-
Die Erfindung betrifft eine Ausgangsstufe
für eine
Schaltung vom Typ einer Ladungspumpe wie in der Einleitung von Anspruch
1 definiert. Diese Stufe ist mit einem Steuereingang für den Erhalt
eines Steuersignals und einem Ausgang versehen, wobei die Stufe
einen Stromspiegel aufweist, versehen mit einer Eingangsklemme,
einer Ausgangsklemme und einer Bezugsklemme, der Stromspiegel einen
Eingangstransistor und einen Ausgangstransistor aufweist, jeder
Transistor mit einer so genannten Polarisierungsklemme versehen
ist, einer so genannten Bezugsklemme und einer so genannten Transferklemme,
die Bezugsklemmen miteinander verbunden sind und die Bezugsklemme
des Stromspiegels bilden, die Polarisierungsklemmen miteinander
mit der Transferklemme des Eingangstransistors verbunden sind, die
Transferklemmen des Eingangs- und des Ausgangstransistors jeweils
die Eingangs- und Ausgangsklemme des Stromspiegels bilden, die Verbindung
zwischen der Bezugsklemme und der Transferklemme eines Transistors
den Weg des Hauptstroms definieren, die Eingangsklemme des Stromspiegels
mit einer Stromquelle verbunden ist, die Bezugsquelle des Stromspiegels
mit einer Versorgungsklemme verbunden ist und die Ausgangsklemme
des Stromspiegels mit dem Ausgang über einen Unterbrecher verbunden
ist, der mit einem Steuereingang zur Bildung des Steuereingangs
versehen ist.
-
Solch eine Ausgangsstufe wird häufig in
Ladungspumpen für
die Steuerung von Oszillatoren verwendet, insbesondere im Rahmen
von Demodulatoren mit Phasenverriegelungsschleife. Solch ein Demodulator,
bekannt z. B. aus dem europäischen Patent
Nr. 0 398 254 B1, ist mit einem Signaleingang für den Erhalt eines frequenzmodulierten
Signals und einem Ausgang für
die Abgabe eines demodulierten Signals versehen. Der Demodulator
weist wie üblich einen
Phasendetektor auf, um eine Phasendifferenz zu bewerten, die zwischen
einem am Ausgang eines Oszillators und dem modulierten Eingangssignal
besteht, und um an eine Ladungspumpe Steuersignale abzugeben, die
für die
besagte Phasendifferenz bezeichnend sind. Die Ladungspumpe dient
dazu, während
der von den Steuersignalen definierten Zeitintervallen einen Strom
an einen mit einem Schleifenfilter verbundenen Ausgang zu leiten.
Die an den Klemmen der Schleifenfilter vorhandene Span nung, die
von einem in Serie mit einem kapazitiven Element angeordneten resistiven
Element gebildet wird, bildet eine Regelspannung, die die Frequenz
des Ausgangssignals des Oszillators festlegt, wobei die besagte
Spannung außerdem
das demodulierte Signal bildet.
-
Diese Demodulatoren werden oft im
Bereich des Bildsignalempfangs verwendet, wo die modulierten Signale
eine Frequenz der Größenordnung
von hundert Megahertz haben, was für den Schleifenfilter die Verwendung
einer im Rahmen einer integrierten Schaltung leicht zu erstellenden,
den gesamten Demodulator bildenden Kapazität ermöglicht. Denn eine der Funktionen
des Schleifenfilters ist die Abgabe an seine Klemmen einer Spannungskomponente,
die mit einer weitaus geringeren Frequenz zu der des modulierten
Signals variiert, wobei die Komponente dann einer Gleichstromkomponente
des besagten Signals entspricht. Wenn die Frequenz des modulierten
Signals groß ist,
wie im Falle von Bildsignalen, kann die Zeitkonstante des Schleifenfilters,
als das Produkt der Werte der resistiven und kapazitiven Elemente
definiert, als relativ schwach gewählt werden, was die Verwendung
einer Kapazität
mit einem Wert unter einigen Pikofarad ermöglicht.
-
Ein Demodulator mit Phasenverriegelungsschleife
kann im Rahmen eines Funktelefons verwendet werden, doch in diesem
Fall ist die modulierte Signalfrequenz weitaus niedriger, z. B.
der Größenordnung
von hundert Kilohertz für
Bauweisen vom herkömmlich
doppelt überlagernden
Typ, verwendet z. B. in den Normen AMPS oder CTO entsprechenden
Normen. Dies schafft das Bedürfnis,
eine Kapazität
eines weitaus größeren Werts
für den
Schleifenfilter zu verwenden. Doch nach dem aktuellen Stand der
Technik ist es nicht möglich,
zu geringen Kosten Kapazitäten
mit mehreren hundert Pikofarad in integrierter Form herzustellen.
Es ist dagegen wünschenswert,
den gesamten Demodulator in integrierter Form herzustellen. Denn
jede externe Komponente ist an sich kostenspielig, erfordert das
Hinzufügen zusätzlicher
Klemmen an das Gehäuse
mit dem Rest des Demodulators und erfordert somit die Vorkehrung
eines zusätzlichen
Montageschritts bei der Fertigung des Funktelefons, bei der das
externe Bauteil an die integrierte Schaltung angeschlossen werden muss.
Außerdem
ermöglicht
die Verringerung der Abmessungen der das Funktelefon bildenden Bauteile
eine Verringerung von dessen Größe und Gewicht, was
einen Vorteil für
seinen Anwender darstellt und somit absolut erforderlich ist.
-
Der Wert der verwendeten Kapazität für den Schleifenfilter
hängt von
mehreren Parametern ab, wie der Stabilität und der Leistung der gesamten Schaltung,
den der Demodulator bildet, sowie dem Wert eines so genannten Ausgangsstroms,
der von seiner Ladungspumpe abgegeben wird. Somit ist es möglich, eine
Kapazität
mit einem Wert um zehn Pikofarad zu verwenden, wenn der Ausgangsstrom
der Ladungspumpe einen Nominalwert unter 10 Mikroampere hat.
-
Nach dem aktuellem Stand der Technik
werden Ladungspumpen meistens zum Abgeben von Ausgangsströmen mit
einem Nominalwert um ein Milliampere verwendet. Die Schwäche des
im vorliegenden Fall erforderlichen Nominalwerts, um die komplette
Integration des Demodulators zu ermöglichen, bedingt das Auftreten
zusätzlicher
Probleme. Denn die Transistoren, die die Ausgangsstufe der Ladungspumpe
bilden, weisen innere Störkapazitäten auf.
Bei Umschaltungen des Schalters werden sich diese Kapazitäten laden
oder entladen und so am Ausgang der Ladungspumpe Störströme erzeugen mit
einer Amplitude, die 10 bis 100 Mal über dem Nominalwert des Ausgangsstroms
der Ladungspumpe liegt. Dieses Ladungs/Entladungs-Phänomen der Störkapazitäten wird
demnach die Funktionsweise des Demodulators beträchtlich stören.
-
Eine Ladungspumpenschaltung ist auch
aus dem Patent der Vereinigten Staaten bekannt, veröffentlicht
unter der Nummer 5 473 283. Dieses Dokument enthält eine erste und eine zweite
Stromquelle, eine erste Transistor-Ausgangssteuerung, verbunden
mit dem Ausgang der ersten Stromquelle, eine zweite Ausgangs-Stromsteuerung,
verbunden mit dem zweiten Ausgang der zweiten Stromquelle, wobei
die Ausgangssteuerungen mit einem gemeinsamen Punkt verbunden sind,
der den Ausgang der Ladungspumpe bildet und ein „Pump-up"- und ein „Pump-down"-Steuersignal erhält. Ziel dieser Erfindung ist
es, die Anfertigung in komplett integrierter Form eines Demodulators
mit Phasenverriegelungsschleife für Funktelefonanwendungen zu
ermöglichen,
indem eine Ausgangsstufe für
Ladungspumpen vorgeschlagen wird, in der der Einfluss der Ladung/Entladung
der Störkapazitäten auf
den Ausgangsstrom der Ladungspumpen minimiert ist.
-
Denn dieser Erfindung zufolge wird
das hiervor genannte Ziel mit einer Ausgangsstufe wie in Anspruch
1 definiert erreicht.
-
Die der Erfindung entsprechende Ausgangsstufe
kann entweder verwendet werden, um die Verbindung eines Stroms zum
Ausgang der Stufe herzustellen oder um einen Abruf des Stroms vom
Ausgang der Stufe aus zu bewirken, je nach der Konfiguration, in
der die besagte Stufe verwendet wird.
-
Wenn die Bezugsklemme des Stromspiegels mit
einer positiven Versorgungsklemme verbunden ist, lädt sich
die Störkapazität des Ausgangstransistors
des Stromspiegels bis zum Umschalten des Schalters, bestimmt für die Herstellung
der Verbindung eines Nominalstroms zum Ausgang der Stufe. Wenn der
Unterbrecher Leiter wird, entlädt
sich die Störkapazität über das
kapazitive Ausgleichselement, was das Fließen der elektrischen Ladungen
zu dessen Polarisationsklemme bewirkt, und nicht zum Stufenausgang,
wie dies der Fall ohne das besagte Ausgleichselement gewesen wäre. Umgekehrt,
wenn die Bezugsklemme des Stromspiegels mit einer negativen Versorgungsklemme
verbunden ist, z. B. der Schaltungsmasse, lädt sich die Störkapazität des Ausgangstransistors
des Stromspiegels, wenn der Unterbrecher leitend geschaltet wird,
um einen Stromabruf vom Ausgang der Stufe aus zu bewirken. Die elektrischen
Ladungen, die zum Laden der Störkapazität notwendig
sind, werden nicht mehr am Stufenausgang entnommen, wie dies der
Fall ohne das kapazitive Ausgleichselement gewesen wäre, sondern
an der Polarisierungsklemme des besagten Ausgleichselement. Die
Wirkungen der Ladungs/Entladungs-Phänomene der Störkapazitäten auf
den Ausgangsstrom werden somit beträchtlich vermindert.
-
Auch der Unterbrecher selbst kann
Störphänomene verursachen.
Tatsächlich
wird dieser Unterbrecher meistens in der Form eines Transistors
gefertigt, dann Unterbrechertransistor bezeichnet, der ebenfalls
innere Störkapazitäten aufzeigt.
Das Umschalten des Unterbrechers bedingt folglich, Störströme starker
Amplitude am Stufenausgang zu erzeugen. Eine Variante der Erfindung
weist demnach eine Ausgangsstufe für eine Schaltung vom Ladungspumpentyp
auf, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterbrecher aus einem Transistor
gebildet wird, dessen Polarisationsklemme den Steuereingang bildet
und dessen Hauptstromweg zwischen der Ausgangsklemme des Stromspiegels
und dem Stufenausgang angeordnet ist, die Stufe ein weiteres kapazitives Ausgleichselement
aufweist, mit einer Anschlussklemme versehen, die mit einem Zwischenknoten zwischen
der Ausgangsklemme des Stromspiegels und dem Stufenausgang verbunden
ist, und einer dafür
bestimmten Polarisationsklemme, um ein mit dem Steuersignal in Gegenphasigkeit
befindliches Signal zu erhalten.
-
In solch einer Ausgangsstufe erhält das kapazitive
Ausgleichselement in Verbindung mit dem Unterbrechertransistor an
seiner Polarisationsklemme eine entgegengesetzte Spannung zu den
elektrischen Ladungen, unter deren Wirkung elektrische Ladungen
die Störkapazität des Unterbrechertransistors
durchströmen.
Das kapazitive Ausgleichselement unterliegt demnach einem identischen
Ladungstransfer zu dem, der in der Störkapazität des Unterbrechertransistors
stattfindet, aber in umgekehrter Richtung. Die beiden Ladungstransfers
gleichen sich so theoretisch perfekt aus, wenn der Wert der Stör kapazität des Unterbrechertransistors
und der seines kapazitiven Ausgleichselements identisch sind. Somit
durchströmen
die Ladungen nicht mehr den Stufenausgang, sondern das Ausgleichselement über die
Polarisationsklemme dieses letzteren. Der Stufenausgang überträgt demnach
nicht mehr die notwendigen Ladungs/Entladungs-Phänomene der Störkapazität des Unterbrechertransistors.
-
In einer besonders vorteilhaften
Ausführungsform
der Erfindung wird jedes kapazititve Ausgleichselement aus einem
so genannten Ausgleichstransistor gebildet, dessen Bezugs- und Transferklemmen
miteinander verbunden sind und so die Anschlussklemme des kapazitiven
Ausgleichselements bilden, wobei die Polarisationsklemme des Ausgleichstransistors
die Polarisationsklemme des kapazitiven Ausgleichselements bildet.
Diese Ausführungsform
ermöglicht
eine optimale Paarung zwischen den Störkapazitäten der Transistoren und ihren
zugehörigen
kapazitiven Ausgleichselementen. Tatsächlich werden diese letzteren
dann auch aus inneren Störkapazitäten gebildet,
die Werte nahe denen haben, die die störenden Ladungs/Entladungs-Phänomene verursachen,
wobei alle Transistoren mittels einem selben Herstellungsverfahren
erhalten wurden. Diese Paarung, die zudem den Vorteil einer sehr
einfachen Verwirklichung aufweist, ermöglicht einen guten Ausgleich
der besagten Störphänomene.
-
Vorteilhaft können zwei zusätzliche
Ausgangsstufen für
den Erhalt einer Ladungspumpe verwendet werden. Die Erfindung betrifft
somit auch eine Ladungspumpe, versehen mit einem ersten und einem
zweiten Steuereingang, jeweils für
den Erhalt eines ersten und eines zweiten Steuersignals bestimmt,
und einem Ausgang, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine erste und
eine zweite Ausgangsstufe aufweist, alle beide entsprechend der
vorangehenden Beschreibung, in Serie zwischen einer ersten und einer
zweiten Versorgungsklemme angeordnet, und deren Ausgänge miteinander
verbunden sind und den Ausgang der Ladungspumpe bilden, wobei die
erste Ausgangsstufe aus Transistoren gebildet wird, die eine zu
denen der zweiten Ausgangsstufe umgekehrte Leitfähigkeit haben, die Steuereingänge der
ersten und zweiten Ausgangsstufe jeweils erste und zweite Steuereingänge der
Ladungspumpe bilden und die Bezugsklemmen der Stromspiegel der ersten
und zweiten Ausgangsstufe jeweils mit den ersten und zweiten Versorgungsquellen
verbunden sind.
-
Eine solche ergänzende Struktur ermöglicht die
Steuerung einer Ladung oder Entladung der Kapazität des Schleifenfilters,
wobei eine Stufe dafür bestimmt
ist, um die Ladung vorzunehmen, indem sie die Leitung des Nominalstroms
an die Ausgänge
der Ladungspumpe herstellt, und die andere, um die Entladung vorzunehmen,
indem sie einen Abruf des Stroms selben Nominalwerts vom Ausgang
der Ladungspumpe aus bewirkt.
-
Somit ist wie zuvor dargelegt eine
Ladungspumpe gemäß der Erfindung
besonders gut für
Anwendungen im Rahmen von integrierten Schaltungen geeignet. Die
Erfindung betrifft somit auch einen Demodulator entsprechend dem
Anspruch 5.
-
Und schließlich, da die Erfindung die
komplette Integration eines Demodulators von Funksignalen ermöglicht,
wird sie vorteilhaft in einem tragbaren Funktelefon eingesetzt.
Die Erfindung betrifft somit auch ein Funktelefon entsprechend dem
Anspruch 6.
-
Die Erfindung wird besser anhand
der folgenden Beschreibung einiger Ausführungsformen verstanden, die
als nicht erschöpfendes
Beispiel und hinsichtlich der beigefügten Zeichnungen gegeben werden,
von denen:
-
1 ein
elektrisches Schema zur Beschreibung einer Ladungspumpe nach einer
vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist,
-
2 eine
Chronogrammstruktur zur Beschreibung der Entwicklung von in solch
einer Ladungspumpe enthaltenen Signalen ist,
-
3 ein
elektrisches Schema zur genaueren Beschreibung einer Ausgangsstufe
der Erfindung ist,
-
4 ein
Funktionsdiagramm zur Beschreibung eines Demodulators mit einer
Ladungspumpe entsprechend der Erfindung ist, und
-
5 ein
Funktionsdiagramm zur Beschreibung eines Funktelefongeräts mit solch
einem Demodulator ist.
-
1 zeigt
eine Ladungspumpe CP entsprechend einer besonders vorteilhaften
Ausführungsform
der Erfindung. Diese Ladungspumpe CP ist mit einem ersten und einem
zweiten Steuereingang versehen, jeweils bestimmt für den Erhalt
eines ersten und eines zweiten Steuersignals UP und DWN, und einem
Ausgang für
die Abgabe eines Stroms Iout. Sie enthält eine erste und eine zweite
Ausgangsstufe, angeordnet in Serie zwischen einer ersten und einer zweiten
Versorgungsklemme VCC und GND. Die erste Ausgangsstufe wird aus
Transistoren vom Typ PMOS gebildet, die zweite Ausgangsstufe dagegen aus
Transistoren vom Typ NMOS. Die erste und zweite Ausgangsstufe sind
mit Steuereingängen
versehen, jeweils für
den Erhalt der Steuersignals UP und DWN vorgesehen, und mit Ausgängen, die
mit dem Ausgang der Ladungspumpe CP verbunden sind. Die erste und
zweite Ausgangsstufe enthält
je einen ersten und zweiten Stromspiegel M1 und M2, jeweils mit
einer Eingangsklemme, einer Ausgangsklemme und einer Bezugsklemme
versehen. Jeder Stromspiegel M1 oder M2 enthält einen Eingangstransistor
PM1 oder NM1 und einen Ausgangstransistor PM2 oder NM2. Jeder Transistor
ist hier vom Typ MOS und mit einer so genannten Polarisationsklemme
versehen, gebildet in diesem Fall aus dem Transistorgitter, mit
einer so genannten Bezugsklemme, gebildet von der Source des Transistors,
und mit einer so genannten Transferklemme, gebildet vom Drain des
Transistors. Die Sources der Transistorpaare PM1, PM2 und NM1, NM2
sind miteinander verbunden und bilden jeweils die Bezugsklemmen des
ersten und zweiten Stromspiegels M1 und M2. Die Gitter der Transistoren
PM1 und PM2 und die der Transistoren NM1 und NM2 sind jeweils zusammen mit
den Drains der Transistoren NM1 und NM2 verbunden. Die Drains der
Eingangstransistoren PM1, NM1 und der Ausgangstransistoren PM2,
NM2 bilden jeweils die Eingangs- und Ausgangsklemmen des ersten
und zweiten Stromspiegels. Die Verbindung zwischen der Source und
dem Drain eines Transistors definiert seinen Hauptstromweg. Die
Eingangsklemme des ersten Stromspiegels M1 ist mit einer Stromquelle
verbunden, die einen Bezugsstrom liefert, dessen Wert nominal Iref
ist. Der erste Stromspiegel enthält
einen Zwischentransistor PMOS PMi, parallel zum Ausgangstransistor
PM2 geschaltet, der eine Kopie des besagten Bezugsstroms Iref vornimmt.
Die Eingangsklemme des zweiten Stromspiegels M2 ist mit dem Drain
dieses Zwischentransistors PMi verbunden und erhält so einen Strom, dessen Nominalwert
ebenfalls Iref ist. Um eine bessere Kopie des Stroms zu ermöglichen
kann man dem Fachmann gut bekannte Strukturen vom Kaskodentyp zwischen
den hiervor beschriebenen Stromspiegeln und der Stromquelle einfügen. Die
Bezugsklemmen des ersten und zweiten Stromspiegels M1 und M2 sind
jeweils mit der ersten und der zweiten Versorgungsklemme VCC und
GND verbunden. Die Ausgangsklemmen des ersten und zweiten Stromspiegels
M1 und Ms sind mit den Ausgängen
der ersten und zweiten Stufe über
Unterbrecher verbunden, die jeweils aus Transistoren vom Typ MOS,
PM3 und NM3 gebildet werden, deren Gitter die Steuereingänge der
ersten und zweiten Stufe bilden und deren Hauptstromwege jeweils
zwischen den Ausgangsklemmen des ersten und zweiten Stromspiegels
M1 und M2 und dem Ausgang der Ladungspumpe CP angeordnet sind. Die
erste und zweite Ausgangsstufe enthalten jeweils einen ersten Ausgleichstransistor PM4
vom Typ PMOS und einen zweiten Ausgangstransistor NM4 vom Typ NMOS,
die jeweils ihre Source und ihren Drain miteinander verbunden haben
und so eine so genannte Anschlussklemme des Ausgleichstransistors
PM4 oder NM4 bilden, wobei das Gitter eine so genannte Polarisationsklemme
bildet. Die An schlussklemmen des ersten und zweiten Ausgleichstransistors
PM4 und NM4 sind jeweils mit den Drains der Unterbrechertransistoren
PM3 und NM3 verbunden, während
ihre Polarisationsklemmen dafür
bestimmt sind, die Signale VP4 und NM4 zu erhalten, die mit jeweils
dem ersten und dem zweiten Steuersignal UP und DWN in Phase sind.
Die erste und zweite Ausgangsstufe enthält jeweils einen dritten Ausgleichstransistor
PM5 vom Typ PMOS und einen vierten Ausgleichstransistor NM5 vom
Typ NMOS, die jeweils ihre Source und ihren Drain miteinander verbunden
haben und so eine so genannte Anschlussklemme des Ausgleichstransistors
PM5 oder NM5 bilden, dessen Gitter die so genannte Polarisationsklemme
bildet. Die Anschlussklemmen des dritten und vierten Ausgleichstransistors
PM5 und NM5 sind jeweils mit den Drains der Ausgangstransistoren
des ersten und zweiten Stromspiegels verbunden, während ihre
Polarisationsklemmen dazu bestimmt sind, die Signale VP5 und VN5
zu erhalten, die in Gegenphasigkeit mit jeweils dem ersten und zweiten
Steuersignal UP und DWN sind. Die erste und zweite Ausgangsstufe
enthält
in dieser Ausführungsform
jeweils einen ersten und zweiten so genannten Isolationstransistor
PM6 und NM6, deren Funktion es ist, eine Symmetrie in jeder der
Ausgangsstufen zu versichern, aber auch den Ausgang der Ladungspumpe
CP hinsichtlich der Unterbrechertransistoren PM3 und NM3 zu isolieren,
damit die elektrischen Ladungen von diesen letzteren nicht direkt
zum Ausgang der Ladungspumpe CP durchströmen, wenn die Unterbrechertransistoren
PM3 und NM3 umschalten. Diese Isolationstransistoren PM6 und NM6
sind vorzugsweise die letzten Strukturelemente der so genannten "Kaskoden-Stromspiegel
mit Vt-Nachstellung",
dem Fachmann gut bekannt und auf der Figur nicht dargestellt, die
es am Ausgang der Ladepumpe CP ermöglichen, über einen maximalen Potentialhub
zu verfügen.
Der erste und zweite Isolationstransistor PM6 und NM6 erhalten an
ihren Gittern jeweils ausreichende Spannungen Vb1 und Vb2, um deren
Einschaltung zuzulassen. Die Reihenfolge, in der die Ausgleichstransistoren
und die Unterbrechertransistoren in dem hier beschriebenen Beispiel
angeordnet sind, ist willkürlich und
für den
Betrieb der Ladungspumpe CP unerheblich.
-
2 ist
eine Chronogrammstruktur zur Beschreibung der Entwicklung der Steuersignale,
die die hiervor beschriebene Ladungspumpe CP bedienen. In einem
Zeitpunkt t1 weist das Signal UP eine absteigende Flanke auf um
den Unterbrechertransistor PMOS PM3 leitend zu schalten. Der Ausgangsstrom
Iout der Ladungspumpe CP schaltet demnach von einem Wert nahe Null
auf einen positiven Nominalwert, bezeichnet Iref. Gleichzeitig schaltet
das Signal VP4 von einem vorbestimmten Potential VO auf ein Poten tial
nahe Null, um einen Ladungsschub in die vom ersten Ausgleichstransistor
PM4 gebildete Kapazität
auszulösen,
während
das Signal VP5 eine aufsteigende Flanke aufweist, um einen Ladungsschub
in die vom dritten Ausgleichstransistor PM5 gebildete Kapazität auszulösen. In
einem Zeitpunkt t2 weist das Signal UP eine aufsteigende Flanke
auf, um den Unterbrechertransistor PMOS PM3 zu unterbrechen. Der
Ausgangsstrom Iout der Ladungspumpe CP schaltet demnach von seinem
positiven Nominalwert auf einen Wert nahe Null. Gleichzeitig schaltet
das Signal VP4 von einem Potential nahe Null auf ein vorbestimmtes
Potential VO, während
das Signal VP5 eine absteigende Flanke aufweist. In einem Zeitpunkt
t3 weist das Signal DWN eine aufsteigende Flanke auf um den Unterbrechertransistor
NMOS NM3 leitend zu schalten. Der Ausgangsstrom Iout der Ladungspumpe
CP schaltet dann von einem Wert nahe Null auf einen negativen Nominalwert,
bezeichnet -Iref. Gleichzeitig schaltet das Signal VN4 von einem
Potential nahe Null auf ein vorbestimmtes Potential VO', um einen Ladungsschub
in die aus dem zweiten Ausgleichstransistor NM4 gebildete Kapazität auszulösen, während das
Signal VN5 eine absteigende Flanke aufweist, um einen Ladungsschub
in die von dem vierten Ausgleichstransistor NM5 gebildete Kapazität auszulösen. In
einem Zeitpunkt t4 weist das Signal DWN eine absteigende Flanke
auf, um die Leitung des Unterbrechertransistors NMOS NM3 zu unterbrechen.
Der Ausgangsstrom Iout der Ladungspumpe CP schaltet dann von ihrem
negativen Nominalwert -Iref auf einen Wert nahe Null. Gleichzeitig
schaltet das Signal VN4 von dem vorbestimmten Potential VO' auf ein Potential
nahe Null, während
das Signal VN5 eine aufsteigende Flanke aufweist. Die Unregelmäßigkeiten
VS und UDS zeigen in abgeschwächter
Form den Einfluss, den die Ladungs/Entladungs-Phänomene der Störkapazitäten auf
den Ausgangsstrom Iout der Ladungspumpe CP in Ermangelung der Ausgleichstransistoren
hätten.
Der Ausgangstransistor PM2 des ersten Stromspiegels M1 zeigt eine
Störkapazität, die geladen
ist, wenn der Unterbrechertransistor PMOS PM3 gesperrt ist, d. h.
vor dem Zeitpunkt t1. Die Schaltung, die bei t1 stattfindet, würde in Ermangelung
des ersten Ausgleichstransistors PM4 die Entladung dieser Kapazität auslösen und
somit die Bewegung von elektrischen Ladungen zum Ausgang der Ladungspumpe
CP bewirken. Diese Entladung löst
einen Störstrom
id1 aus, denn dem Gesetz id1 = C.ΔV/Δt unterlegen,
wobei C mehrere hundert Femtofarad beträgt, die Schwankung ΔV des Potentials
eines beliebigen Zwischenknotens der ersten Ausgangsstufe einige
hundert Millivolt beträgt
und die Umschaltzeit Δt
der Größenordnung
einer Nanosekunde ist. Der so erzeugte Störstrom id1, sichtbar mit einem
Schwächungsfaktor
der Größenordnung
100 in der Form einer ersten OVS-Überschreitung, weist demnach
eine Spitze einiger hundert Mikroampere auf, die man dem positiven
Nominalwert Iref hinzufügen
würde. Der
erste Ausgleichstransistor PM4 ermöglicht die Ableitung der elektrischen
Ladungen, die von der Störkapazität des Ausgangstransistors
PM2 kommen, zum ersten Stromspiegel M1 anstatt zum Ausgang der Ladungspumpe
CP. Der Ausgangstransistor NM2 des zweiten Stromspiegels M2 weist
eine Störkapazität auf, die
grundsätzlich
entladen wird, wenn der Unterbrechertransistor NMOS NM2 gesperrt
ist, d. h. vor dem Zeitpunkt t3. Die Umschaltung, die in t3 stattfindet,
bewirkt die Ladung dieser Kapazität, was in Ermangelung des ersten
Ausgleichstransistors NM4 vom Ausgang der Ladungspumpe CP aus zu
einem elektrischen Ladungsschub führen würde. Diese Ladung erzeugt einen
Störstrom id2
derselben Größenordnung
wie der weiter oben beschriebene Störstrom id1. Dieser Störstrom id2, sichtbar
in der Form einer zweiten UDS-Überschreitung
bei t3, weist demnach eine Spitze einiger hundert Mikroampere auf,
die sich vom negativen Nominalwert -Iref des Ausgangsstroms Iout
subtrahieren würden.
Der zweite Ausgleichstransistor NM4 ermöglicht den Einschub der für die Ladung
der Störkapazität des Ausgangstransistors
NM2 des zweiten Stromspiegels M2 von einer anderen Klemme als der Ausgangsklemme
der Ladungspumpe CP erforderlichen Ladungen.
-
Den weiter oben beschriebenen Störphänomenen überlagern
sich auch weitere Ladungs/Entladungs-Phänomene insbesondere aufgrund
der Umschaltungen der Unterbrechertransistoren, die in der folgenden
Beschreibung berücksichtigt
werden.
-
3 zeigt
die zweite Ausgangsstufe der Ladungspumpe CP mehr im Detail, um
ein besseres Verständnis
der Funktionsweise der Ausgleichungen der Ladungs/Entladungs-Phänomene der
Störkapazitäten zu ermöglichen.
Der Ausgangstransistor NM2 des zweiten Stromspiegels M2 weist eine
Gitter-Drain-Störkapazität auf, bezeichnet
Cgd2. Der zweite Unterbrechertransistor NM3, der zweite Ausgleichstransistor
NM4 und der vierte Ausgleichstransistor NM5 weisen jeweils Störkapazitäten auf,
bezeichnet C3, C4 und C5, gleichwertig zu ihren parallel angeordneten
Gitter-Source- und Gitter-Drain-Kapazitäten. Diese
gleichwertigen Störkapazitäten C3,
C4 und C5 sind auf der Figur gestrichelt dargestellt. Vor dem Zeitpunkt
t3 ist die Kapazität
Cgd2 entladen. Der im Zeitpunkt t3 leitende Eingang des Unterbrechertransistors
NM3 bewirkt eine Schwankung der Potentiale der Zwischenknoten der
zweiten Ausgangsstufe. Das Potential Vd5 des Drains des Transistors NM5
wird willkürlich
gewählt,
um die folgende Beschreibung zu erhellen. Da die Kapazität Cgd2 während dem
Zeitraum Δt
einer Schwankung des Potentials ΔVd5
unterliegt, lädt
sie sich mit einem Strom i2 = Cgd2.ΔVd5/Δt. Gleichzeitig unterliegt die
Kapazität C4 während dem
Zeitraum Δt
einer Schwankung des Potentials ΔV
= V0' und lädt sich
mit einem Strom i4 = Cgs4.V0'/Δt. So wird
mit der Wahl von C4.V0' = Cgd2.ΔVd5 der für die Ladung
der Störkapazität des Ausgangstransistors
NM2 des zweiten Stromspiegels M2 erforderliche Strom i2 perfekt
durch den Strom i4 ausgeglichen, und die Ladung von Cgd2 bewirkt
keinen störenden
Effekt auf den Ausgangsstrom Iout der Ladungspumpe CP. Wenn die
zweite Ausgangsstufe wie im Falle der 1 einen
Isolationstransistor NM6 aufweist, muss die Störkapazität Gitter-Source, bezeichnet
Cgs6, dieses letzteren berücksichtigt
werden, die einen weiteren Strom gleich Cgs6.ΔVd5/Δt hervorbringen wird. Man muss
demnach C4.V0' =
(Cgd2 + Cgs6).ΔVd5
wählen,
um einen Ausgleich der mit diesen Störkapazitäten der Transistoren NM2 und
NM6 erzeugten Ströme
zu erhalten.
-
Die Umschaltung des zweiten Unterbrechertransistors
NM3 bewirkt das Auftreten eines Störstroms i3 über seine gleichwertige Störkapazität C3, wobei
das Gitter des Transistors NM3 einem positiven Potential unterliegt.
Der vierte Ausgleichstransistor NM5 ermöglicht den Ausgleich dieses
Stroms. Tatsächlich
ist er identisch zum Unterbrechertransistor NM3 und weist demnach
eine gleichwertige Störkapazität C5 mit
einem Wert sehr nahe an der gleichwertigen Störkapazität C3 des Unterbrechertransistors
NM3 auf. Da man das Gitter des Ausgleichstransistors NM5 auf ein
zum Potential des Gitters des Unterbrechertransistors NM3 entgegengesetztes
Potential bringt, wird die Kapazität C5 von einem Strom i5 durchströmt, der
zu Störstrom
i3 weitgehend gleichwertig ist. Man kann somit sagen, dass die in der
zweiten Stufe beim Umschalten des Unterbrechertransistors NM3 eingeschobenen
Ladungen vom Ausgleichstransistor NM5 sofort aus der Stufe abgeführt werden
und keinerlei Wirkung auf den Ausgangsstrom Iout der Ladungspumpe
CP haben.
-
Die Beschreibung der Funktionsweise
der zweiten Ausgangsstufe, die hier gemacht wurde, ist leicht auf
die erste Ausgangsstufe übertragbar.
-
4 ist
ein Funktionsdiagramm zur Beschreibung eines Demodulators DEM mit
einer Ladungspumpe CP entsprechend der Erfindung. Dabei handelt
es sich um einen Demodulator mit Phasenverriegelungsschleife, versehen
mit einem Signaleingang für
den Erhalt eines frequenzmodulierten Signals Vin und mit einem Ausgang
für die
Abgabe eines demodulierten Signals Vout, der enthält:
- – einen
Phasendetektor PD zur Bewertung einer Differenz bestehender Phasen
zwischen Signalen, erhalten an einem ersten und einem zweiten Signaleingang,
und zur Abgabe an einen ersten und einem zweiten Ausgang von Steuersignalen UP
und DWN ab hängig
von der besagten Phasendifferenz, wobei der erste Signaleingang
den Eingang des Signals des Demodulators DEM bildet,
- – eine
Ladungspumpe CP entsprechend der vorangehenden Beschreibung, versehen
mit einem ersten und einem zweiten Steuereingang, jeweils verbunden
mit dem ersten und zweiten Steuerausgang des Phasendetektors PD,
und einem Ausgang, verbunden mit einem Schleifenfilter, gebildet
aus einem resistiven Element Rf in Serie mit einem kapazitiven Element
Cf angeordnet, und
- – einen
spannungsgesteuerten Oszillator VCO, versehen mit einem Reglereingang,
den Ausgang des Demodulators DEM bildend, verbunden mit dem Ausgang
der Ladungspumpe CP und dafür bestimmt,
eine an den Klemmen des Schleifenfilters vorhandene Spannung Vout
zu erhalten, und mit einem Ausgang für die Abgabe eines Signals, dessen
Frequenz vom Wert der am Reglereingang erhaltenen Spannung abhängt, wobei
der Ausgang mit einem zweiten Signaleingang des Phasendetektors
PD verbunden ist.
-
5 ist
ein Funktionsdiagramm zur Beschreibung eines Funktelefongeräts mit solch
einem Demodulator DEM. Dieses Gerät weist auf:
- – ein Antennen-
und Filtersystem AF, um den Empfang eines frequenzmodulierten Funksignals zu
ermöglichen,
- – ein
Auswahlmodul, bestehend aus mindestens einem Oszillator OSC und
einem Mischer MX, um die Auswahl des besagten Funksignals und die Umwandlung
seiner Frequenz in eine Zwischenfrequenz zu ermöglichen,
- – einen
Demodulator DEM wie weiter oben beschrieben, um ein demoduliertes
Tonsignal auf der Grundlage des modulierten Signals wiederherzustellen.