NL8420202A - Digitaal/analoog-omvormerarray. - Google Patents

Description

* V 1 * V trn \ |Λ—<-»·· N.0. 33064 1

Digitaal/analoog-omvormerarray.

TERREIN VAK DE UITVINDING

Deze uitvinding heeft betrekking op een digitaal/analoog-omvormer-array en in het bijzonder op een omvormerarray waarin zowel de analoge als de digitale schakelingsgedeelten op dezelfde speciaal daarvoor ver-5 vaardigde digitale array zijn geïmplementeerd.

ACHTERGROND VAN DE PITVINDING

Conventionele D/A-omvormers, zoals worden gebruikt voor het omvormen van digitale informatiesignalen in analoge videosignalen gebruiken 10 een register voor het ontvangen van het uit meerdere bits, b.v. 8 bits, bestaande digitale ingangssignaal. Uit het register worden de bits doorgelaten naar bijbehorende buffers, die corresponderende constante stroombron-schakelcircuits besturen waarvan de uitgangssignalen worden verzwakt in overeenstemming met de bitposities door een R-2R weer-15 standsnetwerko Een R-2R weerstandsnetwerk is een combinatie van serie-en parallelweerstanden aangesloten als spanningsdeler die ervoor zorgt dat elk volgend bit verschijnt met de helft van de spanning van het voorafgaande bit als voor elk bit een gelijke stroom wordt toegevoerd.

Deze omvormers maken gebrtiik van discrete schakelcomponenten voor de 20 analoge signalen in combinatie met geïntegreerde circuits voor de registers en buffers voor de digitale signalen. In dergelijke omvormers vergen de analoge schakelcircuits arbeidsintensieve componentafregel-en aanpassingsprocessen, waardoor de kosten ervan toenemen. Het gebruik van een dergelijke omvormer met geïntegreerde of discrete componenten 25 vergt aanzienlijk meer vermogen, b.v. 1,6 watt voor TTL en 2,8 watt voor ECL. Bovendien is de hoogst bereikbare schakelfrequentie met acceptabele "glitch1* (vervorming door de schakelende golfvorm) begrensd door de parameters van de beschikbare discrete componenten en de parasitaire bijdragen van dé onderlinge circuitverbindingen.

30

KORT OVERZICHT VAN DE UITVINDING

Het is derhalve een doelstelling van deze uitvinding een verbeterde kleine, goedkopere en eenvoudiger D/A-omvormer te verschaffen.

Het is een verdere doelstelling van deze uitvinding een dergelijke 35 verbeterde D/A-omvormer te verschaffen die weinig of geen afstemming of aanpassing van de componenten vereist.

Het is een verdere doelstelling van deze uitvinding een dergelijke verbeterde D/A-omvormer te verschaffen die minder vermogen vergt zowel 8420202 s« » 2 in TTL- als in ECL-versies.

Het is een verdere doelstelling van deze uitvinding een dergelijke verbeterde D/A-omvormer te verschaffen die slechts 1,1 watt maximaal nodig heeft in de TTL-versie en 1,0 watt in de ECL-versie.

5 Het is een verdere doelstelling van deze uitvinding een dergelijke verbeterde D/A-omvormer te verschaffen die kan functioneren bij hogere schakelfrequenties zonder onacceptabele "glitch".

Het is een verdere doelstelling van deze uitvinding een dergelijke verbeterde D/A-omvormer te verschaffen die kan functioneren bij een 10 schakelfrequentie van 180 MHz zonder onacceptabele "glitch".

Het is een verdere doelstelling van deze uitvinding een dergelijke verbeterde D/A-omvormer te verschaffen die minder parasitaire bijdragen heeft van de onderlinge circuitverbindingen.

Het is een verdere doelstelling van deze uitvinding een dergelijke 15 verbeterde D/A-omvormer te verschaffen die geheel in geïntegreerde vorm is vervaardigd.

Het is een verdere doelstelling van deze uitvinding een dergelijke verbeterde D/A-omvormer te verschaffen waarvan zowel de digitale als de analoge componenten in een digitale array-chip zijn geïmplementeerd.

20 De uitvinding resulteert uit het inzicht dat een vooraf gekozen subgroep van élémentaire cellen van een digitale poortarray kan worden aangesloten voor het vormen van analoge stroomschakelcircuits zodanig dat de actieve delen van een complete digitaal/analoog-omvormer kunnen worden vervaardigd op één enkele, oorspronkelijk geheel digitale poort-25 arraychip.

De uitvinding verschaft een D/A-omvormer voor het omvormen van een digitaal signaal met een aantal bits in een analoog signaal. De uitvinding omvat een digitale array in een geïntegreerde schakeling met een register voor het opbergen van het bepaalde aantal bits, een buffer-30 schakeling voor ontvangst van het aantal bits van het register, en een analoog stroomschakelnetwerk. Het analoge stroomschakelnetwerk is voorzien van een aantal stroomschakelcircuits waarvan het aantal gelijk is aan het aantal bits dat omgevormd wordt. Elk van de stroomschakelcircuits verschaft de juiste uitgangsstroom in responsie op de aanlevering 35 van een bijbehorend bit door de bufferschakeling. Elk van de stroomschakelcircuits is voorzien van een emitter-gekoppeld schakelcircuit met twee aantallen parallel aangesloten transistorcellen. De bases van een van de aantallen transistorcellen zijn verbonden met de bufferschakeling en de bases van het andere aantal transistorcellen zijn verbon-40 den met het stroomschakelcircuit. Het stroomschakelcircuit Is voorzien 8420202 * f * 3 van een eerste transistorcel waarvan de emitter verbonden Is met de bases van het andere aantal transistorcellen In het emitter-gekoppelde schakelcircuit. Een spanningdelernetwerk reageert op de uitgangsstroom van het analoge stroomschakelnetwerk teneinde spanningen te verschaffen 5 die representatief zijn voor het bit dat wordt vertegenwoordigd door de bijbehorende bufferschakeling*

In een voorkeursuitvoeringsvorm kan het stroombroncircuit voorzien zijn van een tweede transistorcel waarvan de collector verbonden is met de emitter van de eerste transistorcel, de basis bestemd is om te wor-10 den verbonden met een referentlespanningsbron en de emitter verbonden is met een instelweerstandnetwerk dat aangesloten is op een voedings-spanningsbron. Het instelweerstandnetwerk kan voorzien zijn van een aantal weerstandscellen die parallel geschakeld zijn. Elk aantal tran-sistorcellen kan drie transistorcellen omvatten. De collectoren van het 15 andere aantal transistorcellen en de collector van de eerste transistorcel kunnen met elkaar verbonden zijn.

BESCHRIJVING VAN EEN V00RKEPRSUITV0ERINGSV0BM

Andere doelstellingen, kenmerken en voordelen zullen duidelijk 20 worden uit de navolgende beschrijving van een voorkeursuitvoeringsvorm en uit de bijgaande tekeningen waarin: figuur 1 een vereenvoudigd blokschema is van een D/A-omvormer volgens deze uitvinding; de figuren 2A-C meer gedetailleerde schematische diagrammen zijn 25 van een implementatie van de omvormer van figuur 1; figuur 3 een meer gedetailleerde tekening is van een analoog stroomschakelcircuit gevormd uit de digitale poortarray van figuur 2; en figuur 4 een meer gedetailleerd schema is van de spanningdeler van 30 figuur 1.

In figuur 1 is een digitaal/analoog-omvormerarray 10 getoond, aangebracht op één enkel substraat 12. De digitale ingangsinformatie, die aangeleverd wordt in de vorm van een uit meerdere bits bestaand adres of woord, wordt aangeboden via lijn 14 aan de digitale koppelschakeling 35 16. Samenstellingssignalen die dikwijls digitale video-informatiesigna-len vergezellen, worden via lijn 18 geleverd aan een samenstelling-stuurschakeling 20. De digitale koppelschakeling 16 stelt het niveau in van de inkomende bits en voegt in de inkomende bits de stuursignalen in, zoals de wit-referentie; 10%; zwart 1, zwart 2; sync; en blank. De 40 bits worden opgeborgen in het register 22 totdat ze worden geklokt in 8420202 »· ΐ 4 de flip-flop buffer 24 door de poortsignalen 26 en 28. Bij overdracht naar de buffer 24 worden de bitsignalen direct geleverd aan het stroom-schakelnetwerk 30, dat dezelfde uitgangsstroom levert voor elk bit dat vanaf de buffer 24 wordt gepresenteerd. Deze uitgangsstromen worden via 5 de lijn 32 geleverd aan een R-2R-type spanningsdeler 34 die afhankelijk van de bitposities of het adres een spanning afgeeft. De samenstelling-stuurschakeling 20 verschaft de instel- en terugstelsignalen op de lijnen 36 en 38 naar respectievelijk het register 22 en de digitale kop-pelschakeling 16. De samenstellingstuurschakeling 20 levert ook een 1Ó signaal op de lijn 40 naar een samenstellingstuurschakelcircuit 42, waarmee direct invloed wordt uitgeoefend op de analoge uitgang van de spanningsdeler 34.

In een implementatie kan de 8 bits digitaal/analoog-omvormer 10a volgens de uitvinding 10a geconstrueerd worden gebruikmakend van een 15 Q 720 poortarray van. Applied Micro Circuits Corporation, Cupertino, Calif ornië, zoals getoond is in figuur 2, waarin soortgelijke delen met soortgelijke nummers als in figuur 1 zijn aangegeven en elk van de acht trappen van de delen zijn aangeduid met hetzelfde nummer vergezeld van een index a-h.

20 In de figuren 2A-C zijn de kleiner vierkantjes op het substraat 12 contacten die aangebracht zijn voor de signalen die erbij zijn aangegeven.

De contacten B1-B8 zijn de contacten die het acht bits digitale ingangssignaal ontvangen. De contacten voor de samengestelde ingangs-25 signalen zijn aangeduid met "wit", "10Z”, "zwart 1", "zwart 2", "sync", en "blank". De samenstellinguitgangssignalen, "E blank”, "E sync”, en "E 10%" worden toegevoerd aan de spanningdeler 34, figuur 1 als de signalen C1-C8. De contacten E1-E8 staan in verbinding met een weerstand-instelnetwerk voor de schakelingen 30a-h. Het glitchinstelcontact ont-30 vangt het glitchinstelingangssignaal van een externe bron en het klok-pulscontact ontvangt klokpulssignalen van een externe klokpulsbron.

De digitale koppelschakeling 16 is voorzien van acht trappen: 16a-16h. Zoals bijvoorbeeld bij trap 16a is aangegeven, omvat elke trap een niveauverschuivingscircuit 50, dat logische TTL- of ECL-signalen 35 accepteert en deze omvormt naar een lager niveau dat geaccepteerd kan worden door de inwendige circuits van de digitaal/analoog-omvormerar-ray. De niveau-aanpassingscircuits 50 kunnen worden geïmplementeerd door de ingangs/uitgangscellen. Het uitgangssignaal van het niveau-in-stelcircuit 50 wordt toegevoerd aan een bufferversterker 52. Wanneer 40 het systeem vergezeld is van een samenstellingstuurschakeling dan zijn « .................

8420202 j * Λ 5 in de digitale koppelschakeling 16 ook een NIET-OF-poort 54 en een 0F-poort 56 opgenomen. De uitgangssignalen van deze poorten in de trappen 16a-h worden toegevoerd aan de corresponderende registertrap 22a-h. De NIET-OF-poort 54 verschaft een uitgangssignaal voor het overdragen van 5 een inkomend bit bij aanwezigheid van het bit aan de uitgang van de bufferversterker 52. De andere ingangssignalen van de NIET-OF-poort 54 en de werking van de OF-poort 56 worden bestuurd door de samenstelling-stuurschakeling 20 en zullen in het volgende worden verklaard. Als een bit wordt overgedragen van de NIET-OF-poort 54, dan wordt het opgebor-10 gen in trap 22a van het register 22. Bij het optreden van een poortsig-naal op het poortcontact zal het poortsignaal worden verwerkt door de niveau-instelschakeling 58 en via de versterker 60 een poortsignaal verschaffen aan elk van de trappen 22a-h van het register 22 en aan elk van de trappen 24a-h van de buffer 24, teneinde de respectievelijke 15 bits van hun registertrappen over te dragen naar de corresponderende buffertrappen. Direct bij ontvangst in de buffertrappen 24a-h wordt het bit overgebracht naar de individuele stroomschakelcircuits 30a-h, waar het bit direct wordt gepresenteerd via de contacten Cl-8 aan de span-ningsdeler 34, figuur 1.

20 Elk van de stroomschakelcircuits 30a-h omvat, zoals als voorbeeld bij circuit 30a in figuur 3 is aangegeven, een emitter-gekoppeld scha- . kelpaar 80 zoals een ECL-circuit, waarin elk transistorpaar 82, 84 in werkelijkheid wordt gevormd door een aantal transistorcellen 82a, 82b, 82c en 84a, 84b, 84c als aangegeven met de drievoudige emitteraandui-25 dingen. Dit is nodig om het gewenste stroomniveau, 8,5 mA, te bereiken dat niet kan worden bereikt met één enkele transistorcel in de conventionele digitale array. De schakeling 30a heeft vijf contacten 91, 92, 93, 94 en 95, zie figuur 2. De uitgang 91 verbindt de basis van transistor 82 met de buffertrap 24a. De uitgang 92 verbindt de collector 30 van transistor 84 met zijn respectievelijke collectoruitgangscontact C1-C8, figuur 2. De basis van transistor 84 is verbonden met de emitter van transistor 100. De basis van transistor 84 en de emitter van transistor 100 zijn verbonden met uitgang 93, een testpunt. De basis van transistor 100 is verbonden met uitgang 94, die direct verbonden is met 35 een glitchinstellijn 102, via welke een extern glitchinstelsignaal kan worden geïntroduceerd via het glitchlnstelcontact. De emitters van de transistoren 84 en 82 zijn beiden verbonden met uitgang 95, die verbon-den is met een der respectievelijke E1-E8 uitgangen, figuur 2. Aan de stroombrontransistor 100 is bovendien een spanningrefrentietransistor 40 104 toegevoegd, waarvan de emitter verbonden is met spanningreferentie- 8420202 -Έ

Φ » W

4 6 weerstanden 106, 108, 110 en 112. De nieuwe verbinding van de niet vastgelegde poorten in de conventionele poortarray voor het vormen van het stroomschakelcircuit 30a, figuur 3, maakt het mogelijk om een conventioneel digitaal poortarraysubstraat te gebruiken voor het vormen 5 van analoge schakelingen op een digitale array zodanig dat zowel de analoge schakelingen als ook de digitale schakelingen van een digitaal/ analoog-omvormer kunnen worden gefabriceerd op êên enkele digitale ar-raychip. Deze constructie maakt het mogelijk om een kleinere, goedkopere en eenvoudiger D/A-omvormer te vervaardigen die minder afregeling of 10 aanpassing van componenten nodig heeft en die minder vermogen gebruikt in zowel TTL- als in ECL-versies. Ze werkt ook bij een hogere schakel-frequentie binnen acceptabele "glitch" (vervormings) grenzen en minimaliseert de parasitaire bijdragen van de onderlinge circuitverbindin-gen.

15 De samenstellingstuurschakeling 20, figuur 2, functioneert via de NIET-0F-poort 54 en de 0F-poort 56 voor het leveren van signalen met een hogere prioriteit dan de inkomende 8 bit woorden of adressen. De NIET-0F-poort 54 ontvangt, naast het bitsignaal van de uitgang van de bufferversterker 52, ook via de lijn 59 het uitgangssignaal van een 0F-20 poort 62, welk signaal na inversie door de bufferversterker 64 ook wordt toegevoerd over de lijn 66 als derde ingangssignaal naar de NIET-0F-poort 54. De 0F-poort 62 ontvangt op zijn beurt ingangssignalen van de bufferversterkers 68, 70 en 72, die worden gestuurd door de signalen "zwart 1", "zwart 2" en "sync" via de respectievelijke niveau-aanpas-25 schakelingen 74, 76 en 78. Bij ontvangst van een "zwart 1", "zwart 2” of "sync" signaal zal de OF-poort 62 dus op de lijnen 59 en 66 een signaal verschaffen aan de NIET-OF-poort 54 waardoor de schakelcircuits 30a-h het juiste analoge niveau verschaffen voor de "zwart" en "sync" signalen. De OF-poort 56 ontvangt op de lijnen 130 en 132 signalen van 30 de respectievelijke bufferversterkers 134 en 136, afkomstig van de ni-veau-afregelschakeling 138 bij ontvangst van een "wit" instructie. Bij het optreden van een "wit" signaal wordt een analoog signaal vertschaft waarmee door de stroomschakelcircuits 30a-h een totaal "wit” uitgangssignaal wordt geleverd.

35 Het "wit" instructie-uitgangssignaal van de bufferversterker 134 verschaft ook een ingangssignaal voor het instellen en terugstellen van de 0F-poorten 140 en 142. De OF-poort 142 levert "instel" en "terugstel” signalen op de lijnen 144 en 146 naar de respectievelijke trappen 22a-d en de buffertrappen 24a-d. De OF-poort 140 verschaft soortgelijke 40 signalen op de lijnen 148 en 150 naar de respectievelijke registertrap- 8420202 Λ . ? 7 pen 22e-h en buffertrappen 24e-h.

Het "sync" signaal functioneert niet alleen via de OF-poort 62 en de NIET-ÖF-poort 54, maar daarnaast ook direct via het samenstelling-stuurschakelcircuit 42 evenals de samenstellingssignalen aangeduid met 5 10%, wit en zwart» Het samenstellingstuurschakelcircuit 42 bevat drie stroomschakelcircults 30i, 30j en 30k die identiek zijn aan de circuits 30a-h. Een 10%-instructie wordt na verwerking door de niveau-instel-schakeling 160 en de bufferversterker 162 direct toegevoerd aan ingang 91 van circuit 30i, hetgeen de basis is van transistor 82, getoond in 10 figuur 3. Deze genereert een uitgangssignaal op 92 waardoor een analoge nul-uitgangsspanning wordt geleverd. Een sync-signaal aanwezig op de uitgang van de bufferversterker 72 wordt niet alleen toegevoerd aan de OF-poort 62, maar ook toegevoerd aan ingang 91 van het stroomschakel-circuit 30j, dat een uitgangssignaal genereert op contact 92 met het 15 vereiste niveau van een standaard sync-signaal. Een blank-instructie wordt na verwerking door de niveau-afregelschakeling 160 en de bufferversterker 162 toegevoerd aan ingang 91 van schakelcircuit 30h waardoor een uitgangssignaal wordt gegenereerd op contact 92 geschikt voor het blankeren van het analoge uitgangssignaal.

20 De geschikte voorinstelspanning voor het bedrijven van de schakel- circuits 30a-k wordt geleverd via dé emitteraansluitingen E1-E8 voor het instellen van de geschikte schakelniveau's. De contacten C1-C8 zijn verbonden met de R-2R-spanningsdeler 34, figuur 4, Om te besparen op het aantal contacten zijn de verbinding C7 en C8 aangesloten op het-25 zelfde contact. Elk van de weerstanden 200, 202, 204, 206, 208 en 210 heeft een waarde van 75 ohm, terwijl de weerstanden 212, 214, 216, 218, 220 en 222 een waarde van 37,5 ohm hebben, of in willekeurige andere waarde nodig om een uitgangsaanpassing te verkrijgen ofwel ongeveer de helft van de 75 ohm waarde. Het dit netwerk is het uitgangssignaal van 30 elke stroomschakelcircuit 30a tot en met 30h gelijk en toch wordt een verschillende spanning geproduceerd afhankelijk van de bitpositie van het bepaalde om te vormen bit; het gehele netwerk verschaft een analoog uitgangssignaal dat aangepast is aan een lijn met 75 ohm impedantie. Andere uitvoeringsvormen zullen voor de deskundige op dit terrein 35 duidelijk zijn en vallen binnen de navolgende conclusies:

Rechten worden gevraagd voor het volgende: 8420202

Claims (4)

1. Een D/A-omvormer voor het ontvormen van een digitaal signaal met een aantal bits in een analoog signaal omvattender een register voor het opbergen van het genoemde aantal bits; 5 een bufferschakeling voor het ontvangen van het genoemde aantal bits van het register; een analoog stroomschakelnetwerk voorzien van het genoemde aantal stroomschakelcircuits, die elk de juiste uitgangsstroom verschaffen in responsie op de levering van een bijbehorend bit door de genoemde buf-10 ferschakeling; waarbij elk stroomschakelcircuit voorzien is van een emitter-gekoppeld schakelcircuit met twee aantallen parallel geschakelde transistorcellen, waarbij de bases van een van de aantallen transls-torcellen verbonden zijn met de genoemde bufferschakeling en de bases van het andere aantal transistorcellen verbonden zijn met een stroom-15 schakelcircuit, welk stroomschakelcircuit voorzien is van een eerste transistorcel waarvan de emitter verbonden is met de basis van het genoemde andere aantal transistorcellen in het genoemde emitter-gekoppel-de schakelcircuit; en een spanningdelernetwerk dat reageert op de uitgangsstroom van het 20 analoge stroomschakelnetwerk voor het leveren van spanningen die representatief zijn voor het bit dat aangeboden wordt door de bijbehorende buffers chakeling.

2. Omvormer volgens conclusie 1, waarin het genoemde stroomschakelcircuit vorzien is van een tweede transistorcel waarvan de collector 25 verbonden is met de emitter van de genoemde eerste transistorcel, de basis aangesloten kan worden op een referentiespanningsbron en de emitter verbonden is met een instelweerstandnetwerk aangesloten op een spanningsbron. 3c Omvormer volgens conclusie 2, waarin het instelweerstandnetwerk 30 voorzien is van een aantal weerstandscellen die parallel geschakeld zijn.

4. Omvormer volgens conclusie 1, waarin elk van het genoemde aantal transistorcellen voorzien is van drie transistorcellen.

5. Omvormer volgens conclusie 1, waarin de collectoren van het ge-35 noemde andere aantal transistorcellen en van de genoemde eerste transistorcel met elkaar zijn verbonden. ******** 8420202