DD146730A1

DD146730A1 - Monolithisch integrierte logarithmierschaltung

Info

Publication number: DD146730A1
Application number: DD21637179A
Authority: DD
Inventors: Rainer Dahlmann; Hans-Juergen Hillemann; Klaus Juettner; Florian Kugler; Hans-Werner Mittenentzwei
Original assignee: Rainer Dahlmann; Hillemann Hans Juergen; Klaus Juettner; Florian Kugler; Mittenentzwei Hans Werner
Priority date: 1979-10-22
Filing date: 1979-10-22
Publication date: 1981-02-25

Abstract

Monolithisch . integriete Logarrithmierschaltungen fuer A/D-Wandler enthalten einen Temperaturgang des logarithmierten Eingangssignals. Diese lineare Temperaturabhaengigkeit wird erfindungsgemaesz dadurch kompensiert, dasz in die Logarithmierschaltung eine Spannungsquelle einbezogen wird, die eine gleichartige lineare Temperaturabhaengigkeit aufweistund die Referenzspannung fuer den A/D-Wandler liefert.

Description

2U37I -

A-

Stahnsdorf, den 5. 10· 1979

Dipl.-Ing. Rainer Dahlmann

1532 Kleinmachnow, Graue Weiden 7

Dipl.-Phys. Hans-Jürgen Hillemann 153'Teltow, Spreestraße 3 b

Ing. Klans Jüttner

153 Teltow, Ernst-Thälmann-Str. 93 c

Dipl.-Phys. Florian Kugler

153 Teltow, Ernst-Thälmann-Str. 91 b

Dr. rer. nat. Hans-Werner Mittenentswei 1532 Kleinmachnow, Am Weinberg 7

Zustellungsbevollmächtigter:

VEB Gleichrichterwerk Stahnsdorf im VEB Kombinat Mikroelektronik Zentrale Patentabteilung 1533 Stahnsdorf, Ruhlsdorfer Weg

Monolithisch integrierte Logarithmierschaltung Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine monolithisch integrierte Logarithmierschaltung für einen A/D-Wandler mit Referenzspannung zur Umwandlung analoger elektrischer Signale in digitale elektrische Signale, die eine logarithmische Funktion des Eingangssignals darstellen

Wandler dieser Art werden dort eingesetzt, wo über mehrere Dekaden veränderliche Eingangssignale logarithmisch komprimiert und in digitaler Form verarbeitet werden sollen, beispielsweise für die Auswertung von Helligkeitsinformationen bei Belichtungsmessern und automatischen Fotokameras.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Analog-Digitalwandler zur Umwandlung analoger Eingangssignale in digitale Signale zur Helligkeitsmessung sind bekannt (DE-OS 2 810 300)· Sie enthalten entsprechend Fig· 1 einen Impulsgenerator G, ein Zählwerk Z, das die im Impulsgenerator erzeugten Impulse zählt, einen Digital-Analogumsetzer U, der den Zählerstand ζ in eine ihm proportionale Rückführungsspannung U-n umwandelt und einen Komparator K, der die Rückführungsspannung mit dem eingegebenen Signal Urr- vergleicht«,

Bei Gleichheit von U_R und Ug stoppt der Komparator den Zählvorgang,und der erreichte Zählerstand ist eine dem Eingangssignal entsprechende digitale Größe und kann angezeigt oder zur Steuerung weiterer Vorgänge genutzt werden.

Zur Einstellung der Rückführungsspannung benötigen diese

Wandler eine Referenzspannung Uf entsprechend der Beziehung

U_R = C · ζ . U_ref (Gl. 1)

(C ist eine für den jeweiligen Wandler spezifische Konstante.)

Soll eine logarithmische Funktion der Eingangsgröße U in ein Digitalsignal umgewandelt werden, ist der beschriebenen Anordnung ein Logarithmierer vorgeschaltet« Als Log- · arithmierer dient ein Operationsverstärker OY^, in dessen

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Gegenkoppluiigszweig ein Element mit exponentieller Stromspannungkennlinie , z. B. eine Diode, geschaltet ist. Eine weitere entgegengesetzt eingeschaltete Diode eliminiert den Tempera tür gang, so'weit er vom Sperrsättigungsstrom der Diode D,- verursacht wird.

Diese Eingangsschaltung hat den Nachteil, daß die logarithmische Spannung immer noch temperaturabhängig ist, ein Mangel, der die Genauigkeit und Empfindlichkeit der Schaltungsanordnung herabsetzt· Es handelt sich um eine lineare Temperaturabhängigkeit der Ausgangsspannung

π · 23fl kT , _fr ^R1 ^I2

^uk = τ^{ln (I}

Darin bedeuten R_x, _o _o, R-a Widerstände in der Logarithmierschaltung, k die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur, q die Elementarladung, I„ ein Konstantstrom zur Einstellung der Arbeitsspannungen der Dioden mit den Sperrsättigungsströmen I^ und I₂. Die bekannten technischen Lösungen zur Beseitigung dieser Temperaturabhängigkeit bestehen in der Ausstattung des Operationsverstärkers OV₂ mit einem ebenfalls linearen Temperaturkoeffizienten der Verstärkung. Sie erfolgt mit Hilfe des in der Schaltung dargestellten temperaturabhängigen Widerstandes R$ · Diese Lösung beinhaltet aber die Schwierigkeit, temperaturabhängige Widerstände mit einem bestimm-?- ten Temperaturkoeffizienten auszuwählen oder bei Streuungen der Temperaturkoeffizienten solcher Widerstände die Verstärkung des Operationsverstärkers durch geeignete Wahl von R₂ und R^ vorzugeben. Das behindert aber die Integration der Logarithmierschaltung und schließt die Einbeziehung des Widerstandes R^ in eine Festkörperschaltung aus, und die gemeinsame Herstellung aller Schal tungselemente mit Mitteln der bipolaren Epitaxie-Planartechnik ist nicht möglich.

andere Möglichkeit ist die Temperaturkompensation der Gesamtschaltung durch die Einführung einer zusätzlichen temperaturabhängigen Spannung am Eingang des im Logarithmierer verwendeten Operationsverstärkers (DE-OS 2 420 429), deren Temperaturkoeffizient veränderbar ist und über einen bestimmten Temperaturbereich so abgeglichen werden kann, daß die Ausgangsspannung nur wenig von der Temperatur abhängt.

Der Nachteil dieser Schaltung liegt vor allem darin, daß für jedes Exemplar einer solchen Anordnung ein gesonderter Abgleich des Temperaturkoeffizienten der Hilfsspanrmng mit Hilfe eines nicht monolithisch integrierbaren veränderlichen Widerstandes erforderlich wird, was sehr zeitraubend ist.

Eine weitere Lösung des Problems wird in der DE-OS 2 552 dargestellt. Eine Temperaturkompensation wird danach durch einen ebenfalls temperaturabhängigen Zusatzstrom erreicht, der von einem Transistorverstärker erzeugt wird und der zusätzlich in ein Widerstandsnetzwerk am Ausgang des Operationsverstärkers eingespeist wird, an das auch das logarithmierende Bauelement mit der exponentiellen Strom-Spannungs-Quelle angeschlossen ist. Auch bei dieser Schaltung muß zur Einstellung des gewünschten Temperaturkoeffizienten der zusätzlich eingespeiste Strom durch einen Widerstand, den hochohmigen Basiswiderstand der Transistorschaltung, abgeglichen werden, was bei monolithisch integrierten Schaltungen nur mit einem zusätzlichen externen Widerstand möglich ist·

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, ein-e integrierte Logarithmierschaltung für A/D-Wandler mit den Mitteln der bipolaren Epitaxie-Planartechnik herzustellen, alle Schaltungs-

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elemente in die monolithisch, integrierte Schaltung einzubeziehen, externe temperaturabhängige Widerstände zu vermeiden und die 'Genauigkeit und Empfindlichkeit von Analog-Digital-Wandlern zu erhöhen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Schaltung für einen A/D-Wandler anzugeben, die eine analoge Eingangsgröße logarithmiert, die dabei auftretenden Temperatureinflüsse vollständig kompensiert und monolithisch integrierbar ist·

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß für die Erzeugung der Referenzspannung des A/D-Wandlers eine integrierte Schaltung vorgesehen wird, die die gleiche lineare Temperaturabhängigkeit wie die Logarithmierschaltung hat und die durch gemeinsame Anordnung mit der Logarithmierschaltung auf einem Halbleitersubstrat gleichen Temperaturgängen ausgesetzt wird.

Damit wird die Temperaturabhängigkeit des bei der Logarithmierung entstehenden Analogsignals durch eine identische lineare Temperaturabhängigkeit des aus der Referenzspannung im A/D-Wandler gewonnenen Rückführsignals kompensiert und die Anwendung von korrigierenden Widerständen mit definiertem Temperaturkoeffizienten entfällt. Für den Betrieb des Logarithmierers zusammen mit einem A/D-Wandler, der einen statischen D/A-Wandler enthält, wobei ein. Referenz strom benötigt wird, muß dann entsprechend ein Referenzstrom gewonnen werden, der der absoluten Temperatur proportional ist. ·

Die erfindungsgeinäß monolithisch integrierte Schaltungsan-Ordnung enthält auf einem gemeinsamen Halbleiterkörper den logarithmierer 1 und die Quelle für die linear von der absoluten Temperatur abhängige Referenzspannung 2 (Fig. 2).

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Zum Logarithmierer gehören die Operationsverstärker ^ OVp und die Dioden D^, D₂, von denen D^ den Gegenkopplungszweig mit exponentieller Strom-Spannungskennlinie bildet und D₂ den Temperaturgang des Sperrsättigungsstromes von D^ korrigiert· Für den Aufbau der temperaturproportionalen Spannungsquelle wird von der prinzipiell bekannten Lösung ausgegangen, die Differenz zweier Diodenflußspannungen, die sich bei unterschiedlichen Flußstromdichten an den Dioden D-, D,. einstellt, mit einem Operationsverstärker OV-, zu verstärken.

Eine temperaturkonstante Bezugsspannung Uq wird mit Hilfe des Transistors T,- und des Widerstandes R^₀ in einen ebenfalls von der Temperatur bereits weitgehend, unabhängigen Strom Ic umgewandelt. Der Strom Ij- wird in der aus T^, T T-, T₂, bestehenden Stromspiegelschaltung gespiegelt und dient zur Speisung der Dioden D~ und D^. Infolge der unterschiedlichen Emitterflächen der Dioden (D₂. hat z· B. die siebenfache Fläche A₂, gegenüber D- mit der Fläche A~ ist die über D^ entstehende Flußspannung ü, kleiner als TJ-. Die so entstehende Spannungsdifferenz

U₃ U₄ » ψ In (^ . ^i) (Gl. 3)

ist der absoluten Temperatur proportional und wird im Operationsverstärker OV- auf die gewünschte Spannungsgröße U_ref = C* iji verstärkt.

Die Ströme I^ und I^ werden dabei so hoch gewählt, daß die über Rg und R^ abfließenden Ströme dagegen vernachlässigbar klein sind.

Um einen gleichartigen Temperatürgang der temperaturempfindlichen Schaltungselemente D,,, D₂, D-,-D^, zu erreichen, sind die Dioden benachbart auf einem Chip anzuordnen. Die einem A/D-Wandler zuzuführende Referenzspannung U -> hat

3? w X

dann einen identischen Temperaturgang wie das logarithmier te Signal U^ und kompensiert damit Temperatureinflüsse·

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Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels erläutert:

Pig· 3 zeigt einen Logarithmierer 1 und eine erfindungsgemäß auf demselben Halbleiterkörper angeordnete Referenzspannungsquelle 2· Diese Anordnung kann beispielsweise als Schaltungsteil in einer elektronisch gesteuerten automatischen Fotokamera eingesetzt werden, um den von einer Fotodiode FD gelieferten, der Beleuchtungsstärke proportionalen Fotostrom in eine Spannung umzusetzen, die eine logarithmische Funktion des Fotostromes ist und die in einem Analog-Digital-Wandler weiterverarbeitet werden soll, um beispielsweise die Belichtungszeit oder den Blendenwert der Kamera in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke zu steuern·

Der Logarithmierer 1 setzt sich zusammen aus einem Logarithmierverstärker, der aus dem Operationsverstärker OV^ und einem Gegenkopplungsglied Tg zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers OVu und seinem invertierenden Eingang besteht, aus einem in gleicher Weise geschalteten Logarithmierverstärker OVc mit Tr₇ und aus einem als Differenzver-'stärker geschalteten Operationsverstärker OVg, an dessen Differenzeingang die beiden Ausgangsspannungen der oben genannten Logarithmierverstärker angelegt werden· Als Gegenkopplungsglieder können auch Dioden dienen, jedoch zeigen Transistoren eine exakt exponentielle Strom-Spannungs-Kennlinie bis zu wesentlich kleineren Kollektorströmen·

Die Referenzspannungsquelle 2 besteht aus einem Operationsverstärker OY-, an dessen beiden Eingängen zwei in Diodenschaltung betriebene Transistoren D,. und D. mit unterschiedlich großen Emitterflächen gegen den negativen Pol der Versorgungsspannung Ug geschaltet sind· Diese Dioden sind mit

den Kollektoren der Ausgangstransistoren T^ und T2 einer als Konstante tr omque He arbeitenden Stromspiegelschaltung verbunden, die aus den Transistoren HL j- und dem Widerstand R^₀ besteht·

Die Logarithmierschaltung arbeitet folgendermaßen:

Der von der Fotodiode FD gelieferte Kurzschluß-Fotostrom I wird im Logarithmierverstarker OV. mit Hilfe von Tg in eine dem Logarithmus des Fotostromes entsprechende Spannung

\* - ^uo - " ^ln τ* <^G1· *>

umgewandelt· Dabei ist Uq eine Konstantspannung, k die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur, q die Elementarladung und L·- der Kollektorreststrom des Transistors Tg.

Der in gleicher Weise aufgebaute Logarithmierverstarker mit OVc und T₁-, liefert dementsprechend eine Ausgangsspannung Uc, für die gilt

^üa5 - ^U0 - ψ ^ln if <^g1· 5)

Dabei ist L·, ein von der Konstantstromquelle Q gelieferter Konstantstrom und I„ der Kollektorreststrom des Transistors T₁-,·

Im Operationsverstärker OV^ werden nun U ., und U- voneinander subtrahiert; daraus folgt

- -yMiD-2 . Jl (Gl. 6)

Λ <ι R S

wobei V die Verstärkung des Operationsverstärkers OVg ist

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Da nun Ig und I₁₇ in gleicher Weise von der Temperatur abhängen und daher auch bei identischen Elementen T₆ und T„ bei gleicher Temperatur exakt gleich werden können, wenn die Elemente T₆ und T₇ auf dem Chip benachbart angeordnet sind, folgt I₆/Io = 1 und daher die Ausgangsspannung

als logarithmische Funktion von I und .direkt proportional

Sr

der absoluten Temperatur,

Im Zusammenhang mit einem Analog-Digital-Umsetzer auf der Basis von Ladungsteilungen wird nun eine Referenzspannung benötigt, die erfindungsgemäß ebenfalls der absoluten Temperatur proportional ist und mit Hilfe des Schaltungsteiles 2 (Pig. 3) erzeugt wird, der sich erfindungsgemäß auf demselben Halbleiterkörper befindet wie der Logarithmierer 1·

Die Schaltung arbeitet wie folgt:

Durch den Transistor T^ fließt ein Kollektorstrom, der durch die von der Tempe-ratur und von der Betriebsspannung unabhängige Spannung Uq und den Widerstand R^₀ bestimmt wird· Dabei wird bekanntermaßen zweckmäßig U_Q und R^₀ so gewählt, daß sich die Temperaturkoeffizienten des Widerstandes R^q und der Emitter-Basis-Kennlinie des Transistors Tr im Arbeitspunkt möglichst gut kompensieren, so daß der Kollektorstrom von T,- möglichst wenig temperaturabhängig ist. Mit der an sich bekannten Stromspiegelschaltung, die aus T^ ,- besteht, v/erden nun zwei gleiche Konstantströme I^ als Kollektorströme der Transistoren T^ und T₂ erzeugt, die zur Speisung der Dioden D-, und D. dienen« Dabei ist dafür zu sorgen, daß die durch R₆, Rn bzw· Rg, Rg abfließenden Ströme hinreichend klein gegen I_K bleiben, was durch Wahl der Widerstände R₆ ~ so

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weit möglich ist, wie der Eingangsstrom des Operationsverstärkers wiederum klein gegen die durch R^-, Rr, bzw· Rg, R^ fließenden Ströme bleibt, andererseits durch die Wahl eines hinreichend großen Stromes-L, erreicht werden kann·

Die Dioden D- und D₄ besitzen nun unterschiedlich große Emitterflächen A~ und A₄, daher unterschiedlich große Sperrsättigungsströme D- und D₄ und die an ihnen durch den Strom hervorgerufenen Flußspannungen sind daher ebenfalls unterschiedlich

_TT kT - ¹K _TT kT - ¹K _fri a\ ^U3 ^s T ^ln T^ ^; \ = T ^ln Tl · ^(G1· ⁸⁾

Die Differenz beider Flußspannungen ist

; (Gl. 9)

Die Sperrsättigungsströme sind bei gleichartigen Dioden mit unterschiedlichen Emitterflächen bei gleicher Temperatur der Dioden den Flächen direkt proportional, d· h es gilt

A = -τ-* . (Gl. 10)

Dieses Verhältnis ist aber nun temperaturunabhängig und damit die Differenzspannung

^u = ^lnf

der absoluten Temperatur direkt proportional.

Beispielsweise für A₄ = 7 · A^, dann wird 11^^50 mV bei Zimmertemperatur· Die Spannungsdifferenz ü^ wird in dem als Differenzverstärker geschalteten Operationsverstärker OV^ auf die für den A/D-Wandler gewünschte Größe

^üref = ^c · ψ

verstärkt.

Um nun tatsächlich für Ug. und Uf. den gleichen Temperaturgang zu haben, muß dafür gesorgt werden, daß die den Temperaturgang he stimmenden Elemente D~, D^, T,-, T„ möglichst eng benachbart auf demselben Kristall angeordnet sind, weil bereits kleine Temperaturunterschiede wegen der überwiegend exponentiellen Temperaturabhängigkeit der Sättigungsströme bzw· Restströme die oben vorausgesetzten Randbedingungen verletzen würden· Außerdem müssen zur Vermeidung von Abweichungen vom gewünschten Temperaturverlauf die Widerstände R₆ und R_g sowie R₇ und R^ jeweils möglichst gut in ihren Werten übereinstimmen·

Claims

— 12 — Erfindungsanspruch

1. Monolithisch integrierte Logarithmierschaltung für einen A/D-Wandler mit Referenzspannung, dadurch gekennzeichnet, daß die Logarithmierschaltung einen Logarithmierer (1.) und eine auf demselben Halbleiterkörper angeordnete linear temperaturabhängige Spannungsquelle (2) für die Referenzspannung des A/D-Wandlers enthält·

2· Monolithisch integrierte Logarithmierschaltung für einen A/D-Wandler mit Referenzstrom, dadurch gekennzeichnet, daß die Logarithmierschaltung einen Logarithmierer und eine auf demselben Halbleiterkörper angeordnete linear temperaturabhängige Stromquelle für den Referenzstrom des A/D-?/andlers enthält.

3· Logarithmierschaltung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Logarithmierelemente des Logarithmierers (D^, D₂) und der Spannungsquelle (D~, D.) gemeinsam mit dem Wärmekontakt auf einem Halbleiterkörper angeordnet sind·

4·. Logarithmierschaltung nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Logarithmierschaltung in Aufbereitungsschaltungen für 'Eingabeinformationen von elektronisch gesteuerten Fotokameras verwendet wird.

Hierzu^ J:.....Seiteo Zeichnunoen