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Dokumentenidentifikation DE10220332B4 15.07.2004
Titel Integrierte Schaltungsanordnung mit einem aktiven Filter und Verfahren zum Trimmen eines aktiven Filters
Anmelder Xignal Technologies AG, 82008 Unterhaching, DE
Erfinder Mitteregger, Gerhard, 82024 Taufkirchen, DE
Vertreter Klinger & Kollegen, Rechts- und Patentanwälte, Wirtschaftsprüfer, Steuerberater, 80336 München
DE-Anmeldedatum 07.05.2002
DE-Aktenzeichen 10220332
Offenlegungstag 27.11.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.07.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.07.2004
IPC-Hauptklasse H03H 11/12

Beschreibung[de]

Die Erfindung geht aus von einer integrierten Schaltungsanordnung mit einem aktiven Filter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Trimmen ("Tuning") eines aktiven Filters.

Eine solche integrierte Schaltungsanordnung mit einem aktiven Filter umfassend Transkonduktanzstufen, die jeweils mittels eines zuzuführenden Biasstroms einstellbar sind, ist aus Silva-Martinez, Jose et al, "High-Performance CMOS continuous-time filters", Kluwer Academic Publishers, ISBN 0-7923-9339-2, Seiten 123–126, bekannt. Dieses Filter ist ein sogenanntes gm/C-Filter, bei welchem neben Transkonduktanzstufen auch Kondensatoren angeordnet sind. gm/C-Filter werden unter anderem für eine Breitbandfilterung ("anti aliasing filter"), bei Equalizern in der digitalen Übertragungstechnik oder in "Continuous Time Sigma Delta"-Konvertern eingesetzt. Ohne Rückkoppelung werden sie allgemein in Anwendungen mit hohen Bandbreiten und mittleren Linearitätsanforderungen eingesetzt.

Die in 1 dargestellte Schaltung zeigt eine an sich aus dem oben erwähnten Fachbuch (vgl. dort 4.1) bekannte und in der Literatur als "Biquad" bezeichnete Struktur, realisiert in gm/C-Technik mit der folgenden Übertragungsfunktion A(s):

mit: s = komplexe Frequenz

&ohgr;0 = Polfrequenz

Q = Polgüte C1, C2 und gm1, gm2, gm3, gm4 bezeichnen hierbei die Kapazitäten und Transkonduktanzen der in 1 dargestellten Kondensatoren bzw. Transkonduktanzstufen.

Biquadratische Filter sind in der Praxis wichtige fundamentale Bausteine zur Bildung von aktiven Filtern, da sich durch geeignete Kombination von biquadratischen Strukturen jede beliebige Filtercharakteristik realisieren läßt und die Lage von Nullstellen und Polen in der komplexen s-Ebene von biquadratischen Strukturen relativ wenig von Variationen der elektrischen Eigenschaften der verwendeten Komponenten beeinflußt wird. Eine genaue Kontrolle der Lage von Nullstellen und Polen in der komplexen s-Ebene ist Voraussetzung dafür, daß das entworfene Filter die vorgegebenen Spezifikationen erfüllt. In dieser Hinsicht besonders bedeutsam sind Variationen der Komponenteneigenschaften aufgrund von Prozeßschwankungen bei der Herstellung der integrierten Schaltung sowie aufgrund von Temperaturschwankungen während des Betriebs der integrierten Schaltung.

Aufbau und Betriebsweise von Transkonduktanzstufen, wie den Stufen gm1 bis gm4 in 1 sind dem Fachmann wohlbekannt. Hierzu wird beispielhaft verwiesen auf die DE 694 27 471 T2 sowie die US 5,617,052, in welchen Aufbau und Betriebsweise von Transkonduktanzstufen dargestellt sind. Kurz zusammengefaßt ist eine Transkonduktanzstufe, auch bezeichnet als "operational transconductance amplifier" (OTA), Transkonduktanzelement oder Transkonduktor, eine Einrichtung zur Erzeugung eines Stromsignals aus einem eingegebenen Spannungssignal. Dies ist in 1a anhand der Transkonduktanzstufe gm1 veranschaulicht. Bezeichnet man die am Eingang der Stufe anliegende Spannung mit Uin und den am Ausgang der Stufe fließenden Strom mit lout, so gilt: lout = gm1·Uin ,wobei gm1 den sogenannten Transkonduktanzgewinn oder die Transkonduktanz der Einrichtung bezeichnet. Üblicherweise wird die Transkonduktanz einer Transkonduktanzstufe mittels eines der Stufe zugeführten Biasstroms (Itun in 1a) eingestellt, wo bei der konkrete Zusammenhang zwischen Biasstrom und resultierender Trans konduktanz von dem konkreten Aufbau der Transkonduktanzstufe abhängt. Wesentlich ist im Rahmen dieser Erfindung, daß bei gegebenem Aufbau der Transkonduktanzstufe deren Transkonduktanz sich verändert, wenn der Biasstrom verändert wird, also gm=gm (Itun). Diese Veränderbarkeit der Transkonduktanz einer Transkonduktanzstufe durch einen Biasstrom ist an sich ebenfalls aus DE 694 27 471 T2 und US 5,617,052 bekannt.

Um die Biasströme von Transkonduktanzstufen eines aktiven Filters einzustellen, besitzen bekannte integrierte Schaltungsanordnungen ferner eine Trimmeinrichtung zum Trimmen des Filters, welche die Biasströme der einzelnen Transkonduktanzstufen und damit die einzelnen Transkonduktanzen einstellt. Bei dieser Einstellung können die oben erwähnten Variationen der Transkonduktanz aufgrund von Herstellungsprozeßschwankungen und Temperaturschwankungen kompensiert werden. Trimmeinrichtungen und Strategien zum automatischen chipintegrierten Einstellen eines Filters sind an sich bekannt. Eine solche Strategie besteht beispielsweise darin, die aktuellen Filter-Leistungseigenschaften zu messen, dann diese Leistungseigenschaften mit einem Standard (Referenz) zu vergleichen, dann eine Abweichung zwischen den aktuellen Leistungseigenschaften und der Referenz zu bestimmen und schließlich ein Korrektursignal zu berechnen und dem Filter zuzuführen. Durch iterative Durchführung dieses Verfahrens können Abweichungen (Fehler) reduziert werden. Um den Filterbetrieb nicht zu beeinträchtigen, können die aktuellen Filter-Leistungseigenschaften anstatt am Filter selbst auch indirekt an einer Replik des Filters oder Teilen des Filters gemessen werden. Hierfür ist nur zu gewährleisten, daß das Verhalten des replizierten Filters bzw. der replizierten Filterteile dem Verhalten des Filters bzw. der Filterteile entspricht. Diese Bedingung ist für Repliken erfüllt, die in der Nähe des Filters auf demselben Chip angeordnet sind.

An replizierten Filtern bzw. Filterteilen können somit vorteilhaft Biasströme für Transkonduktanzstufen definiert werden, die dann direkt, oder indirekt mittels an sich bekannter Stromspiegel, den Transkonduktanzstufen des Filters zugeführt werden, um das Filter einzustellen.

In 1 ist die Trimmeinrichtung zur Einstellung der Transkonduktanzstufen nicht dargestellt.

Berücksichtigt man bei dem Filter gem. 1 den in der Praxis für jede Transkonduktanz gm vorhandenen Ausgangswiderstand in Form eines Ausgangsleitwertes gds (vgl. 2), dann werden sowohl Polfrequenz als auch Polgüte verändert. Die Filtercharakteristik bzw. Übertragungsfunktion A(s) entspricht nicht mehr der ohne Berücksichtigung des Ausgangswiderstandes, was im allgemeinen nachteilig ist.

Bekannte Abhilfemaßnahmen sind die Erhöhung des Ausgangswiderstandes der Transkonduktanzen ("gain boosting") oder die Realisierung von negativen Ausgangswiderständen gleich den Ausgangswiderständen.

Die Erhöhung des Ausgangswiderstandes durch gain boosting bedeutet den Einsatz von Operationsverstärkern oder Transistoren in Rückkoppelung. Bei hohen Frequenzen sind diese Schleifen nur mehr begrenzt wirksam. Weiter kann der Ausgangswiderstand nur vergrößert, seine Wirkung auf die Filtercharakteristik jedoch nicht eliminiert werden.

Der Einsatz von negativen Widerständen kann den Ausgangswiderstand theoretisch vollständig kompensieren. Die Realisierung von hierfür notwendigen sehr kleinen regelbaren Transkonduktanzen ist jedoch schwierig. Außerdem wird ein zusätzliches Tuning benötigt, um über Temperatur- und Prozessschwankungen den negativen Widerstand gleich dem Ausgangswiderstand zu regeln. Der durch eine Transkonduktanz realisierte negative Widerstand belastet zudem die Schaltungsknoten mit unerwünschter Kapazität.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine integrierte Schaltungsanordnung der oben bezeichneten Art sowie ein Verfahren zum Trimmen eines aktiven Filters einer solchen Schaltungsanordnung bereitzustellen, bei denen die Wirkung von in der Praxis auftretenden Ausgangsleitwerten von Transkonduktanzen auf die Filtercharakteristik in hohem Maße kompensiert werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einer integrierten Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bzw. einem Verfahren nach Anspruch 7. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Mit der Erfindung ist es möglich, die Transkonduktanzen des Filters auf eine Weise zu verändern, so daß der Einfluß der Ausgangswiderstände der Transkonduktanzen auf die angestrebte Übertragungsfunktion (z.B. die oben angegebene Übertragungsfunktion des Filters gemäß 1) mehr oder weniger aufgehoben wird. Insbesondere ermöglicht die Erfindung eine Kompensation der Auswirkung des Ausgangswiderstandes der Transkonduktanzen auf die Übertragungsfunktion eines gm/C-Filters durch geeignetes Verändern bestimmter Transkonduktanzen im Filter gegenüber Transkonduktanzen, die ohne Berücksichtigung des Ausgangswiderstands beim Entwurf des Filters ermittelt wurden. Hierfür wird die Transkonduktanzstufe wenigstens einer gm/C-Einheit einem Haupttrimmen bzw. Haupttuning unterworfen, bei dem die Zeitkonstante gm/C auf einen gewünschten Wert eingestellt wird, wohingegen mittels eines zusätzlichen Trimmens bzw. Tunens die Transkonduktanzstufe wenigstens einer weiteren gm/C-Einheit derart eingestellt wird, daß die Transkonduktanz dieser weiteren Transkonduktanzstufe um einen Wert von der Transkonduktanz der im Haupttuning eingestellten Transkonduktanzstufe abweicht, welcher einer Summe von mehreren der Ausgangsleitwerte entspricht.

Die Ausgangswiderstände sind für die einzelnen Transkonduktanzstufen jedenfalls dann identisch, wenn die Auslegung des Filters derart vorgesehen ist, daß die einzelnen Transkonduktanzstufen in Aufbau und Transkonduktanzwert identisch sind. Aber auch bei verschieden ausgelegten Transkonduktanzen ergibt sich, im wesentlichen nur abhängig von der verwendeten Herstellungstechnologie, ein praktisch einheitlicher Ausgangsleitwert für die Transkonduktanzstufen. Wenn die einzelnen Ausgangswiderstände im wesentlichen gleich sind, so bezeichnet der Begriff "Summe von mehreren Ausgangsleitwerten" ein Vielfaches dieses einheitlichen Ausgangsleitwerts.

Der für dieses zusätzliche Trimmen den weiteren Transkonduktanzstufen zuzuführende Biasstrom wird an einem Regelkreis umfassend eine Anordnung von Repliken definiert und kann dann direkt oder indirekt über einen Stromspiegel der betreffenden Transkonduktanzstufe des Filters zugeführt werden.

Die mit der Erfindung erzielte Kompensation der Auswirkung des Ausganswiderstands von Transkonduktanzen auf die Übertragungsfunktion eines Filters wird unten am Beispiel des gm/C-Filters gemäß den 1 und 2 noch detailliert erläutert.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das aktive Filter ein gm/C-Filter, insbesondere ein biquadratisches gm/C-Filter.

Ferner ist es bevorzugt, die Schaltungsanordnung in CMOS-Technologie zu bilden.

Die Trimmeinrichtung läßt sich für den Fall eines einheitlichen Ausgangsleitwerts (von mehreren und insbesondere allen der Transkonduktanzstufen) in einfacher Weise konzipieren, wenn die Trimmeinrichtung den Biasstrom der weiteren der Transkonduktanzstufen derart einstellt, daß die Transkonduktanz dieser weiteren Transkonduktanzstufe um ein ganzzahliges Vielfaches dieses einheitlichen Ausgangsleitwerts von der Transkonduktanz der ersten Transkonduktanzstufe abweicht. Auch ergibt sich ein einfacher Aufbau der Trimmeinrichtung, wenn der Regelkreis eine Serienanordnung von Repliken der ersten Transkonduktanzstufe und der weiteren Transkonduktanzstufe aufweist, wobei der Eingang der ersten Transkonduktanzstufe den Eingang der Anordnung bildet, wobei der Ausgang der ersten Transkonduktanzstufe mit dem Eingang der weiteren Transkonduktanzstufe sowie dem Ausgang der weiteren Transkonduktanzstufe verbunden ist, und wobei der Ausgang der weiteren Transkonduktanzstufe den Ausgang der Anordnung bildet.

Zur Durchführung des zusätzlichen Trimmens in möglichst rascher und zuverlässiger Weise läßt sich vorsehen, daß die Stromquelle zum Zuführen des geregelten weiteren Biasstroms zu der Replik der weiteren Transkonduktanzstufe zwei parallel zuführende Stromquelleneinheiten aufweist, von denen eine erste Einheit einen Biasstromanteil zuführt, der in einem festen Verhältnis zu dem ersten Biasstrom steht, wobei einer zweiten Einheit zum Zuführen eines geregelten Biasstromanteils das Vergleichssignal zugeführt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben. Es stellen dar:

1 ein Schaltbild eines biquadratischen gm/C-Filters,

1a ein Detail aus dem Schaltbild gemäß 1, welches die Funktion einer der in 1 dargestellten Transkonduktanzstufen veranschaulicht,

2 ein Schaltbild des gm/C-Filters gemäß 1, wobei die Ausgangswiderstände der Transkonduktanzstufen berücksichtigt sind,

2a ein Schaltbild des gm/C-Filters gemäß 1, wobei die Ausgangswiderstände der Transkonduktanzstufen berücksichtigt und besonders gewählt sind,

3 ein Schaltbild der für eine Realisierung der Erfindung bei dem Filter gemäß 2 oder 2a wesentlichen Komponenten einer Trimmeinrichtung, und

3a ein Schaltbild der für eine alternative Realisierung der Erfindung bei dem Filter gemäß 2 oder 2a wesentlichen Komponenten einer Trimmeinrichtung.

Die 1 und 1a wurden oben bereits als Ausführungsbeispiel eines aktiven Filters umfassend Transkonduktanzstufen gm1 bis gm4 erläutert. Neben diesen Transkonduktanzstufen weist das Filter Kondensatoren C1 und C2 wie in 1 dargestellt auf. Es handelt sich somit um ein biquadratisches gm/C-Filter, bei welchem eine Eingangsspannung Uin am Eingang einer ersten Transkonduktanzstufe gm1 eingegeben wird und eine Ausgangsspannung Uout am Ausgang einer der weiteren Transkonduktanzstufen (gm2, gm3, gm4), nämlich der Transkonduktanzstufe gm4 bereitgestellt wird.

1a veranschaulicht die Funktion der Transkonduktanzstufe gm1. Die Transkonduktanz gm1 dieser Stufe wird eingestellt durch einen Biasstrom Itun, der von einer in 1a nicht dargestellten Trimmeinrichtung bereitgestellt wird und beispielsweise zur Erzielung einer gewünschten Zeitkonstante gm1/C2 der aus der Transkonduktanzstufe gm1 und dem Kondensator C2 gebildeten gm/C-Einheit (Integrator) bei einem Haupttuning des Filters eingestellt wird.

2 zeigt das gm/C-Filter unter Berücksichtigung von Ausgangswiderständen in Form von Ausgangsleitwerten gds1, gds2, gds3 und gds4 an den Ausgängen der Transkonduktanzstufen gm1 bis gm4. Gegenüber der oben bereits erwähnten Übertragungsfunktion A(s) des gm/C-Filters gemäß 1 ist bei der realistischen Betrachtung des Filters gemäß 2 sowohl die Polfrequenz als auch die Polgüte verändert.

Unter der in der Praxis meist gerechtfertigten Vereinfachung

gds1 = gds2 = gds3 = gds4 = gds (einheitlicher Ausgangsleitwert)

ergibt sich als Übertragungsfunktion A(s) des Filters von 2:

Der Stern * bedeutet den Multiplikationspunkt.

Die unerwünscht starke Abhängigkeit dieser Übertragungsfunktion A(s) von dem Ausgangsleitwert gds kann gemäß der Erfindung verringert werden durch eine besondere Einstellung der Transkonduktanzstufen gm2 bis gm4 zur Schaffung neuer Transkonduktanzwerte wie folgt:

gm2neu = gm2 – 2·gds

gm3neu = gm3 – 2·gds

gm4neu = gm4 – 4·gds Für andere Filter können andere derartige "Kompensationsregeln" aufgestellt werden.

In der Praxis meist gerechtfertigte Vereinfachungen sind ferner:

gm1 = gm2 = gm3 = gm4 = gm (einheitlicher Transkonduktanzwert)

C1 = C2 = C (einheitliche Kapazität)

Das Ergebnis für die Übertragungsfunktion A(s) ist dann:

Diese mit der Erfindung bereitgestellte Übertragungsfunktion A(s) weist nur mehr eine kleine Abhängigkeit vom Ausgangswiderstand bzw. Ausgangsleitwert gds auf.

Um jede beliebige Filtercharakteristik bereitstellen zu können, müssen C1 und C2 unter Umständen verschieden ausgelegt werden (C1 ≠ C2). Das sollte dann bei den neuen gm berücksichtigt werden. Für das obige Beispiel eines Biquad können die neuen gm vorteilhaft z.B. wie folgt gewählt werden:

Das Ergebnis für die Übertragungsfunktion A(s) ist dann:

Bevorzugt sollten im Falle verschiedener Kapazitäten C1, C2 auch die Ausgangsleitwerte dem angepaßt verschieden voneinander vorgesehen werden. Voneinander verschiedene Ausgangsleitwerte von einerseits gds und andererseits 2·C1/C2·gds erhält man z.B. durch entsprechendes Skalieren der geometrischen Abmessungen (z.B. Kanallängen) von FET-Transistoren in den Ausgangsstufen der betreffenden Transkonduktanzstufen. Die Ausgangsleitwerte lassen sich also besonders wählen (auslegen).

2a veranschaulicht diese Auslegung von neuen Ausgangsleitwerten gds2·C1/C2 und gds4·C1/C2 gegenüber den Werten gds2 und gds4 gemäß der ursprünglichen Filterauslegung.

Der Absolutwert des Augangsleitwertes unterliegt in der Praxis, bedingt durch Variationen im Herstellungsprozeß, erheblichen Schwankungen. Das durch die Skalierung gewählte relative Verhältnis von Ausgangsleitwerten zueinander ist jedoch sehr genau (typisch etwa 0,5%). Im Rahmen der Erfindung spielt der Absolutwert des Ausgangsleitwerts eine untergeordnete Rolle, da mit dem sogenannten Filter-Haupttuning eine Anpassung stattfindet. Bedeutend ist hingegen, daß die bevorzugt besonders (z.B. verschieden voneinander) zu wählenden Ausgangsleitwerte relativ zueinander in einfacher Weise durch Skalierung im Rahmen der Herstellungstechnologie eingestellt werden können.

3 zeigt eine einfache Implementierung (Tuning-Schaltung) für die Erzeugung der neuen Transkonduktanzen an Repliken der im Filter nach Fig. 2 verwendeten Transkonduktanzstufen gm1 und gm2. Der dargestellte Teil (ein Regelkreis) der Tuning-Schaltung ist zur Einstellung der in den 2 und 2a gezeigten Filter geeignet. Dies wird nachfolgend am Beispiel der Anwendung für das Filter gemäß 2 erläutert.

Üblicherweise gibt es bei einem gm/C-Filter ein Haupttuning, das die Zeitkonstante gm/C in Bezug auf einen sehr genauen Referenztakt (Quarz) einstellt. Diese Schaltung ist hier nicht abgebildet. Der Strom aus dieser Schaltung wird der replizierten Transkonduktanz gm1 zu 100% (Itun) und der replizierten Transkonduktanz gm2 zu 80% zugeführt. Die Repliken gm1r und gm2r sind wie in 3 dargestellt seriell angeordnet, wobei der Eingang der ersten Transkonduktanzstufe gm1r den Eingang des Regelkreises bildet, der mit einer bevorzugt konstanten Referenzspannung Uref beaufschlagt wird. Der Ausgang der ersten Transkonduktanzstufe gm1 ist mit dem Eingang sowie dem Ausgang der weiteren Transkonduktanzstufe gm2 verbunden. Dieser Ausgang der weiteren Transkonduktanzstufe gm2r bildet den Ausgang der Replik-Anordnung. Die dargestellte Replik gm2r wird hierbei invertiert betrieben ("-gm2r"). Die hier verwendeten Transkonduktanzstufen haben üblicherweise Differenzeingangsstufen und können so angeschlossen werden, daß bei Anlegen einer positiven Spannung am Eingang entweder der Strom aus dem Ausgang herausfließt (normaler Betrieb) oder hinein fließt (invertierter Betrieb).

Die am Ausgang bereitgestellte Ausgangsspannung Uout wird mittels eines Vergleichers mit der Referenzspannung Uref verglichen. Das als Ergebnis dieses Vergleichs bereitgestellte Vergleichssignal wird als ein Regelsignal einer zusätzlichen einstellbaren Stromquelle für die Transkonduktanzstufe gm2r zugeführt, um den von dieser Stromquelle (zusätzlich zu 80% Itun) zugeführten Biasstromanteil einzustellen. Der Regelkreis verändert den Strom von gm2r solange bis die Ausgangsspannung gleich Uref ist.

Wenn im eingeschwungenen Zustand des in 3 abgebildeten Regelkreises Uout=Uref gilt, so läßt sich leicht zeigen, daß in diesem Zustand die Transkonduktanz der weiteren Transkonduktanzstufe gm2r um die Summe der Ausgangsleitwerte gds1 und gds2 von der Transkonduktanz der ersten Transkonduktanzstufe gm1r abweicht: gm2r = gm1r – (gds1+gds2).

Falls die praktisch oftmals zu erfüllende Bedingung gds1 = gds2 gilt, so beträgt diese Abweichung also das Zweifache eines einheitlichen Ausgangsleitwerts: gm2r = gm1r – 2·gds.

Der in 3 dargestellte Teil der Trimmeinrichtung für das aktive Filter liefert also an der Replik (gm2r) der weiteren Transkonduktanzstufe genau denjenigen Biasstrom (=0.8·Itun1 + Itun2), der gemäß der oben angegebenen Kompensation direkt oder indirekt als Biasstrom für die Transkonduktanzstufe gm2 des Filters gemäß 2 zu verwenden ist.

Eine analoge Betrachtung für das weitergebildete Filter (besonders gewählte Kapazitäten und Ausgangsleitwerte) gemäß 2a ergibt ebenfalls, daß an der Replik genau der für das Filter benötigte Einstell-Biasstrom geliefert wird.

Um z.B. eine Abweichung vom Vierfachen eines Ausgangsleitwerts zu erhalten, können abweichend von 3 z.B. zwei zusätzliche Transkonduktanzstufen-Repliken verwendet werden.

Alternativ können Transkonduktanzstufen-Repliken mit unterschiedlichen Ausgangsleitwerten verwendet werden, z. B. einerseits mit 1·gds und andererseits mit 2·gds. Die gds schwanken zwar absolut über Prozeß, aber relativ zueinander sind sie auf typisch etwa 1% genau. Anders formuliert: Durch entsprechende Verhältnisse in den geometrischen Abmessungen der Transistoren kann das gds der Ausgangsstufe der Transkonduktanzstufe z. B. genau um den Faktor 2 in einer anderen Ausgangsstufe eingestellt werden, auch wenn diese absolut gesehen stark schwanken.

3a zeigt z.B. eine solche Schaltungsalternative zum Einstellen der Transkonduktanz gm2r = gm1r – 4·gds. Den halbierten Ausgangswiderstand der Transkonduktanzstufen gm1r und gm2r erreicht man hierbei entweder durch Verändern (Skalieren) der Ausgangsstufen der Transkonduktanzstufen von gm1r und gm2r in geeigneter Weise (Verringerung der Transistorlängen), oder durch Anschluß einer zweiten weiteren Transkonduktanzstufe gm2r an den Ausgangsknoten.

In den 3 und 3a nicht dargestellt ist die aufgrund der großen Abhängigkeit der Tuninggenauigkeit von Offsetspannungen unbedingt erforderliche, an sich bekannte Offsetkompensation (z. B. mittels Chopperverstärker).

Abhängig von der konkreten Gestaltung des aktiven Filters und einer daraus sich ergebenden Kompensation kann der Fachmann ohne weiteres der Schaltung gemäß 3 oder 3a ähnliche Schaltungen auffinden, mit denen die zur Kompensation gewünschten Abweichungen bzw. die neuen Transkonduktanzwerte eingestellt werden können.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine integrierte Schaltungsanordnung mit einem aktiven Filter umfassend Transkonduktanzstufen, die jeweils mittels eines zuzuführenden Biasstroms einstellbar sind, und mit einer Trimmeinrichtung zum Trimmen des Filters, welche die Biasströme der Transkonduktanzstufen einstellt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Trimmeinrichtung den Biasstrom einer ersten der Transkonduktanzstufen zur Erzielung einer gewünschten Eigenschaft dieser Transkonduktanzstufe einstellt und den Biasstrom wenigstens einer weiteren der Transkonduktanzstufen derart einstellt, daß die Transkonduktanz dieser weiteren Transkonduktanzstufe um einen bestimmten Wert von der Transkonduktanz der ersten Transkonduktanzstufe abweicht, wobei der hierfür von der Trimmeinrichtung der weiteren Transkonduktanzstufe zuzuführende Biasstrom an einem besonderen Regelkreis definiert wird, der eine Anordnung von Repliken wenigstens der ersten Transkonduktanzstufe und der weiteren Transkonduktanzstufe aufweist.

Dadurch kann die Auswirkung von Ausgangswiderständen von Transkonduktanzstufen des zu trimmenden Filters auf die Übertragungsfunktion dieses Filters weitgehend kompensiert werden.


Anspruch[de]
  1. Integrierte Schaltungsanordnung mit einem aktiven Filter, umfassend Transkonduktanzstufen (Fig. 2: gm1, gm2, gm3, gm4), die jeweils mittels eines zuzuführenden Biasstroms (Itun) einstellbar sind, und mit einer Trimmeinrichtung zum Trimmen des Filters, welche die Biasströme der Transkonduktanzstufen einstellt,

    dadurch gekennzeichnet, daß die Trimmeinrichtung den Biasstrom (Itun1) einer ersten (gm1) der Transkonduktanzstufen zur Erzielung einer gewünschten Eigenschaft dieser Transkonduktanzstufe einstellt und den Biasstrom (0,8·Itun1 + Itun2) wenigstens einer weiteren (gm2} der Transkonduktanzstufen derart einstellt, daß die Transkonduktanz (gm2) dieser weiteren Transkonduktanzstufe um einen Wert (2·gds) von der Transkonduktanz (gm1) der ersten Transkonduktanzstufe abweicht, welcher einer Summe von Ausgangsleitwerten (gds + gds) entspricht, welche jeweils einen Ausgang der Transkonduktanzstufen (gm1, gm2, gm3, gm4) belasten, wobei der hierfür von der Trimmeinrichtung der weiteren Transkonduktanzstufe (gm2) zuzuführende Biasstrom (0,8·Itun1 + Itun2) an einem Regelkries definiert wird, aufweist:

    – eine Anordnung von Repliken (Fig. 3: gm1r-gm2r) wenigstens der ersten Transkonduktanzstufe (gm 1) und der weiteren Transkonduktanzstufe (gm2),

    – Stromquellen zum Zuführen des ersten Biasstroms (Itun1) zu der Replik (gm1r) der ersten Transkonduktanzstufe (gm1) und eines geregelten weiteren Biasstroms (0,8·Itun1 + Itun2) zu der Replik (–gm2r) der weiteren Transkonduktanzstufe (–gm2),

    – eine Spannungsquelle zum Beaufschlagen eines Eingangs der Anordnung von Repliken mit einer Eingangsspannung (Uref), und

    – einen Vergleicher zum Vergleichen einer Ausgangsspannung (Uout) der Anordnung von Repliken mit der Eingangsspannung (Uref) und zum Bereitstellen eines, Vergleichssignals, welches als ein Regelsignal der Stromquelle der Replik (–gm2r) der weiteren Transkonduktanzstufe (gm2) zugeführt wird, um den weiteren Biasstrom (0,8·Itun1 + Itun2) derart einzustellen, daß die Ausgangsspannung (Uout) gleich der Eingangsspannung (Uref) wird,

    so daß mit dem Regelkreis eingestellte weitere Biasstrom (Fig. 3: 0,8·Itun1 + Itun2) den der weiteren Transkonduktanzstufe Fig. 2: gm2) zuzuführenden Strom definiert.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei das aktive Filter ein gm/C-Filter ist, insbesondere ein biquadratisches gm/C-Filter.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gebildet in CMOS-Technologie.
  4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Ausgangsleitwerte mehrerer der Transkonduktanzstufen einander gleich sind und die Trimmeinrichtung den Biasstrom der weiteren der Transkonduktanzstufen derart einstellt, daß die Transkonduktanz dieser weiteren Transkonduktanzstufe um ein ganzzahliges Vielfaches dieses einheitlichen Ausgangsleitwerts von der Transkonduktanz der ersten Transkonduktanzstufe abweicht.
  5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Regelkreis eine Serienanordnung von Repliken der ersten Transkonduktanzstufe und der weiteren Transkonduktanzstufe aufweist, wobei der Eingang der ersten Transkonduktanzstufe den Eingang der Anordnung bildet, wobei der Ausgang der ersten Transkonduktanzstufe mit dem Eingang der weiteren Transkonduktanzstufe sowie dem Ausgang der weiteren Transkonduktanzstufe verbunden ist, und wobei der Ausgang der weiteren Transkonduktanzstufe den Ausgang der Anordnung bildet.
  6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Stromquelle zum Zuführen des geregelten weiteren Biasstroms zu der Replik der weiteren Transkonduktanzstufe zwei parallel zuführende Stromquelleneinheiten aufweist, von denen eine erste Einheit einen Biasstromanteil zuführt, der in einem festen Verhältnis zu dem ersten Biasstrom steht und der zweiten Einheit zum Zuführen eines geregelten Biasstromanteils das Vergleichssignal zugeführt wird.
  7. Verfahren zum Trimmen eines aktiven Filters einer integrierten Schaltungsanordnung mittels einer Trimmeinrichtung der integrierten Schaltungsanordnung, wobei das Filter Transkonduktanzstufen umfaßt, die jeweils mittels eines von der Trimmeinrichtung zuzuführenden Biasstroms einstellbar sind und deren Ausgänge jeweils durch einen Ausgangsleitwert belastet sind, wobei die Trimmeinrichtung die Biasströme der Transkonduktanzstufen einstellt, umfassend die Schritte:

    a) Einstellen des Biasstroms einer ersten der Transkonduktanzstufen zur Erzielung einer gewünschten Eigenschaft dieser Transkonduktanzstufe,

    b) Einstellen des Biasstroms wenigstens einer weiteren der Transkonduktanzstufen derart, daß die Transkonduktanz dieser weiteren Transkonduktanzstufe um ein Vielfaches des Ausgangsleitwerts von der Transkonduktanz der ersten Transkonduktanzstufe abweicht,

    c) Bestimmen des für den Schritt b) der weiteren Transkonduktanzstufe zuzuführenden Biasstroms an einem Regelkreis, wobei der Regelkreis aufweist:

    – eine Anordnung von Repliken wenigstens der ersten Transkonduktanzstufe und der weiteren Transkonduktanzstufe,

    – Stromquellen zum Zuführen des ersten Biasstroms zu der Replik der ersten Transkonduktanzstufe und eines geregelten weiteren Biasstroms zu der Replik der weiteren Transkonduktanzstufe,

    – eine Spannungsquelle zum Beaufschlagen eines Eingangs der Anordnung mit einer Eingangsspannung, und

    – einen Vergleicher zum Vergleichen einer Ausgangsspannung der Anordnung mit der Eingangsspannung und zum Bereitstellen eines Vergleichssignals, welches als ein Regelsignal der Stromquelle der Replik der weiteren Transkonduktanzstufe zugeführt wird, um den weiteren Biasstrom derart einzustellen, daß die Ausgangsspannung gleich der Eingangsspannung wird,

    d) Verwenden des nach Schritt c) bestimmten weiteren Biasstroms als der weiteren Transkonduktanzstufe nach Schritt b) zuzuführenden Biasstrom.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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