[0001] Die Erfindung betrifft einen Spannungs-Strom-Wandler mit einem ersten Stromspiegel,
der zwei Transistoren aufweist, die derart ausgebildet sind, daß bei gleicher Ansteuerung
der durch den ersten Transistor fließende Strom um einen vorbestimmten Faktor größer
als der durch den zweiten Transistor fließende Strom ist, der den Ausgangsstrom des
Spannungs-Strom-Wandlers darstellt.
[0002] Spannungs-Strom-Wandler sind im Stand der Technik gut bekannt und dienen dazu, eine
Eingangsspannung in einen proportionalen Ausgangsstrom umzuwandeln. Dies wird beispielsweise
für den spannungsgesteuerten Oszillator (auch kurz mit VCO bezeichnet) in einem Phasenregelkreis
(auch kurz mit PLL bezeichnet) benötigt.
[0003] Der zu Beginn erwähnte bekannte Spannungs-Strom-Wandler ist in der FIG. 2 dargestellt.
Er weist einen Stromspiegel 10 mit zwei selbstsperrenden n-Kanal-MOSFETs 12, 14 (Abkürzung
für den englischen Begriff "metal-oxide-semiconductor field-effect transistor") auf.
Der Stromspiegel 10 wird über einen Vorwiderstand 16 programmiert, der in Reihe mit
dem Drain-Anschluß des ersten Transistors 12 an die Eingangsspannung U
E angeschlossen ist und den Drain-Strom I
12 des ersten Transistors 12 festlegt, der den Eingangsstrom I
E des Stromspiegels 10 darstellt.
[0004] Die Gate-Anschlüsse der beiden Transistoren 12, 14 sind miteinander sowie mit dem
Drain-Anschluß des ersten Transistors 12 verbunden, so daß beide Transistoren 12,
14 gleich angesteuert werden. Der Source-Anschluß des ersten Transistors 12 liegt
an Masse. Der Source-Anschluß des zweiten Transistors 14 liegt an Masse, und an seinem
Drain-Anschluß wird der Ausgangsstrom I
A des Spannungs-Strom-Wandlers abgenommen.
[0005] Der Stromspiegel 10 ist in dem Buch SEIFART, MANFRED, "Analoge Schaltungen - 5. Auflage",
1996, Verlag Technik GmbH, Berlin, DE (ISBN 3-341-01175-7), Bild 6.21 offenbart. Gemäß
der FIG. 2 ist bei dem bekannten Spannungs-Strom-Wandler die dort gezeigte Schaltung
jedoch dadurch abgewandelt, daß die Eingangsspannung U
E an Stelle der Versorgungsspannung U
DD an den Vorwiderstand 16 angeschlossen ist. Folglich ist die Eingangsspannung U
E entsprechend dem Widerstandswert des Vorwiderstands 16 proportional zu dem Eingangsstrom
I
E.
[0006] Da die Transistoren 12, 14 im Sättigungsbereich betrieben werden, sind ihre jeweiligen
Drain-Ströme I
12, I
14 zueinander proportional. Diese Proportionalität kann einfach durch Auswahl der geometrischen
Abmessungen der Transistoren 12, 14 bestimmt werden, wenn die übrigen Parameter, wie
die Oberflächenbeweglichkeit der Ladungsträger im Kanal µ
0, die Gate-Kapazität pro Fläche C
0x und die Schwellspannung U
T, für die Transistoren 12, 14 gleich sind. In diesem Fall gilt für die beiden Drain-Ströme
I
12 und I
14:

wobei β=W/L der Geometriequotient eines Transistors mit der Kanalbreite W und der
Kanallänge L ist.
[0007] Wenn folglich das Layout des ersten Transistors 12 und des zweiten Transistors 14
auf dem Chip geometrisch so dimensioniert wird, daß β
12=10·β
14 gilt, indem beispielsweise der Kanal des ersten Transistors 12 gleich lang, aber
zehnmal breiter als der Kanal des zweiten Transistors 14 gemacht wird, dann gilt entsprechend
auch I
12=10·I
14.
[0008] In diesem Fall ist also wegen der zuvor erwähnten Proportionalität zwischen Eingangsspannung
U
E und Eingangsstrom I
E≡I
12 auch der Drain-Strom I
14 des zweiten Transistors 14, der den Ausgangsstrom I
A des bekannten Spannungs-Strom-Wandlers darstellt, proportional zu der Eingangsspannung
U
E.
[0009] Da bei den genannten Anwendungsfällen des Phasenregelkreises die Eingangsspannung
U
E meist im Bereich zwischen 2 und 5 Volt vorliegt und die gewünschte Ausgangsstromstärke
I
A im Bereich von wenigen Nanoampere liegen soll, muß der Vorwiderstand 16 einen Widerstandswert
im Bereich von einigen Megaohm aufweisen. Widerstände in dieser Größenordnung benötigen
jedoch in integrierten Schaltungen eine sehr große Fläche, was einen großen Nachteil
darstellt, da die Kosten von integrierten Schaltungen hauptsächlich durch den Flächenbedarf
beeinflußt werden.
[0010] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Spannungs-Strom-Wandler der genannten Art
zur Verfügung zu stellen, der weniger Fläche benötigt.
[0011] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß:
- ein zweiter Stromspiegel vorgesehen ist, der zwei Transistoren aufweist;
- die beiden Stromspiegel derart in Reihe an eine Versorgungsspannung angeschlossen
sind, daß die beiden ersten Transistoren und die beiden zweiten Transistoren jeweils
in Reihe geschaltet sind; und
- ein MOSFET vorgesehen ist, der in Reihe zu dem ersten Transistor des ersten Stromspiegels
geschaltet und mit seinem Gate-Anschluß an die Eingangsspannung angeschlossen ist.
[0012] Bei diesem Spannungs-Strom-Wandler wird folglich auf den bisher in dem bekannten
Spannungs-Strom-Wandler benötigten Vorwiderstand 16 verzichtet, und da der nunmehr
vorgesehene MOSFET im Vergleich zu einem Widerstand eine erheblich kleinere Fläche
in einem IC hat, wird eine erhebliche Flächenersparnis erzielt, obwohl im Vergleich
zu dem bekannten Spannungs-Strom-Wandler mehr Bauteile vorgesehen sind.
[0013] Zur einfacheren Erläuterung der Funktionsweise dieses Spannungs-Strom-Wandlers wird
im folgenden angenommen, daß in dem zweiten Stromspiegel die beiden Transistoren identisch
sind, was hier bedeuten soll, daß durch sie bei gleicher Ansteuerung gleich große
Ströme fließen, und daß zudem der Faktor gleich zehn ist.
[0014] Falls der erste Stromspiegel allein betrachtet wird, würden durch seine beiden Transistoren
bei gleicher Ansteuerung unterschiedlich große Ströme fließen, genauer gesagt betrüge
der Strom durch den ersten Transistor entsprechend dem Faktor das Zehnfache des Stromes
durch den zweiten Transistor. Anders ausgedrückt weist der erste Transistor einen
Leitwert auf, der entsprechend dem Faktor das Zehnfache des Leitwertes des zweiten
Transistors beträgt.
[0015] Dieser erste Stromspiegel ist jedoch nicht allein, sondern in Reihe mit dem zweiten
Stromspiegel an die Versorgungsspannung, die wie die Eingangsspannung meist im Bereich
zwischen 2 und 5 Volt liegt, angeschlossen, wobei zum einen die beiden ersten und
zum anderen die beiden zweiten Transistoren in Reihe geschaltet sind und sozusagen
den Eingangsstrompfad bzw. den Ausgangsstrompfad des Spannungs-Strom-Wandlers bilden.
Die beiden identischen Transistoren des zweiten Stromspiegels sorgen nun dafür, daß
auch durch die beiden ungleichen Transistoren des ersten Transistors gleich große
Ströme fließen. Da deren Leitwerte aber hierdurch unverändert bleiben, fällt über
dem ersten Transistor eine Spannung ab, die entsprechend dem Faktor nur ein Zehntel
der über dem zweiten Transistor abfallenden Spannung beträgt. Die Restspannung, also
die Differenz zwischen diesen beiden Spannungen, fällt schließlich über dem in Reihe
zu dem ersten Transistor geschalteten MOSFET ab und stellt somit dessen Drain-Source-Spannung
dar.
[0016] Diese Drain-Source-Spannung bleibt in guter Näherung konstant und beträgt beispielsweise
60 mV. Dieser Wert ist in Hinblick auf den zuvor erwähnten Bereich der Eingangsspannung
zwischen 2 und 5 Volt ausgewählt und reicht aus, damit sie kleiner ist als die Gate-Ansteuerung
des MOSFET, also die Differenz zwischen der an ihn angelegten Gate-Source-Spannung,
die ja durch die Eingangsspannung gebildet wird, und seiner Schwellspannung. Folglich
wird der MOSFET in starker Inversion betrieben, so daß er sich im Widerstandsbereich
der Ausgangskennlinie befindet, der auch als "linearer Bereich" oder "aktiver Bereich"
bezeichnet wird.
[0017] Im Widerstandsbereich ist der Drain-Strom in guter Näherung proportional zur Drain-Source-Spannung.
Wegen dieser Proportionalität kann also dem Kanal des MOSFET ein Widerstandswert oder
Leitwert zugeordnet werden. Dieser Leitwert ist seinerseits proportional zur Gate-Ansteuerung.
Eine Vergrößerung der Eingangsspannung und damit der Gate-Ansteuerung bewirkt also
eine proportionale Vergrößerung des Leitwertes und damit auch des Drain-Stromes. Da
der Drain-Strom den ersten Stromspiegel programmiert, wird folglich der durch den
zweiten Transistor fließende Strom, der ja den Ausgangsstrom des Spannungs-Strom-Wandlers
bildet, ebenfalls proportional vergrößert, bleibt aber entsprechend dem Faktor nur
bei einem Zehntel des Stromes durch den ersten Transistor. Somit ist der Ausgangsstrom
proportional zur Eingangsspannung, wie es von einem Spannungs-Strom-Wandler ja auch
erwartet wird.
[0018] Vorteilharte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
[0019] Bevorzugt ist vorgesehen, daß der erste Stromspiegel einen dritten Transistor aufweist,
der an die Masse angeschlossen ist, wobei nun der durch ihn fließende Strom und nicht
mehr der durch den zweiten Transistor fließende Strom den Ausgangsstrom des Spannungs-Strom-Wandlers
darstellt. Dieser dritte Transistor dient somit als Auskoppeltransistor, so daß die
Eingangsspannung nicht mit dem Ausgangsstrom belastet wird. Dadurch wird ein hoher
Eingangswiderstand des Spannungs-Strom-Wandlers erzielt. Außerdem kann mit diesem
dritten Transistor der Ausgangsstrom unabhängig von dem zweiten Transistor auf die
gewünschte Größenordnung skaliert werden.
[0020] Bevorzugt ist weiter vorgesehen, daß in dem zweiten Stromspiegel der durch den ersten
Transistor fließende Strom dem durch den zweiten Transistor fließenden Strom gleicht.
Dadurch wird der Entwurf der Schaltung und des Layouts erleichtert.
[0021] Bevorzugt ist außerdem vorgesehen, daß in dem ersten Stromspiegel der erste Transistor
und der zweite Transistor in schwacher Inversion betrieben werden. Dadurch bleibt
die Drain-Source-Spannung über einen größeren Bereich von mehreren Dekaden konstant,
so daß die Genauigkeit des Spannungs-Strom-Wandlers verbessert wird.
[0022] Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten
Zeichnungen näher beschrieben.
- Fig. 1
- ist ein Schaltplan eines Spannungs-Strom-Wandlers in einer bevorzugten Ausführungsform;
und
- Fig. 2
- ist ein Schaltplan eines bekannten Spannungs-Strom-Wandlers.
[0023] Die Fig. 1 zeigt einen Spannungs-Strom-Wandler in einer bevorzugten Ausführungsform,
der einen ersten Stromspiegel 18, einen zweiten Stromspiegel 20 und einen MOSFET 22
aufweist. Bei der dargestellten Ausführungsform hat dieser MOSFET 22 einen selbstsperrenden
n-Kanal. Sein Source-Anschluß liegt an Masse, und die Eingangsspannung U
E des Spannungs-Strom-Wandlers ist an seinen Gate-Anschluß gelegt und bildet daher
die Gate-Source-Spannung U
GS.
[0024] Der dargestellte erste Stromspiegel 18 weist drei Transistoren 24, 26, 28 auf, die
bei der dargestellten Ausführungsform ebenfalls selbstsperrende n-Kanal-MOSFETs sind,
die im Sättigungsbereich betrieben werden. Ihre Gate-Anschlüsse sind miteinander sowie
mit dem Drain-Anschluß des ersten Transistors 24 verbunden, so daß alle drei Transistoren
24, 26, 28 gleich angesteuert werden. Der Source-Anschluß des ersten Transistors 24
ist mit dem Drain-Anschluß des MOSFET 22 verbunden, so daß der erste Transistor 24
und der MOSFET 22 in Reihe geschaltet sind. Der Source-Anschluß des zweiten Transistors
26 liegt an Masse. Der Source-Anschluß des dritten Transistors 28 liegt an der Masse,
und an seinem Drain-Anschluß wird der Ausgangsstrom I
A des Spannungs-Strom-Wandlers abgenommen. Der erste Stromspiegel 18 wird also durch
den Kanalwiderstand des MOSFET 22 programmiert.
[0025] Der dargestellte zweite Stromspiegel 20 weist zwei Transistoren 30, 32 auf, die bei
der dargestellten Ausführungsform selbstsperrende p-Kanal-MOSFETs sind, die im Sättigungsbereich
betrieben werden. Ihre Gate-Anschlüsse sind miteinander sowie mit dem Drain-Anschluß
des zweiten Transistors 32 verbunden, so daß beide Transistoren 30, 32 gleich angesteuert
werden. Ihre Source-Anschlüsse liegen an der Versorgungsspannung U
DD. Der Drain-Anschluß des ersten Transistors 30 ist mit dem Drain-Anschluß des ersten
Transistors 24 des ersten Stromspiegels 18 verbunden, während der Drain-Anschluß des
zweiten Transistors 32 mit dem Drain-Anschluß des zweiten Transistors 26 des ersten
Stromspiegels 10 verbunden ist, so daß die beiden ersten Transistoren 24, 30 und die
beiden zweiten Transistor 26, 32 jeweils in Reihe an die Versorgungsspannung U
DD angeschlossen sind.
[0026] In dieser bevorzugten Ausführungsform sind in dem ersten Stromspiegel 18 die drei
Transistoren 24, 26, 28 derart ausgebildet, daß bei gleicher Ansteuerung der durch
den ersten Transistor 24 fließende Drain-Strom I
24 um einen vorbestimmten ersten Faktor K
1 größer als der durch den zweiten Transistor 26 fließende Drain-Strom I
26 und um einen vorbestimmten zweiten Faktor K
2 größer als der durch den dritten Transistor 28 fließende Drain-Strom I
28 ist. Anders ausgedrückt weist der erste Transistor 24 einen Kanalleitwert G
24 auf, der das K
1-fache des Kanalleitwertes G
26 des zweiten Transistors 26 und das K
2-fache des Kanalleitwertes G
28 des dritten Transistors 28 beträgt. Dies kann einfach durch geeignete Auswahl der
geometrischen Abmessungen der drei Transistoren 24, 26, 28 bei im übrigen gleichen
Parametern erreicht werden, so daß auch ihre Geometriequotienten β
24, β
26, β
28 die genannten proportionalen Verhältnisse einhalten. Es gilt demnach:

und

[0027] Außerdem sind in dieser bevorzugten Ausführungsform in dem zweiten Stromspiegel 20
die beiden Transistoren 30, 32 identisch im oben genannten Sinne ausgebildet, so daß
bei gleicher Ansteuerung der durch den ersten Transistor 30 fließende Drain-Strom
I
30 gleich dem durch den zweiten Transistor 32 fließende Drain-Strom I
32 ist. Folglich sind auch ihre Kanalleitwerte G
30, G
32 gleich. Dies kann einfach durch geeignete Auswahl der geometrischen Abmessungen der
beiden Transistoren 30, 32 bei im übrigen gleichen Parametern erreicht werden, so
daß auch ihre Geometriequotienten β
30, β
32 gleich sind.
[0028] Im folgenden wird die Funktionsweise des dargestellten Spannungs-Strom-Wandlers beschrieben.
Hierzu wird der Verlauf von der Versorgungsspannung U
DD über den ersten Transistor 30 des zweiten Stromspiegels 20, den ersten Transistor
24 des ersten Stromspiegels 18 und den MOSFET 22 zur Masse als "Eingangsstrompfad"
des Spannungs-Strom-Wandlers bezeichnet, während der Verlauf von der Versorgungsspannung
UDD über den zweiten Transistor 32 des zweiten Stromspiegels 20 und den zweiten Transistor
26 des ersten Stromspiegels 18 zur Masse als "Ausgangsstrompfad" des Spannungs-Strom-Wandlers
bezeichnet wird.
[0029] Der zweite Stromspiegel 20 sorgt mit seinen identischen Transistoren 30, 32 dafür,
daß der Strom I
E im Eingangsstrompfad und der Strom I
1 im Ausgangsstrompfad gleich groß sind. In dem ersten Stromspiegel 18 verursachen
jedoch diese gleichen Ströme I
E, I
1 gemäß der Gleichung U=R·I=I/G über dem ersten Transistor 24 einen Spannungsabfall
U
24, der entsprechend dem oben genannten Leitwertverhältnis K
1=G
24/G
26 kleiner als der über dem zweiten Transistor 26 abfallende Spannungsabfall U
26 ist. Es gilt folglich:

[0030] Da beide Strompfade parallel von der Versorgungsspannung UDD zur Masse verlaufen,
fällt über ihnen insgesamt dieselbe Spannung ab, nämlich die Versorgungsspannung U
DD. Im Ausgangsstrompfad gilt also:

[0031] Hingegen muß im Eingangsstrompfad, obwohl U
30=U
32 gilt, wegen U
24<U
26 folgendes gelten:

[0032] Dort ist aber vor der Masse noch der MOSFET 22 vorhanden, an dem die restliche Spannung
als seine Drain-Source-Spannung U
DS abfällt, so daß gilt:

[0033] Der erste Faktor K
1 wird nun mit Hilfe der Geometriequotienten β
24, β
26 derart gewählt, daß der MOSFET 22 im Widerstandsbereich betrieben wird. Es muß also
folgendes gelten:

worin U
GS die Gate-Source-Spannung ist, die durch die Eingangsspannung U
E gebildet wird, U
T die Schwellspannung ist, und U
eff die Gate-Ansteuerung ist.
[0034] Umgekehrt wird durch den Kanalleitwert G
22 des MOSFET 22, da dieser im Eingangsstrompfad liegt, der erste Stromspiegel 18 programmiert,
das heißt, daß der auch durch den MOSFET 22 fließende Strom I
E im Eingangsstrompfad den Drain-Strom I
26 durch seinen zweiten Transistor 26, und somit auch den Strom I
1 im Ausgangsstrompfad, sowie den Drain-Strom I
28 durch seinen dritten Transistor 28 festlegt. Es gilt somit wegen der oben erwähnten
Gleichung K
2=I
24/I
28:

[0035] Dieser Drain-Strom I
28 durch den dritten Transistor 28 stellt den Ausgangsstrom I
A des Spannungs-Strom-Wandlers dar, so daß der zweite Geometriequotient K
2 derart gewählt werden kann, daß der Ausgangsstrom I
A in der gewünschten Größenordnung liegt.
[0036] Da im Widerstandsbereich die Gate-Ansteuerung U
eff≡U
E-U
T proportional zum Kanalleitwert G
22 und dieser gemäß der Gleichung I=G·U wiederum proportional zum Drain-Strom I
E ist, gilt für den MOSFET 22:

[0037] Hieraus folgt wegen der Programmierung, gemäß der I
E≈I
28≡I
A gilt, schließlich noch:

also die für einen Spannungs-Strom-Wandler gewünschte Proportionalität zwischen dem
Ausgangsstrom I
A und der Eingangsspannung U
E.
[0038] Auch müssen die Transistoren 30, 32 des zweiten Stromspiegels 20 nicht identisch
sein, vielmehr können sie sich beispielsweise ähnlich wie die Transistoren 24, 26,
28 des ersten Stromspiegels 18 um einen Faktor unterschieden.
[0039] Außerdem ist der Typ der Transistoren 24, 26, 28, 30, 32 der beiden Stromspiegel
18, 20 nicht auf die beschriebenen MOSFETs beschränkt, vielmehr können sie beispielsweise
MOSFETs mit anderer Polarität und/oder Dotierung, aber auch JFETs oder Bipolar-Transistoren
sein.