DE19958049A1 - Im Analog-Strommodus arbeitender D/A-Wandler - Google Patents
Im Analog-Strommodus arbeitender D/A-WandlerInfo
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Abstract
Ein mit Hochgeschwindigkeit arbeitender und hochauflösender Strommodus-D/A-Wandler weist auf: eine Widerstands-D/A-Wandlerschaltung (2) mit einer Digitaldekodierschaltung (3), die ein digitales Eingangssignal empfängt, mehreren Schaltern, die entsprechend Ausgangssignalen der Digitaldekodierschaltung ein- und ausgeschaltet werden, und mehreren in Reihe geschalteten Widerständen (5) und einem hochlinearen Transkonduktor (4), der Ausgangsspannung von der Widerstands-D/A-Wandlerschaltung (2) und zum Liefern eines analogen Ausgangsstroms. Ferner ist ein Transkonduktor mit einem ersten differentiellen MOS-Transistorpaar und einem zweiten differentiellen MOS-Transistorpaar vorgesehen, die mit entgegengesetzten Polaritäten verbunden sind und unterschiedliche Transkonduktanzwerte aufweisen, und mit unterschiedlichen Stromquellen, die mit dem ersten bzw. dem zweiten differentiellen Transistorpaar verbunden sind, wobei Signalspannungen, die an das erste und das zweite Paar angelegt werden, zu einem Signalspannungseingang in den Transkonduktor proportional sind, jedoch unterschiedliche Werte aufweisen.
Description
Die Erfindung betrifft mit Hochgeschwindigkeit arbeitende, hoch
auflösende Strommodus-D/A-Wandler (DAC), die digitale Signale in
analoge Signale umwandeln.
Herkömmliche Hochgeschwindigkeit-Strommodus-D/A-Wandler
(DAC) vom binär geschalteten Strommodustyp, vom segmentierten
Typ und einem aus beiden kombinierten Typ sind bekannt. DAC des
binär geschalteten Typs weisen zahlreiche Stromzelleneinheiten auf,
die in Gruppen mit einer einzigen Zelle, zwei Zellen, vier Zellen, . . . ,
2n-1 Zellen angeordnet sind. Die Stromzellen in jeder Gruppe werden
zusammen ein- und ausgeschaltet. Wird ein aus n Bits bestehendes
digitales Eingangswort verarbeitet, schalten sich die entsprechenden
Gruppen von Stromzellen ein oder aus. Der Ausgangsstrom wird
üblicherweise einem Widerstand mit einem niedrigen Wiederstands
wert von 50 bis 75 Ohm zugeführt, welcher die entsprechende Aus
gangsspannung erzeugt. Fig. 6 ist ein vereinfachtes Diagramm eines
derartigen DAC.
Wie in Fig. 6 dargestellt, weist eine erste Gruppe 101 eine Strom
zelle, eine zweite Gruppe 102 zwei Stromzellen, eine dritte Gruppe
103 vier Stromzellen auf, usw. Das bedeutet, daß sich die Zahl der
Stromzellen in jeder Gruppe von einer Gruppe zur nächsten verdop
pelt. Jeder einer Anzahl von Schaltern S1, S2, S3 liefert Strom aus der
entsprechenden Stromzellengruppe zum Ausgang. Jeder einer Anzahl
von Schaltern S1', S2', S3' . . . verbindet dieselbe Gruppe mit Masse, so
daß die Rückkehr zum Normalbetrieb nach einem erzwungenen
vollständigen Abschalten der Stromquellen ohne Verzögerung erfol
gen kann. Die Schalter sind ebenfalls in Gruppen 111, 112, 113
unterteilt. Jede Gruppe weist ein Schalterpaar auf. Die Schalter
gruppen entsprechen den Stromzellengruppen. Wenn S1 eingeschal
tet ist, ist das LSB (geringstwertiges Bit) 1; wenn S2 eingeschaltet
ist, ist das zweite LSB 1; wenn S3 eingeschaltet ist, ist das dritte LSB
1. Ähnlich ist bei eingeschaltetem Sn das MSB (höchstwertiges Bit) 1;
wenn Sn-1 eingeschaltet ist, ist das zweite MSB 1.
Es ist ein Nachteil eines derartigen Strommodus-DAC, daß das An
passen der Ströme von Stromzellengruppen an binäre Wichtungen
schwierig ist. Ein 10-Bit DAC benötigt 1023 Stromzelleneinheiten.
Jede Gruppe kann als differentielles Paar angesehen werden, das als
Stromsteuerzelle bezeichnet wird.
Zwar hat ein derartiger DAC den Vorteil einer sehr einfachen Logik
schaltungsstruktur, jedoch hat er den Nachteil starker Störimpulse,
bei denen es sich um Rauschsignale handelt, die beim Schalten
auftreten, und ein derartiger DAG weist ferner den Nachteil erhebli
cher Nichtlinearität auf, die durch Fehlanpassungen zwischen binären
Gruppen von Stromzellen verursacht werden. Ein derartiges System
wird oft als "binärer Strommodus-DAC" bezeichnet.
Andere, als "segmentierte Strommodus DAC" bezeichnete Schaltun
gen sind ebenfalls bekannt. Der Vorteil dieser Art von DAC gegen
über einem herkömmlichen DAC liegt in der erheblich verbesserten
Linearität und einer erheblich geringeren Störimpulsenergie. Schal
tungen dieser Art weisen ebenfalls zahlreiche Stromzelleneinheiten
auf. Diese Stromzelleneinheiten 121 sind eine Kombination aus einer
Stromquelle und zwei Schaltern. Eine in Fig. 7 dargestellte Schaltung
ist eine einendige einzelne Stromzelle 121 und entspricht einem
digitalen Signal. Die dargestellte Schaltung kann als eine Schaltung
für LSB angesehen werden, die direkt dem digitalen Signal entspre
chen. Bei einem derartigen segmentierten Strommodus-DAC werden
die Stromzelleneinheiten 121 einzeln ein- oder ausgeschaltet, nicht
jedoch als Gruppe. Ein n-Bit-Dateneingangssignal wird von einer
Logikschaltung in 2n-1 Digitalsignale umgewandelt. Als Ergebnis
dieser Umwandlung erzeugte einzelne Digitalsignale schalten die
Stromzelleneinheiten ein und aus. Diese Dekodiererlogikschaltung
zum Umwandeln eines n-Bit-Signals in 2n-1 Signale belegt einen sehr
großen Hardwarebereich und hat einen hohen Energieverbrauch.
Bei einem hochauflösenden DAC mit einem großen Wert n, werden
daher Schaltungen vom genannten binären Stromzellentyp und vom
segmentierten Typ üblicherweise kombiniert, um die Größe der
erforderlichen Hardware zu verringern. Jedoch wird dadurch die
Genauigkeit beeinträchtigt und Signal-Störimpulse werden verstärkt.
Ferner wird eine große Anzahl von Stromzelleneinheiten verwendet,
so daß die Probleme eines komplexen Schaltungslayouts und der
Notwendigkeit großer Flächen entstehen.
Diese Probleme des Standes der Technik entstanden vornehmlich aus
dem diskontinuierlichen Ein- und Ausschalten der Stromzellen. An
ders ausgedrückt: herkömmliche Strommodus-DAC hatten das Pro
blem, daß 100% des von Stromzellen kommenden elektrischen
Stroms bei differentiellen DAC entweder an den einen oder an den
anderen Ausgang (oder an Masse, bei einendigen DAC) gesandt
wurden. Daher empfängt eine Stromzelle oder ein differentielles Paar
in jeder Stromzelle am Eingang sehr starke Signale und ist starken
Stromfluktuationen am gemeinsamen Sourceschaltungspunkt des
differentiellen Paares ausgesetzt, was zu stärken Störimpulsen und
erheblicher Nichtlinearität führt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neuartige Schal
tungsstruktur zur Lösung der genannten Probleme zu schaffen.
Die Erfindung schafft einen Hochgeschwindigkeits-Strommodus-DAC
mit einer Kombination aus einer eine digitale Dekodiererschaltung
aufweisenden DAC-Schaltung vom Widerstandstyp und einem hoch
linearen Transkonduktor.
Bei einem erfindungsgemäßen Strommodus-DAC werden differentiel
le Paare oder Transkonduktoren nicht vollständig ein- und ausge
schaltet. Dies bedeutet, daß die vorliegende Erfindung in einem
vorbestimmten Rahmen verschiedene Transkonduktorenzustände
aktiv nutzt. In diesem eingeschränkten Sinn, verfolgt der erfindungs
gemäße Strommodus-DAC einen analog-artigen Ansatz. Ferner sind
die Fluktuationen der Eingangsspannung in jeden Transkonduktor
relativ gering, woraus sich eine erhebliche Verringerung der Stör
impulse ergibt.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner einen neuartigen hochli
nearen Transkonduktor. Dieser Transkonduktor erhält die hohe
Linearität, indem er zwei differentielle Paare verwendet, von denen
jedes nicht notwendigerweise eine hohe Linearität oder eine Lineari
tät aufweisen muß, die mit derjenigen des sich ergebenden Trans
konduktors vergleichbar ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprü
che 1, 6, 8, 9, 10, 12 bzw. 13 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen ausgeführt.
Erfindungsgemäße Transduktoren können unter Verwendung entwe
der der Bipolar- oder der CMOS-Verfahrenstechnik hergestellt wer
den. Der erste Transkonduktor kann vorzugsweise durch Kombinie
ren einer Vielzahl von differentiellen Paaren gebildet sein, die jeweils
die gleichen Parameter-Charakteristiken aufweisen wie diejenigen
des zweiten differentiellen Paars. Besteht das erste Transkonduktor
paar aus mehreren differentiellen Paaren, welche dieselben
Parameter-Charakteristiken aufweisen wie das zweite Paar, und die
parallel miteinander verbunden sind, ist das Anpassen erheblich
vereinfacht und es ergäben sich geringere Fehler.
Ferner kann der Strommodus-D/A-Wandler eine D/A-Wandlerschal
tung vom Widerstandstyp und mehrere Transkonduktoren aufweisen.
In diesem bevorzugten Fall kann die einzelne D/A-Wandlerschaltung
vom Widerstandstyp von dem Typ sein, der für weniger als die An
zahl der tatsächlichen digitalen Eingangsbits vorgesehen ist. Dies ist,
beispielsweise für ein 12-Bit-Digitalsignal, ermöglicht, indem ver
schiedene Bereiche einer einzelnen 7-Bit-DAC-Schaltung vom Wider
standstyp verwendet werden.
Ferner können mehrere Einzelwiderstand-D/A-Wandlerschaltungen
und mehrere Transduktoren verwendet werden. Diese D/A-Wandler
schaltungen vom Widerstandstyp und diese Transduktoren, bilden
mehrere Paare, von denen jedes eine D/A-Umwandlung von mehre
ren Bits eines digitalen n-Bit-Eingangssignals durchführen kann.
Beispielsweise würde ein 10-Bit-Eingangssignal in zwei Teile geteilt
(S Bits pro Paar), ein 12-Bit-Eingangssignal würde in drei Teile geteilt
(4 Bits pro Paar) und ein 15-Bit-Eingangssignal würde ebenfalls in
drei Teile geteilt (S Bits pro Paar). Andere Kombinationen sind mög
lich.
Bei dem zuvor beschriebenen Transkonduktor beträgt das Verhältnis
des Übertragungsleitwerts des ersten differentiellen MOS-Transistor
paars zu demjenigen des zweiten differentiellen MOS-Transistorpaars
etwa acht zu eins, und das Verhältnis des Signalspannungseingangs
in das erste differentielle MOS-Transistorpaar zum Eingang in das
zweite differentielle MOS-Transistorpaar kann etwa zwei zu eins
betragen. In diesem Fall kann die Kapazität der mit dem ersten
differentiellen Transistorpaar verbundenen Stromquelle das Acht
fache der Kapazität der mit dem zweiten differentiellen Transistor
paar verbundenen Stromquelle betragen. Vorzugsweise besteht die
Stromquelle des ersten Paares aus acht Stromquellen, die jeweils
dieselben Charakteristiken haben wie diejenigen der Stromquelle des
zweiten differentiellen Transistorpaares und die miteinander parallel
verbunden sind. Gleichermaßen kann das erste differentielle Transi
storpaar aus mehreren Transistorpaaren bestehen, wobei jeder
Transistor dieselben Parameter-Charakteristiken hat wie sie bei dem
zweiten differentiellen Transistorpaar verwendet werden. Erneut
wäre das Anpassen einfacher, wenn dieselben Transistoreinheiten zur
Bildung von Stromquellen von unterschiedlichen Kapazitäten verwen
det würden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungs
beispiele unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen be
schrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen D/A-Wandlers.
Fig. 2 den Schaltungsaufbau eines anderen Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Strommodus-D/A-Wandler, bei dem k
Widerstands-DAC und k Transkonduktoren kombiniert sind.
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Strommodus-D/A-Wandlers nach
einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Strommodus-D/A-Wandlers gemäß
einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, welcher drei
Transduktoren einen 7-Bit-Widerstands-DAC aufweist, der funktions
mäßig zu den drei 4-Bit DAC in Fig. 3 äquivalent ist.
Fig. 5 ein vereinfachtes Diagramm eines Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Transduktors.
Fig. 6 ein Schaltbild zur Darstellung des Prinzips eines herkömm
lichen einendigen Binär-D/A-Wandlers.
Fig. 7 ein anderes Schaltbild zur Darstellung des Prinzips eines her
kömmlichen einendigen Binär-D/A-Wandlers.
Wie in Fig. 1 dargestellt, weist ein Grundausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Strommodus-DAC 1 eine Widerstands-DAC-
Schaltung 2 mit einer Digitaldekodierschaltung 3 und einem hoch
linearen Transkonduktor 4. Wenn ein n-Bit Digitalsignal von links
eingegeben wird, wählt die n-Bit Digitaldekodierschaltung 3 eines von
2n Paaren von Schaltern in Reaktion auf das Eingangssignal aus. Die
hier verwendete Digitaldekodierschaltung 3 ist dem Fachmann auf
diesem Gebiet bekannt und wird daher nicht weiter beschrieben.
Wenn einer der 2n Schalterpaare eingeschaltet ist (da differentielle
Paare gebildet sind, sind für jedes Paare zwei Schalter erforderlich),
werden Ausgangsspannungen, die einer von 2n differentiellen Span
nungen im Bereich von (Vref + - Vref -) bis (Vref - - Vref +) entsprechen, aus
der Widerstands-DAC-Schaltung 2 über 2n in Reihe geschaltete Wi
derstände 5 derselben Größe ausgegeben. Diese Ausgangsspannun
gen werden durch den im folgenden näher beschriebenen hoch
linearen Transkonduktor 4 in einen Stromausgang umgewandelt. N
Fig. 1 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur vier Schalter und
vier Widerstände gezeigt, jedoch beträgt die Zahl der vorgesehenen
Schalter und Widerstände 2 n.
In Fig. 2 ist ein bevorzugt für einen hochauflösenden DAC geeignetes
Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem eine relativ
große Zahl von Eingangsbits vorgesehen ist. Dieser DAC hat k hoch
lineare Transkonduktoren 11. Der Aufbau der Transkonduktoren 11
wird im folgenden beschrieben. Jeder Transduktor 11 kann eine
analoge Eingangsspannung in einen differentiellen Strom mit hoher
Linearität umwandeln. Dieser differentielle Strom (Im + - Im -) (m = 1,
. . . , k) ist zu einem Wert des entsprechenden Eingangsbits propor
tional. Der Ausgang der Widerstands-DAC-Schaltung 13, welche eine
Digitaldekodierschaltung 12 aufweist, der das Digitalsignal als Ein
gangsignal zugeführt wird, wird dem Eingang dieses Transkonduktors
11 über Schalter zugeleitet.
Wird in einem n-Bit DAC ein einzelner Transkonduktor verwendet,
benötigt ein Digitaldekodier 2 n Ausgänge zum Steuern von 2 × 2n
Schaltern. Wenn n gleich 10 ist, sind 1024 Signale und 2048 Schalter
erforderlich. Dies ist im Hinblick auf die erforderliche Hardwaremenge
nicht realistisch. Ein noch größeres Problem ist die Größe des Wider
standsarrays. Wenn beispielsweise n gleich 10 ist, sind 1024 Wider
standseinheiten erforderlich. Abgesehen von dem Problem der Hard
waremenge kann ein derartiger Anstieg in der Zahl der Widerstände
in dem Widerstandsarray zu einer fatalen Verschlechterung der
Linearität führen.
Daher werden n Bits in mehrere Gruppen unterteilt, und zwar in
einer beliebigen Weise, die von einem Kompromiß zwischen der
Linearität und der Hardware abhängt. Es wird eine Kombination von
Transduktoren und Widerstands-DAC-Schaltungen verwendet, die für
jede jeweilige Gruppe geeignet ist. In Fig. 2 gilt n = n1 + n2 + . . . +
nk für ein n-Bit Eingangssignal.
Erfindungsgemäß können mehrere Transduktoren beispielsweise in
einem 12-Bit DAC verwendet werden. Bei dem in Fig. 3 dargestellten
Beispiel werden drei Transkonduktoren 21, 22 und 23 verwendet (k
= 3). In diesem Fall wandelt jeder Transduktor ein 4-Bit Datensignal
in ein Differenzsignal um. Wie in Fig. 3 gezeigt, ist ein 12-Bit Ein
gangsdatensignal in Signale mit vier höchstwertigen Bits (MSB), vier
Bits mittlerer Wertigkeit (MidB) und vier geringstwertigen Bits (LSB)
unterteilt, und jedes 4-Bit Signal wird schließlich von einem Trans
konduktor in ein analoges Ausgangssignal umgewandelt. Infolgedes
sen werden nur sechzehn Widerstände in dem Widerstandsarray für
jede der drei Widerstands-DAC-Schaltungen 24, 25 und 26 verwen
det, so daß die Zahl der Schalter für jeden Wandler auf 32 reduziert
werden kann.
Daher ist der zuvor erwähnte differentielle Ausgangsstrom ΔI1 = I1 + -
I1 - proportional zu einem Wert dieser vier höchstwertigen Bits; und
der differentielle Ausgangsstrom für die nächsten vier Bits ist ΔI2 =
I2 + - I2 -. Das gleiche gilt für die dritten vier Bits. Die hohe Linearität
des im folgenden beschriebenen Transduktors gewährleistet das
Anpassen der vier Bits; für welche derselbe Transkonduktor verwen
det wird: Tatsächlich ist das Anpassen der Widerstände der ein
schränkende Faktor für die Linearität. Das Erhöhen der Anzahl von
Bits in oberen Transkonduktoren verbessert somit die Linearität.
Wenn sämtliche Transkonduktoren dieselbe Transkonduktanz (Gm1 =
Gm2 = Gm3) aufweisen, sind in diesem Fall entweder nur 212
Widerstands-DAC und zugehörige Digitaldekodierschaltungen er
forderlich, oder die Widerstands-DAC-Schaltungen müssen unter
schiedliche Referenzspannungen Vref +'s Und Vref -'s aufweisen. Es ist
nahezu unmöglich, verschiedene Spannungen Vref + und Vref - mit der
erforderlichen Genauigkeit zu erzeugen. Wenn unterschiedliche
Spannungen Vref + und Vref - erzeugt werden könnten und mehrere
Widerstands-DAC-Schaltungen mit 24 (= 16) Widerständen verwendet
werden, ist die Größe jeder Schaltung erheblich kleiner als zur Ver
wendung einer Widerstands-DAC-Schaltung mit 212 (= 4096) Wider
ständen erforderlich. Daher werden erfindungsgemäß unterschiedli
che Werte von Gm verwendet. Beispielsweise wurde die Kombination
Gm1 = 4Gm2 = 32Gm3 verwendet. Selbstverständlich können Entwick
ler je nach Erfordernis eine beliebige andere Anzahl von Transkon
duktoren, andere Transkonduktanzverhältnisse; andere Größen von
Digitaldekodierschaltungen etc. wählen; jedoch wird die genannte
Auswahl von Werten für Gm wegen der Leichtigkeit der Implementie
rung und der optimalen Hardwaremenge bevorzugt.
Wenn der gesamte Differenzstromausgang ΔI ist, dann wird ΔI wie
folgt ausgedrückt:
Unter Berücksichtigung des Verhältnisses von Gm1 = 4Gm2 = 32Gm3
kann dieser Ausdruck wie folgt vereinfacht werden:
Dies ist ein feststehender Ausdruck für einen 12-Bit Strommodus-
DAC.
Dieses Verhältnis soll im folgenden weiter betrachtet werden. Die
drei 4-Bit Widerstands-DAC-Schaltungen können kombiniert werden
und sind somit der Verwendung von unterschiedlichen Bereichen
einer 7-Bit Widerstands-DAC-Schaltung äquivalent. Bei Gm1 = 32, wie
zuvor erwähnt, beträgt das Verhältnis der maximalen Transkonduk
tanz zur minimalen Transkonduktanz 32 (= 25) zu 1. Die Größe eines
Widerstandsarrays in den Widerstands-DAC-Schaltungen kann somit
von 4096 auf 128 (= 27) verringert werden. Von den 128 Ausgängen
des 7-Bit Widerstands-DAC können die aufeinanderfolgenden 16
Ausgänge in der Mitte der Widerstandskette (Abgriffstellen 56 bis 72)
für Gm3 verwendet werden, jeder vierte Ausgang in der Mitte der
Widerstandskette (Abgriffstellen 32 bis 96) bis zum vierundsechzig
sten Ausgang kann für Gm2 verwendet werden, sowohl Haupt- und
Nebenpaare (die Zahl der zu verwendenden Ausgänge beträgt 16),
und jeder achte Ausgang, 16 an der Zahl, kann für Gm1 verwendet
werden, wobei dieselben Abgriffstellen für das Hauptpaar von Gm3
und jede zweite Abgriffstelle (Abgriffstellen 48 bis 80) für das Neben
paar von Gm3, jede vierte Abgriffstelle (Abgriffstellen 32 bis 96) für
das Hauptpaar von Gm1 und jede achte Abgriffstelle (Abgriffstellen 1
bis 128) für das Nebenpaar von Gm1 verwendet wird. Somit können
die Widerstands-DAC skaliert und kombiniert werden. Bei einem 12-
Bit Eingangssignal können drei in Fig. 3 dargestellte Widerstands-
DAC 24, 25, 26 durch eine 7-Bit Widerstand-DAC-Schaltung 27
gemäß Fig. 4 ersetzt werden.
Es sei darauf hingewiesen, daß eine Schaltung mit einem Wider
standsarray von 4096 Widerständen hinsichtlich der Größe in der
Praxis nicht sinnvoll ist. Eine Schaltung mit einem Array von 128
Widerständen kann relativ leicht hergestellt werden und die Linearität
sowie das Anpassen ist im Vergleich mit einem großen Widerstands
array von beispielsweise 4096 Widerständen erheblich verbessert.
Die gleichen Überlegungen gelten für Schalter und andere Logik
schaltungen.
Ferner werden, wie im folgenden ausgeführt, zwei Spannungen (bei
im nachfolgenden Ausführungsbeispiel ein Spannungsverhältnis von
zwei zu eins aufweisen) in einem Transkonduktor verwendet, der
zwei Transkonduktorschaltungen (differentielle Paare) mit zwei ver
schiedenen Parametersätzen aufweist. Die zuvor genannten 7 Bits
sollten daher auf 8 Bits erhöht werden, wobei ein Bit aufgrund der
vom Nebenpaar des Transkonduktors benötigten höheren Spannung
(VB + und VB - in Fig. 5) hinzugefügt wird. Bei einem Transkonduktor
mit der geringsten Transkonduktanz ist jedoch bekannt, daß das
differentielle Anlegen von Eingangsspannungen problemlos entfallen
kann (das heißt, daß in jedem Schritt die an nur eine Seite eines
differentiellen Paares angelegte Spannung verändert wird), so daß 7
Bits oder 128 Widerstände unter Wegfallen dieses einen Bits verwen
det werden können.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 wird eine einzelne
Widerstands-DAC-Schaltung 27 mit 128 Widerständen und (2 × 2 × 16)
× 3 (= 196) Schaltern sowie drei Transkonduktoren 21, 22, 23 ver
wendet.
Die Zahl der Schalter wird wie folgt berechnet. Bei einem erfindungs
gemäßen Transkonduktor sind zwei (nicht notwendigerweise sehr
hoch-lineare) Transkonduktorschaltungen miteinander kombiniert,
um eine hohe Linearität zu erreichen. Diese beiden Transkonduktor
schaltungen werden als die Haupttranskonduktorschaltung und die
Nebentranskonduktorschaltung bezeichnet. Für jeden Zustand der
Transkonduktorschaltungen sind aufgrund ihrer differentiellen Struk
tur zwei Schalter vorgesehen; in jeder kombinierten linearen
Transkonduktorschaltung sind zwei Transkonduktoren vorgesehen;
jede Seite eines jeden Transkonduktors hat sechzehn Zustände.
Somit erfordert jeder lineare Transkonduktor 64 Schalter. Diese
Schalter existieren für jeden der drei Transkonduktoren, so daß sich
die Zahl der Schalter auf insgesamt 192 verdreifacht.
Bei einem erfindungsgemäßen DAC kann daher die Hardwaremenge
drastisch verringert werden; die Linearität wird verbessert, die Men
ge der erforderlichen Energie wird verringert und die Reaktions
geschwindigkeit steigt. Ein Transkonduktor wird nie vollständig abge
schaltet, wodurch schnelle Reaktionen auf Eingangssignale ermöglicht
werden.
Gm-Verhältnisse, die Zahl der Widerstände, die Zahl der Schalter und
dergleichen, die im Vorhergehenden angegeben wurden, können und
sollten frei unter verschiedenen Bedingungen gewählt werden und
sind nicht auf das angeführte Beispiel beschränkt. Wenn die Zahl der
Eingangsbits vorgegeben ist, sollten Entwickler die Zahl der Trans
konduktoren, die Transkonduktanzverhältnisse und andere diesen
entsprechende Schaltungsparameter unter Berücksichtigung ver
schiedener Faktoren entsprechend dem Zweck der Schaltungen
beliebig wählen.
Im folgenden wird ein erfindungsgemäßer hoch-linearer Transkon
duktor beschrieben. Es ist schwierig und komplex einen linearen
CMOS-Transkonduktor mit herkömmlichen Verfahren herzustellen.
Ferner verwendet ein derartiger Transkonduktor Rückkopplung, was
oft zu langsamen Reaktionen führt.
Der Aufbau eines erfindungsgemäßen Transkonduktor basiert auf
einem einfachen mathematischen Konzept, so daß er linear arbeiten
kann. Er kann mit einer Widerstandsschaltung ausgebildet sein.
Wenn beispielsweise ΔVin in ein erstes Paar (Hauptpaar) eingeleitet
wird, kann einem zweiten Paar (Nebenpaar) eine Differenzspannung
von 2ΔVin zugeleitet werden. Ein Verhältnis von genau eins zu zwei
kann leicht erreicht werden, indem einfach das Ausgangssignal eines
Digitaldekodiers an zwei unterschiedliche Schaltersätze angelegt
wird, wobei ein Satz hintereinander mit Widerstandsabgriffstellen und
der andere Satz mit jeder zweiten Abgriffstelle der zuvor erwähnten
Widerstands-DAC-Schaltung verbunden ist. Es sei darauf hingewie
sen, daß dieser DAC 2 × 2n Widerstände erfordert. Für dieses Verhält
nis kann ein beliebiger Wert verwendet werden, das heißt, eine
ganze Zahl wie drei oder vier. Jedoch ist auch die einfachste Zahl,
nämlich 2, bei der Vereinfachung der Struktur einer Widerstands
schaltung zum Teilen von Eingangsspannungen effizient nutzbar,
weshalb sie bevorzugt wird.
Ein Beispiel für den Aufbau des erfindungsgemäßen Transduktors
ist in Fig. 5 dargestellt. In Fig. 5 beträgt das Verhältnis der an zwei
Transkonduktorschaltungen angelegten Spannungen zwei, wie zuvor
beschrieben, oder 2(VA + - VA - = VB + - VB -, wobei VA + und VA - an die
Haupttranskonduktorschaltung angelegte Spannungen und VB + sowie
VB - die Spannungen der Nebentranskonduktorschaltung sind. Dies
läßt sich einfach durch eine (nicht dargestellte) Widerstandsschaltung
erreichen. Es sie zunächst darauf hingewiesen, daß die beiden diffe
rentiellen Paare 31 und 32 in Fig. 5 miteinander bei entgegengesetzter
Polarität verbunden sind. Bei dem ersten differentiellen Paar 31
beispielsweise, ist der Drain eines Transistors 35, an den VA - mit
einer bestimmten Polarität angelegt wird, mit dem Drain eines Tran
sistors 36 verbunden, an den VB + mit entgegengesetzter Polarität
angelegt wird. Das Gleiche gilt für die Transistoren 37 und 38.
Das Transkonduktanzverhältnis zwischen einem Paar von MOS-
Transkonduktorschaltungen 31 und 32 beträgt 8(W/L) zu W/L, oder
acht zu eins, wobei W die Kanalbreite eines Transistors und L die
Kanallänge eines Transistors angibt. Somit beträgt das Kapazitäts
verhältnis zwischen einer mit dem ersten differentiellen Paar 31
verbundenen Stromquelle und einer mit dem zweiten differentiellen
Paar 32 verbundenen Stromquelle acht zu eins, was dem Trans
konduktanzverhältnis entspricht. Beim Einsatz in realen MOS-Schal
tungsdesigns wird die Transkonduktorschaltung 31 vorzugsweise
durch paralleles Verbinden von acht Transkonduktorschaltungen mit
einer Größe von W/L gebildet, wie in Fig. 5 angedeutet. Der Grund
hierfür ist, daß eine Verwendung derselben Einheiten der differentiel
len Paare für beide Transkonduktorschaltungen das Anpassen erheb
lich verbessert. Das zuvor genannte Transkonduktanzverhältnis kann
auf folgende Weise gewählt werden.
Wenn das große Signal Gm eines differentiellen Transkonduktors
erweitert wird, ist Gm eine Funktion des Eingangssignals ΔV. Differen
tielle Transkonduktorschaltungen arbeiten bei ΔV differentiell, so daß
ein Term ΔV in ungerader Potenz in der Erweiterung von Gm be
züglich ΔW nicht enthalten ist.
Daher gilt Gm = Gmo (1 + a3ΔV2 + a5ΔV4 + . . .), wobei gmo die Trans
duktanz eines kleinen Signals bezeichnet: Für einen zuvor beschrie
benen linearen Transkonduktor gilt
ΔIout total - Gm pΔV - 2Gm nΔV
Diese Gleichung reflektiert die Tatsache, daß der Widerstands-DAC
derart ausgebildet ist, daß, wenn ΔVin in das erste differentielle Paar
eingeleitet wird, eine Spannung von 2ΔVin an das zweite differentielle
Paar angelegt wird, wie zuvor bereits erwähnt. Ferner sind das erste
und das zweite differentielle Paar, wie in Fig. 5 gezeigt, miteinander
bei entgegengesetzter Polarität verbunden. Infolgedessen ergibt sich
der Gesamtstrom aus der Differenz zwischen dem durch das erste
differentielle Paar und dem durch das zweite differentielle Paar lau
fenden Strom.
Daher wird Gm total wie folgt ausgedrückt:
Gm total = Gm p - 2Gm n
wobei Gm p die Transkonduktanz des ersten differentiellen Paares und
Gm n die Transkonduktanz des zweiten differentiellen Paares angibt. In
anderen Worten: der Index "p" gibt das differentielle Hauptpaar an,
während der Index "n" das differentielle Nebenpaar bezeichnet.
Darüber hinaus gilt, wenn gmo p = 8 gmo n oder gmo n = gmo n/8, dann
Gm total = gmo p (1 + a3 ΔV2 + a5ΔV4 + . . .)
-2 gmo p/8 (1 + a3 (2AV)2 + a5 (2ΔV)4 + . . .)
= 3gmo p/4(1-3a5(ΔV)4 - 15a7 (ΔV)6 . . .)
≈ 3mo p/4
und
ΔItotal = Gm totalΔV = 3gmo p/4 (ΔV - 3a5(ΔV)5 - 15a7(ΔV)7 . . .)
≈ 3/4gmo p ΔV
-2 gmo p/8 (1 + a3 (2AV)2 + a5 (2ΔV)4 + . . .)
= 3gmo p/4(1-3a5(ΔV)4 - 15a7 (ΔV)6 . . .)
≈ 3mo p/4
und
ΔItotal = Gm totalΔV = 3gmo p/4 (ΔV - 3a5(ΔV)5 - 15a7(ΔV)7 . . .)
≈ 3/4gmo p ΔV
Es ergibt sich ein Term, der von ΔV unabhängig ist und feststeht. Da
sich die a3 enthaltenden Terme gegenseitig aufheben, und a5 norma
lerweise extrem klein ist, so daß Terme, die a5, a7 usw. enthalten,
ignoriert werden können, ist die Annäherung gemäß der obigen
Gleichung hinreichend. Das gesamte Gm ist nunmehr auf 3/4 von gmo p
verringert, was bedeutet, daß ein geringer Verlust an Effizienz zu
gunsten der Linearität eingetreten ist. Es sei darauf hingewiesen, daß
die Auswirkungen geradzahliger Harmonischer sich aufgrund der
differentiellen Struktur aufheben und die Effekte der dritten Harmo
nischen vollständig aufgehoben werden. Ferner sind die fünfte Har
monische und darüber hinausgehende ungeradzahlige Harmonische
erheblich schwächer als die dritte Harmonische und können praktisch
vernachlässigt werden. Eine als hoch-linearer Transkonduktor selbst
für starke Eingangssignale dienende Schaltung kann daher unter
Verwendung eines einfachen Wertes von Gm p / Gm n = 8 gebildet
werden. Wenn die Effekte der fünften Harmonischen ebenfalls aufge
hoben werden sollen, sollten Gleichungen für jedes der Verhältnisse
der in das erste und das zweite differentielle Paar eingeleiteten
Spannung (im vorliegenden Beispiel eins zu zwei) und mit dem Ver
hältnis von gm n zu gm p (eins zu acht im vorliegenden Beispiel) als
Variable gelöst werden, und zwar unter Bedingungen, die einen Term
der fünften Harmonischen eliminieren. Dies liefert einen Wert für
jede dieser Variablen. Werden dies Werte verwendet, können auch
die Auswirkungen der fünften Harmonischen aufgehoben werden.
Dies führt zu einer höheren Linearität, jedoch auch zu einer kom
plexeren Schaltungsstruktur.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung können die Transkon
duktoren vorzugsweise unter Verwendung von Schaltungseinheiten
gebildet werden, die aus einem differentiellen Paar bestehen. Eine
derartige Verwendung von Schaltungseinheiten ermöglicht eine
genauere Anpassung der Gm-Verhältnisse in tatsächlichen Schal
tungsdesigns. In einem zweiten Transkonduktor (Gm2) werden acht.
Schaltungseinheiten für die Haupttranskonduktorschaltung plus einer
Schaltungseinheit für die Nebentranskonduktorschaltung verwendet;
im ersten Transkonduktor (Gm1) werden 32 Schaltungseinheiten für
die Haupt- und 8 Schaltungseinheiten für die Nebentranskonduktor
schaltungen verwendet; schließlich wird eine Schaltungseinheit für
die Haupttranskonduktorschaltung und ein Achtel Schaltungseinheit
für die Nebentranskonduktorschaltung eines dritten Transkonduktors
(Gm3) verwendet, welcher der kleinste ist und LSB-Bits entspricht (in
diesem Fall 4 Bits). Eine Schaltungseinheit, zum Beispiel, weist ein
Transistorpaar auf, das als Transkonduktoreinheit und Stromquellen
einheit wirkt. Derartige Schaltungseinheiten sind üblicherweise an
beiden Ein- und Ausgängen parallel verbunden. Im Vergleich mit
einer vollen Schaltungseinheit ist die Herstellung einer Achtel-Schal
tungseinheit schwierig und bringt oft ungenaue Parameterwerte.
Jedoch ergeben sich in der Tat keine wesentlichen Probleme aus der
Verwendung einer Achtel-Schaltungseinheit, da sie nur für LSB ver
wendet wird. Es handelt sich hierbei lediglich um eine Vereinfachung
zum leichteren Entwerfen und Herstellen von Schaltungen. Wenn
eine größere Genauigkeit erforderlich ist, oder andere Bedingungen
erfüllt werden, kann eine beliebige Zahl von Schaltungseinheiten
verwendet werden, oder es werden Schaltungseinheiten nicht ver
wendet, solange vorbestimmte Transkonduktanzverhältnisse erreicht
werden können.
Eine Schaltung gemäß dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel der
Erfindung wurde unter Verwendung des herkömmlichen 0,6 µm
Digital-CMOS-Verfahrens hergestellt. Die Zahl der Eingangsbits
betrug 12. Diese Eingangsbits wurden in drei Gruppen unterteilt,
wobei für jede Gruppe eine Widerstands-DAC-Schaltung und ein
Transkonduktor verwendet wurde. Eine Fläche von 0,72 mm2 war für
die erfindungsgemäße Schaltung erforderlich; die Ansteuerspannung
betrug 5 V; der Energieverbrauch lag bei 350 mW; die integrale
Nichtlinearität (INL) betrug ± 2 LSB; die differentielle Nichtlinearität
(DNL) betrug ± 1 LSB. Die Schaltung arbeitete selbst bei einer Takt
rate von 400 MHz im Datendurchlaßmodus. Es wurde ein Tektronix
2030 (ein 8-Kanal-Strukturgenerator) mit der kürzesten Anstiegs-
und Abfallszeit von 2,9 Nanosekunden verwendet. Die mit 4-Bit LSB
an Masse liegend durchgeführte Messung ergab ein THD von -54 dB,
welches ein nahezu ideales Ergebnis für einen 8-Bit DAC darstellt.
Für den Takt wurde ein Tektronix 2040 (2-Kanal-Strukturgenerator)
verwendet.
Claims (20)
1. Strommodus-D/A-Wandler (1) mit:
- - einer Widerstands-D/A-Wandlerschaltung (2) mit einer Digitaldeko dierschaltung (3), die ein digitales Eingangssignal empfängt, mehre ren Schaltern, die entsprechend Ausgangssignalen der Digitaldeko dierschaltung (3) ein- und ausgeschaltet werden, und mehreren in Reihe geschalteten Widerständen (5), wobei die jeweiligen Schal tungsknotenpunkte der Widerstände (5) über die Schalter mit Aus gangsanschlüssen der Widerstands-D/A-Wandlerschaltung (2) verbunden sind; und
- - einem hochlinearen Transkonduktor (4) zum Empfangen. einer Ausgangsspannung von der Widerstands-D/A-Wandlerschaltung (2) und zum Liefern eines analogen Ausgangsstroms.
2. Strommodus-D/A-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Anzahl der Widerstands-D/A-Wandlerschaltungen
(2) eins und die Anzahl der Transkonduktoren (4) mehr als eins
beträgt.
3. Strommodus-D/A-Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Widerstands-D/A-Wandlerschaltung (2) mehr als
eine Ausgangsspannung ausgibt, von denen jede einen Teil der in
dem digitalen Eingangssignal enthaltenen digitalen Bits wiedergibt.
4. Strommodus-D/A-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Anzahl der Widerstands-D/A-Wandlerschaltungen
(2) eins beträgt, und die Widerstands-D/A-Wandlerschaltung (2) zwei
verschiedene Werte für jedes digitale Eingangssignal ausgibt, welche
ein festes Verhältnis zueinander bewahren.
5. Strommodus-D/A-Wandler nach einem der Ansprüche 1-3, da
durch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Widerstands-D/A-Wandler
schaltungen (2) größer als eins ist.
6. Kombinations-MOS-Transkonduktor mit einem ersten differentiel
len MOS-Transistorpaar und einem zweiten differentiellen MOS-Tran
sistorpaar, die mit entgegengesetzten Polaritäten an Ausgangskno
tenpunkten verbunden sind und unterschiedliche Transkonduktanz
werte aufweisen, und mit unterschiedlichen Stromquellen, die mit
dem ersten bzw. dem zweiten differentiellen Transistorpaar verbun
den sind, wobei Signalspannungen, die an das erste und das zweite
Paar angelegt werden, zu einem Signalspannungseingang in den
Transkonduktor proportional sind, jedoch unterschiedliche Werte
aufweisen.
7. Kombinations-MOS-Transkonduktor nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Transduktanz des ersten
differentiellen Transistorpaars zu derjenigen des zweiten differentiel
len Transistorpaars im wesentlichen acht zu eins beträgt, und daß
das Verhältnis eines Signalspannungseingangs in das erste differen
tielle Transistorpaar zu dem Signalspannungseingang in das zweite
differentielle Transistorpaar im wesentlichen eins zu zwei beträgt.
8. Kombinations-MOS-Transkonduktor mit:
- - einem ersten differentiellen MOS-Transistorpaar mit einer Vor richtungsgröße von W/L, einem Stromquellenwert I und einer Signal eingangspannung; und
- - einer Gruppe von zweiten bis neunten differentiellen MOS-Transi storpaaren, wobei jedes Paar dieselbe Vorrichtungsgröße und densel ben Stromquellenwert, wie das erste differentielle MOS-Transistor paar, und eine Signaleingangsspannung aufweist, die die Hälfte derjenigen des ersten differentiellen MOS-Transistorpaares beträgt, wobei die Polarität der in das erste differentielle MOS-Transistorpaar und in die Gruppe der zweiten bis neunten Paare eingeleiteten Sig nalspannungen jeweils umgekehrt sind, so daß die Stromsignale des ersten Paares und der Gruppe der zweiten bis neunten Paare zuein ander entgegengesetzt sind und voneinander subtrahiert werden.
9. Strommodus-D/A-Wandler mit einem Kombinations-MOS-Trans
konduktor nach einem der Ansprüche 6-8.
10. Widerstands-D/A-Wandlerschaltung zur Ausgabe zweier oder
mehr Ausgangswerte entsprechend einem digitalen Eingangssignal,
wobei zwischen den Ausgangswerten ein festes Verhältnis gegeben
ist.
11. Widerstands-D/A-Wandlerschaltung nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Widerstands-D/A-Wandlerschaltung (2) ein
digitales Eingangssignal empfängt und mehr als eine Gruppe von
Ausgangssignalen mit einem festen Verhältnis ausgibt, und daß jede
der Gruppen von Spannungen zu einem Wert proportional ist, der
einen Teil der in dem digitalen Eingangssignal enthaltenen digitalen
Bits wiedergibt.
12. Strommodus-D/A-Wandler mit einer Widerstands-D/A-Wandler
schaltung (2) nach Anspruch 10 oder 11.
13. Strommodus-D/A-Wandler mit:
- - einer Widerstands-D/A-Wandlerschaltung (2) mit einer Digitaldeko dierschaltung (3), die ein digitales n-Bit Eingangssignal empfängt, wobei n eine ganze Zahl ist, mehreren Schaltern, die entsprechend den Ausgangssignalen der Digitaldekodierschaltung (3) ein- und ausgeschaltet werden, und mehreren in Reihe geschalteten Wider ständen (5), wobei jeweilige Schaltungsknotenpunkte derselben über die Schalter mit jedem Ausgangsanschluß der Digitaldekodierschal tung (3) verbunden ist; und
- - wenigstens einem Transkonduktor (4) nach einem der Ansprüche 6-8 zum Empfangen einer Ausgangsspannung der Widerstands-D/A- Wandlerschaltung (2) und zum Liefern eines Ausgangsstroms.
14. Strommodus-D/A-Wandler nach Anspruch 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Anzahl der Widerstands-D/A-Wandlerschaltungen
(2) eins beträgt und die Anzahl der Transkonduktoren (4), der Digi
taldekodierschaltungen (3) und der entsprechenden Gruppen der
Schalter wenigstens zwei betragen und voneinander unabhängig
sind.
15. Strommodus-D/A-Wandler nach Anspruch 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß n gleich 12 ist, die Anzahl der Widerstands-D/A-Wand
ler (2) eins beträgt und dieser vom 7-Bit-Typ ist, der Widerstands-
D/A-Wandler (2) drei Gruppen von Ausgangsspannungen mit einem
festen Verhältnis zwischen den Werten jeder Gruppe der Ausgänge
aufweist, und die Anzahl der Transkonduktoren (4) drei beträgt.
16. Strommodus-D/A-Wandler nach Anspruch 15, dadurch gekenn
zeichnet, daß jeder Transkonduktor (4) Daten verarbeitet, die 4-Bit
Daten entsprechen, welche durch Teilen des digitalen Eingangs
signals erhalten werden.
17. Strommodus-D/A-Wandler nach Anspruch 15, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Widerstands-D/A-Wandler (2) drei Gruppen von
Ausgängen aufweist, die drei Gruppen von 4-Bit Daten entsprechen,
die durch Teilen des digitalen Eingangssignals erhalten werden, und
daß die drei Kombinations-MOS-Transkonduktoren ein effektives
Transkonduktanzverhältnis von 32 : 8 : 1 aufweisen und jeweils mit
jeder der drei Gruppen von Ausgängen der Widerstands-D/A-Wand
lerschaltung (2) verbunden sind, wobei das Verhältnis der Werte in
jeder Gruppe von Ausgängen der Widerstands-D/A-Wandlerschaltung
(2) zwei beträgt.
18. Strommodus-D/A-Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Widerstands-D/A-Wandlerschaltungen (2) und die
Transkonduktoren (4) Paare bilden, und daß jede der Widerstands-
D/A-Wandlerschaltungen (2) eine D/A-Umwandlung eines Teils der in
einem digitalen n-Bit Eingangssignal enthaltenen Bits durchführt.
19. Strommodus-D/A-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Widerstands-D/A-Wandlerschaltung (2) mehr als
eine Dekodiererschaltung (3) aufweist.
20. Strommodus-D/A-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Widerstands-D/A-Wandlerschaltung (2) drei Deko
diererschaltungen (3) aufweist.
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