DE2010282C3 - Digital-Analog-Umsetzer - Google Patents

Description

Während es allgemein anerkannt ist, daß flexible Rechenanlagen Daten verarbeiten müssen, die in digitaler Form dargestellt sind, werden die Ergebnisse der in solchen Anlagen durchgeführten Rechnungen v, häufig in analoger Form verlangt, z. B. in vielen Anwendungen, in denen die Ergebnisse graphisch angezeigt werden, und a.ich bei den zahlreichen Anwendungen bei der Prozeßsteuerung. Die Arbeitsweise einer klassichen Form eines Umsetzters beruht w> auf der Erzeugung eines genau vorgeschriebenen Strombetrages beim Vorhandensein eines bestimmten digitalen Eingangssignals. Die Summe der so erzeugten Ströme ist daher ein Strom, der den Wert des digitalen Eingangssignals darstellt. Widerstände wurden verwendet, um die Stromstärken der erzeugten Ströme festzulegen. Obgleich ein solcher Umsetzer zufriedenstellend arbeiiei, bereiiei es gewisse SchwiengKeücn, ihn in der Form einer integrierten Schaltung zu realisieren. Für Zwecke der Praxis sollte er nämlich in der Lage sein, ein aus fünf oder mehr binären Signalen bestehendes Eingangssignal zu verarbeiten, was bedeutet, daß die Werte der Widerstände sich in einem weiten Bereich bewegen. So müssen daher zwei ganz bestimmte Formen von Widerständen verwendet werden, nämlich ebene Widerstände und Pinch-Widerstände, andernfalls nehmen einige der Widerstände einen unverhältnismäßig großen Teil der Oberfläche des Substrates ein.

Die Erfindung zeigt einen anderen Weg zur Lösung des aufgezeigten Problems. Der auf ihr beruhende Digital-Analog-Umsetzer, bei dem eine Konstantstromquelle vorgesehen ist, deren Strom in so viele Teilströme aufgeteilt wird als der Umsetzer Eingangsklemmen aufweist, wobei jeder Teilstrom eine Stromstärke aufweist, die dem Gewicht der ihm zugeordneten Stelle des Eingangssignals proportional ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß gemäß der Erfindung die Stromstärke der Teilströme durch mit ihren Emittern parallel an den Ausgang der Konstantstromquelle angeschlossene sogenannte Stromverteilungs-Transistoren bestimmt wird, bei denen das Verhältnis der Emitterflächen dem Verhältnis der Gewichte der diesen Transistoren zugeordneten Stellen des Eingangssignals entspricht, daß der KoHektor jedes der Stromverteilungs-Transistoren, deren Basis-Elektroden alle mit einer gemeinsamen Steuerstromquelle verbunden sind, an die Emitter jeweils zweier, jeweils einen an sich bekannten Stromübernahmeschalter bildender Transistoren angeschlossen ist, und daß die Kollektoren der ersten Transistoren der Stromübernahmeschalter, deren Basis-Elektroden mit den Eingangsklemmen verbunden sind, mit einem ersten gemeinsamen Kollektorwiderstand und die Kollektoren der zweiten Transistoren der Stromübernahmeschalter, deren Basis-Elektroden gemeinsam mit einer zweiten Steuerstromquelle verbunden sind, an einen zweiten gemeinsamen Widerstand angeschlossen sind.

Ein Umsetzer gemäß der Erfindung, der z. B. ein digitales Eingangssignal umsetzt, das aus fünf Binärsignalen besteht, beansprucht ungefähr 25% weniger Substratfläche als ein entsprechender Umsetzer, bei dem Widerstände dafür sorgen, daß genau vorgeschriebene Stromstärken erzeugt werden, selbst dann, wenn die wirtschaftlichste Herstellung der Widerstände angewandt wird, da zu berücksichtigen ist, daß Pinch-Widerstände nicht für Widerstandswerte unter 10 \iQ benutzt werden können und daß sie eine absolute Toleranz von 50% besitzen. Weiter ist zu berücksichtigen, daß eine absolute Toleranz von 15% von Komponenten integrierter Schaltungen, die nicht den Pinch-Effekt ausnutzen, erwartet werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Von den Zeichnungen stellt dar

F i g. 1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispieles eines Digital-Analog-Umsetzers gemäß der Erfindung,

F i g. 2 die Anordnung der Komponenten der Schaltung nach F i g. 1 auf einem Substrat und

Fig. 3 eine Realisierung der Schaltung nach Fig. 1, die der in F i g. 2 gezeigten ähnlich ist.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Digital-Analog-Umsetzers gemäß der Erfindung enthält eine Konstantstromquelle 10, eine Slromverteilungsschaltung 11, eine Stiomübernahmeschaltung 12 und ein

Die Konstantstromquelle 10 enthält die emittergekoppelten Transistoren 15 und 16, deren Basen miteinander und mit dem Kollektor des Transistors 15 verbunden sind, der über einen Widerstand 17 an eine Spannungsquelle angeschlossen ist. Die Emitter der Transistoren 15 und 16 sind mit einer anderen Spannungsquelle verbunden und vom Kollektor des Transistors 16 wird ein konstanter Strom der Siromverteilungsschaltung 11 zugeführt.

Die Stromverteilungsschaltung 11 enthält die den iu Strom verteilenden Transistoren 18, 19, 20, 21 und 22 zusammen mit dem Transistor 23, der den Basen der Transistoren 18 bis 22 eine gemeinsame Vorspannung zuführt Die Emitter der Transistoren 18 bis 22 sind direkt mit dem Kollektor des Transitors 16 verbunden, 1 ^r, während die Kollektoren der Transistoren 18 bis 22 unabhängig voneinander mit der Stromübernahmeschaltung 12 verbunden sind.

Die Stromübernahmeschaltung 12 enthält fünf Paare emittergekoppelter Transistoren 24, 25; 26, 27; 28, 29; 30, 31; 32, 33, wobei die miteinander verbundenen Emitter jedes Paares mit dem Kollektor eines der Transistoren 18 bis 22 verbunden sind. Der Kollektor eines Transistors jedes Paares (Transistoren 24, 26, 28, 30 und 32) ist mit einem Widerstand 13 verbunden und >^r, der Kollektor des anderen Transistors jedes Paares (Transistoren 25, 27, 29, 31 und 33) ist mit einem Widerstand 14 verbunden, während die Basen der letzteren Transistoren 25, 27, 29, 31 und 33 mit einer gemeinsamen Vorspannungsquelle verbunden sind. jo

Bei den Widerständen 13 und 14 handelt es sich um gleiche Widerstände, deren freies Ende an ein gemeinsamens Potential angeschlossen ist.

Die Eingänge des Digital-Analog-Umsetzers sind mit den Basen der Transistoren 24, 26, 28, 30 und 32 y, verbunden und die Analog-Signale können an dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Kollektoren der Transistoren 24, 26, 28, 30 und 32 und an dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Kollektoren der Transitoren 25,27,29,31 und 33 abgenommen werden.

Der dargestellte Digital-Analog-Umsetzer kann ein digitales Eingangssignal umsetzen, das zusammengesetzt ist aus fünf Signalen, die den Binärziffern entsprechen und den Zahlenbereich von 0 bis 31 erfassen und die parallel den Basen der Transistoren 24, π 26, 28, 30 und 32 zugeführt werden. Es wird angenommen, daß das »1«-Bit der Basis des Transistors 24, das »2«-Bit der Basis des Transistors 26, das »4«-Bit der Basis des Transistors 28, das »8«-Bit der Basis des Transistors 30 und das »16«-Bit der Basis des >o Transistors 32 zugeführt wird. In diesem Falle besitzen die Emitterflächen der Transistoren 18, 24 und 25 den Wert A, die Emitterflächen der Transistoren 19, 26 und

27 den Wert 2A, die Emitterflächen der Transistoren 20,

28 und 29 den Wert 4A, die Emitterflächei. der -,-. Transistoren 21, 30 und 31 den Wert 8-4 und die Emitterflächen der Transistoren 22,32 und 33 den Wert Ι6Λ. Daher führen die Kollektoren der Transistoren konstante Ströme der Stärke 1/31 i, 2/31 /4/31 i, 8/31 / und 16/31 i, wobei /der von der Konstantstromquelle 10 gelieferte Strom ist. Wenn das »!«-Bit der Basis des Transistors 24 zugeführt wird, durchfließt ein Strom der Stärke 1/31 /den Widerstand 13 und wenn das »1«-Bit nicht der Basis des Transistors 24 zugeführt wird, durchfließt ein Strom von der Stärke 1/31 / den Widerstand 14. Entsprechendes gilt für jedes der Transistorpaare 26, 27; 28, 29; 30, 31 und 32, 33. Jedes Transistorpaar bildet einen Stromübernahmeschaltef. Es folgt daraus, daß das Vorhandensein von Eingangssignalen, die die Zahl π darstellen (wobei η eine ganze Zahl ist für die gilt: 0< n<31) an den Basen der Transistoren 24, 26, 28, 30 und 32 dazu führt daß ein Strom der Stärke n/31 / den Widerstand 13 und ein Strom der Stärke (31-n>31 / den Widerstand 14 durchfließt Daher kann mit der dargestellten Anordnung ein Analog-Signal, das die Zahl η darstellt, an dem Verbindungspunkt der Kollektoren der Transistoren 24,

26, 28, 30 und 32 mit dem Widerstand 13 und ein Analog-Signal, das die Zahl (3\-n) darstellt an dem Verbindungspunkt der Kollektoren der Transistoren 25,

27, 29,31 und 33 mit dem Widerstand 14 abgenommen werden.

Es sei bemerkt daß ein Differenz-Ausgangssignal zwischen diesen beiden Verbindungspunkten abgenommen werden kann, das eine Spannungsamplitude besitzt, die doppelt so groß ist als diejenige, die an einem Ausgang allein abgenommen werden kann. Nimmt man weiter an, daß die Widerstandswerte gleich sind, beeinflussen Änderungen der Widerstandswerte aufgrund von Temperaturänderungen nur als linearer Faktor das Differenz-Ausgangssignal, dessen Amplitude verändert wird.

Weil es unzweckmäßig wäre, die gesamte Realisierung dieser Schaltung in integrierter Form auf nur einem Substrat 34 darzustellen, gibt das Studium der F i g. 2, die die Transistoren und Widerstände nach F i g. 1 zeigt, einen Begriff von einer Form der Anordnung der Komponenten und von der relativen Größe der verschiedenen Komponenten. Es wird keine Beschreibung gegeben, aber in F i g. 2 sind die gleichen Bezugsziffern wie in F i g. 1 verwendet um die gleichen Komponenten zu bezeichnen. Es ist möglich, die Transistoren der Schaltung nach F i g. 1 in integrierter Form auf nur einem Substrat 34 zu erzeugen und mit ihnen als diskrete Komponenten die Widerstände 13,14 und 17 zu verbinden. Die Widerstände 13 und 14 können gemeinsam eingekapselt sein, was den Vorteil hat, daß Temperaturänderungen beide Widerstände in gleicher Weise beeinflussen.

Es sei bemerkt, daß die Widerstände 13 und 14 keine wesentlichen Teile des Umsetzers darstellen, da ein Analog-Signal in Form einer bestimmten Stromstärke durch Summieren der von den Transistoren 24, 26, 28, 30 und 32 gelieferten Ströme erhalten wird.

Die Emitterflächen der Transistoren 24 bis 33 können alle die gleiche Größe besitzen, obgleich dies im allgemeinen eine Platzverschwendung bedeuten würde. Es ist jedoch notwendig, daß jeder von ihnen den gesamten Strom übernimmt, der von den entsprechenden Transistoren 18 bis 22 geliefert wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Digital-Analog-Umsetzer mit einer Konstantstromquelle, deren Strom in soviel Teilströme aufgeteilt wird als der Umsetzer Eingangsklemmen aufweist, wobei jeder Teilstrom eine Stromstärke aufweist, die dem Gewicht der ihm zugeordneten Stelle des Eingangssignals proportional ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärke der Teilströme durch mit ihren Emittern parallel an den Ausgang der Konstantstromquelle angeschlossene sogenannte Stromverteilungs-Transistoren (18, 19, 20, 21, 22; Fig. 1) bestimmt wird, bei denen das Verhältnis der Emitterflächen dem Verhältnis der Gewichte der diesen Transistoren zugeordneten Stellen des Eingangssignals entspricht, daß der Kollektor jedes der Stromverteilungs-Transistoren, deren Basis-Elektroden alle mit einer gemeinsamen Steuerstromquelle (23) verbunden sind, an die Emitter jeweils zweier, jeweils einen an sich bekannten Stromübernahmeschalter bildender Transistoren (24, 25; 26, 27; 28, 29; 30, 31; 32, 33) angeschlossen ist, und daß die Kollektoren der ersten Transistoren (24, 26, 28, 30, 32) der Stromübernahmeschalter, deren Basis-Elektroden mit den Eingangsklemmen verbunden sind, mit einem ersten gemeinsamen Kollektorwiderstand (13) und die Kollektoren der zweiten Transistoren (25, 27, 29, 31, 33) der Stromübernahmeschalter, jo deren Basis-Elektroden gemeinsam mit einer zweiten Steuerstromquelle verbunden sind, an einen zweiten gemeinsamen Widerstand (14) angeschlossen sind.

2. Digital-Analog-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromquelle, (10, Fig. 1) die Stromverteilungs-Transistoren und die Stromübernahmeschalter als integrierte Schaltung auf dem gleichen Substrat realisiert sind.

3. Digital-Analog-Umsetzer nach Anspruch 1, 4ü dadurch gekennzeichnet, daß die den Transistoren der Stromübernahmeschalter gemeinsamen Widerständen den gleichen Wert besitzen.

4. Digital-Analog-Umsetzer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Transistoren der Stromübernahmeschalter gemeinsamen Widerstände als diskrete Widerstände ausgeführt sind.