DE2014786B2 - Digital analog umsetzer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Digital- sich der Widerstand mit der Steuer- und Signal-

Analog-Umsetzer, bei welchem Digitalschalter in spannung ändert, der Leckstrom zehnmal größer ist,

integrierter Schaltungstechnik bei der Umwandlung eine größere Steuerspannung benötigt wird und das

eines Digitalsignals in eine analoge Ausgangsspan- gemeinsame Substrat einer integrierten Schaltung mit

nung verwendet werden. 5 MOSFET Vorspannungsprobleme auf wirft. Daher

Digital-Analog-Umsetzer (DAC) werden in erster hat der Konstrukteur für billige vielseitige Schaltungs-Linie in Datenanzeigesystemen benutzt. Digital- entwürfe keinen Präzisions-Analogschalter in inte-Analog-Umsetzer arbeiten auf Grund von digitalen grierter Schaltungstechnik zur Hand, der Verhaltens-Wortausgangsgrößen eines digitalen Datensystems, eigenschaften besitzt, die denjenigen von diskreten wie beispielsweise eines Rechners, und wandeln diese io Analogtransistorschaltern angenähert sind.
Größen in Analogspannungen um, die auf Oszillo- Die Verwendung digitaler Transistorschalter als skopen, Oszillographen und Schreibern aufgezeichnet DAC-Schalter war bislang nicht möglich, weil an werden. Durch diesen Übergang von einem schwer einem derartigen Schalter eine unerwünschte Spanzu lesenden Digitalkode auf einen leicht zu inter- nung auftritt, wenn er durch Aussteuern des Digitalpretierenden sichtbaren Lichtstrahl, Lichtfleck, auf 15 transistors in den Sättigungsbereich leitend gemacht eine Feder oder Linie oder eine ähnliche Lageanzeige wird. Zudem hat die Sättigungsspannung einen unwird die Beobachtung erleichtert. erwünschten Temperaturkoeffizienten. Daher war die

Ein anderes Anwendungsgebiet für den Digital- große Vielfalt von Digitalschaltern in integrierter

Analog-Umsetzer ist ein digitaler Funktionsgenerator, Schaltungstechnik nicht als DAC-Schalter ver-

wo ein gewünschtes Analogsignal infolge eines vor- 20 wendbar,

gegebenen Digitalprogramms erzeugt wird. Zum Stand der Technik sei in diesem Zusammen-

Ein typischer Digital-Analog-Umsetzer verwendet hang auf folgende Patentschriften hingewiesen. In digitale Worteingangsgrößen, um genaue Analog- der USA.-Patentschrift 2 993 202 sind mehrere schalter zu schalten. Damit der Digital-Analog- Dekadenzähler beschrieben, um binäre Ausgangs-Umsetzer genau arbeitet, sollten die Schalter im as spannungen entsprechend der Impulszahl einer digileitenden Zustand eine vernachlässigbare Sättigungs- talen Eingangsgröße zu erzeugen. Die Zählerausgänge spannung haben, und im nicht leitenden Zustand sind dabei über Verstärker mit entsprechenden sollten sie einen sehr niedrigen Wert des Versetzungs- ' Gleichrichtern gekoppelt. Jeder Gleichrichter steht oder Leckstromes besitzen. Zudem sollte der Wider- - mit einem Widerstand in Verbindung, dessen Leitstand beim Leiten klein und im nichtleitenden Zu- 30 fähigkeit proportional zum daran angeschlossenen stand sehr groß sein. Die Schaltwirkung eines der- Ausgangszählerstand ist. Jeder Verbindungspunkt artigen Schalters sollte unmittelbar dem Anstieg der Gleichrichter und Widerstände steht über eine oder Abfall einer Steuerschaltspannung folgen. zweite Gruppe von Gleichrichtern mit einem Sum-

Bei bekannten Digital-Analog-Umsetzern werden miernetzwerk in Verbindung, welches einen Ver-

diese Erfordernisse mit unterschiedlichem Erfolg 35 stärker aufweist, um eine analoge Ausgangsgröße zu

durch typische Analogschalter erreicht, wie beispiels- erzeugen. In der USA.-Patentschrift 3 328 792 ist

weise durch bipolare Flächentransistoren (BJT= ein Digital-Analog-Umsetzer dargestellt, bei welchem

bipolar junction transistors), Sperrschicht-Feldeffekt- eine Leistungsversorgung einen Strom an mehrere

Transistoren (J-FET = j unction field effect transistors) Diodengatter liefert. Ein Widerstandsnetzwerk ist

und Metalloxydhalbleiter-Feldeffekt-Transistoren 40 dabei mit Abgriffspunkten versehen, deren jeder über

(MOSFET = metal oxide semiconductor field effect ein anderes der Gatternetzwerke zurück zur Lei-

transistors). stungsversorgung geführt ist. Das eine Ende des

Die meisten Digital-Analog-Umsetzer-Anwendungs- Widerstandsnetzwerkes liegt an der Leistungsversorfälle erfordern eine geringe Größe und niedrige Kosten; gung, während das andere Ende am Summierpunkt es wäre deshalb zweckmäßig, für den Konstrukteur 45 eines Funktionsverstärkers liegt. Beim Vorhandeneine billige Analogschalteranordnung in integrierter sein eines Eingangssignals an einem der Gatter fließt Schaltungstechnik (IC) verfügbar zu machen. Der- der Strom durch das Widerstandsnetzwerk derart, artige billige IC-Analogschalter sind jedoch nicht daß der Summierverbindungspunkt am einen Ende verfügbar. des Netzwerkes einen Strom erhält, der eine Ampli-

BJT-Analogschalter werden selten wegen der 50 tude proportional zum Abgriffspunkt am WiderKosten als monolitische integrierte Schaltungen auf- Standsnetzwerk besitzt, der mit dem Gatter verbunden gebaut. ist, welches das Eingangssignal aufnahm.

Da die Spannungsausgangspegel der meisten In der USA.-Patentschrift 3 366 804 ist schließlich

logischen Schaltungen zu klein sind, um einen in F i g. 5 ein Digital-Analog-Umsetzer dargestellt,

J-FET-Schalter anzusteuern, wird normalerweise 55 bei welchem BTL-Schalter beim Vorhandensein

ein Ansteuerverstärker als Zwischenglied zwischen eines Signals an entsprechenden Eingangsklemmen

einer logischen integrierten Schaltung und dem aktiviert werden. Beim Vorhandensein eines Signals

J-FET verwendet. Die sich ergebende Anordnung werden Widerstände erregt und erzeugen eine

besteht sowohl aus integrierten Schaltungen als auch analoge Ausgangsgröße, die nach Verstärkung pro-

aus diskreten Komponenten, so daß es schwer ist, 60 portional zur digitalen Eingangsgröße ist.

eine geringe Größe zu erreichen. Der Erfindung liegt als Aufgabe die Schaffung

Der MOSFET ist für monolitische integrierte eines Digital-Analog-Umsetzers zugrunde, bei wel-

Schaltungen besser geeignet. Verglichen mit bipola- chem an Stelle der herkömmlicherweise verwendeten

ren integrierten Schaltungen können wesentlich mehr Analogschalter die in großer Auswahl verfügbaren

MOSFET in einer integrierten Schaltung unter- 65 und billigeren Digitalschalter, insbesondere auch in

gebracht werden, wobei weniger als ein Drittel der integrierter Schaltungstechnik, verwendet werden

Verfahrensschritte erforderlich sind. Das Betriebs- können. Durch die Erfindung sollen die eingangs

verhalten ist jedoch schlechter als mit J-FET, da erwähnten Widerstände, welche der Verwendung

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von Digitalschaltern in Digital-Analog-Umsetzern Bahnen und Komponenten zur Ausbildung eines bisher entgegenstanden, überwunden und insbeson- erfindungsgemäßen Digital-Analog-Umsetzers,
dere die negative Auswirkung der Sättigungsspannung In F i g. 1 sind zwei Gruppen digitaler Eingangsderartiger Digitalschalter und ihres Temperaturgangs leiter 6 und 8 bezeigt und mit gesonderten, jedoch vermieden werden. 5 identischen digitalen integrierten Schaltungsblöcken 2

Gemäß der Erfindung ist bei einem Digital-Analog- und 4 verbunden. Obwohl insgesamt 8 Leiter für ein

Umsetzer mit einem Funktionsverstärker, welcher Parallel-Eingangs-Digitalwort mit 8 Bit dargestellt

eine Ausgangsklemme, eine invertierende sowie eine sind, sei doch bemerkt, daß auch eine größere oder

nicht invertierende Eingangsklemme aufweist, wobei kleinere Zahl von Eingängen verwendet werden

die invertierende Eingangsklemme mit einer Bezugs- ι ο kann, und zwar entsprechend der Anzahl der ver-

spannungsquelle über ausgewählte präzisionsgewich- wendeten Schalter und der zugehörigen logischen

tete Widerstände verbunden ist und wobei die in- Schaltung. Der integrierte Schaltungsblock 2 enthält

vertierende Eingangsklemme auch über einen Polari- eine Eingangslogik 1 und die Digitalschalter 58, 60,

tätswiderstand mit einer Polaritätsbezugsspannungs- 62 und 64, die durch Ausgangsleiter 10 mit einem

quelle in Verbindung steht, wobei die Ausgangs- 15 Teil der Widerstände 14 verbunden sind. In gleicher

klemme des Funktionsverstärkers über einen Rück- Weise enthält der integrierte Schaltungsblock 4 die

kopplungswiderstand an der invertierenden Eingangs- Eingangslogik 3, und den in Block 2 verwendeten

klemme liegt, vorgesehen, daß digitale Transistor- Digitalschaltern gleichartige Digitalschalter sind

schalter zwischen der Bezugsspannungsquelle und durch Ausgangsleiter 12 mit dem verbleibenden Teil

jedem der präzisionsgewichteten Widerstände liegen, 20 der Widerstände 14 verbunden. Die Widerstände 14

um wahlweise einen Summierstrom durch die Wider- haben bestimmte mit einem digitalen Eingangskode

stände an den Verstärker anzulegen, wobei die in- in Beziehung stehende Werte und sind mit arithme-

härente Versetzungsspannung der digitalen Transi- tisch gewichteten Werten von R, 2 R, 4R, SR, usw.

storschalter durch eine entsprechende Kompen- für einen parallelen binären Eingangskode dargestellt

sationsbezugsspannungsquelle ausgeglichen ist, die 25 und mit einer gemeinsamen Leitung 15 verbunden,

mit einer nicht invertierenden Klemme des Funktions- An Leitung 15 liegt über einen invertierenden (INV)-

verslärkers verbunden ist. Eingang, der mit einem Minuszeichen bezeichnet ist,

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ein Verstärker 16, wie beispielsweise ein analoger

ergeben sich insbesondere auch aus den Unter- Operationsverstärker (Funktionsverstärker), der als

ansprüchen. 30 integrierte Schaltung ausgebildet ist. Die Ausgangs-

Der folgenden Beschreibung eines Ausführungs- klemme 18 des Funktionsverstärkers steht über einen

beispiels sei hier zur Erleichterung des Verstand- Rückkopplungswiderstand 17 mit Leitung 15 in

nisses eine kurze Zusammenfassung vorausgeschickt. Verbindung.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Digital-Analog- Der mit einem Pluszeichen gekennzeichnete nicht Umsetzer, der an Stelle der bislang verwendeten 35 invertierende (NON-INV)-Eingang des Funktions-Analogschalter digitale Schalter in integrierter Schal- Verstärkers 16 liegt an einem Verbindungspunkt 36. tungsbauweise verwendet. Eine Vielzahl von digi- Mit dem Verbindungspunkt 36 ist ferner die Kathode talen Eingangsleitern steht dabei mit mindestens einer Zenerdiode 34 verbunden. An der Anode dieser einer integrierten digitalen Schaltung in Verbindung, Zenerdiode 34 liegt die Anode einer Diode 30, deren die eine Vielzahl digitaler Transistorschalter besitzt. 40 Kathode mit Kollektor und Basis eines Transistors 19 Zwischen einer gemeinsamen Klemme und den verbunden ist. Der Transistor 19 ist als Quasi-Diode Digitalschaltern liegt dabei eine Vielzahl von Wider- geschaltet, wobei Basis 22 und Kollektor 24 miteinständen. Um die Verwendung von Digitalschaltern ander verbunden sind und der Emitter 20 an der an Stelle von Analogschalter zu ermöglichen, ist eine Erdungsklemme 26 liegt. Die Kombination der Kompensationsbezugsspannungsquelle an die digitale 45 Elemente zwischen Klemme 36 und Klemme 26 integrierte Schaltung und auch an den Bezugseingang bildet die Kompensationsbezugsspannungsquelle 29. eines analogen Funktionsverstärkers angeschlossen. An die Klemme 36 ist ferner die Kathode der Der Signaleingang des Funktionsverstärkers steht mit Diode 38 angeschlossen. An der auch als Verbinder gemeinsamen Klemme der Widerstände in Ver- dungspunkt 42 bezeichneten Anode der Diode 38 bindung. Durch selektive Betätigung der Digital- 50 liegt die Basis eines Transistors 44 und ein Widerschalter werden verschiedene Widerstände zwischen stand 45. Der Kollektor des Transistors 44 steht mit die Kompensationsspannungsbezugsquelle und den der Basis des Transistors 46 und auch über einen Signaleingang des Funktionsverstärkers geschaltet. Widerstand mit einer Klemme + V₁ in Verbindung. Die dadurch erzeugten Ströme werden durch den Der Emitter des Transistors 44 und der Kollektor Funktionsverstärker summiert, um eine analoge Aus- 55 des Transistors 46 sind miteinander durch Leitung gangsspannung proportional zur Stromsumme zu 43 mit den Leistungsversorgungsklemmen der inteerzeugen. Die Kompensationsbezugsspannungsquelle grierten Schaltungen 2 und 4 verbunden. Der Emitter in der beschriebenen Schaltung ermöglicht die Ver- des Transistors 46 liegt über einem Widerstand an Wendung von Digitalschaltern in integrierter Schal- der Klemme + V₁. Die Diode 38 erzeugt einen Spantungstechnik, was bislang nicht möglich war. 60 nungsabfall, der in Größe und Temperaturkoeffizient

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Ziele der Erfin- dem Spannungsabfall von Basis zu Emitter des Trandung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausfüh- sistors 44 äquivalent ist. Daher sind die Spannungen rungsbeispielen an Hand der Zeichnung; in der an Klemme 36 und Leitung 43 im wesentlichen Zeichnung zeigt gleich und werden als Kompensationsbezugsspannung

F i g. 1 die Schaltung eines erfindungsgemäßen 65 bezeichnet. Die Basisvorspannung für den Transistor

Ausführungsbeispiels eines Digital-Analog-Umsetzers, 44 wird über einen mit dem Widerstand 47 verbun-

F i g. 2 einen Ausschnitt eines nichtleitenden Trä- denen Widerstand 45 geliefert, wobei der Widerstand

gers zusammen mit daran angebrachten leitenden 47 seinerseits an der Kathode einer Diode 49 liegt.

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Die Anode dieser Diode 49 steht mit der Klemme kreuzungstechnik hat zur Folge, daß ein minimaler

+ V₁ in Verbindung. Die Kombination der Transi- Raum für die Verbindung der Komponenten benutzt

stören 44 und 46 erzeugt eine hohe Stromverstärkung wird,

vom Verbindungspunkt 42 zur Leitung 43. Im folgenden wird die Arbeitsweise des oben be-

Der Kollektor des Transisfors 48 und die Anode 5 schriebenen Digital-Analog-Umsetzers zunächst kurz der Zenerdiode 40 liegen an einem Verbindungspunkt an Hand von F i g. 1 beschrieben. Der Zweck der 50. Der Transistor 48 liefert Strom über die Zener- typischerweise an Hand von Transistor 54 beschriediode 40, deren Anode mit dem Verbindungspunkt benen Digital-Analog-Umsetzer-Schalter (im folgen-42 verbunden ist, und die an der Klemme 42 liegende den kurz DAC-Schalter, wobei DAC für »digital-to-Komponentenfolge aus Diode 38, Zenerdiode 34, io analog converter« = Digital-Analog-Umsetzer steht) Diode 30 und Transistor 19. Zudem liefert der Tran- besteht darin, daß sie leitend oder nichtleitend sistor 48 auch Strom an den zwischen Verbindungs- gemacht werden, und zwar infolge einer an die punkt 50 und Leitung 15 liegenden Polaritätswider- DAC-Digitaleingänge 6 und 8 angelegten digitalen stand 52. Der Strom für Transistor 48 wird durch Worteingangsgröße. Ein gegebenes Digitalwort beWiderstand 51 bestimmt, der zwischen dem Emitter 15 tätigt bestimmte Digitalschalter mittels der Eingabedes Transistors 48 und der Klemme + V₁ liegt, und logik. Durch diese Schalter werden bestimmte Widerzwar infolge der an der Basis des Transistors 48 stände aus der Gruppe der Widerstände 14 an die durch den Spannungsabfall von Klemme + V₁ an Erdleitung 26 angeschaltet. Durch diese bestimmten Diode 49 und Widerstand 47 eingeprägten Spannung, geschalteten Widerstände fließt ein Strom, und zwar wobei die Verbindung von Widerstand 47 und 45 an 20 infolge der an der gemeinsamen Leitung 15 aufder Basis des Transistors 48 liegt. Die Diode 49 tretenden Spannung, wobei die Widerstände mit der kompensiert den Temperaturkoeffizienten der Emit- Leitung 15 verbunden sind.

ter-Basisverbindungsspannung des Transistors 48. Die Spannung auf Leitung 15 wird durch eine

Die Kombination aus Transistor 48, Diode 49 und Kompensationsbezugsspannungsquelle 29 erzeugt,

Widerständen 47 und 51 bildet die Stromquelle 53. 25 die mit dem NON-INV-Eingang des Verstärkers 16

Die Zenerdiode 40 und die Diode 38 bildet die mit hoher Verstärkung verbunden ist. Der Verstärker

Polaritätsbezugsspannungsquelle 41. 16 ist als Funktionsverstärker geschaltet und besitzt

Die Klemmen + V₁ und — V₁ stehen mit externen einen Rückkopplungswiderstand 17, der zwischen der

Versorgungsspannungen in Verbindung. Zudem wird Verstärkerausgangsklemme 18 und Leitung 15 liegt,

die höchstwertige Bitklemme (MSB = »most signifi- 30 mit der der INV-Eingang des Verstärkers 16 eben-

cant bit terminal«) verfügbar gemacht, um zu ermög- falls verbunden ist. Die so beschriebene Funktions-

lichen, daß verschiedene digitale Eingabekode, wie oder Betriebsverbindung hält die Spannung an der

Größe plus Zeichen, Einerkomplement und Zweier- INV- und NON-INV-Klemme des Verstärkers 16 im

komplement in eine analoge Ausgangsspannung um- wesentlichen gleich.

gewandelt werden können. Für einen parallelen bi- 35 Der durch die bestimmten geschalteten Widernären Eingabekode ist die MSB-Klemme normaler- stände 14 fließende Gesamtstrom fließt auch durch weise mit Leitung 15 verbunden. den Rückkopplungswiderstand 17, wobei dort ein

Es sei nunmehr auf den Digitalschalter 58 bezug vernachlässigbarer Stromfluß in die oder aus der

genommen; Transistor 54 und Widerstand 56 stellen Verstärker-INV-Klemme erfolgt. Daher steht die an

die Schaltungskomponenten der Digitalschalter 58, 40 der Ausgangsklemme 18 des Verstärkers 16 auf-

60, 62 und 64 dar, die in den integrierten Schaltun- tretende Spannung in direkter Beziehung zu den

gen 2 und 4 enthalten sind. Der Emitter des Transi- bestimmten geschalteten Widerständen,

stors 54 liegt an der Erdleitung 26, während seine Wenn, wie hier in F i g. 1 gezeigt, die Widerstände

Basis mit der Eingabelogik 1 verbunden ist. Der 14 arithmetisch als R. 2R, 4 R, SR, usw. gewichtet

Kollektor des Transistors 54 steht schließlich mit 45 sind, so kann ein Eingabe-Digitalwort aus einem

dem Widerstand 56 in Verbindung, der sich in der parallelen Binärkode eine Ausgangsspannung erzeu-

integrierten Schaltung befindet. Der Kollektor steht gen, die im Wert direkt proportional der durch den

ferner mit einem Widerstand 14 α aus der Gruppe der Binärkode dargestellten Zahl ist. Auf diese Weise

Widerstände 14 in Verbindung. setzt der DAC einen digitalen Binärkode in eine

In Fig. 2 ist ein Ausschnitt eines nichtleitenden 50 entsprechende Analogspannung um.
Trägers 5 (Basisteil) dargestellt, der aus Steatit, Die Arbeitsweise des Digital-Analog-Umsetzers Aluminiumoxyd oder einem anderen bei Mikro- im einzelnen kann wiederum am besten unter Bezugschaltern verwendeten Material besteht, und an dem nähme auf Fig. 1 erläutert werden. Der Digitaldie verschiedenen elektrischen Komponenten ange- schalter, Transistor 54, wird durch ein Signal leitend bracht sind. Die Gruppe der Digitaleingänge 6 sind 55 und nichtleitend gemacht, welches von der logischen abgeschiedene Leiterbahnen (leitende Bahnen), die Schaltung 1 in der integrierten Schaltung an die zur integrierten Schaltung 2 führen und mit denen Basis angelegt wird. Wenn sich der Transistor 54 externe Verbindungen herstellbar sind. Die integrierte in seinem leitenden Zustand befindet, so liegt der Schaltung 2 ist mit den Leiterbahnen durch Verbin- Widerstand 14« am Erdleiter 26. Im leitenden Zudungsleitungen 7 verbunden. Die Ausgangsleiter 10 60 stand besitzt der Transistor 54 eine Sättigungsspandes Schalters in integrierter Schaltungsbauweise sind nung zwischen Kollektor und Emitter, welche verin Form abgeschiedener Leiterbahnen 10 ausgebildet. hindert, daß der Widerstand 14a Erdpotential welche die Verbindung zu abgeschiedenen Schicht- erreicht. Die dadurch erzeugte Sättigungsspannung widerständen 14 herstellen. Wie man in F i g. 2 besitzt einen Temperaturkoeffizienten, der — wie erkennt, müssen sich die abgeschiedenen Leiter- 65 weiter unten erläutert wird — kompensiert werden bahnen 10 manchmal überkreuzen. In einem solchen muß, um einen konstanten Strom von Leitung 15 Fall sind die Bahnen in geeigneter Weise am Über- durch Widerstand 14 α zu erhalten,
kreuzungspunkt voneinander isoliert. Diese Über- Wenn der Transistorschalter 54 nichtleitend ge-

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macht ist, so liegt der Widerstand 14 α über Wider- von der Spannung am Verbindungspunkt 42 abstand 56 an der Leitung 43. In diesem Zustand ist es geleitet, die an der Basis des Transistors 44 auftritt, erwünscht, daß durch den Widerstand 14 α kein Damit die Spannung auf Leiter 43 die gleiche ist Strom fließt. Es ist daher erforderlich, daß die Span- wie die Spannung am Verbindungspunkt 36, muß der nung an Leitung 15 im wesentlichen gleich der 5 Spannungsabfall an Diode 38 der gleiche sein wie Spannung auf Leitung 43 ist. der Basisemitterspannungsabfall des Transistors 44.

Es sei nunmehr auf die Kompensations-Bezugs- Daher können durch richtige Auswahl der Diode 38 versorgungsspannungsquelle 29 Bezug genommen. die Spannungen am Verbindungspunkt 36, an Leitung wobei die Kompensation des Temperaturkoeffizien- 15 und an Leitung 43 im wesentlichen gleich groß ten der Sättigungsspannung des digitalen Transistor- 10 gemacht werden. Infolgedessen fließt durch den schalters durch die in Durchlaßrichtung vorgespannte Widerstand 14a kein Strom. Wenn man daher für Diode 30 und/oder den Quasi-Dioden-Transistor 19 einen Augenblick den Widerstand 52 außer Betracht zusammen mit der Zenerdiode 34 erzeugt wird. Der läßt, so fließt durch den Rückkopplungswiderstand Netto-Temperaturkoeffizient dieser drei in Reihe 17 kein Strom, und die Spannung an der Ausgangsliegenden Komponenten muß der gleiche sein wie der 15 klemme 18 ist identisch mit der Spannung auf Lei-Temperaturkoeffizient der Sättigungsspannung eines tung 15 und am Verbindungspunkt 36.
leitenden Digitalschalters, wie beispielsweise des Die Diode 38 kompensiert nicht nur den Span-Transistors 54. Wenn die Temperaturkoeffizienten nungsabfall zwischen Emitter und Basis des Tranzusammenpassen, so ist die Spannung am Widerstand sistors 44, sondern auch den Temperaturkoeffizienten 14 a konstant und unabhängig von der Temperatur, 20 des Spannungsabfalls. Zudem kompensiert der was einen nur vom Widerstand 14 α abhängigen Temperaturkoeffizient der Diode 38 auch den Tem-Strom zur Folge hat. In gleicher Weise haben die peraturkoeffizienten der Zenerdiode 40 derart, daß Sättigungszustände für irgendeinen der anderen Digi- eine konstante durch die Polaritätsspannungsquelle talschalter einen temperaturunabhängigen Strom 41 erfolgte Spannung am Widerstand 52, dem Polaridurch die entsprechenden Widerstände 14 zur Folge. 25 tätswiderstand, aufrechterhalten wird, um einen kon-

Durch richtige Auswahl der Zenerdiode 34 und stanten Strom durch Widerstand 52 in Leitung 15

der Diode 30 ist es möglich, den Transistor 19 zu zu erhalten. Der Widerstand 52 erzeugt daher einen

eliminieren, wobei die Kombination aus Zenerdiode Versetzungsstrom konstanter Polarität, um die

34 und in Durchlaßrichtung vorgespannter Diode 30 analoge Ausgangsspanne an Klemme 18 auf einen

zusammen den Temperaturkoeffizienten der Sätti- 30 gewünschten Bezugspunkt zu verschieben,

gungsspannung des Digitalschalters kompensieren. Der an die Klemme 50 gelieferte Strom fließt durch

Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß man die die Zenerdiode 40 und die Diode 38 und erzeugt eine

Kombination aus Transistor 19 und Zenerdiode 34 konstante Spannung zwischen Klemme 50 und Ver-

derart auswählt, daß die Diode 30 weggelassen wer- bindungspunkt 36. Der Transistor 48 liefert den not-

den kann. 35 wendigen Strom an den Verbindungspunkt 50. Der

Zur weiteren Erläuterung der Kompensation der Strom ist durch den Widerstand 51 bestimmt, und Digitalschaltersättigungsspannung sei darauf hin- zwar infolge der an Diode 49 und Widerstand 47 gewiesen, daß der Verbindungspunkt 36 mit dem auftretenden Spannung, vermindert um den Emitter/ nicht invertierenden (NON-INV)-Eingang des Basis-Spannungsabfall des Transistors 48. Da die Funktionsverstärkers 16 verbunden ist. Da es sich 40 Diode 49 den Temperaturkoeffizienten des Emitter/ bei dem Funktionsverstärker 16 um einen Verstärker Basis-Spannungsabfalls des Transistors 48 kompenmit hoher Verstärkung handelt, befindet sich der siert und die Widerstände 51 und 47 derart zusammit Leitung 15 verbundene invertierende Eingang im menpassen, daß sie gleiche Widerstandstemperaturwesentlichen auf dem gleichen Potential wie der koeffizienten haben, wird ein konstanter Strom auf nichtinvertierende Eingang. Wenn daher der Tempe- 45 diese Weise in Klemme 50 aufrechterhalten,
raturkoeffizient von solcher Art ist, daß die Sätti- Da die Ausgangsspannung an Klemme 18 des gungsspannung des Digitalschalters mit steigender Funktionsverstärkers 16 mit dem Verhältnis aus Temperatur abnimmt, so wird die Kompensations- Widerstand 17 zur Parallelkombination der geschaiwirkung der am Verbindungspunkt 36 auftretenden teten Widerstände 14 und dem Verhältnis von WiderSpannung mit der Temperatur auch um dieselbe 50 stand 17 zu Widerstand 52 in Beziehung steht, ist es Größe abnehmen. Infolgedessen bleibt die Spannung wichtig, daß die Temperaturkoeffizienten dieser am geschalteten Widerstand 14 a konstant, was zur Widerstände zusammenpassen, damit die Ausgangs-Folge hat. daß ein konstanter Strom im Widerstand spannung nicht auf die Temperatur anspricht. Die 14a aufrechterhalten wird. Da dieser Strom auch Widerstände 47, 51, 14, 52 und 17 können als abdurch den Rückkopplungswiderstand 17 fließt, wird 55 geschiedene Schichtwiderstände hergestellt sein, auch die Ausgangsspannung an Klemme 18 konstant Nach dem Stand der Technik können solche Schichtgehalten, und zwar unabhängig von der infolge der widerstände, wie beispielsweise Cermet-Widerstände Temperatur auftretenden Sättigungsspannungsände- derart hergestellt werden, daß die Widerstandstemrung des Digitalschalters. peraturkoeffizienten sehr genau zusammenpassen,

Wenn — wie bereits erwähnt — ein Digitalschal- 60 was einen ausgezeichneten Temperaturverlauf zur

ter, wie beispielsweise Transistor 54, nichtleitend Folge hat. Cermet-Widerstände sind für den hier

gemacht wird, so muß die Spannung auf Leitung 15 beschriebenen Digital-Analog-Umsetzer ideal, da sie

im wesentlichen die gleiche sein wie die Spannung durch eine Vielzahl kleiner leitender Teilchen ge-

auf Leitung 43. Da die Spannung auf Leitung 15 im bildet sind, die gleichförmig in einem Glas oder

wesentlichen gleich der Spannung am Verbindungs- 65 keramischen Bindematerial verteilt sind und leicht

punkt 36 ist, muß die Spannung auf Leitung 43 im auf einem nichtleitenden Träger abgelagert werden

wesentlichen gleich der Spannung am Verbindungs- können,

punkt 36 sein. Die Spannung auf Leitung 43 wird Die Komponenten des Digital-Analog-Umsetzers

— wie in F i g. 2 gezeigt — auf einem nichleitenden Träger 5 befestigt, um einen vollständigen Digital-Analog-Umsetzer in Modulform bei niedrigen Kosten und kleiner Größe zusammenzubauen. Speziell die Verwendung abgeschiedener Schichtwiderstände 14 und abgeschiedener Leiterbahnen 10 sowie die integrierte Schaltung 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 Bauteile von Umgebungseinflüssen zu schützen.

Die Verwendung von Schaltungskomponenten mit zweckmäßigen Temperaturkoeffizienten zur Bildung einer Kompensationsbezugsspannungsquelle, die in der gezeigten Weise angeschlossen ist, liefert einen Digital-Analog-Umsetzer, welcher — was bisher nicht möglich war — Digitalschalter in integrierter Barart verwendet. Die Digitalschalter in integrierter Schaltungsbauweise in Verbindung mit abgeschiedenen Schichtwiderständen ermöglichen ein Digital-Analog-Umsetzermodul von geringer Größe, niedrigen Kosten und direkten Zwischengliedeigenschaften zwischen digitalen und analogen Schaltungen.

Die erfindungsgemäße Digital-Analog-Umsetzschaltung verwendet eine minimale Zahl aktiver und passiver Bauteile und ermöglicht die Verwendung digitaler integrierter Schalter an Stelle 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.

Claims (8)

Patentansprüche: 40

1. 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 präzisionsge wichtete Widerstände verbunden ist und wobei die invertierende Eingangsklemme auch über einen Polaritätswiderstand mit einer Polaritätsbezugsspannungsquelle in Verbindung steht, wobei die Ausgangsklemme des Funktionsverstärkers über einen Rückkopplungswiderstand an der invertierenden Eingangsklemme liegt, dadurch gekennzeichnet, daß digitale Transistorschalter (54) zwischen der Bezugsspannungsquelle und jedem der präzisionsgewichteten Widerstände (14) liegen, um wahlweise einen Summierstrom durch die Widerstände an den Verstärker anzulegen, wobei die inhärente Versetzungsspannung der digitalen Transistorschalter (54) durch eine entsprechende Kompensationsbezugsspannungsquelle ausgeglichen ist, die mit einer nicht invertierenden Klemme des Funktionsverstärkers (16) verbunden ist.

2. Digital-Analog-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsbezugsspannungsquelle zum Ausgleich der Versetzungsspannung der digitalen Transistorschalter eine Zenerdiode (34) aufweist, die eine Kathoden- und eine Anodenklemme besitzt, wobei die Kathodenklemme am nicht invertierenden Eingang des Funktionsverstärkers (16) liegt und wobei die Kompensationsbezugsspannungsquelle (29) ferner eine Temperatur und Spannung kompensierende Vorrichtung besitzt, die zwischen der Anodenklemme der Zenerdiode (34) und einer Schaltungserdklemme liegt, um so eine Temperaturkompensation sowohl für die Zenerdiode als auch für die digitalen Transistorschalter zu erzeugen.

3. Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polaritätsbezugsspannungsquelle (41) eine Zenerdiode (40) mit Kathoden- und Anodenklemme enthält, wobei die Kathodenklemme mit dem Polaritätswiderstand verbunden ist und wobei zwischen der Anodenklemme der Zenerdiode und der Kompensationsbezugr Spannungsquelle Temperaturkompensationsmiuci vorgesehen sind, welche eine Temperaturkompensation für die Zenerdiode hervorrufen.

4. Umsetzer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur- und Spannungskompensationsvorrichtung eine in Durchlaßrichtung vorgespannte Diode mit Anoden- und Kathodenklemmen aufweist, wobei die Anodenklemme an der Anode der Zenerdiode (34) liegt und die Kathodenklemme der in Durchlaßrichtung vorgespannten Diode mit Erde verbunden ist.

5. Umsetzer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur- und Spannungskompensationsvorrichtungen eine in Durchlaßrichtung 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 ist, der mit Basis und Kollektor an der in Durchlaßrichtung vorgespannten Diode liegt, während der Emitter mit Erde verbunden ist.

6. Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionsverstärker (16) auf einem nichtleitenden Träger (5) befestigt ist, wobei die präzisionsgewichteten Widerstände (14) eine Vielzahl von auf der Oberfläche des Trägers abgeschiedenen Schichtwiderständen 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 nichtleitend gemacht wird, wodurch die digitalen Schalter die Bezugsspannungsquelle selektiv mit den entsprechenden Widerständen oder Erde verbinden.

7. Umsetzer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannungsmittel eine Stromquelle aufweisen, die zwischen einer ersten Klemme und Erde liegt, und wobei ferner eine Zenerdiode mit Kathode und Anode vorhanden ist, wobei die Kathode an der ersten Klemme der Stromquelle liegt und elektrische Schaltungsmittel zur Temperatur- und Span-

nungskompensation Mittel zwischen der Zenerdiodenanode und Erde liegen.

8. Umsetzer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Schaltungsmittel zur Temperatur- und Spannungskompen-

sation eine in Durchlaßrichtung vorgespannte Diode mit Anoden- und Kathodenklemmen aufweisen, wobei die Anodenklemme mit der Zenerdiode und die Kathodenklemme mit Erde verbunden ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen