DE3779871T2

DE3779871T2 - Angepasste stromquelle.

Info

Publication number: DE3779871T2
Application number: DE8787303187T
Authority: DE
Inventors: Tai-Haur Kuo
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 1986-11-20
Filing date: 1987-04-13
Publication date: 1993-02-04
Anticipated expiration: 2007-04-14
Also published as: ATE77498T1; US4706013A; EP0268345B1; EP0268345A3; DE3779871D1; EP0268345A2; JPS63138411A; JPH0654455B2

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Stromquellen und ist insbesondere auf eine angepaßte Stromquelle gerichtet, um dieselbe Menge von Senkenstrom und Quellenstrom zu liefern.

Beschreibung des Standes der Technik

In vielen integrierten Schaltungen, insbesondere Analogschaltungen, werden häufig Stromquellen verwendet. Für einige fälle ist eine angepaßte Stromquelle, die äquivalente Senken- und Quellenströme liefert, sehr wichtig. Man erkennt jedoch- daß der Transistorstrom durch den Kanallängen-Modulationseffekt in MOS-Einrichtungen und den Early-Effekt in bipolaren Einrichtungen beeinflußt wird. Die Senkenströme von MOS-Transistoren sind daher nicht unabhängig von ihren Senken-Quellen-Spannungen, und die Kollektorströme von bipolaren Transistoren sind nicht unabhängig von ihren Kollektor-Emitter-Spannungen. In der Tat wächst der Senkenstrom (Kollektorstrom) mit wachsender Senken-Quellen-Spannung (Kollektor-Emitter-Spannung).
Fig. 1 stellt die Schaltung einer bekannten Stromquelle dar, die Senkenstrom und Quellenstrom abgibt. In dieser Schaltung sind die MOS-Transistoren T1 und T2 in Reihe verbunden, wobei die Quellen der Transistoren T1 und T2 mit den Spannungsanschlüssen V+ bzw. V- verbunden sind und das Gate des Transistors T1 mit seiner Senke am Knotenpunkt F verbunden ist. Der Knotenpunkt F ist auch mit dem Gate von Transistor T3 verbunden, dessen Quelle mit dem V+-Anschluß verbunden ist. Die Eingangsspannungen am Knotenpunkt B werden an das Gate von Transistor T2 und auch an das Gate eines Transistors T4 angelegt, dessen Quelle mit dem Spannungsanschlup V- verbunden ist. Ein Spannungsknoten A steuert einen Schalter S um selektiv den Ausgangsknotenpunkt C mit den Senken der Transistoren T3 und T4 an Anschlüssen D bzw. E zu verbinden.
Da es den Kanallängen-Modulationseffekt gibt, kann diese Schaltung keine äquivalenten Senken- und Quellenströme abgeben. Knotenpunkt B steuert die Amplitude des Quellenstroms. Knotenpunkt C ist ein Ausgangsknotenpunkt, der sich auf einer festen Spannung im Bereich zwischen V+ und V- befindet. Wenn Knotenpunkt A den Schalter S steuert, um den Kontakt zwischen C und D zu schließen und den Kontakt zwischen C und E zu öffnen, arbeitet diese Schaltung zu Quellenstrom. Änderungen in der an den Knotenpunkt B angelegen Spannung ändern den Strom I1. Die Senken-Quellen-Spannung Vsq1 von Transistor T1 und die Senken-Quellen-Spannung Vsq2 von Transistor T2 verändern sich in entgegengesetzten Richtungen mit Änderungen der Spannung des Knotenpunkts B. Die Spannung des Knotenpunkts C ist jedoch konstant. Daher verändern sich Vsq1-Vsq2, Vsq1-Vsq3 und Vsq2-Vsq4 mit Änderungen in der Spannung des Knotenpunkts B. Vsq1, Vsq2, Vsq3 und Vsq4 sind die Senken-Quellen-Spannungen der Transistoren T1, T2, T3 bzw. T4. Nicht nur die Transistoren T1 und T2, sondern auch die Transistoren T3 und T4 sind dem unterschiedlichen Ausmaß des Kanallängen-Modulationseffektes ausgesetzt. Es besteht daher keine lineare Beziehung zwischen den Strömen I1 und I2, und es besteht keine lineare Beziehung zwischen den Strömen I3 und I1. Ähnlich existiert keine lineare Beziehung zwischen den Strömen I2 und I3. Darüber hinaus sind die Verhältnisse des Stromes I4 (= I2) in der Quellenstrombetriebsart und des Stroms -I4 (= I3) in der Senkenstrombetriebsart für verschiedene Spannungen am Knoten B verschieden. Daher kann diese Schaltung keinen angepaßten Strom liefern. Bei einer Bedingung mit angepaßtem Strom ist die Amplitude des Quellenstroms in einer Quellenstrombetriebsart dieselbe wie die Amplitude des Senkenstroms in der Senkenstrombetriebsart, unabhängig davon, ob diese Ströme groß oder klein sind.
Ein Verfahren, das verbreitet angewendet wird, um dieses Problem zu überwinden, ist die Einstellung der Stromquelle durch Lasertrimmung. Durch dieses Verfahren werden jedoch nur äquivalente Quellen- und Senkenströme bei einem einzigen konstanten Strom erhalten, und das Verhältnis des Quellen-zu-Senken-Stromes verändert sich mit unterschiedlichen Amplituden von Quellen- und Senkenstrom.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine angepaßte Stromquelle kann mit MOS-Transistoren oder bipolaren Transistoren ausgeführt werden. Trotz der Wirkungen des Kanallängen-Modulationseffektes oder des Early-Effektes gibt die Schaltung der Erfindung äquivalente Senken- und Quellenströme unabhängig davon ab, ob die Ausgangsströme groß oder klein sind.
In Übereinstimmung mit dieser Erfindung wird eine angepaßte Stromquelle geschaffen, die abwechselnd einen Senken- oder einen Quellenstrom abgeben soll, mit einer ersten Schaltungsstufe, die erste und zweite Transistoren aufweist; mit einer zweiten Schaltungsstufe, die einen dritten Transistor, erste und zweite Schalter und einen vierten Transistor aufweist, die in Reihe in dieser Reihenfolge verbunden sind; mit einem Steuermittel zum selektiven Einstellen der ersten und zweiten Schalter entweder in einen ersten Zustand, in dem der erste Schalter eingeschaltet und der zweite Schalter ausgeschaltet ist, oder in einen zweiten Zustand, in dem der erste Schalter ausgeschaltet und der zweite Schalter eingeschaltet ist; und mit einem Ausgangsverbindungspunkt, der zwischen den ersten und zweiten Schaltern verbunden ist, um einen Quellenstrom oder Senkenstrom in Abhängigkeit davon abzugeben, ob die ersten und zweiten Schalter auf die ersten oder zweiten Zustände eingestellt sind, welche angepaßte Schaltung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie aufweist:
einen Satz von Schein- oder Blindschaltern, der dritte und vierte fortwährend eingeschaltete Schalter, die zwischen den ersten und zweiten Transistoren verbunden sind, um eine konstante Impedanzbeziehung zwischen den ersten und zweiten Schaltungsstufen zu schaffen, und einen Verbindungspunkt zum Verbinden der dritten und vierten Schalter aufweist;
einen Operationsverstärker, der einen invertierenden Eingang aufweist und dessen Ausgang mit der Eingangselektrode des ersten Transistors verbunden ist und dessen nicht-invertierender Eingang mit dem Verbindungspunkt zwischen den dritten und vierten Schaltern verbunden ist, so daß der Operationsverstärker und die erste Schaltungsstufe eine Rückkopplungsschleife mit Einheitsverstärkung aufweisen, wobei der Ausgang des Operationsverstärkers weiter mit der Eingangselektrode des dritten Transistors verbunden ist; und
eine Rückkopplungsschaltung, die mit dem Ausgangsverbindungspunkt verbunden ist und einen Ausgangsanschluß der angepaßten Stromquelle bildet, wobei die Rückkopplungsschaltung Mittel zum Halten der Spannung an dem Ausgangsverbindungspunkt auf einem gleichen Wert wie diejenige am invertierenden Eingang aufweist, so daß der Verbindungspunkt, der invertierende Eingang des Operationsverstärkers und der Ausgangsverbindungspunkt auf demselben Spannungswert gehalten werden;
wodurch die angepaßte Stromquelle einen Senkenstrom oder einen Quellenstrom von äquivalenten Werten liefert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Schaltschema einer vorbekannten Stromquelle;
Fig. 2 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm der Stromquelle der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ist ein Schaltungsdiagramm einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ist ein Schaltungsdiagramm einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 5 ist der Vergleich von Wellenformen der angepaßten Stromquelle der vorliegenden Erfindung und der vorbekannten Stromquelle, wobei die Verbindung der Ausgänge dieser Schaltungen an dieselbe Integrationseinrichtung angenommen ist.

Detaillierte Offenbarung der Erfindung

Eine schematische Darstellung der angepaßten Stromquelle der vorliegenden Erfindung ist in fig. 2 dargestellt. Wie dies in dieser Figur dargestellt ist, weist eine angepaßte Stromquelle zwei Schein- oder Blindschalter in (S1, S2), zwei Stromschalter (S3, S4) vier Stromspiegeltransistoren (T5, T6, T7 und T8) und einen Operationsverstärker OP auf.
Wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, sind der Transistor 15, die Schalter S1 und S2 und der Transistor T6 in dieser Reihenfolge in Reihe zwischen den Versorgungsspannungsanschlüssen V+ und V- verbunden, und der Transistor T7, die Schalter S3 und S4 und der Transistor T8 sind in dieser Reihenfolge in Reihe zwischen den Anschlüssen V+ und V- verbunden. Der nicht invertierende Eingang des Verstärkers OP ist mit dem Knotenpunkt I zwischen den Schaltern S1 und S2 verbunden, und der Ausgang des Verstärkers ist mit den Gates der Transistoren T5 und T7 verbunden. Die Schalter S3 und S4 werden durch die Spannung am Knotenpunkt H gesteuert. Die Spannung am Knotenpunkt F ist an die Gates der Transistoren T6 und T8 angelegt. Der Knotenpunkt G am Verbindungspunkt der Schalter S3 und S4 ist mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers in der Rückkopplungsschaltung 1 verbunden, und die Spannung am Knotenpunkt E ist an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP und auch an den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers in der Rückkopplungsschaltung 1 angelegt. Wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, kann die Rückkopplungsschaltung den oben diskutierten Operationsverstärker aufweisen, der eine Rückkopplungsimpedanz Z hat, wobei der Ausgangsanschluß J der Rückkopplungsschaltung eine Spannungswellenform hat, die sowohl in der Quellenbetriebsart als auch in der Senkenbetriebsart symmetrisch in Bezug auf die Spannung V(E) ist, die an den Knotenpunkt E angelegt ist.
Die Stromschalter S3 und S4, die durch den Knotenpunkt H gesteuert werden, müssen eine der beiden folgenden Bedingungen haben:
(i) S3 ist eingeschaltet (leitend) und S4 ist ausgeschaltet (nicht leitend), wenn die angepaßte Stromquelle in der Quellenstrombetriebsart arbeitet.
(ii) S3 ist ausgeschaltet und S4 ist eingeschaltet, wenn die angepaßte Stromquelle in der Senkenstrombetriebsart arbeitet.
Die Schalter S1 und S2 schaffen eine konstante Impedanzbeziehung zwischen der ersten Schaltungsstufe (die den Transistor T5, den Schalter S1, den Schalter S2 und den Transistor T6 in Reihe einschließt) und der zweiten Schaltungsstufe (die den Transistor T7, den Schalter S3, den Schalter S4 und den Transistor T8 in Reihe aufweist). Die Schalter S1 und S2 sind Schein- oder Blindschalter, da sie dauernd eingeschaltet sind und ihr einziger Zweck darin besteht, eine Impedanz ähnlich zu derjenigen eines Stromschalters zu schaffen. Die an den Knotenpunkt F angelegte Spannung, die an die Gates der Transistoren T6 und T8 angelegt ist, steuert die Amplituden der Ströme I5, I6 und I7. Der invertierende Eingang, Knotenpunkt E, des Operationsverstärkers OP wird auf eine konstante Spannung gesetzt. Der Ausgangsknotenpunkt G der angepaßten Stromquelle wird indirekt auf dieselbe Spannung wie der Knotenpunkt E durch die Rückkopplungsschaltung 1 von Fig. 2 gesetzt. Der Operationsverstärker OP und die erste Schaltungsstufe weisen eine Rückkopplungsschlaufe mit Einheitsverstärkung auf, und daher werden die Knotenpunkte E, I und G auf derselben Spannung gehalten. Wenn die Bedingung: Impedanz
(wobei L die Kanallänge des in der Schaltung verwendeten MOS-Transistors, W die Kanalbreite des MOS-Transistors und X eine positive reelle Zahl ist) erfüllt ist, werden die folgenden Bedingungen wahr sein:
(i) I8=I6=X*I5 ist wahr, da Vgq5=Vgq7, Vsq5=Vsq7 und (W/L) von T7 = X*(W/L) von T5, wenn S3 eingeschaltet und S4 ausgeschaltet ist.
(ii) -I8=I7=X*I5 ist wahr, da Vgq6=Vgq8, Vsq6=Vsq8 und (W/L) von T8 = X*(W/L) von T6, wenn S3 ausgeschaltet und S4 eingeschaltet ist.
Daher liefert die angepaßte Stromquelle äquivalenten Quellen- und Senkenstrom.
Wenn bei einer Abwandlung der in Fig. 2 gezeigten Schaltung die Transistoren T5, T6, T7 und T8 bipolare Transistoren sind und die Bedingung: Größe Impedanz
erfüllt ist, liefert die angepaßte Stromquelle ebenfalls äquivalenten Quellen- und Senkenstrom, da Vbe5=Vbe7, Vce5=Vce7, wenn S3 eingeschaltet und S4 ausgeschaltet ist, und Vbe6=Vbe8, Vce6=Vce8, wenn S3 eingeschaltet und S4 ausgeschaltet ist. Dies ist analog zu der angepaßten Stromquelle, die wie oben beschrieben MOS-Transistoren verwendet.
Es wird nun auf Fig. 3 in Übereinstimmung mit einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Bezug genommen. Diese Schaltung unterscheidet sich von derjenigen der Fig. 2 nur dadurch, daß S1, S2, S3 und S4 alle MOS-Transistoren sind. Das Gate des für den Schalter S1 verwendeten Transistors ist, wie dies dargestellt ist, mit dem Anschluß V- und das Gate des Transistors, der für den Schalter S2 verwendet wird, ist, wie dies dargestellt ist, mit dem Anschluß V+ verbunden, wobei beide Transistoren immer leitend sind. In dieser Schaltung:
Wenn die Spannung des Knotenpunkts H = V+ ist, arbeitet die Schaltung in der Senkenstrombetriebsart und die Beziehung -I8=I7=X*I5 ist wahr, da Vgq6=Vgq8, Vsq6=Vsq8, Vgq(S2)=Vgq(S4) und Vsq(S2)=Vsq(S4). Wenn die Spannung des Knotenpunkts H = V- ist, dann arbeitet die Schaltung in der Quellenstrombetriebsart, und die Beziehung I8=I6=X*I5 ist wahr, da Vgq5 = Vgq7, Vsq5 = Vsq7, Vgq(S1) = Vgq(S3) und Vsq(S1) = Vsq(S3). Daher liefert die Schaltung äquivalenten Quellen- und Senkenstrom bei derselben Spannung des Knotenpunkts F.
In Fig. 4 ist eine andere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die Rückkopplungsschaltung 1 der Fig. 3 wird durch Integrator 2 ersetzt, wie dies gezeigt ist. In dieser Schaltung kann der Integrator wie dargestellt einen Operationsverstärker mit einem Rückkopplungskondensator C1 aufweisen.
Nimmt man an, daß V(H) von Fig. 5(c) die Spannungswellenform ist, die an dem Knotenpunkt H von Fig. 4 angelegt wird, so ist anfänglich die Spannung über dem Kondensator C1 = Null. Wenn der Knotenpunkt F auf eine konstante Spannung eingestellt wird, so ist die Spannungswellenform des Ausgangs J des Integrators die Wellenform a1 von Fig. 5(a). Wenn Knotenpunkt F auf eine unterschiedliche konstante Spannung eingestellt wird, wird sich die Wellenform zu der Wellenform a2 von Fig. 5(a) ändern. Die Wellenformen a1 und a2 sind beide symmetrische Wellenformen in Bezug auf V(E), die Spannung des Knotenpunktes E, da die Spannungssteigung oder -steilheit des Integratorausgangs dV(J)/dt = I7/C1 ist, wenn V(H) = V+ und die Spannungssteigung oder -steilheit des Integratorausganges dV(J)/dt = -I6/C1 ist, wenn V(H) = V-. Wenn die angepapte Stromquelle der Erfindung durch die Stromquelle in Fig. 1 ersetzt würde, würde erwartet werden, daß sich die Wellenformen a1 und a2 von Fig. 5(a) zu den Wellenformen b1 und b2 ändern, wie dies in Fig. 5(b) gezeigt ist. Die Wellenformen b1 und b2 sind bei überhaupt keiner konstanten Spannung symmetrisch.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf eine begrenzte Zahl von Ausführungsformen offenbart und beschrieben worden ist, wird es ersichtlich sein, daß viele Abwandlungen und Veränderungen daran vorgenommen werden können, und es ist daher in den folgenden Ansprüchen beabsichtigt, jede solche Abänderung und Abwandlung zu umfassen, die in den wirklichen Geist und Bereich der Erfindung fallen.

Claims

1. Angepaßte Stromquelle mit einer ersten Schaltungsstufe, die erste und zweite Transistoren (T5, T6) aufweist; mit einer zweiten Schaltungsstufe, die einen dritten Transistor (T7), erste und zweite Schalter (S3, S4) und einen vierten Transistor (T8) aufweist, die in Reihe in dieser Reihenfolge verbunden sind; mit einem Steuermittel (H) zum selektiven Einstellen der ersten und zweiten Schalter (S3, S4) entweder in einen ersten Zustand, in dem der erste Schalter (S3) eingeschaltet und der zweite Schalter (S4) ausgeschaltet ist, oder in einen zweiten Zustand, in dem der erste Schalter (S3) ausgeschaltet und der zweite Schalter (S4) eingeschaltet ist; und mit einem Ausgangsverbindungspunkt (G), der zwischen den ersten und zweiten Schaltern (S3, S4) verbunden ist, um einen Quellenstrom oder Senkenstrom in Abhängigkeit davon abzugeben, ob die ersten und zweiten Schalter (S3, S4) auf die ersten oder zweiten Zustände eingestellt sind, welche angepaßte Schaltung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie aufweist:

einen Satz von Schein- oder Blindschaltern, der dritte und vierte fortwährend eingeschaltete Schalter (S1, S2), die zwischen den ersten und zweiten Transistoren (T5, T6) verbunden sind, um eine konstante Impedanzbeziehung zwischen den ersten und zweiten Schaltungsstufen zu schaffen, und einen Verbindungspunkt (I) zum Verbinden der dritten und vierten Schalter (S1, S2) aufweist;

einen Operationsverstärker (OP), der einen invertierenden Eingang (E) aufweist und dessen Ausgang mit der Eingangselektrode des ersten Transistors (T5) verbunden ist und dessen nicht-invertierender Eingang mit dem Verbindungspunkt (I) zwischen den dritten und vierten Schaltern (S1, S2) verbunden ist, so daß der Operationsverstärker (OP) und die erste Schaltungsstufe eine Rückkopplungsschleife mit Einheitsverstärkung bilden, wobei der Ausgang des Operationsverstärkers (OP) weiter mit der Eingangselektrode des dritten Transistors (T7) verbunden ist; und

eine Rückkopplungsschaltung (1), die mit dem Ausgangsverbindungspunkt (G) verbunden ist und einen Ausgangsanschluß (J) der angepaßten Stromquelle bildet, wobei die Rückkopplungsschaltung (1) Mittel zum Halten der Spannung an dem Ausgangsverbindungspunkt (G) auf einem gleichen Wert wie diejenige am invertierenden Eingang (E) aufweist, so daß der Verbindungspunkt (I), der invertierende Eingang (E) des Operationsverstärkers (OP) und der Ausgangsverbindungspunkt (G) auf demselben Spannungswert gehalten werden;

wodurch die angepaßte Stromquelle einen Senkenstrom oder einen Quellenstrom von äquivalenten Werten liefert.

2. Angepaßte Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel in der Rückkopplungsschaltung (1) einen Rückkopplungsverstärker aufweisen, dessen Ausgang mit dem Ausgangsanschluß (J), dessen invertierender Eingang mit dem Ausgangsverbindungspunkt (G) und dessen nicht-invertierender Eingang mit dem invertierenden Eingang (E) des Operationsverstärkers (OP) verbunden ist.

3. Angepaßte Stromquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschaltung (1) einen Kondensator aufweist, der zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Rückkopplungsverstärkers verbunden ist, so daß die Rückkopplungsschaltung (1) eine integrierende Schaltung aufweist.

4. Angepaßte Stromquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine konstante Impedanzbeziehung vorhanden ist, die der Beziehung genügt: Größe des dritten Transistors Größe des vierten Transistors Größe des ersten Transistors Größe des zweiten Transistors Impedanz des dritten Schalters Impedanz des vierten Schalters Impedanz des ersten Schalters Impedanz des zweiten Schalters.

5. Angepaßte Stromquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten und vierten Schalter (S1, S2) dauernd leitende fünfte und sechste Transistoren und die ersten und zweiten Schalter (S3, S4) siebte und achte Transistoren aufweisen, die im ersten Zustand leitend bzw. nicht-leitend und im zweiten Zustand nicht-leitend bzw. leitend sind.

6. Stromquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren und Schalter alle MOS-Transistoren sind.

7. Stromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren und Schalter alle bipolare Transistoren sind.