DE2014786A1 - Digital-Analog-Umsetzer - Google Patents

Description

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Patentaimiite .

ng-aWalladi.· 26.hrz.1970

Dipl. Ing. G. Koch . Dr. T. Haibach

8 München 2

Kaufi09erstr.8,Tel.24O27ö

12 514 - Wg/Hi

Beckmann Instrumente, Iac«, Fullerton, Galif./USA Digital-Analog Umsetzer

Die Erfindung besieht sioh auf einen Digital-Analog Umsetzer, bei welchem Digitalsohalter in integrierter Schaltungeteoh« nik bei der Umwandlung eines Digitalsignals in eine analoge Ausgangsspannung verwendet werden. -

Digital-Analog Umsetzer (DAO) werden in erster Linie In Datenanzeigesyetemen benutzt. Digital-Analog Umsetzer arbeiten aufgrund von digitalen Wortausgangsgrößen eines digitalen Datensystems, wie beispielsweise eines Rechners, und wandeln diese Größen in Analogspannungen um, die auf Oszllloskopen, Oszillographen und Schreibern aufgezeichnet werden. Durch diesen Übergang von einem schwer zu lesenden Digitalkode auf einen leicht zu interpretierenden sichtbaren Höhtstrahl, Lichtfleck, auf eine Feder oder Linie oder eine

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ähnliohe Lageanzeige wird, die Beobachtung erleichtert.

Ein anderes Anwendungsgebiet fUr den Digital-Analog Umsetzer ist ein digitaler Funktionsgenerator, wo.ein gewUneohtee Analogsignal infolge eines vorgegebenen Digitalprogramms erzeugt wird.

Ein typischer Digital-Analog Umsetzer verwendet digitale Worteingangsgrößen, um genaue Analogschalter zu schalten. Damit der Digital-Analog Umsetzer genau arbeitet, sollten die Schalter im leitenden Zustand eine vernaohläeslgbare Sättigungsspannung haben und im nicht leitenden Zustand sollten sie einen sehr niedrigen Wert des Versetzungs- oder Leckstromes besitzen» Zudem eoltte der Widerstand beim Leiten klein und im nicht leitenden Zustand sehr groß sein. Die Schaltwirkung eines derartigen Sohalters sollte unmittelbar dem Anstieg oder Abfall einer Steuerschaltspannung folgen.

Bei bekannten Digital-Analog Umsetzern werden diese Erfordernisse mit unterschiedlichem Erfolg duroh typisohe Analogschalter erreicht, wie beispielsweise duroh bipolare Flächentransistoren (BJT « bipolar junction transistors), Sperreohioht-Feldeffekt-Traneistoren (J-FET m junction field effect transistors) und Metalloxydhalbleiter-Feldeffekt-Translstoren (NOSFET * metal oxide semiconductor field effect transistors).

Die meisten Digital-Analog Umsetzer-Anwendungsfälle erfordern eine geringe Größe und niedrige Kosten} es wäre deshalb zweckmäßig, für den Konstrukteur eine billig· Analogschalteranordnung in integrierter Schaltungsteohnik (10) verfügbar zu machen. Derartige billige IC-Analogsohalter Bind jedoch nicht verfügbar.

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BJT-Analogeohalter werden selten wegen der Kosten als monolitt&eohe integrierte Schaltungen aufgebaut.

Sa die SpannungBauBgangspegel der meisten logischen Schaltungen zu klein sind, um einen J-PET-Schalter anzusteuern« wird normalerweise ein Ansteuerverstärker als Zwischenglied zwischen einer logischen integrierten Schaltung und dem J-PBT verwendet. Die sich ergebende Anordnung besteht sowohl aus integrierten Schaltungen als auch aus diskreten Komponenten, so daß es schwer ist, eine geringe Größe zu erreichen.

DerMOSP

SPET ist für monolithische integrierte Schaltungen

Verglichen mit bipolaren" integrierten Schaltungen können wesentlich mehr HOSPET in einer integrierten Schaltung untergebracht werden, wobei weniger als ein Drittel der Yerfahrenssehritte erforderlich sind. Das Betriebeverhalten iat jedoch schlechter als mit J-PETVs, da sioh der Widerstand mit der Steuer- und Signalspannung ändert, der Leokstrom zehnmal größer ist, eine größer® Steuerepatmung benötigt wird und das gemeinsame Substrat einer integrierten Sohaltung mit NOSPET Vorspanmingsproblerao aufwirft· Daher hat der Konstrukteur für billige vielseitige Schaltungsentwurf® keinen Präaieions-Analogeohalter in integriBter SchaltungBteohnik eur Band, der Yerhalteneeigen-Bohaften besitzt, die denjenigen von diskreten Analogy tranBietorsohaltern angenähert sind.

Die Verwendung digitaler Transistorschalter als DAC-Sohalter war bislang nicht möglich» weil an einem derartigen Schalteröle unerwünschte Spannung auftritt, wenn er duroh

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Aussteuern des Digitaltransistors in den Sättigungsbereioh leitend gemacht wird. Zudem hat die Sattlgungsspannung einen unerwünschten Temperaturkoeffizienten. Daher war die große Vielfalt von Digitalschaltern in integrierter Sohaltungetechnik nicht als DAC-Schalter verwendbar.

Zum Stand der !Technik sei in diesem Zusammehang auf folgende Patentschriften hingewiesen. Im USA-Patent 2 993 202 sind mehrere Dekadenzähler vorgesehen, um binäre Ausgangsspannungen entsprechend der Impulszahl einer digitalen Eingangsgröße zu erzeugen. Die Zählerausgänge sind dabei über Verstärker mit entsprechenden Gleichrichtern gekoppelt· 3%aet Gleichrichter steht mit einem Widerstand in Verbindung, dessen Leitfähigkeit proportional zum daran angeschlossenen AusgangsZählerstand 1st. Jeder Verbindungspunkt der Gleichrichter und Widerstände steht über eine zweite Gruppe von Gleichrichtern mit einem Summiernetzwerk in Verbindung, welches einen Verstärker aufweist, um eine analog· Ausgangsgröße zu erzeugen. Im USA-Patent 3 328 792 ist ein Digital-Analog Umsetzer dargestellt, bei welchem eine Leistungsversorgung einen Strom an mehrere Diodengatter liefert. Sin Widerstandsnetzwerk 1st dabei mit Abgriffspunkten versehen, deren jeder über ein anderes der Gatternetzwerke zurück zur Leistungsv.ersorgung geführt ist. Das eine Ende des Wider-* Standsnetzwerkes liegt an der Leistungsversorgung, während das andere Ende am Suamierpunkt eines Punktlonsvejrstärkers liegt. Beim Vorhandensein eines Eingangsalgnalβ an einem der Gatter fließt der Strom durch das Widerstandsnetzwerk derart, daß der Summlerverblndungapunkt am einen Ende des Netzwerkes einen Strom erhält, der eine Amplitude proportional zum Abgriffspunkt am Widerstandsnetzwerk besitzt, der mit dem Gatter verbunden 1st, welches das Eingangssignal aufnahm.

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Im USA-Patent 3 366 804 ist schließlich in Pig* 5 ein . Digital-Analog Umsetzer dargestellt, bei welchem BIL-Schalter beim Vorhandensein eines Signals an entsprechenden Eingangsklemmen aktiviert werden. Beim Vorhandensein eines Signals werden Widerstände erregt und erzeugen eine Sumraierverbindung und eine analoge Ausgangsgröße, die nach Verstärkung proportional zur digitalen Eingangsgröße ist«

Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, eine Digital-Analog-Umsetzerschaltung vorzusehen, die Digitalachalter in integrierter Schaltungstechnik anstelle üblicher Ana-* logjchalter verwendet, wobei die Vorteile ^billiger Und in großer Vielzahl vorhandener Integrierter Schaltungen benutzt werden. Ferner ist es Ziel der Erfindung, eine Kompensationsbezugsspannungsquelle vorzusehen, um unerwünschte Eigenschaften von Digitalschaltern in integrierter Sohaltungsteohnik zu kompensieren«

G-emäß der Erfindung ist bei einem Digital-Analog Umsetzer mit einem Funktionsverstärker, welcher eine Ausgangsklemme, eine invertierende sowie eine nicht Invertierende Eingangsklemme aufweist, wobei die invertierende Eingangeklemme mit einer Bezugsspannungsquelle über ausgewählte präzlslonsgewichtete Widerstände verbunden 1st, und wobei die invertierende Eingangeklemme auch überfeinen Polaritätswiderstand mit einer Polaritätsbezugsspannuttgswelle im Verbindung steht, wobei die Ausgangsklemme des Funktionevtretärkere über einen Rüokkopplungewideratand an der invertierenden Eingangsklemme liegt, vorgesehen, daß digitale Transistorschalter zwischen der Bezugsapannungsquelle und jedem der präzisionsgewichteten Widerstände liegen, um wahlweise einen Summierstrom durch die Widerstände an den Verstärker anzu-

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legen, wobei die inhärente Versetzungsspannung der digitalen Transistorschalter durch eine entsprechende Kompensationsbezugsspannungsquelle ausgeglichen ist, die mit einer nicht invertierenden Klemme des Punktionsverstärkers verbunden ist_e

Wei+nre bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben j sich insbesondere auch aus den Unteransprüchen«

Der folgenden Beschreibung eines Aueführungsbeispiels sei hier zur Erleichterung des Verständnisseβ eine kurze Zusammenfassung vorausgeschickt. Sie Erfindung bezieht sioh auf einen Digital-Analog Umsetzer, der anetelle der bislang verwendeten Analogschalter digitale Schalter in integrierter Sohaltungsbauweiee verwendet. Eine Vielzahl von digitalen Eingangeleitern steht dabei mit mindestens einer integrierten digitalen Schaltung in Verbindung, die eine Vielzahl digitaler Transistorschalter besitzt. Zwischen einer gemeinsamen Klemme und den Digitalschaltern liegt dabei eine Vielzahl von Widerständen. Um die Verwendung von Digitalschaltern anstelle von Analogschalter zu ermöglichen» ist eine KompenBationsbezugsspannungsquelle an die digitale integrierte Schaltung und auoh an den Bezugseingang eines analogen Funktioneverstärkers angeschlossen. Der Signaleingang des Funktionsverstärkers steht mit der gemeinsamen Klemme der Widerstände in Verbindung. Durch selektive Betätigung der Digitalschalter werden verschiedene Widerstände zwisohen die Kompensationsspannungebezugequelle und den Signaleingang des Funktlonsverstärkers geschaltet. Die dadurch erzeugten Ströme werden durch den Punktionsveretärker summiert, um eine analoge Auegangaspannung proportional zur Stromsumme zu erzeugen. Die Konpeneationebezugeepannungequelle in der beschriebenen Schaltung eraöglioht die Verwendung von Digitalschaltern la integrierter Eohaltungeteohnlk, was bislang nicht möglich war.

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Weitere Vorteile, Einzelheiten und Ziele der Erfindung ergeben eioh aus der Beschreibung von Aueführungebeispielen anhand der Zeichnung} in der Zeichnung zeigt:

Pig, 1 die Schaltung eines erfindungegemäßen Ausführungsbeispiels eines Digital-Analog Umsetzers;

Fig. 2 einen Ausschnitt eines nicht leitenden Trägers zusammen mit daran angebrachten leitenden Bahnen und Komponenten zur Ausbildung eines erfindungs- M gemäßen Digital-Analog Ut

In Fig. 1 sind zwei Gruppen digitaler Bingaogsleite? β und bezeigt und mit gesonderten jedooh identisch©a digitalen integrierten SchaltungsblÖoken 2 und 4 verbundene Obwohl inagesamt θ Leiter für ein Parallel-Elnganga-Dlgitaltfort mit θ Bit dargestellt sind, sei
größere oder kleinere

kann, und zwar entsprechend öq? Ässafol üqt ter und der zugehörigen logischen Betel t&B§₀ Bar integriert© Sohaltungsblock 2 enthält ein® Eißgamgelogiis 1 maö di® Digitalschalter 53, 60, 62 und 64, dl® durch Auega»gsleit®r 10 mit einem Teil der Widerstände 14 verbunden elnd. In-gleicher Weise enthält der integrierte Sohaltungsbloek 4 Sie Eingangslogik 31 und den in Block 2 verwendeten Digitaloeh&Xtarn gleichartige Digltalschalter sind duroh Ausgangeleiter 12 mit dem verbleibenden Teil der Widerstände 14 verbunden. Di· Widerstände 14 haben bestimmte mit einem digitalen Eingangekode in Beziehung stehende Werte und sind mit arithaetiioh gewlchteten Werten von R,2R, 4H, ΘΗ, usw. für einen parallelen binären Eingangskode dargestellt und mit einer gemeinsamη Leitung 15 verbunden. An Leitung 15 liegt Über einen invertierenden (IHT) Eingang, der mit einem Mimise·lohen btstloh-

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net let, ein Verstärker 16, wie beispielsweise ein analoger Operationsverstärker (Funktionsverstärker), der als integrierte Schaltung ausgebildet 1st. Sie Ausgangskiemme 18 des Funktionsverstärkers steht über einen Rückkopplungswlderstand 17 mit leitung 15 in Verbindung.

Der mit einen Pluszeichen gekennzeichnete nicht Invertierende (NON-·INV) Eingang des Tunktionsverstärkere 16 liegt an einem Verbindungspunkt 36. Hit dem Verbindungspunkt 36 ist ferner die Kathode einer Zenerdiode 34 verbunden. An der Anode dieser Zenerdiode 34 liegt die Anode einer Diode 30, ™ deren Kathode mit Kollektor und Basis eines Transistor· 19 verbunden 1st. Der Transistor 19 ist als Quaai-Diode geschaltet, wobei Basis 22 und Kollektor 24 Biteinander verbunden sind und der Emitter 20 an der Srdungskleiroe 26 liegt. Die Kombination der Elemente awisohen Klemme 36 und Klemme 26 bildet die Kompensationebezugeepannungequelle 29.

An die Klemme 36 ist ferner die Kathode der Diode 38 angeschlossen. An der auch als Verbindungspunkt 42 beeeiohneten Anode der Diode 38 liegt die Basis eines Translators 44 und ein Widerstand 45. Der Kollektor des Transistors 44 steht mit der Basis des Transistors 46 und auoh über einen Wider- ^ stand mit einer Klemme +V₁ in Verbindung. Der Emitter des Transistors 44 und der Kollektor des Traneistor· 46 sind miteinander durch-Leitung 43 mit den Leistungsvereorgung·- klemaen der integrierten Schaltungen 2 und 4 verbunden. Der Emitter des Translator· 46 liegt über einen Wideretand an der ELeaae 4-V₁. Die Diode 38 erzeugt einen Spannungsabfall, der in Größe und Temperaturkoeffizient dem Spannungabfall von Baal· eu Emitter des Transistors 44 äquivalent iet. Daher sind die Spannungen an Klemme 36 und Leitung 43 Ip wesentlichen gleich und werden ala Kompensationebeeugeepannuag

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bezeichnet. Die Baaisvorspannung für den Transistor 44 wird über einen mit dem Widerstand 47 verbundenen Widerstand 45 geliefert, wobei der Widerstand 47 seinerseits an der Kathode einer Diode 49 liegt. Die Anode dieser Diode 49 steht mit der Klemme +V₁ in Verbindung. Die Kombination der Transistoren 44 und 46 erzeugt eine hohe Stromverstärkung vom Verbindungspunkt 42 zur Leitung 43*

Der Kollektor des Transistors 48 und die Anode der Zenerdiode 40 liegen an einem Verbindungepunkt 50»»Der Transietor 48 liefert Strom über die Zenerdlode 40, der Anode mit dem . Verbindungspunkt 42 verbunden 1st, und die an der Klemme 42 liegende Komponentenfolge aus Diode 38, Zeuerdiode 34» Diode 30 und Transistor 19· Zudem liefert der Translator 48 auoh Strom an den zwisohen Verbindungspunkt 50 und Leitung 15 liegenden Polaritätswiderstand 52. Der Strom für Tranlstor 48 wird durch Widerstand 51 bestimmt, der zwischen dem Emitter des Transistors 48 und der Klemme +V- liegt, und zwar infolge der an der Basis des Transistors 48 durch den Spannungsabfall von Klemme +V₁ an Diode 49 und Widerstand 47 eingeprägten Spannung« wobei die Verbindung von Widerstand 47 und 45 an der Basis des Transistors 48 liegt* DIt Diode kompensiert den Temperaturkoeffizienten der Emitter-Basieverblndungsspannung des Transistors 48. Die Kombination aus Transistor 48_P Diode 49 und Widerständen 47 und 51 bildet die Stromquelle 53· Die Zenerdlode 40 und die Diode 38 bildet die FolarltätBbezugsspannungequelle 4-1.

Die Klemmen +V₁ und -V₁ stehen mit externen Vereorungsspannungen in Verbindung. Zudem wird die. höchstwertige Bitklemme (MSB β"most significant bit terminal") verfügbar gemaoht, ua zu ermöglichen, daß verschiedene digitale Eingabekode, wie Größe plus Zeichen, Einerkomplement und Zweierkomplement In

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eine analoge Ausgangsspannung umgewandelt werden können. PUr einen parallelen binären Eingabekode 1st die MSB-Klamme normalerweise mit Leitung 15 verbunden.

Ee eei nunmehr auf den Digitalschalter 53 Bezug genommen) Transistor 54 und Widerstand 56 stellen die Schaltungskomponenten der Digitalsohalter 58, 60, 62 und 64 dar, die in den integrierten Schaltungen 2 und 4 enthalten sind. Der Emitter des Transistors 54 liegt an der Brdleitung 26, während seine Basis mit der Eiugabelogik 1 verbunden 1st. Der Kollektor des !Transistors 54 steht schließlich, mit dem Widerstand 56 in Verbindung, der eich In der integrierten Sohaltung befindet. Der Kollektor steht ferner mit einem Widerstand 14a aus der Gruppe der Widerstände 14 in Verbindung.

In Fig. 2 ist ein Ausschnitt eines nicht leitenden !Trägers (Basisteils) 5 dargestellt, der aus Steatit, Aluminiumoxyd oder einem anderen bei Mikrοschaltungen verwendeten Material besteht, und an dem die verschiedenen elektrischen Komponenten angebracht sind. Die Gruppe der Digitaleingänge 6 sind abgeschiedene Leiterbahnen (leitende Bahnen), die aur integrierten Schaltung 2 führen und mit denen externe Verbindunm, gen herstellbar sind. Die integrierte Sohaltung 2 ist mit den Leiterbahnen durch Verbindungeleitungen γ verbunden. Die Auegangsleiter 10 des Schalter· la integrierter Schaltungsbauweise sind In Form abgesohiedener Leiterbahnen 10 ausgebildet» welche die Verbindung cu abgeschiedenen Sohiohtwiderständen 14 herstellen. Wie man in Fig. 2 erkennt, müssen sich die abgeschiedenen Leiterbahnen 10 manohmal über» kreuzen. In einem solchen Fall sind die Bahnen In geeigneter Weise am Überkreuzungspunkt voneinander isoliert· Diese OberkreuEungstechnik hat but Folge, daß «In minimaler Raun für die Verbindung der Komponenten benutet wird.

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Im folgenden wird die Arbeitsweise des oben beschriebenen Digital-Analog Umsetzers zunächst kurs anband von Fig· 1 beschrieben. Der Zweck der t^pieoherweieeanhand von Transistor 54 beschriebenen Bigital^Analog Umsetzer-Schalter (im folgenden kurz BAC-S cmalter, wobei DAO fils? "digital« to-analog converter" * Digital-Analog«Usi8etser steht) besteht darin» daß sie leitend ©der nicht leitend gemacht werden, und «war infolge einer an dit. MC-Mgitaleingänge 6 und 8 angelegten digitalen WorteingangsgruSe· Ein gegebe«· nee Digitalwort betätigt bestimmte Digitalsohalter mittels der Bingabelogik. Durch dieae Sehalter werden bestimmte Widerstände aus der §ruppe de? Widerstände 14 an die Erdleitung 26 angeschaltet· Durch diese bestimmten geschalteten Widerstände fließt «in Strom» und zwar infolge der an der gemeinsamen Leitung 15 auftretenden Spannung, wobei die Widerstand® mit der Leitung 15 verbunden sind«

Die Spannung auf Leitung 15 wird äuvot ©im© zugsspannungsquelle 2f srse^gftg 䱩 des Yerstärkera 16 »it feölü®!¹ ¥«TOttetoang Te^fe^Etem ist. Yerstärker 16 ist als ?unkti©n@v®retärker g^scMXtet und be*· sitEt einen EttokkopplungewideTstanS 17, ütr swieohen de? * TerstärkerauegangskleBse 1Θ und Leitung 1f li@§1;» alt der der IB7-Bingang des Terstärkers 16 ebenfelle verbunden ist. Die so beschrieben« Tunktioos- oder BttritberorMMuag hält die Spannung an der IS7- und Μ0Η-ΙΗ?»Ο·επρ« des Terstärkers 16 -im wessatliohen gleich«

Der durch die bestirnten geschalteten Widerstände 14 fliesende desamtstrom flieit euch durch den Ituokkoppluee·-* widerstand 1?» wobei dort ein vernaehlässigbarer StroafluS in die oder aus der Verstärker»£HV«S3.eHaa erfolgt. Daher steht die an der AusgangskleBse 16 des Verstärkers 16 auftretende Spannung in direkter Besiehung zu den bestimmten geeohalteten Widerständen· . "

ORj_GiNAL

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Wenn, wie hier in Fig. 1 gezeigt, die Widerstände 14 arithmetisch als R, 2R, 4R, 8R, usw. gewlohtet sind, so kann ein Eingabe-Digitalwort aus einen parallelen Binärkode eine Ausgangβspannung erzeugen, die in Wert direkt proportional der durch den Binärkode dargestellten Zahl 1st. Auf diese Weise setzt der MO einen digitalen Binärkode in eine entsprechende Analogspannung an.

Die Arbeitsweise des Digital-Analog Umsetzers In einzelnen kann wiederum an besten unter Bezugnahme auf Pig. 1 erläutert werden. Der Digitalsohalter, Trane!βtor 54, wird duroh ein Signal leitend und nloht leitend gemacht, welohes von der logischen Schaltung 1 in der Integrierten Schaltung an die Basis angelegt wird. Wenn sich der Transistor 54 in seinem leitenden Zustand befindet, so liegt der Widerstand 14a an Erdleiter 26. In leitenden Zustand besitzt der Transistor 54 eine.Sattigungsspannung zwischen Kollektor und Emitter, welche verhindert, daß der Widerstand 14a Erdpotential erreicht. Die dadurch erzeugte Sättigungespannung besitzt einen Temperaturkoeffizienten, der - wie welter unten erläutert wird - kompensiert werden nuß, um einen konstanten Strom von Leitung 15 duroh Widerstand 14a zu erhalten.

Wenn der Transistorschalter 54 nicht leitend gemacht 1st, so liegt der Widerstand 14a über Widerstand 56 an der Leitung 43. In diesen Zustand 1st es erwünscht, daß durch den Widerstand 14a kein Stron fließt. Eb ist daher erforderlich, daß die Spannung an Leitung 15 In wesentlichen gleloh de? Spannung auf Leitung 43 1st.

Es sei nunmehr auf die Konpensations-Bezugsversorgungs-Spannungsquelle 29 Bezug genommen, wobei die Kompensation des Temperaturkoeffizienten der Sättigungsspannung des digitalen Transistorschalter durch die in Durohlaßriohtung

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vorgespannte Diode 30 und/oder den Quasi-Dioden-Transistor 19 zusammen, mit der Zenerdiode 34 erzeugt wird« Der Netto-Temperaturkoeffizlent dieser drei in Reihe liegenden Komponenten muß der gleich sein wie der Temperaturkoeffizient derSättigungsspannung eines leitenden Digitalschal- . ters, wie beispielsweise des Transistors 54p Wenn die Temperaturkoeffizienten zusammenpassen» so ist die Spannung am Widerstand 14a konstant und unabhängig von der Temperatur, was einen nur vom Widerstand 14a abhängigen Strom zur Folge hats In gleicher Weise haben die Sättigungszustandθ für irgendeinen der anderen Digitälschalter einen temperaturunäbhängigen Strom durch die entsprechenden Widerstände 14 zur Folge.

Durch richtige Auswahl der Zenerdiode 34 und der Diode 30 ist es möglich, den Transistor 19 zu eliminieren, wobei die Kombination aus Zenerdiode 34 und in Durchlaßrichtung vorgespannter Diode. 30 zusammen den Temperaturkoeffizienten der Sättigungsspannung des Digitalschalters kompensieren« Eine andere Möglichkeit besteht darin« daß man die Kombination aus Transistor 19 und Zenerdiode 34 derart auswählt, daß die Diode 30 weggelassen werden kaan.

Zur weiteren Erläuterung der Kompensation der Digitalichal·- tersattigungsspannung sei darauf hingewiesen» daß der Y*r» blndungspunkt 36 fflit dem nicht Investierenden (NON-IH?) Eingang des Funktionsverstärkere 16 verbunden let. Da es sloh bei dem Funktionsverstärker 16 um einen Verstärker mit hoher Verstärkung handelt, befindet eioh der mit Leitung 15 verbundene invertierende Eingang im wesentlichen auf dem gleichen Potential wie der nioht invertierende Eingang· Vena daher der Temperaturkoeffizient von soloher Art let, daß die

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SättigungsBpannung des Digitalschalters mit steigender Temperatur abnimmt, so wird die Kompensationswirkung der am Verbindungspunkt 36 auftretenden Spannung mit der Temperatur auch um dieselbe Größe abnehmen. Infolgedessen bleibt die Spannung am geschalteten Widerstand 14a konstant, was zur Folge hat, daß ein konstanter Strom im Widerstand 14a aufrechterhalten wird. Sa dieser Strom auch duroh den RUckkopplungswlderetand 17 fließt, wird auoh die Ausgangsspannung an Klemme 18 konstant gehalten, und «war unabhäniglg von der infolge der Temperatur auftretenden Sättlgungsspannungsänderung des Dlgitalsohalterso

Wenn - wie bereits erwähnt - ein Digitaleonalter, wie beispielsweise Transistor 54» nioht leitend gemacht wird, so muß die Spannung auf Leitung 15 im wesentlichen die gleiche sein, wie die Spannung auf leitung 4-3» Da die Spannung auf Leitung 15 im wesentlichen gleioh der Span«· nung am Verbindungspunkt 36 ist, muß die Spannung auf Leitung 43 im wesentlichen gleioh der Spannung am Verbindungspunkt 36 sein. Die Spannung auf Leitung 43 wird von der Spannung am Verbindungspunkt 42 abgeleitet, die an der Baals desTransistors 44 auftritt» Damit die Spannung auf Leiter 43 die gleiche 1st, wie die Spannung am Verbindungepunkt 36, muß der Spannungsabfall an Diode 38 der gleiohe sein ™ wie der Baeisemitterspannungsabfall des Transistors 44* Daher können duroh rlohtlge Auswahl der Diode 38 die Spannungen am Verbindungepunkt 36, an Leitung 15 und an Leitung 43 im wesentlichen gleioh groß geftaoht werden. Infolgedessen fließt duroh den Widerstand 14a kein Strom. Wenn man daher für einen Augenblick den Widerstand 52 außer Betracht läßt, so fließt duroh den RÜokkopplungswideretand 17 kein Strom und die Spannung an der Ausgangeklemme 18 ist identisch mit der Spannung auf Leitung 15 und am Verbindungspunkt 36.

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Die Diode 38 kompensiert nioht nur den Spannungaabfall zwischen Emitter und Basis des Transistors 44» sondern auoh den Temperaturkoeffizient^, des Spannungsabfalls. Zudem kompensiert der temperaturkoeffizient der Diode auoh den Temperaturkoeffizienten der Zenerdiod© 40 derart.·, daß eine konstante durch die Polaritätaspannutig8~ quelle 41 erfolgte Spannung am Wideretand 52, dem Polarität ewider st and, aufrecht erhalten wird, um einen konstanten Strom durch Widerstand 52 in Leitung 15 au erhalten» Der Widerstand 52 ersseugt daher einen VerBSt zunge strom konstanter Polarität, um die analoge Ausgangespanne an Klemme 18 auf einen gewünschten Bezugspunkt au venchieben.

Der an die Klemme 50 gelieferte Strom fließt durch die Zenerdlode 40 und die Diode 38 und erzeugt eine konstante Spannung zwischen Klemme 50 und Verbindungspunkt 36-« Der Transistor 48 liefert den notwendigen Strom an den Verbindungspunkt 50, Der Strom 1st duroh den Widerstand 51 bestimmt, und zwar infolge der an Diode 49 und Widerstand 47 auftretenden Spannung? vermindert um den Emitter/Basis-Spannungsabfall des Transistors 48. Da die Diode 49 den Temperaturkoeffleienten des Baitter/Baeis^pcnnungaabfallsdes Traneietore 48 kompensiert und die Widerstände 51 und 47 derart zusammenpassen, daß sie gleiche Widerstand·» temperaturkoeffizlenten haben, wird ein konstanter Strom auf diese Weise In Klemme 50 aufrecht erhalten.

Da die Ausgangsspannung an Klemme 18 des Funktionetferetärkers 16 mit dem Yerhält ale aue Wideretand 17 zur Parallelkombination der gesohalteten Widerstände 14 und des Verhältnis von Widerstand 17 zu Widerstand 52 in Bezlehuctg steht, ist es wichtig, daß die Temperaturkoeffizienten dieser

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Widerstände zusammenpassen, damit die Ausgangsspannung nicht auf die Temperatur anspricht. Sie Widerstände 47t 51, 14» 52 und 17 können als abgeschiedene Scalohtwiderstände hergestellt sein» Naoh dem Stand der Teohnik können solche Sohiohtwiderstände, wie beispielsweise Cermet« Widerstände derart hergestellt werden, daß die Widerstands* temperaturkoeffizienten sehr genau zusammenpassen, was einen ausgezeichneten Temperaturverlauf zur Folge hat« Cermet-Widerstände sind für den hier beschriebenen Digital-Analog Umsetzer ideal, da sie durch eine Vielzahl kleiner leitender Teilohen gebildet sind, die gleichförmig in einem QIaβ oder keramischen Bindematerial verteilt sind und leicht auf einem nioht leitenden Träger abgelagert werden können.

Sie Komponenten des Digital-Analog Umsetzers - wie In Pig* gezeigt - auf einem nicht leitenden Träger 5 befestigt, um einen vollständigen Digital-Analog-Umsetzer in Modulform bei niedrigen Kosten und kleiner Größe zusammenzubauen. Speziell die Verwendung abgeschiedener Sohiohtwiderstände und abgeschiedener Leiterbahnen 10 sowie die integrierte Sοhaltung 2 sind wichtig für einen kleinen Aufbau mit niedrigen Kosten. Nachdem der Träger mit den daran befestigten Komponenten fertiggestellt ist, wird er eingekapselt, um die einzelnen diskreten integrierten und abgeschiedenen Sauteile von Umgebungseinflüssen au schützen.

Die Verwendung von Schaltungskomponenten mit zweokeäßigen Temperaturkoeffieienten aur Bildung einer Kompensatlonsbezug8Bpannungsquelle, die in der gezeigten Welse angeschlossen 1st, liefert einen Digital-Analog Umsetzer, welcher - was bisher nloht mögloh war - Digitalsohalter in integrierter Bauart verwendet. Die Digitalsohalter in integrierter Schal-

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tungabauweiae in Verbindung mit abgeschiedenen Sohiohtwideratänden ermöglichen ein Digital-Analog Umeetzermodul von geringer Größe, niedrigen.Eo8teη und direkten Zwischengiiedeigenachaften zwischen digitalen und analogen Schaltungen,,

Die erfindungsgemäße Digital-Analog Umsetzachaltung verwendet eine minimale Zahl aktiver und passiver Bauteile und ermöglicht die Verwendung digitaler integrierter Schalter anstelle der bisher verwendeten Analogschalter„ Obwohl im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel der Schaltung bestimmte Komponenten diskutiert wurden, können gemäß der Erfindung auch andere Bauelemente benutzt werden. Ferner sind auch andere Anwendungen der erfindungsgemäßen Maßnahmen und Schaltungsanordnungen möglich.

Patentansprüche:

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Claims (5)

1. ' 20U786

   Patentansprüche t

   Digital-Analog Umsetzer mit einem Funktionsverstärker, welcher eine Ausgangsklemme, eine invertierende sowie eine nicht invertierende Eingangsklemme aufweist» wobei die Invertierende Eingangsklemme mit einer Bezugsspannungsquelle über ausgewählte präzislonsgewiohtete Wider-A stände verbunden ist, und wobei die invertierende Eingangsklemme auoh über einen Polaritätswiderstand mit einer Polaritätsbezugsepa nnungsquelle in Verbindung steht, wobei die Ausgangsklemme des Funktionsverstärkers über einen Rückkopplung s wider stand an der invertierenden Eingangeklemme liegt, dadurch gekennzeichnet , daß digitale Transistorschalter (54) zwischen der Bezugsspannungsquelle und jedem der präzislonsgewlchteten Widerstände (14) liegen, um wahlweise einen Summieretrom duroh die Widerstände an den Verstärker anzulegen, wobei die Inhärente Versetzungespannung der digitalen Transistorschalter (54) duroh eine entsprechende KompensationsbezugsSpannungsquelle ausgeglichen let, die mit einer nioht Invertierenden Klemme des Funktionsverstärkers (16) verbunden ist.
2. 2. Digital-Analog Umsetzer naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die KompensationsbeBugespannungsquelle zum Ausgleich der Veraetsungaapannung der digitalen Transistorschalter eine Zenerdlode (34) aufweist, die eine Kathoden- und eine Anodenklemme besitzt, wobei die Kathodenklemme am nicht invertierenden Eingang des Funktionen

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   Verstärkers (16) liegt» und wobei die Kompensationsbezugs-Spannungsquelle (29) ferner eine Temperatur und Spannung kompensierende Vorrichtung besitzt, die zwlaohen der Anodenklemme der Zenerdiode (34) und einer Sohaltungaerdklemioe liegt, um so eine Temperaturkompensation θοwahl für die Zenerdiode als auoh für die digitalen Transistorschalter zu. erzeugen.
3. 3. Umsetzer nach Anspruch 1» dadurch g e -kennzeichnet, daß die PolaritätebejEUgaepannungsquelle (41) eine Zenerdiode (40) mit Kathoden-und Anodenklemme enthält, wobei die Kathodenklemme mit dem Polarität»- widerstand verbunden ist, und wobei zwischen der Anoden« klemme der Zenerdiode und der Eompensationebesugeßpawmiäge» quelle Temperaturkompensatlonsmlttel vorgesehen sind, welch® eine Temperaturkompensation für die Zenerdiode hervorrufaas
4. 4* Umsetzer nach Anspruch 2, dadurch g a -kennzeichnet} daß die Temperatur«- uaÄ kompeneationevorrichtung eine in Durohlaflriöhtunf spannte Diode mit Anoden- und Kathodenkltmasen au£w«ists, bei die Anodenklemme an der Anode der Zenerdiod« (34) li«gt und die Kathodenklennae der In Durchlaßrichtung vorgespannt ten Diode mit Erde verbunden 1st.
5. 5. ' Umseteer nach Anspruoh 2,. dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur- und Spannungskompensatlonsvorriohtungen eine In Durohlaeriohtung vorgespannte Diode mit Anoden- und Kathodenklemmen aufweist, wobei die Anodenklemme der Diode (30) an der Anodenklemme der Zenerdiode (34) liegt, und wobei ferner ein Transistor (19) vorhanden 1st, der mit Basis und Kollektor an der in Durohlaßriohtung vorgespannten Diode liegt, während der Emitter mit Erde verbunden 1st.

   009840/1986

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   - 2Ö

   6· Umsetzer naoh Anspruch 1, daduroh g e -kennzeichnet, daß der Punkt ionsverstärker (16) auf einem nioht leitenden Träger (5) befestigt 1st, wobei die präzisionsgewiohteten Widerstände (H) eine Vielzahl von auf der Oberfläche des !Prägers abgeschiedenen Sohlohtenbeständen sind, wobei jeder dieser Widerstände mit einem Ende an einer gemeinsamen Klemme liegt, die zum invertierenden Eingang des Funktionsverstärkers (16) führt, während die anderen Enden der Widerstände jeweils mit einem ebenfalls auf dem Träger befestigten digitalen Transistorschalter verbunden sind, wobei jeder der digitalen Schalter durch ein digitales Eingangssignal leitend und nicht leitend gemacht wird, woduroh die digitalen Schalter die Bezügespannungsquellβ selektiv mit den entsprechenden Widerständen oder Erde verbinden.

   7· Umsetzer nach Anspruch 6, daduroh gekennzeichnet, daß die Bezugsspannungsalttel eine Stromquelle aufweisen, die zwischen einer ersten Klemme und Erde liegt, und wobei ferner ein· Zenerdiode mit Kathode und Anode vorhanden ist, wobei die Kathode an der ersten Klemme der Stromquelle liegt und Temperatur und Spannung kompensierende Mittel zwischen der Zenerdlodenanode und Erde liegen.

   8· umsetzer naoh Anspruch 7* daduroh g e -kennzeichnet , daS die Tenperatur· und Spannung·- kompetieationsmittel eine in Durohlaßrlohtung vorgespannte Diode mit Anoden- und Kathodenkleanen aufweisen, wobei dl« Anodenklemme mit der Zenerdiode und die Kathodenkleaae »it Erde verbunden ist.

   009840/1986

   BAD ORlGi_NAL