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Die
Erfindung betrifft einen CMOS-Stromspiegel nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Ein solcher CMOS-Stromspiegel ist aus der
DE 697 08 167 T2 ,
dort
5, mit vertauschten Anschlüssen für das Versorgungspotenzial
und das Bezugspotenzial bekannt. Der bekannte Stromspiegel ist ein
Teil einer Erfassungsschaltung, mit der auf eine Fotodiode einfallende
Lichtintensität
in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt wird. Dazu wird der
Fotostrom der Fotodiode mit einem ersten Strom Spiegel, der in bipolarer
Technik realisiert ist, zu einem N-fachen Strom verstärkt. Der
N-fache Strom wird in den CMOS-Stromspiegel eingespeist, der mit
einem Übersetzungsverhältnis von
1/M arbeitet. Die bekannte Schaltung ist dann ferner so ausgestaltet, dass
sie an einem Ausgangssignalanschluss ein M/N-faches des Fotostroms
bereitstellt.
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Aus
der
5 der
US 5
864 228 ist ferner ein gestapelter („stacked” oder „cascode") CMOS-Stromspiegel mit einem Stromeingang
Z'
1,
einem Eingangs-Transistor T5, einem Stromausgang I
O,
einem Ausgangs-Transistor T4, einem für beide Transistoren T5, T4
gemeinsamen Gate-Knoten (
18) und einem Versorgungspotenzial-Anschluss
V
DD bekannt, der einen ersten weiteren Transistor
T2 und einen zweiten weiteren Transistor T3 aufweist. Die Leitfähigkeitstrecke
des Eingangstransistors liegt zwischen dem Stromeingang Z'
1 und
einem Bezugspotenzial-Anschluss
49. Die Leitfähigkeitsstrecke
des Ausgangstransistors T4 ist an den Bezugspotenzial-Anschluss
49 angeschlossen.
Er speist den Stromausgang mit einem Ausgangsstrom I
O.
Der erste weitere Transistor T2 bildet zusammen mit einer Transistordiode
T1 einen Teil-Stromspiegel des gestapelten CMOS-Stromspiegels. Seine
Leitfähigkeitsstrecke
liegt zwischen einem Versorgungspotenzial V
CC und
dem Gate-Knoten, und sein Gate-Anschluss ist an den Stromeingang
(I_in) angeschlossen. Der Gate-Anschluss des zweiten weiteren Transistors
T3 ist ebenfalls an den Gate-Knoten angeschlossen. Seine Leitfähigkeitsstrecke
liegt zwischen dem Gate-Knoten und dem Bezugspotenzial-Anschluss.
Dieser kaskadierte Stromspiegel soll eine niedrige Eingangsimpedanz
und große
Bandbreite besitzen, ohne dabei Spannungsbereichsbeschränkungen
anderer Stromspiegel zu besitzen.
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Aus
der
US 4 786 856 A ist
ein Stromspiegel aus bipolaren Transistoren bekannt, der eine Eingangsschaltung
zur Bereitstellung eines Kompensationsstroms aufweist, der von den
Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren abhängig ist. Der Kompensationsstrom ändert sich
mit der Temperatur mit dem Ergebnis, dass der Ausgangsstrom des Stromspiegels
weitgehend von den Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren unabhängig ist. Dadurch
soll eine temperaturkompensierte Stromquelle bereitgestellt werden.
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CMOS-Stromspiegel
sind ferner aus Tietze/Schenk, "Halbleiterschaltungstechnik,
ISBN 3-540-19475-4,
9. Aufl., Springer-Verlag Berlin/Heidelberg/New York, S. 96 und
97 bekannt. Aus der Veröffentlichung "A Novel Highspeed
Current Mirror Compensation Technique and Application", Thart Fah Voo,
Toumazou, C., IEEE International Symposium an Circuits and Systems;
1995, vol. 3, 28 April to 3 May 1995, pages: 2108 to 2111, ist ein
Stromspiegel mit einem Widerstand zwischen den Gate-Anschlüssen von
Eingangs- und Ausgangs-Transistor bekannt. Bekannt sind ferner Stromspiegel
mit Kaskoden-Transistoren zur Erhöhung des Ausgangswiderstands.
Verschiedene CMOS-Stromspiegel werden auch in der
US 2004/0056708 A1 angegeben.
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Das
Wirkungsprinzip eines CMOS-Stromspiegels beruht darauf, den Eingangs-Transistor
und den Ausgangs-Transistor mit gleicher Gate-Source-Spannung im
Sättigungsbereich
zu betreiben. Sind die beiden Transistoren identisch, fließen in ihren
Leitfähigkeitsstrecken
gleiche Ströme.
Dabei wird unter einer Leitfähigkeitsstrecke
jeweils ein Strompfad verstanden, der Drain und Source eines MOS-Transistors
unter Einschluss von Kanal- und ggf. vorhandenen Driftregionen verbindet.
Werden im Eingangszweig und im Ausgangszweig Transistoren mit verschiedenen
Transistorgeometrien verwendet, so bestimmt der Quotient w2*11/12*w1 den Quotienten von Ausgangsstromstärke und
Eingangsstromstärke, der
auch als Strom-Übersetzungsverhältnis bezeichnet
wird. Dabei bezeichnet w jeweils die Kanalweite, 1 die Kanallänge, der
Index 1 den Eingangstransistor und der Index 2 den Ausgangstransistor.
Darüber
hinaus erlauben Stromspiegel eine Erzeugung von ganzzahligen Vielfachen
oder von Bruchteilen des Eingangsstroms durch Parallelschaltung
einer entsprechenden Zahl identischer Transistoren zu dem Ausgangs-Transistor
oder dem Eingangs-Transistor.
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Änderungen
des Eingangsstroms bilden sich nicht verzögerungslos, sondern mit einer
gewissen Verzögerung
im Ausgangsstrom ab, die von den Steilheiten gm der Transistoren,
also von den Quotienten aus Drain-Strömen im Zähler und Gate-Source-Spannungen
im Nenner, und von Gate-Source-Kapazitäten der Transistoren abhängen. Diese Verzögerung ist
für manche
Anwendungen störend. Hohe Änderungsgeschwindigkeiten
des Ausgangsstroms werden zum Beispiel bei high speed Strom-DACs
(DAC = digital analog converter) und Lasertreibern in CD- und/oder
DVD-Geräten
bei schnellen Schreibvorgängen
verlangt. Die Erfindung ist aber nicht aus solche Anwendungen beschränkt. DACs
haben vielmehr eine breite Verwendung gefunden, so die Erfindung überall dort
einsetzbar ist, wo solche DACs einen Stromausgang haben und halbwegs
schnell sein müssen.
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Die
folgende Liste zählt
einige Beispiele auf, wobei die Aufzählung nicht abschließend ist:
low cost Messtechnik, programmierbare Spannungsquellen und Stromquellen,
Messtechnik im Automobilbereich, Präzisionsbewegungssteuerung wie
in der Druckindustrie, Regler im Automobilbereich, digital programmierbare
Stromschleifen, wie sie in der Telekommunikation verwendet werden,
Programmierbare Logikelemente (programmable logic controller), Input/Output-Karten,
Mobiltelefone, Hochgeschwindigkeits-Digital/Analog Tester, Funkrufempfänger (pager),
fiber optic Vermittlungsstellen(switching exchanges), Leistungsverstärker, Steuerung
spannungsgesteuerter Oszillatoren (VCO control). Stromspiegel werden
aber auch sonst vielfältig
im Design Integrierter Schaltkreise gebraucht, zum Beispiel zur Stromversorgung
von Schaltungsteilen wie Verstärkern
oder Mischern, zur analogen Signalverarbeitung, oder als Interface
zwischen zwei Schaltungen, weil eine Übertragung von Strömen gegenüber Störungen eines
Bezugspotenzials unempfindlicher ist als eine Übertragung von Spannungen.
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Vor
diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe
eines Stromspiegels, mit dem sich Eingangsströme mit kurzen Anstiegszeiten und
großer
Verstärkung
in Ausgangsströme
spiegeln lassen ohne dabei eine unerwünschte Neigung zu Signal-Überschwingern
und zu einem Klingeln in Kauf nehmen zu müssen. Dabei wird unter einer
großen Verstärkung eine
Verstärkung
um das 10-fache bis 20-fache verstanden.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der
erste weitere Transistor ermöglicht
dabei eine schnelle Aufladung der Gate-Anschlüsse der Eingangs- und Ausgangs-Transistoren des
Stromspiegels. Dies setzt jedoch den zweiten weiteren Transistor
voraus, der erst einen Stromfluss durch den ersten weiteren Transistor
ermöglicht. Durch
den zweiten weiteren Transistor kann ein Strom von dem gemeinsamen
Gate-Knoten der Eingangs- und Ausgangs-Transistoren abgeleitet werden,
obwohl die Gate-Anschlüsse
dieser beiden Transistoren keine Ströme aufnehmen. Dieser Stromspiegel
weist als Vorteil kürzere
Anstiegszeiten auf als die aus der eingangs genannten Veröffentlichung „Halbleiterschaltungstechnik" bekannten Stromspiegel.
Im Vergleich zu dem mit einem Ohm'schen Widerstand zwischen den Gate-Anschlüssen der
Eingangs-Transistoren und Ausgangs-Transistoren arbeitenden Stromspiegel
besitzt der hier vorgestellte Stromspiegel den Vorteil, dass dabei
keine Anpassung an die Stromstärke
erforderlich ist.
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Eine
Neigung zu Signal-Überschwingern
und zu einem Klingeln wird dadurch begegnet, dass der Stromspiegel
ein Dämpfungsnetzwerk
aus Dämpfungs-Transistoren
aufweist, das an den Stromeingang und den Bezugspotenzial-Anschluss
angeschlossen ist.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das Dämpfungsnetzwerk
einen ersten Dämpfungs-Transistor,
einen zweiten Dämpfungs-Transistor
und einen dritten Dämpfungs-Transistor
aufweist, wobei eine Leitfähigkeitstrecke
des ersten Dämpfungs-Transistors zwischen
dem Stromeingang und dem Bezugspotenzial-Anschluss liegt, eine Leitfähigkeitsstrecke
des zweiten Dämpfungs-Transistors
zwischen dem Versorgungspotenzial-Anschluss und einem Gate-Anschluss
des ersten Dämpfungs-Transistors liegt,
eine Leitfähigkeitstrecke
des dritten Dämpfungs-Transistors
zwischen dem Gate-Anschluss des ersten Dämpfungs-Transistors und dem
Bezugspotenzial-Anschluss liegt, ein Gate-Anschluss des zweiten
Dämpfungs-Transistors an
den Stromeingang und ein Gate-Anschluss
des dritten Dämpfungs-Transistors
an den Gate-Anschluss des ersten Dämpfungs-Transistors angeschlossen ist.
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Das
Dämpfungsnetzwerk
aus den Dämpfungs-Transistoren
verhält
sich ähnlich
wie eine Serienschaltung aus zwei NMOS-Dioden und senkt den Eingangswiderstand
des Stromspiegels am Stromeingang I_in. Dabei wird unter einer MOS-Diode
ein MOS-Transistor
mit verbundenem Drain und Gate verstanden. Als erwünschte Folge
dämpfen
die drei Dämpfungs-Transistoren
das genannte Überschwingen.
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Eine
alternative Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das Dämpfungsnetzwerk
eine Reihenschaltung aus zwei Transistordioden aufweist, die zwischen
dem Stromeingang und dem Bezugspotenzial-Anschluss liegt. Ein solcher
Stromspiegel mit nur zwei Transistoren verhält sich ähnlich wie der CMOS-Stromspiegel
mit dem drei Transistoren aufweisenden Dämpfungsnetzwerk.
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Bevorzugt
ist auch, dass der Stromspiegel einen Ausgangskaskoden-Transistor
aufweist, dessen Leitfähigkeitsstrecke
zwischen dem Stromausgang und der Leitfähigkeitsstrecke des Ausgangs-Transistors
liegt. Durch den Ausgangskaskoden-Transistor weist dieser Stromspiegel
einen vergrößerten Ausgangswiderstand
auf. Bevorzugt ist auch, dass ein Gate-Anschluss des Ausgangskaskodentransistors
an den Stromeingang angeschlossen ist.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass
der Stromspiegel einen Stromeingang mit einem Hauptstromeingang und
einem Hilfsstromeingang sowie einen Eingangskaskoden-Transistor
aufweist, wobei die Leitfähigkeitsstrecke
des Eingangskaskoden-Transistors mit einem Ende an den Hauptstromstromeingang
angeschlossen ist und mit dem anderen Ende den Hilfsstromeingang
bildet, Gate-Anschlüsse
des Eingangskaskoden-Transistors und des Ausgangskaskoden-Transistors
miteinander verbunden und an einen Kaskoden-Steueranschluss angeschlossen
sind; und der Gate-Anschluss
des ersten weiteren Transistors an den Hilfsstromeingang angeschlossen
ist.
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Diese
Ausgestaltung zeichnet sich durch eine Reduzierung der für einen
Betrieb am Stromeingang bzw. am Hauptstromeingang I_in erforderliche Eingangsspannung
von zwei Gate-Source-Spannungen auf eine Gate-Source-Spannung aus.
Außerdem weist
diese Ausgestaltung ebenfalls einen erhöhten Ausgangswiderstand auf.
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In
einer Ausgestaltung als Strombank weist der CMOS-Stromspiegel mehrere
Ausgangs-Transistoren
auf, deren Leitfähigkeitsstrecken
an den Bezugspotenzial-Anschluss angeschlossen sind und die jeweils
einen Stromausgang mit einem Ausgangsstrom speisen und deren Gate-Anschlüsse an den
gemeinsamen Gate-Knoten angeschlossen sind. Auf diese Weise kann
ein Vielfaches des Eingangsstroms als Ausgangsstrom erzeugt werden.
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Bevorzugt
ist ferner, dass der Stromspiegel einen disable-Eingang aufweist,
der mit einem Gate-Anschluss wenigstens eines disable-Transistors
verbunden ist und wobei eine Leitfähigkeitsstrecke des disable-Transistors
zwischen dem Stromeingang und dem Bezugspotenzial-Anschluss oder
zwischen dem gemeinsamen Gate-Knoten und dem Bezugspotenzial-Anschluss
liegt.
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Eine
alternative Ausgestaltung zeichnet sich durch zwei Disable-Tranistoren
aus, wobei der disable-Eingang mit einem Gate-Anschluss des ersten disable-Transistors
und einem Gate-Anschluss
des zweiten disable-Transistors verbunden ist, wobei eine Leitfähigkeitsstrecke
des ersten disable-Transistors zwischen dem Stromeingang und dem
Bezugspotenzial-Anschluss liegt und eine Leitfähigkeitsstrecke des zweiten
disable-Transistors zwischen dem gemeinsamen Gate-Knoten und dem
Bezugspotenzial-Anschluss liegt.
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Diese
Ausgestaltungen erlauben jeweils eine schnelle Abschaltung des Stromspiegels
durch Anlegen eines die disable-Transistoren aufsteuernden Signals
an den disable-Eingang.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass
der Stromspiegel wenigstens ein Dämpfungs-Teil-Netzwerk mit einem Anschlusspfad
zum gemeinsamen Gate-Knoten
aufweist, wobei der Anschlusspfad einen steuerbaren Widerstand aufweist.
Eine weitere Ausgestaltung besitzt mehrere Dämpfungs-Teil-Netzwerke mit
je einem Anschlusspfad zum gemeinsamen Gate-Knoten, wobei jeder
Anschlusspfad einen steuerbaren Widerstand aufweist.
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Durch
diese Merkmale kann die Dämpfung
in gesteuerter Weise variiert werden.
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In
einer Ausgestaltung weisen Dämpfungs-Teil-Netzwerke
zusätzliche
Dämpfungs-Transistoren, und
Schalter als steuerbare Widerstände auf.
Je mehr Schalter geschlossen sind, desto kürzer ist die Anstiegszeit und
desto weniger Dämpfung weist
der Stromspiegel auf. Durch Zuschalten oder Wegschalten einzelner,
diskreter Teil-Netzwerke kann die dämpfende Wirkung stufenförmig eingestellt werden.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der steuerbare
Widerstand als im Widerstandsbereich betriebener MOS-Transistor realisiert
ist.
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Als
erwünschte
Folge erlaubt diese Ausgestaltung ein stufenloses Einstellen der
dämpfenden Wirkung
eines einzelnen. Dämpfungs-Teil-Netzwerks.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegeben Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines Stromspiegels mit den Merkmalen der Erfindung;
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2 den
Stromspiegel aus 1 mit einer ersten Ausgestaltung
eines Dämpfungsnetzwerks;
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3 den
Stromspiegel aus der 1 mit einer zweiten Ausgestaltung
eines Dämpfungsnetzwerks;
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4 den
Stromspiegel aus 2 mit einem Ausgangskaskoden-Transistor;
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5 eine
Ausgestaltung mit einer Niedrig-Spannungs-Kaskode;
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6 eine
Ausgestaltung mit mehreren Ausgängen
(Strombank);
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7 eine
Ausgestaltung mit zusätzlichen disable-Transistoren,
die eine schnelle Abschaltung ermöglichen;
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8 eine
Ausgestaltung mit einer diskret abstimmbaren Dämpfung; und
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9 eine
Ausgestaltung mit einer kontinuierlich abstimmbaren Dämpfung.
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1 zeigt
einen CMOS-Stromspiegel 10 mit einem Stromeingang I_in,
einem Eingangs-Transistor 12,
einem Bezugspotenzial-Anschluss 14, einem Stromausgang
I_out und einem Ausgangs-Transistor 16. Die Leitfähigkeitsstrecke
des Eingangs-Transistors 12 liegt zwischen dem ersten Stromeingang
I_in und dem Bezugspotenzial-Anschluss 14. Die Leitfähigkeitsstrecke
des Ausgangs-Transistors 16 liegt zwischen dem Stromausgang
I_out und dem Bezugspotenzial-Anschluss 14. Gate-Anschlüsse beider
Transistoren 12, 16 sind mit einem gemeinsamen
Gate-Knoten 18 verbunden. Der Stromspiegel 10 weist
ferner einen Versorgungspotenzial-Anschluss 20 auf. Ein
erster weiterer Transistor 22 besitzt eine Leitfähigkeitsstrecke,
die zwischen dem Versorgungspotenzial-Anschluss 20 und dem
Gate-Knoten 18 liegt.
Der Gate-Anschluss 24 des ersten weiteren Transistors 22 ist
an den Stromeingang I_in angeschlossen. Die Leitfähigkeitsstrecke
eines zweiten weiteren Transistors 26 liegt zwischen dem
Gate-Knoten 18 und dem Bezugspotenzial-Anschluss 14.
Der Gate-Anschluss 28 des zweiten weiteren Transistors 26 ist
ebenfalls an den Gate-Knoten 18 angeschlossen.
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Der
als Source-Folger geschaltete erste weitere Transistor 22 beschleunigt
das Aufladen des Gate-Knotens 18 bei ansteigendem Strom über den Stromeingang
I_in. Damit wirkt der erste weitere Transistor 22 dynamisch ähnlich wie
ein Beta-Helper in Bipolar-Stromspiegeln. Im Gegensatz zu Basis-Anschlüssen von
Bipolar-Transistoren eines Bipolar-Stromspiegels nehmen die Gate-Anschlüsse des
Eingangs-Transistors 12 und des Ausgangs-Transistors 16 jedoch
keinen DC-Strom auf. Um dennoch einen DC-Strom durch den ersten
weiteren Transistor 22 zu ermöglichen, ist der zweite weitere
Transistor 26 vorgesehen. Der zweite weitere Transistor 26 ist
in der Ausgestaltung der 1 mit einem an den Gate-Knoten 18 angeschlossenen Gate-Anschluss 28 als
Diode geschaltet. Grundsätzlich
könnte
der zweite weitere Transistor 26 auch in Source-Schaltung
mit einer passenden Bias-Spannung am Gate-Anschluss 28 geschaltet sein.
Dann wäre
der Stromspiegel 10 aber langsamer. Die dargestellte Dioden-Schaltung
des zweiten weiteren Transistors 26 hat den Vorteil, dass
sich die Steilheiten gm der beiden weiteren Transistoren 22 und 26 addieren.
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Der
Stromspiegel 10 nach der 1 besitzt gegenüber den
bekannten Stromspiegeln eine stark verkürzte Anstiegszeit des Ausgangsstroms
nach einem Anstieg des Eingangsstroms. Er neigt jedoch zu starkem Überschwingen
und Klingeln.
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Zur
Abhilfe weist der in der 2 dargestellte CMOS-Stromspiegel 11 eine
erste Ausgestaltung eines Dämpfungsnetzwerks
aus Dämpfungs-Transistoren 30, 32 und 34 auf,
das an den Stromeingang I_in und den Bezugspotenzial-Anschluss 14 angeschlossen
ist.
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Dabei
ist eine Leitfähigkeitsstrecke
des ersten Dämpfungs-Transistors 30 an
den Stromeingang I_in und den Bezugspotenzial-Anschluss 14 angeschlossen.
Eine Leitfähigkeitsstrecke
des zweiten Dämpfungs-Transistors 32 liegt
zwischen dem Versorgungspotenzial-Anschluss 20 und einem Gate-Anschluss 36 des
ersten Dämpfungs-Transistors 30.
Eine Leitfähigkeitsstrecke
des dritten Dämpfungs-Transistors 34 liegt
zwischen dem Gate-Anschluss 36 des ersten Dämpfungs-Transistors 30 und dem
Bezugspotenzial-Anschluss 14. Ferner ist ein Gate-Anschluss 38 des
zweiten Dämpfungs-Transistors 32 an
den Stromeingang I_in und ein Gate-Anschluss 40 des dritten
Dämpfungs-Transistors 34 an den
Gate-Anschluss 36 des ersten Dämpfungs-Transistors 32 angeschlossen.
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Im Übrigen basiert
der CMOS-Stromspiegel 11 auf dem CMOS-Stromspiegel 10 und
weist ebenfalls die Elemente 12 bis 28 auf. Dies
gilt auch für
die in den 3 bis 9 dargestellten
weiteren Ausgestaltungen von CMOS-Stromspiegeln. In sämtlichen Figuren
bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils gleiche Elemente.
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Das
Dämpfungsnetzwerk
aus den drei Dämpfungs-Transistoren 30, 32, 34 verhält sich ähnlich wie
eine Serienschaltung aus zwei NMOS-Dioden und senkt den Eingangswiderstand
des Stromspiegels 11 am Stromeingang I_in. Als erwünschte Folge
dämpfen
die drei Dämpfungs-Transistoren 30, 32 und 34 das
genannte Überschwingen.
Der in den Stromeingang I_in strömende
Eingangsstrom teilt sich je nach Größe des Dämpfungs-Transistors 30 und des Eingangs-Transistors 12 in
einem bestimmten Verhältnis
auf diese Transistoren 30, 12 auf. Durch dieses
Verhältnis
wird die Dämpfung
bestimmt. Je mehr Strom durch den Dämpfungs-Transistor 30 fließt, desto
stärker
ist die Dämpfung.
Je mehr Strom durch den Eingangs-Transistor 12 fließt, desto
kürzer
ist die Verzögerung,
mit der ein Stromanstieg im Ausgangsstrom einem Stromanstieg im Eingangsstrom
des Stromspiegels 10 folgt. Allerdings verringert sich
mit kürzer
werdender Anstiegszeit auch die Dämpfung, so dass die Dimensionierung
der Transistoren 30, 12 immer einen Kompromiss
darstellt.
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3 zeigt
einen CMOS-Stromspiegel 13, bei dem das Dämpfungsnetzwerk
eine Reihenschaltung aus zwei Dioden 42, 44 aufweist,
die zwischen dem Stromeingang I_n und dem Bezugspotenzial-Anschluss 14 liegt.
Die Dioden 42, 44 sind bevorzugt als Transistordioden 42, 44 mit
kurzgeschlossenem Gate-Anschluss und Drain-Anschluss realisiert. Der
CMOS-Stromspiegel 13 verhält sich ähnlich wie der CMOS-Stromspiegel 11.
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4 zeigt
einen CMOS-Stromspiegel 15, der sich vom CMOS-Stromspiegel 10 durch
einen Ausgangskaskoden-Transistor 46 unterscheidet. Dabei
ist ein Gate-Anschluss 48 des Ausgangskaskoden-Transistors 46 an
den Stromeingang I_n angeschlossen, und die Leitfähigkeitsstrecke
des Ausgangskaskoden-Transistors 46 liegt zwischen dem Stromausgang
I_out und der Leitfähigkeitsstrecke des
Ausgangs-Transistors 16. Durch den Ausgangskaskoden-Transistor 46 weist
der Stromspiegel 15 im Vergleich zum Stromspiegel 10 einen
vergrößerten Ausgangswiderstand
auf. Allerdings verringert der Ausgangskaskoden-Transistor 46 die Aussteuerbarkeit
des Stromausgangs I_out. Daher muss die Spannung am Stromausgang
I_out beim Stromspiegel 15 höher sein als beim Stromspiegel 10,
um zu vermeiden, dass der Ausgangskaskoden-Transistor 46 im Triodenbereich
arbeitet.
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Die 5 zeigt
einen CMOS-Stromspiegel 17, bei dem der Stromeingang einen
Hauptstromeingang I_in und einen Hilfsstromeingang I_bias sowie einen
Eingangskaskoden-Transistor 50 aufweist.
Die Leitfähigkeitsstrecke
des Eingangskaskoden-Transistors 50 ist mit einem Ende 52 an
den Hauptstromeingang I_in angeschlossen, während das andere Ende 53 der
Leitfahigkeitsstrecke den Hilfsstromeingang I_bias bildet oder an
diesen angeschlossen ist. Der Gate-Anschluss 54 des Eingangskaskoden-Transistors 50 ist
mit dem Gate-Anschluss 48 des Ausgangskaskoden-Transistors 46 verbunden
und an einen Kaskoden-Steueranschluss V_casc angeschlossen. Ferner
ist der Gate-Anschluss 24 des ersten weiteren Transistors 22 zusammen
mit dem Gate-Anschluss 38 des zweiten Dämpfungs-Transistors 32 an
den Hilfsstromeingang I_bias angeschlossen.
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Wenn
n das Übersetzungsverhältnis des Stromspiegels 17 ist,
wird mit den resultierenden Hilfsströmen I_bias und n-x_I_bias und
den Kaskoden-Transistoren 46, 50, die am Stromeingang
bzw. am Hauptstromeingang I_in erforderliche Eingangsspannung von
zwei Drain-Source-Spannungen auf eine Drain-Source-Spannung reduziert.
Außerdem weist
der Stromspiegel 17 genauso wie der Stromspiegel 15 aus
der 4 einen gegenüber
den Stromspiegeln 10 aus den 1–3 erhöhten Ausgangswiderstand
auf.
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6 zeigt
einen Stromspiegel 19 mit mehreren Ausgängen I_out1, I_out2, I_out3,
wobei jeder Ausgang I_out1, I_out2, I_out3 einen eigenen Ausgangs-Transistor 16, 56, 58 aufweist,
dessen Leitfähigkeitsstrecke
jeweils an den Bezugspotenzial-Anschluss 14 angeschlossen
ist und dessen Gate-Anschluss jeweils an den gemeinsamen Gate-Knoten 18 angeschlossen
ist. Jeder Ausgangs-Transistor 16, 56, 58 speist
jeweils einen Stromausgang I_out1, I_out2, I_out3 mit einem Ausgangsstrom.
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Es
versteht sich, dass der Stromspiegel 19 anstelle von drei
Ausgangs-Transistoren 16, 56, 58 auch
jede beliebige andere Zahl von Ausgangs-Transistoren aufweisen kann.
Die dargestellte Ausgestaltung eines solchen, als Strombank dienenden CMOS-Stromspiegels 19 mit
mehreren Ausgängen I_out1,
I_out2, I_out3 basiert auf dem Stromspiegel 11 aus der 2.
Es versteht sich jedoch, dass die Ausgestaltung mit mehreren Ausgängen nicht
nur mit dem Stromspiegel 11, sondern auch mit den übrigen Stromspiegeln 10, 13, 15, 17 und
den weiter unten noch zu erläuternden
Ausgestaltungen von Stromspiegeln kombinierbar ist.
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7 zeigt
einen CMOS-Stromspiegel 21 mit einem zusätzlichen
disable-Eingang 60, der mit einem Gate-Anschluss eines
ersten disable-Transistors 62 und einem Gate-Anschluss
eines zweiten disable-Transistors 64 verbunden ist. Dabei
liegt eine Leitfähigkeitsstrecke
des ersten disable-Transistors 60 zwischen dem Stromeingang
I_in und dem Bezugspotenzial-Anschluss 14,
während
eine Leitfahigkeitsstrecke des zweiten disable-Transistors 64 zwischen
dem gemeinsamen Gate-Knoten 18 und dem Bezugspotenzial-Anschluss 14 liegt.
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Wenn
an den disable-Eingang 60 ein Signal gelegt wird, das die
disable-Transistoren 62 und 64 aufsteuert, wird
der Eingang I_in und der gemeinsame Gate-Knoten 18 jeweils
niederohmig mit dem Bezugspotenzial-Anschluss 14 verbunden,
wodurch der Stromspiegel 21 schnell abgeschaltet wird.
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Es
versteht sich, dass der disable-Anschluss 60 mit den beiden
disable-Transistoren 62 und 64 mit jedem anderen
der in dieser Anmeldung vorgestellten Stromspiegel kombinierbar
ist.
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Die 8 zeigt
einen CMOS-Stromspiegel 23, der neben dem bereits erläuterten
Dämpfungsnetzwerk
aus Dämpfungs-Transistoren 30, 32, 34 weitere
Dämpfungs-Teil-Netzwerke 66, 68, 70 aus zusätzlichen
Dämpfungs-Transistoren 30.1, 30.2, 30.3, 32.1, 32.2, 32.3, 34.1, 34.2, 34.3 aufweist.
Jedes weitere Dämpfungs-Teil.Netzwerk 66, 68, 70 weist
jeweils einen Anschlusspfad 72, 74, 76 zum
gemeinsamen Gate-Knoten 18 auf. Jeder Anschlusspfad 72, 74, 76 weist
einen steuerbaren Widerstand auf. In der Darstellung der 8 ist
der steuerbare Widerstand jeweils ein Schalter 78, 80, 82,
mit dem der Anschlusspfad 72, 74, 76 aufgetrennt
werden kann. Der steuerbare Widerstand ist in diesem Fall jeweils
digital zwischen einem niedrigen Wert bei geschlossenem Schalter 78, 80, 82 und
einem theoretisch unendlich hohen Wert bei geöffnetem Schalter 78, 80, 82 umsteuerbar
bzw. umschaltbar.
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Mit
Hilfe der zusätzlichen
Dämpfungs-Transistoren 30.1, 30.2, 30.3, 32.1, 32.2, 32.3, 34.1, 34.2, 34.3 und
der genannten Schalter 78, 80, 82 lässt sich die
Dämpfung
variieren. Je mehr Schalter 78, 80, 82 geschlossen
sind, desto kürzer
ist die Anstiegszeit und desto weniger Dämpfung weist der Stromspiegel 23 auf.
Bei geschlossenem Schalter 78 sind die zugehörigen Dämpfungs-Transistoren 30.1, 32.1, 34.1 effektiv
den Transistoren 12, 16, 26 parallel
geschaltet. Bei geöffnetem
Schalter 78 sind die zugehörigen Transistoren 30.1, 32.1, 34.1 dagegen
effektiv den Dämpfungstransistoren 30, 32, 34 eines
permanent wirkenden Dämpfungsnetzwerks
parallel geschaltet. Das gleiche gilt in Analogie für die Dämpfungs-Transistoren 30.2, 32.2, 34.2 in
Verbindung mit dem Schalter 80, sowie für die Dämpfungs-Transistoren 30.3, 32.3, 34.3 in
Verbindung mit dem Schalter 82. Es versteht sich, dass
die Zahl der zusätzlichen schaltbaren
Dämpfungs-Teil-Netzwerke
nicht auf die dargestellten drei zusätzlichen Dämpfungs-Teil-Netzwerke beschränkt ist,
sondern dass prinzipiell jede beliebige Zahl von Dämpfungs-Teil-Netzwerken
verwendet werden kann.
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Alternativ
zu einem diskreten Zuschalten oder Wegschalten einzelner Teilschaltungen
kann auch die dämpfende
Wirkung einer einzelnen Teilschaltung stufenlos eingestellt werden.
Eine Ausgestaltung, die dies erlaubt, ist in der 9 als CMOS-Stromspiegel 25 dargestellt.
Die Ausgestaltung der 9 weist ein zusätzliches
Dämpfungs-Teil-Netzwerk 81 auf,
das über
einen Anschlusspfad 83 mit dem gemeinsamen Gate-Knoten 18 verbunden
ist und das Dämpfungs-Transistoren 30.1, 32.1, 34.1 aufweist.
Der Anschlusspfad 83 weist einen MOS-Transistor 84 auf, der bei
einem Betrieb in seinem Widerstandsbereich einen steuerbaren Widerstand
darstellt. Die Einstellung eines niedrigen Widerstandes entspricht
in ihrer Wirkung dem Schließen
eines Schalters in der Ausgestaltung der 8. Analog
entspricht die Einstellung eines großen Widerstandes qualitativ
dem Öffnen
eines Schalters in der Ausgestaltung der 8. Anders
als bei der Ausgestaltung der 8 erlaubt
der steuerbare Widerstand 84 beim Gegenstand der 9 auch eine
stufenlose Einstellung von Zwischenwerten.
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Die
Erfindung wurde anhand von Ausgestaltungen mit NMOS-Transistoren
beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass sie bei entsprechender
Anpassung der DC-Potenziale auch mit PMOS-Transistoren realisierbar
ist. Ferner wurden verschiedene Ausgestaltungen in Verbindung mit
dem Dämpfungsnetzwerk
aus der 2 beschrieben. Es versteht sich
jedoch, dass diese Ausgestaltungen auch mit dem Dämpfungsnetzwerk
aus der 3 realisierbar sind.