专利名称：电路布置和晶体管控制方法
技术领域：
本发明主要涉及电气或电子电路布置的技术领域，具体地，涉及调节至少一个晶体管，特别是调节至少一个没有直流调制的MOS晶体管的电阻值的电路布置和方法。
在专利文献EP0957635A2中描述了一种借助于参考频率和参考滤波器的滤波器的调节。该专利文献EP0957635A2具体公开了一种滤波器电路，该滤波器电路通过至少一个信号滤波器至少对合成视频信号中的音频载波进行滤波，其中上述信号滤波器至少具有可作为控制信号的函数而进行调整的滤波器频率。
根据该专利文献EP0957635A2，该滤波器电路包括其滤波器频率可以作为控制信号的函数而进行调整的参考滤波器，当滤波器频率被调谐到提供给它的参考信号的频率时，参考滤波器绕规定值相对于其相位旋转该参考信号；此外，提供了相位比较器，将参考滤波器的输出信号和参考信号提供到该相位比较器。
由相位比较器的输出信号导出功率控制信号，使得参考滤波器被调谐到参考信号的频率；锁相环中受控振荡器的输出信号被用作为参考信号，该锁相环被用来解调已调制成音频载波的音频信号，并且当锁相环处于锁定状态时，其受控振荡器产生具有音频载波频率的输出信号。
此外，带有外部电阻器并带有直流电压的现有调节技术是公知的。然后两个相同的电流被引导流过外部电阻器以及流过集成的参考MOS金属氧化物半导体晶体管。由比较器元件与外部电阻器上以及集成的参考MOS晶体管上的电压降相比较，该比较器元件的输出电压被存储在电容器元件中，并作为控制电压被提供给参考MOS晶体管的栅极。
利用这种带有外部电阻器和直流电压的调节，如果MOS晶体管具有与参考晶体管相同的电阻值，使得外部电阻器上和内部MOS晶体管上的电压降相等，则可达到稳定的状态以及稳定的工作点。控制电压可同时提供给要进行控制的所有其它的结构相同的MOS晶体管。
如果要共同进行控制的MOS晶体管的实际工作条件偏离了已调节的参考MOS晶体管的工作条件，例如仅在这些MOS晶体管中的一个上出现了零直流电压的情况，则将导致出现不希望有的且不利的控制偏差。
从前述的缺点和不足出发，并考虑到现有技术的主要情况，本发明的目的是进一步改进在开头段落中所述类型的电路布置，以及与在开头段落中所述类型的电路布置有关的方法，使得在对于MOS晶体管在直流电流很小也就是说直流电流为零的条件下工作的情况而不出现控制偏差，并且确实不需要借助于参考频率的条件下也可以进行电阻值变化的调整。
通过具有权利要求1中所给出特征的电气或电子电路布置以及通过具有权利要求6中所给出特征的方法实现了该目的。在对应的从属权利要求中反映出了本发明有利的实施例以及有效的其它实施例。
因此，根据本发明的教导，可以实现一种全新的用于至少一个其直流调制等于零的MOS晶体管的改进了的电阻控制方法。关于这一点，本发明取决于通过相应地插入两个参考晶体管而再次建立参考元件，其中该两个参考晶体管的每个都具有正存储工作点偏移以及大小相等的负存储工作点偏移，并且通过对这些偏移进行平均而实现逼近所希望的工作点，换句话说，本发明的原理对应于用割线代替弯曲图形的切线。
根据本发明的电路布置以及根据本发明的方法遵循调节至少一个MOS晶体管的电阻值的原理，其中该至少一个MOS晶体管的直流电压降为零，也就是说，没有直流电压，这意味着，例如，只有交流信号(交流电流)被提供给该要进行控制的至少一个MOS晶体管。
为了调节至少一个MOS晶体管的电阻值，根据本发明，对直流电流而不是交流电流进行模拟，为此目的，在对应的至少两个参考MOS晶体管上产生正的直流电压降和负的直流电压降。然后，计算(绝对)算术平均值，并将其与由至少一个外部电阻器元件所产生的直流电压降比较。由这次比较所产生的比较器元件的电压被用来控制该MOS晶体管或这些MOS晶体管。
根据本发明的电路布置以及根据本发明的方法有多个优点，因为本发明使得可以在没有借助参考频率的情况下补偿电阻变化，而不会在一个MOS晶体管或多个MOS晶体管在没有直流电压时工作的情况下出现控制偏差。因此，采用对于本发明来说重要的方式，可以实现陡翼滤波器(steep-flank filter)的集成，而这种集成在不能补偿变化并具有高的规定要求的情况下是不能实现的。
除了上面描述的在没有直流电压的条件下工作的MOS晶体管的控制偏差的减小，以及上面描述的调节的滤波器偏差范围的减小以外，还实现了通过取消参考滤波器以及频率产生而导致的成本的减少，使得根据本发明的产品由于与其它制造商的产品相比具有更高精度的频率以及更低的成本而更具有竞争力。
此外，本发明涉及一种滤波器电路，其包括至少一个上述类型的电路布置和/或借助于上述类型的方法进行工作。
此外，本发明涉及一种电缆驱动器，其被提供用于数据和信号的交互式互换，特别是具有至少一个上述类型的集成滤波器电路，并包括至少一个上述类型的电路布置和/或借助于上述类型方法进行工作。
例如，这种类型的电缆驱动器被用在用于电缆调制解调器或机顶盒的产品系列中，并被使用于例如-一方面，用于抑制高频信号(→电缆驱动器的低通功能)，可以抑制由上游的芯片带来的模拟信号中的谐波或镜像信号，和-另一方面，用于将具有更大幅值的信号提供给总站(→电缆驱动器的放大功能)。
此外，本发明还涉及将至少一个如上所述的电路布置和/或如上所述的方法和/或至少一个如上所述的滤波器电路和/或至少一个如上所述的电缆驱动器中应用在-至少一个电缆调制解调器中，和/或-至少一个机顶盒中，和/或-经TV电缆的因特网上。
功能上，电缆调制解调器是用于电缆配电网的调制解调器，其向终端用户提供对相应服务提供者的双向高速的访问；这样，电缆调制解调器形成其它宽带技术如DSL(数字预订线路)的替代物。
为了保证双向性，电缆调制解调器的结构具有输入通道和到达下游的返回通道，即，从首端到参与者，带宽例如为6兆赫；在64正交幅度调制(即所谓的64QAM)中，在这样的带宽上可以实现每秒大约10兆位直到每秒大约30兆位的传输速度。在上游，返回通道可以实现每秒高达大约10兆位的传输速度，其中，通常采用正交相位调制(所谓的QPSK(正交相移键控))。
这些电缆调制解调器对于输入通道和返回通道具有对称传输特性，而其它电缆调制解调器具有非对称传输特性。为了直接支持局域网(LAN)应用，传输协议与本地网络中的相一致。
机顶盒是所有类型的数字图像、数字数据和/或数字音频的接收设备。对于非编码通道存在机顶盒，也称作用于跳转盒，而且对于编码通道附加地具有公用接口(CI)。
机顶盒连接到电视接收机，并将电视机不能接收的编码的TV信号解码成对应的标准信号。此外，机顶盒还可以承担各种附加功能，如解扰、个人计算机(PC)应用如使用在线服务中的分辩率或信号分离以及交互分配服务，如付费观看、远程购物、视频点播或类似的功能。
最后，本发明涉及至少使用如上所述的电路布置和/或如上所述的方法来调节至少一个没有参考频率的集成滤波器，特别是调节至少一个晶体管，更具体的是控制至少一个没有直流调制的MOS晶体管的电阻值。
如上面提到的，有各种以有利的方式实现本发明的教导的可能性。对此，一方面，如从属于权利要求1的各权利要求所记载，另一方面，如下面用
图1A、1B和2中所说明的详细实施例非常详细的说明本发明的其它实施例、特征和优点。
从下文描述的实施例中会使本发明的这些和其它方面更明显，并且将参考下文描述的实施例说明本发明的这些和其它方面。
在附图中图1A用图解法示出了三个晶体管的特征曲线(标绘漏-源极电流Ids与漏-源极电压Uds相对)，其中相应的栅-源极电压Ugs是恒定的；图1B用图解法示出了三个晶体管的特征曲线(标绘漏-源极电流Ids与栅-源极电压Ugs相对)，其中对应的漏-源极电压Uds是恒定的；和图2用图解法示出了根据本发明的方法工作的根据本发明的电气或电子电路布置的实施例，为了使各个设计更清晰并容易辨认，没有按比例绘制各个元件和特征。
图1A、1B和2中相同或相近的设计、元件或特征都给出了相同的附图标记。
针对本发明的技术背景，首先说明MOS晶体管的沟道电阻(＝Uds(Ud(rain)s(ource))除以Ids(Id(rain)s(ource)))一方面取决于栅-源极电压Ugs，另一方面也取决于漏-源极电压Uds，其可以从图1A的表示(＝3个晶体管的特征曲线，其中相应的栅-源极电压Ugs是恒定的)以及从图1B的表示(＝3个晶体管的特征曲线，其中相应的漏-源极电压Uds是恒定的)中推出。
如果现在滤波器中的MOS晶体管在其上的直流电压为零的情况下工作，即，没有直流电流流过该MOS晶体管(只有交流调制)，则不能进行没有控制偏差的传统控制，这是因为传统的控制依赖于不为零的直流电流(工作点存在于弯曲的特性曲线上；在直流调制的情况下工作点发生位移)。
根据该理论上的介绍，图2中示出了电路布置100的实施例，通过该实施例可以控制直流调制等于零的P-MOSFET(P-金属氧化物半导体场效应晶体管)10、12、14...18各自的电阻值。
该电路布置100的功能对应于根据本发明的方法，由此除了包括有内部第一参考MOSFET 10的第一参考元件10、20、70外，还提供了包括有内部第二参考MOSFET 12的第二参考元件12、30、40、72、76，其中，内部第一参考MOSFET 10具有相对于工作点的第一偏移，内部第二参考MOSFET 12具有相对于工作点的第二偏移，该第二偏移与第一偏移的值相等但符号相反；为了逼近并得到如下面所描述的最佳工作点，取第一偏移和第二偏移的算术平均值。
更详细地，从可馈送到内部第一参考MOSFET 10的源极连接点10s和内部第二参考MOSFET 12的源极连接点12s的参考电压Uref开始，参考电流Iref借助外部电阻器78产生电压Ur；为此目的，外部电阻器78连接到内部第一参考MOSFET 10的源极连接点10s以及内部第二参考MOSFET 12的源极连接点12s。
与内部第一参考MOSFET 10结合的等于参考电流的第一电流I1在内部第一参考MOSFET 10的漏极连接点10d处产生比参考电压Uref低的第一电压U1。与内部第二参考MOSFET 12结合的与第一电流I1相等但为负值的第二电流I2产生与第一电压U1相等但相反或反相的电压降，并因此，在内部第二参考MOSFET 12的漏极连接点12d处产生比参考电压Uref高的第二电压U2。
关于这一点，通过图中Iref、I1和I2旁边的箭头的方向使第二电流I2与参考电流Iref以及第一电流I1相等但方向相反这一事实变得清楚，其中，图中Iref、I1和I2旁边的箭头指示技术上电流的流动方向(从正到负)。
现在将第一电压U1提供到第一缓冲元件20的输入连接点20i，并通过该缓冲元件20进行缓冲。相对地，将第二电压U2提供到第二缓冲元件30的输入连接点30i，并通过该第二缓冲元件30进行缓冲。随后，通过运算放大器40，第二电压U2相对于参考电压Uref被反相，该运算放大器40作为增益系数为-1的反相放大器被连接到反相第二电压U2inv。
为此目的，第二缓冲元件30的输出连接点30o经由电阻器74连接到运算放大器40的第一即负输入连接点40i1；运算放大器40的第二即正输入连接点40i2连接到内部第一参考MOSFET 10的源极连接点10s、内部第二参考MOSFET 12的源极连接点12s以及外部电阻器78，并用参考电压Uref对其进行充电。
此外，另一个电阻器76并联连接到运算放大器40的第一即负输入连接点40i1和运算放大器40的输出连接点40o。
然后将缓冲后的第一电阻器70上的第一电压U1和第二电阻器72上的反相第二电压U2inv进行平均并提供到比较器50的正输入端50i1，其中该第一电阻器70连接到第一缓冲元件20的输出连接点20o，该第二电阻器72连接到运算放大器40的输出连接点40o，通过外部电阻器78产生的电压Ur被提供到比较器50的另一个负输入端50i2。为此目的，外部电阻器78连接到比较器50的第二即负输入端50i2。
比较器50将平均值Um与由外部电阻器78产生的电压Ur相比较，并在其输出端50o对电容器60进行充电或放电，该电容器60不仅连接到比较器50的输出连接点50o，还连接到内部第一参考MOSFET 10的栅极10g、内部第二参考MOSFET 12的栅极12g以及要被共同控制的所有其它MOSFET14、...、18的相应栅极14g、...、18g。
电容器电压Uc作为两个参考MOSFET 10、12的控制电压，并被提供给它们的栅极10g、12g以及所有其它要进行控制的MOSFET 14、...、18的栅极14g、...、18g。只要平均值Um等于由外部电阻器78产生的电压Ur，控制电压Uc就保持不变。
在讨论上面所说明的电路布置100以及与这种电路布置相关并说明的方法的应用范围之前，由本发明来看，可以补充一点，即在MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)中，漏极连接点和源极连接点原则上来说在物理上是可以互换的；在上面所说明的电路布置100的情况下，这意味着漏极连接点和源极连接点在物理上是“等同的”，即，在本发明中可任选，-在物理上互换内部第一参考MOSFET 10的漏极连接点10d和源极连接点10s和/或-在物理上互换内部第二参考MOSFET 12的漏极连接点12d和源极连接点12s，它们都落在本发明所公开的内容中以及本发明的保护范围内。
前述电路布置100和前述与这种电路布置100相关并说明的方法的应用范围例如可扩展到没有参考频率的集成滤波器的调节；因此，本发明例如可应用到用于交互式数据和信号互换的电缆驱动器中。其中这种电缆驱动器的应用领域包括电缆调制解调器、机顶盒或经TV电缆的因特网，其中采用了这种集成电路(IC)。
附图注释100电路布置10第一参考晶体管，特别是没有直流调制的第一MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)10d第一参考晶体管10的漏极连接点10g第一参考晶体管10的栅极连接点10s第一参考晶体管10的源极连接点12第二参考晶体管，特别是没有直流调制的第MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)12d第二参考晶体管12的漏极连接点12g第二参考晶体管12的栅极连接点12s第二参考晶体管12的源极连接点
14第三晶体管14g第三晶体管14的栅极连接点18第四晶体管18g第四晶体管18的栅极连接点20第一缓冲元件20i第一缓冲元件20的输入连接点20o第一缓冲元件20的输出连接点30第二缓冲元件30i第二缓冲元件30的输入连接点30o第二缓冲元件30的输出连接点40运算放大器，特别是放大系数为-1的反相放大器40i1运算放大器40的第一即负输入连接点40i2运算放大器40的第二即正输入连接点40o运算放大器40的输出连接点50比较器元件50i1比较器元件50的第一即正输入连接点50i2比较器元件50的第二即负输入连接点50o比较器元件50的输出连接点60电容器元件70第一电阻器72第二电阻器74第三电阻器76第四电阻器78外部电阻器I1第一电流I2第二电流Ids漏-源极电流Iref参考电流U1第一电压或第一电压降，特别是正(直流)电压降U2第二电压或第二电压降，特别是负(直流)电压降U2inv反相第二电压或反相第二电压降，特别是反相直流电压降Uc电容器元件60的电压，特别是控制电压
Uds漏-源极电压Ugs栅-源极电压Um平均电压值，特别是算术平均电压值Ur外部电压或外部电压降，特别是外部直流电压降Uref参考电压
权利要求
1.一种电路布置(100)，用于控制至少一个晶体管(10、12、14、...、18)，特别是用于控制没有直流调制的至少一个MOS晶体管的电阻值，其特征在于，除了包括有至少一个第一参考晶体管(10)的至少一个第一参考元件(10、20、70)外，还提供了包括有至少一个第二参考晶体管(12)的至少一个第二参考元件(12、30、40、72、74、76)，其中，第一参考晶体管具有相对于工作点的第一偏移，第二参考晶体管具有相对于工作点的第二偏移，该第二偏移与第一偏移的值相等但符号相反，其中特别是，为了逼近并达到最佳工作点，可以取第一偏移和第二偏移的算术平均值。
2.如权利要求1所述的电路布置，其特征在于，-至少一个外部电阻器(78)，通过该至少一个外部电阻器(78)参考电流(Iref)基于参考电压(Uref)产生电压(Ur)，-第一参考晶体管(10)，通过该第一参考晶体管(10)，与参考电流(Iref)的值和符号都对应的第一电流(I1)产生第一电压(U1)，-至少一个第一缓冲元件(20)直接连接到第一参考晶体管(10)的漏极连接点(10d)或第一参考晶体管(10)的源极连接点(10s)，-至少一个第一电阻器(70)直接连接到第一缓冲元件(20)的输出连接点(20o)，-至少一个第二参考晶体管(12)，通过该至少一个第二参考晶体管(12)，与第一电流(I1)相等但反相的第二电流(I2)产生第二电压(U2)，-至少一个第二缓冲元件(30)连接到第二参考晶体管(12)的漏极连接点(12d)或第二参考晶体管(12)的源极连接点(12s)，-至少一个运算放大器(40)，特别是放大系数为-1的反相放大器，-该运算放大器的第一即负输入连接点(40i1)直接连接到第二缓冲元件(30)的输出连接点(30o)，并且-用参考电压(Uref)对该运算放大器的第二即正输入连接点(40i2)进行充电，其中第二电压(U2)能够相对于参考电压(Uref)被反相成反相第二电压(U2inv)，-至少一个第二电阻器(72)直接连接到运算放大器(40)的输出连接点(40o)，-至少一个比较器元件(50)，-该比较器元件的第一即正输入连接点(50i1)直接连接到第一电阻器(70)和第二电阻器(72)，以便用第一电阻器(70)和第二电阻器(72)上平均后的平均电压(Um)对比较器元件(50)的该第一输入连接点(50i1)进行充电，并且-用通过外部电阻器(78)产生的电压(Ur)对比较器元件的第二即负输入连接点(50i2)进行充电，-至少一个电容器元件(60)直接连接到比较器元件(50)的输出连接点(50o)，可以根据平均电压值(Um)和由外部电阻器(78)产生的电压(Ur)之间比较的结果来通过比较器元件(50)对该电容器元件进行充电和放电，其中，第一参考晶体管(10)、第二参考晶体管(12)以及可适用的所有其它要控制的晶体管(14、...、18)的各自的栅极(10g、12g、14g、...、18g)都可以被馈送作为控制电压的电容器元件(60)的电压(Uc)，和/或其中，在平均电压值(Um)对应于由外部电阻器(78)产生的电压(Ur)的时刻达到对应于控制电压(Uc)的最佳工作点。
3.如权利要求2所述的电路布置，其特征在于，第一参考晶体管(10)的源极连接点(10s)或第一参考晶体管(10)的漏极连接点(10d)以及-第二参考晶体管(12)的源极连接点(12s)或第二参考晶体管(12)的漏极连接点(12d)可用参考电压(Uref)进行充电。
4.如权利要求2或3所述的电路布置，其特征在于，-第一电压(U1)比参考电压(Uref)低，和/或-第二电压(U2)比参考电压(Uref)高。
5.如权利要求2到4中任一个所述的电路布置，其特征在于，-至少一个第三电阻器(74)连接在第二缓冲元件(30)的输出连接点(30o)和运算放大器(40)的第一即负输入连接点(40i1)之间，和/或-至少一个第四电阻器(76)并联连接到运算放大器(40)的第一即负输入连接点(40i1)以及运算放大器(40)的输出连接点(40o)。
6.一种控制至少一个晶体管(10、12、14、...、18)，特别是控制没有直流调制的至少一个MOS晶体管的电阻值的方法，其特征在于，-第一参考晶体管(10)产生正电压降(U1)，特别是正的直流电压降，-第二参考晶体管(12)产生负电压降(U2)，特别是负的直流电压降，-负电压降(U2)被反相成反相电压降(U2inv)，-由正电压降(U1)和反相电压降(U2inv)形成算术平均电压值(Um)，并将该算术平均电压值(Um)与外部产生的电压降(Ur)特别是外部产生的直流电压降进行比较，以及-通过由平均电压值(Um)和外部产生的电压降(Ur)相比较而形成的控制电压(Uc)来调节第一参考晶体管(10)、第二参考晶体管(12)以及可适用的任何附加的要控制的晶体管(14、...、18)。
7.一种滤波器电路，其包括至少一个如权利要求1到5中任一个所述的电路布置(100)，和/或用如权利要求6中所述的方法工作。
8.一种用于数据和信号的交互式交换的电缆驱动器，具体包括至少一个如权利要求7中所述的集成滤波器电路，其具有至少一个如权利要求1到5中任一个所述的电路布置(100)，和/或用如权利要求6中所述的方法工作。
9.将至少一个如权利要求1到5中任一个所述的电路布置(100)，和/或如权利要求6中所述的方法，和/或至少一个如权利要求7中所述的滤波器电路，和/或至少一个如权利要求8中所述的电缆驱动器使用在-至少一个电缆调制解调器中，和/或-至少一个机顶盒中，和/或-经TV电缆的因特网上。
10.使用至少一个如权利要求1到5中任一个所述的电路布置(100)和/或如权利要求6中所述的方法来控制至少一个无参考频率的集成滤波器，特别是用于控制至少一个晶体管(10、12、14、...、18)，特别是用于控制至少一个没有直流调制的MOS晶体管的电阻值。
全文摘要
为了在对于晶体管(10、12、14、…、18)在没有直流电压，即具有零直流电压且确实不需要参考频率的帮助的条件下工作的情况下还可以没有控制偏差地进行电阻变化补偿的情况下，改进控制至少一个晶体管(10、12、14、…、18)，特别是控制至少一个没有直流调制的MOS晶体管的电阻值的电路布置(100)和方法，提出除了包括有至少一个第一参考晶体管(10)的至少一个第一参考元件(10、20、70)外，还提供包括有至少一个第二参考晶体管(12)的至少一个第二参考元件(12、30、40、72、74、76)，其中，第一参考晶体管具有相对于工作点的第一偏移，第二参考晶体管具有相对于工作点的第二偏移，该第二偏移与第一缓冲存储的值相等但符号相反，其中特别是，为了逼近并达到最佳工作点，可以由第一偏移和第二偏移形成算术平均值。
文档编号H03H11/24GK1762093SQ200480007355
公开日2006年4月19日 申请日期2004年3月16日 优先权日2003年3月20日
发明者J·布里尔卡, A·卡特纳, E·－P·拉戈施 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司