DE69204655T2 - Schaltungsanordnung zur Abhängigkeitsunterdrückung vom Temperatur und von Herstellungsvariabelen der Steilheit einer differentiellen Transkonduktanzstufe. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Schaltungsvorrichtung zum Unterdrücken der Abhängigkeit der Steilheit einer eine Polarisierschaltung enthaltenden Differenz-Transkonduktanzstufe von Temperatur und Fertigungsprozeßvariablen.
• Bei einer Transkonduktanzstufe handelt es sich um eine spannungsgesteuerte Stromverstärkerstufe. Ein ideales Transkonduktanzelement liefert einen Ausgangsstrom, der gleich ist seiner Eingangsspannung, multipliziert mit einer Steilheit gm. Im allgemeinen wird ein Transkonduktanzelement in aktiven Filtern, Oszillatoren und Schaltungen zur Impedanzwandlung eingesetzt. Die Erfindung ist speziell, jedoch nicht ausschließlich, mit zeitkontinuierlichen monlothischen Filtern befaßt, und die nachfolgende Beschreibung bezieht sich zur bequemen Darstellung auf dieses Anwendungsgebiet.
• Wie bekannt ist, gewinnt von den zahlreichen Methoden, die bislang zur Herstellung von zeitkontinuierlichen monolithischen Filtern vorgeschlagen wurden, eine Methode zunehmende Bedeutung, die eine Transkonduktanz-Differenzstufe als Basis-Block für den Filter verwendet. Zu der Stufe gehört selbstverständlich eine passende Polarisierschaltung. Eine derartige Methode hat sich als besonders wirksam bei Hochfrequenzanwendungen erwiesen. Allerdings haben Transkonduktanz-Filter auch einen Nachteil insofern, als die Steilheit gm der Differenzstufe in engem Zusammenhang steht mit der Betriebstemperatur und dem bei der Schaltungsfertigung verwendeten Prozeß der monolithischen Integration.
• Darüber hinaus hängt die Steilheit auch ab von einem Versorgungsstrom Ib für die Polarisierschaltung, die zu der Differenzstufe gehört. Die Schwankung der Steilheit gm mit den oben genannten Parametern beeinflußt die Breite des Durchlaßbandes des Filters abträglich, was dessen Leistungsfähigkeit insbesondere bei hohen Frequenzen abträglich beeinflußt.
• Ein spezielles Beispiel aus der Literatur bezüglich der Ausgestaltung eines Transkonduktanzelements ist "Fully integrated 5 to 15 MHz programmable bipolar Bessel lowpass filter", 1990 IEEE International Symposium on Circuits and Systems, Vol. 2, welcher Artikel sich auf ein zeitkontinuierliches Filter auf der Grundlage einer Gilbert-Multiplizierzelle bezieht, dessen asymmetrischer Transkonduktanz-Ausgangspegel durch eine Gegenkopplungsschleife stabilisiert wird. Diese Gegenkopplungsschleife vergleicht die Gleich-Ausgangsspannungen mit einem gewünschten Bezugswert und steuert Bipolar-Stromquellen innerhalb der Transkonduktanzstufe. Allerdings modifiziert sie nicht die Steilheit gm.
• Eine weitere Lösung aus dem Stand der Technik ist in der US-A-4 723 108 offenbart, die sich auf eine Referenzschaltung zum Kompensieren des natürlichen Ansprechverhaltens von MOS-Schaltungen auf Temperaturänderungen und Fertigungsschwankungen bezieht. Diese Referenzschaltung beeinflußt die Gate-Vorspannung des MOS-Transistors, um Temperaturschwankungen zu kompensieren.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsvorrichtung zu schaffen, die einen derartigen Aufbau und solche Betriebsmerkmale aufweist, daß sie die Temperaturabhängigkeit und die Abhängigkeit von Integrationsprozeßvariablen der Steilheit der Transkonduktanzstufe unterdrückt, um dadurch die Beschränkungen zu überwinden, denen die herkömmlichen Vorrichtungen ausgesetzt waren.
• Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Schaltungsvorrichtung, die es dem Anwender ermöglicht, den Wert der Steilheit derart zu steuern und einzustellen, daß sie zu den Anwendungserfordernissen der Differenzstufe paßt. Die Lösungsidee, auf der die Erfindung beruht, besteht darin, den Wert des Versorgungsstroms Ib für die zu der Differenzstufe gehörige Polarisierschaltung so einzustellen, daß jegliche temperaturbedingten und durch Prozeßvariablen bedingte Abweichungseffekte für die Steilheit ausgeglichen werden.
• Ausgehend von dieser Lösungsidee wird die technische Aufgabe gelöst durch eine Schaltungsvorrichtung gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1.
• Die Merkmale und die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung, die beispielhaft und oline Beschränkung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen angegeben wird.
• In den Zeichnungen zeigen:
• Fig. 1 ein Diagramm, welches die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung veranschaulicht;
• Fig. 2 ein detaiilierteres Diagramm der Vorrichtung nach Figur 1;
• Fig. 3 eine modifizierte Ausführungsform der Vorrichtung nach Figur 1;
• Fig. 4 ein Diagramm einer beispielhaften Anwendung für die erfindungsgemäße Vorrichtung; und
• Fig. 5 und 6 Diagramme, die Einzelheiten der Vorrichtung nach Figur 1 zeigen.
• Bezugnehmend auf die dargestellten Figuren ist mit 1 allgemein und schematisch eine Schaltungsvorrichtung unter Verwendung der vorliegenden Erfindung dargestellt, die dazu dient, die Abhängigkeit der Steilheit gm einer sogenannten Transkonduktanzstufe 2 von der Temperatur sowie von Variablen des Fertigungsprozesses zu unterdrücken. Die Vorrichtung 1 ist von monolithischer Bauart.
• Die Abhängigkeit von Fertigungsprozeß-Variablen bedeutet hier die Beeinflussung der Steilheit durch Prozeßschritte, durch welche die Transkonduktanzschaltung unter Verwendung konventioneller Fertigungsmethoden für integrierte Größtschaltkreise hergestellt wird.
• Der Aufbau der Stufe 2 ist an sich und aus der einschlägigen technischen Literatur bekannt. Diese Stufe 3 wird unter Einsatz gemischter Technologie insofern gefertigt, als sie sowohl Bipolar-Transistoren als auch Feldeffekt-MOS-Transistoren enthält.
• Zu der in Figur 1 gezeigten Stufe 2 gehört eine Polarisierstufe 3, welche die Stufe an den positiven Versorgungsspannungskhoten Vd anschließt. Darüber hinaus ist der invertierende Eingang (-) der Stufe 2 direkt an ein Bezugspotential angeschlossen, während der andere, nicht-invertierende Eingang (+) sowohl - über ein Stromquelle I1 - an den Knoten Vd als auch - über einen Widerstand R - an ein Bezugspotential angeschlossen ist.
• An diese Eingänge wird ein Spannungssignal Vin angelegt, um an einem Ausgang U der Stufe 2 ein Stromsignal zu erzeugen, welches sich aus dem Produkt gm*Vin ergibt, wobei gm die Steilheit der Stufe 2 ist.
• In vorteilhafter Weise enthält die Vorrichtung 1 gemaß der Erfindung eine Gegenkopplungsschleife mit einem einzigartig einfachen Aufbau. Diese Schleife ist parallel zum Ausgang U der Stufe 2 und einem Eingang der Polarisierschaltung 3 geschlossen. Eingebaut in die Rückkopplungsschleife sind: Eine Stromquelle I2, ein Kondensator C und ein Transistor M vom MOS-Typ.
• Aus Figur 1 kann man ersehen, daß der Ausgang U der Stufe 2 über die Parallelschaltung aus der Stromquelle I2 und dem Kondensator C an das Bezugspotential angeschlossen ist. Verbindungspunkt ist als Knoten A bezeichnet, und er ist auch an die Gate-Elektrode G des Transistors M angeschlossen. Dieser Transistor M ist vom P-Kanal-Typ und ist mit seiner Source-Elektrode S an den Spannungsknoten Vd und mit seiner Drain-Elektrode D an das eingangsseitige Ende der Polarisierschaltung 4 angeschlossen, um die Schaltung mit einem Strom Ib zu versorgen.
• Wie bereits erwähnt, hängt die Steilheit gm auch von dem Wert des Versorgungsstroms Ib für die Schaltung 3 ab. Angenommen, diese Abhängigkeit sei proportionaler Natur, so ergibt sich gm = Kv*Ib,
• wobei Kv eine Proportionalitätskonstante > 0 ist.
• Mit der zusätzlichen Annahme, daß
• I1 = Vb/R und I2 = Vb/Re
• mit Vb als von der Versorgungsspannung abgeleiteter Spannung z.B. Vb = Vd/2 und Re als externen Widerstand bezüglich der integrierten Schaltung, dessen Wert genau vorbestimmt ist, läßt sich folgende Beziehung erhalten:
• (1) Vin = R*I1 = Vb
• In Figur 6 ist eine Ausführungsform des Generators I1 dargestellt, der einen Operationsverstarker 5 enthält, dessen nicht-invertierender Eingang (+) die Spannung Vb empfängt, und dessen Ausgang an die Gate-Elektrode G5 eines N-Kanal-MOS-Transistors M5 angeschlossen ist. Der invertierende Eingang (-) des Verstärkers 5 ist hingegen an die Source S5 des Transistors M5 angeschlossen, die auch über den Widerstand R an einem Bezugspotential liegt.
• Der Strom I1 fließt durch den Transistor M5 aus dem Drain D5 in die Source S5.
• Die Rückkopplungsschleife der Vorrichtung 1 nimmt Einfluß auf die Spannung am Knoten A, um den Ausgangsstrom aus der Stufe 2 zu der Stromquelle I1 zu entzerren, so daß gilt
• (2) gm*Vin = I2
• Wenn aber der Wert von Vin aus der vorhergehenden Relation (1) in diese Gleichung eingesetzt wird, ergibt sich
• (3) gm*Vb = I2 = Vb/Re
• mit gm = 1/Re.
• Demzufolge bringt die Rückkopplungsschleife den Schaltungsknoten A auf einen derartigen Spannungspegel, daß die aktive Zone des Transistors M vorgespannt wird, der den Strom Ib direkt in die Polarisierschaltung 3 der Stufe 2 einleitet. Letztere wird auf den linearen Betriebsbereich dadurch vorgespannt, daß eine lineare Spannungs-Strom- Umwandlung vorgenommen und eine Steilheit von gm = 1/Re erreicht wird.
• Der externe Widerstand Re besitzt einen Wert, der von dem Anwender definiert wird, und von dem lediglich gefordert wird, daß er von temperaturstabiler Bauart ist, weil er es ist, von dem durch die erfindungsgemaße Vorrichtung erhaltene Steilheit gm abhängt.
• In Figur 5 ist eine Ausführungsform des Generators I2 gezeigt, dessen nicht-invertierendem Eingang (+) ein Spannungswert Vb zugeführt wird, und dessen Ausgang mit dem Gate G7 eines MOS-Transistors M7 verbunden ist. Die Source-Elektrode S7 dieses Transistors ist mit dem invertierenden Eingang (-) des Verstärkers 7 verbunden, außerdem mit einem Pin 8 der integrierten Schaltung, die die erfindungsgemäße Vorrichtung beinhaltet.
• Parallel zu dem Pin 8 und zu dem Bezugspotential ist der externe Widerstand Re geschaltet.
• Bei der in Verbindung mit Figur 1 beschriebenen Ausführungsform sind der dynamische Widerstand am Knoten A und das Bezugspotential theoretisch ein unendlicher Wert. Um allerdings Stabilität der Rückkopplungsschleife zu gewährleisten, ist die Einschaltung eines Kondensators C erforderlich, um in den Frequenzgang einen Hauptpol einzuführen, der dazu beiträgt, die Frequenz der Rückkopplungsschleife, bei der die Verstärkung Eins ist, ausreichend niedrig zu machen, verglichen mit jenen der übrigen, Sekundärpole in der Rückkopplungsschleife.
• Die Kapazität des Kondensators C ist vorzugsweise geringer als 30 pF, das heißt ausreichend, um seine Integration zu ermöglichen.
• In einer bevorzugten Ausführungsfonn, die in Figur 3 dargestellt ist, gehört zu der Stromquelle oder dem Stromgenerator I2 ein DAW (Digital-Analog-Wandler) 10 mit einer Mehrzahl von n digitalen Auswahleingägen 10, a1, ..., an. Jeder dieser Eingänge repräsentiert ein Bit eines n Bits umfassenden digitalen Worts, welches von dem Anwender ausgewählt wird, wobei das Wort die Möglichkeit bietet, den Wert eines Multiplizier-Parameters α zu definieren, der die Stromquelle I2 in eine veränderliche Stromquelle mit einem Wert α*I2 verwandelt.
• Der Wert von α ist proportional zu den Eingangswerten gemaß folgender Gleichung
• α = a&sub0;*2&sup0; + a&sub1;*2¹ + ...+ an*2n
• Revidiert man die Gleichungen (1) und (2) unter Berücksichtigung der variablen Stromquelle α*I2, so ergibt sich:
• (4) gm*Vin = gm*Vb = αI2 = α*Vb/Re
• mit:
• (5) gm = α/Re
• Die Steilheit gm, die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltungsschleife unabhängig von der Temperatur und von Prozeßvariablen gemacht wird, läßt sich von dem den Parameter α definierenden Anwender steuern und einstellen.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat sich auch dann als wirksam erwiesen, als mehrere Transkonduktanz-Stufen betrieben wurden.
• Figur 4 zeigt eine Ausführungsform eines Schaltungsaufbaus mit mehreren Stufen 4, die jeweils eine Steilheit haben, die nominell die gleiche wie die der Stufe 2 ist, wobei die Stufen parallel angeordnet sind und über dieselbe Polarisierschaltung 3 gespeist werden.
• Auch hier kann die der Stufe 2 und der Schaltung 3 zugeordnete Rückkopplungsschleife 1 die Einflüsse auf die Steilheit sämtlicher Stufen 2 und 4, bedingt durch Temperatur und Prozeßvariable, ausgleichen.
• Zur Vervollständigung der Diskussion wird im folgenden ein detailliertes Beispiel der derzeit als am besten betrachteten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der Figur 2 angegeben.
• Die Transkonduktanzstufe 2 ist ein Differenz-Typ mit einem Eingangsabschnitt, gebildet aus einem Paar N-Kanal-MOS-Transistoren M1 und M2, die mit ihren Source-Anschlüssen zusammengeschaltet sind und einen Schaltungskuoten H bilden. Zwischen diesem Knoten und einem Bezugspotential befindet sich eine Spannungsquelle A1.
• Der Gate-Anschluß G1 des vorgenannten Transistors M1 bildet einen nicht-invertierenden Eingang (+) für die Differenzstufe. Das Gate G2 des als zweites genannten Transistors, M2, bildet den invertierenden Eingang (-), und die Spannung Vin wird parallel zu den Eingängen angelegt.
• Um Verzerrungs-Phänomene im Ausgangsstrom zu vermeiden, wird die Eingangsspannung Vin innerhalb des linearen Feldes des Transkonduktanzelements über einen Widerstandsteiler angelegt, der parallel zu den Eingängen der Stufe 2 geschaltet ist und sich aus einem Paar von Widerständen mit einem Wert R/2 zusammensetzt.
• An den Verbindungspunkt der Widerstände wird eine sogenannte asymmetrische Spannung Vcm angelegt, wobei die Stromquellen I1 einerseits den nicht-invertierenden Eingang (+) mit dem Versorgungsspannungsknoten Vd und andererseits den invertierenden Eingang (-) mit einem Bezugspotential verbinden.
• Auf diese Weise wird erreicht, daß die Eingangsspannung Vin mit dem zuvor diskutierten Wert Vb übereinstimmt, jedoch in Bezug auf die asymmetrische Spannung Vcm exakt differenzmaßig angeordnet ist.
• Die Stufe 2 enthält außerdem einen Ausgangsabschnitt mit einem Paar von NPN-Bipolar-Transistoren Q1 und Q2, die mit ihren Basen zusammengeschaltet sind. Diese Transistoren sind in der Stufe 2 in Kaskodenschaltung verschaltet, und der Kollektor C2 des einen Transistors Q2 bildet den Ausgangsanschluß für die Differenzstufe 2.
• Ein dritter Transistor Q3 vom Bipolar-Typ ist mit seiner Basis B3 an die Basen B1 und B2, und ist mit seinem Emitter über einen Widerstand R1 an den Knoten H angeschlossen.
• Eine Stromspiegelschaltung 6 kann an den Ausgang A die Stromstärke gm*Vin liefern, die von den MOS-Transistoren M1 und M2 erzeugt wird.
• Das Gate G des Transistors M ist an den Kollektor C2 angeschlossen, der außerdem über den Parallelkreis aus dem variablen Generator α*I2 und dem Kondensator C an das Bezugspotential angeschlossen ist. Die Source S desselben Transistors M ist an den Vb-Knoten angeschlossen.
• Schließlich enthält die Polarisierschaltung 3 eine Gruppe von drei Bipolar-Transistoren Q4, Q5 und Q6 mit jeweils zusammengeschalteten Basen. Die zwei erstgenannten Transistoren Q4 und Q5 innerhalb dieser Gruppe sind mit ihren Emittern auf Bezugspotential gelegt, jeweils über einen Widerstand R1, und der als drittes genannte Transistor Q6 ist mit seinem Emitter an den Drain eines MOS-Transistors M4 angeschlossen, der seine Source geerdet und sein Gate mit einer Konstantspannungsquelle V4 verbunden hat.
• Ein. weiterer MOS-Transistor M3 ist mit seinem Gate und mit seiner Source an den Kollektor bzw. an die Basis des erstgenannten Bipolar- Transistors Q4 angeschlossen. Das Gate G3 dieses MOS-Transistors M3 ist außerdem an den Drain D des Transistors M angeschlossen und bildet einen Eingang für die Polarisierschaltung 3.

Claims (11)

1. Schaltungsvorrichtung (1) zum Unterdrücken der Abhängigkeit der Steilheit (gm) einer Differenz-Transkonduktanzstufe (2) mit Spannungseingängen und einem Stromausgang (U) von der Temperatur und Fertigungsprozeßvariablen, wobei die Transkonduktanzstufe außerdem eine Polarisierungsschaltung (3) beinhaltet, die einen ersten Vorstrom (Ib) aufnimmt, um mindestens einen zweiten Vorstrom an die Transkonduktanzstufe (2) zu geben, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Gegenkopplungsschleife (1) aufweist, die parallel zum Ausgang (U) der Transkonduktanzstufe (2) und zu einem Eingang der Polarisierschaltung (3) geschlossen ist, die Gegenkopplungsschleife eine Stromquelle (I2), die an den Ausgang (U) angeschlossen ist, einen zwischen den Ausgang (U) und einem Bezugspotential liegenden Kondensator (C) und mindestens einen Rückkopplungstransistor (M) enthält, welcher durch die Spannung an dem Stromausgang (U) gesteuert wird und an eine Stromquelle (Ib) für die Polarisierschaltung (3) angeschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (U) an das Bezugspotential über den Parallelkreis aus der Stromquelle (I2) und dem Kondensator (C), und an eine Gate-Elektrode (G) des Transistors (M) angeschlossen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (M) ein P-Kanal-Feldeffekttransistor ist, der so in die Rückkopplungsschleife (1) verschaltet ist, daß seine Drain-Elektrode (D) und seine Source-Elektrode (S) mit der Polarisierschaltung (3) bzw. einem Versorgungsspannungsknoten (Vd) verbunden sind, während die Gate-Elektrode (G) mit dem Ausgang (U) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (I2) einen praktisch temperaturunabhängigen externen Widerstand aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (I2) einen sich ändernden Wert aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (I2) an einen Digital-Analog-Wandler (10) mit n digitalen Auswahieingängen (a0, ..., an) angeschlossen ist, wodurch der Anwender imstande ist, einen multiplikativen Parameter α zu definieren, dessen Wert denjenigen der Stromquelle (I2) moduliert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (I2) einen Operationsverstärker (7) enthält, dessen nicht-invertierender Eingang (+) eine vorbestimmte Spannung (Vb) empfängt, und dessen Ausgang an das Gate (G7) eines MOS-Transistors (M7) angeschlossen ist, wobei der Transistor (M7) mit einer Source (S7) an den invertierenden Eingang (-) des Verstärkers (7) angeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Source (S7) über einen Widerstand (Re) mit einem temperaturstabilen Wert an ein Bezugpotential angeschlossen ist.

9. Integrierte Schaltung, umfassend: Mehrere Differenz-Transkonduktanzstufen (4), die jeweils Spannungseingänge und mindestens einen Stromausgang (U) aufweisen, ferner mindestens eine Polarisierschaltung (3) zum parallelen Einspeisen eines Vorstroms in sämtliche Transkonduktanzstufen (4), dadurch gekennzeichnet, daß sie aufweist: eine Schaltungsvorrichtung (1) zum Unterdrücken der Temperaturabhängigkeit der Steilheit (gm) der Transkonduktanzstufe (4) von der Temperatur und von Fertigungsprozeßvariablen, wobei die Schaltungsvorrichtung (1) eine Gegenkopplungsschleife aufweist, die parallel zum Ausgang (U) einer ersten (2) der Stufen (4) und einem Eingang der Polarisierschaltung (3) geschlossen ist und eine Stromquelle (12) enthält, die an den Ausgang (U) angeschlossen ist, wobei ein Kondensator (C) zwischen den Ausgang (U) und ein Bezugspotential gelegt ist, und mindestens einen Rückkopplungstransistor (M), der von der Spannung an dem Stromausgang (U) gesteuert wird und an eine Stromquelle (Ib) für die Polarisierschaltung (3) angeschlossen ist.

10. Integrierte Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (U) an ein Bezugspotential über einen Parallelkreis aus der Stromquelle (I2) und dem Kondensator (C), und an die Gate- Elektrode (G) des Transistors (M) angeschlossen ist.

11. Integrierte Schaltung nach Ansprnch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungstransistor (M) ein P-Kanal-MOS-Transistor ist, der in der Rückkopplungsschleife (1) angeordnet ist, in dem seine Drain-Elektrode (D) und seine Source-Elektrode (S) mit der Polarisierschaltung (3) bzw. einem Versorgungsspannungsknoten (Vd) verbunden sind, während seine Gate-Elektrode (G) mit dem Ausgang (U) verbunden ist.