DE1762972A1

DE1762972A1 - Steuerbare Spannungs-Stromquelle

Info

Publication number: DE1762972A1
Application number: DE19681762972
Authority: DE
Inventors: Basham Garry R
Original assignee: Litton Industries Inc
Current assignee: Litton Industries Inc
Priority date: 1967-03-06
Filing date: 1968-02-24
Publication date: 1970-06-25
Also published as: GB1196186A; DE1762972B2; GB1196185A; NL6803165A; FR1554377A; DE1537966A1; US3541354A

Description

Litton Industries,Inc., 39o North Alpine Drive, Beverly Hills,

California 9o2l3 , USA

Steuerbare Spannungs-Stromquelle

Die Frfird'jng bezieht sich auf eine steuerbare ik-_;--i-r.-'rjf-Stromquelle zur Erzielung eines konstanten Belastung:?.= ! romeς an einer B-lastung zwischen einem Klemmenpaar, mit einer Bezucprpanmmgfiguelle in Reihe mit einer ersten Schaltvorrichtung, die-· zvireben die Klemmen gelegt ist, wobei diese erste Schaltvorrichtung durch ein erstes Eingangssteuersignal steuerbar ist.7 Bei der heute üblichen Schalttechnik ist: es erwünscht, Stromkreise in Miniaturform auf einem Siliziurnkristall herzustellen. Hierbei ist es erforderlich, die einzelnen Komponenten möVj] ichst klein auszuführen und dabei ihre Genauigkeit zu erhalten. In den entsprechenden Stromkreisen werden hierfür Widerstände verhältnismässig geringer Widerstandwerte und Halbleitervorrichtungen

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mit vernachlässigbarer Vorspannung in Stromkreiseteilen verwendet.

Ziel der Erfindung ist es» eine steuerbare Spannungs-Strom quelle zu schaffen« die in Verbindung mit einer bewerteten Stromspannungs-Kette in Form eines Widerstandsnetzwerkes, vorzugsweise zur Umwandlung von digitten Signalen in Analogsignale verwendet wird, um die in der Schalttechnik geforderten Genauigkeiten zu erzielen.

G^rnäss der Erfindung wird eine steuerbare Spannungs-Stromquelle, die einem konstanten Belastungsstrom an eine Last zwischen einem Klemmenpaar al eben kann und die eine Bezugsspannungsquelle in Reihe mit einer ersten Schaltvorrichtung enthält, welche zwischen die Klemmen des Klemmenpaares eingeschaltet ist, vorgeschlagen, die gekennzeichnet ist durch eine zweite Spannungsquelle in Reihe mit einem Strombegrenzungswiderstand und einer zweiten Schaltvorrichtung, die ebenfalls zwischen die Ausgangsklemmen gelegt ist, wobei die zweite Schaltvorrichtung auch in Abhängigkeit von dem ersten Eingangssignal steuerbar ist und die Spannung der zweiten Spannungsquelle und der Widerstandswert des Strombegrenzungswiderstandes so eingestellt sind, dass der gesamte Laststrom in die Ausgangsklemmen abgegeben wird, damit er aus der zweiten

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Spannungsquelle hervorgeht, und durch eine dritte Schaltvorrichtung, die zwischen die Klemmen geschaltet ist und von einem zweiten Eingangssignal gesteuert wird.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform einer Spannungs-Stromqielle für Analog-Digital-Umwandler der angegebenen Art ist eine vierte Schaltvorrichtung so geschaltet, dass sie auf das zweite Eingangssignal anspricht, wodurch der aus der zweiten Spannungsquelle stammende Strom um die zweite Schaltvorrichtung herum an eine der Klemmen geschaltet wird. Im allgemeinen sind die beiden Signale Komplementärsignale und die Schaltvorrichtungen sind Metalloxyd-Silizium-Feldeffekt-Transistoren (üblicherweise MOS FET-Vorrichtungen) genannt.

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In der nachstehenden Beschreibung wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles eines Analog-Digital-Umwandlers erläutert, in welchem ein bewertetes Stromantriebsnetzwerk mit extrem genauen Strom-Spannungsquellen zur Aufnahme der Bits höherer Ordnung des digitalen Signales verwendet wird, und bei dem ein bewertetes Spannungskettennetzwerk zur Aufnahme der Bits niedrigerer Ordnung des Digitalsignales verwendet wird. Somit wird die extreme Genauigkeit des Stromantriebsnetzwerkes mit sehr genauen Strom-SpannungsquelJen und Masstabsänderungswiderständen niedrigen Widerstandswertee bei der Umwandlung von Bits höherer Ordnung verwendet, wo diesa extreme Genauigkeit erforderlich ist. Das Bit niedrigster Ordnung, das durch ein solches bewertetes Stromantriebsnetzwerk aufgenommen wird, wird durch die Widerstandsgrösse und durch die erforderliche Genauigkeit des Widerstandes bestimmt.

Wie oben erwähnt, ist ein bewertetes SpannungsantriebEnotzwerk auch mit dem Eingang des B.triebsverstärkers verbunden und in der Lage, Signale aufzunehmen, die den Bits niedriger Ordnung des digitalen Signal es entsprechen. Das Spannungsantriebsnetzwerk verwendet Widerstände, deren Widerstandswert nicht ansteigt, wenn der Ordnungswert des Bits kleiner wird, Die Antriebsquellen des Spannungsleiternetzwerkes brauchen deshalb, weil nur die Bit« niedrigen Ordnungswertes von dem N tzwerk masstäblich geändert werden, bei der Erzeugung von Antriebssignalen entsprechender Grosse nicht extrem genau zu sein.

Die extrem genaue Strom-Spannungsquelle gemäss vorliegender Erfindung, die zum Antrieb eines jeden der Eingänge in die Stromleiter verwendet wird, kann durch eine Vorrichtung geschaltet werden, z.B. den vorer-*wähnten Metalloxyd-Silizium-Feldeffekttransistor, der nachstehend mit MOS FET-Vorrichtung

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bezeichnet wird. Eine erste MOS FET-Vorrichtung ist in Reihe mit einer Bezugsspannungsquelle geschaltet, die einen Spannungepegel aufweist» der gleich der Spannung ist, die am Ma β sstabsänderungswiderstand geschaltet werden soll, d.h. an den Ausgangsklemmen der Strom-Spannungsquelle. Eine zweite MOS FET-Vorrichtung ist in Reihe mit einer Spannungequelle und einem Strombegrenzungswiderstand parallel zu der ersten MOS FET-Vorrichtung und der Bezugsspannungsquelle an die Ausgangsklemmen gelegt. Die Steuerelektroden der beiden MOS FET-Vorrichtungen sind so geschaltet, dass sie synchron erregt werden. Der Spannungspegel der zweiten Spannungsquelle und der Widerstandswert des Strombegrenzungswiderstandes sind so gewählt, dass der Stromfluss durch die Bezugsspannungsquelle vernachlässigbar ist. Der Spannungsabfall an der ersten MOS FET-Vorrichtung ist ebenfalls vernachlässigbar. Eine dritte MOS FET-Vorrichtung ist an den Masstabsänderungswiderstand angeschossen und ist in stromleitendem Zustand in der Lage, eine Null spannung an dem Masstabsänderungswiderstand zu erzeugen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist eine vierte MOS FET-Vorrichtung, die synchron mit der dritten^OS FET-Vorrichtung betrieben wird, in stromleitendem Zustand angeschlossen, damit ein geschlossener Strompfad für die zweite Spannungsquelle und den Strombegrenzungswiderstand gebildet wird. Er ist so geschaltet, dass er die Spannung von der zweiten MOS FET-Vorrichtung abführt.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Aueführungebeispieles verschiedener Ausgestaltungen von Strom-Spannungsquellen erläutert.

Fig. 1 zeigt teilweise schematise und teilweise in Form eines Schaltbildes einen Digital-Analog-Umwandler bei dem die erfindungsgemässe steuerbare Strom-Spannungsquelle verwendet wird,

Fig. 2ein Diagramm einer steuerbaren Spannungs-Stromquelle bekannter Art,

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Fig. 3 ein Diagramm einer verbesserten Spannungs-Stromquelle gemäss vorliegender Erfindung und

Fig. 4 ein Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform der Spannungs-Stromquelle gemäss vorliegender Erfindung.

In Fig. 1 ist eine typis he Digital-Analog-Urawandlerschaltung dargestellt. Die Schaltung nach Fig. 1 kann eine digitale Zahl mit fünf Bits in eine entsprechend masstäblich geänderte (scaled) analoge Spannung umwandeln. In der S haltung nach FJg. 1 entsprechen die Spannungs-Stromquellen S~, S. und Sc den drei Bits höchster Ordnung D-,, D. und D₅ einer Binärzahl mit fünf Bits. Das D₅-BXt kann ein Vorzei' hen-Bit sein. Die Spannungs-Stromquellen S , S₄ und S₁. sind so geschaltet, dass sie einen Strom /orbestimmter exakter Grosse in die Masstabsänderungswi —Verstände Io,l2, und 14 einer Stromkette, die mit einer Summier- ^erbindung 16 zusammengeschaltet ist, einführen. Die Summierverbindung IG wird über einem Betriebs^erstärker 18 und einem Rückkopplungswiderstand 2o an Erdpotential gelegt. Im Stromnetzwerk beträgt der Widerstandswert 2R des Widerstandes 12 die Hälfte des Widerstandswertes 4R des Widerstandes Io und der Widerstandswert R des Widerstandes 14 die Hälfte des Widerstandswertes des Widerstandes 12. Wenn infolgedessen die Spannungs-Stromquelle S₅ durch Anlegen eines Signales D- erregt wird, wird ein bestimmter Stromwert von der Quelle S_x. über den Widerstand 14 an die Verbindung 15 abgeführt. Wenn die Spannungs-Stromquelle S₄ durch Anlegen eines Signales D₄ erregt wird, wird ein Strorawert der die Hälfte des von der Quelle S₅ abgegebenen Stromwertes beträgt, über den Widerstand 12 an die Verbindung 15 gegeben. In ähnlicher Weise ist die Spannungs-Stromquelle S₃ in der Lage, wenn sie von einem Signal D^ erregt wird, an die Verbindung IG die Hälfte des Wertes des Stromes abzugeben, der aus der Stromquelle S₄ abgegeben würde.

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Die Signale mit Bits niedrigerer Ordnung, die durch D₁ und D₂ dargestellt werden, werden so geschaltet, dass sie die Spannung s-Stromqudlen S₁ und S₂ steuern, welche ihrerseits in eine Spannungskette eingeschaltet ist, die eine Reihenschaltung aus Widerständen 22, 24 und 26 darstellt, welche am einen Ende mit der Verbindung 16 und am anderen Ende mit der Erdklemme verbunden sind. Die Spannungs-Stromquelle S₂ ist über den Wider- ±and 28 mit der Verbindung zwischen den Widerständen 22 und zusanunengeschaltet. Die Spannungs-Stromquelle S₁ ist über den Widerstand 3o mit der Verbindungsstelle zwischen Widerstand 24 und 26 verbunden. Die Widerstandswerte der Wi-derstände und 3o und damit auch des Endwider Standes 26 sind in der Grosse gleich dem Widerstbndswert des MasetabsänderungswiderStandes entsprechend dem Bit niedrigster Ordnung in der Stromkette, z.B. dem Widerstand Io, wobei dieser Widerstandswert 4R beträgt. Die Widerstandswerte der Widerstände 22 und 24 sind gleich der Hälfte der Widerstandswerte der Widerstände 28 und 3o, d.h. 2R.

In Betrieb der Schaltung nach Fig. 1 bewirkt das Vorhandensein eines Signales D, # dass eiie Stromeinheit von der Quelle S₁ über die Widerstände 3o, 24 und 22 in die Suramierverbindung 16 eingeführt wird. Das Vorhandensein eines Signales D_bewirkt, dass zwei Stromeinheiten von der Spannungs-Stromquelle S- über Widerstände 28 und 22 in die Summierverbindung 16 eingeführt werden. Das Vorhandensein eines Sigrales D~ bewirkt, dass zwei Stromeinheiten von der Spannungsquelle S₂ über Widerstände 28 und 22 zur Summierverbindung 16 gegeben werden. Das Vorhandensein eines Signales D^ bevirkt, dass vier Stromeinheiten von der Spannungs-Stromquelle S₃ über den Widerstand Io an die Verbindung 16 abgegeben werden. Das Vorhandensein eines Signales D₄ bewirkt, dass acht

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Strotoeinheiten von der Spannungs-Stromguelle S₄ über den Widerstand 12 an die Verbindung 16 geführt werden. Das Vorhandensein eines fiignalee D. bewirkt, dass 16 Stromeinheiten durch die Spannungs-Stromquelle S₅ über den Widerstand 14 an die Verbindung 16 gegeben werden. Die Grosse des Stromes, der an die Verbindung 16 gegeben wird, ist durch einen entsprechenden Spannungapegel entgegengesetzten Vorzeichens an der Ausgangsklenme des Betriebsverstärkers 18 angepasst.

Die Sch»ltung nach Fig. 2 zeigt eine bekannte Spannungs-Strom -quelle, die zwei MOS FET-Vorrichtungen 34 und 36 verwendet, um entweder die Spannung der Spannungsquelle 38 oder eine Nullspannung an den Masstabsänderungswiderstand 4o zu legen. Zur Erläuterung wird angenommen, dass der Masstabsänderungswiderstand 4o nach Fig. 2 symbolisch den Widerstandswert von anwendbaren Kombinationen von Widerständen nach Fig. 1 darstellt. Nimmt man somit an, dass Fig. 2 eine Spannungs-Stromquelle S, nach Fig. darstellt, wird der effektive Widerstandewert des Masstabsänderungswiderstandes 4o dadurch berechnet, dass die Widerstandswerte und auch die Art der Verbindung der Widerstände 22, 24 und 26, 3o betrachtet werden, von denen der Widerstand 26 parallel zu den Widerständen 22 und 24 geschaltet wird, wie sich aus der Fig. 1 ergibt.

Schaltungen, wie z.B. die in Fig. 2 gezeigte, sind zur Verwending als Spannungs-Stromquellen in der Spannungskette entsprechend den Binärbitstellungen niedrigster Ordnung nach Fig. 1, je.B. die Quellen S, und S. geeignet.

In Betrieb detfvOrrichtung nach Fig. 2 wird, wenn ein Signal D an den Transistor 34 gelegt wird, die positive Klemme der Spannungsquelle 38 mit der Verbindungsstelle 41 verbunden, wodurch bewirkt wird, dass Strom von der Spannungsquelle 38 über

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den Transistor 34 und über den MasStabsänderungswiderstand 4o fliesst. Oa ein ziemlich hoher Strom durch den Wideretand 34 fliesst, und da somit der Spannungsabfall an dem Transistor 34 ziemlich gross ist, wird die Spannung am Widerstand 4o wesentlich niedriger als die Spannung der Spannungequelle 38. Wegen der Massenfertigung der MOS FET-Vorrichtungen kann der Spannungsabfall am Transistor 34 nicht genau vorausgesagt werden. Infolgedessen enthält die Grosse des Stromes durch den Masstabsänderungswiderstand 4o einen bedeutenden Fehler. Die bedeutenden Fahler sowohl in der Spannung als Im Masstabsänderungswiderstand 4o und der Strom durch den Widerstand 4o ergeben keine S· hwierigkeit, wenn die Vorrichtung nach Fig. 2 für die Spannungs-Stromquelle S^ oder S₂ in der Spannungskette entsprechend den umzuwandelnden Bits niedrig«. ster Ordnung verwendet wird. Bei einer Verwendung in einer Kitte entsprechend Bits höherer Ordnung jedoch sind die Anforderungen an die Genauigkeit wesentlich strenger, und deshalb sieht die Krfindung verbesserte Spannungs-Stromquellen vor, die nachstehend im einzelnen beschrieben werden.

Eine erste Ausführungsform einer verbesserten Spannungs-Stromquelle gemäss vorliegender Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt. In dieser Fig. 3 sind die MOS FET-Vorrichtungen 5o und 52 so geschaltet, dass sie gemeinsam erregt und entregt werden. Die Bezugsspannungsquelle 54 ist über die MOS FET-Vorrichtung 5o an die Verbindungsstelle 55 gelegt. Eine zusätzliche Spannungequelle 56 ist über einen Strombegrenzungswiderstand 58 und die MOS FET-Vorrichtung 52 an die Verbindungsstelle 55 gelegt. Die Spannung der Quelle 56 und der Widerstandwert dee Widerstandes 58 sind so gewählt, dass nahezu der gesamte Strom durch den Masstabsänderungswiderstand Go aus der Quelle 56 kommt. Nur ein geringer Stromanteil wird durch die Quelle 54 geliefert, wobei der Spannungsabfall an der MOS FET,-Vorrichtuno 5o unbedeutend ist und die Spannung am Masstabsänderungswider.·* _r! stand 6o genau auf dem Wert der Spannung der Bezugsquelle 54 t/if

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gehalten wird. Wird die Spannung am Widerstand 6o auf einem exakten Wert gehalten, wird auch der Strom, der über den Widerstand 6o abgegeben wird, auf einem genauen Wert gehalten. Die MOS PET-Vorrichtung 62 ist so geschaltet, dass sie in Phasenopposition zu dem Steuersignal D erregt und entregt wird, das den Transistoren 5o und 52 aufgegeben wird, wie durch die übliche symbolische Darstellung unter Verwendung der Bezeichnung D in den gesamten Figuren zeigt. Das Anlegen des Signales D bewirkt somit, dass eine Nullspannung an dem Masstabsänderungswiderstand 6o auftritt, da dann der Transistor 62 stomleitend ist. Es ergibt sich hieraus auch, dass die Signale D und D Komplementärsignale sind.

Es tritt in der Vorrichtung nach Fig. 3, wenn die MOS FET-Vorrichtung 62 stromleitetnd ist und die Transistoren 5o und 52 den Strom nicht leiten, die gesamte Spannung der Spannungsquelle 56 an dem Transistor 52 auf, was bewirken kann, dass der Transistor 52 durchschlägt. Damit das Durchschlagen des Transistors 52 verhindert wird, wurde die MOS FET-Vorrichtung 64 nach Fig. 4 hinzugefügt. Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform, die erforderlich ist, wenn die Spannung der Spannungsquelle 56 die zulässige Spannung am Transistor 52 wesentlich übersteigt, falls der Transistor 52 seinen nichtleitenden Zustand einnimmt. Die Vorrichtung 64 stellt einen Rückführpfad für den Strom aus der Stromquelle 56 um den 'üansistor 52 dar und legt die Verbindung zwischen Widerstand 58 und Transistor 52 ungefähr an Erdpotential, wenn die Verbindung 55 mit Erdpotential verbunden ist.

In jeder der^orrichtungen nach den Figuren 2, 3 und 4 ist festzuhalten,dass dann, wenn die Vorrichtungen JG und >2 ■; .'tätigt werden, kein Spannungsabfall an den Vorrichtungen a^'^ritt, weil kein bemerkenswerter Stromfluss durch sie hinJurcn stattfindet.

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Des weiteren ist klar, dass die unterschiedlichen Erdklemmen, die in den Figuren 3 und 4 dargestellt sind, eine gemeinsame Klemme darstellen, so dass sie, wenn die Klemmen als eine Einheit betrachtet werden, als zwei Anschlüsse aufweisend bezeichnet werden können, von denen einer der Anschluss 55 und der andere der gemeinsame Erdanschluss ist.

Wenn somit die Spannungs-Stromquellen nach den Figuren 3 oder 4 als Quellen S₃, S₄ und S₅ verwendet werden, sogar mit konventionellen Quellen nach Fig. 2, die als Quellen S, und S₂ verwendet werden, wandelt die Vorrichtung gemäss vorliegender Erfindung exakt ein binäres digitales Signal in ein analoges Signal um.Die Umwandlung kann wegen der sehr exakten Stromquellen, die nunmehr zur Verfügung stehen, gemäss vorliegender Erfindung sehr genau durchgeführt werden. Eine bei der Digital-Analog-Umwandlung erzielte Genauigkeit liegt in der Grössenordnung von O.Ol %.

In Betrieb der Vorrichtungen nach Figuren 3 und 4 entspricht das Vorhandensein eines Signales D dem Fehlen eines Signales D und umgekehrt, z.B. sind die Signale D und D entgegengesetzte Steuersignale, die als komplementäre Signale bezeichnet werden.

Wenn das Signal D auftritt, steigt die Spannung an der Ausgangsklemme 55 aif die Spannung der Bezugsquelle 54 an,Venn das Signal D auftritt, wird der Transistor o2 stromleitend und die Spannungen an der Ausgangsklemme 55 wird auf die Spannung der geerdeten Ausgangsklemme abgesenkt.

In Fig. 4 wird die Spannung an dem nichtleitenden Transistor 52 auf die Spannung am stromleitenden Transistor 64 reduziert, wenn das Signal D auftritt.

Obgleich die Spannungsquellen 38, 54 und 56 als Gleichspannungsquellen gezeigt sind, können sie synchrone Wechselspannungsquel- len veränderlicher Kurvenform, z.B. sinusförmiger, rechteckförmiger od.dgl. Kurvenform «ein. Es ist wichtig, dass das

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Verhältnis der Spannungen der Quellen 56 und 54 weitgehend konstant bleibt.

Die Anordnung gemäss vorliegender Erfindung ist eine neuartige, äusserst exakte steuerbare Spannungs-Stromquelle, die zur Steuerung des Stromnetzwerkes in den Bitstellen höherer Ordnung verwendet werden kann.

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Claims

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Patentansprüche :

) Steuerbare Spannungs-Stromquelle zur Erzielung eines konstanten Belastungsstromes an einer Belastung zwis hen einem Klemmenpaar, mit einer Bezugsspannungsquelle in Reihe mit einer ersten S leitvorrichtung, die zwis hen diese Klemmen gelegt ist, wobei die erste Schaltvorrichtung durch ein erstes Eingangssteuersignal steuerbar ist, gekennzeichnet durch eine zweite Spannungsquelle (56) in Reihe mit k einem Strombegrenzungswiderstand (58) und einer zweiten Schaltvorrichtung (52), die ebenfalls zwischen die Ausgangsklemmen gelegt ist, wobei die zweite Schaltvorrichtung (52) auch in Abhängigkeit von dem ersten Eingangssignal (D) steuerbar ist und die Spannung der zweiten Spannungequelle (56) und der Widerstandswert des Strombegrenzung swider Standes (58) so einstellbar sind, dass der gesamte aus der zweiten Spannungsquelle (56) stammende Laststrom in die Ausgangsklemmen abgegeben wird, und dass eine dritte Schaltvorrichtung (62) zwis hen die Ausgangsklemmen geschaltet ist und von einem zweiten Eingangssignal (D) steuerbar ist.
2.) Steuerbare Spannung»-Stromquelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine vierte Schaltvorrichtung (64), die so geschaltet ist, dass sie auf das zweite Eingangesignal (D) anspricht, wodurch der aus der zweiten Spannungsquelle (56) stammende Strom um die zweite Schaltvorrichtung (52) herum an eine der Klemmen geschaltet wird.
3.) Steuerbare Spannungs-Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangssignale (D,5) komplementäre Signale sind.
4.) Steuerbare Spannungs-Stromquelle nach Ansprüchen 1-3, da durch gekennzeichnet, dass die Schalt vorrichtungen (5o, 52,62,64) MOS FBT-Vorrichtungen sind.

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