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Dokumentenidentifikation DE19547754C1 03.04.1997
Titel Steuerschaltung für BiCMOS-Bustreiber
Anmelder Texas Instruments Deutschland GmbH, 85356 Freising, DE
Erfinder Rombach, Gerd, 85354 Freising, DE
Vertreter Prinz und Kollegen, 81241 München
DE-Anmeldedatum 20.12.1995
DE-Aktenzeichen 19547754
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 03.04.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse H03K 17/06
IPC-Nebenklasse H03K 19/0175   G06F 13/40   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine "Leistung bei Bedarf"-Steuerschaltung und ihre Anwendung in einem BiCMOS-Bustreiber. Die zugrundeliegende Aufgabe besteht in der Schaffung einer derartigen Schaltung mit niedrigem Leistungsverbrauch und einfachem Aufbau. Gelöst wird die Aufgabe durch Vorsehen einer Steuerschleife bestehend aus einer Diodenreihenschaltung (D1, D2) und einem Bipolartransistor (Q2) zwischen dem Kollektor und der Basis des Ausgangstransistors (Q1), welche so dimensioniert ist, daß im stabilen L-Zustand der Basisstrom des Ausgangstransistors (Q1) so gewählt ist, daß der L-Zustand aufrechterhalten bleibt.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerschaltung und die Verwendung einer solchen Steuerschaltung in einem BiCMOS-Bustreiber.

Integrierte Busschnittstellenschaltungen sind im Stand der Technik weitläufig bekannt. Sie müssen funktionell in der Lage sein, hohe Ausgangsströme zur Verfügung zu stellen und aufzunehmen. Größenordnungsmäßig liegen dabei involvierte Ströme typischerweise im Bereich von 50-100 mA.

Diese hohen Ströme sind erforderlich, um kurze Signalausbreitungs-Verzögerungszeiten zu erzielen und den Ausgang augenblicklich umzuschalten (Treiben einer 75 Ohm-Übertragungsleitung). Der diesen Umschaltvorgang bestimmende physikalische Vorgang ist das Entladen beziehungsweise Laden der vorhandenen Buskapazitäten.

Nachdem der Ausgang den stabilen Gleichgewichtszustand, d. h. L-Zustand oder H-Zustand, erreicht hat, ist nur noch ein kleiner Teil des Schaltstroms oder sogar überhaupt kein Strom mehr notwendig. Die Ausgangslast ist dann geladen beziehungsweise entladen, und der Übertragungsleitungswiderstand ist dann nicht mehr für den Treiber spürbar, nachdem das Signal die Leitung durchlaufen hat (unter der Annahme einer Übertragungsleitung mit offenem Ende).

Bei modernen Computersystemen sind die verwendeten Busse 80% oder sogar noch mehr ihrer Betriebs zeit im stabilen, inaktiven L-Zustand oder H-Zustand. Deshalb sind moderne Busschnittstellenschaltungen darauf ausgelegt, dies zu berücksichtigen. Zu diesem Zweck steuern sie ihren internen Leistungsverbrauch unter Berücksichtigung der Anforderungen zum Treiben der Ausgangslast.

In Zusammenhang mit derartigen Schaltungen hat sich das Schlagwort "Power on demand", was soviel heißt wie "Leistung bei Bedarf", herausgebildet. Erste Entwicklungen in diesem Bereich fanden 1991 statt.

Für die vorliegende Erfindung ist hinsichtlich des Umschaltvorganges nur der Übergang des Ausganges vom H-Zustand in den L-Zustand von Bedeutung.

Bei den bekannten Busschnittstellenschaltungen wird nach erfolgtem Umschalten im Gleichgewichts-L-Zustand des Ausganges ein Großteil des Basisstroms des Ausgangstransistors durch eine Klemmdiode über die Kollektor-Emitterstrecke nach Masse abgeleitet. Wie dies bei TTL-Schaltungen allgemein üblich ist, ist diese Klemmdiode eine Schottkydiode, welche verhindern soll, daß der Ausgangstransistor in Sättigung geht. Dies geht beispielsweise aus dem "Data-Book" der Firma Texas Instruments über "TTL Advanced Low-Power Schottky, Advanced Schottky", Band 2, 1989, S. 3.11 hervor.

Es erscheint klar, daß dieser Anteil des Stroms, der nach Masse abgeleitet wird, verschwendete Leistung darstellt. Dies stellt ein Problem dar, und zwar insbesondere für batteriebetriebene Systeme mit eng begrenztem Leistungsangebot.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es dementsprechend, eine Steuerschaltung der oben beschriebenen Art zu schaffen, welche in der Lage ist, den Leistungsverbrauch eines BiCMOS-Bustreibers nach erfolgtem Umschalten im Gleichgewichts-L-Zustand zu minimalisieren, und zudem leicht realisierbar ist.

Diese Aufgabe wird mit der im Patentanspruch 1 definierten Steuerschaltung gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 dadurch gekennzeichnet.

Bevorzugterweise ist die erfindungsgemäße Steuerschaltung dadurch gekennzeichnet, daß die pn-Übergangsdiode ein npn-Transistor mit Kurzschluß zwischen Basis und Kollektor ist.

Die Verwendung einer solchen Steuerschaltung in einem BiCMOS-Bustreiber ist im Patentanspruch 5 definiert.

Besonders vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Steuerschaltung ist, daß sich die Temperaturabhängigkeiten der beiden Zweige gegenseitig kompensieren und daß die Klammerung des Ausgangstransistor vom Ausgangsstrom abhängt. Desweiteren ist die Schaltung auch bei hohen Frequenzen anwendbar.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen, welche in der beigefügten Zeichnung illustriert sind, detailliert beschrieben werden.

Die Figuren der Zeichnung zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerschaltung; und

Fig. 2 einen BiCMOS-Bustreiber, welcher die erfindungsgemäße Steuerschaltung verwendet.

Die erfindungsgemäße Steuerschaltung ist in Fig. 1 gezeigt. Darin bezeichnen Bezugszeichen Q1 einen ersten Bipolartransistor und Q2 einen zweiten Bipolartransistor, dessen Emitter mit der Basis des ersten Bipolartransistors verbunden ist. Die Basis-Emitter-Spannungen der Bipolartransistoren Q1 und Q2 sind mit Vbe1 beziehungsweise Vbe2 bezeichnet. Der Kollektor des ersten Bipolartransistors Q1 bildet den Ausgang der Steuerschaltung, welcher mit einer zu treibenden Last zu verbinden ist.

Deshalb wird der erste Bipolartransistor Q1 auch als Ausgangstransistor bezeichnet werden.

Vaus und Iaus bezeichnen Ausgangsspannung und Ausgangsstrom des Ausgangstransistors Q1.

Der Kollektor des zweiten Bipolartransistors Q2 ist mit einem ersten Versorgungspotential VCC verbunden.

Der Emitter des ersten Bipolartransistors Q1 ist mit einem zweiten Versorgungspotential VEE verbunden. Vorzugsweise ist zwischen dem Emitter des ersten Bipolartransistors Q1 und dem zweiten Versorgungspotential VEE ein Strombegrenzungswiderstand R1 vorgesehen.

Zwischen dem Kollektor des ersten Bipolartransistors Q1 und der Basis des zweiten Bipolartransistors Q2 ist eine Reihenschaltung einer pn-Übergangsdiode D1 und einer Schottkydiode D2 vorgesehen. Die Durchlaßspannung der pn-Übergangsdiode D1 ist mit Vbe3, die der Schottkydiode mit Vd bezeichnet.

Weiterhin ist die Basis des zweiten Bipolartransistors Q2 über einen Widerstand R2 an das erste Versorgungspotential VCC angeschlossen.

Nachstehend wird der Betrieb der derart aufgebauten Steuerschaltung beschrieben.

Der Betrieb dieser "Leistung bei Bedarf"-Schaltung basiert auf dem Prinzip, daß die Klemmung des Ausgangstransistors Q1 ohne die Klemmdiode zwischen Basis und Emitter desselben, die nach dem Stand der Technik vorgesehen ist, allein durch die Steuerschleife zwischen Basis und Kollektor des Ausgangstransistors Q1 bewerkstelligt wird.

Diese Steuerschleife besteht aus den Dioden D1 und D2 und aus dem zweiten Bipolartransistor Q2. Die Diode D1 ist vorzugsweise ein npn-Transistor mit kurzgeschlossenen Basis und Kollektor, deren Durchlaßspannung Vbe3 etwa 0,75 V beträgt. Die Diode D2 ist eine Schottkydiode, deren Durchlaßspannung Vd typischerweise 0,55 V beträgt.

Durch die gewählte Verschaltung folgt die Spannung an der Basis des zweiten Bipolartransistors Q2 der Ausgangsspannung am Kollektor des Ausgangstransistors Q1 mit einer Verschiebung um Vbe3 + Vd, herrührend aus der Diodenreihenschaltung.

Die folgende Gleichung (1) gibt den Zusammenhang zwischen der Ausgangsspannung Vaus und den Spannungen Vbe1, Vbe2, Vbe3 und Vd, und zwar unter der Annahme, daß der Strombegrenzungswiderstand R1 = 0 ist, wieder:

Vaus = (Vbe1 + Vbe2) - (Vbe3 + Vd) (1)

Es ist leicht ersichtlich, daß die Summe Vbe3 + Vd mindestens so groß sein muß wie die Summe Vbe1 + Vbe2, um den Ausgangstransistor Q1 leitend zu machen.

Für einen endlichen Strombegrenzungswiderstand R1 modifiziert sich die Gleichung (1) in nachstehende Gleichung (2):

Vaus = (Vbe1 + Vbe2 + Iaus × R1) - (Vbe3 + Vd) (2)

Falls die Ausgangsspannung Vaus unter 0,2 V = 2 × 0,75 V - 0,75 V - 0,55 V fällt, wird der Strom begrenzt auf den Strom durch den Widerstand R2 und den Basisstrom des Bipolartransistors Q1, der zum Aufnehmen des Ausgangsstroms Iaus notwendig ist (dieser Basisstrom ist gegeben durch: Basisstrom = Ausgangsstrom (Iaus)/Kleinsignalverstärkung(hfe)). Dabei dient der Widerstand R2 zum Einstellen des Basisstroms des Bipolartransistors Q2.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Steuerschaltung liegt nun darin, daß der Ausgabe-L-Zustand temperaturkompensiert ist. Dies ist daraus ersichtlich, daß die Temperaturabhängigkeit für einen pn-Übergang von 2 mV/°C für die beiden Übergangsspannungen Vbe1 + Vbe2 entgegengesetzt der für die beiden Übergangsspannungen Vbe3 + Vd ist und somit eine Kompensation erfolgt.

Es gibt einen weiteren Vorteil dieser "Leistung bei Bedarf"-Schaltung. Die Klemmung des Ausgangstransistors Q1 ist nämlich abhängig von der Größe des Ausgangsstroms Iaus, wie man leicht aus Gleichung (2) erkennt. Der Abhängigkeitsfaktor hierfür ist der Spannungsabfall über dem Strombegrenzungswiderstand R1, der Iaus × R1 beträgt. Somit wird der Ausgangstransistor bei hohem Ausgangsstrom Iaus weniger geklemmt als bei niedrigem Ausgangsstrom.

In Fig. 2 ist ein BiCMOS-Bustreiber gezeigt, der die erfindungsgemäße Steuerschaltung zum Steuern seines internen Leistungsverbrauchs verwendet.

In Fig. 2 sind Komponenten, welche die gleichen sind wie diejenigen in Fig. 1, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine wiederholte Beschreibung dieser gleichen Komponenten wird unterlassen werden.

Bezugszeichen N1 bezeichnet einen ersten NMOS-Transistor, der mit seinem Hauptstrompfad zwischen den Emitter des zweiten Bipolartransistors Q2 und die Basis des ersten Bipolartransistors Q1 geschaltet ist und der an seinem Gate ein Eingangssignal IN zum Ein-/Ausschalten des Ausgangstransistors Q1 empfängt.

Vorgesehen ist weiterhin ein zweiter NMOS-Transistor N2, der mit seinem Hauptstrompfad zwischen der Basis des zweiten Bipolartransistors Q2 und der Diodenreihenschaltung D1, D2 angeschlossen ist und der ebenfalls an seinem Gate das Eingangssignal IN empfängt.

Außerdem gibt es einen dritten NMOS-Transistor N3, dessen Hauptstrompfad zwischen einem Knoten, der zwischen dem ersten NMOS-Transistor N1 und der Basis des ersten Bipolartransistors Q1 liegt, und dem zweiten Versorgungspotential VEE verläuft. Er empfängt an seinem Gate ein durch einen Inverter I1 invertiertes Eingangssignal.

Zwischen dem ersten Versorgungspotential VCC und der Basis des zweiten Bipolartransistors Q2 liegt der Hauptstrompfad eines ersten PMOS-Transistors P2, der an seinem Gate ebenfalls das Eingangssignal IN empfängt.

Beim H-Pegel des Eingangssignals IN sind mithin die MOS-Transistoren N1 und N2 leitend, hingegen sind N3 und P2 gesperrt.

Beim Einschalten des Ausgangstransistors Q1 fließt ein hoher Strom über den Bipolartransistor Q2 und den MOS-Transistor N1 an die Basis des Bipolartransistors Q1. Dieser Schaltstrom wird solange anhalten, bis die Ausgangsspannung am Niedrigpegel ist. Bei etwa 0,2 V wird die Steuerschaltung aktiv und begrenzt den Basisstrom auf den Wert, der zum Niedrighalten der Ausgangsspannung benötigt ist, wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert.

Die beiden MOS-Transistoren N2 und P2 dienen zum Erhöhen der Geschwindigkeit der "Leistung bei Bedarf"-Schaltung. Da der Widerstand R1 normalerweise groß sein sollte (niedriger Leistungsverbrauch im Gleichgewichtszustand einer L-Pegel oder H-Pegel am Ausgang), schaltet der MOS-Transistor P2 die Basis des zweiten Bipolartransistors Q2 direkt an das erste Versorgungspotential VCC. Im Betrieb wird, wenn die MOS-Transistoren N1 und N3 den Ausgangstransistor Q1 ausschalten, die Basis des Bipolartransistors Q2 auf das erste Versorgungspotential VCC gelegt.

Zusätzlich können noch MOS-Transistoren N4 und P4 vorgesehen sein, um den Ausgang in den hochohmigen Zustand zu schalten. N4 ist ein NMOS-Transistor, dessen Hauptstrompfad zwischen die Basis des ersten Bipolartransistors Q1 und dem zweiten Versorgungspotential VEE geschaltet ist und an dessen Gate ein Impedanzschaltsignal IS anlegbar ist. P4 ist ein PMOS-Transistor, dessen Hauptstrompfad zwischen das erste Versorgungspotential VCC und den Kollektor des zweiten Bipolartransistors geschaltet ist und an dessen Gate ebenfalls das Impedanzschaltsignal IS anlegbar ist.

Die erfindungsgemäße Steuerschaltung kann für alle Bustreiber verwendet werden, die in BiCMOS-Technologie hergestellt sind. Kernpunkt der Erfindung ist, daß die Basisspannung des Ausgangstransistors bei L-Pegel am Ausgang durch die Ausgangs Spannung über die Steuerschleife gesteuert ist. Der Basisstrom ist dabei so gewählt, daß der L-Pegel am Ausgang aufrechterhalten werden kann. Es ist insbesondere nicht notwendig, den Basisstrom vom Ausgangstransistor Q1 überzudimensionieren, um alle möglichen Arten von Treiberlast zu berücksichtigen.

Die erfindungsgemäße Schaltung weist somit einen niedrigen Leistungsverbrauch sogar bei hoher Frequenz auf. Dies macht die Schaltung besonders attraktiv für batterieversorgte Systeme.


Anspruch[de]
  1. 1. Steuerschaltung zum Steuern des Basisstroms eines ersten Bipolartransistors (Q1), welcher eine Basis, einen Emitter und einen Kollektor aufweist, umfassend:
    1. a) einen zweiten Bipolartransistor (Q2) mit einer Basis, einem Emitter, welcher mit der Basis des ersten Bipolartransistors (Q1) verbunden ist, und einem Kollektor, welcher mit einem ersten Versorgungspotential (VCC) verbunden ist;
    2. b) einen ersten Widerstand (R2), der zwischen dem ersten Versorgungspotential (VCC) und der Basis des zweiten Bipolartransistors (Q2) angeschlossen ist;
    3. c) eine Diodeneinrichtung (D1, D2), welche zwischen der Basis des zweiten Bipolartransistors (Q2) und dem Kollektor des ersten Bipolartransistors (Q1) angeschlossen ist;
  2. wobei
    1. d) die Diodeneinrichtung (D1, D2) einen Spannungsabfall an der Basis des zweiten Bipolartransistors (Q2) schafft, der zumindest die Summe der Basis-Emitter- Spannungen (Vbe1, Vbe2) des ersten und zweiten Bipolartransistors (Q1, Q2) beträgt; und
    2. e) der Emitter des ersten-Bipolartransistors (Q1) mit einem zweiten Versorgungspotential (VEE) verbunden ist.
  3. 2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zweiten Widerstand (R1), der zwischen dem Emitter des ersten Bipolartransistors (Q1) und dem zweiten Versorgungspotential (VEE) angeschlossen ist.
  4. 3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diodeneinrichtung (D1, D2) aus einer Reihenschaltung einer pn-Übergangsdiode (D1) und einer Schottkydiode (D2) besteht.
  5. 4. Steuerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die pn-Übergangsdiode (D1) ein npn-Transistor mit Kurzschluß von Basis und Kollektor ist.
  6. 5. Verwendung einer Steuerschaltung nach Anspruch 1, in einem BiCMOS-Bustreiber, gekennzeichnet durch:
    1. i) einen ersten NMOS-Transistor (N1), der mit seinem Hauptstrompfad zwischen den Emitter des zweiten Bipolartransistors (Q2) und die Basis des ersten Bipolartransistors (Q1) geschaltet ist und der ein Gate zum Empfangen eines Eingangssignals (IN) aufweist;
    2. ii) einen zweiten NMOS-Transistor (N2), der mit seinem Hauptstrompfad zwischen die Basis des zweiten Bipolartransistors (Q2) und die Diodeneinrichtung (D1, D2) geschaltet ist und der ein Gate zum Empfangen des Eingangssignals (IN) aufweist;
    3. iii) einen dritten NMOS-Transistor (N3), dessen Hauptstrompfad zwischen einem Knoten, der zwischen dem ersten NMOS-Transistor (N1) und der Basis des ersten Bipolartransistors (Q1) liegt, und dem zweiten Versorgungspotential (VEE) verläuft, und der ein Gate zum Empfangen des invertierten Eingangssignals aufweist; und
    4. iv) einen ersten PMOS-Transistor (P2), der mit seinem Hauptstrompfad parallel zum ersten Widerstand (R2) geschaltet ist und der ein Gate zum Empfangen des Eingangssignals (IN) aufweist.
  7. 6. Verwendung nach Anspruch 5, gekennzeichnet, durch einen vierten NMOS-Transistor (N4), der mit seinem Hauptstrompfad parallel zu dem des dritten NMOS-Transistors (N3) geschaltet ist und ein Gate zum Empfangen eines Impedanzschaltsignals (IS) aufweist; und einen zweiten PMOS-Transistor (P4), der mit seinem Hauptstrompfad zwischen das erste Versorgungspotential (VCC) und den Kollektor des zweiten Bipolartransistors (Q2) geschaltet ist und der ein Gate zum Empfangen eines bzw. des Impedanzschaltsignals (IS) aufweist.






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