DE10065379A1

DE10065379A1 - Stromspiegelschaltung

Info

Publication number: DE10065379A1
Application number: DE10065379A
Authority: DE
Inventors: Patrick Heyne; Thomas Hein; Torsten Partsch; Thilo Marx
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Qimonda AG
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2002-07-18
Also published as: US20020089319A1; US6657422B2

Abstract

Eine Stromspiegelschaltung weist einen Eingangspfad (E) auf, der eine Stromquelle (Q1) und eine dazu in Serie geschaltete erste Transistorschaltung (T1) mit wenigstens zwei Transistoren (N2, N3) aufweist, wobei einer der Transistoren (N2) zum anderen der Transistoren (N3) parallel zuschaltbar ist. In einem Ausgangspfad (A), der eine zweite Transistorschaltung (T2) mit wenigstens zwei Transistoren (N4, N5) aufweist, ist einer der Transistoren (N5) zum anderen der Transistoren (N4) parallel zuschaltbar. Die Steueranschlüsse der Transistoren (N2 bis N5) der ersten und zweiten Transistorschaltung sind mit dem Eingangspfad (E) verbindbar. Die Stromspiegelschaltung ist dadurch mit vergleichsweise geringen Umschaltzeiten zwischen zwei Betriebsarten mit unterschiedlichem Strombedarf umschaltbar.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromspiegelschal tung.

In integrierten Schaltungep werden Stromspiegelschaltungen beispielsweise zur Realisierung von Konstantstromquellen ein gesetzt. In einer Grundschaltung weist eine Stromspiegel schaltung prinzipiell eine Eingangspfad und einen Ausgangs pfad auf, die miteinander gekoppelt sind. Im Eingangspfad ist im allgemeinen eine Stromquelle enthalten, zu der ein Transi stor mit seiner Hauptstromstrecke in Serie geschaltet ist. Im Ausgangspfad ist ein weite er Transistor enthalten, dessen Steueranschluß mit dem Eingangspfad verbunden ist. Ebenso ist der Steueranschluß des ersten Transistors mit dem Eingangs pfad verbunden.

Eine derartige Grundschaltung ist beispielsweise aus Tietze, Schenk: Halbleiter-Schaltu gstechnik, 10. Auflage, Springer- Verlag, Berlin u. a., 1993, Seiten 94-97 zu entnehmen. Wenn beide Transistoren gleich sind, insbesondere deren Weiten-/ Längen-Verhältnisse, fließt durch beide Transistoren und da mit durch den Eingangspfad und Ausgangspfad der gleiche Strom. Der Strom durch den jeweiligen Transistor wird insbe sondere durch die Gate-Source-Spannung bestimmt, ebenso durch das Weiten-/Längen-Verhältnis des jeweiligen Transistors. Der Betrag des Stroms, der durch die Transistoren fließt, ist bei gleicher Gate-Source-Spannung dabei im allgemeinen proportio nal zu seinem Weiten-/Lärjen-Verhältnis.

Stromspiegelschaltungen werden insbesondere als Stromquellen für Datenempfängerschaltungen, sogenannte Datenreceiver, ein gesetzt. Hier ist es im allgemeinen wünschenswert, den Daten receiver in mehreren Betriebsarten zu betreiben, etwa in ei ner Normalbetriebsart und einer Stand-By-Betriebsart, die durch einen niedrigeren Strombedarf gegenüber der Normalbe triebsart gekennzeichnet ist.

Ändert sich in einer Stromspiegelschaltung beispielsweise in folge eines Wechsels der Betriebsart der Strom etwa der Stromquelle, so ändert sich dadurch insbesondere die Gate- Source-Spannung des jeweiligen Transistors im Eingangspfad beziehungsweise Ausgangspfad. Dabei ist die zeitliche Ände rung u. a. abhängig von Leitungs- und sogenannten Pufferkapa zitäten. Schaltungstechnisch werden oftmals vegleichsweise große Pufferkapazitäten benutzt, um den Strom der Stromspie gelschaltung in einer Betriebsart konstant zu halten und so genanntes Rauschen zu minimieren. Dies führt jedoch infolge von resultierenden langen Zeitkonstanten zu vergleichsweise langen Umschaltzeiten beispielsweise beim Umschalten von der Stand-By-Betriebsart in die Normalbetriebsart.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Strom spiegelschaltung anzugeben, die bei Stromänderungen der Stromquelle mit vergleichsweise geringen Umschaltzeiten bei spielsweise von einer Normalbetriebsart in eine Betriebsart mit verringertem Strombedarf umschaltbar ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Stromspiegelschaltung mit einem Eingangspfad, der eine Stromquelle und eine dazu in Se rie geschaltete erste Transistorschaltung mit wenigstens zwei Transistoren aufweist, bei der einer der Transistoren zum an deren der Transistoren parallel zuschaltbar ist, mit einem Ausgangspfad, der eine zweite Transistorschaltung mit wenig stens zwei Transistoren aufweist, bei der einer der Transi storen zum anderen der Transistoren parallel zuschaltbar ist, und bei der die Steueranschlüsse der Transistoren der ersten und zweiten Transistorschaltung mit dem Eingangspfad verbind bar sind.

Mit der erfindungsgemäßen Stromspiegelschaltung ist es ermög licht, bei Stromänderungen der Stromquelle durch entsprechendes Zuschalten oder Abschalten der zuschaltbaren Transistoren im Eingangspfad und Ausgangspfad der Stromspiegelschaltung die Gate-Source-Spannung der Transistoren im Eingangspfad und Ausgangspfad zu beeinflussen. Insbesondere ist diese durch entsprechendes Zuschalten oder Abschalten des jeweiligen Transistors derart steuerbar, daß keine oder nur vergleichs weise geringe Schwankungen der Gate-Source-Spannung auftre ten, auch wenn sich der jeweilige Strom im Eingangspfad und Ausgangspfad der Stromspiegelschaltung ändert. Somit müssen keine Umladevorgänge beispielsweise von Leitungskapazitäten oder Pufferkapazitäten durchgeführt werden. Dadurch ist es ermöglicht, die Stromspiegelschaltung in zwei verschiedenen Betriebsarten, die sich im Strombedarf unterscheiden, mit vergleichsweise geringen Umschaltzeiten zu betreiben.

Die erfindungsgemäße Stromspiegelschaltung ist aus diesem Grund vorteilhaft als Stromquelle für einen Datenempfänger einsetzbar. Diese können in einer Stand-By-Betriebsart mit verringertem Strombedarf betrieben werden, so daß in dieser Betriebsart der Leistungsbedarf beispielsweise einer inte grierten Schaltung in Form eines integrierten Speichers ver ringert ist. Mit der erfindungsgemäßen Stromspiegelschaltung als Stromquelle ist der Datenempfänger mit vergleichsweise kurzer Umschaltzeit in der Normalbetriebsart betreibbar.

In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromspiegel schaltung sind in der Normalbetriebsart die zuschaltbaren Transistoren der jeweiligen Transistorschaltungen zugeschal tet und in einer Stand-By-Betriebsart abgeschaltet. Mit dem Abschalten des entsprechenden Transistors der ersten Transi storschaltung kann gewährleistet werden, daß auch bei verrin gertem Strom im Eingangspfad die Gate-Source-Spannung des an deren Transistors unverändert bleibt. Um das Verhältnis von Eingangsstrom und Ausgangsstrom zu wahren, ist der entspre chende Transistor der zweiten Transistorschaltung dann eben falls abgeschaltet.

Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, daß ein Verhältnis der Weiten-/Längen-Verhältnisse der Transistoren der ersten Tran sistorschaltung einem entsprechenden Verhältnis der Weiten-/ Längen-Verhältnisse der Transistoren der zweiten Transistor schaltung entspricht. In einer Ausführungsform weisen die zu schaltbaren Transistoren der ersten und zweiten Transistor schaltung ein gleiches Weiten-/Längen-Verhältnis auf.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Stromquelle durch eine dritte Transistorschaltung gebildet, die wenigstens zwei Transistoren aufweist, deren Hauptstrom strecken mit dem Eingangspfad verbunden sind, wobei einer der Transistoren zum anderen der Transistoren parallel zuschalt bar ist. Durch das Zuschalten beziehungsweise Abschalten des entsprechenden Transistors der dritten Transistorschaltung ist der Strom im Eingangspfad der Stromspiegelschaltung än derbar.

Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, daß ein Verhältnis der Weiten-/Längen-Verhältnisse der Transistoren der ersten Transistorschaltung einem entsprechenden Verhältnis der Wei ten-/Längen-Verhältnisse der Transistoren der dritten Transi storschaltung entspricht. Dadurch ist es ermöglicht, die Ga te-Source-Spannung eines Transistors der zweiten Transistor schaltung in dem gleichen Maß zu beeinflussen, in dem der Strom im Eingangspfad durch die dritte Transistorschaltung geändert wird. In einer Ausführungsform weisen die zuschalt baren Transistoren der ersten und dritten Transistorschaltung ein gleiches Weiten-/Längen-Verhältnis auf. In diesem Fall wird durch paralleles Zu- und Abschalten von gleichen Transi storen der Strom im Eingangspfad und Ausgangspfad geändert, ohne daß sich die jeweilige Gate-Source-Spannung der Transi storen im Eingangspfad und Ausgangspfad ändert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strom spiegelschaltung,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemä ßen Stromspiegelschaltung,

Fig. 3 eine Grundschaltung einer Stromspiegelschaltung,

Fig. 4 mehrere Stromspiegelschaltungen im Einsatz als Stromquellen für jeweilige Datenempfänger

In Fig. 3 ist eine Grundschaltung einer Stromspiegelschal tung 1 gezeigt, in deren Eingangspfad ein Transistor N0 und in deren Ausgangspfad ein Transistor N1 enthalten ist. Der Steueranschluß des Transistors N1 ist mit dem Eingangspfad und dem Steueranschluß des Transistors N0 verbunden. Ebenso ist der Steueranschluß des Transistors N0 mit dem Eingangs pfad verbunden. Wenn beide Transistoren N0 und N1 gleich sind, insbesondere wenn diese Transistoren ein gleiches Wei ten-/Längen-Verhältnis aufweisen, fließen durch beide Transi storen jeweilige Ströme, die vom Betrag gleich groß sind. Das heißt, der Betrag des Stroms I1 entspricht dem Betrag des Stroms I2.

Die Ströme I1 und I2 werden insbesondere durch die Höhe der Gate-Source-Spannung der Transistoren N0 und N1 bestimmt. Um beispielsweise in einer Normalbetriebsart die jeweiligen Ströme I1 und I2 konstant zu halten und Rauschen zu minimie ren, ist eine Pufferkapazität C0 vorgesehen, die mit den Steueranschlüssen der Transistoren N0 und N1 verbunden ist. Dadurch stellt sich eine gepufferte Spannung UG ein, so daß die Gate-Source-Spannung der Transistoren N0 und N1 ver gleichsweise geringen Schwankungen unterworfen ist. Ändert sich jedoch beispielsweise in einem Stand-By-Betrieb der Strom I1, so weist die Spannung UG infolge von Umladevorgän gen eine vergleichsweise hohe Zeitkonstante auf. Dadurch er geben sich vergleichsweise lange Umschaltzeiten zwischen einem Normalbetrieb und einem Stand-By-Betrieb mit verringertem Strombedarf und umgekehrt.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromspiegelschaltung 2 gezeigt. Diese weist einen Eingangs pfad E auf, der eine Stromquelle Q1 und eine dazu in Serie geschaltete Transistorschaltung T1 mit zwei NMOS Transistoren N2 und N3 enthält. Dabei ist der Transistor N2 über einen Schalter S2 parallel zum Transistor N3 zuschaltbar. In diesem Fall sind beide Steueranschlüsse der Transistoren N2 und N3 mit dem Eingangspfad E der Stromspiegelschaltung 2 verbunden, so daß diese eine gleiche Gate-Source-Spannung aufweisen. Der Eingangspfad E liegt an den Versorgungspotentialen V1, das beispielsweise einer positiven Versorgungsspannung ent spricht, und GND, das beispielsweise einem Bezugspotential entspricht, an. Der Ausgangspfad A der Stromspiegelschaltung 2 weist eine Transistorschaltung T2 auf, die zwei NMOS Tran sistoren N4 und N5 enthält. Dabei ist der Transistor N5 mit tels des Schalters S3 zum Transistor N4 parallel zuschaltbar. In diesem Fall sind die Steueranschlüsse der Transistoren N4 und N5 mit dem Eingangspfad E verbunden. Dadurch weisen beide Transistoren die gleiche Gate-Source-Spannung auf.

Der Zustand der Schalter S2 und S3 in Fig. 1 entspricht dem Zustand in der Stand-By-Betriebsart der Stromspiegelschaltung 2. Das heißt, die Transistoren N2 und N5 sind abgeschaltet. Ändert sich der Strom I1 infolge einer Umschaltung von der Stand-By-Betriebsart in eine Normalbetriebsart hin zu höheren Werten, so wird ein Ansteigen der Spannung UG am Knoten der Pufferkapazität C1 dadurch verhindert, daß die Transistoren N2 und N5 mittels der Schalter S2 und S3 zugeschaltet werden. Dadurch erniedrigt sich der Gesamtwiderstand der Transistor schaltungen T1 und T2, so daß sich die Spannung UG nicht än dert. Somit ist ein Umladen der Pufferkapazität C1 nicht er forderlich, so daß sich vergleichsweise kurze Umschaltzeiten zwischen dem Normalbetrieb und dem Stand-By-Betrieb ergeben.

Durch das Zuschalten des Transistors N5 wird gewährleistet, daß sich mit dem Strom I1 auch der Strom I2 erhöht. Dabei entspricht das Verhältnis des Weiten-/Längen-Verhältnisses (nachfolgend als W/L bezeichnet) des Transistors N4 zum Wei ten-/Längen-Verhältnis des Transistors N5 dem Verhältnis des Weiten-/Längen-Verhältnisses des Transistors N3 zum Weiten-/ Längen-Verhältnis des Transistors N2.

W/L(N3)/W/L(N2) = W/L(N4)/W/L(N5)

Insbesondere entspricht hier das Weiten-/Längen-Verhältnis des Transistors N3 dem Weiten-/Längen-Verhältnis des Transi stors N4, das Weiten-/Längen-Verhältnis des zuschaltbaren Transistors N2 ist gleich dem Weiten-/Längen-Verhältnis des Transistors N5. Dadurch ist es gewährleistet, daß bei kon stantem UG das Verhältnis der Ströme I1 und I2 sowohl in der Normalbetriebsart als auch in der Stand-By-Betriebsart unver ändert bleibt. Soll der Strom I1 im Stand-By-Betrieb gegen über dem Normalbetrieb beispielsweise halbiert werden, so entspricht das Weiten-/Längen-Verhältnis des Transistors N3 dem Weiten-/Längen-Verhältnis des Transistors N2.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromspiegelschaltung 3 gezeigt, die in Form zweier in Serie zueinander geschalteter Stromspiegel SS1 und SS2 gebildet ist. Der Stromspiegel SS1 entspricht dabei vom Grundaufbau her der Stromspiegelschaltung 2 gemäß Fig. 1. Die dortige Stromquelle Q1 ist gemäß der Schaltung nach Fig. 2 durch ei ne Transistorschaltung T3 gebildet, die die PMOS Transistoren P2 und P3 aufweist. Der Transistor P3 ist mittels eines Schalters S1 zum Transistor P2 parallel zuschaltbar. Der Ein gangspfad E1 des Stromspiegels SS1 bildet zugleich den Aus gangspfad A2 des Stromspiegels SS2. Dessen Eingangspfad E2 weist einen Transistor P1 und eine Referenzstromquelle Q2 auf. Ist der Transistor P3 parallel zum Transistor P2 zuge schaltet, sind beide Steueranschlüsse dieser Transistoren mit dem Eingangspfad E2 des Stromspiegels SS2 verbunden. Über die Transistorschaltung T3 ist der Strom I2 in Bezug zu dem Strom I1 einstellbar. Über den Ausgangspfad A1 des Stromspiegels SS1 ist der Strom I3 entnehmbar.

Die Darstellung gemäß Fig. 2 zeigt einen Betriebszustand für einen Stand-By-Betrieb der Stromspiegelschaltung 3. Die Tran sistoren P2 und P3 weisen jeweils ein halbes Weiten-/Längen- Verhältnis in Bezug zu dem Weiten-/Längen-Verhältnis des Transistors P1 auf. Infolgedessen wird I2 = ½I1. Entspre chend ist bei gleichen Transistoren N3 und N4 I3 = I2 = ½I1.

In einer Normalbetriebsart der Stromspiegelschaltung 3 wech seln die Schalter S1 bis S3 jeweils ihre Zustände. Dadurch wird I2 = I1. Im Fall, daß die Transistoren N2 und N5 bezie hungsweise deren Weiten-/Längen-Verhältnisse denen der Tran sistoren N3 und N4 entsprechen, bleibt die Spannung UG auch bei doppeltem 12 konstant. Entsprechend ist bei zugeschalte tem Transistor N2 und N5 der Strom I3 = I2 = I1. Damit die Spannung UG bei verändertem 12 konstant bleibt, sollte das Verhältnis der Weiten-/Längen-Verhältnisse der Transistoren N2 und N3 dem Verhältnis der Weiten-/Längen-Verhältnisse der Transistoren P3 und P2 entsprechen.

W/L(N2)/W/L(N3) = W/L(P3)/W/L(P2)

Insbesondere entspricht hier das Weiten-/Längen-Verhältnis des Transistors P3 dem Weiten-/Längen-Verhältnis des Transi stors N2

In Fig. 4 ist eine Schaltungsanordnung gezeigt, die mehrere Datenreceiver-Schaltungen RC1 bis RC3 aufweist. Diese weisen jeweils ein Eingangssignal IN und eine Referenzspannung VREF auf, aus denen jeweils ein Ausgangssignal OUT generiert wird. Die Datenreceiver-Schaltungen RC1 bis RC3 werden durch jewei lige Stromquellen 21 bis 23 gespeist. Diese enthalten jeweils eine Stromspiegelschaltung gemäß Fig. 1 oder Fig. 2. Zur Einstellung des jeweiligen Referenzstroms werden die Stromquellen 21 bis 23 von einer Serienschaltung aus einer Strom quelle Q3 und einem Transistor N6 angesteuert. Über jeweilige Modus-Signale M sind die Stromquellen 21 bis 23 durch Steue rung von entsprechenden Schaltern wie S1 bis S3 gemäß Fig. 1 und 2 zwischen einem Normalbetrieb und einem Stand-By- Betrieb umschaltbar. In einem Stand-By-Betrieb ist damit der Strombedarf der jeweiligen Datenreceiver-Schaltung reduziert.

Bezugszeichenliste

1

,

2

,

3

Stromspiegelschaltung

21

bis

23

Stromquelle
N0 bis N6 Transistor
P1 bis P3 Transistor
E Eingangspfad
A Ausgangspfad
E1, E2 Eingangspfad
A1, A2 Ausgangspfad
SS1, SS2 Stromspiegel
T1 bis T3 Transistorschaltung
S1 bis S3 Schalter
I1 bis I3 Strom
UG Spannung
V1 Versorgungspotential
GND Versorgungspotential
Q1 bis Q3 Stromquelle
RC1 bis RC3 Datenreceiver-Schaltung
IN Eingangssignal
VREF Referenzspannung
OUT Ausgangssignal
M Modus-Signal
C0, C1 Pufferkapazität

Claims

1. Stromspiegelschaltung
mit einem Eingangspfad (E), der eine Stromquelle (Q1) und eine dazu in Serie geschaltete erste Transistorschaltung (T1) mit wenigstens zwei Transistoren (N2, N3) aufweist, bei der einer der Transistoren (N2) zum anderen der Transistoren (N3) parallel zuschaltbar ist,
mit einem Ausgangspfad (A), der eine zweite Transistor schaltung (T2) mit wenigstens zwei Transistoren (N4, N5) auf weist, bei der einer der Transistoren (N5) zum anderen der Transistoren (N4) parallel zuschaltbar ist,
bei der die Steueranschlüsse der Transistoren (N2 bis N5) der ersten und zweiten Transistorschaltung mit dem Eingangs pfad (E) verbindbar sind.

2. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Transistoren (N2 bis N5) ein Weiten-/Längen-Verhältnis aufweisen und
ein Verhältnis der Weiten-/Längen-Verhältnisse der Transi storen (N2, N3) der ersten Transistorschaltung einem Verhält nis der Weiten-/Längen-Verhältnisse der Transistoren (N5, N4) der zweiten Transistorschaltung entspricht.

3. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zuschaltbaren Transistoren (N2, N5) der ersten und zwei ten Transistorschaltung ein gleiches Weiten-/Längen- Verhältnis aufweisen.

4. Stromspiegelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle durch eine dritte Transistorschaltung (T3) gebildet ist, die wenigstens zwei Transistoren (P2, P3) auf weist, deren Hauptstromstrecken mit dem Eingangspfad (E1) verbunden sind, bei der einer der Transistoren (P3) zum ande ren der Transistoren (P2) parallel zuschaltbar ist.

5. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis der Weiten-/Längen-Verhältnisse der Transisto ren (N2, N3) der ersten Transistorschaltung einem Verhältnis der Weiten-/Längen-Verhältnisse der Transistoren (P3, P2) der dritten Transistorschaltung entspricht.

6. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zuschaltbaren Transistoren (N2, P3) der ersten und drit ten Transistorschaltung ein gleiches Weiten-/Längen- Verhältnis aufweisen.

7. Stromspiegelschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
durch den Eingangspfad (E1) und den Ausgangspfad (A1) ein erster Stromspiegel (SS1) gebildet ist,
die Stromspiegelschaltung (3) einen zweiten Stromspiegel (SS2) aufweist, der in Serie zum ersten Stromspiegel (SS1) geschaltet ist, wobei ein Ausgangspfad (A2) des zweiten Stromspiegels in den Eingangspfad (E1) des ersten Stromspie gels geschaltet ist,
ein Eingangspfad (E2) des zweiten Stromspiegels eine Refe renzstromquelle (Q2) aufweist und mit den Steueranschlüssen der Transistoren (P2, P3) der dritten Transistorschaltung ve bindbar ist.

8. Stromspiegelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Normalbetriebsart der Stromspiegelschaltung (2, 3) die zuschaltbaren Transistoren (N2, N5, P3) der jeweiligen Transistorschaltungen (T1 bis T3) zugeschaltet und in einer Stand-by-Betriebsart abgeschaltet sind.

9. Stromspiegelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromspiegelschaltung (2, 3) in einer Stromquelle (21 bis 23) für eine Datenempfängerschaltung (RC1 bis RC3) enthalten ist.