CS258602B1 - Digital-to-analog converter with current mirrors - Google Patents

Description

ČESKOSLOVENSKÁ SOCIALISTICKÁ REPUBLIKA POPIS VYNÁLEZU 258602 (11) (BIÍ (18) K AUTORSKÉMU QSVEĎČEHU si (22) Přihlášené 22 06 83(21) (PV 4560-83) (51) Int. Cl.4 H 03 M 1/00 (40) Zverejnené 17 12 87 6RAD PRO VYNÁLEZY A OBJEVY (45) Vydané 15 03 89 175}

Autor vynálezu ŠTOFKA MARIÁN ing. CSc., BRATISLAVA (94) Číslicovo-analógový převodník s prúdovými zrkadlami 1

Vynálezom sa rieši zapojenis číslicovo-a-nalógového prevodníka s prúdovými zrkad-lami, v ktorom sa váhový príspevok každé-ho jednobitového vstupu, k analogovému vý-stupu určuje len bipolářnymi tranzístormi. V doteraz známých zapojeniach číslicó-vo-analogových prevodníkov sa váhový prí-spevok jednobitových vsťupov určuje vý-lučné bipolářnymi tranzístormi len privstupných miestach s najmenšou váhou —-obvykle pri 4 miestach. Je to dané tým, žebipolárne tranzistory v týchto vstupnýchmiestach sú zapojené sko dělič průdu, priktorom sa dosahuje relativné nízká přesnostdelenia, vyplývajúca z konečnej hodnotyprúdového zosilňovacieho činitela bipolár-neho tranzistora. Pri jednobitových mies-tach s váčšou váhou v týchto prevodníkochsa váhový príspevok určuje najmenej jed-ným relativné přesným rezistorom. Na vy-tvorenie týchto rezistorov v monolitickýchčíslicovo-analógových prevodníkoch je všakpotřebná vačšia plocha polovodičového sub-strátu a tým sa zvyšuje aj cena prevodníka.

Pri doteraz známom číslicovo-analógovompřevodníku s prúdovými zrkadlami, v kto-rom sa prúdové zrkadlá využívají! v bito-vých miestach s najvačšou váhou, sa na vy-tvorenie dvojíc susedných bitových miestvyužívá princip dynamického ustredňovania 2 prúdov vo viacerých (4) paralelných vet-vách. Z toho vyplývá relativné velká obvo-dová zložitosť prevodníka. Ďalej pri každombitovom mieste tohto prevodníka sa využí-vajú dva přesné rezistory. Z obvodovej zlo-žitosti a z použitia přesných monolitickýchrezistorov, ktoré vyžadujú relativné velkúplochu polovodičového substrátu — vyplý-vá relativné velká celková plocha polovodi-čového substrátu monolitického prevodníkaa tým aj jeho vysoká cena. Princip dyna-mického ustredňovania prúdov vyžaduje na-vlec použitie filtračných kapacitorov s re-lativné velkou kapacitanciou — aspoň prspolovicu bitových miest s vačšou váhou vpřevodníku. Tým sa zvyšujú nároky na zabe-raný priestor, náročnost' montáže a celko-vá cenu číslicovo-analogového prevodníka.

Podstata číslicovo-analógového prevodní-ka s prúdovými zrkadlami obsahu jú čeho nstatických prúdových zrkadiel, pričom hlav-ně výstupy prúdových zrkadiel sú spojenés analógovými vstupmi logicky riadeného a-nalógového súčtového obvodu, ktorý má nriadiacich vstupov podlá tohto vynálezuspočívá v tom, že n prúdových zrkadiel jezapojených do kaskády tak, že vstup prvé-ho prúdového zrkadla je spojený s prvouvstupnou svorkou a jeho súčtový výstup jespojený so vstupom druhého prúdového zr- 258602 258602 kadla a postupné až so vstupom n-tého prú-dového zrkadla. Súčtový výstup n-tého prú-dového zrkadla je spojený s druhou vstup-nou svorkou. Výstup logicky riadeného a-nalógového súčtového obvodu je spojený sovstupom prevodníka napaťovej úrovně. Vý-stup prevodníka napaťovej úrovně je spoje-ný s výstupnou svorkou. Prúdové zrkadlámajú prúdové zosilnenie 1 t. j. prúd hlavné-ho výstupu každého prúdového zrkadla márovnakú hodnotu ako jeho vstupný prúd.

Hlavná výhoda zapojenia číslicovo-analó-gového prevodníka s prúdovými zrkadlamipodlá tohto vynálezu spočívá v tom, že jerealizované len s bipolárnymi tranzistormia tým sú pri jeho monolitickej realizácii zní-Žené nároky na velkosť polovodičového sub-strátu.

Na výkresoch je na obr. 1 uvedené zá-kladné zápoje,nie číslicovo-analógového pre-vodníka s prúdovými zrkadlami podlá vyná-lezu, na obr. 2 je příklad zapojenia tohtoprevodníka s diódovým logicky riadenýmsúčtovým obvodom, na obr. 3 je iné zapo-jenie tohto prevodníka s logicky riadenýmsúčtovým obvodom s využitím diferenciál-nych tranzistorových stupňov a na obr. 4I = b0 . Io + 2bil„ + 4b2Í0 + . kde bk_i je dvojhodnotová premenná s hod-notami 0 a 1. bk_i má hodnotu podl'a logic-kého stavu na zodpovedajúcom logickomriadiacom vstupe súčtového obvodu. I„ je re-ferenčný prúd. Číslicový vstupný údaj v bi-nárnom kóde (b0, bi . . . bn_ij, kde b„ je bits najmenšou váhou, sa prevádza na velkosťprúdu I podlá vzťahu (1).

Prúdy z hlavných výstupov prúdových zr-kadiel 11 až ln sa spínajú v logicky riade-nom analógovom sůčtovom obvode 2 do je-ho výstupu podlá vzťahu (1) kde Io je refe-renčný prúd tečúci do vstupu prúdového zr-kadla 11 a b0 až bn_j sú hodnoty logickýchsignálov na svorkách Bi až Bn. Na jednu zovstupných svoriek Io, U_ sa připojuje zdrojnapátia a na druhů z týchto svoriek sa při-pojuje zdroj prúdu. Orientácia vstupov avýstupov prúdových zrkadiel 11 až 1„ na o-brázku 1, 2, 3 je zhodná s orientáciou naobr. 4. Prevodníkom napaťovej úrovně 3 saumožňuje dosiahnutie róznych napáťovýchúrovní na výstupnej svorke I.

Na obr. 2 sú katódy diód 211, 212 v pr-vej dvojici diód 211, 212 spojené s hlavnýmvýstupom prvého prúdového zrkadla 11 apostupné až katódy diód 2nl, 2n2 v n-tejdvojici diód 2nl, 2n2 sú spojené s hlavným 4 je zapojenie Wilsonovho prúdového zrkad-la.

Prúdové zrkadlá 11 až ln sú na obr. 1 za-pojené do kaskády 1 tak, že vstup prvéhoprúdového zrkadla 11 je spojený s prvouvstupnou svorkou Io, jeho súčtový výstup jespojený so vstupom druhého prúdového zr-kadla 12 až postupné so vstupom n-téhoprúdového zrkadla ln. Súčtový výstup prú-dového zrkadla ln je spojený s druhouvstupnou svorkou U. Výstup logicky riade-ného analógového súčtového obvodu 2 jespojený so vstupom prevodníka napáťovejúrovně 3. Výstup prevodníka napáťovej ú-rovne 3 je spojený s výstupnou svorkou I.

Zo súčtového výstupu každého prúdové-ho zrkadla preto tečie do vstupu najbliž-šieho prúdového zrkadla v kaskádě dvojná-sobná hodnota prúdu v porovnaní s jehovstupným prúdom. Hodnoty prúdov v hlav-ných výstupoch prúdových zrkadiel sú pre-to odstupňované v pomere mocnin čísla 2.Logickým spínáním výstupných prúdov prú-dových zrkadiel do spoločného bodu v sú-čtovom obvode sa dosahuje, že výstupnýprúd súčtového obvodu má hodnotu: . + 21^¾^ . Io; - (1) výstupom n-tého prúdového zrkadla ln. A-nóda prvej diódy 212 je spojená so vstupnousvorkou Bi až postupné anoda n-tej diódy2n2 je spojená so svorkou Bn. Anódy diód211 až 2nl sú spojené so súčtovým výstu-pom prúdového zrkadla 31, ktorého hlavnývýstup je spojený s výstupnou svorkou I.Vstup prúdového zrkadla 31 je spojený s a-nódou prvku 32 s referenčným napátím, kto-rý může byť realizovaný štvoricou sériovospojených diód zapojených v priepustnomsmere. Katóda prvku 32 s referenčným na-pálím je spojená so svorkou s nulovým po-tenciálem. Medzi anódu prvku s 32 s refe-renčným napátím a napájaciu svorku V+je zapojený prvok 33 s obmedzením prúdu,ktorým móže byť například rezistor. Výstup-né svorky zapojenia sú svorky I a U+.

Na sůčtovom výstupe prúdového zrkadla31 je potenciál : Uc — 4UDr — 2UBE{I}. kde4UDk je napátie na prvku 32 s referenčnýmnapátím; UBE(I) je napátie na priechode bá-za—emitor tranzistorov v prúdovom zrkadle31 pri kolektorovom prúde I. Ak je na svor-ke Bk a tým aj na anóde diódy 2k2 riadia-ce napátie s vysokou úrovňou; pričom pred-písaná hodnota tohto napátia je: je dióda 2kl nevodívá a príspevok ku prúdutečúcemu zo súčtového výstupu prúdovéhozrkadla 31 je nulový. Výstupný prúd prúdo-vého výstupu prúdového zrkadla 31 je nulo-vý. Výstupný prúd prúdového zrkadla lk . c) + UDÍ2"-1 . Iomin) tečie cez vodivú diódu 2k2 z riadiacej svor- ky Bk. Ak je na anóde diódy 2k2 riadiace napátie s nízkou úrovňou; pričom predpí- saná hodnota tohto napátia je:

Claims (4)

258B02 5 6 UL ž 4Udr - 2Ube [ - · (2n - 1) Iomax] - UD(2n_1 . Iomax) c + 1 je dioda 2k2 nevodivá a výstupný prúd prú-dového zrkadla Ik tvoří príspevok ku prú-du tečúcemu zo súčtového výstupu prúdo-vého zrkadla 31 . c je prúdový přenos t. j.poměr prúdu hlavného výstupu a vstupné-ho prúdu prúdového zrkadla 31. c može maťaj ínú hodnotu než 1. UD je napatie na diódev priepustnom smere. Ion)in, Iomnx sú krajnéhodnoty referenčného prúdu Io tečúceho dovstupu prúdového zrkadla 11. Výsledkem jelogické riadenie toku prúdu hlavného vý-stupu prúdového zrkadla Ik cez súčtový vý-stup prúdového zrkadla 31. Medzi výstupný-mi svorkami I a U+ potom tečie prúdc + 1 ---. I, kde prúd I je určený vzťahom (1). Predpísané hodnoty úrovní napatia nasvorkách Bi až Bn vyplývajú z předpokladu,že na nevodívej dióde je nulové napatie, a-lebo napatie v závernom smere. Na obr. 3 je hlavný výstup prvého prúdo-vého zrkadla 11 spojený s napájecím vstu-pom prvého diferenciálneho stupňa 21 ažhlavný výstup n-tého prúdového zrkadla lnje spojený s napájacím vstupom n-tého di-ferenciálneho stupňa 2n. Prvý vstup prvéhodiferenciálneho stupňa 21 je spojený sosvorkou Bi až prvý vstup n-tého diferenciál-neho stupňa 2n je spojený so svorkou Bn. Druhé vstupy diferenciálnych stupňov 21až 2n sú spojené s anodou prvku 31 s refe-renčným napátím. Prvé výstupy diferenciál-nych stupňov 21 až 2n sú spojené s prvouvýstupnou svorkou I+ a druhé výstupy di-ferenciálnych stupňov sú spojené s druhouvýstupnou svorkou I_. Ak je na svorke Bk riadiace napatie s vy-sokou úrovňou, prúd hlavného výstupu prú-dového zrkadla lk tečie cez prvý výstup di-ferenciálneho stupňa 2k zo svorky I+. Akje na svorke Bk riadiace napatie s nízkouúrovňou, prúd hlavného výstupu prúdové-ho zrkadla lk tečie cez druhý výstup dife-renciálneho stupňa 2k zo svorky I_. Přitomk = 1, 2, . . . n. Medzi svorkami 1+ a U+ te-čie prúd I, určený vzťahom (1) a medzisvorkami I_ a U+ tečie doplnok prúdu I dohodnoty (2" — 1) . Io. Číslicovo-analógový převodník podl'a vy-nálezu možno použiť na automatickú korek-ciu chýb prvkov analógovej techniky — zo-silňovačov a číslicovo-analógových prevod-níkov s relativné vačšou presnosťou. Pře-vodník přitom može byť súčasťou monolitic-kého integrovaného obvodu, predstavujúce-ho tento prvok. Zapojenie je možné využiťaj ako programovatelný prúdový zosilňovač. PREDMET

1. Číslicovo-analógový převodník s prú-dovými zrkadlami, obsahujúci n statickýchprúdových zrkadiel, pričom hlavně výstupyprvého až n-tého prúdového zrkadla sú spo-jené s analogovými vstupmi logicky riade-ného analogového súčtového obvodu, ktorýmá n riadiacich svoriek, vyznačujúci sa tým,že n prúdových zrkadiel je zapojených dokaskády (1), pričom vstup prvého prúdové-ho zrkadla (11) je spojený s prvou vstupnousvorkou (Io), zatial' čo jeho súčtový výstupje spojený so vstupom druhého prúdovéhozrkadla (12) až jeho hlavný výstup je spo-jený až so vstupom n-tého prúdového zrkad-la (ln), kde jeho súčtový výstup je spojenýs druhou vstupnou svorkou (U_) a že vý-stup logicky riadeného analogového súčto-vého obvodu (2) je spojený so vstupom pre-vodníka napaťovej úrovně (3), ktorého vý-stup je spojený s výstupnou svorkou (I).

2. Číslicovo-analógový převodník s prú-dovými zrkadlami podfa bodu 1, vyznačenýtým, že katody diod (211, 212) v prvej dvo-jici diod (211, 212) sú spojené s hlavnýmvýstupom prvého prúdového zrkadla (11) ažkatody diod (2nl, 2n2) v n-tej dvojici diod(2nl, 2n2) sú spojené s hlavným výstupomn-tého prúdového zrkadla (ln), pričom a-nóda prvej diódy (212) je spojená s prvousvorkou (Bi), až anóda n-tej diódy (2n2) je VYNALEZU spojená s n-tou svorkou (Bn), zatial' čo ano-dy diod (211 až 2nl) sú spojené so súčto-vým výstupom prúdového zrkadla (31), kto-rého hlavný výstup je spojený s výstupnousvorkou (I) a ktorého vstup je spojený s a-nódou prvku (32) s referenčným napatím,ktorého katóda je spojená so svorkou s nu-lovým potenciálom, pričom medzi vstup prú-dového zrkadla (31) a napájaciu svorku(U+) je zapojený prvok (33) s obmedzenímprúdu.

3. Číslicovo-analógový převodník s prú-dovými zrkadlami podl'a bodu 1, vyznačenýtým, že hlavný výstup prvého prúdovéhozrkadla (11) je spojený s napájacím vstu-pom prvého diferenciálneho stupňa (21) ažhlavný výstup n-tého prúdového zrkadla(ln) je spojený s napájacím vstupom n-té-ho diferenciálneho stupňa (2n), že prvývstup prvého diferenciálneho stupňa (21) jespojený s prvou svorkou (Bi) až prvý vstupn-tého diferenciálneho stupňa (2n) je spo-jený s n-tou svorkou (Bn), zatial' čo druhévstupy diferenciálnych stupňov (21 až 2n)sú spojené s anodou prvku (31) s referenč-ným napatím, pričom prvé výstupy diferen-ciálnych stupňov (21 až 2n) sú spojené sprvou výstupnou svorkou (1+), zatial' čo ichdruhé výstupy sú spojené s druhou výstup-nou svorkou (I_).

4 listy výkresov