DE19940382A1 - Stromquelle für niedrige Betriebsspannungen mit hohem Ausgangswiderstand - Google Patents

Abstract

Es wird eine Stromquelle (30) mit hohem Ausgangswiderstand beschrieben, die einen strombestimmenden Transistor (12) und eine Regelschaltung (13) für den strombestimmenden Transistor (12) aufweist. Die Regelschaltung (13) verfügt über eine Verstärkerschaltung (14) mit Transistoren (15, 16) sowie einen Regeltransistor (17) und ermöglicht einen hohen Ausgangswiderstand der Stromquelle. Um die Stromquelle (30) gleichzeitig auch für sehr geringe Betriebsspannungen nutzen zu können, ist erfindungsgemäß eine Sourcefolger-Schaltung (31) vorgesehen, die zur Einstellung eines frei einstellbaren, minimalen Spannungsabfalls über der Stromquelle dient. Diese Sourcefolger-Schaltung (31) weist einen oder mehrere Transistoren (32, 33) auf und beeinflußt die Spannung (Vds) am strombestimmenden Transistor (12). Durch eine Korrekturschaltung (41) mit Transistoren (42, 43) kann der Ausgangswiderstand der Stromquelle weiter verbessert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromquelle mit hohem Ausgangswiderstand, die einen, den Ausgangsstrom bestimmenden Transistor und eine Regelschaltung für den strombestimmenden Transistor aufweist.

Die Entwicklungen in der CMOS-Prozeßtechnik erfordern neue Lösungen für Grundschaltungen der analogen Schaltungstechnik, die trotz der veränderten Transistoreigenschaften und den sinkenden Betriebsspannungen hohen Anforderungen beispiels­ weise hinsichtlich Linearität und Bandbreite genügen.

Stromquellen können beispielsweise als Grundbausteine für Stromspiegelschaltungen verwendet werden. Bei Stromspiegeln handelt es sich allgemein um eine Schaltungsanordnung, bei der am Ausgang eine Kopie des Eingangsstroms geliefert wird. Der Zweck eines Stromspiegels besteht somit darin, einen Ein­ gangsstrom zu vervielfältigen und/oder zu verstärken bezie­ hungsweise abzuschwächen und an dem/den Augangsknoten wieder auszugeben. Der einfachste Stromspiegel besteht dabei aus zwei identischen Transistoren.

Derart einfache Stromspiegel haben jedoch den Nachteil, daß sie einen relativ niedrigen Ausgangswiderstand aufweisen und somit für viele Anwendungen ungeeignet sind. Der Strom durch einen MOS-Transistor wird sowohl von den Potentialen am Gate- Anschluß als auch vom Spannungsabfall über der Source-Drain- Strecke bestimmt.

Um einen hohen Ausgangswiderstand zu erhalten, werden deshalb beispielsweise kaskodierte Stromquellen eingesetzt. Bei einer solchen Stromquelle werden die Source-Drain-Strecken minde­ stens zweier MOS-Transistoren in Reihe geschaltet und die Ga­ teanschlüsse auf jeweils festes Potential gelegt. Dadurch wird die Drain-Source-Spannung über dem strombestimmenden Transistor von Spannungänderungen am Ausgangsknoten entkop­ pelt und somit der Ausgangswiderstand erhöht. Der Nachteil bei solch kaskodierten Stromspiegeln besteht darin, daß zwi­ schen dem Ausgangsknoten und dem Betriebsspannungsanschluß eine relativ hohe Mindestspannung anliegen muß, damit der spezifizierte Ausgangswiderstand noch erreicht wird. Wird diese unterschritten, sind die MOS-Transistoren nicht mehr in Sättigungsbetriebsart und der Ausgangswiderstand der Strom­ quelle nimmt drastisch ab. Dieser Mindestspannungsabfall be­ stimmt im wesentlichen die Tauglichkeit der Stromquelle für einen Einsatz bei niedrigen Betriebsspannungen.

Eine Verbesserung dieser kaskodierten Stromquelle stellt die sogenannte regulierte Kaskoden-Stromquelle (regulated current source) dar, von der die vorliegende Erfindung ausgeht. Eine solche Stromquelle, deren Aufbau und Funktionsweise in Ver­ bindung mit Fig. 1 näher erläutert wird, ermöglicht, daß die Drain-Source-Spannung am strombestimmenden Transistor kon­ stant bleibt. Dadurch kann der Spannungsabfall über dieser Stromquelle auf einen vergleichsweise kleinen Wert reduziert werden, wobei die untere Grenze dieses Spannungsabfalls durch die Schwellenspannung von einem der Transistoren im Regel­ kreis vorgegeben wird. Aufgrund der hohen Verstärkung im Re­ gelkreis weist die Stromquelle einen hohen Ausgangswiderstand auf.

Prinzipbedingt kann der minimale Spannungsabfall über der Stromquelle die oben erwähnte Schwellenspannung nicht unter­ schreiten, was bei extrem niedrigen Betriebsspannungen pro­ blematisch sein kann.

Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Stromquelle der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll die Stromquelle einen hohen Ausgangswiderstand aufweisen und gleichzeitig für sehr niedrige Betriebsspannungen einsetzbar sein.

Diese Aufgabe wird durch eine Stromquelle mit hohem Ausgangs­ widerstand gelöst, die einen den Ausgangsstrom bestimmenden Transistor und eine Regelschaltung für den strombestimmenden Transistor aufweist. Die Stromquelle ist erfindungsgemäß da­ durch gekennzeichnet, daß zum Einstellen eines niedrigen, frei wählbaren Mindestspannungsabfalls über der Stromquelle eine Sourcefolger-Schaltung vorgesehen ist, die die Spannung über der Source-Drain-Strecke des strombestimmenden Transi­ stors beeinflußt.

Dadurch wird eine Stromquelle geschaffen, die sich durch ei­ nen hohen Ausgangswiderstand auszeichnet sowie insbesondere für niedrige Betriebsspannungen geeignet ist.

Die Erfindung geht von dem grundlegenden Gedanken aus, daß ein hoher Ausgangswiderstand durch eine Stromquellenschaltung erzielt werden kann, die in Form einer regulierten Kaskoden- Stromquelle ausgebildet ist, wie weiter oben bereits be­ schrieben wurde. Die regulierte Kaskoden-Stromquelle weist zunächst wenigstens einen den Ausgangsstrom bestimmenden Transistor auf, dessen Gatepotential Vin zur Einstellung des Nutzstroms dienen kann. Durch den Einsatz einer geeigneten Regelschaltung, die im weiteren Verlauf der Beschreibung nä­ her erläutert wird, wird erreicht, daß Vds (Spannung über die Strecke Drain-Source) an diesem Transistor konstant gehalten wird und somit der durch den strombestimmenden Transistor hindurchfließende Strom unabhängig vom Potential am Ausgangs­ knoten der Stromquelle ist.

Um das in bezug auf den Stand der Technik bei der geregelten Kaskodenstromquelle beschriebene Problem zu lösen, daß der minimale Spannungsabfall nicht unter einen bestimmten Grenz­ wert abgesenkt werden kann, wurde zusätzlich eine Sourcefol­ ger-Schaltung vorgesehen.

Sourcefolger-Schaltungen sind an sich bekannt, wobei es sich hierbei um eine Grundschaltung mit wenigstens einem Feldef­ fekttransistor, handelt. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen für Sourcefolger-Schaltungen werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert, ohne die Erfindung jedoch auf die genannten Beispiele zu beschränken.

Durch die zusätzliche Verwendung einer solchen Sourcefolger- Schaltung in der geregelten Kaskodenstromquelle kann eine be­ liebige Einstellung des Spannungsabfalls über dem strombe­ stimmenden Transistor vorgenommen werden und damit der mini­ male Spannungsabfall über der Stromquelle reduziert werden. Auf diese Weise können sehr breitbandige Stromquellen mit ho­ hem Ausgangswiderstand auch in Anwendungen mit niedriger Be­ triebsspannung (Low-Voltage-Anwendungen) realisiert werden.

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Strom­ quelle ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Vorzugsweise kann die Sourcefolger-Schaltung wenigstens ei­ nen, vorzugsweise zwei oder mehr Transistoren aufweisen. In ihrem einfachsten Aufbau kann die Schaltung über einen einzi­ gen Transistor verfügen. Es ist jedoch auch denkbar, daß die Schaltung je nach Bedarf und Anwendungsfall wesentlich kom­ plexer ausgebildet ist. In diesem Fall kann sich die Anzahl der Transistoren entsprechend erhöhen. Die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Anzahl von Transistoren beschränkt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Sourcefolger- Schaltung zwei Transistoren auf.

Vorteilhaft kann wenigstens einer der Transistoren als Strom­ quelle ausgebildet sein und fungieren.

In weiterer Ausgestaltung kann die Regelschaltung eine Ver­ stärkerschaltung aufweisen. Diese Verstärkerschaltung verfügt vorzugsweise über einen oder mehrere Transistoren, wobei die Anzahl der Transistoren entsprechend den erwünschten Eigen­ schaften der Stromquelle variieren kann.

Weiterhin kann die Regelschaltung wenigstens einen Regeltran­ sistor aufweisen.

Vorteilhaft kann für den stromführenden Transistor ein Kor­ rekturglied vorgesehen sein.

Dieses Korrekturglied kann beispielsweise einen oder mehrere Transistoren aufweisen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Korrekturglied zwei Transistoren aufweisen.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Stromquelle kann der Fall auftreten, daß sich bei zu starker Absenkung des Spannungsabfalls über dem strombestimmenden Transistor dieser nicht mehr in Sättigungsbetriebsart befindet. Dies bewirkt, daß bei Schwankungen des Potentials am Ausgangsknoten Schwan­ kungen im Ausgangsstrom auftreten können und somit der Aus­ gangswiderstand reduziert ist. Diesem Problem kann mit dem Korrekturglied begegnet werden, das den Ausgangswiderstand deutlich erhöht. Ein Beispiel hierfür wird in der nachfolgen­ den Figurenbeschreibung erläutert.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine regulierte Kaskoden-Stromquellenschaltung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist;

Fig. 2 eine als Stromquelle fungierende Schaltungsanordnung gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform;

Fig. 3 eine als Stromquelle fungierende Schaltungsanordnung gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungs­ form;

Fig. 4 ein Diagramm, in dem der Ausgangsstrom in Abhängig­ keit vom Spannungsabfall über der Stromquelle für die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 dargestellt ist; und

Fig. 5 ein Diagramm, in dem der Ausgangsstrom für die Schal­ tungsanordnung mit Korrekturglied gemäß Fig. 3 dar­ gestellt ist.

In Fig. 1 ist eine Stromquelle 10 dargestellt, wie sie aus dem Stand der Technik bereits bekannt ist. Die Stromquelle 10 ist als regulierte Kaskoden-Stromquellenschaltung ausgebil­ det. Bei der Kaskoden-Stromquellenschaltung 10 wird der Nutz­ strom am Ausgangsknoten 18 durch die Eingangsspannung Vin am Eingangsknoten 19 eingestellt. Die Stromstärke ergibt sich im wesentlichen aus der Dimensionierung und den prozeßbedingten Eigenschaften des Transistors 12.

Weiterhin ist eine Regelschaltung 13 vorgesehen, die aus ei­ ner Verstärkerschaltung 14 und einem Regeltransistor 17 ge­ bildet ist. Die Verstärkerschaltung 14 weist ihrerseits zwei Transistoren 15, 16 auf. Die Verwendung der Regelschaltung 13 mit einer entsprechenden Dimensionierung der Transistoren 15, 16, 17 bewirkt, daß die Spannung Vds, die über der Source- Drain-Strecke des strombestimmenden Transistors 12 abfällt, konstant ist und somit der Strom durch den strombestimmenden Transistor 12 unabhängig vom Potential am Ausgangsknoten 20 ist. Dies geschieht dadurch, daß die Verstärkerschaltung 14 das Gate-Potential des Transistors 17 entsprechend nachre­ gelt.

Durch die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 kann eine Strom­ quelle 10 mit hohem Ausgangswiderstand realisiert werden.

Auch ist es möglich, die Stromquelle 10 im Vergleich zu ande­ ren bekannten Stromquellen bis zu einem relativ geringen Spannungsabfall zu verwenden. Die untere Grenze für diese mi­ nimal mögliche Spannung wird durch den Transistor 15 be­ stimmt. Sie setzt sich zusammen aus der Sättigungsspannung Vsat15 und der Schwellenspannung Vth15 für den Transistor 15. Der minimal mögliche Spannungsabfall muß demnach immer größer als die Summe Vsat15 + Vth15, aber mindestens so groß wie die Schwellenspannung Vth15, sein. Aus diesem Grund ist die Ver­ wendbarkeit der Stromquelle 10 für einen minimalen Spannungs­ abfall unterhalb von dieser Schwellenspannung Vth15 nicht möglich.

Die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Stromquellen 30, 40 sind gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet, so daß da­ mit sehr hohe Ausgangswiderstände bei einem sehr geringen Spannungsabfall realisiert werden können.

Die Stromquelle 30 gemäß Fig. 2 entspricht in ihrem Grund­ aufbau der Stromquelle 10 aus Fig. 1, so daß baugleiche Ele­ mente mit identischen Bezugsziffern versehen sind und auf ei­ ne erneute Beschreibung dieser Elemente zur Vermeidung von Wiederholungen verzichtet wird, wobei auf die vorstehenden Ausführungen im Hinblick auf Fig. 1 vollinhaltlich Bezug ge­ nommen und hiermit verwiesen wird.

Im Unterschied zur Stromquelle 10 aus Fig. 1 weist die Stromquelle 30 gemäß Fig. 3 zusätzlich eine Sourcefolger- Schaltung 30 auf, die im vorliegenden Fall aus zwei Transi­ storen 32, 33 gebildet ist. Transistor 32 fungiert hier als Stromquelle.

Durch die Sourcefolger-Schaltung 31 wird das Potential Vds über der Source-Drain-Strecke des strombestimmenden Transi­ stors 12 gegenüber dem Eingang des Verstärkers 14 verschoben, vorzugsweise heruntergesetzt. Der Grund hierfür liegt darin, daß die am Transistor 12 abfallende Spannung Vds aus einer Subtraktion der Gate-Source Spannung des Transistors 15 und des Spannungsabfalls über den Gate-Source Anschlüssen von Transistor 33 gebildet wird. Beide Spannungen setzen sich aus einer transistorspezifischen Schwellenspannung und einer Sät­ tigungsspannung zusammen. Während die Schwellenspannung eine prozeßabhängige Größe darstellt, sind die Sättigungsspannun­ gen über die Dimensionierung der Transistoren frei wählbar. Folglich ist auch die Spannung Vds am strombestimmenden Tran­ sistor 12 frei wählbar. Über die Sourcefolger-Schaltung 31 kann diese Spannung und damit der minimale Spannungsabfall über der Stromquelle theoretisch bis auf Null reduziert wer­ den, zumindest jedoch im Vergleich zur Stromquelle 10 gemäß Fig. 1 deutlich reduziert werden.

Damit kann die Stromquelle 30 bis hinab zu einer frei zu be­ stimmenden minimalen Ausgangsspannung betrieben werden, die unabhängig von der Schwellenspannung Vth15 des Transistors 15 ist. Da sich alle Transistoren in Sättigung befinden, ist ei­ ne schnelle und präzise Regelung möglich, so daß hohe Aus­ gangswiderstände erreicht werden können.

Wenn die Source-Drain Spannung Vds am Transistor 12 wie in Fig. 2 beschrieben gesenkt wird, kann dieser aus der Sätti­ gung geraten, wodurch kleine Variationen in der Spannung Vds des Transistors 12 stärkere Schwankungen des Ausgangsstroms zur Folge haben und somit der Ausgangswiderstand geringer wird.

Dieser Situation kann durch ein geeignetes Korrekturglied 41 begegnet werden, wie in Fig. 3 dargestellt ist. In Fig. 3 ist eine Stromquelle 40 dargestellt, deren Aufbau im wesent­ lichen dem Aufbau der Stromquelle 30 nach Fig. 2 entspricht. Aus diesem Grund sind gleiche Bauelemente wiederum mit iden­ tischen Bezugsziffern versehen worden. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Ausführungen im Hinblick auf Fig. 2 vollinhaltlich Bezug genommen und hiermit verwiesen.

Das im Vergleich zur Stromquelle 30 in der Stromquelle 40 nach Fig. 3 zusätzlich vorgesehene Korrekturglied 41 weist zwei Transistoren 42 und 43 auf. Durch das Korrekturglied 41 wird ein Korrekturstrom zum Ausgangsstrom addiert, der über die Regelspannung von Transistor 17 vom Spannungsabfall über der Stromquelle abhängt. Sinkt die Spannung am Ausgangsknoten 18 ab, wird die Regelschleife das Gate-Potential am Regel­ transistor 17 erhöhen, um die Spannung am Knoten 20 weitge­ hend konstant zu halten. Mit diesem Gate-Potential wird auch Transistor 42 angesteuert, der die Größe des Korrekturstroms bestimmt. Somit nimmt der Korrekturstrom mit sinkendem Span­ nungsabfall über der Stromquelle zu und erhöht so den Aus­ gangswiderstand der Stromquelle. Prinzipiell ist auf diese Weise auch eine Stromquelle mit negativem Ausgangswiderstand realisierbar, indem eine Überkompensation erzwungen wird.

In den Fig. 4 und 5 sind die Ergebnisse dargestellt, die bei der Simulation einer Stromquelle gemäß dem Aufbau aus den Fig. 3 und 4 erhalten wurden. Die Diagramme zeigen den Ausgangsstrom der Konstantstromquelle in Abängigkeit vom Spannungsabfall über der Stromquelle, hier also der Poten­ tialdifferenz zwischen Vss und dem Ausgangsknoten 18.

Fig. 4 zeigt den Ausgangsstrom der erfindungsgemäßen Strom­ quelle 30 ohne Korrekturglied in Abhängigkeit vom Spannungs­ abfall über der Stromquelle. Das Diagramm zeigt die schwache Abhängigkeit des Ausgangsstroms von der abfallenden Spannung und damit den hohen Ausgangswiderstand der Stromquelle. Un­ terschreitet die Spannung etwa 400 mV, nimmt der Strom stark ab. Diese Spannung stellt den minimalen Spannungsabfall über der Stromquelle dar und liegt durch den Einsatz der Source­ folgerschaltung 31 unter der Schwellenspannung der verwende­ ten Transistoren, die etwa 500 mV betrug.

Fig. 5 zeigt mit Kurve 50 den Ausgangsstrom der erfindungs­ gemäßen Stromquelle 40 mit Korrekturglied 41. Die Dimensio­ nierung der Transistoren entspricht genau der, die auch zur Erzeugung von Fig. 4 verwendet wurde. Der dargestellte Aus­ gangsstrom entspricht der Summe des Stroms von Transistor 12 und des Stroms durch die Transistoren 42 und 43.

Es zeigt sich, daß die Abhängigkeit des Ausgangsstroms vom Spannungsabfall gegenüber der Lösung ohne Korrekturglied deutlich reduziert und somit der Ausgangswiderstand erhöht wurde. Der minimale Spannungsabfall über der Stromquelle von etwa 400 mV wird durch das Korrekturglied nicht beeinflußt.

Claims (7)

1. Stromquelle mit hohem Ausgangswiderstand, die einen, den Ausgangsstrom bestimmenden Transistor (12) und eine Regel­ schaltung (13) für den strombestimmenden Transistor (12) auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erreichen eines niedrigen, frei wählbaren Mindest­ spannungabfalls über der Stromquelle eine Sourcefolger- Schaltung (31) vorgesehen ist, die die Spannung über der Source-Drain-Strecke am strombestimmenden Transistor (12) be­ einflußt.

2. Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sourcefolger-Schaltung (31) wenigstens einen, insbe­ sondere zwei oder mehr Transistoren (32, 33) aufweist.

3. Stromquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Transistoren (32) als Stromquelle ausgebildet ist.

4. Stromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (13) eine Verstärkerschaltung (14) mit einem oder mehreren Transistoren (15, 16) aufweist.

5. Stromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (13) wenigstens einen Regeltransistor (17) aufweist.

6. Stromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Korrekturglied (41) für den strombestimmenden Transi­ stor (12) vorgesehen ist.

7. Stromquelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturglied (41) einen oder mehrere Transistoren (42, 43), insbesondere zwei Transistoren, aufweist.