DE4216712A1 - Schaltbare Stromquellenschaltung und Verwendung einer solchen in einer Phasedetectoranordnung - Google Patents
Schaltbare Stromquellenschaltung und Verwendung einer solchen in einer PhasedetectoranordnungInfo
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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 VCC 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 VCC 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 VCC verbunden und sein
Gate-Anschluß ist im einfachsten Falle mit dem Versorgungs
potential der entgegengesetzten Polarität VDD 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 (VCC; VDD)
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 (VCC; VDD) - 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 (VDD; VCC) - 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.
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