DE2540451A1 - Digital/analog-umsetzer - Google Patents
Digital/analog-umsetzerInfo
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Description
'■'■ r y
' 2540^51
10. September 1975 Gzw/goe
ANALOG DEVICES, INC.
Digital/Analog-Umsetzer
Die Erfindung bezieht sich auf einen Digital/Analog-Umsetzer, im speziellen auf einen solchen, der durch einen integrierten
Schaltkreis (IC) in Form eines monolithischen Plättchens gebildet wird.
Digital/Analog-Umsetzer haben im allgemeinen eine Vielfalt von
Schaltern, die selektiv durch ein Eingangs-Digitalsignal angesprochen werden, um damit entsprechende binär-gewichtete Beiträge
zu einem analogen Ausgangssignal zu erzeugen. Für Festkörperumsetzer hat sich ergeben, daß Stromschalter vorteilhafter als Spannungsschalter
sind, wobei ein ausgezeichnetes Beispiel für eine derartige Aus fill rungs form, die diskrete Elemente benutzt, aus der
US-PS 3,685,0*15 hervorgeht. Diese Patentschrift offenbart weiterhin
das wichtige Konzept hinsichtlich der Verwendungeines angepaßten Beζugstransistors (aatched reference transistor), und zwar
in Verbindung mit Kitteln, die automatisch die Versorgungsspannung
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einstellen, wodurch der Strom des Bezugstransistors konstant gehalten
wird, wodurch wiederum die Schalterströme auf konstanter Höhe bleiben.
Wesentliche Vorteile hat die Anwendung der integrierten Schaltkreistechnik
auf die Digital/Analog-Umsetzer gebracht. Andererseits sind jedoch auch schwierige Probleme in diesem Zusammenhang
entstanden, im speziellen bei Umsetzern, die für eine relativ große digitale Zahl ausgelegt sind, z.B. für acht Bits und größer. Ein
wesentlicher Portschritt in dieser Beziehung (vgl. US-PS 3,747,088) bestand darin, die Schalter in zwei getrennte, jedoch identische
Gruppen zu teilen, in Verbindung mit der Verwendung vanDämpfungsgliedern,die
die Strombeiträge der Gruppen, die sich auf Bits niedriger Ordnung beziehen, zu reduzieren. Beispielsweise kann
ein 12-Bit-Umsetzer aus drei verschiedenen IC-Schaltmodulen gebildet
werden, wobei Jeder Modul vier Schalter enthält (solche Module werden im folgenden als "Quad-Schalter" bezeichnet). Die
letztgenannte US-PS 3,7^7,088 lehrt weiterhin das höchst vorteilhafte
Konzept des binären Teilens der Flächen der Emitter des Konstantstrom-Transistors, um dadurch eine gleichmäßige Stromdichte
in den leitfähigen Zonen des Transistors zu erreichen, wodurch die Schwankungen in der Größe V13n, des Stromtransistors minimiert
Da
werden. ■
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2540 AS 1
Trotz dieser Verbesserungen in dem Entwurf von Pestkörper-Digital/
Analog-Umsetzern bestehen weiterhin Notwendigkeiten zum Verbessern der IC-Umsetzer mit relativ großen digitalen Zahlen. Im speziellen
ist es wünschenswert, Arbeitscharakteristika, z.B. Genauigkeit und Geschwindigkeit, zu verbessern. Weiterhin besteht diese Notwendigkeit
zur Verbesserung für IC-Umsetzer, die fähig sind, eine Vervielfacherfunktion mit Genauigkeit durchzuführen. Solche verbesserte
Umsetzer sollen im speziellen darüber hinaus so gestaltet werden, daß sie zu vernünftigen Kosten hergestellt werden können,
wobei die sogenannte Streight-Forward-IC-Herstellungstechnik angewendet
wird.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das später
im Detail beschrieben wird, ist ein IC-Digital/Analog-Umsetzer mit
zwölf Eingangs-Bits vorgesehen, der hervorragende Arbeitscharakteristika besitzt. Dieser Umsetzer weist zwölf Hochleistungs-Stromschalter
auf, die alle auf einem einzigen Blättchen ausgebildet sind. Jeder Stromsehalter ist eine Präzisions-Multielement-Zellenstruktur,
die Standard-Bipolartransistoren enthalten, die in einer eindeutigen kooperativen Beziehung so angeordnet sind, daß
daraus ein ausgezeichnetes Schaltverhalten resultiert. Für alle
diese Schaltquellen ist ein Schaltkreis· vorgesehen, der eine Vorspannung erzeugt, der dazu beiträgt, die nachteiligen Effekte der
Schwankungen in der Versorgungsspannung zu vermeiden und der dazu beiträgt, die Fähigkeiten des Umsetzers als ein Multiplizierer zu
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fördern. Weiterhin sind spezielle logische Schaltkreise eingearbeitet,
die einen Schwellwert vorgeben und gegen Umsetzer befähigen, stiftprogrammiert zu sein, um entweder mit konventionellen
TTL-logischen Eingängen oder mit CNOS-logischen Eingängen (mit
niedrigem oder mit hohem Spannungsbereich) benutzt zu werden; die positive Versorgungsspannung kann innerhalb eines großen Bereiches
irgendeinen beliebigen Wert annehmen, ohne daß dadurch die Genauigkeit des Umsetzers beeinträchtigt wird.
I ■- - . .
Dementsprechend ist es ein prinzipielles Ziel der Erfindung, einen
verbesserten Digital/Analog-Umsetzer des integrierten Schaltkreistyps anzugeben. Ein mehr spezielleres Ziel dieser Erfindung ist es,
solch einen Umsetzer zu schaffen, der fähig ist, große
Digitalziffern umzusetzen, und zwar mit hervorragenden Arbeit scharakteristika, und der darüber hinaus so ausgebildet sein
soll, daß er mit vernünftigen Kosten hergestellt werden kann.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung'
ergaben sich anhand der Beschreibung von in der .Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Es zeigt:
Pig. I ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführung des Umsetzers, die Details einer Schaltzelle und ihre Beziehung zu anderen Komponenten des Umsetzers zeigt, und
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Pig. 2 ein Schaltbild, das den gesamten Aufbau des Umsetzers erläutert.
Der umsetzer nach der Erfindung enthält eine Vielzahl von selektiv
ansprechbaren, identischen Schaltzellen 10, von denen nur eine in
Fig. 1 im Detail gezeigt ist, wobei diese Zelle 10 durch digitale logische Signale gesteuert wird, die an die Signaleingänge 12 angelegt
werden. Jede Schaltzelle ist so angeordnet, daß sie den .Strom schaltet, der durch einen entsprechenden Konstantstrora-Generator
Ik fließt, und zwar alternativ entweder zwischen einer Ausgangsstromsammelschiene
16 oder der Masseleitung 18. Die Konstant-.strom-Generatoren
Ib weisen NPN-Transistoren auf, deren Emitter
über Stromeinstell-Widerstände 20 mit der negativen Klemme 22 der Stromversorgung verbunden sind. Die Widerstandswerte sind binär
gewichtet, um so binär gewichtete Ströme durch die entsprechenden Transistoren 14 vorzusehen.
Die Flächen der Emitter sind ebenfalls binär gewichtet, um auf diese Weise eine gleichmäßige Stromdichte in allen Konstantstrom-Transistoren
Ib vorzugeben, wodurch ein gleichmäßiger V^-Wert
für alle diese Transistoren vorgegeben wird, wodurch die Effekte, die von nicht angepaßten VBE-Werten ausgehen, wie unterschiedliche
Änderungen in den Stromwerten und unterschiedliche Teraperaturkoeffizienten
bei diesen Stromwerten minimiert werden. Die Basen aller Konstantstrom-Transistoren sind über eine gemeinsame Basis-
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leitung 2k, die mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 26 verbunden
ist, miteinander verbunden. Dieser Verstärker 26 vergleicht den Strom, der durch ein Paar von in Reihe verbundenen Bezugstransistoren
28, 30 fließt, mit einem Konstantstrom-Sollwert, der durch eine Sollwert-Spannungsquelle 32 und einen Sollwert-Widerstand 3k
gebildet wird, wobei der Verstärker kontinuierlich die Basisspannung des Bezugstransistors 30 so einstellt, daß der Strom durch
diesen Transistor konstant bleibt. Diese Spannungssteuerung hält auf ähnliche Weise den Strom durch alle Konstantstrom-Transistoren
Ik konstant, so wie es in den oben erwähnten beiden US-Patentschriften
erwähnt ißt.
Und nun zu der Struktur der Schaltzelle 10 im einzelnen: Das logische
Signal, das am Eingang 12 angelegt wird, wird an die Basis eines PNP-Transistors 36A geleitet, der mit einem angepaßten Transistor
36B zusammenarbeitet, und zwar unter Bildung eines ersten
Differentialpaares 38 (die Wendung "Differentialpaar" wird verstanden
als ein Schaltkreis mit zwei Transistoren, die alternativ leitfähig sind, d.h., der eine oder der andere ist leitfähig abhängig
von dem Wert des Eingangssignals des Differentialpaares).
Die Emitter dieser Transistoren 36A, 36B sind untereinander und
mit dem Kollektor eines MPN-Transistors 40 verbunden, und zwar zu
einer Konstantstromquelle, die einen Strom I von 0,5 mA erzeugt.
Ein Stromeinstellwiderstand 42 liegt zwischen dem Emitter des
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Transistors bO und der positiven Klemme der Versorgungsspannung
ήή. Die Basis des Transistors 40 ist mit einer gemeinsamen Basisleitung
2J 6 verbunden, die auf einer geeigneten Spannung gehalten
wird, um die 0,5 mA der Quelle 40 aufrechtzuerhalten.
Die Basis des Transistors 36B ist mit einer Schwellwertleitung 50
verbunden, an der eine feste Spannung anliegt, die von einem Spannungsschwellwert-Steuerkreis 52 erzeugt wird, der später noch
beschrieben wird« Wenn konventionelle logische Schaltkreise vom TTL-Typ verwendet werden, um an den Eingangsklemmen 12 logische
Signale zu erzeugen, wird die Leitung 50 auf einer Spannung von
tragefähr 1,4 Volt gehalten. Wenn nun das angelegte logische Signal
an der Basis des Transistors 36A kleiner als - 0,8 Volt ist (und
damit eine "0" im TTL-System anzeigt), fließt der konstante Strom
I durch diesen Transistor 36A. Das Emitterpotential ist unter
diesen Bedingungen um den Abfall über eine Diode über dem logischen
Signalpegel, d.h. ungefähr kleiner als - 1,5 Volt; dies bedeutet, daß der andere Transistor 36 B nicht leitet. Wenn nun ein
größer + Signal, das eine logische "1" darstellt, mit einem Wert/als - 2,0
Volt an den Eingang 12 angelegt wird, steigt das Emitterpotential und der konstante Strom I fließt nunmehr durch den anderen Transistor
36B. Das Emitterpotential wird in diesem Fall um den Abfall
über eine Diode über dem Schwellwert-Basispotential von 1,4
Volt liegen, d»h« ungefähr 2,1 Volt betragen,und deshalb kann der
erste Transistor 36A nicht leitfähig sein.
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M Q BM
Die Kollektoren der Transistoren 36A, 36B sind über entsprechende
identische Widerstände 56A, 56B mit einer Vorspannungsleitung 58
verbunden, wobei die Spannung auf dieser Leitung durch einen Vorspannungs-Generatorkreis
konstant gehalten wird, der generell mit der Bezugsziffer 60 versehen ist und der ebenfalls später beschrieben
werden soll. Die oberen Anschlüsse der Widerstände 56A, 56B
sind jeweils mit einer Basis von angepaßten Transistoren 61JA, 64B
verbunden, die ein zweites Differentialpaar 62 bilden. Dieses zweite Paar weist NPN-Transistören auf, und die Emitter dieser Transistoren
sind beide mit dem Kollektor des bereits im Vorhergehenden beschriebenen Konstantstrom-Generators 14 verbunden.
Dieses zweite Paar 62 ist ein voll ausbalanciertes (fully-balanced)
Differentialpaar, was im Bezug auf das Wesen der vorliegenden Erfindung bedeutet, daß die Eingangskreise für die beiden Transistoren
64A, 64b identisch sind und exakt in derselben Weise arbeiten, um die diesbezüglichen Transistoren alternativ leitend zu machen.
Daraus folgt, daß die Eingangskreise so angeordnet sind, daß sie ein spiegelsymmetrisches Arbeitssignal zur Steuerung der beiden
Transistoren erzeugen. Spiegelsymmetrisch in diesem Zusammenhang bedeutet, daß, wenn das eine Arbeite signal hoch liegt, das andere
gerade niedrig liegt und umgekehrt, und weiterhin, daß beide Signale in hohem Zustand gleich sind, ebenso wie die beiden Signale
in niedrigem Zustand.
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Wenn an der Klemme 12 das angelegte Bit eine logische 11O" ist,
und der erste Transistor 36A leitet, fließt der Strom "0" durch den Widerstand 56A und hebt hierbei das Basispotential des Transistors
64a auf ungefähr einen Diodenabfall (0,7 Volt) gegenüber
der Vorspannungsleitung 58. Da durch den anderen Widerstand 56B
kein Strom fließt, wird die Basis des Transistors 64B auf dem Vorspannungspotential
der Leitung 58 gehalten. Unter diesen Umständen ist der Transistor 64B nichtleitend und der Transistor 64A wird
dagegen leitend gemacht, um Strom von der Masseleitung 18 zu dem Konstantstrom-Generator I1J durchzulassen. Wenn alternativ das
Eingangsbit an der Klemme 12 eine logische "1" ist, leitet der Transistor 3öB den Strom um in "0" zu dem Widerstand 56B, der ganz
entsprechend nunmehr den Transistor 61JB leitend macht, während
der andere Transistor 64A nichtleitend ist. Unter diesen Bedingungen
fließt dann der Strom des Konstantstrom-Generators 1*1 in die Ausgangsstromsammelschiene
18, die mit dem Kollektor des Transistors verbunden ist.
Da das Transistorpaar 62 völlig ausbalanciert ist, erfährt das Potential der untereinander verbundenen Emitter keine wesentlichen
Änderungen , wenn das Paar unterschiedlich entsprechend den beiden möglichen Arbeitszuständen geschaltet wj.rd» Im speziellen wird
das Emitterpotential um einen Diodenabfall unter dem Basispotential des leitenden Transistors gehalten, und das Basispotential dieses
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leitenden Transistors ist ungefähr um einen Diodenabfall über dem Potential der Vorspannungsleitung 58* Auf diese Weise bleibt
das Potential der Emitter des zweiten Differentialpaares 62 effektiv auf dem konstanten Potential der Vorspannungsleitung 58, wenn
das Paar zwischen den beiden möglichen Zuständen geschaltet wird.
Da sich das Emitterpotential nicht ändert, wird auch die Schaltverzögerung
eliminiert, die durch die Zeit gegeben ist, die benötigt wird, um die Emitter-Übergangs-Kapazität aufzuladen, wodurch ein
wesentlicher Portschritt gegenüber den bekannten Schaltern gegeben ist, die konventionell einkanalig (single-ended) aufgebaut
sind. Weiterhin ist die Tatsache wichtig, daß die Schaltgeschwindigkeit
aller Schaltzellen nahezu unabhängig von dem von ihnen geschalteten Stromwert ist, da die wirksame Schaltung bereits
erhalten werden kann durch eine Änderung der Emitter-Basisspannung von jedem Schalttransistor 61JA, 64B, die einem Spannungsabfall
über eine einzelne Diode entspricht. Dieser Portschritt muß im Kontrast mit üblicherweise benutzten Umsetzern gesehen werden,
beidenen die Schaltzeit für die Ströme entsprechend den niederwertigen
Bits signifikant größer als für die Ströme der höherwertigen Bits ist. Das Konstant-Schaltzeitverhalten des erfindungsgemäßen
Umsetzers ist im speziellen dann wichtig, um eine genaue Arbeitsleistung zu gewährleisten, wenn der Umsetzer als Multiplizierer
(multiplier) arbeitet.
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Es ist ferner darauf hinzuweisen, daß, weil die Emitter der beiden
Transistoren 61JA, 61JB dasselbe Potential haben, und zwar in jedem
der beiden möglichen Schaltzuständen, auch das Potential des Kollektors des Transistors der Konstantstromquelle 1*1 für beide
Schaltzustände dasselbe Potential hat. Dadurch sind beim Schalten der verschiedenen Bit-Kombinationen in diesen Transistoren keine
unterschiedlichen Leitungsänderungen vorhanden. Dies wiederum reduziert die Nicht-Linearität und transiente Wärmefehler, die
durch unterschiedliche Wärmeeffekte bedingt sind.
Der Strom I , der durch die Widerstände 56A, 56B fließt, fließt
ab über die im Vorhergehenden bereits erwähnte, die Vorspannung erzeugende Schaltung 60, welche in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Paar von in Reihe geschalteten Dioden 70, 72 und
einen PNP-Transistor 71J aufweist. Die Basis des Transistors Tk
ist mit der gesteuerten Basisleitung 2k, die vom Verstärker 26
versorgt wird, verbunden, und der Kollektor dieses Transistors Ik liegt an der negativen Klemme der Spannungsversorgung 22. Man
erkennt, daß man mit dieser Anordnung die Vorspannungsleitung 58 gegenüber der Basisleitung (>k auf einer Spannung hält, die
drei Diodenabfällen entspricht. Dadurch dient die Vorspannung als gemeinsames Eingangssignal für beide Eingänge des Differentialpaares
62, um kombiniert zu werden mit den ausbalancierten, doch spiegelsymmetrischen Signalen, die durch den Stromfluß von I alternativ
durch den Widerstand 56A oder Widerstand 56B auftreten.
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Ausgehend von einem Wert von I von 0,5 mA, der durch einen der
Widerstände 56A oder 56B (beide haben einen Wert von 1,5 Kilo-Ohm)
fließt, ist die Basisspannung des leitenden Transistors 64A oder 62IB ungefähr um einen Diodenabfall über der Vorspannungs leitung
58. Der Emitter des leitenden Transistors ist dagegen um den Abfall einer Diode unterhalb der Basisspannung. Da beide Emitter
mit dem Kollektor des Transistors des Konstantstrom-Generators I^ verbunden sind, bleibt der Kollektor dieses Transistors im wesentlichen
auf dem Potential der Vorspannungsleitung 58. Auf diese Weise wird die Kollektor-Basisspannung auf einem Wert gehalten,
der einem Abfall über drei Di" „n entspricht, und zwar unabhängig
von Änderungen in der Versorgungsspannung oder von Änderungen in
der Sollwertspannung 32.
Der Vorspannungs-Schaltkreis 60 verhindert sogenannte h^-Effekte
ausgehend von Änderungen in dem Kollektorstrom des Transistors lh entsprechend Änderungen in der Versorgung oder Sollwert-Spannung.
Derartige Spannungsänderungen erscheinen über den Kolletor-Basiselektroden
der Transistoren des Differentialpaares 62, aber sie haben keinen beachtenswerten Einfluß auf den Kollektorstrom der
Transistoren 6HA, 6kBt weil beide dieser Transistoren mit einer
Konstantstromquelle in ihrem Emitterkreis betrieben werden. Auf
diese Weise gewährleistet der Vorspannungskreis 60 eine ausgezeichnete Sperre fürSchwankungen in der Stromversorgung.
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Wie bereits oben erwähnt wurde, wird, wenn der Umsetzer mit einer Standard-TTL-Logik verwendet wird, die Spannungs-Schwellwertspannung
50 gegenüber der Masseleitung auf 1,5 Volt gehalten, und zwar durch den Spannungsschwellwert-Steuerkreis 52. Dieser Schaltkreis
umfaßt einen Satz von drei Widerständen 76, 78, 80, die in Reihe zwischen der positiven Leitung der Spannungsversorgung 1IU und der
Masseleitung 18 geschaltet sind. Ausgehend von einer +5 Volt-Spannungsversorgung
und mit den dargestellten Widerstandswerten, hat der Verbindungspunkt82 zwischen den unteren Widerständen 78,80
ungefähr eine Spannung von +1,1I Volt. Diese Spannung wird der Basis
eines leitenden PNP-Tran sis tors 81J zugeführt, dessen Emitterpotential
um einen Diodenabfall höher als seine Basis ist, d.h. ungefähr +2,1 Volt, beträgt. Dieser Emitter wiederum ist mit der Basis eines
leitenden NPN-Transistors 86 verbunden, dessen Emitterpotential ungefähr um einen Diodenabfall unter seiner Basis liegt, d.h. ungefähr
+1,2J Volt beträgt. Dieser Emitter ist mit der Schwellwertspannungsleitung
50 verbunden, um die Schwellwertspannung, wie oben beschrieben, an die Schaltzellen 10 anzulegen.
In Übereinstimmung mit anderen Aspekten der vorliegenden Erfindung
ist der Umsetzer mit Einrichtungen versehen, um ihn entweder mit TTL- oder CMOS-logischen Signalen betreiben zu können. Wie bereits
oben erwähnt wurde, erfordern die TTL-Logiksignale einen Spannungeschwellwert
von +1,4 Volt. Wenn jedoch CMOS-Logik-Eingangssignale
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vorgesehen werden, dann muß der Spannungsschwellwert auf seinen
optimalen Wert, nämlich auf die Hälfte der positiven Spannungsversorgung, eingestellt werden. Hinzu kommt, daß derzeit zwei verschiedene
Kategorien von CMOS-Logiken in Gebrauch sind, von denen die eine mit einer verhältnismäßig niedrigen Versorgungsspannung,
d.h. um 5 Volt, und die andere mit einer wesentlich höheren Spannung, nämlich um 12 Volt, arbeitet. Jede dieser Kategorien kann
bei dem erfindungsgemäßen Umsetzer in Anwendung kommen. i
Damit der erfindungsgemäße Umsetzer in Verbindung mit einer CMOS-Logik betrieben werden kann, braucht der Benutzer nur mit einen Überbrückungsdraht 90 zwischen dem Stift 92, an dem die positive Versorgungsspannung liegt, und dem entsprechenden Stift 9^ herzustellen. Dieser überbrückungsdraht schließt den Widerstand 76,kurz, so daß die Spannung- an dem Verbindungspunkt 82 nunmehr nur noch von der Spannungstellung an den Widerständen 78, 80, die gleiche Wert aufweisen, bestimmt wird. Dadurch ist die der Basis des Transistors 84 zugeführte Spannung die Hälfte der positiven Versorgungsspannung (E ). Wie oben erwähnt, erscheint diese Spannung nach Umsetzung durch die Transistoren 84 und 86 auf der Spannungsschwellwert leitung 50. Welcher Wert von E im Hinblick auf die
Damit der erfindungsgemäße Umsetzer in Verbindung mit einer CMOS-Logik betrieben werden kann, braucht der Benutzer nur mit einen Überbrückungsdraht 90 zwischen dem Stift 92, an dem die positive Versorgungsspannung liegt, und dem entsprechenden Stift 9^ herzustellen. Dieser überbrückungsdraht schließt den Widerstand 76,kurz, so daß die Spannung- an dem Verbindungspunkt 82 nunmehr nur noch von der Spannungstellung an den Widerständen 78, 80, die gleiche Wert aufweisen, bestimmt wird. Dadurch ist die der Basis des Transistors 84 zugeführte Spannung die Hälfte der positiven Versorgungsspannung (E ). Wie oben erwähnt, erscheint diese Spannung nach Umsetzung durch die Transistoren 84 und 86 auf der Spannungsschwellwert leitung 50. Welcher Wert von E im Hinblick auf die
CC
spezielle CMOS-Logik gerade ausgewählt wird,.so wird immer die
Schwellwertspannung automatisch den erforderlichen Wert von der Hälfte der Versorgungsspannung E haben. Dies wird auf einfache
C C
Weise durch den Benutzer des Umsetzers durch eine Stiftprogrammierung
erreicht,
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Um eine einwandfreie Arbeitsweise des Umsetzers in dem relativ
großen Spannungsbereich der ausgewählten Ec(j-Werte sicherzustellen,
ist die Konstantstromquelle 40 so ausgebildet, daß sie einen konstanten
Ausgangsstrom I von 0,5 mA für den gewünschten Spannungsbereich abgibt. Die Leitung 46 für die Basisspannung dieses Transistors
40 wird automatisch eingestellt durch einen Steuerkreis 100, der eine Konstantstromquelle 102 einschließt, die zwischen
Masse und die negative Versorgungsspannung (-15 Volt) geschaltet ist. Die Quelle 102 weist einen Emitterwiderstand 101I auf, der
den Stromwert von 0,5 mA einstellt. Die Quelle 102 ist in Reihe mit einer anderen Konstantstromquelle 106 verbunden, die von der
positiven Spannungsversorgung versorgt wird, und die an die Konstantstromquelle 40 der Schaltzelle angepaßt ist, wobei beide
Quellen 1JO und 106 durch eine gemeinsame Basisleitung 46 betrieben
werden. Die Basisspannung der Quelle 106 wird automatisch auf einem Wert gehalten, der notwendig ist, um einen Strom von
0,5 mA durch diese Quelle zu erzeugen, weil der Quellenstrom von 0,5 mA durch die Quelle 102 festgehalten wird. Auf diese Weise
werden die Basen von allen Konstant Stromquellen 2IO der Schaltzellen
auf einem Wert gehalten, der notwendig ist, um einen Strom von 0,5 mA in diesen Quellen einzustellen. Der offenbarte Schaltkreis
ist so ausgelegt, daß er noch eine einwandfreie Arbeitsweise des Umsetzers bei einem E -Bereich von +4,75 bis +15,8 Volt ge-
CC
währleistet.
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254G451
Eine Gesamtansicht des Umsetzers zeigt die Fig. 2.Man erkennt,
daß der Umsetzer eine digitale Kapazität von 12 Bits hat, die in drei verschiedene 4-Bit-Gruppen von Schaltern 110, 112, 114 aufgeteilt
sind. Die Stromsammeischiene l6 der ersten Gruppe führt direkt zu dem Ausgangsanschluß Il6. Die beiden anderen Stromschienen
118, 120 sind über entsprechende Dämpfungs-Netzwerke 122, 124
mit der Ausgangsklemme verbunden. Diese Netzwerke geben Dämpfungswerte von 16:1 bzw..128:1 vor. Es sind weiterhin Widerstände
126, 128 für das Zusammenarbeiten mit einem Ausgangsverstärker vorgesehen, um einen Spannungsbereich von entweder 10 Volt oder
20 Volt vorzugeben.
Für die letzte Gruppe der Schalter H1J ist ein R-2R-Netzwerk
!JO vorgesehen. Die Transistoren dieser Gruppe arbeiten mit einem
Stromwert, der die Hälfte des Stromes der Transistoren der anderen beiden Gruppen beträgt. Es ist ein zusätzlicher Transistor
132 vorgesehen, der an den zwölften Schalttransistor 13^ angepaßt
ist, um geeignet das R-2R-Netzwerk zu terminieren. Obwohl zwischen dem Transistor 3^ und den anderen Schalttransistoren eine Fehlanpassung
der Emitterflächen in einem Verhältnis von 2:1 vorhanden ist, ist der daraus resultierende unterschiedliche Verstärkungstemperaturkoeffizient
vernachlässigbar'klein', da er an dem Bit-Pegel mit der geringsten Vfertigkeit eingeführt ist.
Der offenbarte Umsetzer kann als ein Zwei-Quadrant-Multiplizlerer
verwendet werden, indem man die Sollwert-Spannung 32 entsprechend
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dem einen zu multiplizierenden Faktor verändert, wobei der andere Faktor die digitale Eingangszahl ist» Die Größe der Sollwert-Spannung
beeinflußt unmittelbar entsprechend die Größe aller Bit-Ströme, weil der Verstärker 26 die Basis-Spannungsleitung
24 einstellt, so daß die Bit-Ströme den Sollwert-Strom führen, der durch den Widerstand 34 fließt. Die Bit-Ströme werden auf
dem korrekten Wert gehalten, auch bei sehr kleinen Pegeln, und zwar als Folge der eindeutigen Schalt-und Spannungssteueranordnung,
wie sie bben beschrieben wurde, so daß der Umsetzer sehr exakt als ein Multiplizierer arbeiten kann.
Im Vorhergehenden wurde ein 12-Bit-Digital/Analog-Umsetzer in
integrierter Schaltkreistechnik beschrieben, der binär gewiehtete Konstantstromquellen aufweist in Verbindung mit zugeordneten
Schaltzellen, die bipolare Transistoren besitzen, um die Bit-Ströme entweder auf eine Stromsammeischiene oder nach Masse zu
leiten. Die Schaltzellen weisen ein erstes Differential-Transistorpaar
auf, um ein einkanaliges, binäres logisches Signal in eine zweikanalige Anordnung umzusetzen; sie weisen ferner ein
zweites, völlig abgeglichenes Differentialpaar auf, das von abgeglichenen logischen Signalen angesteuert wird, um auf die Bit-Ströme
entsprechend einzuwirken. Ein Vorspannungs-Generatorkreis
hält eine konstante Kollektor-Basis-Spannung an den Konstantstromquellen aufrecht. Der Spannungsschwellwert für die logischen
Signale kann durch eine Stiftprogrammierung vorgegeben werden
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für eine TTL-Logik oder für CMOS-Logiken, und zwar entweder
für solche vom Niederspannungs- oder Hochspannungstyp.
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Claims (1)
- _19. -2540A51Patentansprüche/ly Digital/Analog-Umsetzer in integrierter Schaltkreistechnik mit einer Vielzahl von Transistoren in einem IC-Chip und diesen Transistoren zugeordneten Konstantstrom-Generatoren ausbildenden Mitteln, und mit Schaltmitteln zum wahlweisen Führen des Konstantstromes der Konstantstrom-Generatoren entweder zu einer Sammelschiene oder zu einer zweiten Leitung, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel (10, 1OA ...) jeweils eine Stromversorgungsquelle (lJ0, k2) aufweisen, die mit einem ersten bistabilen Transistorkreis (38) verbunden ist, der zwei Ausgänge aufweist, die abwechselnd entsprechend den beiden möglichen Zuständen angeschaltet sind und den Strom der Stromversorgungsquelle (1JO, *12) abgeben, und dessen Steuermittel zum Schalten der beiden möglichen Zustände Schaltkreise zum Erzeugen eines Binärsignals sowie Mittel, die auf dieses Binärsignal ansprechen und den bistabilen Transistorkreis (38) aussteuern, aufweisen, daß ein zweiter Transistorkreis (62) mit einem Paar von angepaßten Transistoren (6*JA, SkB) vorgesehen ist, die zu einem voll abgeglichenen symmetrischen Differentialtransistanenpaar verbunden sind, derart ,daß sie wahlweise alternativ leiten, deren Emitter mit dem Konstantstrom-Generator (14) verbunden sind und von deren Kollektoren der eine mit der Sammelschiene609813/0785und der andere mit der zweiten Leitung verbunden ist, um den Strom des Konstantstrom-Generators (1*0, je nachdem welcher der beiden angepaßten Transistoren (64A, 64B) leitfähig gesteuert wurde, in die Sammelschiene oder in die zweite Leitung fließen zu lassen, daß erste Signalmittel vorgesehen sind, die auf den Strom, der durch einen der Ausgänge des ersten Transistorkreises (38) fließt, ansprechen, und ein erstes Steuersignal an einen Transistor des zweiten Transistorkreises (62) anlegen, welches diesen Transistor leitend steuert, wenn der betreffende eine Ausgang Strom führt, daß zweite Signalmittel vorgesehen sind, die auf den Strom ansprechen, der durch den anderen Ausgang des ersten Transistorkreises (38) fließt, ansprechen, und ein zweites Steuersignal an den anderen Transistor des zweiten Transistorkreises (62) anlegen, welches diesen Transistor leitend steuert, wenn der betreffende andere Ausgang Strom führt, wobei beide Signalmittel zudem Mittel aufweisen, die die Verbindung der beiden Emitter des Transistorpaares des zweiten Transistorkreises (38) auf gleichem Potential halten, wenn der Strom des Konstantstrom-Generators (1*0 in Übereinstimmung mit den Zuständen des Binärsignals von dem einen Transistor auf den anderen Transistor des zweiten Transistorkreises geha'lten wird»60981 3/07852. Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel für den ersten bistabilen Transistorkreis (38) Schwellwertmittel (52) aufweisen, die auf das Binärsignal ansprechen und auf den zweiten Ausgang des ersten Transistorkreises den Strom der Stromversorgungsquelle (1IO, h2) auf schalten, wenn entsprechend dem Binärsignal der erste Ausgang des ersten Transistorkreises (38) abgeschaltet wird.3. Umsetzer nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertmittel (52) wahlweise steuerbare Schaltungsmittel (92, 90, 9h; 76-86) aufweisen, die gewährleisten, daß an den ersten Transistorkreis (38) entweder eine vorbestimmte Schwellwertspannung für den Betrieb mit einer TTL-Eingangslogik oder eine Schwellwertspannung, die einen vorbestimmten Bruchteil der Versorgungsgleichspannung darstellt," für den Betrieb mit einer CMOS-Eingangslogik gelangt .k» Umsetzer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Konstantstrom-Generator (I2J) einen Konstant-Transistor aufweist, dessen Kollektor mit jedem Emitter der angepaßten Transistoren des zweiten Transistorkreises (62) verbunden ist, und daß609813/0785Schaltungsmittel (60) vorgesehen sind, die eine feste Spannung zwischen der Basis des Konstant-Transistors und der Basis des gerade leitenden Transistors des zweiten Transistorkreises (62) aufrechterhalten.5. Umsetzer nach Anspruch ^,dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsmittel (60) eine Diodenanordnung (70,72) aufweisen, die zwischen die Basen der an-j gepaßten Transistoren des zweiten Transistorkreises und die Basis des Konstant-Transistors geschaltet ist, damit sie vom Strom durchflossen wird und einen entsprechenden Dioden-Spannungsabfall liefert.6. Umsetzer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistorkreis (38) einen ersten und einen zweiten Transistor (36A, 36B) aufweist, die als Differentialpaar zusammengeschaltet sind, alternativ leitend steuerbar sind, um dadurch die beiden Ausgänge des ersten Transistorkreises (38) vorzugeben.7« Umsetzer nach Anspruch *J oder 5, 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Konstant-Transistor und das Transistorpaar des zweiten Transistorkreises vom NPN-Typ sind.609813/07858. Umsetzer nach Anspruch 6 oder/und 7,dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Transistoren (36A, 36B) des ersten Transistorkreises (38) vom PNP-Typ sind.9. Umsetzer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Eingangssignalmittel durch zwei angepaßte Widerstände (56A, 56B) gebildet werden, von denen jeder mit einem Ausgang des ersten Transistorkreises (38) verbunden ist und von dem betreffenden Ausgangsstrom durchflossen wird, um dadurch einen entsprechenden Spannungsabfall vorzugeben, und die jeweils mit der Basis eines der Transistoren des zweiten Transistorkreises (62) verbunden sind, um so alternativ eine gleiche Spannung an der Basis des betreffenden Transistors des zweiten Transistorkreises einschließlich dem Spannungsabfall über dem gerade stromdurchflossenen Widerstand vorzugeben.10. Umsetzer nach Anspruch 9,dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Widerstände so gewählt ist, daß sie, wenn sie vom Ausgangsstrom des zugeordneten Ausganges des ersten Transistorkreises durchflossen werden, einen Spannungsabfall entsprechend einer Diode abgeben.609813/0785. 2„ _ · 254CU5111. Umsetzer nach Anspruch 4 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Bezugstransistor (30) vorgesehen ist, der an den Konstant-Transistor (1^) angepaßt ist, wobei die Basen beider Transistoren miteinander verbunden sind, daß ein zweiter Bezugstransistor (28) vorgesehen ist, der an die beiden Transistoren des zweiten Transistorkreises (62) angepaßt ist und der in Reihe mit dem ersten Bezugstransistor (30) liegt, und daß Regelmittel (32, 3^, 26) vorgesehen sind, die auf den Kollektorstrom des zweiten Bezugstransistors ansprechen, und die Basisspannung des ersten Bezugstransistors automatisch so einstellen, daß sein Kollektorstrom konstant bleibt, wodurch automatisch die Basisspannung des Konstant-Transistors (1*0 so eingestellt wird, daß der Kollektorstrom des gerade leitenden Transistors des zweiten Transistorkreises konstant gehalten wird.609813/0785Leerseite
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