiedener abhängiger Ansprüche.
In den Zeichnungen:
Figur 1 ist ein Schaltungsdiagramm einer Stromspiegelschaltung gemäß dem Stand der Technik;
Figur 2 ist ein vereinfachtes Schaltungsdiagramm einer symmetrischen Kaskodenstromspiegelschaltung, die eine Ausführungsform der Erfindung darstellt; und
Figur 3 ist ein Schaltungsdiagramm der symmetrischen Stromspiegelschaltung von Figur 2, wobei in Figur 3 ein Transistor die Wirkung der Kapazität in Figur 2 übernimmt.
Figur 1 zeigt eine Stromspiegelschaltung gemäß dem Stand der Technik, die im allgemeinen mit 100 bezeichnet ist. Die Stromspiegelschaltung ist im allgemeinen mit 100 bezeichnet und so dargestellt, daß sie vier (4) Transistoren 101, 102, 103 und 104 umfaßt. Diese Transistoren sind in Figur 1 so dargestellt, wie sie durch einen CMOS- Prozeß gebildet worden sind und derart, daß sie Transistoren vom p-Typ darstellen. Allerdings ist es offensichtlich, daß die Transistoren auch durch einen CMOS-Prozeß hergestellte Transistoren vom n-Typ sein können, oder daß sie durch andere Prozesse, wie beispielsweise bipolare Prozesse, hergestellt werden können.
In der in Figur 1 gezeigten Stromspiegelschaltung 100 können die Quellen der Transistoren 101 und 102 mit einer Quelle 106 einer positiven Spannung verbunden werden. Das Gate und die Senke des Transistors 101 sind gemeinsam mit der Quelle des Transistors 103 und dem Gate des Transistors 102 ausgebildet. Das Gate und die Senke des Transistors 103 haben eine gemeinsame Verbindung mit einer Leitung 107 und mit dem Gate des Transistors 104. Die Senke des Transistors 102 ist mit der Quelle des Transistors 104 verbunden und die Senke des Transistors 104 ist mit einer Leitung 110 zur Lieferung einer Stromausgabe verbunden.
In der in Figur 1 gezeigten Schaltung fließt der durch die Leitung 107 eingeführte Eingangsstrom durch einen Strompfad, der durch die Transistoren 101 und 103 definiert ist. Die resultierenden Spannungen, die an der Senke und dem Gate des Transistors 101 und an der Senke und dem Gate des Transistors 103 erzeugt werden, werden entsprechend in die Gates der Transistoren 102 und 104 geführt. Dies bewirkt theoretisch, daß die Stromausgabe auf der Leitung 110 an die Stromeingabe auf der Leitung 107 angepaßt ist. Die Stromausgabe auf der Leitung 110 kann in eine Verstärkerstufe (nicht gezeigt) geführt werden.
Die in Figur 1 gezeigte Stromspiegelschaltung hat. insbesondere bei hohen Frequenzen, mehrere inhärente Nachteile. Dies resultiert aus der Tatsache, daß die Stromspiegelschaltung bei hohen Frequenzen nicht besonders gut abgeglichen ist. Beispielsweise liegen die Senke und das Gate des Transistors 101 an einem gemeinsamen Anschluß, die Senke und das Gate des Transistors 102 liegen hingegen nicht an einem gemeinsamen Anschluß. Auf ähnliche Weise liegen die Senke und das Gate des Transistors 103 an einem gemeinsamen Anschluß, wohingegen die Senke und das Gate des Transistors 104 nicht an einem gemeinsamen Anschluß liegen. Dies führt dazu, daß die Impedanz, die von der Senke des Transistors 101 bei hohen Frequenzen gesehen wird, beträchtlich geringer als die Impedanz ist, die bei hohen Frequenzen von der Senke des Transistors 102 gesehen wird. Diese Impedanzdifferenz führt dazu, daß die Stromsymmetrie in der Stromspiegelschaltung bei hohen Frequenzen verschoben ist.
Ein anderes Problem der Stromspiegelschaltung 100 bei hohen Frequenzen ist es, daß der Eingangsstrom auf der Leitung 107 anfänglich durch die Impedanz des Transistors 103 läuft, bevor er die Gatekapazitäten der Transistoren 101 und 102 auflädt. Für eine bestimmte Phasenverzögerung in der Stromspiegelschaltung 100 bewirkt die Anwesenheit des Transistors 103, daß die Frequenz in dem Fall, in dem der Transistor 103 in dem Strompfad zwischen dem Eingangsstrom auf der Leitung 107 und dem Gate des Transistors 101 nicht vorhanden ist, wenigstens einen Faktor zwei (2) niedriger ist.
Figur 2 zeigt eine symmetrische Kaskodenstromspiegelschaltung, die im allgemeinen mit 200 bezeichnet ist, welche eine Ausführungsform der Erfindung darstellt und welche die oben diskutierten Nachteile in bezug auf die in Figur 1 gezeigte Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik vermeidet. In der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform wird, wie in der in Figur 1 gezeigten Schaltung, der Eingabestrom auf der Leitung 107 vorgesehen und der Ausgabestrom auf der Leitung 110 erhalten. Die in Figur 2 gezeigte Ausführungsform umfaßt weiterhin Transistoren 201, 202, 203 und 204, die durch einen CMOS-Prozeß hergestellt werden können und Transistoren vom p-Typ umfassen können. Außerdem können, wie in der in Figur 1 gezeigten Schaltung, die Transistoren durch andere Prozesse hergestellt werden, und können Transistoren eines Typs sein, der sich vom p-Typ unterscheidet.
Die in Figur 2 gezeigte Ausführungsform umfaßt eine Quelle 106 positiver Spannung. Diese Quelle ist mit den Quellen der Transistoren 201 und 202 verbunden. Die Senke des Transistors 201 hat eine gemeinsame Verbindung mit der Quelle des Transistors 203. Die Senke des Transistors 205 ist mit einer Quelle eines Referenzpotentials, wie beispielsweise dem Erdpotential, verbunden. Auf dieselbe Art und Weise hat die Senke des Transistors 202 eine gemeinsame Verbindung mit der Quelle des Transistors 204. Die Senke des Transistors 204 ist mit der Leitung 110, welche die Stromausgabe liefert, verbunden. Die Gates der Transistoren 203 und 204 haben eine gemeinsame Verbindung mit einem Referenzpotential, wie beispielsweise dem Erdpotential.
Eine Verbindung ist von der Senke des Transistors 203 zum Gate des Transistors 205 und zu einem Anschluß einer Kapazität 206 vorgesehen, deren anderer Anschluß mit den Gates der Transistoren 201 und 202 verbunden ist. Die Senke des Transistors 203 ist außerdem mit dem Gate eines Transistors 205 verbunden, dessen Senke auf dem Referenzpotential, wie beispielsweise dem Erdpotential, liegt. Die Quelle des Transistors 205 ist mit dem Gate der Transistoren 201 und 202 verbunden. Eine Konstantstromquelle 207 ist zwischen die Quelle des Transistors 205 und die Spannungsquelle 106 geschaltet.
Strom fließt durch den Strompfad, der durch die Transistoren 201 und 203 entsprechend dem Eingangsstrom auf der Leitung 107 definiert ist. Der Stromfluß durch die Transistoren 201 und 203 wird bei hohen Frequenzen durch die Kapazität 206 unterstützt, die schnelle Änderungen in dem Eingangsstrom auf der Leitung 107 direkt an das Gate der Transistoren 201 und 202 koppelt, ohne daß diese schnellen Änderungen durch andere Komponeten laufen müssen. Wenn beispielsweise der Eingangsstrom auf der Leitung 107 schnell anwächst, wird die Spannung, die durch die Kapazitäten 206 den Gates der Transistoren 201 und 202 zugeführt wird, schnell abfallen und bewirkt, daß die Ströme durch die Transistoren 201 und 202 anwachsen. Auf diese Weise sind die Stromänderungen in dem Pfad, der durch die Transistoren 201 und 203 definiert ist, und in dem Pfad, der durch die Transistoren 202 und 204 definiert ist, an die Änderungen in dem Eingangsstrom auf der Leitung 107 bei hohen Frequenzen angepaßt.
Die Änderungen in den Strompfaden wird durch die Tatsache unterstützt, daß die Transistoren 201 bzw. 202 relativ niedrige Lastimpedanzen sehen. Die Lastimpedanzen sind niedrig, da sie durch die Transistoren 203 und 204 mit geerdeten Gates geliefert werden. Es ist offensichtlich, daß der Strom, der durch den Pfad, der durch die Transistoren 202 und 204 definiert ist, fließt, gleich dem Strom ist, der durch die Transistoren 201 und 203 fließt, da die Impedanzen der Transistoren 202 und 204 entsprechend an die Impedanzen der Transistoren 201 und 203 angepaßt sind.
Die in Figur 2 gezeigte Stromspiegelschaltung arbeitet außerdem bei niedrigen Frequenzen und bei Gleichstrom vorteilhaft. Dies resultiert aus der Operation des Transistors 205, dahingehend, daß er eine niedrige Frequenzkopplung der Spannung in der Eingangsstromleitung 107 von dem Gate des Transistors 205 an die Quelle des Transistors 205 liefert. Die Spannung an der Quelle des Transistors 205 wird ihrerseits in die Gates der Transistoren 201 und 202 geführt, um einen Stromfluß durch die Pfade, die durch die Transistoren 201 und 203 und durch die Transistoren 202 und 204 definiert sind, entsprechend dem Eingangsstrom auf der Leitung 107 zu erzeugen.
Der Betrieb des Transistors 205 kann weiterhin bei einem spezifischen Beispiel gesehen werden. Nimmt man an, daß bei niedrigen Fequenzen die Spannung am Gate des Transistors 201 zu positiv ist, um einen hinreichenden Stromfluß durch die Transistoren 201 und 203 zu bewirken, so daß der Eingangsstrom auf der Leitung 107 angepasst wird. Da der Stromfluß durch den Transistor 201 niedrig ist, ist der Strom durch den Transistor 203 ebenfalls niedrig. Dies bewirkt, daß die Spannung an der Senke des Transistors 203 und dem Gate des Transistors 205 niedrig ist.
Aufgrund des konstanten Stroms durch den Transistor 205 als Ergebnis des Betriebs der Stromquelle 207, fällt die Spannung an der Quelle des Transistors 205 entsprechend dem Abfall in der Spannung an dem Gate des Transistors 205 ab. Die an der Quelle des Transistors 205 abgefallene Spannung wird in die Gates der Transistoren 201 und 202 geführt, um ein Anwachsen in den Strömen durch diese Transistoren zu erzeugen. Auf diese Weise schafft der Transistor 205 einen Servopfad bei niedrigen Frequenzen, um den Strom durch den Pfad, der durch die Transistoren 201 und 203 definiert ist, und den Pfad, der durch die Transistoren 202 und 204 definiert ist, entsprechend dem Eingangsstrom auf der Leitung 107 zu regeln.
Die in Figur 3 gezeigte Schaltung ist mit der in Figur 2 gezeigten Schaltung identisch, mit der Ausnahme, daß sie einen Transistor 306 anstelle der Kapazität 206 aufweist. Das Gate des Transistors 306 ist mit der Senke des Transistors 203 verbunden, und die Quelle und die Senke des Transistors 306 sind mit den Gates der Transistoren 201 und 202 verbunden. Der Transistor 306 arbeitet auf eine Art und Weise, die der oben beschriebenen für die Kapazität 206 ähnlich ist.
Die Stromspiegelschaltung, welche diese Erfindung implementiert, hat bestimmte verbesserte Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Ein Vorteil ist es, daß sie sehr symmetrisch ist. Ein anderer Vorteil ist es, daß sie Kaskodentransistoren umfaßt, um abgeglichene niedrige Impedanzen sowohl in dem Eingangs- als auch Ausgangsstrompfad zu schaffen. Ein weiterer Vorteil ist es, daß die Stromspiegelschaltung schnell auf Änderungen bei hohen Frequenzen im Eingangsstrom auf der Leitung 107 anspricht. Zusätzlich wird der Strom durch den Pfad, der durch die Transistoren 201 und 203 definiert ist, und den Pfad, der durch die Transistoren 202 und 204 definiert ist, bei niedrigen Frequenzen geregelt, so daß sichergestellt ist, daß die Ströme durch diese Pfade an den Eingangsstrom auf der Leitung 107 angepaßt sind.

Claims

1. Stromspiegelschaltung umfassend:

einen ersten Strompfad, der einen ersten (201) und einen zweiten (203) Transistor aufweist,

eine erste Einrichtung (107) zum Eingeben eines Eingangsstroms in den zweiten Transistor (203), so daß ein Fluß dieses Stroms durch den ersten Strompfad erhalten wird,

einen zweiten Strompfad, der einen dritten (202) und einen vierten (204) Transistor aufweist,

eine zweite Einrichtung zum Verbinden des ersten (201) und dritten (202) Transistors und des zweiten (203) und vierten (204) Transistors, so daß eine Impedanz in dem dritten Transistor (202) geschaffen wird, die an die Impedanz in dem ersten (201) Transistor angepaßt ist, und so daß eine Impedanz in dem vierten Transistor (204) geschaffen wird, die an die Impedanz in dem zweiten Transistor (203) angepaßt ist, und daß ein Stromfluß durch den zweiten Strompfad geschaffen wird, der dem Stromfluß durch den ersten Strompfad entspricht,

gekennzeichnet durch

eine dritte Einrichtung (206, 306) zum Koppeln des ersten (201) und des zweiten (203) Transistors, so daß ein Hochfrequenz-Biasing des ersten Transistors (201) entsprechend dem in dem zweiten Transistor (203) eingegebenen Eingangsstrom geschaffen wird, um den Fluß des Eingangsstroms bei hohen Frequenzen durch den ersten (201) und den zweiten (203) Transistor entsprechend dem in dem zweiten Transistor (203) eingegebenen Eingangsstrom zu regulieren, und

eine vierte Einrichtung (205, 207) zum Koppeln des ersten (201) und des zweiten (203) Transistors, so daß ein Niederfrequenz-Biasing des ersten Transistors (201) geschaffen wird, um den Fluß des Eingangsstroms bei niedrigen Frequenzen durch den ersten (201) und den zweiten (203) Transistor entsprechend des in den zweiten Transistor (203) eingegebenen Eingangsstroms zu regulieren.

2. Schaltung nach Anspruch 1, in welcher die dritte Einrichtung eine Kapazität (206) umfaßt, die den ersten (201) und zweiten (203) Transistor bei hohen Frequenzen koppelt, so daß für den Fluß des Eingangsstroms durch den ersten Strompfad gesorgt wird.

3. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, in welcher die vierte Einrichtung einen fünften Transistor (205) umfaßt, der entsprechend der Differenz zwischen dem Eingangsstrom und dem Strom durch den ersten (201) und den zweiten (203) Transistor vorgespannt ist, um den Stromfluß durch den ersten und zweiten Transistor zu regulieren, so daß er mit dem Eingangsstrom übereinstimmt.

4. Schaltung nach Anspruch 3, in welcher die vierte Einrichtung weiter eine Konstantstromquelle (207) umfaßt, die im wesentlichen einen konstanten Strom durch den fünften Transistor (205) liefert.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in welcher die dritte Einrichtung (206) so wirksam ist, daß sie hochfrequente Änderungen in der Spannung von dem zweiten Transistor (203) in den ersten Transistor (201) eingibt, um den Strom durch den ersten (201) und den zweiten (203) Transistor entsprechend dem in den ersten Strompfad eingegebenen Strom zu regulieren.

6. Schaltung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, in welcher die vierte Einrichtung (205, 207) so wirksam ist, daß sie niederfrequente Änderungen in der Spannung von dem zweiten Transistor (203) in den ersten Transistor (201) eingibt, um den Strom durch den ersten (201) und den zweiten (203) Transistor entsprechend dem in den ersten Strompfad eingegebenen Strom zu regulieren.

7. Schaltung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, in welcher die Gateelektroden des ersten (201) und des zweiten (202) Transistors miteinander verbunden sind und an die dritte und vierte Einrichtung (205, 206, 207) gekoppelt sind, um die Vorspannung für den ersten und dritten Transistor (201, 202) zu liefern.

8. Schaltung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, in welcher die Gateelektroden des zweiten (203) und des vierten (204) Transistors gemeinsam mit einem Referenzvorspannungspotential verbunden sind.

9. Schaltung nach wenigstens Anspruch 1, in welcher die dritte Einrichtung einen Transistor (306) umfaßt, der an den ersten (201) und den zweiten (203) Transistor gekoppelt ist, um für den Fluß des Eingangsstroms durch den ersten Stromweg zu sorgen.

10. Schaltung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, in welcher der erste bis vierte Transistor CMOS-Transistoren vom p-Typ sind, wobei die Drainelektroden des ersten (201) und des dritten (202) Transistors an die Sourceelektroden des zweiten (203) bzw. des vierten (204) Transistors gekoppelt sind.

11. Schaltung nach Anspruch 10, in welcher die vierte Einrichtung ein CMOS-Transistor vom p-Typ (205) ist, dessen Sourceelektrode an die Gateelektroden des ersten (201) und des dritten (202) Transistors gekoppelt ist und dessen Gateelektrode an die Drainelektrode des zweiten Transistors (203) gekoppelt ist.