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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Stromspiegelanordnung.
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Die vorliegende Patentanmeldung beansprucht die Priorität der europäischen Patentanmeldung
20199281.5 , deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Stromspiegel werden häufig verwendet, um einen gegebenen Eingangsstrom in einen oder mehrere Ausgangsströme zu spiegeln, die den gleichen Stromwert wie der Eingangsstrom oder eine skalierte Version davon mit einem gegebenen Skalierungsfaktor haben können.
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Bei herkömmlichen Ansätzen mit Feldeffekttransistoren als Spiegeltransistoren wird die Gate-Spannung eines Steuertransistors in einem Eingangszweig an die jeweiligen Gate-Anschlüsse der gesteuerten Transistoren in den Ausgangszweigen angelegt.
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In vielen Anwendungen ist es erwünscht, dass eine Übereinstimmung zwischen dem Ausgangsstrom und dem Eingangsstrom mit einer hohen Genauigkeit gegeben ist. Zu diesem Zweck werden in herkömmlichen Ansätzen z.B. Puffer zur Stabilisierung der Steuerspannungen eingesetzt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine zu erreichende Aufgabe besteht darin, ein verbessertes Spiegelungskonzept bereitzustellen, das eine verbesserte Übereinstimmung zwischen Eingang und Ausgang in Stromspiegelanwendungen ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Ausführungsformen und Weiterentwicklungen des verbesserten Konzepts sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Das verbesserte Spiegelungskonzept basiert auf der Erkenntnis, dass Lastströme im Ausgangszweig (in den Ausgangszweigen), insbesondere höhere Lastströme, zu Spannungsabfällen über Metallleitungen von dem (den) gesteuerten Ausgangstransistor(en) zu einem Versorgungsanschluss mit parasitären Widerständen führen können. Solche Spannungsabfälle beeinflussen die sich ergebende Spannungsdifferenz zwischen dem Gate-Anschluss des Ausgangstransistors und dem Versorgungsanschluss, wobei diese Spannungsdifferenz bei herkömmlichen Lösungen als identisch mit z.B. einer Gate-Source-Spannung des Ausgangstransistors angenommen wird. Nach dem verbesserten Spiegelungskonzept wird die Steuerspannung eines oder mehrerer Ausgangstransistoren eines Stromspiegels auf der Grundlage einer an einem Gate-Anschluss eines Eingangsspiegeltransistors anliegenden Eingangssteuerspannung angepasst, um den parasitären Spannungsabfall über den Metallleitungen zu berücksichtigen. Dies geschieht beispielsweise dadurch, dass eine Nennsteuerspannung am Ausgangs-Gate-Anschluss durch einen gesteuerten Strom über einen Kompensationswiderstand, der vorzugsweise dem Ausgangsspiegelstrom bzw. dem parasitären Metallleitungswiderstand entspricht, auf einen etwas höheren Pegel verschoben wird. Somit werden sowohl ein Gate- als auch ein Source-Potential des Ausgangstransistors um eine entsprechende Spannung verschoben.
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In bevorzugten Ausführungsformen können der Eingangsspiegeltransistor und der eine oder die mehreren Ausgangsspiegeltransistoren in Reihe zu einem jeweiligen Kaskodetransistor geschaltet werden. Bei unterschiedlichen Stromübertragungsfähigkeiten zwischen einer Eingangs- und einer Ausgangsseite der Stromspiegelanordnung kann die Genauigkeit ihres Verhältnisses durch Pegelverschiebung der Gate-Spannungen der Kaskodetransistoren in einigen Implementierungen verbessert werden.
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Eine Implementierung einer Stromspiegelanordnung nach dem verbesserten Spiegelungskonzept umfasst zum Beispiel eine Eingangsstufe, eine Pufferstufe und eine Ausgangsstufe. Die Eingangsstufe umfasst eine Reihenschaltung eines Eingangsspiegeltransistors und eines Eingangskaskodetransistors, die zwischen einem ersten und einem zweiten Versorgungsanschluss gekoppelt sind. Die Pufferstufe ist eingerichtet, um eine Eingangssteuerspannung auf der Grundlage einer Eingangsspannung zu erzeugen, die sich an einem ersten Ende der Reihenschaltung der Eingangsstufe ergibt, und die Eingangssteuerspannung an einen Gate-Anschluss des Eingangsspiegeltransistors zu liefern. Die Pufferstufe ist ferner eingerichtet, um eine Zwischensteuerspannung an einem Replikatanschluss auf der Grundlage der Eingangsspannung zu erzeugen und um eine Kompensationssteuerspannung auf der Grundlage der Eingangssteuerspannung zu erzeugen. Die Pufferstufe umfasst einen Kompensationsstromspiegel, dessen Eingangsseite mit einem Rückkopplungsanschluss verbunden ist und dessen Ausgangsseite mit dem Replikatanschluss verbunden ist.
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Die Ausgangsstufe umfasst eine Kompensationsstufe und eine Reihenschaltung eines Ausgangsspiegeltransistors und eines Ausgangskaskodetransistors, dessen Gate-Anschluss mit einem Gate-Anschluss des Eingangskaskodetransistors und mit einem dritten Versorgungsanschluss verbunden ist. Der Ausgangsspiegeltransistor ist zum Beispiel über einen parasitären Widerstand mit dem zweiten Versorgungsanschluss verbunden. Die Kompensationsstufe umfasst einen Kompensationswiderstand, der zwischen den Replikatanschluss und einen Ausgangssteueranschluss geschaltet ist, der mit einem Gate-Anschluss des Ausgangsspiegeltransistors gekoppelt ist. Die Kompensationsstufe ist eingerichtet, am Ausgangssteueranschluss eine Ausgangssteuerspannung zu erzeugen, die auf einer Kompensationssteuerspannung basiert, beispielsweise so, dass ein Spannungsabfall vom Gate-Anschluss des Ausgangsspiegeltransistors zum Replikatanschluss über den Kompensationswiderstand einem Spannungsabfall vom Ausgangsspiegeltransistor zum zweiten Versorgungsanschluss über den parasitären Widerstand entspricht. Die Kompensationsstufe ist ferner eingerichtet, an einem Kompensationsanschluss, der mit dem Rückkopplungsanschluss verbunden ist, einen Kompensationsstrom auf der Grundlage der Kompensationssteuerspannung zu erzeugen.
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Dementsprechend führt im Betrieb der Stromspiegelanordnung ein Strom durch den Kompensationswiderstand vom Replikatanschluss zum Ausgangssteueranschluss bzw. zum Gate-Anschluss des Ausgangsspiegeltransistors zu einer Verschiebung der Zwischensteuerspannung am Replikatanschluss zur etwas höheren Ausgangssteuerspannung am Ausgangsspiegeltransistor. Dadurch kann der durch den Ausgangsspiegelstrom verursachte Spannungsabfall entlang des Metallleitungswiderstands kompensiert werden. Somit stimmen die Gate-Source-Spannungen am Eingangsspiegeltransistor und am Ausgangsspiegeltransistor überein. Um die durch den Strom durch den Kompensationswiderstand verursachten Auswirkungen auf den Replikatanschluss zu minimieren oder zu kompensieren, entspricht der vom Kompensationsanschluss zum Rückkopplungsanschluss zurückfließende Kompensationsstrom dem Strom durch den Kompensationswiderstand über den Kompensationsstromspiegel, der den Rückkopplungsanschluss mit dem Replikatanschluss koppelt.
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Zur Erzeugung der Eingangssteuerspannung auf der Basis der Eingangsspannung umfasst die Pufferstufe beispielsweise einen ersten Source-Folger. Außerdem ist ein zweiter Source-Folger zur Erzeugung der Zwischensteuerspannung auf der Grundlage der Eingangsspannung enthalten. Beispielsweise sind die Steueranschlüsse des ersten und des zweiten Source-Followers miteinander verbunden und werden mit der Eingangsspannung oder einer von der Eingangsspannung abgeleiteten Spannung versorgt. In einigen Ausführungsformen hat der zweite Source-Folger eine um einen ersten Faktor höhere Strombelastbarkeit als der erste Source-Folger. Diese Strombelastbarkeit ist beispielsweise durch die Strommenge definiert, die bei einer bestimmten Steuerspannung durch den Source-Folger getrieben wird. Daher kann in der beschriebenen Implementierung der zweite Source-Folger einen Strom treiben, der um den ersten Faktor höher ist als der vom ersten Source-Folger getriebene Strom. Daher kann der erste Source-Folger mit einer kleinen Stromaufnahme dimensioniert werden, während der zweite Source-Folger eine höhere Stromaufnahme hat, aber weniger empfindlich auf Einflüsse der Kompensationsstufe reagiert.
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In einigen Ausführungsformen umfasst die Kompensationsstufe einen ersten Transistor zur Erzeugung der Ausgangssteuerspannung und einen zweiten Transistor zur Erzeugung des Kompensationsstroms. Die Gate-Anschlüsse des ersten und des zweiten Transistors der Kompensationsstufe können miteinander verbunden sein. Der erste Transistor hat eine um einen zweiten Faktor höhere Strombelastbarkeit als der zweite Transistor und die Ausgangsseite des Kompensationsstromspiegels hat eine um denselben zweiten Faktor höhere Strombelastbarkeit als die entsprechende Eingangsseite. Daher kann ein höherer Strom durch den Ausgangsspiegeltransistor getrieben werden, während ein geringerer Strom für den Kompensationsstrom zum Rückkopplungsanschluss und für den Strom durch den Kompensationswiderstand erforderlich ist. Somit kann die Stromaufnahme für die Kompensation niedrig gehalten werden.
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In einer solchen Implementierung umfasst die Pufferstufe beispielsweise eine Reihenschaltung aus einem als Diode geschalteten Transistor und einem Transistor, der von der Eingangssteuerspannung gesteuert wird, um die Kompensationssteuerspannung am Gate-Anschluss des als Diode geschalteten Transistors zu erzeugen. Die Reihenschaltung des als Diode geschalteten Transistors und des von der Eingangssteuerspannung gesteuerten Transistors kann von der dritten Versorgungsklemme gespeist werden. Darüber hinaus werden auch der erste und der zweite Transistor der Kompensationsstufe von der dritten Versorgungsklemme gespeist. Dementsprechend können an diesen Transistoren die gleichen oder ähnliche Betriebsbedingungen hergestellt werden.
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In einigen Ausführungsformen umfasst die Stromspiegelanordnung außerdem eine Kalibrierungsstufe, die eine Reihenschaltung aus einem ersten und einem zweiten Widerstand umfasst, die zwischen dem dritten Versorgungsanschluss und dem zweiten Versorgungsanschluss angeschlossen sind. In dieser Reihenschaltung stimmt der erste Widerstand mit einem Widerstand des Kompensationswiderstandes überein, während der zweite Widerstand mit einem Widerstand, z. B. einem (parasitären) Metallwiderstand, einer Verbindung vom Ausgangsspiegeltransistor zur zweiten Versorgungsklemme übereinstimmt, der z. B. den oben erwähnten parasitären Widerstand bildet. Die Kalibrierungsstufe ist eingerichtet, um die Erzeugung der Kompensationssteuerspannung auf der Grundlage der jeweiligen Spannungsabfälle über dem ersten und dem zweiten Widerstand, z. B. einem Verhältnis der jeweiligen Spannungsabfälle, einzustellen.
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In Implementierungen, in denen die Pufferstufe eine Reihenschaltung eines als Diode geschalteten Transistors und eines Transistors umfasst, der von der Eingangssteuerspannung gesteuert wird, kann beispielsweise eine Stromfähigkeit des als Diode geschalteten Transistors entsprechend den jeweiligen Spannungsabfällen über dem ersten und dem zweiten Widerstand angepasst oder eingestellt werden. Eine solche Einstellung kann beispielsweise in einer anfänglichen Kalibrierungsphase vorgenommen werden, so dass die Einstellung beispielsweise über einmalig programmierbare Elemente (engl. One-Time-Programmable, OTP) erfolgt. In anderen Ausführungsformen kann eine Einstellung während des Betriebs in Betracht gezogen werden. Die Kalibrierung kann bewirken, dass die Anpassung eines durch den Ausgangsstrom verursachten Spannungsabfalls über der Metallleitung und des Spannungsabfalls über dem Kompensationswiderstand optimiert wird. Dies kann z.B. erwünscht sein, wenn die tatsächlichen Widerstände aufgrund von Prozessschwankungen von den Nennwiderständen abweichen.
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Während die Stromspiegelanordnung bisher in Verbindung mit einer einzelnen Ausgangsstufe beschrieben wurde, kann das verbesserte Spiegelungskonzept mit demselben Ansatz auch auf eine Anordnung mit mehreren Ausgangsstufen angewendet werden.
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Beispielsweise umfasst die Stromspiegelanordnung ferner mindestens eine weitere Ausgangsstufe, die eine weitere Kompensationsstufe und eine Reihenschaltung eines weiteren Ausgangsspiegeltransistors und eines weiteren Ausgangskaskodetransistors umfasst, dessen Gate-Anschluss mit dem Gate-Anschluss des Ausgangskaskodetransistors gekoppelt ist. In einer solchen Implementierung umfasst die weitere Kompensationsstufe einen weiteren Kompensationswiderstand, der zwischen dem Ausgangssteueranschluss und einem weiteren Ausgangssteueranschluss angeschlossen ist, der mit einem Gate-Anschluss des weiteren Ausgangsspiegeltransistors gekoppelt ist. Die weitere Kompensationsstufe ist so konfiguriert, dass sie an dem weiteren Ausgangssteueranschluss eine weitere Ausgangssteuerspannung auf der Grundlage einer Kompensationssteuerspannung erzeugt und an einem weiteren Kompensationsanschluss, der mit dem Rückkopplungsanschluss verbunden ist, einen weiteren Kompensationsstrom auf der Grundlage der Kompensationssteuerspannung erzeugt.
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Auch für die weitere Ausgangsstufe erfolgt eine Kompensation durch einen Spannungsabfall über den weiteren Kompensationswiderstand, der dem Spannungsabfall des weiteren Ausgangsstroms über den Metallleitungswiderstand entsprechen soll. In der Pufferstufe wiederum wird der Strom durch den weiteren Kompensationswiderstand mit dem weiteren Rückkopplungsstrom angeglichen.
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In gleicher Weise kann die Stromspiegelanordnung ohne Verlust der Allgemeingültigkeit um eine Vielzahl von Ausgangsstufen erweitert werden. Um die eine oder mehrere Ausgangsstufen selektiv zu aktivieren oder zu deaktivieren, kann die Ausgangsstufe schaltbar gemacht werden.
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In einigen Ausführungsformen ist beispielsweise der Gate-Anschluss des Ausgangsspiegeltransistors über einen ersten Schalter mit dem zweiten Versorgungsanschluss oder mit dem Source-Anschluss des Ausgangsspiegeltransistors und über einen zweiten Schalter mit dem Ausgangssteueranschluss verbunden, die beispielsweise ausschließlich zu aktivieren sind. Ist also der erste Schalter geschlossen, so hält eine Spannung an der zweiten Versorgungsklemme den Strompfad durch den Ausgangsspiegeltransistor in einem nichtleitenden Zustand, so dass dieser deaktiviert ist. Ist dagegen der zweite Schalter geschlossen, wird der Ausgangsspiegeltransistor von der Ausgangssteuerspannung gesteuert.
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Zusätzlich oder alternativ kann der Gate-Anschluss des Ausgangskaskodetransistors über einen ersten Schalter mit dem zweiten Versorgungsanschluss und über einen zweiten Schalter mit dem dritten Versorgungsanschluss verbunden sein. Dementsprechend kann ein Strom durch den Kaskodetransistor in Abhängigkeit von den Schalterstellungen des ersten und des zweiten Schalters gesperrt oder zugelassen werden.
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In einigen Ausführungsformen umfasst die Stromspiegelanordnung ferner eine Pegelschieberstufe, die zwischen den Gate-Anschluss des Ausgangskaskodetransistors und den Gate-Anschluss des Eingangskaskodetransistors geschaltet ist. Die Pegelschieberstufe ist eingerichtet, um eine verschobene Spannung aus einer Spannung am dritten Versorgungsanschluss zu erzeugen, beispielsweise durch Verschieben der Spannung am dritten Versorgungsanschluss in Richtung einer Spannung am zweiten Versorgungsanschluss.
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So ist beispielsweise die Strombelastbarkeit der einen oder mehreren Ausgangsstufen höher als die der Eingangsstufe. In einer solchen Konfiguration kann die gleiche Steuerspannung an den Kaskodetransistoren zu unsymmetrischen Strömen führen, die durch die Strompfade fließen. Dieser Effekt kann durch eine entsprechende Verschiebung der Steuerspannungen kompensiert werden.
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Beispielsweise ist die Pegelschieberstufe eingerichtet, die verschobene Spannung mit einer Spannungsdifferenz zu der Spannung am dritten Versorgungsanschluss zu erzeugen, die einer Spannungsdifferenz zwischen einer Gate-Source-Spannung des Ausgangskaskodetransistors und einer Gate-Source-Spannung des Eingangskaskodetransistors entspricht, z. B. im Betrieb. Dadurch kann die Anpassung zwischen Eingangs- und Ausgangskaskodetransistoren optimiert werden.
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In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Pegelschieberstufe ein Transistorpaar, das mit dem zweiten Versorgungsanschluss verbunden ist und von der Eingangssteuerspannung gesteuert wird. Die Pegelschieberstufe umfasst ferner ein Differentialtransistorpaar, das gemeinsam mit einem ersten Transistor des Transistorpaares verbunden ist, wobei ein erster Transistor des Differentialtransistorpaares zwischen den dritten Versorgungsanschluss und den ersten Transistor des Transistorpaares geschaltet ist und seinen Gate-Anschluss mit dem dritten Versorgungsanschluss verbunden hat. Ein zweiter Transistor des Differentialtransistorpaars ist zwischen einen Ausgangstransistor eines Spiegeltransistorpaars und den ersten Transistor des Transistorpaars geschaltet und hat seinen Gate-Anschluss mit dem Ausgangstransistor des Spiegeltransistorpaars und mit dem Gate-Anschluss des Eingangskaskodetransistors verbunden.
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In einer solchen Konfiguration wird das Spiegeltransistorpaar vom dritten Versorgungsanschluss versorgt. Ein Eingangstransistor des Spiegeltransistorpaares ist mit dem zweiten Transistor des Transistorpaares verbunden. Der zweite Transistor des Differentialtransistorpaares hat eine um einen dritten Faktor höhere Strombelastbarkeit als der erste Transistor des Differentialtransistorpaares. Der Eingangstransistor des Spiegeltransistorpaares hat eine um einen vierten Faktor höhere Strombelastbarkeit als der Ausgangstransistor des Spiegeltransistorpaares. Dementsprechend wird ein Unterschied in der Gate-Source-Spannung des Kaskodetransistors durch einen Unterschied in der Gate-Source-Spannung eines Differenzpaares ähnlicher Transistoren kompensiert. Auf diese Weise sind die Drain-Spannungen der Transistoren identisch.
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Das verbesserte Spiegelungskonzept kann z. B. in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen Kompatibilität mit Hochspannungsanwendungen erwünscht ist, insbesondere in Kombination mit größeren Ausgangsströmen. So kann die Stromspiegelanordnung z.B. zur Ansteuerung von piezoelektrischen Aktoren, z.B. auf selektiver Basis, verwendet werden. Die oben beschriebenen Ausführungsvarianten eignen sich für eine schnelle und genaue Hochspannungspufferung.
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Figurenliste
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Das verbesserte Spiegelungskonzept wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Elemente mit gleicher oder ähnlicher Funktion sind in den Zeichnungen mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Daher wird ihre Beschreibung in den folgenden Zeichnungen nicht unbedingt wiederholt.
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In den Zeichnungen zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel für eine Stromspiegelanordnung;
- 2 ein Detail eines Ausführungsbeispiels einer Stromspiegelanordnung;
- 3 ein Ausführungsbeispiel für eine Pegelschieberstufe; und
- 4 ein Detail einer Beispielimplementierung einer Kalibrierungsstufe.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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1 zeigt eine beispielhafte Umsetzung einer Stromspiegelanordnung mit einer Eingangsstufe 10 und zwei Ausgangsstufen 30, 40 in diesem Beispiel. Der Einsatz von mehr oder auch weniger Ausgangsstufen ist ebenfalls möglich und wird im Folgenden näher erläutert. Die Eingangsstufe 10 umfasst eine Reihenschaltung eines Eingangsspiegeltransistors 11 und eines Eingangskaskodetransistors 12, die in Reihe mit einer Vorspannungsstromquelle 13 zwischen einem ersten Versorgungsanschluss VDD_HV und einem zweiten Versorgungsanschluss GND geschaltet sind. Von dem ersten Versorgungsanschluss VDD_HV fließt ein Eingangsstrom iin zu dem zweiten Versorgungsanschluss GND, so dass sich an einem ersten Ende der Reihenschaltung der Eingangsstufe 10 eine Eingangsspannung vin ergibt. In diesem Ausführungsbeispiel ist dieses erste Ende der Reihenschaltung der Eingangsstufe 10 direkt mit der Vorspannungsstromquelle 13 verbunden, die Einbeziehung weiterer dazwischenliegender Elemente ist jedoch nicht generell ausgeschlossen.
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Die Stromspiegelanordnung umfasst ferner eine Pufferstufe 20, der die Eingangsspannung vin zugeführt wird und die dazu ausgebildet ist, auf Basis der Eingangsspannung vin eine Eingangssteuerspannung vbiasn zu erzeugen. Die Eingangssteuerspannung vbiasn wird einem Gate-Anschluss des Eingangsspiegeltransistors 11 zugeführt. Die Pufferstufe 20 ist ferner so konfiguriert, dass sie eine Zwischensteuerspannung vbiasn_i erzeugt, die an die erste Ausgangsstufe 30, insbesondere an eine Kompensationsstufe 35 der ersten Ausgangsstufe, geliefert wird.
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Die Ausgangsstufe 30 umfasst ferner eine Reihenschaltung eines Ausgangsspiegeltransistors 31 und eines Ausgangskaskodetransistors 32, dessen Gate-Anschluss mit einem Gate-Anschluss des Eingangskaskodetransistors 12 und mit einem dritten Versorgungsanschluss VDD verbunden ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Gate-Anschluss des Eingangskaskodetransistors 12 mit dem dritten Versorgungsanschluss VDD über eine optionale Pegelschieberstufe 50 gekoppelt, deren Funktion in Verbindung mit 3 näher erläutert wird. Im Allgemeinen kann die Pegelschieberstufe 50 eine pegelverschobene Gate-Spannung VDD_ls am Gate-Anschluss des Eingangskaskodetransistors 12 erzeugen.
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Der Gate-Anschluss des Ausgangsspiegeltransistors 31 ist schaltbar entweder mit einem Ausgangssteueranschluss 37 oder mit seinem Source-Anschluss bzw. dem zweiten Versorgungsanschluss GND verbunden. Zu diesem Zweck sind die Schalter 33 und 34 vorgesehen. Die Kompensationsstufe 35 stellt eine erste Ausgangssteuerspannung vbiasn_i+1 an dem Ausgangssteueranschluss 37 bereit. Durch entsprechende Schalterstellungen der Schalter 33 und 34 kann der Ausgangszweig mit dem Ausgangskaskodetransistor 32 und dem Ausgangsspiegeltransistor 31 aktiviert bzw. deaktiviert werden, um einen Ausgangsstrom iout1 fließen zu lassen oder nicht.
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Der Source-Anschluss des Ausgangsspiegeltransistors 31 ist mit dem zweiten Versorgungsanschluss GND durch eine elektrische Verbindung gekoppelt, die in einer Chip-Implementierung als Metallleitung mit einem parasitären Versorgungsleitungs-Metallwiderstand RM ausgeführt sein kann.
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Die zweite Ausgangsstufe 40 ist in ähnlicher Weise wie die erste Ausgangsstufe 30 realisiert. Sie umfasst beispielsweise eine Reihenschaltung eines zweiten Ausgangsspiegeltransistors 41 und eines zweiten Kaskodetransistors 42 entsprechend der Reihenschaltung der Transistoren 31, 32 der ersten Ausgangsstufe 30. Weiterhin umfasst auch die zweite Endstufe 40 eine Kompensationsstufe 45, die der Kompensationsstufe 35 der ersten Endstufe 30 entspricht. Die Kompensationsstufe 45 erhält die erste Ausgangssteuerspannung vbiasn_i+1 als Eingang und erzeugt eine zweite Ausgangssteuerspannung vbiasn_i+2 an einem weiteren Ausgangssteueranschluss 47. Die Kompensationssteuerspannung vcomp wird ebenfalls von der zweiten Kompensationsstufe 45 empfangen. Weiterhin entsprechen die Schalter 43 und 44 den Schaltern 33 und 34, so dass der Ausgangszweig der zweiten Endstufe aktiviert bzw. deaktiviert werden kann, um einen zweiten Ausgangsstrom iout2 fließen zu lassen oder nicht. Auch für die zweite Ausgangsstufe 40 gibt es einen parasitären Versorgungsleitungsmetallwiderstand RM zwischen dem Source-Anschluss des Ausgangsspiegeltransistors 41 und dem zweiten Versorgungsanschluss GND.
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In gleicher Weise wie die zweite Endstufe 40 mit der ersten Endstufe 30 verbunden ist, können weitere Endstufen an die Stromspiegelanordnung angeschlossen werden. Jede weitere Ausgangsstufe weist beispielsweise eine Reihenschaltung eines weiteren Ausgangsspiegeltransistors und eines weiteren Ausgangskaskodetransistors auf und umfasst darüber hinaus eine eigene Kompensationsstufe zur Erzeugung einer jeweiligen Ausgangssteuerspannung auf der Basis der Ausgangssteuerspannung einer vorhergehenden Ausgangsstufe und der Kompensationsspannung vcomp.
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Zusätzlich oder alternativ zu den Schaltern 33, 34 bzw. 43, 44 zum Aktivieren und Deaktivieren des Ausgangszweigs bzw. des Ausgangsstroms iout1, iout2 könnten dem Gate-Anschluss des jeweiligen Ausgangskaskodetransistors 32, 42 Schalter hinzugefügt werden, die den Gate-Anschluss entweder mit dem dritten Versorgungsanschluss VDD oder mit dem zweiten Versorgungsanschluss GND verbinden.
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In 2 sind Details einer beispielhaften Implementierung einer Stromspiegelanordnung dargestellt. Insbesondere zeigt 2 eine Beispielimplementierung der Pufferstufe 20 in Verbindung mit einer ersten und einer zweiten Ausgangsstufe 30, 40. Die Pufferstufe 20 umfasst einen ersten Source-Folger mit einem Transistor 21, der in Reihe mit einer Stromquelle zwischen dem dritten Versorgungsanschluss VDD und dem zweiten Versorgungsanschluss GND geschaltet ist. Der Gate-Anschluss des Source-Folger-Transistors 21 wird mit der Eingangsspannung vin oder einer von der Eingangsspannung vin abgeleiteten Spannung versorgt, so dass sich am Source-Anschluss des Transistors 21 die Eingangssteuerspannung vbiasn ergibt. Die Pufferstufe 20 umfasst ferner einen zweiten Source-Folger mit einer Reihenschaltung aus Transistor 22 und einer Stromquelle, die zwischen dem dritten und dem zweiten Versorgungsanschluss VDD, GND angeschlossen ist. Der Gate-Anschluss des Source-Folger-Transistors 22 wird ebenfalls mit der Eingangsspannung vin oder einer davon abgeleiteten Spannung versorgt, so dass sich am Source-Anschluss des Transistors 22 die Zwischensteuerspannung vbiasn_i ergibt. Sowohl die Transistoren 21 und 22 als auch die zugehörigen Stromquellen sind aufeinander abgestimmt, wobei der zweite Source-Folger eine um einen ersten Faktor n1 höhere Strombelastbarkeit als der erste Source-Folger aufweist.
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Die Pufferstufe 20 umfasst ferner einen Kompensationsstromspiegel mit Transistoren 24, 26, wobei der Transistor 26 der Eingang des Kompensationsstromspiegels ist, der mit einer Rückkopplungsklemme 25 verbunden ist, und wobei der Transistor 24 eine Ausgangsseite des Kompensationsstromspiegels bildet, die mit einem Replikatanschluss 23 verbunden ist. Der Replikatanschluss 23 ist auch mit dem Source-Anschluss des Transistors 22 des zweiten Source-Folgers verbunden. Der Transistor 24 hat eine um einen zweiten Faktor n2 höhere Strombelastbarkeit als der Transistor 26.
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Die Pufferstufe 20 umfasst ferner eine Reihenschaltung aus einem als Diode geschalteten Transistor 28 und dem Transistor 27, der von der Eingangssteuerspannung vbiasn gesteuert wird. Auf diese Weise wird die Kompensationssteuerspannung vcomp am Gate-Anschluss des als Diode geschalteten Transistors 28 erzeugt. Die Reihenschaltung des als Diode geschalteten Transistors 28 und des Transistors 27 wird vom dritten Versorgungsanschluss VDD versorgt.
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In den ersten und zweiten Ausgangsstufen 30, 40 sind von den Ausgangszweigen nur die jeweiligen Ausgangsspiegeltransistoren 31, 41 mit den jeweiligen Schaltern zum Ein- und Ausschalten 33, 34 bzw. 43, 44 zur besseren Übersicht dargestellt. Die Kompensationsstufen 35, 45 umfassen einen Kompensationswiderstand RC, der zwischen den jeweiligen Ausgangssteueranschlüssen 37, 47 und dem Anschluss, an dem eine vorherige Steuerspannung anliegt, angeschlossen ist. Im Falle der ersten Kompensationsstufe 35 ist dieser Anschluss der Replikatanschluss, an dem die Zwischensteuerspannung vbiasn_i bereitgestellt wird. Bei der zweiten Kompensationsstufe 45 ist dieser Anschluss der Ausgangssteueranschluss 37 der ersten Kompensationsstufe, an dem die erste Ausgangssteuerspannung vbiasn_i+1 bereitgestellt wird. Sind weitere Endstufen vorgesehen, so wird die nächste Endstufe mit der zweiten Ausgangssteuerklemme 47 verbunden usw.
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Die erste Kompensationsstufe 35 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen ersten Transistor 36, der zwischen dem dritten Versorgungsanschluss VDD und dem ersten Ausgangssteueranschluss 37 angeschlossen ist, und einen zweiten Transistor 38, der zwischen dem dritten Versorgungsanschluss VDD und einem ersten Kompensationsanschluss 39 angeschlossen ist, der mit dem Rückführungsanschluss 25 verbunden ist. Der erste und der zweite Transistor 36, 38 sind aufeinander abgestimmt, wobei der erste Transistor 36 eine höhere Strombelastbarkeit als der zweite Transistor 38 um den zweiten Faktor n2 aufweist, der derselbe Faktor wie beim Kompensationsstromspiegel mit Transistoren 24, 26 ist.
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In gleicher Weise umfasst die zweite Kompensationsstufe 45 einen ersten Transistor 46, der zwischen den dritten Versorgungsanschluss VDD und den zweiten Ausgangssteueranschluss 47 geschaltet ist, und einen zweiten Transistor 48, der zwischen den dritten Versorgungsanschluss VDD und einen zweiten Kompensationsanschluss 49 geschaltet ist, der ebenfalls mit dem Rückkopplungsanschluss 25 verbunden ist. Grundsätzlich kann die zweite Ausgangsstufe 40 mit ihrer Kompensationsstufe 45 den gleichen Aufbau und die gleiche Funktion haben wie die erste Ausgangsstufe 30 mit ihrer Kompensationsstufe 35.
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Die Transistoren 36, 38, 46, 48 und optionale Transistoren weiterer Kompensationsstufen werden von der Kompensationssteuerspannung vcomp gesteuert.
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Im Betrieb erzeugt der Transistor 36 in der ersten Kompensationsstufe 35 die erste Ausgangssteuerspannung vbiasn_i+1 am ersten Ausgangssteueranschluss 37 und entsprechend der Transistor 46 in der zweiten Kompensationsstufe 45 die zweite Ausgangssteuerspannung vbiasn_i+2 am zweiten Ausgangssteueranschluss 47. Im Betrieb und unter der Annahme, dass der jeweilige Zweig durch einen geschlossenen Schalter 34 aktiviert ist, fließt der Ausgangsstrom iout1 durch den Ausgangsspiegeltransistor 31 und durch den parasitären Versorgungsleitungsmetallwiderstand RM zum zweiten Versorgungsanschluss GND. Dadurch entsteht ein Spannungsabfall über den Widerstand RM, so dass die Source-Klemme des Ausgangsspiegeltransistors 31 etwas höher liegt als das Potenzial am zweiten Versorgungsanschluss GND. Würde zur Ansteuerung des Transistors 31 die gleiche Ausgangssteuerspannung wie in der Eingangsstufe verwendet, könnte es zu einer Abweichung der resultierenden Gate-Source-Spannung zwischen Eingangsspiegeltransistor 11 und Ausgangsspiegeltransistor 31 kommen.
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Aufgrund eines entsprechenden Stromflusses vom ersten Ausgangssteueranschluss 37 zum Replikatanschluss 23 durch den Kompensationswiderstand RC ergibt sich jedoch auch ein entsprechender Spannungsabfall an diesem Kompensationswiderstand RC. Dementsprechend ist auch die erste Ausgangssteuerspannung vbiasn_i+1 in Bezug auf die Zwischensteuerspannung vbiasn_i verschoben. Wenn also der Spannungsabfall am parasitären Widerstand RM mit dem Spannungsabfall am Kompensationswiderstand RC übereinstimmt, kann die gewünschte Gate-Source-Spannung am Ausgangsspiegeltransistor 31 hergestellt werden. Dementsprechend nimmt der Ausgangsstrom iout1 einen gewünschten Wert mit keinen oder nur geringen Abweichungen an.
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Um den Strom durch den Transistor 23 im Kompensationsstromspiegel zu kompensieren, kann ein angepasster Strom vom Kompensationsanschluss 39 zum Rückführungsanschluss 25 fließen, so dass die Zwischensteuerspannung vbiasn_i nicht beeinflusst wird. Dadurch wird die Genauigkeit der Anordnung erhöht. Das gleiche Prinzip gilt für die zweite Kompensationsstufe 45 und alle weiteren Kompensationsstufen, so dass jeweils ein Spannungsabfall über dem parasitären Widerstand RM durch einen Spannungsabfall über dem entsprechenden Kompensationswiderstand RC kompensiert wird.
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3 bezieht sich auf ein weiteres Detail einer beispielhaften Implementierung einer Stromspiegelanordnung, wie sie in Verbindung mit 1 beschrieben wurde. Insbesondere zeigt 3 eine mögliche Implementierung einer Pegelschieberstufe 50, die zwischen dem Gate-Anschluss des Eingangskaskodetransistors 12 und den Gate-Anschlüssen der Ausgangskaskodetransistoren 32 und 42 angeschlossen ist. Im Allgemeinen ist die in 1 gezeigte Pegelschieberstufe 50 so konfiguriert, dass sie eine verschobene Spannung VDD_ls aus einer Spannung am dritten Versorgungsanschluss VDD erzeugt, beispielsweise durch Verschieben der Spannung am dritten Versorgungsanschluss VDD in Richtung einer Spannung am zweiten Versorgungsanschluss GND. Die Pegelschieberstufe erzeugt beispielsweise die verschobene Spannung VDD_ls mit einer Spannungsdifferenz zur Spannung am dritten Versorgungsanschluss VDD, die einer Spannungsdifferenz zwischen einer Gate-Source-Spannung des Ausgangskaskodetransistors 32 und einer Gate-Source-Spannung des Eingangskaskodetransistors 12 entspricht.
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In der Beispielimplementierung von 3 umfasst die Pegelschieberstufe 50 ein Paar Transistoren 51, 56, die mit dem zweiten Versorgungsanschluss GND verbunden sind und von der Eingangssteuerspannung vbiasn gesteuert werden. Die Pegelschieberstufe 50 umfasst ferner ein differentielles Transistorpaar 52, 53, das gemeinsam mit einem ersten Transistor 51 des Transistorpaares 51, 56 verbunden ist. Ein erster Transistor 52 des differentiellen Transistorpaars 52, 53 ist zwischen einem dritten Versorgungsanschluss VDD und dem ersten Transistor 51 des Transistorpaars 51, 56 angeschlossen und sein Gate-Anschluss ist mit dem dritten Versorgungsanschluss VDD verbunden. Ein zweiter Transistor 53 des differentiellen Transistorpaares 52, 53 ist zwischen einem Ausgangstransistor 54 eines Spiegeltransistorpaares 54, 55 und dem ersten Transistor 51 des Transistorpaares 51, 56 angeschlossen.
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Der zweite Transistor 53 ist mit seinem Gate-Anschluss mit dem Ausgangstransistor 54 des Spiegeltransistorpaares 54, 55 und mit dem Gate-Anschluss des Eingangskaskodetransistors 12 verbunden, an dem die verschobene Spannung VDD_ls anliegt. Das Spiegeltransistorpaar 54, 55 wird vom dritten Versorgungsanschluss VDD versorgt. Ein Eingangstransistor 45 des Spiegeltransistorpaares 54, 55 ist mit dem zweiten Transistor 56 des Transistorpaares 51, 56 verbunden. Der zweite Transistor 53 des differentiellen Transistorpaares 52, 53 hat eine höhere Strombelastbarkeit als der erste Transistor 52 des differentiellen Transistorpaares 52, 53 um einen dritten Faktor n3. Der Eingangstransistor 55 des Spiegeltransistorpaares 54, 55 hat eine um einen vierten Faktor n4 höhere Strombelastbarkeit als der Ausgangstransistor 54 des Spiegeltransistorpaares 54, 55.
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Während des Betriebs wird der Unterschied in der Gate-Source-Spannung der Kaskodetransistoren durch einen Unterschied in der Gate-Source-Spannung des differentiellen Paars ähnlicher Transistoren in der Pegelschieberstufe 50 ausgeglichen. Auf diese Weise sind die Source-Spannungen der Kaskodetransistoren 12, 32, 42 identisch.
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Mit Blick auf 2 wird angestrebt, den Spannungsabfall am Kompensationswiderstand RC an den Spannungsabfall am parasitären Widerstand RM anzupassen. Da die genauen Werte dieser Widerstände möglicherweise nicht im Voraus bekannt sind, kann die Anpassung der Spannungsabfälle z. B. durch die Einstellung des Stroms durch den Kompensationswiderstand RC erreicht werden, der von der Kompensationssteuerspannung vcomp abhängt. Zu diesem Zweck kann der Transistor 28 in einstellbarer Weise vorgesehen werden. So kann eine gewünschte Kompensationssteuerspannung vcomp durch Kalibrierung der Einstellungen des Transistors 28 erreicht werden.
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Die Stromspiegelanordnung umfasst beispielsweise eine Kalibrierungsstufe, die die Reihenschaltung eines ersten und eines zweiten Widerstands RC', RM' umfasst, die zwischen dem dritten Versorgungsanschluss VDD und dem zweiten Versorgungsanschluss GND angeschlossen sind, wie in 4 dargestellt. Der erste Widerstand RC' kann einem Widerstand des Kompensationswiderstandes RC entsprechen, während der zweite Widerstand RM' einem Widerstand, z. B. dem Metallwiderstand, der Verbindung zwischen dem Ausgangsspiegeltransistor 31 und dem zweiten Versorgungsanschluss GND entspricht. Entsprechend ergeben sich aus dem Strom zwischen den Versorgungsanschlüssen VDD, GND entsprechende Spannungsabfälle vc, vm, wenn der Schalter am unteren Ende während einer Kalibrierungsphase geschlossen ist.
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Dementsprechend ist die Kalibrierungsstufe so konfiguriert, dass sie die Erzeugung der Kompensationssteuerspannung vcomp auf der Grundlage der jeweiligen Spannungsabfälle vc, vm über dem ersten und dem zweiten Widerstand RC', RM' einstellt, z. B. ein Verhältnis der jeweiligen Spannungsabfälle vc, vm. Die Einstellung kann z. B. durch eine entsprechende Einstellung der Strombelastbarkeit des Transistors 28 erfolgen. Dies kann wiederholt während des Betriebs innerhalb der jeweiligen Kalibrierungsphasen oder einmalig nach der Produktion in einem Kalibrierungsschritt erfolgen, wobei die Einstellung z.B. mit einmalig programmierbaren (OTP) Elementen programmiert wird.
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Durch die Anpassung des Kompensationsstromspiegels und der darin erzeugten Ströme kann ein Strom vom Replikatanschluss 23 zum Source-Anschluss des Transistors 22 vollständig eliminiert werden, wodurch ein negativer Einfluss auf die Zwischensteuerspannung vbiasn_i reduziert wird.
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Es sollte beachtet werden, dass in den oben beschriebenen Beispielen NMOS-Transistoren in der Eingangsstufe und den Ausgangsstufen als Beispielimplementierung verwendet werden. Es sollte jedoch für den Fachmann aus der obigen Beschreibung ersichtlich sein, dass die jeweiligen NMOS-Transistoren leicht durch entsprechende PMOS-Transistoren ersetzt werden können, wobei die jeweilige Versorgungsspannung und die Transistortypen der verwendeten Transistoren geändert werden.
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Es wird deutlich, dass die Offenbarung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen und auf das, was hier gezeigt und beschrieben wurde, beschränkt ist. Vielmehr können Merkmale, die in einzelnen abhängigen Ansprüchen oder in der Beschreibung aufgeführt sind, vorteilhaft kombiniert werden.
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Darüber hinaus schließt der Umfang der Offenbarung jene Variationen und Modifikationen ein, die für den Fachmann offensichtlich sind und dem Geist der beigefügten Ansprüche entsprechen. Der Begriff „umfassend“, soweit er in den Ansprüchen oder in der Beschreibung verwendet wurde, schließt andere Elemente oder Schritte eines entsprechenden Merkmals oder Verfahrens nicht aus. Falls der Begriff „ein“ in Verbindung mit Merkmalen verwendet wurde, schließt er eine Vielzahl solcher Merkmale nicht aus. Darüber hinaus sind alle Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als Einschränkung des Schutzbereichs zu verstehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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