DE1762972C - Steuerbare Spannungsquelle Ausscheidung aus 1537966 - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sieh auf eine steuerbare men wird, wird durch die Widerstandsgröße und

Spannungsquelle für digitale Steuerung zur Erzielung durch die erforderliche Genauigkeit des Widerstandes

eines konstanten Belastungsstromes an einer Be- bestimmt.

lastung zwischen zwei Anschlußverbindungen, mit Wie oben erwähnt, ist ein bewertetes Spannungseiner Bezugsspannungst|uelle in Reihe mit einer 5 steuemetzwerk auch mit dem Eingang des Betriebsersten Schaltvorrichtung, die zwischen diese An- Verstärkers verbunden und in der Lage, Signale aufschlußverbindungen gelegt ist, wobei diese erste zunehmen, die den Bits niedriger Ordnung des digi-Schaltvorrichtung durch ein erstes Eingangssteuer- talen Signals entsprechen. Das Spannungssteuernetzsignal steuerbar ist. werk verwendet Widerstände, deren Widerstandswert Bei der heute üblichen Schalttechnik ist es er- io nicht ansteigt, wenn der Ordnungswert des Bits wünscht, Stromkreise in Miniaturform auf einem kleiner wird. Die Antriebswellen des Spannungs-Siliziumkristall herzustellen. Hierbei ist es erforder- Steuernetzwerkes brauchen deshalb, weil nur die Bits lieh, die einzelnen Komponenten möglichst klein aus- niedrigen Ordnungswertes von dem Netzwerk maßzuführen und dabei ihre Genauigkeit zu erhalten. In stablich geändert werden, bei der Erzeugung von den entsprechenden Stromkreisen werden hierfür 15 Steuersignalen entsprechender Größe nicht extrem Widerstände verhältnismäßig geringer Widerstands- genau zu sein.

werte und Halbleitervorrichtungen mit vernachlässig- Die extrem genaue Spannungsquelle gemäß vorbarer Vorspannung in Stromkreisstellcn verwendet. liegender Erfindung, die zur Steuerung eines jeden

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, eine Steuer- der Eingänge in die Stromleiter verwendet wird, kann

bare Spannungsquelle zu schaffen, die in Verbindung 20 durch eine Vorrichtung, z. B. den vorerwähn-

mit einer bewerteten Spannungs-Kette in Form eines ten Metalloxyd-Silizium-Feldeffekt-Transistoren, der

Widerstandsnetzwerkes, vorzugsweise zur Umsetzung nachstehend mit MOS-FET-Transistor bezeichnet

von digitalen Signalen in Analogsignale verwendet wird, geschaltet werden. Ein erster MOS-FET-Tran-

wird. um die in der .Schalttechnik geforderten Ge- sistor ist in Reihe mit einer Bezugssparsnungsquelle

nauigkeiten /u er/ielen. 25 geschaltet, die einea Spannungspege! aufweist, der

Gemäß der Erfindung ist eine steuerbare Span- gleich der Spannung ist, die am Maßstab;:".l.._-rung'<nungsquellc dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite widerstand geschaltet werden soll, d. h. an den Aus-Spiinnungsquelle in Reihe mit einem Strombegren- gnngsverbindungen der Spannungsquelle. Ein zweiter zungswiderstand ii! -J einer zweiten Schaltvorrichtung MOS-FET-Transistor ist in Reihe mit einer Spangeschaltet ist. die ebenfalls zwischen die Ausgangs- 30 nungsquelle und einem Strombegrenzungswiderstand verbindungen gelegt ist, wobei uie zweite Schalt- parallel zu den ersten MOS-FET-Tiansistor und der vorrichtung auch in Abhängigkeit von dem ersten Bezugsspannungsquelle an die Ausgangsklemmen ge-Eingangssignal steuerbar ist und die Spannung der legt. Die Steuerelektroden der beiden MOS-FET-zweiten Spannungsquelle und der Widerstandswert Transistoren sind so geschaltet, daß sic synchron des Strombegrenziingswiderstandcs so einstellbar 35 erregt werden. Der Spannungspegcl der zweiten sind, daß nahezu der gesamte aus der /weiten Span- Spannungsquelle und der Widcritandswert des Stromnungsquclle stammende Laststrom in die Ausgangs- begrenzungswiderstandes si:id so gewählt, daß der verbindungen abgegeben wird, daß eine dri'te Schalt- Stromfluß durch die Bczugsspannungsquelle vernachvorridilung zwischen die Ausgangsverbindungen ge- lässigbar ist. Der Spannungsabfall am ersten MOS-schaliet ist und von einem /weiten Eingangssignal 4" FET-Transistor ist ebenfalls vernachlässigbar. Ein stcui rbiir is, nml daß die I im'angssignnK.· knniple- dritter MOS-FET-Transistor ist an den Maßstabsmenläie Signale sind. änderungswiderstand angeschlossen und ist in strom-

Nach einer bevorzugten Ausfiihrungsform einer er- leitendem Zustand in der Lage, eine Nullspannung

riiidungsgemälV'i) Spaniiungsquelle ist eine vierte an dem Maßstabsänderungswidersland zu erzeugen.

Schaltvorrichtung so geschaltet, daß sie auf das /weite 45 Bei einer bevorzugten Ausführiingsform ist cm vierter

Eingangssignal anspricht und der aus der zweiten MOS-FET-Transistor, der synchron mit dem dritten

Spamuingsqudle stammende Strom um die zweite MOS-FET-Transistor betrieben wird, in stromleitcn-

Schultvorrichtung herum an eine der Anschluß- dem Zustand angeschlossen, damit ein geschlossener

verbindungen geschaltet wird. Die Schaltvorrichtun- Strompfad für die zweite .Spannungsquelle und den

gen sind dabei insbesondere Metalloxyd-Silizium- 5° Strombegrenzungswiderstand gebildet wird. Er ist so

IcldcITckl-Transistoren. die als MOS-FET-Tran- geschaltet, daß er die Spannung von dem /weiten

sisiorcn he/dcliMiM werden. MOS-FFT-Transistor abführt.

In der nadistchcnilen Beschreibung wird die Er- Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung lindiing an Hand eines Ausfiihrungsbcispicles eines mit der Zeichnung an Hand eines Ausführungs-Aiiiilug Digital-Umwandlcrs erläutert, in welchem 5.') bcispicles verschiedener Ausecstaltungen von Spanein bewertetes Spannungssteiiurnet/w/urk mit extrem nungsqueilcn er'äutert Es zeigt

genauen Spaniuiiigsquellcn /ur Aufnahme der Bits F i g. 1 teilweise schematisch und teilweise in Form

höherer Ordnung des digitalen Signal» verwendet eines Schaltbildes einen Digital-Analog-Umsetzer, bei

wird uiiil bei dem ι in bewertetes Spannungssteller- dem die erfindungsgcmiilk steuerbare Spannungs-

nel/werk zur Aufnahme der Hits niedrigerer Ordnung 60 quelle verwendet wird,

des Digilalsignals verwendet wird. Somit wird die Fig. 2 ein Diagramm einer steuerbaren Spanextreme Genauigkeit des Spanntingsstcucrncl/weikes nungst|ucllc bekannter Art,

mit sehr genauen Spanmmgsqiidlen und Mattslabs- Fig. 3 ein Diagramm einer verbesserten Span-

ämlurtingswiderstiimicn niedrigen WiderstartdsweMes nungsquelle gemäß vorliegender Gründung und

bei der Umwandlung von Bits höherer Ordnung ver- 65 Fig. 4 ein Diagramm einer bevorzugten Atisfüh-

wendel. wo diese extreme Genauigkeit erforderlich rungsfnrm der Spanmingsquellc gemäß vorliegender

ist. Das Bit niedrigster Ordnung, das durch ein Erfindung,

«.niches bewertetes Slrom.inlridisnul/werk aiifgenom- in Fig. I ist eine typische Digital-Analog-

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Umsetzerschaltung dargestellt. Die Schaltung nnch Fig, I kann eine digitale Zahl mit riinf Bits in eine entsprechend maßstäblich geänderte analoge Spannung umsetzen. In der Schaltung nach F i g. I entsprechen die Spanniingsquellen .V_r .V₁ und .V- den drei Bits höchster Ordnung D.,, D, und D, einer Biniirzahl mit fünf Bits. Das D_n-BJt kann ein" Vorzeichen-Bit sein. Die Spanniingsquellen &,, .V₁ und S. sind so geschaltet, daß sie einen Strom vorbestimmter exakter Größe in die Maßstahsänderungswiderstände 10, 12 und 14 einer Stromkette, die mit einer Summierverbindung 16 zusammengeschart ist, einführen. Die Summicrverhindung 16 wird über einen Operationsverstärker 18 und einen Rückkopplungswiderstand 20 an Erdpotential gelegt. Im Stromnetzwerk betrügt der Widerstandswert IR des Widerstände-, 12 die Hälfte des Widerstandswvües 4 R des Widerstandes 10 und der VViderstandswert R des Widerstandes 14 die Hälfte des Widerstandswertes des Widerstandes 12. Wenn infolgedessen die Spannungsquelle .V, durch Anlegen eines Signals D. erregt wird, wird ein bestimmter Stromwert von der Quelle .V, über den Widerstand 14 an die Verbindung 16 abgeführt. Wenn die Spannungsquelle .V, durch Anlegen eines Simials /), erregt wild, wird ein .Stromwert, d-'r die Hälfte des von der Quelle S. abgegebenen Stromwertes beträgt, über den Widerstand 12 an die Verbindung 16 gegeben. In ähnlicher Weise ist die Spaninmgsquelle .V. in der Lage, wenn sie von einem Signal D₁ erregt wird, an die Verbindung 16 die Hälfte des Wertes des Stromes abzugeben, der aus eier Spannungsquelle .V₁ abgegeben würde.

Die Signale mit Bits niedrigerer Ordnung, die durch D₁ und I)., dargestellt werden, werden so geschaltet, daß sie die Spannungsquellen V₁ und .V, steuern welche ihrerseits in eine Spannungskette eingeschaltet sind, die eine Reihenschaltung aus Widerständen 22, 24 und 26 darstellt, welche am ».•inen Ende mit der Verbindung 16 und am anderen Ende mit F'rde verbunden sind. Die Spannungsquelle S₂ ist über den Widerstand 28 mit der Verbindung zwischen den Widerständen 22 und 24 zusamirengjschaltct. Die Spannungsquelle .V₁ ist über ilen Widerstand 30 mit der Verbindungsstelle zwischen Widerstand 24 und 26 verbunden. Die Wider- !iKindswcrte der Widerstünde 28 und 30 und damit auch des Endwic'crstandes 26 sind in der Größe gleich dem Widerstandswert des Maßstabsüriderungswiclc!.Standes entsprechend dem Bit niedrigster Ordnung in der Stromkette, z. B. dem Widerstand 10, W(IiJi dieser WideuumtNweii 4 R b-'tr.igt. Die Widerstandswerte der Widerstände 22 und 24 sind gleich der Fiülfle der Widerstandswerte der Widerstünde 28 und 30. d. h. 2 R.

In Ik'tiK'h der Schallung nach Fig. I bewirkt das Vorhandensein eines Signals />,. daß eine Stromeinheit von der Quelle .V₁ über die Widerstünde 30. 24 und 22 in die.Stimmierverbindung 16 eingeführt wird. Das Vorhandensein eines Signals D., bewirkt, daß zwei Stromeinheiten von der Spannungsquelle S₂ über Widerstände 28 und 22 in die Sumniierverbindting 16 eingeführt werden. Das Vorhandensein eines Signals D₂ bewirk;, daß zwei Stromeinheiten von der Spannungsqtielle A₃ über Widerstände 28 und 22 zur Summicrverbindiing 16 gegeben werden. Das Vorhandensein eines fijgnals />„ bewirkt, daß vier Stromeinheiteti von der Spannungsquelle .V₁, über den Widerstand K) an die Verbindung 16 abgegeben werden. Das Vorhandensein eiiv:s Signals D₁ bewirkt, daß qcht Stromeinheiten von der Spaiiniingsqiicllc S₁ über den Widersland 12 an die Verbindung 16 geführt werden. Das Vorhandensein eines Signals />_Λ r· bewirkt, daß 16 Stromeinheiten durch die Spannungsquelle .V. über den Widersland 14 an nie Verbindung 16 gegeben werden. Die Größe des Stromes, der an die Verbindung 16 gegeben wird, ist durch einen entsprechenden SpannungspcL'el entgegen-

Ii gesetzten Vorzeichens an der Ausgangsverbindung des Operationsverstärkers 18 angepaßt.

Die Schaltung nach Fig. 2 zeigt eine bekannte Spannungsquelle, die zwei Metalloxyd-Silizium-Feld efTekt-Transistoren (MOS-FF.T-Transistoren) 34 und 36 verwendet, um entweder die Spannung der Spannungsquelle 38 oder eine Nullspannung an den Maßstabsänderungswiderstand 40 zu legen. Zur Lrläuteruiig wird angenommen, daß der Maßstabsänderungswiderstand 40 nach F i g. _' symbolisch den Wider-

an standswert von anwendbare!. Kombinationen von Widerständen nach F i g. I darstellt. Nimmt man somit an, daß F i g. 2 eine Spannungiquelle .V₁ nach Fig. 1 darstellt, wird der effektive Wiilerslaiulsweri des Maßstabsänderungswiderstandes 40 dadurch be-

2.Ί rechnet, daß die Widerstandswerte und auch die Art der Verbindung der Widerstünde 22, 24 iiiiti 26. 30 betrachtet werden, von Jenen der Widerstand 26 parallel zu den Widerständen 22 und 24 geschaltet wird, wie sich aus der F i g. I ergibt.

3" Schaltungen, wie z. B. die in F i g. 2 gezeigte, sind zur Verwendung als Spannungsquellen in der Spanniingskettc entsprechend den Binärbitstellungen niedrigster Ordnung nach Fig. 1. z.B. die Quellen V₁ und .V₁. geeignet.

In Betrieb der Vorrichtung π ich F-i g. 2 wirtl. wenn ein Signal D an den Transistor 34 gelegt wird, die positive Anschlußverhindung der Spannungsquelle 38 mit der Verbindungsstelle 41 \erlnnulcn. wodurch bewirk; wird, daß Strom von tier Span

1" nuiiüsquelle 38 über den Transistor 34 und über den Maßstabsündcrungswiderstand40 Hießt. Da ein ziemlich hoher Strom durch den Widerstand 34 lliel.it i'iid da somit der Spannungsabfall an dem Transistor 34 ziemlich groß ist. wird die Spannung am Wideistand

■15 40 wesentlich niedriger als die Spannung der Spannungsquelle 38. Wegen der Massenfertigung tier MOS-FET-Transistorcn kann der Spannungsabfall am Transistor 34 nicht genau vorausgesagt werden. Infolgedessen enthält die Größe des Stromes durch

S" den Maßstabsänilerungswiderstand 40 einen bedeutenden Fehler. Die bedeutenden Fehler sowohl in der Spannung als im Maßstabsümlerungswiderstand 40 und der Strom durch den Widerstand 40 ergehen keine Schwierigkeit, wenn die Vorrichtung nach F i g. 2 für die Spannungsquelle .V₁ oder .V₁ in dei Spannungskctte entsprechend den umzuwandelnden FJits niedrigster Ordnung verwendet wird. Bei einer Verwendung in einer Kette entsprechend Bits höherer Ordnung jedoch sind die Anforderungen an die Ge-

^fi° nauigkcit wesentlich strenger, und deshalb sieht die Frfindung «erbesserte Spannungsquellen vor. die nachstehend im einzelnen beschrieben werden.

tiine erste Ausführungsform einer verbesserten Spannungsquelle gemäß vorliegender Erfindung ist

in Fig. 3 gezeigt. In dieser Fig. 3 sind die MOS-FF.T-Transistoren SO und 52 so geschaltet, daß sie gemeinsam erregt und entregt werden. Die Bcziigsspannungsquelle 54 ist über den MOS ΓΊΠ'-Ί'πιη-

sislor 50 an die Verbindungsstelle 55 gelegt. Eine zusätzliche Spannungsqucllc 56 ist über einen Strombegrenzungswiderstand 58 und den MOS-FET-Transislor 52 an die Verbindungsstelle 55 gelegt. Die Spannung der Quelle 56 und der Widerstandswert des Widerstandes 5S sind so gewählt, daß nahezu der gesamte Strom durch den Maßstabsänderungswiderstand 60 aus der Quelle 56 kommt. Nur ein geringer Siromanteil wird durch die Quelle 54 geliefert, wobei der Spannungsabfall am MOS-FET-Transistor 50 unbedeutend ist und die Spannung am MaßstahsiinderungMvidcrstand 60 genau auf dem Wert der Spannung der Bezugsquelle 54 gehalten wird. Wird die Spannung am Widerstand 60 auf einem exakten Wert gehalten, wird auch der Strom, der über den Widerstand 60 abgegeben wird, auf einem genauen Wert gehalten Der MOS-FET-Transistor 62 ist so geschaltet, daß er in Phasenopposition zu dem Steuersignal Π erregt und entregl wird, das den Transistoren 50 und 52 aufgegeben wird, wie durch die übliche symbolische Darstellung unter Verwendung der Bezeichnung 75 in den gesamten Figuren zeigt. Das Anlegen des Signals 75 bewirkt somit, daß eine Nullspannung an dem Maßslabsänderungswiderstand 60 auftritt, da dann der Transistor 62 stromleitend ist. Hs ergibt sich hieraus auch, daß die Signale D und 75 Komplementärsignale sind.

I-s (ritt in der Vorrichtung nach Fig. 3. wenn der MOS-FET-Transistor 62 stromleitend ist und die Transistoren 50 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 der MOS-FET-Transistof64 nach F i g. 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 Riickführpfad für den Strom aus der Stromquelle 56 um den Transistor 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 Vorrichtungen nach den Fig. 2, 3 und 4 ist festzuhalten, daß dann, wenn die Vorrichtungen 36 und 62 betätigt wenden, kein Spannungsabfall an den Vorrichtungen auftritt, weil kein bemerkenswerter Stromfluß durch sie hindurch stattfindet.

Des weiteren ist klar, daß die unterschiedlichen Erdungsanschlüsse, die in den Fig. 3 und 4 dargestellt sind, eine gemeinsame Anschlußverbindung darstellen, so daß sie. wenn die Anschlußverbindunjien 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 Spannungsquellen nach Fig. 3 oder 4 als Quellen .V₁. S₄ und S₃ gemäß vorliegender Erfindung verwendet werden, sogar mit konventionellen Quellen nach F ig. 2, die als Quellen .V, und 5., verwendet werden, setzt die Vorrichtung ein binäres digitales Signal exakt in ein analoges Signal um. Die Umsetzung kann wegen der sehr exakten Spannungsquellen, die nunmehr gemäß vorliegender Erfindung zur Verfugung stehen, sehr genau durchgeführt werden. Eine bei der Digital-Analog-Umsetzung erzielte Genauigkeit liegt in der Größen Ordnung von 0,01 °/o.

In Betrieb ikr Vorrichtungen nach F i g. 3 und *

entspricht das Vorhandensein eines Signals D den Fehlen eines Signals T), und umgekehrt, z. B. sind di( Signale D und 75 entgegengesetzte Steuersignale. di<

als komplementäre Signale bezeichnet werden.
Wenn das Signal D auftritt, steigt die Spannung ar

der Ausgangsklemmc 55 auf die Spannung der Be ίο zugsquelle 54 an. Wenn das Signal 75 auftritt, wire der Transistor 62 stromleitend, und die Spannung ar der Ausgangsklemme 55 wird auf die Spannung de; geerdeten Ausgangsklemme abgesenkt.

In Fig. 4 wird die Spannung an dem nichtleiten dem Transistor 52 auf die Spannung am stromleiten den 1 raiisistor 64 reduziert, wenn das Signal 75 auf

tritt.
Obgleich die Spannungsquellen 38, 54 und 56 al;

Gleichspannungsquellen gezeigt sind, können si< *° synchrone Wechselspannungsquellen veränderliche!

Kurvenform, z. B. sinusförmiger, rechteckförmigei oder dergleichen Kurvenform, sein. Is ist wichtig. daC das Verhältnis der Spannungen der Quellen 56 unc weitgehend konstant bleibt.
Dk* Anordnung gemäß vorliegender Erfindung isi eine n^vartige. äußerst exakte steuerbare Spannungs quelle, die zur Steuerung des Stromnetzwerkes in der Bilstellen höherer Ordnung verwendet werden kann

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Steuerbare Spannungsquelle für digitale Steuerung zur Erzielung eines konstanten Be lastungsstromes an einer Belastung zwischen zwe Anschlußverbindungen, mit einer Bezugsspannungsquelle in Reihe mit einer ersten Schaltvorrichtung, die zwischen diese Anschlußverbindungen gelegt ist. wobei die erste Schaltvorrichtung durch ein erstes Eingangssteuersignal steuerbai ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Spannungsquelle (56) in Reihe mit einen Strombegrenzungswiderstand (58) und einer zweiten Schaltvorrichtung (52) geschaltet ist, die ebenfalls zwischen die Ausgangsverbindungen gelegt ist, wobei die zweite Schaltvorrichtung (52) auch in Abhängigkeit von dem ersten Eingangssignal (D) steuerbar ist und die Spannung dei zweiten Spannungsquelle (56) und der Widerstandswert des Strombegrenzungswidt. Standes (58) so einstellbar sind, daß nahezu der gesamte aus der zweiten Spannungsquelle (56) stammende Laststrom in die Ausgangsverbindungen abgegeben wird, daß eine dritte Schaltvorrichtung(62] zwischen die Ausgangsverbindungen geschaltet ist und von einem zweiten Eingangssignal (7J]

steuerbar ist und daß die Eingangssignale (D, 7J] komplementäre Signale sind.

2. Steuerbare Spannungsquelle nach Ansprach 1, gekennzeichnet durch eine vierte Schaltvorrichtung (64), die so geschaltet ist, daß sie aal das zweite Eingangssignal (ZJ) anspricht und dei aus der zweiten Spannungsquelle (56) stammende Strom um die zweite Schaltvorrichtung (52) herum an eine der -Anschlußverbindungen geschaltei wird.

3. Steuerbare Spannungsquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtungen (50, 52, 62, M) MetalJoxyd-Silizium-Feldeffekt-Transistoren sind.

Hierzu I Blatt Zeichnungen