Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, d.h. eine Stromquellenschaltung.

Stromquellenschaltungen kommen beispielsweise, aber bekanntlich bei weitem nicht ausschließlich in Differenzverstärkern, genauer gesagt als Fußstromquelle eines Differentialpaares von Transistoren zum Einsatz.

Die Figuren 1A, 1B, und 1C zeigen verschiedene Ausführungsformen einer solchen Anordnung.

In den gezeigten Schaltungen besteht das erwähnte Differentialpaar jeweils aus Transistoren T11, T12, und die Fußstromquelle aus einem Transistor T2.

Eine solche Stromquelleschaltung ist aus D1: = US-A-4 975 631 bekannt

Die Fußstromquelle liefert einen auch als Tailstrom bezeichneten Fußstrom IT an den gemeinsamen Sourceknoten des Differentialpaares. Die Größe dieses Stromes (die Größe einer den Transistor T2 steuernden Spannung VB2) wird gewöhnlich über einen als Diode geschalteten Transistor T2D und eine Stromquelle IQ erzeugt.

Die drainseitige Beschaltung des Differentialpaares kann beispielsweise aus Lastwiderständen R1, R2 (Figur 1A), einer sogenannte Folded Cascode (Figur 1B) oder einer beliebigen anderen Schaltung (Figur 1C) bestehen.

Ein wesentlicher Nachteil von Anordnungen dieser Art ist die Abhängigkeit des Tailstroms IT von der Gleichtaktaussteuerung des Differentialpaares an dessen Eingängen E+ (Gateanschluß des Transistors T11), und E- (Gateanschluß des Transistors T12). Schuld hieran ist der endliche Ausgangsleitwert des Transistors T2, der vor allem bei zeitgemäßen CMOS-Prozessen mit 0.12 µm Kanallänge sehr groß sein kann, so daß sich starke Schwankungen von IT ergeben.

Die sich am gemeinsamen Sourceknoten einstellenden Verhältnisse, genauer gesagt das sich dort einstellende Potential Vs, werden auch von der Drainseite der Transistoren T11 und T12 her beeinflußt, und zwar durch endliche Ausgangsleitwerte von T11, T12, oder durch typische Kurzkanaleffekte wie DIBL. Diese Einflüsse können durch bekannte Maßnahmen wie drainseitige Kaskoden (siehe beispielsweise Figur 1B) behoben werden.

Prinzipiell könnte auch die Fußstromquelle T2 kaskodiert werden (siehe Figur 1C; Kaskodetransistor T4), doch schränkt eine solche Maßnahme den Gleichtaktaussteuerungsbereich an E+, E- ein, da eine weitere Drain-Source-Stättigungsspannung (die Drain-Source-Stättigungsspannung von T4) untergebracht werden muß, und dies ist gerade bei geringen Vorsorgungsspannungen von typischerweise 1.2 V oder weniger oftmals nicht mehr machbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu finden, durch welche durch die Gleichtaktaussteuerung bedingte Fehler der Fußstromquelle von Differentialpaaren oder sonstigen elektrischen Schaltungen ohne ohne Beschränkung der Einsatzmöglichkeiten minimiert werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Patentanspruch 1 beanspruchte Stromquellenschaltung gelöst.

Die erfindungsgemäße Stromquellenschaltung zeichnet sich dadurch aus,

• daß die Stromquellenschaltung eine Steuervorrichtung (T2', T11', T12', T6, IQ1, IQ2) enthält, welche eine die Größe des von der Stromquellenschaltung abgegebenen Stromes bestimmende Komponente (T2) der Stromquellenschaltung steuert, und
• daß die Steuerung abhängig von den Verhältnissen erfolgt, die in der von der Stromquellenschaltung mit Strom versorgten Einheit herrschen.

Dadurch kann auf sehr einfache Weise sichergestellt werden, daß der von der Stromquellenschalung abgegebene Strom unter allen Umständen wunschgemäß groß ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, der folgenden Beschreibung, und den Figuren entnehmbar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Es zeigen

Figuren 1a, 1b, und 1c

verschiedene bekannte Ausführungsformen einer ein Differentialpaar und eine Fußstromquelle für das Diffentialpaar enthaltenden Anordnung,

Figur 2a

den Aufbau einer ein Differentialpaar und eine im folgenden näher beschriebene Stromquellenschaltung enthaltenden Anordnung,

Figur 2b

den Aufbau der in der Figur 2a gezeigten Anordnung für den Fall, daß anstelle des Differtialpaares eine andere Schaltung vorgesehen ist,

Figuren 3 bis 6

den Aufbau einiger möglicher Abwandlungen der in der Figur 2a gezeigten Anordnung, und

Figur 7

eine Darstellung der Ströme, die von herkömmlichen Stromquellenschaltungen und einer der im folgenden näher beschriebenen Stromquellenschaltungen, unter verschiedenen Bedingungen ausgegeben werden.

Es wird zunächst unter Bezugnahme auf Figur 2a die Grundidee der hier vorgeschlagenen Stromquellenschaltung beschrieben, und im Anschluß daran einige der möglichen Abwandlungen.

Die in der Figur 2a gezeigte Anordnung enthält eine mit Strom zu versorgende Schaltung und eine diese Schaltung mit Strom versorgende Stromquellenschaltung, wobei die Stromquellenschaltung aus einer die Größe des abgegebenen Stromes bestimmenden Komponente und einer diese Komponente steuernden Steuereinrichtung besteht.

Die mit Strom zu versorgende Schaltung ist bei dem in Figur 2a gezeigten Beispiel ein aus Transistoren T11 und T12 bestehendes Differentialpaar mit einer beliebigen drainseitigen Beschaltung, kann aber, wie später noch anhand von Beispielen erläutert wird, auch eine beliebige andere Schaltung sein.

Die die Größe des abgegebenen Stromes bestimmende Komponente der Stromquellenschaltung ist vorliegend ein drainseitig mit dem gemeinsamen Sourceknoten der Transistoren T11 und T12, und sourceseitig mit einer Versorgungsspannung VSS verbundener Transistor T2; dieser Transistor wird im folgenden teilweise auch als Fußstromquellentransistor T2 bezeichnet.

Die diesen Transistor T2 steuernde Steuervorrichtung ist ein in den Figuren mit FKS bezeichneter Regelkreis, der bei dem in in Figur 2a gezeigten Beispiel eine erste Stromquelle IQ1, eine zweite Stromquelle IQ2, und Transistoren T6, T2', und T11' umfaßt.

Der Transistor T2' ist ein Replicatransistor, auf welchen das gemeinsame Sourcepotential Vs des Differentialpaares, das gleichzeitig das Drainpotential des Fußstromquellentransistors T2 ist, auf einen Replicatransistor T2' abgebildet wird. Dies geschieht über den mit T2' in Serie geschalteten Transistor T11' (oder mehrere mit T2' in Serie geschaltete Transistoren). Das Gate des Transistors T11' wird so angesteuert, daß die Drainpotentiale Vs von T2 und Vs' von T2' weitgehend gleich sind. Der drainseitige Ausgangsstrom der Serienschaltung aus T2' und T11' entspricht damit weitgehend dem Tailstrom IT des Differentialpaars, ist also ein Replikat desselben, gegebenenfalls mit einem konstanten Faktor skaliert, der sich aus der Skalierung der Transistorweiten ergibt. Im betrachteten Beispiel beträgt der replizierte Strom beispielsweise IT/2, wenn die Weite von T11 genauso groß ist wie die Weite von T11', aber T2 doppelt so groß ist wie T2', bei gleicher Länge der Transistoren. Dieses Verhältnis 1:2 kann durch Variation der Transistorgeometrien geändert werden, wichtig für die bestmögliche Replikation des Potentials Vs an Vs' sind lediglich jeweils gleiche Stromdichten in den Transistorpaaren T2, T2' bzw. T11, T11'.

Die bereits erwähnte erste Stromquelle IQ1 liefert an den Regelkreis einen Strom, der der Summe des - möglicherweise mit einem Faktor skalierten - Sollwertes IS des Fußstroms, hier beispielhaft als IS/2 gewählt, und dem Arbeitsstrom IB des Regelkreises entspricht. Uber die zweite Stromquelle IQ2 wird dem Regelkreis sein Arbeitsstrom IB wieder entzogen. Das Gatepotential VB2 am gemeinsamen Gateanschluß von T2 und T2' steigt, wenn der replizierte Strom IT/2 kleiner ist als der Sollstrom IS/2, und sinkt, wenn er größer ist. Durch dieses Regelgesetz wird das Gatepotential VB2 so geregelt, daß der Tailstrom IT dem Sollstrom IS entspricht. Die Schaltungstopologie erlaubt sehr hohe Bandbreiten, und ist in der Regel ohne weitere MaBnahmen stabil, wobei die Gate-Sourcekapazitäten von T2 und T2' als Kompensationskspazität wirken.

Für die Anwendung der Erfindung bei Differentialpaaren genügt die Verbindung des Gateanschlusses von T11' mit einem der Eingänge E+, E- des Differentialpaars zur Ubertragung des Dreinpotentials Vs von T2 als Vs' an das Drain von T2'.

Es ist für die Funktion des erfindungsgemäßen Stromregelkreises nicht erforderlich, daß die Sourceanschlüsse des Stromquellentransistors T2 und des Replicatransistors T2' direkt mit einer Versorgungsspannung verbunden sind. Es genügt, wenn die Sourceanschlüsse von T2, T2' gegenüber ihrem Substrat die gleiche Spannung haben. Die Erfindung ist daher sehr vielseitig einsetzbar.

Der erfindungsgemäße Stromregelkreis aus T2', T6 und T11' sowie den Stromquellen IQ1 und IQ2 ist auch ohne Differentialpaar, d.h. ganz allgemein brauchbar, um Fehler durch Ausgangsleitwerte von Stromquellentransistoren auszuregeln, wenn das Gate von T11' durch eine fallspezifisch geeignete Schaltung so angesteuert wird, daß das Drainpotential Vs des Stromquellentransistors T2, dessen Fehler kompensiert werden soll, an das Drainpotential Vs' von Transistor T2' im Stromregelkreis übertragen wird. Dieser allgemeinere Fall ist beispielhaft in Figur 2b dargestellt. Hier dient beispielhaft ein Operationsverstärker OP dazu, durch die Ansteuerung des Gates von T11' das Drainpotential Vs des Stromquellentransistors T2 an den Replicatransistor T2' zu übertragen. Es sei angemerkt, daß nicht nur die beispielhafte Schaltung mit dem Operationsverstärker OP dazu geeignet ist, diese Potentialübertragung zu bewerkstelligen, sondern daß fallweise auch andere Schaltungen dazu geeignet sein können, je nachdem, wo sich die zu fehlerkompensierende Stromquelle befindet.

Dieses Beispiel nach Figur 2b zeigt, daß die durch den erfindungsgemäßen Stromregelkreis fehlerkompensierte Stromquelle nicht unbedingt auf ein Differentialpaar als Stromsenke führen muß. Ist das aber dennoch der Fall, hat die erfindungsgemäße Schaltung den Vorteil, daß durch geeignete Dimensionierung der Transistorgeometrien die Replikation des Potentials Vs als Vs' an T2' ohne zusätzliche Schaltungselemente, wie etwa den Operationsverstärker aus Figur 2b, möglich ist, und sich somit ein minimaler Schaltungsaufwand ergibt.

Die Regelkreis-Variante gemäß Figur 2a wird vorzugsweise in Fällen angewendet, in welchen sich das Differentialpaar im eingeschwungenen Zustand immer im Gleichgewicht befindet.

Eine andere Variante des Stromregelkreises ist in der später noch genauer beschriebenen Figur 6 gezeigt. Diese Variante enthält zwei Stelltransistoren T11, T12' für die Replikation des Drainpotentials Vs, so daß beide Eingänge E+, E- des Differentialpaares in die Regelung eingehen. Diese Regelkreis-Variante wird bevorzugt, wenn das Differentialpaar nicht immer im Gleichgewicht betrieben wird. Dies ist beispielsweise bei schnellen Analog-Digitalwandlern vom Flash- oder Foldingtyp der Fall.

Figur 3 zeigt beispielhaft eine praktische Realisierung des erfindungsgemäßen Stromregelkreises ohne ideale Stromquellen IQ1, IQ2.

Die Stromquelle IQ1 aus den Figuren 2a, 2b, 6 ist hierbei durch einen Transistor T7 realisiert, der zusammen mit einem Transistor T7' einen Stromspiegel bildet. Zur Verbesserung der Eigenschaften des Stromspiegels T7, T7' ist ein Kaskodetransistor T6' in Serie mit T7' geschaltet, der vorzugsweise dieselbe Stromdichte aufweist wie der Kaskodetransistor T6 im Stromregelkreis. Den Kaskodetransistoren T6, T6' wird ein Gatepotential VB6 zugeführt, das den Arbeitspunkt der Kaskode einstellt. Die Stromquelle IQ2 aus den Figuren 2a, 2b, 6 ist durch einen Transistor T8 realisiert. Der Arbeitsstrom IB sowie der skalierte Sollstrom IS/2 wird der Schaltung über zwei Klemmen K1, K2 sowie weitere Stromspiegel, T8'', T8', T8 und T9', T9 zugeführt. Die Summation von IB und IS/2 für die Stromquelle IQ1, also Transistor T7, geschieht am gemeinsamen Gateanschluß der Transistoren T7, T7'.

Dieses Realisierungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Stromregelkreis hat noch den Nachteil, daß die Stromspiegel an den Klemmen K1, K2 nicht kaskodiert sind. Für geringere Anforderungen gelingt es aber in der Praxis oftmals, durch geeignete Dimensionierung von T2' und T8 dafür zu sorgen, daß das Gatepotential von T8", T8', T8 ungefähr so groß ist wie das Potential VB2. Hierdurch wird zumindest der Fehler durch endliche Ausgangsleitwerte der Transistoren T8", T8', T8 gelindert.

Figur 4 zeigt beispielhaft eine für höhere Genauigkeitsanforderungen geeignete Schaltung, die aus der Figur 3 hervorgeht, wenn die an den Klemmen K1 und K2 angeschlossenen Stromspiegel ebenfalls kaskodiert werden. Hierzu dienen die Transistoren T10, T10', die den Transistoren T9, T9' in Serie geschaltet sind, sowie die Transistoren T13, T13', T13", die den Transistoren T8, T8', T8'' in Serie geschaltet sind. Den Gateanschlüssen von T10, T10' wird ein Gatepotential VB10 zugeführt, um den Arbeitspunkt der Kaskode einzustellen. Denselben Zweck hat das den Gateanschlüssen von T13, T13', T13" zugeführte Gatepotential VB13. Bei dieser Schaltung ist der Aussteuerungsbereich des Potentials VB2 zwar etwas enger als bei der Schaltung nach Figur 3, aber heutige CMOS Prozesse stellen meist eine genügende Auswahl von Thresholdspannungen zur Verfügung, um die Gate-Sourcespannung von T2 passend auszuführen. Bei CMOS-Prozessen mit getrennten Wannen ist es ferner möglich, die Thresholdspannungen über eine entsprechende Vorspannung der Wanne einstellbar zu machen, und hier ist die Schaltung nach Figur 4 in der Regel problemlos, da die Aussteuerung von VB2 um den Nominalwert aufgrund der Verstärkung der Schleife nur gering ist.

Figur 5 zeigt beispielhaft eine weitere Realisierungsvariante der erfindungsgemäßen Schaltung, bei der die Stromquelle IQ1 durch parallelgeschaltete Transistoren T7 und T14 realisiert ist. T7 führt dem Regelkreis den Arbeitsstrom IB zu, während T14 den skalierten Sollstrom IS/2 zuführt. Die Stromquelle IQ2 ist auch bei dieser Variante wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen mit einem Transistor T8 realisiert. T8 könnte auch hier wie bei Figur 4 zusätzlich mit einem Kaskodentransistor ausgestattet werden. Die Gatepotentiale VB7, VB8 und VB14 der Transistoren T7, T8 und T14 können in bekannter Weise aus einer Stromspiegelschaltung gewonnen werden. Der Vorteil dieser Realisierungvariante liegt darin, daß der Sollstrom einmal weniger gespiegelt wird als bei den vorangegangenen Varianten und daher genauer eingestellt wird.

Welche der Varianten letztlich die bessere Lösung ist, hängt von der umgebenden Schaltung ab.

Figur 6 zeigt eine zweite Variante des efinderischen Stromregelkreises, bei der die Spannungen an beiden Eingängen E+, E-der Differenzstufe in die Regelung eingehen. Zu diesem Zweck ist dem ersten Stelltransistor T11' der bisherigen Schaltungen in den Figuren 2a, 2b, 3, 4, 5 ein zweiter Stelltransistor T12' parallelgeschaltet, wobei sein Gate mit dem bisher nicht benutzten Eingang der Differenzstufe verbunden ist. Dies gewährleistet eine gute Replikation des gemeinsamen Sourcepotentials Vs der Differenzstufe als Drainpotential Vs' des Transistors T2'. Um die Stromdichten der für die Replikation wesentlichen Transistorpaare T11, T11', sowie T12, T12' und T2, T2' gleich zu halten, wird in dieser Figur beispielhaft mit einer Skalierung von 1:1 der Transistoren T2 und T2' gearbeitet sowie dem Regelkreis der volle Sollstrom IS zugeführt. Solange die Stromdichten stimmen, ist jedoch auch eine nahezu beliebige Skalierung der wesentlichen Transistoren möglich, die nur von der bei kleineren Transistordimensionen schlechterwerdenden Übereinstimmungvon Transistorpaaren (Mismatch) beschränkt wird, da die Genauigkeit der Regelung von dieser Ubereinstimmung abhängt.

Figur 7 zeigt ein Simulationsergebnis zum Vergleich des Fußstroms IT(prior Art) einer gewöhnlichen FuBstromquelle nach Figur 1a und 1b und den durch die erfindungsgemäße Schaltung fehlerkompensierten Fußstrom IT(Komp) über der Gleichtaktaussteuerung an den Eingängen E+ eines Differentialpaares. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung sollte offensichtlich sein. Ein weiterer Vorteil offenbart sich bei einer Gleichtaktaussteuerung unter 0.55 V: hier beginnt die Kurve zwar vom Ideal abzuweichen, da die Fußstromquelle in den Triodenbereich gefahren wird, und somit die Verstärkung im Regelkreis sinkt. Diese Abweichung ist aber wesentlich geringer als ohne die erfindungsgemäße Fehlerkompensationsschaltung. Das heißt, daß es bei Einsatz der erfindungsgemäßen Fehlerkompensationsschaltung sogar möglich ist, den Gleichtaktaussteuerungsbereich zu erweitern, indem der Stromquellentransistor bis in den Triodenbereich hinein genutzt werden kann, und nicht nur im Sättigungsbereich.

Die erfindungsgemäße Schaltung kann durch Vertauschen von n-Kanal-Transistoren mit p-Kanal-Transistoren und umgekehrt sowie durch Umpolung der Versorgungsspannung in eine komplementäre Schaltung gleicher Arbeitsweise überführt werden. Ferner ist es möglich, statt der MOSFET-Transistoren in den Figuren Bipolartransistoren einzusetzen.

In dem Fall, daß die fehlerkompensierte Stromquelle eine Fußstromquelle eines Differentialpaares T11, T12 ist, wird das Gate bzw. die Basis des mindestens einen Stelltransistors T11' vorzugsweise mit dem Gate bzw. der Basis eines ersten Transistors T11 des Differentialpaares verbunden.

In dem Fall, daß ein zweiter Stelltransistor T12' vorhanden ist, wird dessen Gate bzw. Basis vorzugsweise mit dem Gate bzw. der Basis des zweiten Transistors T12 des Differentialpaares verbunden, und sein Drain bzw. Kollektor mit dem Drain bzw. Kollektor des ersten Stelltransistors verbunden, ebenso wird seine Source bzw. sein Emitter mit der Source bzw. Emitter des ersten Stelltransistors verbunden.

Die beschriebene Stromquellenschaltung ist eine fehlerkompensierte Stromquelle, die auf Replikation des Fehlers in einem Stromregelkreis beruht. Sie ermöglicht eine hohe Performance der Stromquelle ohne Kaskodierung des Stromquellentransistors.

FKS

Fehlerkompensationsschleife

IB

Arbeitsstrom des Reglers

IQ, IQ1, IQ2

Stromquellen

IS

Sollstrom

IT

Tailstrom, Fußstrom

K1, K2

Anschlußklemmen zur Stromzuführung

OP

Operationsverstärker

R1, R2

Lastwiderstände

T2

Fußstromquellentransistor eines Differentialpaares

T2'

Replicatransistor der Fußstromquelle T2

T2D

als Diode geschalteter Transistor zur Erzeugung von VB2

T31, T32

Stromquellentransistoren einer "Folded Cascode"

T41, T42

Kaskodetransistoren einer"Folded Cascode"

T4

Kaskodetransistor für Stromquelle T2

T6

Kaskodetransistor in der Fehlerkompensationsschleife

T6'

Transistor in der Biasschaltung mit Stromdichte wie T6

T7

Stromquellentransistor zur Realisierung von IQ1

T7'

Transistor in der Biasschaltung mit Stromdichte wie T7

T8

Stromquellentransistor zur Realisierung von IQ2

T8', T8"

Transistoren in der Biasschaltung mit Stromdichte wie T8

T9, T9'

Stromspiegel für Sollstrom

T10, T10'

Kaskodetransistoren für T9, T9'

T11, T12

Transistoren eines Differentialpaares

T11'

erster Stelltransistor für die Drainspannung von T2'

T12'

zweiter Stelltransistor für die Drainspannung von T2'

T13

Kaskodetransistor für Stromquelle T8

T13', T13"

Transistoren in der Biasschaltung mit Stromdichte wie T13

T14

Stromquellentransistor zur Realisierung von IQ1

VB1, VB2, VBn

Biasspannung zur Arbeitspunkteinstellung

VDD

Positive Versorgungsspannungsklemme

Vs

Drainpotential des Stromquellentransistors T2

Vs'

an T2' repliziertes Drainpotential

Vs6

Sourcepotential von T6 oder Knotenbezeichner Vs6

VSS

Negative Versorgungsspannungsklemme