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Dokumentenidentifikation DE602004004724T2 22.11.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001530289
Titel Spannungs- Stromwandler und Wandlungsmethode
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Dahlin, Jan, 177 61 Järfälla, SE
DE-Aktenzeichen 602004004724
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 08.11.2004
EP-Aktenzeichen 044451144
EP-Offenlegungsdatum 11.05.2005
EP date of grant 14.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.11.2007
IPC-Hauptklasse H03G 1/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Spannungs-Stromwandler, umfassend eine Signalstufe mit einem ersten Transistor und einem ersten Widerstand. Der erste Transistor ist angepasst, mit einer Eingangssignalspannung gespeist zu werden. Der Wandler ist angepasst, einen Ausgangsstrom zu generieren, umfassend einen Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom und einen Ausgangssignalstrom, und eine Verstärkungsabstimmung durch die Variation des ersten Widerstands vorzusehen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Wandeln einer Spannung zu einem Strom.

Beschreibung des Standes der Technik

Es ist bekannt, verschiedene Arten von Verstärkern variabler Verstärkung (VGA, variable gain amplifiers) vor dem Spannungs-Stromwandler hinzuzufügen.

Die Patentveröffentlichung GB 2 334 163 zeigt einen Verstärker variabler Transkonduktanz (Steilheit), umfassend zwei Transistoren, deren Emitter über Widerstände mit einer Konstantstromquelle verbunden sind, um ein differenzielles oder langes Heckpaar zu bilden. Ein Rückkopplungsverstärker, dessen Transkonduktanz steuerbar ist, hat Eingänge, die mit den Kollektoren der Transistoren verbunden sind, und Ausgänge, die mit den Emittern davon verbunden sind. Der Rückkopplungsverstärker führt somit den Emittern der Transistoren einen differenziellen Strom zu, der dem Produkt des differenziellen Ausgangssignals der Transistoren und der variablen Transkonduktanz des Rückkopplungsverstärkers entspricht. Von der Anordnung wird gesagt, dass sie den Rauschfaktor verbessert.

Die Patentveröffentlichung US 2003/0062951 zeigt einen Mischer/Verstärker, der zum Bereitstellen variabler Verstärkung fähig ist, während ein in wesentlichen konstanter Gleichtakt-Betriebsspannungspegel unterhalten wird und eine im wesentlichen konstante Betriebsspannung in neuen Niederspannungsgestaltungen unterhalten wird, wobei somit ein Mischer/Verstärker in einem Niederleistungs-Direktwandlungsempfänger bereitgestellt wird.

Es wird ein rauscharmer Verstärker gezeigt, in dem ein Verstärkungssteuersignal durch eine differenzielle Stromquelle vorgesehen wird. Es werden zwei Ausgangsströme I1 und I2 bereitgestellt. I1 + I2 = einer Konstante. I1 und I2 werden in ersten und zweiten Pfaden gespiegelt, wobei einer Verstärkertransistoren und optional einen Gilbert-Zellenmultiplikator enthält. Ungeachtet der Verstärkung des Verstärkers bleibt der Strom durch die zwei Pfade gleich I1 und I2, und die Gleichtakt-Spannung bleibt konstant.

Die Patentveröffentlichung GB 1 288 880 zeigt eine Ausführungsform in 1, wo das Basispotenzial von Transistor 1 dem Emitterpotenzial von Transistor 1 folgt, wodurch der Arbeitspunkt von Transistor 1 konstant bleibt.

Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung Probleme

Es ist ein Problem, einen Spannungs-Stromwandler mit Verstärkungsabstimmung vorzulegen ohne Variieren der Leistungsverhaltensparameter, wie etwa Stromverbrauch und Ausgangslinearität, während die Verstärkung abgestimmt wird.

Es ist speziell ein Problem dies ohne Hinzufügung zusätzlicher Komponenten in dem Signalpfad hinzuzufügen zu tun, was wiederum bedeutet, dass zusätzliche Fehler hinzugefügt werden, wie etwa Rauschen und Nichtlinearität, oder zusätzlichen Leistungsverbrauch.

Lösung

Mit der Zielsetzung einer Lösung von einem oder mehr der oben identifizierten Probleme, und von dem Standpunkt eines Spannungs-Stromwandlers, umfassend eine Signalstufe mit einem ersten Transistor und einem ersten Widerstand, wobei der erste Transistor angepasst ist, mit einer Eingangssignalspannung gespeist zu werden, der Wandler angepasst ist, einen Ausgangsstrom zu generieren, der einen Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom und einen Ausgangssignalstrom umfasst, und eine Verstärkungsabstimmung durch die Variation des ersten Widerstands vorzusehen, lehrt die vorliegende Erfindung, dass der Wandler eine Vorspannungsstufe umfasst, die angepasst ist, eine Eingangs-Vorspannungsgleichspannung zu generieren und in die Signalstufe einzuspeisen, wobei die Eingangs-Vorspannungsgleichspannung angepasst ist, den Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom während der Variation des ersten Widerstands konstant zu halten, wobei somit eine Verstärkungsabstimmung ohne jegliche Variation von Leistungsverhaltensparametern vorgesehen wird, wie etwa Stromverbrauch und Ausgangslinearität.

Um diese Eingangs-Vorspannungsgleichspannung zu generieren, lehrt die vorliegende Erfindung, dass die Vorspannungsstufe einen zweiten Transistor und einen zweiten abstimmbaren Widerstand umfasst, die im wesentlichen eine Kopie der Signalstufe bilden. Der zweite Transistor ist als Diode geschaltet, wobei somit im wesentlichen ein Stromspiegel in Verbindung mit dem ersten Transistor gebildet wird. Die Vorspannungsstufe ist angepasst, durch einen konstanten Eingangs-Vorspannungsgleichstrom gespeist zu werden, und der zweite Widerstand ist angepasst, gleichzeitig mit der Variation des ersten Widerstands variiert zu werden.

Mit der Zielsetzung einer Minimierung des Leistungsverbrauchs der Vorspannungsstufe lehrt die vorliegende Erfindung, dass der zweite Transistor angepasst ist, einen Transistorbereich zu haben, der ein Faktor M kleiner als der Transistorbereich des ersten Transistors ist, dass der zweite Widerstand angepasst ist, einen Widerstandswert zu haben, der der gleiche Faktor M größer als der Widerstandswert des ersten Widerstands ist, wodurch der Eingangs-Vorspannungsgleichstrom angepasst ist, mit dem Faktor M in Relation auf den Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom reduziert zu werden.

Um die Steuerung der Vorspannungsstufe zu vereinfachen, lehrt die vorliegende Erfindung, dass der erste und zweite Widerstand angepasst ist, gemeinsam variiert und gesteuert zu werden durch das gleiche Steuersignal.

Die vorliegende Erfindung lehrt, dass es möglich ist, dass die Vorspannungsstufe mit der Signalstufe integriert ist, wobei der Wandler innerhalb der gleichen integrierten Schaltung integriert ist, wobei somit zu einer Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung ohne Hinzufügung irgendwelcher zusätzlicher Komponenten gekommen wird.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Wandeln einer Spannung zu einem Strom, was in der folgenden Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen detaillierter beschrieben wird.

Vorteile

Die Vorteile eines Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung bestehen darin, dass der erfinderische Wandler eine variable Verstärkung bietet, während ein konstanter Vorspannungsstrom über dem ganzen Verstärkungseinstellungsbereich beibehalten wird. Der erfinderische Wandler sieht eine Steuerung vom Stromverbrauch unabhängig von einer Verstärkungseinstellung vor. Er sieht auch eine Möglichkeit vor, die Last unabhängig von der Verstärkungseinstellung zu dimensionieren, wobei somit ein Leistungsverhalten vorgesehen wird, das für eine gewisse Stromdichte optimiert ist, die über dem gesamten Verstärkungseinstellungsbereich gültig ist.

Der erfinderische Wandler kann innerhalb der gleichen integrierten Schaltung hergestellt werden und somit die obigen Vorteile innerhalb der Funktionen einer Komponente, und mit stark verringerten zusätzlichen Fehlern, wie etwa Rauschen, Nichtlinearität etc., vorsehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nun werden nachstehend ein Wandler und ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung mit Verweis auf die begleitenden Zeichnungen detailliert beschrieben, in denen:

1 eine schematische und vereinfachte Veranschaulichung eines bekannten Spannungs-Stromwandlers ist;

2 eine schematische und vereinfachte Veranschaulichung eines Spannungs-Stromwandlers gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und

3 eine schematische und vereinfachte Veranschaulichung eines erfinderischen Spannungs-Stromwandlers ist, der auf einen reduzierten Eingangs-Vorspannungsgleichstrom angepasst ist.

Beschreibung von Ausführungsformen, wie sie gegenwärtig bevorzugt werden

Mit Verweis auf 1 wird ein Spannungs-Stromwandler gemäß dem Stand der Technik beschrieben. Der bekannte Wandler umfasst einen ersten Transistor 11 und einen ersten Widerstand 12, wobei der erste Transistor 11 angepasst ist, mit einer Eingangs-Vorspannungsgleichspannung VDC und einer Eingangssignalspannung vin gespeist zu werden, und wobei der Wandler angepasst ist, einen Ausgangsstrom zu generieren, der einen Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom IB1 und einen Ausgangssignalstrom iout umfasst.

Der Wandler ist angepasst, eine Verstärkungsabstimmung durch die Variation des ersten Widerstands 12 vorzusehen.

Die Spannungs-Strom-Transferfunktion kann als:

ausgedrückt werden, wobei gm die Transkonduktanz des ersten Transistors 11 und R der Widerstandswert des ersten Widerstands 12 sind. Vorausgesetzt, dass die Transkonduktanz gm des ersten Transistors 11 groß (gm >> 1/R) ist, kann die Spannungs-Strom-Transferfunktion als:
ausgedrückt werden.

Ein direkter Weg für eine Implementierung einer abstimmbaren Verstärkung besteht darin, den Widerstandswert R abstimmbar zu machen, wie in der Figur gezeigt. Der Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom IB1 wird jedoch durch:

bestimmt, wobei Vbe die Basis-Emitter-Spannung des ersten Transistors 11 ist.

Durch Variieren des Widerstandswertes R wird daher auch der Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom IB1 variieren, was verursacht, dass der Betriebspunkt des ersten Transistors 11 variiert. Die Zielsetzung der Erfindung besteht darin, einen optimalen Betriebspunkt zu unterhalten, und somit die Ausgangslinearität des ersten Transistors 11 ungeachtet der Variation des Widerstandswertes R zu unterhalten.

Es wird nun ein Spannungs-Stromwandler gemäß der vorliegenden Erfindung mit Verweis auf 2 beschrieben.

Der erfinderische Wandler umfasst eine Signalstufe 1 gemäß 1, umfasst aber auch eine Vorspannungsstufe 2, die angepasst ist, eine Eingangs-Vorspannungsgleichspannung VDC zu generieren und in die Signalstufe 1 einzuspeisen, wobei die Eingangs-Vorspannungsgleichspannung angepasst ist, den Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom IB1 während der Variation des ersten Widerstands 12 konstant zu halten.

Die Vorspannungsstufe 2 umfasst einen zweiten Transistor 21 und einen zweiten abstimmbaren Widerstand 22, die im wesentlichen eine Kopie der Signalstufe 1 bilden. Die Figur zeigt, dass der zweite Transistor 21 als Diode geschaltet ist, wobei somit im wesentlichen ein Stromspiegel in Verbindung mit dem ersten Transistor 11 gebildet wird. Die Vorspannungsstufe 2ist angepasst, durch einen konstanten Eingangs-Vorspannungsgleichstrom IB2 gespeist zu werden.

Die vorliegende Erfindung lehrt speziell, dass der zweite Widerstand 22 angepasst ist, gleichzeitig mit der Variation des ersten Widerstands 12 variiert zu werden.

3 zeigt, dass mit der Zielstellung einer Reduzierung des Eingangs-Vorspannungsgleichstroms IB2 in Relation zu dem Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom IB1 die vorliegende Erfindung lehrt, dass der Eingangs-Vorspannungsgleichstrom IB2 mit einem Faktor M in Relation zu dem Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom IB1 reduziert werden kann, durch Anpassen des zweiten Transistors 21, einen Transistorbereich A2 zu haben, der ein Faktor M kleiner als der Transistorbereich A1 des ersten Transistors 11 ist, und durch Anpassen des zweiten Widerstands 22, einen Widerstandswert R2 zu haben, der der Faktor M größer als der Widerstandswert R1 des ersten Widerstands 12 ist.

Die vorliegende Erfindung lehrt auch, dass die ersten und zweiten Widerstände 12, 22 angepasst sind, gemeinsam variiert und durch das gleiche Steuersignal 3 gesteuert zu werden, wobei somit eine einfache Steuerung des erfinderischen Wandlers erlaubt wird.

Eine vorgeschlagene Ausführungsform der vorliegenden Erfindung lehrt, dass die Vorspannungsstufe 2 mit der Signalstufe 1 integriert ist, wobei der Wandler somit innerhalb der gleichen integrierten Schaltung integriert ist.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Wandeln einer Spannung zu einem Strom durch einen Spannungs-Stromwandler.

Dieses Verfahren wird mit erneutem Verweis auf 2 beschrieben, wobei gezeigt wird, dass der Wandler eine Signalstufe 1 mit einem ersten Transistor 11 und einem ersten Widerstand 12 umfasst, wobei der erste Transistor 11 mit einer Eingangssignalspannung vin gespeist wird, wobei der Wandler einen Ausgangsstrom generiert, der einen Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom IB1 und einen Ausgangssignalstrom iout generiert und wobei der Wandler eine Verstärkungsabstimmung durch die Variation des ersten Widerstands 12 vorsieht.

Das erfinderische Verfahren lehrt die Verwendung einer Vorspannungsstufe 2, die eine Eingangs-Vorspannungsspannung VDC generiert und in die Signalstufe 1 einspeist, wobei die Eingangs-Vorspannungsspannung VDC den Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom IB1 während der Variation des ersten Widerstands 12 konstant hält.

Das erfinderische Verfahren lehrt die Verwendung einer Vorspannungsstufe 2, die einen zweiten Transistor 21 und einen zweiten abstimmbaren Widerstand 22 umfasst, die im wesentlichen eine Kopie der Signalstufe 1 bilden, wobei der zweite Transistor 21 als Diode geschaltet ist, wobei somit in Verbindung mit dem ersten Transistor 11 im wesentlichen ein Stromspiegel zu der Signalstufe 1 gebildet wird.

Die Vorspannungsstufe 2 wird durch einen konstanten Eingangs-Vorspannungsgleichstrom IB2 gespeist, und der zweite Widerstand 22 wird gleichzeitig mit der Variation des ersten Widerstands 12 variiert, was zu dem konstanten Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom IB1 führt.

Der Eingangs-Vorspannungsgleichstrom IB2 wird reduziert, ein Faktor M kleiner als der Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom IB1 zu sein, durch Auswählen des Transistorbereichs A2 des zweiten Transistors 21, der Faktor M kleiner als der Transistorbereich A1 des ersten Transistors 11 zu sein, und durch Auswählen des Widerstandswertes R2 des zweiten Widerstands 22, der Faktor M größer als der Widerstandswert R1 des ersten Widerstands 12 zu sein.

Das erfinderische Verfahren lehrt, dass die ersten und zweiten Widerstände 12, 22 gemeinsam durch das gleiche Steuersignal 3 gesteuert werden.

In der obigen Beschreibung, und in den folgenden Ansprüchen, wurden bipolare NPN-Transistoren verwendet, um die praktische Implementierung der vorliegenden Erfindung zu beschreiben. Um die Beschreibung zu vereinfachen, wurde die Erfindung nicht unter Verwendung anderer Arten von Transistoren beschrieben. Dem Fachmann ist jedoch offensichtlich, dass ein beliebiger anderer Typ eines Transistors, wie bipolare PNP-Transistoren oder MOS-Transistoren vom N- oder P-Typ verwendet werden können, um die gleichen Ergebnisse zu erreichen, und dass eine beliebige derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung den oben beschriebenen Ausführungsformen und in den folgenden Ansprüchen äquivalent ist.

Es wird verstanden, dass die Erfindung nicht auf die zuvor beschriebenen und veranschaulichenden beispielhaften Ausführungsformen davon beschränkt ist, und dass Modifikationen innerhalb des Bereiches des erfinderischen Konzeptes, wie in den begleitenden Ansprüchen veranschaulicht, durchgeführt werden können.


Anspruch[de]
Ein Spannungs-Stromwandler, umfassend eine Signalstufe (1) mit einem ersten Transistor (11) und einem ersten Widerstand (12), worin der erste Transistor angepasst ist, mit einer Eingangssignalspannung (Vin) gespeist zu werden, worin der Wandler angepasst ist, einen Ausgangsstrom zu generieren, der einen Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom (IB1) und einen Ausgangssignalstrom (iout) umfasst, wobei der Konverter angepasst ist, eine Verstärkungsabstimmung durch die Variation des ersten Widerstands (12) vorzusehen, worin der Wandler eine Vorspannungsstufe (2) umfasst, die angepasst ist, eine Eingangs-Vorspannungsgleichspannung (VDC) zu generieren und in die Signalstufe (1) einzuspeisen, wobei die Eingangs-Vorspannungsgleichspannung angepasst ist, den Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom während der Variation des ersten Widerstands konstant zu halten, gekennzeichnet dadurch, dass die Vorspannungsstufe einen zweiten Transistor (21) und einen zweiten abstimmbaren Widerstand (22) umfasst, die im wesentlichen eine Kopie der Signalstufe bilden, dass der zweite Transistor als Diode geschaltet ist, wobei somit im wesentlichen ein Stromspiegel in Verbindung mit dem ersten Transistor gebildet wird, dass die Vorspannungsstufe angepasst ist, durch einen konstanten Eingangs-Vorspannungsgleichstrom (IB2) gespeist zu werden, und dass der zweite Widerstand (22) angepasst ist, gleichzeitig mit der Variation des ersten Widerstands (12) variiert zu werden. Ein Wandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der zweite Transistor (21) angepasst ist, einen Transistorbereich (A2) zu haben, der ein Faktor M kleiner als der Transistorbereich (A1) des ersten Transistors (11) ist, dass der zweite Widerstand (22) angepasst ist, einen Widerstandswert (R2) zu haben, der der Faktor M größer als der Widerstandswert (R1) des ersten Widerstands (21) ist, und dass der Eingangs-Vorspannungsgleichstrom (IB2) somit angepasst ist, mit dem Faktor M in Relation zu dem Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom (IB1) reduziert zu werden. Ein Wandler nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass der erste und zweite Widerstand (12, 22) angepasst sind, gemeinsam variiert und durch das gleiche Steuersignal (Ctrl) gesteuert zu werden. Ein Wandler nach einem beliebigen vorangehenden Anspruch, gekennzeichnet dadurch, dass die Vorspannungsstufe mit der Signalstufe integriert ist, wobei somit der Wandler innerhalb der gleichen integrierten Schaltung integriert ist. Ein Verfahren zum Wandeln einer Spannung zu einem Strom durch einen Spannungs-Stromwandler, wobei der Wandler eine Signalstufe (1) mit einem ersten Transistor (11) und einem ersten Widerstand (12) umfasst, worin der erste Transistor mit einer Eingangssignalspannung (Vin) gespeist wird, worin der Wandler einen Ausgangsstrom generiert, der einen Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom (IB1) und einen Ausgangssignalstrom (iout) umfasst, wobei der Wandler eine Verstärkungsabstimmung durch die Variation des ersten Widerstands (12) vorsieht, worin der Wandler eine Vorspannungsstufe (2) umfasst, die eine Eingangs-Vorspannungsgleichspannung (VDC) generiert und in die Signalstufe (1) einspeist, und worin die Eingangs-Vorspannungsgleichspannung den Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom während der Variation des ersten Widerstands konstant hält, gekennzeichnet dadurch, dass die Vorspannungsstufe (2) einen zweiten Transistor (21) und einen zweiten abstimmbaren Widerstand (22) umfasst, die im wesentlichen eine Kopie der Signalstufe bilden, dass der zweite Transistor (21) als Diode geschaltet ist, wobei somit im wesentlichen ein einfacher Stromspiegel in Verbindung mit dem ersten Transistor gebildet wird, dass die Vorspannungsstufe (2) durch einen konstanten Eingangs-Vorspannungsgleichstrom (IB2) gespeist wird, und dass der zweite Widerstand (22) gleichzeitig mit der Variation des ersten Widerstands (12) variiert wird, was zu dem konstanten Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom (IB1) führt. Ein Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass der Eingangs-Vorspannungsgleichstrom reduziert ist, ein Faktor M kleiner als Ausgangs-Vorspannungsgleichstrom zu sein, durch Auswählen des Transistorbereiches (A2) des zweiten Transistors (21), der Faktor M kleiner als der Transistorbereich (A1) des ersten Transistors (11) zu sein, und durch Auswählen des Widerstandswertes (R2) des zweiten Widerstands (22), der Faktor M größer als der Widerstandswert (R1) des ersten Widerstands (12) zu sein. Ein Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet dadurch, dass der erste und zweite Widerstand (12, 22) gemeinsam durch das gleiche Steuersignal (Ctrl) gesteuert werden.






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