DE4216712A1 - Schaltbare Stromquellenschaltung und Verwendung einer solchen in einer Phasedetectoranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine schaltbare Stromquellenschal­ tung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie die Verwendung einer solchen in einer Phasendetectoranordnung.

Insbesondere in dem Datenbuch der Firma Siemens, "ICs for Radio Equipment 1989/90", Seiten 51 bis 72 ist der kommer­ ziell erhältliche integrierte Schaltkreis mit der Bezeich­ nung TBB 206 sowie dessen Anwendung in einer PLL beschrie­ ben. Der in diesem Schaltkreis verwendete Phasendetector hat eine Ausgangsstufe, bestehend aus zwei Stromquellen­ schaltungen, die Ströme mit unterschiedlichem Vorzeichen auf einen gemeinsamen, den Ausgang bildenden Schaltungs­ knoten liefern. Die hierbei verwendeten analog gesteuer­ ten Stromquellen erreichen nach ihrem Ansteuern erst nach relativ langer Zeit von ca. 30 ns ihren gewünschten Aus­ gangsstrom. Durch dieses langsame Ansteigen der Ausgangs­ ströme dieser Stromquellen wird auch die Breite der in solchen Anwendungen erforderlichen Anti-Backlash-Impulse relativ groß. Diese Anti-Backlash-Impulse führen dazu, daß im Ausgangsspektrum des Phasendetectors neben der gewün­ schten Ausgangsfrequenz eine große Zahl von Nebenlinien jeweils im Abstand einer Eingangsreferenzfrequenz des Phasendetectors auftreten. Sind diese Anti-Backlash-Impul­ se relativ breit, so ist der Leistungsgehalt dieser Neben­ linien relativ hoch, so daß bei Verwendung in einer Phasenregelschleife zum Einhalten eines vorgegebenen Ver­ hältnisses zwischen Signalpegel und Rauschpegel ein auf­ wendiges Filter verwendet werden muß. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen von Strom­ quellen, bei deren Verwendung in der Ausgangsstufe eines Phasendetectors diese Probleme in erheblich geringerem Maße auftreten.

Stromspiegelschaltungen per se sind unter anderem aus Tietze/Schenk, Halbleiterschaltungstechnik, 9. Auflage 1991 in den Kapiteln 4.6.3, von Seite 62 bis 64, insbe­ sondere Abbildung 4.36 sowie in dem Kapitel 5.5 auf Seiten 94 bis 97, insbesondere in Abbildung 5.13 beschrieben. Solche Stromspiegelschaltungen haben eine Steuerstufe, der ein Steuerstrom eingeprägt wird und die in Abhängigkeit von dem eingeprägten Steuerstrom eine Steuerspannung bereitstellt. Außerdem haben solche Stromspiegelschaltun­ gen eine Ausgangsstufe, die in Abhängigkeit von der Steu­ erspannung der Steuerstufe einen Ausgangsstrom bereitstel­ len. Der Begriff Stromspiegelschaltung steht hierbei dafür, daß der Ausgangsstrom proportional zum Eingangs­ strom ist. Speziell in integrierten Schaltungen wird mit Hilfe eines Transistorflächenverhältnisses, wobei die wirksame Fläche eines die Ausgangsstufe bildenden Tran­ sistors um einen bestimmten Faktor größer ist als die wirksame Fläche eines die Steuerstufe bildenden Tran­ sistors, eine Stromübersetzung bewirkt.

Außerdem ist bekannt, daß die üblicherweise fest an einem Bezugspotential angeschlossene Ausgangsstufe über einen elektronischen Schalter an dieses Bezugspotential schalt­ bar ist. Ist dieser elektronische Schalter dann leitend geschaltet, so fließt der Konstantstrom am Stromausgang der Stromquelle, sperrt dieser elektronische Schalter, so fließt kein Strom am Stromausgang der Stromquelle. Werden solche schaltbaren Stromquellen eingeschaltet, so fällt die von der Steuerstufe bereitgestellte Steuerspannung im Einschaltzeitpunkt etwas ab, so daß nicht unmittelbar der gewünschte Konstantstrom am Ausgang der Stromquellenschal­ tung fließt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine schaltbare Stromquellenschaltung bereitzustellen, deren Einschaltver­ halten bezüglich dieses Problemes verbessert ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine schaltbare Stromquel­ lenschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Günstige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprü­ che 1 bis 11. Die Verwendung solcher schaltbarer Strom­ quellenschaltungen ist Gegenstand der Ansprüche 11 bis 13.

Vorteile sowie die Funktionsweise der Erfindung werden nachstehend anhand der in den Figuren gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße schaltbare Stromquellen­ schaltung in n-Kanal-MOS-Schaltungstechnik sowie eine erfindungsgemäße Stromquellenschaltung in p-Kanal-MOS-Schaltungstechnik, die beide gemein­ sam eine bipolare Stromquellenanordnung bilden.

Fig. 2 die Ausgangsstufe einer Phasendetector-Schaltungs­ anordnung unter Verwendung erfindungsgemäßer schaltbarer Stromquellen;

Fig. 3a und Fig. 3b eine günstige Ausgestaltungsform einer Kapazität in n-Kanal- und in p-Kanal-MOS- Technologie, wie sie in einer Anordnung nach Fig. 1 verwendet werden kann.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Stromquellenschaltung SQSa in n-Kanal-MOS-Technik sowie eine erfindungsgemäße Stromquellenschaltung SQSb in p-Kanal-MOS-Schaltungstech­ nik. Hierbei haben gleiche Schaltungsteile gleiche Bezugs­ zeichen, wobei in der n-Kanal-Schaltung den Bezugszeichen ein a zugefügt worden ist und in der p-Kanal-Schaltung ein b. Der Einfachheit halber wird nachfolgend nur die Schal­ tung in n-Kanal-Technik beschrieben. Dargestellt ist eine Stromspiegelschaltung, deren Steuerstufe durch einen Transistor T3a realisiert ist und deren Ausgangsstufe durch einen Transistor T1a realisiert ist. Hierzu ist der Drain-Anschluß des Transistors T3a mit seinem Basisan­ schluß zusammengeschaltet und bildet den Spannungsausgang x bzw. den Steuereingang x der Ausgangsstufe, der durch den Gate-Anschluß des Transistors T1a gebildet ist. Der Source-Anschluß des Transistors T3a ist mit der Versor­ gungspotentialklemme V_CC verbunden. Hierbei ist durch unterbrochene Linie dargestellt, daß diese Verbindung für die prinzipielle Funktionsweise der Schaltung unmittelbar vorgenommen werden sein kann.

Der Drain-Anschluß des Transistors T1a bildet den Strom­ ausgang Iouta der Stromquellenschaltung SQSa, der Source- Anschluß des Transistors T1a ist mit dem Drain-Anschluß eines Transistors T2a verbunden. Der Transistor T2a ist als elektronischer Schalter vorgesehen und dient zum Ein- bzw. Ausschalten der Stromquellenschaltung SQSa. Hierzu ist der Source-Anschluß des Transistors T2a mit dem Ver­ sorgungspotentialanschluß V_CC verbunden und sein Gate- Anschluß ist als Steuereingang mit der Steuerspannungs­ klemme Usta zusammengeschaltet. Um die Proportionalität im Stromverstärkungsverhältnis sicherzustellen, kann der Source-Anschluß des Transistors T3a an dem Drain-Anschluß eines Transistors T4a zusammengeschaltet sein und nicht unmittelbar an Versorgungspotential geschaltet sein. In diesem Fall ist der Source-Anschluß des Transistors T4a mit der Versorgungspotentialklemme V_CC verbunden und sein Gate-Anschluß ist im einfachsten Falle mit dem Versorgungs­ potential der entgegengesetzten Polarität V_DD beaufschlagt. Der Transistor T4a sorgt im Steuer- bzw. Referenzpfad der Stromquellenschaltung für die gleichen Verhältnisse, wie sie im Ausgangspfad durch den Schalttransistor T2a bewirkt sind. Dadurch wird die Symmetrie der Stromspiegelschaltung sichergestellt.

Das Stromübersetzungsverhältnis zwischen dem Transistor T3 und dem Transistor T1 sollte gleich groß sein wie das zwischen dem Transistor T4 und dem des Transistors T2.

Bei einer Realisierung der dargestellten Schaltung in n-Kanal-Transistor-Technik kann durch Verbinden des Bulk- Anschlusses zusätzlich eine Substratsteuerung ausgeschlos­ sen werden.

Erfindungsgemäß ist in Fig. 1 zwischen dem Eingang der Steuerspannung Usta und dem Steuereingang x der Ausgangs­ stufe eine Kapazität Ca vorgesehen.

Wird der Transistor T2a durch eine Spannungsänderung am Steuereingang Usta eingeschaltet, so wird diese Spannungs­ änderung außerdem über die Kapazität Ca an den Steuerein­ gang x der Ausgangsstufe T1a weitergeleitet. Hierbei werden zusätzliche Ladungen zu dem Steuereingang x der Ausgangsstufe geleitet.

Ein Einschalten des Transistors T2a bewirkt bei der gegebenen Schaltung, daß eine in dem Transistor T1a ent­ haltene parasitäre Kapazität über den Gate-Anschluß dieses Transistors aufgeladen wird, bevor der Stromausgang Iouta den gewünschten Ausgangsstrom liefert. Die Kapazität Ca kann bedarfsweise in Abhängigkeit von dem an der Steuer­ signaleingangsklemme Usta angelegten Einschalt-Spannung so dimensioniert werden, daß im Einschaltmoment nahezu die gleiche Ladungsmenge über die Kapazität Ca zum Steuerein­ gang x der Ausgangsstufe T1a geschaltet wird, wie zum Auf­ laden der Gate-Source-Kapazität des Transistors benötigt wird. Dadurch wird im Einschaltzeitpunkt ein Spannungsein­ bruch am Steuereingang der Ausgangsstufe der Stromquellen­ schaltung unterbunden.

Die Größe der Kapazität Ca ist in Abhängigkeit von der Stromdichte in der Stromspiegelschaltung zu wählen. Insbe­ sondere muß sie so groß sein, daß durch ein Ansteigen der Steuerspannung am Gate-Anschluß des Transistors T2a sichergestellt ist, daß die Spannung am Gate-Anschluß des Transistors T1a im Einschaltzeitpunkt nicht absinkt. Wird die Kapazität Ca zu groß gewählt, so führt dies zu einer Überhöhung des Ausgangsstromes der Stromquelle im Ein­ schaltzeitpunkt. Bei einer zu kleinen Kapazität Ca wird ein Absinken der Steuerspannung der Ausgangsstufe der Stromquellenanordnung nur verringert, aber nicht unter­ bunden.

In Fig. 1 sind zwei schaltbare Stromquellenschaltungen SQSa und SQSb dargestellt, die an ihren Ausgängen Iouta und Ioutb Ströme mit unterschiedlichen Vorzeichen bereit­ stellen können. Die beiden Stromausgänge Iouta und Ioutb sind durch unterbrochene Linien dargestellt zu einem ge­ meinsamen Stromausgang zusammengefaßt, wodurch eine bipo­ lare Stromquelle realisiert werden kann. Eine solche bi­ polare Stromquellenanordnung zeichnet sich dadurch aus, daß an ihrem Ausgang sowohl ein Strom mit positivem als auch ein Strom mit negativem Vorzeichen bereitgestellt werden kann. Wesentlich für den Ausgangsstrom dieser bipo­ laren Stromquelle ist die Differenz zwischen dem an der Klemme Ioutb bereitgestellten Strom und dem an der Klemme Iouta bereitgestellten Strom. Hierbei kann ggf. nur die eine Stromquellenschaltung SQSb oder die andere Stromquel­ lenschaltung SQSa mit Hilfe der entsprechenden Steuerspan­ nung Ustb bzw. Usta eingeschaltet sein, es können jedoch auch beide Spannungsquellen eingeschaltet sein, wobei durch unterschiedliche Referenzströme an den Stromein­ gangsklemmen Irefb und Irefa ein Differenzstrom als Aus­ gangsstrom der bipolaren Stromquelle eingestellt werden kann.

Fig. 2 zeigt als Ausführungsbeispiel die Parallelschal­ tung von drei bipolaren Stromquellen nach Fig. 1 als Ausgangsstufe einer Phasendetectoranordnung mit der Ausgangsklemme APD. Hierbei werden günstigerweise die Steuerspannungsklemmen Usta1, Usta2 und Usta3 bzw. die Steuerspannungsklemmen Ustb1, Ustb2 und Ustb3 zusammen­ geschaltet und von dem Phasendetector abhängig von der Phasendifferenz zweier Eingangssignale gesteuert. Die Referenzstromeingangsklemmen Irefa1, Irefa2, Irefa3, Irefb1, Irefb2 und Irefb3, können zur Variation der Ampli­ tude des Ausgangsstromes an der Ausgangsklemme APD der Phasendetectoranordnung mit unterschiedlichen Referenz­ strömen angesteuert werden. Insbesondere bei der Verwen­ dung einer solchen Phasendetectoranordnung in einer Phasenregelschleife, in der Kanalsprünge, d. h. Frequenz­ änderungen, vorgenommen werden, können diese Referenzströ­ me an die jeweilige Betriebsfrequenz angepaßt sein.

Fig. 3a zeigt eine mögliche Realisierungsform einer Kapa­ zität Ca in Fig. 1 durch eine Transistorschaltung TCa, wobei der Gate-Anschluß eines selbstsperrenden n-Kanal-FET einer Anschlußklemme der Kapazität bildet und der Source- Anschluß und der Drain-Anschluß sowie ggf., wie darge­ stellt, der Bulk-Anschluß gemeinsam die andere Anschluß­ klemme der Kapazität Ca bilden.

Fig. 3b zeigt die Anordnung nach Fig. 3a unter Verwen­ dung eines p-Kanal-MOS-Feldeffektransistors, wie er als Kapazität Cb in Fig. 1 verwendet werden könnte. Dieser Transistor TCb ist entsprechend geschaltet, wobei techno­ logiebedingt der Bulk-Anschluß nicht als Kapazitätsan­ schluß verwendet ist.

Die Verwendung einer erfindungsgemäßen bipolaren Strom­ quellenanordnung in der Ausgangsstufe eines Phasendetec­ tors hat den Vorteil, daß aufgrund des kurzfristigen Erreichens des Nennstromes durch die Ausgangsstufe die für Anti-Backlash-Impulse erforderliche Impulsbreite sehr klein werden kann. Dadurch ist die Rauschleistung der Nebenlinien im Ausgangsspektrum des Phasendetectors, die durch die Anti-Backlash-Impulse bedingt ist, erheblich geringer als bei der Verwendung von Stromquellenanordnun­ gen nach dem Stande der Technik. Wird eine erfindungsge­ mäße Phasendetectoranordnung in einer Phasenregelschleife (PLL) eingesetzt, so kann mit einem sehr preiswerten Filter ein gewünschtes Signal-/Rauschleistungsverhältnis erreicht werden.

Claims (14)

1. Schaltbare Stromquellenschaltung mit einem elektroni­ schen Schalter (T2a; T2b) und mit einer Stromspiegelan­ ordnung (T1a, T3a, T4a; T1b, T3b, T4b), gebildet aus einer Steuerstufe (T3a, T4a; T3b, T4b), die abhängig von einem an einem Stromeingang (Irefa; Irefb) eingeprägten Steuer­ strom an einem Spannungsausgang (x) eine Steuerspannung bereitstellt und aus einer Ausgangsstufe (T1a; T1b) mit einem Steuereingang, der mit dem Spannungsausgang (x) der Steuerstufe (T3a, T4a; T3b, T4b) verbunden ist und mit einer Steuerstrecke mit zwei Anschlüssen, von denen einer den Stromausgang (Iouta; Ioutb) der Stromquellenschaltung (SQSa; SQSb) bildet und der andere mit einem Anschluß des elektronischen Schalters (T2a; T2b) verbunden ist, wobei der andere Anschluß des elektronischen Schalters (T2a; T2b) mit einem Versorgungspotentialanschluß (V_CC; V_DD) verbunden ist und die Stromquellenschaltung abhängig von der Ansteuerung des Steuereinganges (Usta; Ustb) des elek­ tronischen Schalters (T2a; T2b) ein- und ausschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuereingang dem elektronischen Schalters (Usta; Ustb) und der Steuereingang (x) der Ausgangsstufe (T1a; T1b) der Stromspiegelanordnung über eine Kapazität (Ca; Cb) miteinander verbunden sind.

2. Stromquellenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Transistoren und Schalter selbstsperrende n-Kanal- MOS-Transistoren verwendet werden.

3. Stromquellenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Transistoren und Schalter selbstsperrende p-Kanal- MOS-Transistoren verwendet werden.

4. Stromquellenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Transistoren und Schalter npn-Bipolartransistoren verwendet werden.

5. Stromquellenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Transistoren und Schalter pnp-Bipolartransistoren verwendet werden.

6. Schaltbare Stromquellenschaltung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstufe aus einem Transistor (T3a; T3b) besteht, dessen Drain-Anschluß mit dem Gate-Anschluß zusammengeschaltet ist und gemeinsam mit diesem den Strom­ eingang (Irefa; Irefb) sowie den Spannungsausgang (x) der Steuerstufe bilden und dessen Source-Anschluß an einen Versorgungspotentialanschluß (V_CC; V_DD) - geschaltet ist.

7. Stromquellenschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Source-Anschluß des die Steuerstufe bildenden Transistors (T3a; T3b) nicht unmittelbar, sondern über die Drain-Source-Strecke eines weiteren Transistors (T4a, T4b) an das besagte Versorgungspotential geschaltet ist, wobei der Gate-Anschluß dieses weiteren Transistors (T4a; T4b) mit einem Potential entgegengesetzter Polarität - z. B. dem anderen Versorgungspotential (V_DD; V_CC) - beaufschlagt ist.

8. Stromquellenschaltung nach einem der Ansprüche 2, 3, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstufe aus einem Transistor (T2a; T2b) besteht, dessen Drain-Anschluß den Stromausgang (Iouta; Ioutb) der Stromquellenschaltung bildet und dessen Gate­ anschluß den Steuereingang (x) der Ausgangsstufe bildet und dessen Source-Anschluß mit dem Drain-Anschluß eines den elektronischen Schalter bildenden Transistors (T2a; T2b) zusammengeschaltet ist.

9. Stromquellenschaltung nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität (Ca; Cb) durch einen Feldeffektransistor (TCa; TCb) realisiert ist, dessen Gate-Anschluß eine An­ schlußklemme der Kapazität (Ca; Cb) bildet und dessen übrige Anschlüsse gemeinsam die andere Anschlußklemme der Kapazität (Ca; Cb) bilden.

10. Stromquellenschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Gate-Anschluß des die Kapazität (Ca; Cb) realisie­ renden Transistors (TCa; TCb) mit dem Steuereingang des elektronischen Schalters zusammengeschaltet ist.

11. Bipolare Stromquellenanordnung, bestehend aus zwei Stromquellenschaltungen (SQSa, SQSb) mit Ausgangsströmen unterschiedlichen Vorzeichens, deren Stromausgänge (Iouta, Ioutb) gemeinsam den Stromausgang der bipolaren Stromquel­ lenanordnung bilden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung der Anordnung mindestens zwei Strom­ quellenschaltungen (SQSa, SQSb) nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche vorgesehen sind.

12. Verwendung einer bipolaren Stromquellenanordnung nach Anspruch 11 in der Ausgangsstufe eines Phasendetectors.

13. Verwendung einer bipolaren Stromquellenanordnung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Stromquellenschaltungen (SQSa1, SQSa2, SQSa3, SQSb1, SQSb2, SQSb3) vorgesehen sind, deren Ausgangsan­ schlüsse (Iouta1, Iouta2, Iouta3, Ioutb1, Ioutb2, Ioutb3) gemeinsam den Signalausgang (APD) des Phasendetectors bilden.

14. Verwendung einer bipolaren Stromquelle gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Stromquellenschaltungen (SQSa1, SQSa2, SQSa3, SQSb1; SQSb2, SQSb3) unterschiedlich große Aus­ gangsströme an ihren Ausgängen (Iouta1, Iouta2, Iouta3, Ioutb1, Ioutb2, Ioutb3) bereitstellen, wobei jeweils zwei Stromquellen (Iouta1, Ioutb1; Iouta2, Ioutb2; . . . ) mit Ausgangsströmen unterschiedlichen Vorzeichens einen dem Betragen nach gleich großen Strom bereitstellen.