DE19639706C1 - Geschaltete Stromquelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine geschaltete Stromquelle. Diese dient der Erzeugung eines hochfrequent geschalteten Stromsi­ gnals. Die maximale Schaltfrequenz liegt bei ca. 150 MHz. Einsetzbar ist die Erfindung beispielsweise in einer Up-Conversion-Loop, wie sie im Mobilfunk verwendet wird. Die Er­ findung kann dort in einer Phased-Locked-Loop (PLL) als La­ dungspumpe (= Charge Pump) verwendet werden.

Aus dem Stand der Technik nach der DE 37 31 130 A1, Fig. 8, ist eine Spannungs-/Strom-Wandlerordnung bekannt. Diese enthält erste Transisto­ ren, die nach Art eines Stromübernahmeschalters miteinander verbunden sind. Parallel zu den ersten Transistoren liegen ein oder mehrere weitere Transistoren, deren Basisanschlüssen Spannungen zugeführt werden, die innerhalb des an die Ba­ sisanschlüsse der ersten Transistoren angelegten Spannungsbe­ reichs liegen.

Bei integrierten Schaltungen ist die Realisierung einer Stromquelle, die schnell ein- und ausgeschaltet werden kann, vor allem dann schwierig, wenn weder PMOS-Transistoren noch vertikale pnp-Transistoren mit isoliertem Kollektor zur Ver­ fügung stehen, sondern nur laterale pnp-Transistoren. Diese pnp-Transistoren haben als Nachteile erstens eine niedrige Grenzfrequenz und zweitens eine schlechte Stromergiebigkeit. Die niedrige Grenzfrequenz hat eine hohe Basis-Emitter-Dif­ fusions-Kapazität zur Folge, und die schlechte Stromergiebig­ keit führt dazu, daß große Transistoren mit entsprechend ho­ hen Basis-Kollektor- und Basis-Substrat-Sperrschichtkapazitä­ ten benutzt werden müssen.

Die in Fig. 1 gezeigte Realisierung einer geschalteten Stromquelle ist aus dem Stand der Technik DE 31 16 603 C2 be­ kannt. Eine differenzielle Spannung UE an den beiden Ein­ gangsklemmen D und VB2 steuert einen ersten Transistor Q28 und einen zweiten Transistor Q29 an, die den von einer Kon­ stantstromquelle erzeugten konstanten Strom I entweder auf die Versorgungsspannungsschiene VCC2 oder auf dem aus zwei Transistoren Q33 und Q34 bestehenden Stromspiegel lenken. Beim Ein- und Ausschalten des Stromspiegels Q33, Q34 müssen die Basis-Emitter- und die Basis-Substrat-Kapazitäten der beiden Transistoren Q33 und Q34 und die Basis-Kollektor-Kapazität des Transistors Q34 umgeladen werden. Dies führt zu einer relativ hohen Einschaltdauer am Ausgang A der geschal­ teten Stromquelle. Der Strom IA am Ausgang A steigt somit re­ lativ langsam an. Bei der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsan­ ordnung beträgt die Einschaltdauer ca. 20 ns.

Weiterhin ist aus dem Stand der Technik ISSCC 95/ Session 8/ Wireless Communications/Paper TA 8.8, IEEE, 1995, Seiten 150 bis 151 eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines ge­ schalteten Stromsignals gemäß Fig. 2 bekannt. Mit dieser Schaltungsanordnung können gegenüber der in Fig. 1 gezeigten geschalteten Stromquelle kürzere Schaltzeiten realisiert wer­ den. Die beiden npn-Transistoren B23 und B22 schalten den konstanten Strom I zwischen der Versorgungsspannung VSP und dem Emitter des in Basisschaltung betriebenen pnp-Ausgangs­ transistors B1 hin und her. Wenn der Transistor B22 stromlos ist, das heißt der Transistor B22 sperrt, ist der Ausgang­ stransistor B1 eingeschaltet, das heißt leitend und es fließt ein Ausgangsstrom IA, der von der an der Klemme Ref angeleg­ ten Referenzspannung VCSH an der Basis des Ausgangstransis­ tors B1 und dem Emittergegenkopplungswiderstand R2 bestimmt wird. Im anderen Fall leitet der Transistor B22 den Strom I durch den Emittergegenkopplungswiderstand R2, und, wenn das Produkt aus dem Strom I und dem Emittergegenkopplungswider­ stand R2 groß genug ist, wird der Ausgangstransistor B1 sper­ rend. Die Umschaltung erfolgt schneller als mit dem in Fig. 1 gezeigten Stromspiegel, weil nur die Basis-Emitter-Kapazi­ tät des Ausgangstransistors B1 umgeladen werden muß. Die Schaltung gemäß Fig. 2 hat jedoch den Nachteil, daß der Spannungssprung am Emitter des Ausgangstransistors B1 über dessen Basis-Emitter-Kapazität auf dessen Basis gekoppelt wird. Der Grund dafür ist die Referenzspannung VCSH, die nicht beliebig niederohmig erzeugt werden kann. Von der Basis des Ausgangstransistors B1 wird der Spannungssprung über die Basis-Kollektor-Kapazität auf den Ausgang OUTPUT gekoppelt. Die dadurch entstehende Störung kann größer sein als der ei­ gentlich zu erzeugende Stromimpuls.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine geschaltete Stromquel­ le beziehungsweise Stromsenke anzugeben, bei der die Schalt­ flanken möglichst steil sind und damit möglichst kurze Schaltzeiten erreicht werden können.

Vorteilhafterweise werden mit der Erfindung die dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile vermieden.

Die Erfindung wird durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.

So hat die Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 4 den Vorteil, daß mit ihr auch eine Stromsenke realisierbar ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von 5 Figuren weiter beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine geschaltete Stromquelle gemäß dem Stand der Technik.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer geschalte­ ten Stromquelle gemäß dem Stand der Technik.

Fig. 3 zeigt eine geschaltete Stromquelle gemäß der Erfin­ dung.

Fig. 4 zeigt eine geschaltete Stromsenke gemäß der Erfin­ dung.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform des in Fig. 4 einge­ setzten Transimpedanzverstärkers.

In Fig. 3 ist die erfindungsgemäße Realisierung einer ge­ schalteten Stromquelle gezeigt. An den Eingängen E1 und E2 liegt eine differenzielle Spannung UE an. Der Eingang E1 ist mit der Basis eines ersten npn-Transistors T1 und der Eingang E2 mit der Basis eines zweiten npn-Transistors T2 verbunden. Die beiden Transistoren T1 und T2 sind emittergekoppelt und über ihre Emitter mit einer Konstantstromquelle, die den kon­ stanten Strom I liefert, verbunden. Der Kollektor des Transi­ stors T2 ist sowohl mit einem ersten Emittergegenkopplungswi­ derstand R1 als auch mit dem Emitter eines pnp-Transistors T3 verbunden. Der Kollektor des ersten Transistors T1 ist sowohl mit einem zweiten Emittergegenkopplungswiderstand R2 als auch dem Emitter eines zweiten pnp-Transistors T4 verbunden. Die Transistoren T3 und T4 sind laterale pnp-Transistoren.

Der Kollektor des pnp-Transistors T4 ist auf Massepotential (= Referenzpotential) gelegt. Der Kollektor des Transistors T3 ist mit einer Ausgangsklemme A verbunden. Die beiden Ba­ sisanschlüsse der Transistoren T3 und T4 sind über die Klemme Ref mit einer Referenzspannung verbunden. Die beiden Emitter­ gegenkopplungswiderstände R1 und R2 liegen auf Versorgungs­ spannungspotential VCC. Als erste Stufe wird im folgenden der Emittergegenkopplungswiderstand R1 in Verbindung mit dem pnp-Transistor T3′, der über den Transistor T2 gesteuert wird, bezeichnet. Die zweite Stufe umfaßt den Emittergegenkopp­ lungswiderstand R2 und den pnp-Transistor T4, der über den Kollektorstrom des Transistors T1 gesteuert wird. Durch diese Schaltungsanordnung wird eine Gegentaktbasisschaltung gebil­ det. Dadurch wird die Aufladung der Basis-Emitter-Kapazität des Ausgangstransistors T3 durch die Entladung der Basis- Emitter-Kapazität des Transistors T4 kompensiert. Dies gilt auch in umgekehrter Richtung. Das heißt, die Umladeströme fließen zwischen den Basisanschlüssen der beiden Transistoren T3 und T4. Sie belasten nicht die Schaltung, die die Refe­ renzspannung, die an der Klemme ref anliegt, erzeugt.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bewirkt eine deutli­ che Reduzierung der auf die Referenzspannung wirkenden Stö­ rungen und ermöglicht eine saubere, rechteckige Stromimpuls­ form am Ausgang A.

Außerdem wird die dynamische Belastung der Versorgungsspan­ nung VCC verringert, weil sich die Änderungen der Emitter­ ströme der Transistoren T3 und T4 beim Schalten aufheben. Der Gesamtstrom bleibt damit konstant.

In Fig. 4 ist eine umschaltbare Stromsenke dargestellt, die aus einer Erweiterung der in Fig. 3 gezeigten umschaltbaren Stromquelle resultiert. Die Schaltungsanordnung entspricht bis zur Ausgangsklemme A der in der Fig. 3 gezeigten Schal­ tungsanordnung. An die Ausgangsklemme A ist zusätzlich eine Referenzstromquelle, die einen Referenzstrom IRef liefert und der Eingang eines Transimpedanzverstärkers TV angeschlossen. Ausgangsseitig ist der Transimpedanzverstärker TV mit dem Ba­ sisanschluß eines npn-Transistors T5 verbunden. Der Emitter des npn-Transistors T5 ist über einen Widerstand R4 auf Mas­ sepotential gelegt. Das Ausgangssignal der umschaltbaren Stromsenke ist an der Klemme A1 abgreifbar, welche mit dem Kollektor des Transistors T5 verbunden ist.

Eine derartige Schaltung stellt vorteilhafterweise einen gro­ ßen Ausgangsspannungsbereich an der Klemme A1 zur Verfügung.

Die geschaltete Stromquelle gemäß Fig. 4, linker Teil wird benutzt, um einen breitbandigen Transimpedanzverstärker TV anzusteuern, der den Ausgangstransistor T5 ein- und ausschal­ tet. Die Referenzstromquelle, die den Referenzstrom IRef lie­ fert, dient der Erhöhung der Spannung an der Basis des Aus­ gangstransistors T5. Der Referenzstrom IRef ist fein ein­ stellbar.

Durch die in Fig. 4 gezeigte Schaltungsanordnung bleibt die in Fig. 4, linker Teil gezeigte Stromquelle unbelastet, was kürzere Schaltzeiten mit sich bringt.

In Fig. 5 ist eine Ausführungsform eines Transimpedanzver­ stärker TV, der für den obengenannten Zweck geeignet ist, ge­ zeigt. Die Verwendung eines Transimpedanzverstärkers TV an­ statt eines npn-Stromspiegels erlaubt schnellere Schaltzei­ ten, weil die Kollektorspannung am Transistor T3 konstant bleibt, und die Kollektor-Basis-Kapazität daher nicht umgela­ den werden muß.

Die Ausgangsklemme A der geschalteten Stromquelle ist sowohl mit der Basis eines npn-Transistors T6 als auch einem Wider­ stand R3 verbunden. Der Kollektor des Transistors T6 ist mit der Basis eines weiteren npn-Transistors T7 und über einen Widerstand R5 mit der Versorgungsspannung VCC verbunden. Die­ se liegt auch am Kollektor des Transistors T7 an. Der Emitter des Transistors T7, der Widerstand R3 und ein zusätzlicher Widerstand R6 führen auf die Ausgangsklemme A1, an welcher das Ausgangssignal der Stromsenke abgreifbar ist. Der Emitter des Transistors T6 und der zweite Anschluß des Widerstands R6 sind auf Masse geklemmt.

Der Strom am Eingang des Transimpedanzverstärkers TV und der Emittergegenkopplungswiderstand R4 werden so eingestellt, daß der gewünschte Ausgangsstrom durch den Transistor T5 fließt, wenn der Transistor T3 sperrt. Wenn der Transistor T3 leitet, fließt dessen Kollektorstrom durch den Transimpedanzwider­ stand R3. Der daraus resultierende Spannungsabfall an der Ba­ sis des Ausgangstransistors T5 muß groß genug sein, um diesen ausschalten zu können.

Die Transistoren T3 und T4 sind laterale pnp-Transistoren.

Claims (5)

1. Geschaltete Stromquelle,

• - bei der zwei Eingangsanschlüsse (E1, E2) und ein Ausgangsanschluß (A) vorgesehen sind,
• - bei der ein erster Transistor (T1) und ein zweiter Transistor (T2) emittergekoppelt sind, und die Steuereingänge mit den beiden Eingangsanschlüssen (E1, E2) und die Emitter mit einer Konstantstromquelle verbunden sind,
• - bei der der Emitter eines dritten Transistors (T3) einerseits über einen ersten Widerstand (R1) mit einer Versorgungsspannung (VCC) und andererseits mit dem Kollektor des zweiten Transistors (T2) verbunden ist,
• - bei der der Emitter eines vierten Transistors (T4) einerseits über einen zweiten Widerstand (R2) mit der Versorgungsspannung (VCC) und andererseits mit dem Kollektor des ersten Transistors (T1) verbunden ist,
• - bei der die Steuereingänge des dritten und des vierten Transistors (T3, T4) mit einer Referenzspannung verbunden sind,
• - bei der der Kollektor des dritten Transistors (T3) mit dem Ausgangsanschluß (A) und der Kollektor des vierten Transistors (T4) mit Masse verbunden ist.

2. Geschaltete Stromquelle nach Anspruch 1, bei der der erste und der zweite Transistor (T1, T2) npn-Transistoren sind.

3. Geschaltete Stromquelle nach Anspruch 1 oder 2, bei der der dritte und der vierte Transistor (T3, T4) laterale pnp-Transistoren sind.

4. Geschaltete Stromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

• - bei der eine Referenzstromquelle und ein Transimpedanzverstärker (TV) vorgesehen sind, die mit dem Ausgangsanschluß (A) verbunden sind,
• - bei der ein fünfter Transistor (T5) vorgesehen ist, dessen Steuereingang mit dem Ausgang des Transimpedanzverstärkers verbunden ist, dessen Emitter über einen Emittergegenkopplungswiderstand (R4) mit einem Referenzpotential verbunden ist, und dessen Kollektor mit einer Ausgangsklemme (A1) verbunden ist.

5. Geschaltete Stromquelle nach Anspruch 4,

• - bei der der Transimpedanzverstärker (TV) eingangseitig mit dem Steuereingang eines sechsten Transistors (T6) und einem Widerstand R3 verbunden ist,
• - bei der der Kollektor des sechsten Transistors (T6) mit dem Steuereingang eines siebten Transistor (T7) und einem Widerstand R5 verbunden ist,
• - bei der der Emitter des sechsten Transistors (T6) mit dem Referenzpotential verbunden ist,
• - bei der der Emitter des siebten Transistors (T7), der Widerstand R3 und ein Widerstand R6 mit der Ausgangsklemme (A1) verbunden sind,
• - bei der der zweite Anschluß des Widerstands R6 mit dem Referenzpotential verbunden ist,
• - bei der der zweite Anschluß des Widerstands R5 und der Kollektor des siebten Transistors (T7) mit der Versorgungsspannung (VCC) verbunden sind.