DE60114051T2

DE60114051T2 - Selbstangleichende stromquelle und verfahren für einen daw mit geschalteten stromquellen

Info

Publication number: DE60114051T2
Application number: DE60114051T
Authority: DE
Inventors: Bang-Sup Song; Alex R. Bugeja
Original assignee: ROCKWELL SCIENT LICENSING LLC; Rockwell Scientific Licensing LLC
Current assignee: OL Security LLC
Priority date: 2000-08-03
Filing date: 2001-07-31
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2021-08-01
Also published as: EP1388210A2; JP3881622B2; EP1388210B1; WO2002013392A3; JP2004506372A; WO2002013392A2; DE60114051D1; US6331830B1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft das Gebiet von Digital-Analog-Wandlern (DAW) und insbesondere Schaltungen und Verfahren zum automatischen Kalibrieren der Stromquellen, die einen DAW mit geschalteter Stromquelle bilden.
Beschreibung des Stands der Technik
Der Bedarf an Hochgeschwindigkeits-/Hochauflösungs-DAWs wächst kontinuierlich und wird vorwiegend durch starkes Wachstum auf den Märkten für verkabelte oder drahtlose Kommunikationen bestimmt. Eine Architektur, die eingesetzt wurde, um Hochgeschwindigkeits-/Hochauflösungs-DAWs zu konstruieren, verwendet eine Anordnung von Stromquellen: der DAW empfängt ein digitales eingegebenes Wort, das einen gewünschten Ausgangsstrom darstellt, und die Stromquellen werden selektiv auf einen Ausgang geschaltet, um den gewünschten Ausgangsstrom bereitzustellen. Solche DAWs "mit geschalteter Stromquelle" sind für Hochgeschwindigkeits- und Hochauflösungs-Anwendungen bevorzugt worden wegen ihrer Fähigkeit, eine Widerstandslast direkt, ohne dass ein Spannungspuffer erforderlich ist, anzusteuern.
Ein Problem, das DAWs mit geschalteter Stromquelle negativ beeinflusst, ist eine Stromquellen-Fehlanpassung. Ein typischer DAW mit geschalteter Stromquelle verwendet eine segmentierte Stromquellenauslegung, wobei die Bits mit dem höchsten Stellenwert (MSBs), die Bits mit dem oberen niedrigsten Stellenwert (ULSBs) und die Bits mit dem unteren niedrigsten Stellenwert (LLSBs) des DAW mit entsprechenden Stromquellen-Unteranordnungen implementiert werden, wobei die Stromquellen in einer vorgegebenen Unteranordnung idealerweise identische Ausgangsströme erzeugen. Eine Fehlanpassung zwischen den Stromquellen in einer vorgegebenen Unteranordnung, insbesondere, wenn sie sich innerhalb der MSB-Unteranordnung befinden, verschlech tert die statische Linearität des DAW, was wiederum seine dynamische Linearität verschlechtert.
Irgendein Verfahren zur statischen Kalibrierung wird normalerweise verwendet, um eine Fehlanpassung zwischen Stromquellen zu reduzieren. Herkömmlicherweise, wie beispielsweise in D. Groeneveld und andere, "A Self-Calibration Technique for Monolithic High-Resolution D/A Converters", IEEE Journal of Solid-State Circuits, Bd. 24, S. 1517–1522, Dez. 1989 erörtert, wurde dies unter Verwendung einer zusätzlichen Stromquelle innerhalb einer Unteranordnung erreicht, die es gestattet, eine Stromquelle zur Kalibrierungsmessung und/oder zu Korrekturzwecken zu jedem beliebigen Zeitpunkt aus der Schaltung herauszunehmen, wobei ein vollständiger Satz von Stromquellen übrig gelassen wird, der für den normalen DAW-Betrieb zur Verfügung steht.
Der Bedarf an einer zusätzlichen Stromquelle kann sich jedoch auf die dynamische Leistung des DAW auswirken, da das Zuschalten und Wegschalten von Stromquellen unter dem Kalibrierungsverhältnis (calibration rate) Störanteile an den Kalibrierungsfrequenzen in dem DAW-Ausgangsspektrum einführt. In der Praxis umfassen diese Störanteile zusätzliche dynamische Komponenten aus dynamischen Fehlanpassungen zwischen den Stromquellenanordnungen, die zu einem gegebenen Zeitpunkt verwendet werden. Diese dynamischen Fehlanpassungen werden durch den Kalibrierungsmechanismus nicht gedämpft und können tatsächlich durch Fehlanpassungen in den Schaltern erhöht werden, die zum Erleichtern der Kalibrierung erforderlich sind.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Dargestellt werden eine Schaltung und ein Verfahren für eine selbstabgleichende Stromquelle zur Verwendung mit DAWs mit geschalteter Stromquelle, welche die statische und dynamische Linearität von derartigen DAWs verbessern, ohne die Verwendung von irgendwelchen zusätzlichen Stromquellen zu erfordern.
Jede selbstabgleichende Stromquelle besteht aus einer festen Stromquelle und einer variablen Stromquelle, die parallel geschaltet sind, um einen gesamten Ausgangsstrom bereitzustellen. Zum Kalibrieren wird eine Seite der selbstabgleichenden Stromquelle vorübergehend auf eine Messschaltung geschaltet, welche die Größe des gesamten Ausgangsstroms bestimmt. Auf der Grundlage dieser Messung wird der Ausgang der variablen Stromquelle angepasst, um den gesamten Ausgangsstrom mit einem vorbestimmten Wert (innerhalb einer vorbestimmten Toleranz, die durch die Genauigkeit und Auflösung der Mess- und Korrekturschaltungen bestimmt wird) gleichzumachen.
Die feste Stromquelle wird mit einem komplementären Paar von Feldeffekttransistoren (FETs) implementiert, die in einer Kaskadenschaltung geschaltet sind, wobei die zwei Source-Anschlüsse miteinander verbunden sind, und die zwei Drain-Anschlüsse hohe Impedanzen für den Schaltkreis aufweisen, an den sie angeschlossen sind. Der obere FET baut die Gate-Source-Spannung des unteren FET auf, wodurch der Strom durch das Paar festgelegt wird. Der Ausgangsstrom der selbstabgleichenden Stromquelle wird an dem Drain-Anschluss des oberen FET abgenommen und wird über den Drain-Anschluss des unteren FET gemessen, wobei die hohen Impedanzen, die durch die spezifizierte Kaskadenauslegung bereitgestellt werden, eine reduzierte Ausgangsstromverzerrung und einen nahezu konstanten gesamten Ausgangsstrom ermöglichen.
Die variable Stromquelle ist parallel zur festen Stromquelle geschaltet und stellt einen Ausgangsstrom bereit, der sich mit einem Steuersignal ändert, das an einem Eingang aufgenommen wird. Die Ausgangsströme der festen und der variablen Stromquelle werden summiert, um einen gesamten Ausgangsstrom bereitzustellen, der periodisch über den Drain-Anschluss des unteren FET gemessen wird. Basierend auf dem Messwert wird das Steuersignal, das für die variable Stromquelle bereitgestellt wird, nach Erfordernis verändert, um den gesamten Ausgangsstrom dem vorbestimmten Wert gleichzumachen.
Ein typischer DAW mit geschalteter Stromquelle enthält eine Anzahl von derartigen selbstabgleichenden Stromquellen, wobei die gesamten Ausgangsströme von jeder einmal für jeden einzelnen der Umwandlungszyklen des DAW automatisch gemessen und angepasst werden. Die Erfindung ist sowohl auf Eintakt- als auch Differenzausgangs-DAWs anwendbar.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden für den Fachmann aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offenkundig.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockschaltbild, das die grundlegenden Prinzipien der Erfindung darstellt.
2 ist eine schematische Darstellung einer selbstabgleichenden Stromquelle nach der vorliegenden Erfindung.
3a ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten selbstabgleichenden Stromquelle.
3b ist eine schematische Darstellung der selbstabgleichenden Stromquelle von 3a mit einer Schaltung zum Erzeugen der Vorspannung V_bias3.
3c ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform mit umgekehrter Polarität der selbstabgleichenden Stromquelle von 3a.
4 ist eine schematische Darstellung eines DAW mit geschalteter Stromquelle, der selbstabgleichende Stromquellen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 stellt die grundlegenden Prinzipien der Erfindung dar. Ein DAW 10 mit geschalteter Stromquelle umfasst eine Steuereinrichtung 12, die ein digitales eingegebenes Wort aufnimmt, das einen gewünschten Ausgangsstrom darstellt. Eine Anordnung von N Stromquellen 14 ist mit ihren Ausgängen an entsprechende Schalter 16 angeschlossen. Entsprechende Anschlüsse auf jedem Schalter sind miteinander verbunden, um eine Ausgangsleitung 18 zu bilden. Während eines "Umwandlungszyklus" schließt die Steuereinrichtung 12 die Schalter 16 nach Bedarf, um das digitale eingegebene Wort in den gewünschten Ausgangsstrom I_DAW umzuwandeln.
Zum Reduzieren der Probleme, die mit der oben beschriebenen Stromquellen-Fehlanpassung verbunden sind, werden mindestens einige der Stromquellen 14 selbstabglei chend gemacht. Zwei derartige selbstabgleichende Stromquellen 20 und 22 sind in 1 gezeigt, von denen jede die Verwendung des zugehörigen Schaltkreises 24 für den Selbstabgleich erfordert. Alle der Stromquellen des DAW könnten selbstabgleichend gemacht werden, aber da die Bits unterer Ordnung typischerweise für eine Spezifikation von niedrigerer Genauigkeit gelten, ist es normalerweise nicht erforderlich, dies zu tun. Die MSB-Stromquellen werden jedoch typischerweise selbstabgleichend gemacht, da Fehlanpassungen zwischen diesen Stromquellen zu der größten Verzerrung führen.
Jede selbstabgleichende Stromquelle umfasst eine feste Stromquelle 26 und eine variable Stromquelle 28, die parallel geschaltet sind, wobei deren einzelne Ausgangsströme aufsummiert werden, um einen "gesamten" Ausgangsstrom bereitzustellen, wie beispielsweise I_tot0 von Quelle 20 und I_tot15 von Quelle 22. Die gesamten Ausgangsströme werden wie erforderlich durch die Steuereinrichtung 12 mit der Ausgangsleitung 18 verbunden, um den DAW-Ausgangsstrom I_DAW bereitzustellen.
Der dazugehörige Schaltkreis 24 umfasst eine Messschaltung 30 und eine Korrekturschaltung 32. Jede selbstabgleichende Stromquelle ist an einem Ende an einen entsprechenden Schalter 34 angeschlossen, der sie mit der Messschaltung 30, wenn er sich in einer Stellung KAL EIN befindet, und anderenfalls (KAL AUS) mit einem gemeinsamen Punkt (typischerweise der Masse) der Schaltung verbindet. Im Betrieb ist einer der Schalter 34 in seiner Stellung KAL EIN positioniert, (wobei sich alle anderen in KAL AUS befinden), und der gesamte Ausgangsstrom der selbstabgleichenden Stromquelle, die mit diesem Schalter verbunden ist, wird gemessen. Der gemessene Wert wird an die Korrekturschaltung 32 übergeben. Jede variable Stromquelle 28 ist so angeordnet, dass sie einen Ausgangsstrom erzeugt, der sich mit einem Steuersignal 36 ändert, das an einem Eingang 38 aufgenommen wird. Die Korrekturschaltung 32 ist so angeordnet, dass sie die Steuersignale 36 an den entsprechenden variablen Stromquelleneingängen bereitstellt, die erforderlich sind, um den gesamten Ausgangsstrom jeder selbstabgleichenden Stromquelle mit einem vorbestimmten Wert (innerhalb einer vorbestimmten Toleranz, die durch die Genauigkeit und Auflösung der Mess- und Korrekturschaltungen bestimmt wird) gleichzumachen. Jede der selbstabgleichenden Stromquellen wird auf diese Weise kalibriert, wodurch die Fehlanpassungen zwischen ihnen reduziert und die Verzerrungsleistung des DAW verbessert wird.
Eine beispielhafte Implementierung einer selbstabgleichenden Stromquelle, wie beispielsweise eine Quelle 20, ist in 2 dargestellt. Die feste Stromquelle 26 besteht aus einem komplementären Paar von FETs N1 und P1, die in einer Kaskadenauslegung geschaltet sind. Der Gate-Anschluss von N1 ist an eine Vorspannung V_bias1 angeschlossen, und sein Drain-Anschluss stellt den Ausgangsstrom I_tot0 der selbstabgleichenden Stromquelle bereit. Der Gate-Anschluss von P1 ist an eine Vorspannung V_bias2 angeschlossen, sein Source-Anschluss ist an den Source-Anschluss von N1 an einer Sperrschicht 50 angeschlossen, und sein Drain-Anschluss ist an den Schalter 34 angeschlossen. Im Betrieb werden V_bias1 und V_bias2 so ausgewählt, dass sie N1 und P1 sättigen, was zu einer bekannten Spannung am Source-Anschluss von P1 führt. Dadurch wird die Gate-Source-Spannung (V_gs) festgelegt, die zusammen mit der Größe von P1 den Strom (I_P1) durch P1 aufbaut. Der Strom I_P1 ist der Beitrag der festen Stromquelle 26 zu I_tot0.
Die selbstabgleichende Stromquelle 20 umfasst auch die variable Stromquelle 28. Die variable Stromquelle 28 ist zwischen der Sperrschicht 50 und dem gemeinsamen Punkt der Schaltung (circuit common) angeschlossen und nimmt das Steuersignal 36 von der Korrekturschaltung 32 am Eingang 38 auf. Die variable Stromquelle 28 senkt einen Ausgangsstrom I_var in Reaktion auf das Steuersignal 36. Die Ströme I_var und I_P1 werden an der Sperrschicht 50 summiert, um den gesamten Ausgangsstrom I_tot0 zu erzeugen.
Der Drain-Anschluss P1 ist an den Schalter 34 angeschlossen, der in seiner Stellung KAL EIN positioniert ist, um die selbstabgleichende Stromquelle 20 mit der Messschaltung 30 zu verbinden und dadurch zu ermöglichen, dass I_tot0 gemessen werden kann. Im Betrieb wird I_tot0 durch die Messschaltung 30 gemessen. Die Messung wird für die Korrekturschaltung 32 bereitgestellt, die das Steuersignal 36, das erforderlich ist, um I_tot0 auf den vorbestimmten Wert zu bringen, für die variable Stromquelle 28 bereitstellt.
Für den sachgemäßen Betrieb der selbstabgleichenden Stromquelle ist es wesentlich, dass die FETs N1 und P1 der festen Stromquelle wie dargestellt ausgelegt werden könne; d.h. dass ihre Source-Anschlüsse miteinander verbunden werden und ihre Drain-Anschlüsse für den Anschluss an andere Schaltungen verfügbar sind. Wenn er so ausgelegt ist, weist der Drain-Anschluss von P1 eine hohe Impedanz für die Messschaltung 30 auf, wodurch die Differenz im gesamten Ausgangsstrom reduziert wird, die ansonsten vorliegen könnte, wenn die Stromquelle zwischen ihren Mess- und normalen Betriebsmodi umschaltet. Auf ähnliche Weise weist der Drain-Anschluss von N1 eine hohe Impedanz gegenüber der Last auf, die durch den DAW angesteuert wird, wodurch die Verzerrungsleistung des DAW verbessert wird. Es ist zu beachten, dass, obwohl 2 N1 als einen n-Kanal-FET und P1 als einen p-Kanal-FET beschreibt, die feste Stromquelle 26 auch mit Transistoren der umgekehrten Polarität implementiert werden kann und trotzdem ihre wesentlichen Merkmale einer hohen Impedanz beibehalten kann. Diese Implementierung mit umgekehrter Polarität wird im Folgenden im Zusammenhang mit 3c erörtert.
Um die Stromquellen-Fehlanpassung so niedrig wie möglich zu halten, sind die selbstabgleichenden Stromquellen vorzugsweise so angeordnet, dass sie ihre jeweiligen Ausgangsströme einmal pro Umwandlungszyklus abgleichen. Wie im Folgenden ausführlicher erörtert wird, wird dies vorzugsweise erreicht, indem jeder der Schalter 34 der Reihe nach während jedes Umwandlungszyklus geschlossen wird, wobei der gesamte Ausgangsstrom jedes Source-Anschlusses gemessen wird, während sein entsprechender Schalter geschlossen ist, und das Messergebnis gespeichert wird. Die gespeicherten Ergebnisse werden dann von der Korrekturschaltung verwendet, um die Steuersignale anzupassen, die für jede selbstabgleichende Stromquelle bereitgestellt werden.
Ein möglicher Schaltkreis zum Bereitstellen der Vorspannung V_bias2 ist in 2 dargestellt. Der gewünschte volle Strom I_gewünscht wird durch einen Zwei-Transistor-Stapel geleitet, der aus einer über eine Diode angeschlossenen PMOS-Vorrichtung 40 und einer NMOS-Vorrichtung 42 mit gemeinsamem Drain-Anschluss besteht. V_bias1 wird an den Gate-Anschluss des Transistors 42 angelegt, um V_bias2 gleich V_bias1 minus der Summe der Gate-Source-Spannungen der Transistoren 40 und 42 zu setzen. Der PMOS-Transistor 40 und NMOS-Transistor 42 werden jeweils mit P1 und N1 abgeglichen, so das sie den gewünschten vollen Strom tragen, wenn V_bias2 und V_bias1 an sie angelegt werden.
Eine bevorzugte Implementierung einer selbstabgleichenden Stromquelle gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 3a dargestellt. Die FETS N1 und P1 sind mit denen in 2 identisch, doch statt N1, das eine feste Vorspannung empfängt, um I_P1 aufzubauen, stellt eine Vorspannungsschaltung, die eine Rückkopplungsschaltung verwendet, die Source-Spannung von P1 ein. Außerdem wird die Gate-Spannung V_bias2 von P1 auf Null Volt eingestellt, indem sein Gate-Anschluss mit dem gemeinsamen Punkt der Schaltung verbunden wird. Die dargestellte beispielhafte Vorspannungsschaltungs-Implementierung weist ein Paar von p-Kanal FETS P2 und P3 auf, die zwischen einer positiven Versorgungsspannung V+ und einer Sperrschicht 60 in Reihe geschaltet sind, wobei P2 eine Vorspannung V_bias3 und P3 eine Vorspannung V_bias4 an ihren jeweiligen Gate-Anschlüssen aufnehmen. Ein n-Kanal FET N2 ist zwischen der Sperrschicht 60 und dem gemeinsamen Punkt der Schaltung angeschlossen, wobei sein Gate-Anschluss an die Sperrschicht 50 angeschlossen ist. Die Sperrschicht 60 ist an den Gate-Anschluss von N1 angeschlossen. Die Rückkopplungsschleife, die N1 und N2 umfasst, hält die Source-Spannung von P1 konstant auf der Gate-Source-Spannung von N2, wodurch für I_P1 ein fester Wert aufgebaut wird. Der Einsatz einer Rückkopplungsschaltung, wie derjenigen, die in 3a dargestellt ist, wird zum Aufbauen der Source-Spannung von P1 bevorzugt, weil sie den Widerstand der selbstabgleichenden Stromquelle vergrößert und die Source-Spannung von P1 nahezu konstant hält.
Wie in 3b dargestellt, kann eine Steuerschleife eingerichtet werden, um die Vorspannung V_bias3 zu erzeugen und dadurch den Wert von I_P1 zu steuern. Eine Dummy-Stromquelle 26', die mit der selbstabgleichenden Stromquelle 26 identisch ist, ist an V+ über einen Belastungswiderstand R_L angeschlossen, der den Strom trägt, der durch die Stromquelle 26 gesenkt wurde. Der Belastungsstrom wird mit einem Verstärker A1 überwacht, der auch eine Sollwertspannung V_Sollwert aufnimmt. Der Ausgang von A1 ist an den V_bias3-Eingang der Dummy-Stromquelle 26 angeschlossen, um eine Regelschleife zu bilden, die den Wert von V_bias3 konstant hält; der Ausgang von A1 wird dann verwendet, um V_bias3 für alle selbstabgleichenden Stromquellen 26 bereitzustellen. Diese Anordnung stellt ein Mittel zum Steuern des vollen Stroms des DAW (V_Sollwert = V+ – (gewünschter voller Strom + R_L) bereit und ermöglicht es, Änderungen in Prozess, Temperatur und Abgleich zwischen N2 und P1 zu reduzieren.
Die variable Stromquelle 28 wird vorzugsweise mit einem komplementären Paar von FETS N3 und P4 implementiert. N3 und P4 sind über P1 verbunden, wobei der Drain-Anschluss von N3 an den Source-Anschluss von P1 angeschlossen ist und den Ausgangsstrom I_var der variablen Stromquelle bereitstellt, der Source-Anschluss von N3 an den Source-Anschluss von P4 angeschlossen ist, und der Drain-Anschluss von P4 an den Drain-Anschluss von P1 angeschlossen ist. Der Gate-Anschluss von N3 ist der Ein gang 38 der variablen Stromquelle 28, und der Gate-Anschluss von P4 ist an den Gate-Anschluss von P1 angeschlossen.
N3 wird in linearem Modus betrieben, wobei er sich wie eine spannungsgesteuerter Widerstand in dem Source-Anschluss von P4 verhält. Der Widerstand von N3 ändert sich mit dem Signal, das an den Eingang 38 angelegt wird, wodurch veranlasst wird, dass sich der Strom durch P4 und damit der Ausgangsstrom I_var der variablen Stromquelle mit dem eingehenden Signal ändern.
Das Steuersignal 36 von der Korrekturschaltung 32 kann direkt mit dem Eingang 38 verbunden werden; dies erfordert, dass das Steuersignal durchgehend durch jeden Umwandlungszyklus vorhanden sein muss, was die Verwendung von jeweiligen Steuersignalquellen für jede selbstabgleichende Stromquelle erfordert. Vorzugsweise werden die Steuersignale, die von der Korrekturschaltung 32 bereitgestellt werden, jedoch von einer einzigen Quelle zu den selbstabgleichenden Stromquellen des DAW zeitmultiplexiert und lokal gespeichert. Um dies zu erleichtern, wird ein Kondensator C_Speicher zwischen dem Eingang 38 der variablen Stromquelle und dem gemeinsamen Punkt der Schaltung angeschlossen, und ein Schalter 62 wird zwischen dem Eingang 38 und der Korrekturschaltung 32 eingefügt. Wenn das für eine bestimmte selbstabgleichende Stromquelle geeignete Steuersignal 36 verfügbar wird, schließt sich der Schalter 62, und die Spannung des Steuersignals wird auf C_Speicher übertragen. Der Schalter 62 wird dann geöffnet, der Schalter für eine andere selbstabgleichende Stromquelle wird geschlossen, und das Steuersignal, das dieser Quelle entspricht, wird zu ihrem Speicherkondensator übertragen. Das Speichern der Steuersignalspannung auf C_Speicher ermöglicht es der variablen Stromquelle 28, den Strom I_var kontinuierlich bereitzustellen, der benötigt wird, um den gewünschten I_tot0-Wert zu erhalten, auch wenn das Steuersignal 36 nur kurz verfügbar ist.
Der Schalter 34 wird vorzugsweise mit einem Paar von Schalttransistoren N4 und N5 implementiert, die mit ihren Drain-Anschlüssen an den Drain-Anschluss von P1 angeschlossen sind, und die mit ihren Gate-Anschlüssen jeweils an komplementäre Steuersignale KAL AUS und KAL EIN angeschlossen sind. Der Source-Anschluss von N5 ist an die Messschaltung 30 angeschlossen, so dass, wenn N5 eingeschaltet ist (KAL EIN = 1), er einen leitenden Pfad zwischen dem Drain-Anschluss von P1 und der Messschal tung bereitstellt, wodurch ermöglicht wird, den gesamten Ausgangsstrom der selbstabgleichenden Stromquelle zu bestimmen. Ein Messwiderstand R_mess wird vorzugsweise zwischen dem Source-Anschluss von N5 und dem gemeinsamen Punkt der Schaltung angeschlossen, so dass, wenn N5 eingeschaltet ist, sich eine Spannung über R_mess aufbaut, die proportional zu I_tot0 ist; diese Spannung wird von der Messschaltung 30 gemessen, um I_tot0 zu bestimmen.
Ein Widerstand R_dummy wird vorzugsweise zwischen dem Source-Anschluss von N4 und dem gemeinsamen Punkt der Schaltung angeschlossen. Der Widerstandswert von R_dummy wird vorzugsweise mit demjenigen von R_mess (innerhalb einer bekannten Toleranz, die durch das Herstellungsverfahren des Widerstands bestimmt wird) gleichgemacht, um zu vermeiden, das eine große Differenz in der Drain-Source-Spannung von P1 – und damit eine Differenz im gesamten Ausgangsstrom I_tot0 – zwischen den Kalibrierungs- (KAL EIN = 1) und normalen (KAL AUS = 1) Modi der selbstabgleichenden Stromquelle vorhanden ist.
Es ist zu beachten, dass die selbstabgleichende Stromquelle von 3a typischerweise in der Auslegung eines DAW mit geschalteter Stromquelle wiederholt repliziert wird. In einer derartigen Anwendung weist jede selbstabgleichende Stromquelle typischerweise ihren eigenen Dummy-Widerstand R_dummy auf. Allerdings sind die Source-Anschlüsse der jeweiligen N5-Transistoren vorzugsweise alle an einer Seite eines einzigen Messwiderstands R_mess angeschlossen. Die selbstabgleichenden Stromquellen können dann zu dem Messwiderstand und der Messschaltung multiplexiert werden, wodurch konsistente Messungen zwischen den Quellen sichergestellt werden.
Die Erfindung ist ebenfalls anwendbar mit Eintakt- und Differenzausgangs-DAWs. Wie in 2 gezeigt, stellt der Drain-Anschluss von N1 einen Eintakt-Ausgang bereit. Für einen Differenzausgangs-DAW wird ein Paar von Transistoren N6 und N7 verwendet, um den Drain-Anschluss von N1 auf eine positive (I_DAW+) oder eine negative (I_DAW–) Ausgangsleitung zu schalten in Reaktion auf ein Paar von entsprechenden Steuersignalen DAW+ und DAW–.
Eine oder mehrere Steuerschaltungen 64 werden vorzugsweise verwendet, um die Schaltsignale bereitzustellen, die für den sachgemäßen Betrieb der selbstabgleichenden Stromquelle erforderlich sind, wie beispielsweise die Signale KAL EIN/KAL AUS, die Signale DAW+/DAW– und ein Signal, das den Schalter 62 steuert. Wenn ein DAW mehr als eine selbstabgleichende Stromquelle enthält, müssen die Steuerschaltungen 64 entsprechende Sätze von Schaltsignalen für jede Quelle bereitstellen. Die Steuerschaltungen 64 müssen ebenfalls die Zeitsteuerung der Schaltsignale steuern, die beispielsweise sicherstellen, dass jeweils immer nur eine selbstabgleichende Stromquelle zu der Messschaltung geschaltet wird. Da der Betrieb der Steuerschaltungen 64 mit den Umwandlungszyklen des DAW koordiniert ist, (so dass die selbstabgleichenden Stromquellen einmal pro Zyklus kalibriert werden), sind die Steuerschaltungen 64 vorzugsweise als Bestandteil der DAW-Steuereinrichtung 12 eingebaut.
Eine Ausführungsform der selbstabgleichenden Stromquelle mit "umgekehrter Polarität" von 3a ist in 3c dargestellt, wobei die n-Kanal- und p-Kanal-Vorrichtungen von 3a jeweils durch p-Kanal- und n-Kanal-Vorrichtungen ersetzt werden. Hier besteht die feste Stromquelle 26 aus einem Transistor P5, der die Gate-Source-Spannung eines Transistors N8 aufbaut, um einen Ausgangsstrom I_N8 zu erzeugen, sowie einer Vorspannungsschaltung, die aus einer p-Kanal-Vorrichtung P6 und zwei n-Kanal-Vorrichtungen N9 und N10 besteht, die jeweils die Vorspannung V_bias5 und V_bias6 aufnehmen. Die variable Stromquelle 28 weist einen Transistor P7 auf, der den Eingang 38 aufnimmt und den Strom durch einen Transistor N11 in Reaktion moduliert, um seinen Ausgangsstrom I_var zu erzeugen. I_var und I_N8 werden aufsummiert, um den gesamten Ausgangsstrom I_tot0 der selbstabgleichenden Stromquelle zu erzeugen. Ein Paar von Transistoren P8 und P9 verbindet die Stromquelle jeweils mit R_dummy und R_mess, und ein Paar von Transistoren P10 und P11 verbindet I_tot0 mit positiven oder negativen Ausgangsleitungen in Übereinstimmung mit Steuersignalen DAW+ und DAW–. Die daraus resultierende selbstabgleichende Stromquelle liefert (sources) Strom an den DAW-Ausgang im Gegensatz zu der Ausführungsform von 3a, die Strom von dem Ausgang abzieht (sinks).
Es ist zu beachten, dass die spezifischen Schaltungsimplementierungen, die in 3a, 3b und 3c dargestellt sind, nur beispielhaft sind; viele andere Schaltungsanordnungen könnten verwendet werden, um beispielsweise den Strom durch Transistoren N1/P1 und N8/P5 mit fester Stromquelle aufzubauen, die Schaltfunktion des Schalters 34 bereitzustellen oder die variable Stromquelle 28 zu implementieren. Obwohl die selbstabglei chende Stromquelle mit FETs implementiert dargestellt ist, könnten auch bipolare Transistoren verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung wird vorteilhaft in einem DAW mit geschalteter Stromquelle eingesetzt, wie beispielsweise demjenigen, der in 4 dargestellt ist, der als nur ein Beispiel der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird. Der DAW ist in LLSBs, ULSBs und MSBs segmentiert. Jedes Segment ist mit einer jeweiligen Unteranordnung von Stromquellen implementiert: die LLSBs mit der Stromquellen-Unteranordnung 100, die ULSBs mit der Unteranordnung 102 und die MSBs mit einer Unteranordnung 104 von selbstabgleichenden Stromquellen. In dieser Architektur wird eine feste MSB-Stromquelle 106 verwendet, um die ULSB-Unteranordnung anzusteuern, und die ULSB-Stromquelle 108 wird verwendet, um die LLSB-Unteranordnung anzusteuern.
Eine beispielhafte Messschaltung 30 nimmt die geschalteten Kalibrierungsausgänge von jeder der MSB-Stromquellen an einem Eingang 110 auf, der an den Messwiderstand R_mess angeschlossen ist. Eine Schaltung 114, die entsprechend mit einem Delta-Sigma-Modulator oder einer anderen Hochpräzisions-Messschaltung implementiert ist, nimmt eine Dummy-Spannung V_dummy und die Spannung über R_mess an jeweiligen Eingängen auf und stellt einen Ausgang 116 bereit, der sich mit der Differenz zwischen ihren zwei Eingängen ändert. Eine beispielhafte Korrekturschaltung 32 nimmt den Ausgang 116 auf und speichert den Differenzwert in einer Speichervorrichtung 118. Der Ausgang der Speichervorrichtung 118 ist an einen Kalibrierungs-DAW 120 angeschlossen, der jeweilige Steuersignale 122 zu den variablen Stromquellen innerhalb der selbstabgleichenden Stromquellen der Unteranordnung 104 bereitstellt.
In diesem beispielhaften DAW treten zwei Zyklen kontinuierlich auf: ein Messzyklus und ein Korrekturzyklus. Eine Messung wird zuerst von der Differenz zwischen der Summe der ULSBs, die als eine Referenzspannung V_ref fungiert, und der Dummy-Spannung V_dummy vorgenommen. Das Ziel des Selbstabgleichprozesses ist es, die selbstabgleichenden Stromquellen so einzustellen, dass der Ausgang von jeder gleich V_ref gemacht wird. Während des Rests des Messzyklus wird der Ausgang jeder Stromquelle nacheinander mit der Korrekturschaltung 32 verbunden, seine Differenz zu V_dummy bestimmt, und der Differenzwert anschließend von der bereits bestimmten Differenz zwischen V_ref und V_dummy subtrahiert. Der V_dummy-Wert wird aufgehoben, wobei die Differenz zwischen der selbstabgleichenden Stromquelle und V_ref übrig bleibt. Dieser Differenzwert wird gespeichert. Auf diese Weise werden sowohl die ULSB-Summe als auch die selbstabgleichenden Stromquellen an dem gleichen Eingang der Korrekturschaltung 32 gemessen, wodurch irgendwelche Offsets in der Letzteren vermieden werden. Während des Korrekturzyklus werden die gespeicherten Differenzwerte durch den Kalibrierungs-DAW verwendet, um die Steuersignale 122 zu erzeugen, die zum Kalibrieren der selbstabgleichenden Stromquellen benötigt werden. Ein Messzyklus und ein Korrekturzyklus treten während jedem der Umwandlungszyklen des DAW auf, so dass die MSB-Werte kontinuierlich nach derartigen Faktoren wie Temperatur und Alterungsdrift kompensiert werden.
Der in 4 dargestellte DAW wird nur zu veranschaulichenden Zwecken bereitgestellt; die Architektur des DAW und die Details der Schaltungen 30 und 32 können sich von Anwendung zu Anwendung in hohem Maße voneinander unterscheiden. Um die Komponentenanzahl zu reduzieren, werden die Eingänge zur Messschaltung 30 und die Ausgänge des Kalibrierungs-DAW 120 vorzugsweise multiplexiert, wie in 4 gezeigt. Das Multiplexieren auf diese Weise ist für die Erfindung jedoch nicht wesentlich. Beispielsweise könnten einzelne, fest zugeordnete Kalibrierungs-DAWs verwendet werden, um Steuersignale zu den jeweiligen selbstabgleichenden Stromquellen bereitzustellen, wodurch die Notwendigkeit entfiele, Schalter und Speicherkondensatoren auf den Eingangsleitungen der variablen Stromquelle bereitzustellen.
Obwohl besondere Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, werden Fachleuten zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen in den Sinn kommen. Dementsprechend ist vorgesehen, dass die Erfindung nur hinsichtlich der Ansprüche im Anhang eingeschränkt ist.

Claims

Selbstabgleichende Stromquelle für einen Digital-Analog Wandler (DAW) mit geschalteter Stromquelle, umfassend eine feste Stromquelle (26), umfassend: einen ersten Feldeffekttransistor (FET) (N1), dessen Gate-Anschluss an eine erste Vorspannung (V_bias1) angeschlossen ist, dessen Source-Anschluss an eine erste Sperrschicht (50) angeschlossen ist, und dessen Drain-Anschluss den Ausgang der selbstabgleichenden Stromquelle bereitstellt, wobei der erste FET durch die erste Vorspannung so gesättigt wird, dass eine bekannte Spannung an der ersten Sperrschicht aufgebaut wird, einen zweiten FET (P1), der zu dem ersten FET komplementär ist, dessen Gate-Anschluss an eine zweite Vorspannung (V_bias2) angeschlossen ist und dessen Source-Anschluss an die erste Sperrschicht so angeschlossen ist, dass die bekannte Spannung die Gate-Source-Spannung des zweiten FET und dadurch einen ersten Ausgangsstrom an dem Ausgang aufbaut, wobei die Drain-Anschlüsse des ersten und des zweiten FET jeweils eine hohe Impedanz für die entsprechenden Schaltkreise bereitstellen, an die sie angeschlossen sind, eine variable Stromquelle (28), die an die erste Sperrschicht angeschlossen ist, um einen Strom und damit einen zweiten Ausgangsstrom an dem Ausgang in Reaktion auf ein Steuersignal (36) bereitzustellen, das an einem Eingang empfangen wird, wobei der gesamte Ausgangsstrom der selbstabgleichenden Stromquelle die Summe aus dem ersten und dem zweiten Ausgangsstrom ist, einen ersten Schalter (34), der auf ein Kalibriersignal anspricht, das den Drain-Anschluss des zweiten FET an eine Messschaltung (30) anschließt, wenn sich das Kalibriersignal in einem ersten Status befindet, und an einen gemeinsamen Punkt der Schaltung (circuit common point), wenn sich das Kalibriersignal in einem zweiten Status befindet, eine Messschaltung (30), die einen Ausgang erzeugt, der charakteristisch für die Größe des gesamten Ausgangsstroms ist, wenn sich das Kalibriersignal in dem ersten Status befindet, und eine Korrekturschaltung (32), die den Messschaltungs-Stromausgang an einem Eingang aufnimmt und das Steuersignal an die variable Stromquelle an einem Ausgang bereitstellt, wobei die Korrekturschaltung so angeordnet ist, dass sie das Steuersignal derart verändert, dass der gesamte Ausgangsstrom einem vorbestimmten Wert innerhalb einer vorbestimmten Toleranz gleichgemacht wird, wobei die selbstabgleichende Stromquelle eine von einer Vielzahl von Stromquellen ist, die einen DAW mit geschalteter Stromquelle bilden.
Selbstabgleichende Stromquelle nach Anspruch 1, wobei der erste FET ein n-Kanal-FET ist, der zweite FET ein p-Kanal-FET ist, der durch die zweite Vorspannung gesättigt wird, und wobei der erste und der zweite Ausgangsstrom jeweils durch die feste und die variable Stromquelle gesenkt werden, so dass der gesamte Ausgangsstrom durch die selbstabgleichende Stromquelle gesenkt wird.
Selbstabgleichende Stromquelle nach Anspruch 2, des Weiteren umfassend eine Vorspannungsschaltung (bias circuit), welche die zweite Vorspannung zum zweiten FET bereitstellt, wobei die Vorspannungsschaltung umfasst: eine Stromquelle, die so angeordnet ist, dass sie einen Strom (I_desired) gleich dem gewünschten Wert des ersten Ausgangsstroms senkt, eine NMOS-Vorrichtung (42), deren Gate-Anschluss angeschlossen ist, um die erste Vorspannung aufzunehmen, und eine über Diode angeschlossene PMOS- Vorrichtung (40), die in Reihe zwischen einer positiven Versorgungsspannung und der Stromquelle so angeschlossen ist, dass jede Vorrichtung den gesenkten Strom führt, und die NMOS-Vorrichtung die Gate-Spannung der PMOS-Vorrichtung gleich der ersten Vorspannung minus der Summe der Gate-Source-Spannung der NMOS- und PMOS-Vorrichtungen setzt, wobei der Gate-Anschluss der PMOS-Vorrichtung die zweite Vorspannung bereitstellt.
Selbstabgleichende Stromquelle nach Anspruch 1, wobei die variable Stromquelle umfasst: einen dritten FET (N3), dessen Gate-Anschluss zum Empfangen des Steuersignals angeschlossen ist, und dessen Drain-Anschluss an die erste Sperrschicht angeschlossen ist, einen vierten FET (P4), dessen Gate-Anschluss und Drain-Anschluss jeweils an den Gate-Anschluss und den Drain-Anschluss des zweiten FET angeschlossen sind, und dessen Source-Anschluss an den Source-Anschluss des dritten FET angeschlossen ist, wobei der dritte FET in linearem Modus betrieben wird, so dass der für die erste Sperrschicht durch die variable Stromquelle bereitgestellte Strom sich mit der Spannung des Steuersignals verändert.
Selbstabgleichende Stromquelle nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend einen Kondensatorspeicher (C_store), der zwischen dem Eingang der variablen Stromquelle und dem gemeinsamen Punkt der Schaltung angeschlossen ist, und einen zweiten Schalter (62), der zwischen dem Eingang der variablen Stromquelle und dem Steuersignal so angeschlossen ist, dass die Spannung des Steuersignals auf dem Kondensator gespeichert wird, wenn der zweite Schalter geschlossen wird, und dadurch an der variablen Stromquelle angelegt bleibt, wenn sich der zweite Schalter öffnet, nachdem er geschlossen war.
Selbstabgleichende Stromquelle nach Anspruch 5, des Weiteren umfassend eine Steuervorrichtung (64), die so angeordnet ist, dass sie periodisch den ersten Schalter so schließt, dass die Messschaltung den Ausgang erzeugt, der charakteristisch für die Größe des gesamten Ausgangsstroms ist, und periodisch den zweiten Schalter schließt, um den Ausgang der Korrekturschaltung auf dem Kondensatorspeicher zu speichern.
Selbstabgleichende Stromquelle nach Anspruch 1, wobei die Korrekturschaltung einen Kalibrierungs-DAW (120) aufweist, der kontinuierlich das Steuersignal zu dem Eingang der variablen Stromquelle bereitstellt.
Selbstabgleichende Stromquelle nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend eine Vorspannungsschaltung, welche die erste Vorspannung zu dem ersten FET bereitstellt, wobei die Vorspannungsschaltung umfasst: einen ersten p-Kanal-FET (P2), dessen Source-Anschluss an eine positive Versorgungsspannung angeschlossen ist, und dessen Gate-Anschluss an eine dritte Vorspannung angeschlossen ist, einen zweiten p-Kanal-FET (P3), dessen Source-Anschluss an den Drain-Anschluss des ersten p-Kanal-FET angeschlossen ist, und dessen Gate-Anschluss an eine vierte Vorspannung angeschlossen ist, und einen n-Kanal-FET (N2), dessen Drain-Anschluss an den Drain-Anschluss des zweiten p-Kanal-FET an einer zweiten Sperrschicht (60) angeschlossen ist, dessen Gate-Anschluss an die erste Sperrschicht angeschlossen ist, und dessen Source-Anschluss an den gemeinsamen Punkt der Schaltung angeschlossen ist, wobei die zweite Sperrschicht an den Gate-Anschluss des ersten FET angeschlossen ist und die erste Vorspannung bereitstellt, wobei der erste FET und der n-Kanal-FET eine Rückkopplungsschleife bilden, welche die Source-Spannung des zweiten FET ungefähr konstant mit der Gate-Source-Spannung des n-Kanal-FET hält.
Selbstabgleichende Stromquelle nach Anspruch 8, des Weiteren umfassend eine vorspannungserzeugende Schaltung, welche die dritte Vorspannung für die Vorspannungsschaltung bereitstellt, wobei die vorspannungserzeugende Schaltung umfasst: eine Dummy-Stromquelle, die eine zweite feste Stromquelle (26') umfasst, die für die feste Stromquelle angeordnet ist, und eine zweite Vorspannungsschaltung, die für die Vorspannungsschaltung angeordnet ist, wobei die zweite Vorspannungsschaltung die erste Vorspannung zu dem ersten FET der zweiten festen Stromquelle bereitstellt, einen Belastungswiderstand (R_L), der angeschlossen ist, um den Strom zu führen, der durch die Dummy-Stromquelle gesenkt wurde, und einen Operationsverstärker (A1), der angeschlossen ist, um eine Sollwert-Spannung an einem ersten Eingang und ein Signal, das für den Strom charakteristisch ist, der durch den Belastungswiderstand fließt, an seinem zweiten Eingang aufzunehmen, wobei der Ausgang des Verstärkers die dritte Vorspannung für die Vorspannungsschaltung und für die Dummy-Stromquelle bereitstellt, wobei die Dummy-Stromquelle, der Belastungswiderstand und der Verstärker eine Regelschleife bilden, die den Wert der dritten Vorspannung in Bezug auf die Sollwert-Spannung konstant hält.
Selbstabgleichende Stromquelle nach Anspruch 1, wobei der erste Schalter erste und zweite Schalttransistoren (N4, N5) aufweist, wobei die Drain-Source-Schaltung des ersten Schalttransistors zwischen dem Drain-Anschluss des zweiten FET und der Messschaltung an einer zweiten Sperrschicht angeschlossen ist, die Drain-Source-Schaltung des zweiten Schalttransistors zwischen dem Drain-Anschluss des zweiten FET und dem gemeinsamen Punkt der Schaltung angeschlossen ist, wobei die jeweiligen Gate-Anschlüsse des ersten und des zweiten Schalttransistors angeschlossen sind, um komplementäre Formen des Kalibriersignals zu empfangen, so dass der Drain-Anschluss des zweiten FET an die Messschaltung angeschlossen ist, wenn sich das Kalibriersignal in dem ersten Status befindet, und an den gemeinsamen Punkt der Schaltung, wenn sich das Kalibriersignal in dem zweiten Status befindet, wobei die selbstabgleichende Stromquelle des Weiteren umfasst: einen Messwiderstand (R_meas), der zwischen der zweiten Sperrschicht und dem gemeinsamen Punkt der Schaltung angeschlossen ist, der über sich eine Spannung entwickelt, die sich mit dem gesamten Ausgangsstrom verändert, und einen Dummy-Widerstand (R_dummy), der zwischen dem Source-Anschluss des zweiten Schalttransistors und dem gemeinsamen Punkt der Schaltung angeschlossen ist, wobei der Widerstand des Dummy-Widerstands gleich demjenigen des Messwiderstands innerhalb einer bekannten Toleranz ist.