DE4041372A1 - Schaltungsanordnung zum selbstkalibrierenden vervielfachen eines stationaeren referenzstromes, insbesondere in einem monolithischen digital/analog-umsetzer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von höchstwertigen Bitströmen aus einem Referenzstrom, insbesondere für Digital-Analog-Umsetzer und findet vorzugsweise in integrierter Schaltungstechnik Anwendung.

Die Erhöhung der Genauigkeit von Digital-Analog-Umsetzern und deren Kostensenkung erfordern vor allem Lösungen für das Problem, ein festes Verhältnis von - für die Wandlung meist genutzten - Teilströmen, die kodeabhängig auf einen Summenstromleiter geschaltet den Analogwert repräsentieren, mit geforderter Präzision einzuhalten. Absolute Genauigkeitsforderungen können durch Referenzverfahren auf relative reduziert werden.

Der stationäre Teil der Relativfehler läßt sich - unter anderem durch Verwendung von Festwertspeichern - weitgehend eliminieren (DE 35 16 005). Der dynamische Teil der Relativfehler kann durch wiederkehrenden Abgleich reduziert werden. Hierfür ist neben relativ langsamen digitalen Korrekturanordnungen (DE 37 36 785) eine Methode bekannt, die mehrere gleichgewichtete einzeln steuerbare Feldeffekttransistor-Stromquellen analog durch wiederkehrendes Einprägen eines Referenzstromes über deren gespeicherte Gate-Source-Spannung abgleicht (D.Groeneveld et al., "A Self Calibration Technique for Monolithic High Resolution D/A Converters", IEEE J-SC 24(1989), pp 1517-1522) . Nachteilig ist hierbei jedoch, daß der beim Abgleich sich schaltungsbedingt einstellende Arbeitspunkt sich beim Aufschalten des Stromes auf einen Summenstromleiter verändert, wodurch ein Stromfehler entsteht. Die zur Stabilisierung des Arbeitspunktes vorgeschlagene zusätzliche mehrfache Wiederholung der Struktur in Kaskodeschaltung mindert diesen Nachteil, steigert jedoch den Betriebsspannungsbedarf der Schaltung erheblich. Nachteilig ist weiterhin, daß der Arbeitspunkt durch den Abgleich auf einen für den Stromquellenbetrieb ungünstigen Wert festgelegt wird.

Eine weitere Schwierigkeit bei der Anwendung dieser Schaltung liegt in der hohen Empfindlichkeit des Ausgangsstromes der Stromquellen gegenüber einer Veränderung der gespeicherten Sollspannung. Die zur Verringerung der Empfindlichkeit, vorgesehene Parallelschaltung aus jeweils einer selbstkalibrierenden und einer weiteren festen Stromquelle besitzt einen niedrigen Ausgangswiderstand und muß durch erhöhten Schaltungs- und Betriebsspannungsaufwand gegen Arbeitspunktänderungen geschützt werden, um die Stromfehler zu verringern.

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum selbstkalibrierenden Vervielfachen eines stationären Referenzstromes, insbesondere für einen monolithischen Digital-Analog-Umsetzer zu schaffen, die die Stromfehler, die bei selbsttätigem analogen Abgleich mehrerer gleichgewichteter Ströme auftreten, bereits durch die Abgleichschaltung wesentlich verringert, und die weiterhin vorteilhaft eine Fehlerkorrektur vorhandener auch bipolarer fest eingestellter Stromquellen - welche mit einer höheren Grundgenauigkeit gefertigt werden können - ermöglicht.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Anspruches angegebenen Maßnahmen. Hierbei wird auf die Methode gleichgewichteter analog abzugleichender Stromquellen zurückgegriffen. Deren Abgleich erfolgt jedoch durch Abgleich der Spannungen über den Stromquellen. Da deren Ansteuerung vom Abgleich nicht beschränkt wird, kann ein für Stromquellen günstiger Arbeitspunkt gewählt werden. Die zum Abgleich in jeder Stromzelle vorgesehene Regelschaltung stabilisiert den Arbeitspunkt des Stromquellentransistors und trägt damit wesentlich zur Erhöhung der Genauigkeit des Stromes bei. Ein Abgleich bipolarer Stromquellentpansistoren ist damit vorteilhaft möglich. Für jeden den Ausgangsstrom bildenden Teilstrom ist eine gleichartige Stromzelle vorgesehen, die außer dem Transistor der abzugleichenden Stromquelle eine Regelschaltung und Stromschalter enthält.

Die Korrekturgröße für den Abgleich jeder Stromzelle wird durch aufeinanderfolgendes Schalten eines externen Referenzstromes und des abzugleichenden Stromes auf eine geeignete Auswerteschaltung gewonnen. Die dadurch entstehende Spannungsänderung wird in der Auswerteschaltung in einen Korrekturstrom umgesetzt, welcher die auf einem Kondensator in der Stromzelle gespeicherte Sollspannung ändert und somit die Spannung über dem Stromquellentransistor beeinflußt. Da diese Spannung nur indirekt über dem Ausgangswiderstand des Stromquellentransistors auf den abzugleichenden Strom wirkt, werden an die Genauigkeit der Regelung und Speicherung dieser Spannung nur geringe Anforderungen gestellt.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel und anhand der Zeichnung erläutert werden; In der zugehörigen Zeichnung zeigt die Figur:
- das Blockschaltbild eines Digital-Analog-Umsetzer mit Stromzellen A1 bis An, Auswerteschaltung B und gemeinsamer Ansteuereinheit C
- und die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer der gleichen Stromzellen A1 bis An (hervorgehoben).

Entsprechend dem Blockschaltbild nach der Figur bilden n Stromzellen A1 bis An, eine Auswerteschaltung B sowie eine gemeinsame Ansteuerschaltung die Hauptbestandteile eines monolithischen m-Bit-Digital-Analog-Umsetzers, wobei n=2^m gilt.

Erfindungsgemäß weist dabei jede Stromzelle einen Feldeffekttransistor 1 auf, der zur selbsttätigen Kalibrierung des Konstantstromes der Stromzelle zusätzlich in den Ausgang der abzugleichenden Stromquelle 2 eingefügt wird. Die gemeinsame Steuerung aller Stromquellen 2 erfolgt über die gemeinsame Ansteuerschaltung C derart, daß unter Berücksichtigung aller Stromfehler der Ausgangsstrom jeder Stromquelle 2 etwas größer ist als der am Anschluß 3 angelegte Referenzstrom.

Die Korrektur statischer und dynamischer Fehler des Ausgangsstromes jeder Stromquelle 2 wird über eine Regelung der Spannung über der Stromquelle 2 mit der Regelschaltung, die aus dem Feldeffekttransistor 1, einem Regelverstärker 4 und einem Kondensator 5 besteht, durchgeführt. Dazu wird das Gate des Feldeffekttransistors 1 vom Ausgang eines Regelverstärkers 4 gesteuert, dessen nichtinvertierender Eingang mit einem Kondensator 5 und einem Stromschalter 6 verbunden ist. Die Spannung an diesem Punkt ist die Sollspannung zum Abgleich der Spannung über der Stromquelle 2. Daher ist der invertierende Eingang des Regelverstärkers mit dem Ausgang der Stromquelle 2 und dem Sourceanschluß des Feldeffekttransistor 1 verbunden. Am Drainanschluß des Feldeffekttransistor 1 ist der abgeglichene Konstantstrom verfügbar und kann wie üblich zur Digital-Analog-Umsetzung mittels Stromsummierung verwendet werden. Beim Abgleich der Stromzelle wird dieser Strom über den Stromschalter 7 auf eine Vergleichsstromschiene 8 gelegt, mit der der Eingang 9 einer Auswerteschaltung B, der bis dahin über den Umschalter 10 mit dem Anschluß 3 für einen externen stationären Referenzstrom verbunden war, nun über den Umschalter 10 verbunden ist.

Die Spannungsänderung beim Umschalten vom Referenzstrom auf den Vergleichsstrom wird in der Auswerteschaltung verstärkt und in einen Strom am Ausgang 11 gewandelt. Dieser wird über die Verbindung mit der Korrekturstromschiene 12 und über den Stromschalter 6 der abzugleichenden Stromzelle zugeführt, wo über eine Änderung der Sollspannung und damit der Spannung über der Stromquelle 2 der Konstantstrom solange beeinflußt werden kann, bis die Spannungsänderung am Eingang 9 der Auswerteschaltung hinreichend klein geworden ist. Das Ergebnis des Abgleichs wird im Kondensator 5 bis zum nächsten Abgleich gespeichert. Die Auswerteschaltung B hat am Eingang 9 zweckmäßigerweise eine Schaltung mit hohem differentiellen Innenwiderstand, um auch bei geringen Stromunterschieden am Umschalter 10 eine auswertbare Spannungsdifferenz zu erzeugen. Deren Verstärkung kann beispielsweise mit einem Transkonduktanz- Operationsverstärker geschehen, der eine hohe Span­ nungsverstärkung und einen Strom als Ausgangsgröße aufweist. Zweckmäßig wird der Signalweg in der Auswerteschaltung gemeinsam mit dem Umschalter 10 geschaltet, wodurch die nötige untere Grenzfrequenz des verstärkenden Teiles erhöht werden kann.

Damit auch während des Abgleichs einer Stromzelle der volle Strombereich für die D/A-Wandlung verfügbar ist, kann für diese Zeit eine zusätzliche Stromzelle ersatzweise angeschaltet werden. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung erschöpft sich in ihrer Anwendung nicht auf einen Digital- Analog-Umsetzer, sondern ist auch in einem Analog-Digital- Umsetzer mit sukzessiver Approximation einsetzbar.

Bei ihrem Einsatz in einem Digital-Analog-Umsetzer werden wegen des exponentiellen Anwachsens der Zahl nötiger Stromzellen mit der Umsetzbreite zweckmäßig nur die höchstwertigen Bitströme auf die beschriebene Art erzeugt, während für die Bits mit niedrigeren Genauigkeitsanforderungen eine Realisierung über eine einfachere Schaltung, z. B. über einen Stromteiler vorgesehen ist.

Claims (1)

1. Schaltungsanordnung zum selbstkalibrierenden Vervielfachen eines stationären Referenzstromes, insbesondere in einem monolithischen Digital-Analog-Umsetzer, bestehend aus mehreren Stromzellen, die jeweils eine abzugleichende Stromquelle aufweisen, sowie aus einer Auswerteschaltung, Stromschaltern und einer für alle Stromquellen gemeinsamen Ansteuerschaltung, gekennzeichnet dadurch,
   daß jede Stromzelle (A1 bis An) einen Feldeffekttransistor, (1) aufweist, dessen Gate mit einem Regelverstärker (4) verbunden ist
   und der nichtinvertierende Signaleingang des Regelverstärkers (4) mit einem Kondensator (5) und der invertierende Eingang mit dem Ausgang einer abzugleichenden Stromquelle (2) sowie mit dem Sourceanschluß des Feldeffekttransistors (1) verbunden sind, dessen Drainanschluß über einen Stromschalter (7) an eine gemeinsame Vergleichsstromschiene (8) geschaltet ist und einen weiteren Stromschalter (6) aufweist, der den nichtinvertierenden Eingang des Regelverstärkers (4) mit einer gemeinsamen Korrekturstromschiene (12) verbindet und diese an den Stromausgang (11) der Auswerteschaltung (B) geschaltet ist
   und am Eingang (9) der Auswerteschaltung (B) ein Umschalter (10) angeordnet ist, der die Vergleichsstromschiene (8) und einen Anschluß (3) für einen stationären Referenzstrom mit dem Eingang (9) der Auswerteschaltung (B) verbindet.