Stromspiegel

Abstract

 Bei Generatoren zur Erzeugung mehrerer Vorspannungspotentiale in integrierten Schaltungen mit Stromspiegeln sind wegen der Reihenschaltungen aus mehreren Transistoren und wegen der bei MOS-Schaltungen durch den Substrat-Steuereffekt erhöhten Schwellenspannungen relativ hohe Spannungsabfälle an der Strom­quelle notwendig, damit die Transistoren nicht aus der Sätti­gung geraten und deswegen der Ausgangswiderstand stark ernie­drigt wird. Es wird eine Stromspiegelschaltung gesucht, die bei hoher Genauigkeit der Stromspiegelung einen geringen Spannungs­abfall über dem Stromspiegelausgang erfordert.
Der Stromspiegel enthält im Kreis für einen Referenzstrom (I_Ref1) eine Konstantstromquelle (Q) und einen ersten Transi­stor (T1). Der Kreis für einen gespiegelten Strom (I_O1) enthält einen zweiten Transistor (T2). Die Basen bzw. Gates dieser Transistoren (T1,T2) sind miteinander und mit dem Verbindungs­punkt der Stromquelle (Q) und des ersten Transistors (T1) verbunden (L1). Dem zweiten Transistor (T2) ist als regelbarer Widerstand oder geregelte Stromquelle ein dritter Transistor (T3) vorgeschaltet. Ein Differenzverstärker (D1) vergleicht die Potentiale am Verbindungspunkt der Konstantstromquelle (Q) und des ersten Transistors (T1) und am Verbindungspunkt zwischen dem zweiten und dritten Transistor (T2, T3) und steuert mit dem Ergebnis den dritten Transistor (T3) über seine Basis bzw. über sein Gate.
Der Stromspiegel eignet sich für Generatoren für Vorspannungs­potentiale in integrierten Schaltungen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromspiegel in integrier­ter Schaltkreistechnik mit einer aus der Emitter-Kollektor-­Strecke oder aus dem leitfähigen Kanal eines ersten Transi­stors, aus einem Stromspiegeleingang und aus einer Stromquelle bestehenden Reihenschaltung in einem Referenzstromkreis, mit der Emitter-Kollektor-Strecke oder dem leitfähigen Kanal eines zweiten Transistors in einem Kreis für einen gespiegelten Strom und mit einer Verbindung zwischen den Basen oder Gates des ersten und des zweiten Transistors einerseits und dem Strom­spiegeleingang andererseits.

[0002] Stromspiegel sind aus der Zeitschrift "FUNK-TECHNIK", 1973, Nr. 9, Seiten 313-314 und aus dem Buch "Analysis and Design of Analog Integrated Circuits", Second Edition, Gray and Meyer, John Wiley & Sons, New York, 1984, Seiten 709 - 718 bekannt.

[0003] Einstufige Differenzverstärker sind aus dem Buch "Bipolar and MOS Analog Integrated Circuit Design", Grebene, John Wiley & Sons, New York, 1984, Seiten 234 and 294 bekannt.

[0004] Zweistufige Operationsverstärker sind in den Büchern "CMOS Analog Circuit Design", Allen and Holberg, Holt, Rinehart & Winston Inc., New York, 1987, Seiten 387 und 388 und "Analysis and Design of Integrated Circuits", Second Edition, Gray and Meyer, John Wiley & Sons, New York, 1984, Seiten 741 und 742 beschrieben.

[0005] Aus der Druckschrift "IEEE 1985 Custom Integrated Circuits Conference", Seiten 174 - 177, Fig. 4 ist schließlich eine An­ordnung bekannt, in der ein Generator (bias circuit) mit meh­reren Stromspiegeln für Operationsverstärker erforderliche Vorsspannungspotentiale erzeugt. Diese werden beispielsweise für Telekommunikationsanwendungen in hochintegrierten Baustei­nen benötigt, in denen analoge und digitale Funktionen zusammen in einem Chip integriert sind.

[0006] In derartigen Generatoren wird, je nach Anzahl der benötigten Vorspannungspotentiale, eine Mehrfachumsetzung von Strömen durch kaskadierte Stromspiegel vorgenommen. Dadurch können, bedingt durch den endlichen Ausgangswiderstand der Transisto­ren, bei einer mehrfachen Stromspiegelung beträchtliche Unter­schiede zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsstrom entstehen.

[0007] Um den Ausgangswiderstand und damit die Toleranz der gespiegel­ten Ströme zu verbessern, werden statt einfacher Stromspiegel in der genannten Literatur beschriebene Wilson- oder Kaskoden-­Stromspiegel verwendet. Wegen der mit den Emitter-Kollektor-­Strecken oder den leitfähigen Kanälen in Reihe geschalteten Transistoren und der bei MOS-Schaltungen durch den Subtrat-­Steuereffekt erhöhten Schwellspannungen sind dabei relativ hohe Spannungsabfälle über dem Stromspiegelausgang notwendig, damit die Transistoren nicht aus der Sättigung geraten und dadurch der Ausgangswiderstand stark erniedrigt wird. Da für die digi­talen Funktionen am Baustein standardmäßig eine Versorgungs­spannung von 5 V anliegt und eine zusätzliche höhere Versor­gungsspannung für die analoge Funktion unerwünscht ist, sind dieser Lösung enge Grenzen gesetzt.

[0008] Selbst wenn bei MOS-Schaltungen für die Feldeffekttransistoren große Kanallängen, also Ausgangswiderstände gewählt werden, können durch stark unterschiedliche Eingangs- und Ausgangsspan­nungen an den Stromspiegeln bei mehrfacher Umsetzung beträcht­liche Toleranzen entstehen.

[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromspiegel anzugeben, bei dem sich geringere Fehler in der Stromumsetzung, also geringere Unterschiede zwischen Eingangs- und Ausgangs­strom als bei den bekannten Stromspiegeln ergeben.

[0010] Ausgehend von einem Stromspiegel der einleitend geschilderten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein dritter Transistor als regelbarer Widerstand oder geregelte Stromquelle mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke oder seinem leitfähigen Kanal zur Emitter-Kollektor-Strecke oder zum leit­fähigen Kanal des zweiten Transistors in Reihe geschaltet ist und daß ein Differenz-oder Operationsverstärker vorgesehen ist, dessen Plus-Eingang mit dem Stromspiegeleingang, dessen Minus-­Eingang mit dem Verbindungspunkt des zweiten und dritten Tran­sistors und dessen Ausgang mit der Basis oder dem Gate des dritten Transistors verbunden sind.

[0011] Befinden sich der erste und der zweite Transistor unmittelbar benachbart auf einem Chip, dann ist anzunehmen, daß beide Tran­sistoren gleich sind. Der Restfehler der Umsetzung beträgt dann:
I = I_O - I_Ref = U_offset gd
U_offset bedeutet die Offsetspannung des Differenzverstärkers und gd ist der differentielle Ausgangleitwert des zweiten Transistors.

[0012] Aufgrund der Regelung sind bei Feldeffekttransistoren große Kanallängen nicht mehr notwendig. Es kann vielmehr die in der jeweiligen Technologie minimale Kanallänge verwendet werden.

[0013] Eine einfache Differenzverstärker-Standardschaltung wird in den meisten Fällen die Ansprüche an Verstärkung und Offsetspannung erfüllen. Der zusätzliche Leistungsbedarf ist dadurch gering. Für höhere Ansprüche an die Präzision der Umsetzung kann auch ein mehrstufiger Differenzverstärker verwendet werden.

[0014] Der erfindungsgemäße Stromspiegel kann vorteilhafterweise in Schaltungen mit mehrfacher Stromspiegelung wie Vorspannungs­potentialgeneratoren eingesetzt werden.

[0015] Die erfindungsgemäße Lösung ist für alle Anwendungen geeignet, bei denen eine genaue Stromspiegelung bei geringem Spannungsab­fall über dem Stromspiegelausgang erforderlich ist. Sie benö­tigt lediglich einen geringen Entwicklungsaufwand und ist nicht auf MOS-Schaltungen beschränkt.

[0016] Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachstehend näher erläutert:

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Stromspiegel und

Fig. 2 zeigt eine Anordnung mit mehrfacher Stromspiegelung zur Erzeugung verschiedener Vorspannungspotentiale.

[0017] Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäße Stromspiegel. Dieser ent­hält n-Kanal-Feldeffekttransistoren T1 bis T3, einen Differenz­verstärker D1, eine Stromquelle Q und eine Verbindungsleitung L1. Der Stromspiegeleingang ist mit E1 und der Stromspiegelaus­gang ist mit A1 bezeichnet.

[0018] Ohne den Differenzverstärker D1 und den Transistor T3 hat man den bekannten Stromspiegel, in dem der Strom I_Ref1 den Strom I_O1 unabhängig von sonstigen Parametern wie Spannungen und Widerständen im Eingangs- und Ausgangskreis möglichst gleich groß steuert.

[0019] Der Differenzverstärker D1 vergleicht die Spannungen am Strom­spiegeleingang E1 und zwischen den Transistoren T2 und T3 und hält die Differenzspannung mit dem Transistor T3 minimal. Dabei kann dieser sowohl im Widerstandsbereich als geregelter Wider­stand als auch im Stromquellenbereich als geregelte Stromquelle arbeiten.

[0020] Fig. 2 zeigt eine Anordnung mit zwei erfindungsgemäßen Strom­spiegeln zur Erzeugung von Vorspannungspotentialen U1 und U2. Diese Anordnung enthält den Stromspiegel nach Fig. 1 zur Erzeu­gung des Vorspannungspotentials U1 am Stromspiegeleingang E1. Die Transistoren T1 bis T3 sind n-Kanal-Feldeffekttransistoren.

[0021] Die Anordnung enthält einen weiteren Stromspiegel mit - wegen der anderen Stromrichtung - p-Kanal-Feldeffekttransistoren T4 bis T6, mit einem Differenzverstärker D2 mit einer Verbindungs­leitung L2, mit einem Stromspiegeleingang E2 und mit einem Stromspiegelausgang A2. Mit U_B ist die Betriebsspannung bezeichnet.

[0022] Der erste Stromspiegel arbeitet so, wie es anhand der Fig. 1 bereits beschrieben wurde. In den Kreis des gespiegelten Stro­mes I_O1 ist der leitfähige Kanal des p-Kanal-Feldeffekttransi­stors T4 eingefügt. Der Verbindungspunkt zwischen den Transi­storen T3 und T4 ist der Stromspiegeleingang E2. Der im ersten Stromspiegel gespiegelte Strom I_O1 ist gleichzeitig der Refe­renzstrom I_Ref2 des zweiten Stromspiegels. Dieser arbeitet wie der erste und erzeugt am Stromspiegeleingang E2 das Vorspan­nungspotential U2. Der gespiegelte Strom des zweiten Strom­spiegels ist imt I_O2 bezeichnet.

[0023] Als Differenzverstärker werden Anordnungen eingesetzt, wie sie beispielsweise aus den eingangs dazu genannten Literaturstellen bekannt sind.

Ansprüche

1. Stromspiegel in integrierter Schaltkreistechnik mit einer aus der Emitter-Kollektor-Strecke oder aus dem leit­fähigen Kanal eines ersten Transistors (T1), aus einem Strom­spiegeleingang (E1) und aus einer Stromquelle (Q) bestehenden Reihenschaltung in einem Referenzstromkreis,
mit der Emitter-Kollektor-Strecke oder dem leitfähigen Kanal eines zweiten Transistors (T2) in einem Kreis für einen gespiegelten Strom (I_O1) und
mit einer Verbindung (V) zwischen den Basen oder Gates des ersten (T1) und des zweiten (T2) Transistors einerseits und dem Stromspiegeleingang (E1) andererseits,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein dritter Transistor (T3) als regelbarer Widerstand oder geregelte Stromquelle mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke oder seinem leitfähigen Kanal zur Emitter-Kollektor-Strecke oder zum leitfähigen Kanal des zweiten Transistors (T2) in Reihe geschaltet ist und
daß ein Differenz- oder Operationsverstärker (D1) vorgesehen ist, dessen Plus-Eingang mit dem Stromspiegeleingang (E1), des­sen Minus-Eingang mit dem Verbindungspunkt des zweiten (T2) und dritten (T3) Transistors und dessen Ausgang mit der Basis oder dem Gate des dritten Transistors (T3) verbunden sind.

2. Stromspiegel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein mehrstufiger Differenz- oder Operationsverstärker vor­gesehen ist.

3. Stromspiegel nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Transistoren (T1-T11) CMOS-Feldeffekttransistoren vor­gesehen sind.

4. Stromspiegel nach Anspruch 1, 2 oder 3,
gekennzeichnet durch
eine mehrfache Verwendung in Schaltungen mit mehrfacher Strom­spiegelung.

Zeichnung