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Die Erfindung betrifft einen Digital-Analog-Umsetzer mit integrierter Prüfschaltung, welcher einen digitalen Eingang und einen analogen Ausgang aufweist.
Digital-Analog-Umsetzer (DAU) dienen der Umsetzung eines digitalen Eingangscodes in die entsprechende analoge Ausgangsspannung. Das Einsatzgebiet liegt bei digitalen Systemen, wo eine schnelle hochgenaue und hochauflösende Umwandlung erforderlich ist.
In der überwiegenden Mehrheit der herkömmlichen DAU wird der digitale Eingangscode einer Analog-Schalter-Matrix zugeführt, die über ein Widerstandsnetzwerk binär gestufte Teilströme erzeugt. Alle Teilströme werden in einer Summiereinheit addiert und gegebenenfalls noch verstärkt, sodass am Ausgang eine dem angelegten Eingangscode proportionale Spannung abgegriffen werden kann. Gründsätzlich wird daher zwischen Digital-AnalogUmsetzern mit Strom-oder Spannungsausgang unterschieden.
Die DAU erfordern eine hohe Anzahl an Bauteilen. Die Widerstandswerte müssen genau aufeinander abgeglichen werden, wobei das Drift-Verhalten möglichst identisch sein soll. Die Streukapazität so wie Schaltverzögerungen der Analog-Schalter verursachen hohe transiente Spannungsspitzen. Da DAU mit einem niederohmigen Stromausgang und gegebenenfalls dem vom Eingangscode abhängigen Ausgangswiderstand kaum brauchbar sind, setzt man Ausgangsverstärker ein. Die neuen Fehlerquellen, wie z. B. off-setSpannung, Neigung zu Überschwingen, hohe Impulsverzögerungszeit, müssen dabei in Kauf genommen werden.
Grundsätzlich unterscheidet man bei Digital-Analog-Umsetzern statische und dynamische Kenngrössen. Eine wichtige dynamische Kenngrösse stellt die Einschwingzeit dar, die angibt, wie lange es nach der Umschaltung der Zahl Z von V auf Z max. dauert, bis das Ausgangssignal mit einer Genauigkeit von z. B. 1/2 LSB (least significant bit) den stationären Wert erreicht hat. Dann erst steht das Analogsignal mit der durch die Auflösung des Digital-Analog-Umsetzers gegebenen Genauigkeit zur Verfügung. Der Bezug auf 1/2 LSB bringt es natürlich mit sich, dass DAU mit derselben Zeitkonstante bei grösserer Auflösung langsamer auf 1/2 LSB einschwingen.
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In vielen Fällen werden Digital-Analog-Umsetzer benötigt, welche eine geringe Einschwingzeit aufweisen. In der Vergangenheit wurde bei vielen DA-Umseztern primär ein Strom gebildet, der bei Bedarf unter Verwendung eines"off-chip"Widerstands in eine Spannung umgewandelt werden konnte. Die Einschwingzeit solcher DA-Umsetzer ist durch den off-chip-Widerstand und die kapazitive Last am entsprechenden Anschluss bestimmt.
Heutzutage gelangen vermehrt Spannungs-DAU zum Einsatz, bei welchen der Strom mit einem nachfolgenden Operationsverstärker in eine Spannung umgewandelt werden kann. Zur Einschwingzeit des DA-Umsetzers selbst addiert sich in diesen Fällen noch die Einschwingzeit des Operationsverstärkers, die aufgrund der Rückkoppelungsschleife meist deutlich grösser ist als die des DAUmsetzers. Mit derartigen Umsetzern kann zwar der Leistungsverlust wesentlich herabgesetzt werden, jedoch sollte jedenfalls die Einschwingzeit während des Produktionsprozesses überprüft werden. Dies stellt jedoch dann ein Problem dar, wenn Umsetzer mit Einschwingzeiten in der Grössenordnung von einigen 10 Nanosekunden realisiert werden sollen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es somit, einen Digital-Analog-Umsetzer zu schaffen, welcher eine integrierte Prüfschaltung aufweist, mit welcher die Einschwingzeit des DAU auch dann noch sicher gemessen werden kann, wenn höchstzulässige Einschwingzeiten von einigen Nanosekunden eingehalten werden sollen. Die integrierte Prüfschaltung soll auch in der Lage sein, die Einschwingzeiten dann zu messen, wenn eine grössere Anzahl von DAU (16 oder mehr) in einer Einheit realisiert werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung im wesentlichen darin, dass ein mit dem analogen Ausgang verbindbarer Komparator vorgesehen ist, welcher einen Anschluss für eine Referenzspannungsquelle, einen digitalen Prüfanschluss und eine Logikschaltung aufweist, wobei die Logikschaltung mit dem Prüfanschluss zur Ausgabe des digitalen Wertes 0 oder 1 in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Spannung am analogen Ausgang und der Referenzspannung verbunden ist. Dadurch, dass der analoge Ausgang des Digital-Analog-Umsetzers nun mit einem Komparator verbindbar ist, wird die Möglichkeit geschaffen, den
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vom DAU gelieferten analogen Spannungswert mit einem entsprechenden Referenzwert zu vergleichen.
Zu diesem Zweck weist der Komparator erfindungsgemäss einen Anschluss für eine Referenzspannungsquelle auf, wobei weiters ein digitaler Prüfanschluss und eine Logikschaltung vorgesehen sind, wobei die Logikschaltung mit dem Prüfanschluss zur Ausgabe des digitalen Wertes 0 oder 1 in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Spannung am analogen Ausgang und der Referenzspannung verbunden ist. Die Logikschaltung des Komparators wirkt hierbei mit dem Prüfanschlusswert so zusammen, dass der Schaltzustand des Prüfanschlusses dann geändert wird, wenn die vom Komparator ermittelte Differenz zwischen der Spannung am analogen Ausgang und der Referenzspannung kleiner der Einschwingtoleranz (z. B. 1/2 LSB) wird.
Da die Referenzspannungsquelle dem analogen Zielwert des am Eingang des DAU anliegenden digitalen Wortes entspricht, kann auf einfache Art und Weise durch ein externes, ausschliesslich digital arbeitendes Prüfgerät die Einschwingzeit des DAUs ermittelt werden. Zu diesem Zweck wird vom externen Prüfgerät die Zeit zwischen dem Anlegen des digitalen Wortes an den Eingang des Digital-Analog-Umsetzers und der Zeit, zu der der Fensterkomparator ein stabiles Gleichheitsergebnis am digitalen Prüfanschluss anzeigt, gemessen. Das Prüfgerät arbeitet somit ausschliesslich auf Basis eines digitalen pattern-Tests (ja/nein), was in sehr einfacher Weise durch übliche digitale Testsysteme verwirklicht werden kann.
Es ist somit für die Erfindung wesentlich, dass der Komparator einen digitalen Prüfanschluss aufweist, da durch die digitale Arbeitsweise des Prüfgerätes auch Einschwingzeiten im Bereich von einigen Nanosekunden erfasst werden können.
In bevorzugter Weise ist der Anschluss für die Referenzspannungsquelle über einen Schalter mit dem analogen Ausgang verbunden. Auf diese Art und Weise wird der Anschluss für die Referenzspannungsquelle unmittelbar mit dem dem digitalen Prüfwort entsprechenden analogen Wert verbunden, sodass beispielsweise für den Fall, dass, wie es einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung entspricht, die Referenzspannungsquelle von einem Kondensator gebildet ist, unmittelbar die gewünschte Referenzspannung
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zur Verfügung steht und beispielsweise in einem Kondensator gespeichert werden kann. Wird der Schalter geöffnet, steht die entsprechende Referenzspannung unmittelbar dem Komparator zur Verfügung. Wie bereits erwähnt, kann der digitale Analog-Umsetzer als Strom-DA-Umsetzer mit nachgeschaltetem Operationsverstärker ausgebildet sein.
Eine besonders vorteilhafte Ausbildung ergibt sich dadurch, dass der Digital-Analog-Umsetzer, der Komparator und gegebenenfalls der Kondensator als integrierter Schaltkreis ausgebildet sind. Die integrierte Prüfschaltung kann somit als "on-chip"-Ausführung ausgebildet werden und in einen integrierten Schaltkreis integriert werden. Dadurch wird eine besonders kompakte Ausführung gewährleistet, wobei die Einschwingzeit des Digital-Analog-Umsetzers in einfacher Weise von aussen über den digitalen Prüfanschluss erfolgt.
Wie bereits erwähnt, kann die Referenzspannungsquelle, also beispielsweise der Kondensator,"on-chip"angeordnet sein, sodass die Referenzspannung unmittelbar im integrierten Schaltkreis zur Verfügung steht und nicht von aussen zugeführt werden muss. Der Vorteil, die DAU-Ausgangsspannung an einem Kondensator zu speichern und so die Referenzspannung zu generieren, besteht darin, dass die Referenzspannung praktisch keinen Fehler bezüglich der eingeschwungenen DAU-Ausgangsspannung hat. Wenn eine grössere Anzahl von DAUs in einer Einheit integriert sind, kann die Messeinheit (Fensterkomparator plus VREF-Speicherkapazität) sequenziell zum Testen aller DAUs verwendet werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Bestimmung der Einschwingzeit von Digital-Analog-Umsetzern, welches im wesentlichen durch folgende Schritte gekennzeichnet ist : - Anlegen eines einem gespeicherten analogen Zielwert ent- sprechenden digitalen Wortes an den Eingang des Digital-
Analog-Umsetzers - Vergleichen des analogen Signals am Ausgang des Digital-
Analog-Umsetzers mit dem gespeicherten analogen Zielwert - Generierung eines digital auswertbaren Signals sobald die
Differenz zwischen dem analogen Signal am Ausgang des
Digital-Analog-Umsetzers und dem gespeicherten analogen Ziel- wert kleiner der Einschwingtoleranz (z. B. 1 LSB) ist
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Messen der Zeit zwischen dem Anlegen des digitalen Wortes an den Eingang des Digital-Analog-Umsetzers und der Generierung des digital auswertbaren Signals.
Es wird also zunächst ein digitales Wort an den Eingang des Digital-Analog-Umsetzers angelegt, wobei dieses digitale Wort einem analogen Zielwert entspricht. Das Speichern des analogen Zielwertes kann, wie bereits erwähnt, beispielsweise durch das Aufladen eines Kondensators mit der analogen Spannung am DAUAusgang erfolgen. Nun kann die Einschwingzeit von einem DAUSpannungswert zu dem zuvor gespeicherten Zielwert erfolgen, wobei ein digitales Signal signaliert, wann die Differenz zwischen dem analogen Signal und dem gespeicherten analogen Zielwert kleiner der Einschwingtoleranz ist. Das digital auswertbare Signal besteht im einfachsten Fall aus dem Zustand 0 oder 1 eines digitalen Prüfanschlusses.
Die eigentliche Messung der Einschwingzeit erfolgt erfindungsgemäss ausschliesslich digital, wobei die Einschwingzeit der Zeit zwischen dem Anlegen des digitalen Wortes an den Eingang des Digital-Analog-Umsetzers und der Generierung des digital auswertbaren Signals entspricht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles des Digital-Analog-Umsetzers erläutert. In dieser zeigt Figur 1 ein Block-Schaltbild des Digital-Analog-Umsetzers mit integrierter Prüfschaltung und Figur 2 die Zustände der einzelnen Anschlüsse.
In Figur 1 ist ein Digital-Analog-Umsetzer 1 mit nachgeschaltetem Operationsverstärker 2 dargestellt. Der digitale Eingang des Digital-Analog-Umsetzers 1 ist mit 3 bezeichnet. Der analoge Ausgang des Digital-Analog-Umsetzers ist mit 4 bezeichnet, wobei ein Komparator 5 über einen Schalter 6 mit dem Ausgang 4 verbunden ist. Der Komparator 5 weist einen Anschluss 7 für einen Kondensator 8 auf, welcher "on-chip" angeordnet is1 :..
Der Anschluss 7 kann jedoch, wie strichliert dargestellt, über
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sein. weiters ist ein Schalter 10 vorgesehen, über welchen der Kondensator 8 bzw. 8'mit dem analogen Ausgang 4 des DigitalAnalog-Umsetzers verbunden werden kann. Der digitale Prüfanschluss des Komparators 5 ist mit 11 bezeichnet. Wie strichliert
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angedeutet, können weitere Umsetzerstufen 1', 2'vorgesehen sein, welche über einen Schalter 6'mit dem Komparator 5 und der gesamten Prüfschaltung verbindbar sind.
Zur Messung der Einschwingzeit des Digital-Analog-Umsetzers kann folgendermassen vorgegangen werden : Zunächst wird an den zu testenden Digital-Analog-Wandler ein digitales Wort angelegt, welches einer analogen Zielspannung entspricht. Um die vom DAU ausgegebene Zielspannung als Referenzspannung zu speichern, wird der Schalter 6 sowie der Schalter 10 geschlossen und damit diese Spannung im Kondensator 8 gespeichert, worauf der Schalter 10 geöffnet wird. Die einzelnen Schaltzustände sind in Figur 2 näher dargestellt, wobei im Bereich 12 der am digitalen Anschluss 3 anliegende digitale Code, im Bereich 13 die Spannung am analogen Ausgang 4, im Bereich 14 der Zustand des Schalters 10 und im Bereich 15 der Zustand des digitalen Prüfanschlusses 11 ersichtlich ist.
Im ersten zeitlichen Abschnitt 16 des Prüfverfahrens wird, wie bereits erwähnt, der Kondensator 8 mit der Referenzspannung geladen, worauf der Schalter 10 geöffnet wird, wie durch die Stufe 17 dargestellt. Dadurch bleibt die Referenzspannung im Kondensator 8 gespeichert. Im darauf folgenden Zeitbereich 18 liegt am digitalen Anschluss 3 ein anderer digitaler Code an, sodass sich auch die Spannung am Anschluss 4 ändert. Der Prüfanschluss 11 nimmt dadurch einen anderen Schaltzustand an, da die Differenz zwischen der im Kondensator 8 gespeicherten Spannung und der Spannung am analogen Ausgang 4 grösser als die Einschwingtoleranz ist. Zum Zeitpunkt 19 beginnt nun der eigentliche Messvorgang.
An den digitalen Anschluss 3 des DigitalAnalog-Umsetzers 1 wird wieder der ursprüngliche digitale Zielcode angelegt, worauf sich die Ausgangsspannung des DAU 1 nach einer gewissen Zeit, welche durch die Flanke 20 gekennzeichnet ist, auf den analogen Zielwert einschwingt. Die entsprechende Einschwingzeit ist mit 21 gekennzeichnet. Während der Einschwingzeit vergleicht der Komparator 5 die Differenz zwischen der in Kondensator 8 gespeicherten Referenzspannung und der Spannung am analogen Ausgang 4, und sobald diese Differenz kleiner als die Einschwingtoleranz ist, wird der Schaltzustand des digitalen Prüfanschlusses 11, wie durch die Stufe 22 dar-
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gestellt, geändert. Dadurch erkennt ein externes Messgerät, dass die Spannung am Ausgang 4 die Zielspannung erreicht hat und der Einschwingvorgang abgeschlossen ist.
Insgesamt ist der Digital-Analog-Umsetzer somit mit einer Prüfschaltung ausgestattet, welche es auf einfache Art und Weise zulässt, die Einschwingzeit vollständig digital zu messen und somit auch Einschwingzeiten zuverlässig zu messen, welche sich im Bereich von einigen Nanosekunden bewegen. Die gesamte Prüfschaltung befindet sich'Ion-chip", und es kann dadurch in zuverlässiger Weise die Messung bereits während des Produktionsprozesses vorgenommen werden, um die DA-Umsetzer, welche nicht den geforderten Werten für die Einschwingzeit entsprechen, sofort aus der Produktionsstrasse zu entfernen.