DE2209640C2 - Digital-Analog-Umsetzer - Google Patents

Description

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brechung des verfügbaren Analogwerts vermieden Feldeffekttransistors T7 verbunden. Die Steuerelek-

wird. troden der MOS-Feldeffekttransistoren 75 und 76

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der sind an die Ausgänge P 5 bzw. P 6 des Programm-Zeichnung dargestellt. Darin zeigt werksP angeschlossen.

Fig. 1 das Schaltbild eines Digital-Analog-Um- 5 Die Quelle des MOS-Feldeffekttransistors 77 liegt

setzers nach der Erfindung und an Masse, und ihr Abfluß ist über einen als Last-

Fig. 2 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungs- widerstand dienenden MOS-Feldeffekttransistor 78

weise der Schaltung nach Fig. 1. mit Kurzschluß zwischen Steuerelektrode und Abfluß

Der in Fig. 1 dargestellte Digital-Analog-Um- an eine Spannungsklemme K3 angeschlossen, die setzer enthält ein Register Ä, :n welchem der jeweils io vorzugsweise das gleiche Potential wie die Spanumzusetzende Digitalwert gespeichert ist. Dieses nungsklemme K1 führt.

Register besteht in der üblichen Weise aus binären Die Klemme K 4, die mit dem Abfluß des MOS-

Speicherstufen, die jeweils einer Binärstelle des Feldeffekttransistors 77 verbunden ist, stellt die

Digitalwerts zugeordnet sind. An den Stufenaus- Ausgangsklemme des Digital-Analog-Umsetzers dar,

gangen dieses Registers bestehen jeweils Binärsignale, 15 an welcher die Analogspannung erscheint, die

die einen dem Inhalt der entsprechenden Register- dem im Register R gespeicherten Digitalwert ent-

stufe entsprechenden Signalwert 0 oder 1 haben. spricht.

Die Stufenausgänge des Registers/? sind mit den Die MOS-Feldeffekttransistoren 71 bis 76 arbei-Eingängen der Zählerstufen eines voreinstellbaren ten als Schalter; sie sind daher so ausgeführt, daß sie Binärzählers Z verbunden. Bei Zuführung eines 20 im eingeschalteten Zustand möglichst niederohmig Steuerimpulses zu einem Steuereingang Z 2 kann da- sind und im ausgeschalteten Zustand einen extrem durch der Inhalt des Registers R in den Zähler Z niedrigen Reststrom aufweisen. Ferner sind zueingebracht werden. Einem Zähleingang Z1 werden mindest die MOS-Feldeffekttransistoren 75 und 76 Taktimpulse fester Frequenz zugeführt, die den In- so ausgeführt, daß sie im eingeschalteten Zustand halt des Zählers Z von dem voreingestellten Wert »5 einen Stromfluß in beiden Richtungen zulassen. Die fortlaufend verringern. Nach einer Voreinstellung Steuerung dieser MOS-Feldeffekttransistoren gedes ZählersZ wird also der Zählerstand 0 erreicht, schicht durch die an den Ausgängen Pl bis P6 des wenn eine Anzahl von Taktimpulsen gezählt worden Programmwerks P abgegebenen Spannungen, die ist, die dem Inhalt des Registers R entspricht. jeweils den einen oder den anderen von zwei Wer-

Die Stufenausgänge des Zählers Z sind mit den 30 ten annehmen, die dem Einschalten bzw. dem AusEingängen einer Logikschaltung L verbunden, die so schalten des MOS-Feldeffekttransistors entsprechen, ausgeführt ist, daß sie am Ausgang einen Impuls ab- Je nach der Art und Popularität der MOS-FeIdgibt, wenn der Zähler Z den Zählerstand 0 erreicht. effekttransistoren können diese Spannungswerte Dieser Ausgangsimpuls wird dem Eingang P8 eines positiv, negativ oder Null sein.
Programmwerks P zugeführt. Das Programmwerk P 35 Die Arbeitsweise der Schaltung von F i g. 1 soll hat ferner AusgängePl bis P6, an denen es Steuer- an Hand der Diagramme von Fig. 2 erläutert wersignale gemäß einem festgelegten Programm abgibt, den, die den zeitlichen Verlauf der Signale an den und einen Ausgang P7, der mit dem Sleuereingang Klemmen Pl bis P8 des Programmwerks P sowie der Z 2 des Zählers Z verbunden ist. Klemmenspannungen der Kondensatoren Cl und Cl

Es sind zwei Kondensatoren CX und Cl vor- 40 zeigen. Ferner sind die dem Eingang ZI des Zähgesehen, die zwischen zwei Spannungsklemmen Ki lers Z zugeführten Taktimpulse dargestellt. Es ist und Kl über einen gemeinsamen Widerstand R angenommen, daß die an den Ausgängen Pl bis P6 parallel angeschlossen sind. In der Verbindung abgegebenen Steuerspannungen die zugeordneten zwischen dem Kondensator C1 und dem Wider- MOS-Feldeffekttransistoren bei einem hohen Signalstand R liegt der Kanal eines MOS-Feldeffekt- 45 wert einschalten und bei dem Signalwert 0 austransistors 7Ί, dessen Steuerelektrode an den Aus- schalten.

gang Pl des Programmwerks P angeschlossen ist; in Es wird angenommen, daß im Zeitpunkt/0 der

entsprechender Weise ist der Kondensator C2 mit Kondensator C1 entladen und der Kondensator C2

dem Widerstand R über den Kanal eines MOS-FeId- durch den vorhergehenden Zählvorgang aufgeladen

effekttransistors 72 verbunden, dessen Steuerelek- 50 ist und daß vom Ausgang P7 des Programmwerks P

trode an den Ausgang P2 des Programmwerks P an- ein Impuls zu dem Steuereingang Z2 des Zählers Z

geschlossen ist. abgegeben wird, der bewirkt, daß der Inhalt des

Parallel zu dem Kondensator C1 liegt der Kanal Registers R in den Zähler Z gebracht wird und die

eines MOS-Feldeffekttransistors 73, dessen Steuer- Rückwärtszählung auf Grund der dem Eingang Zl

elektrode mit dem Ausgang P3 des Programm- 55 zugeführten Taktimpulse beginnt. Die Ausgänge P 2,

werks P verbunden ist, und parallel zu dem Konden- P3, P4 und PS geben in diesem Zeitpunkt Ausgangs-

sator Cl liegt der Kanal eines MOS-Feldeffekt- spannungen des Wertes Null ab, durch weiche die

transistors 74, dessen Steuerelektrode an den Aus- MOS-Feldeffekttransistoren 72, 73, 74 bzw. 75

gang P4 des Programmwerks P angeschlossen ist. ausgeschaltet werden. Dagegen liefert der AusgangP6

Die nicht mit der Spannungsklemme K1 verbun- 60 zu der Steuerelektrode des MOS-Feldeffekttransistors dene Klemme des Kondensators Cl ist über den 76 einen hohen Spannungswert, so daß dieser MOS-Kanal eines MOS-Feldeffekttransistors 75 mit der Feldeffekttransistor eingeschaltet ist und die am Kon-Steuerelektrode eines die Ausgangsstufe bildenden densatorC2 bestehende Spannung zur Steuerelek-MOS-Feldeffekttransistors 77 verbunden, und in trode des MOS-Feldeffekttransistors 77 überträgt, gleicher Weise ist die nicht mit der Spannungs- g₅ An der Klemme A4 erscheint daher eine Ausgangsklemme K 2 verbundene Klemme des Konden- spannung, die dem vom Kondensator C2 während sators Cl über den Kanal eines MOS-Feldeffekt- des letzten Zähl Vorgangs erreichten Analogwert enttninsisinrs T6 mit der Steuerelektrode des MOS- spricht.

Die Ausgangsspannung an der Klemme P1 des Programmwerks P geht im Zeitpunkt fO auf den hohen Signalwert, so daß der MOS-Feldeffekttratisistor 71 in diesem Zeitpunkt geöffnet wird und der KondensatorC1 sich über den Widerstand/? 5 aufzuladen beginnt. Die Zeitkonstante des Widerstandswerts des Widerstands R und des Kapazitätswerts des Kondensators Cl ist so groß, daß die Aufladung während des größten vorkommenden Zeitintervalls als linear angesehen werden kann. Die _le Spannung am Kondensator C1 steigt daher linear an.

Im Zeitpunkt 11 erreicht der Zähler Z seinen Zählerstand Null, so daß die Logikschaltung L zum Eingang P8 des Programmwerks P einen Impuls liefert, Das Zeitintervall zwischen den Impulsen am Ausgang P 7 und am Eingang P 8 entspricht also der Meßzeit Tm, die dem im Register R gespeicherten Digitalwert proportional ist.

Auf Grund des im Zeitpunkt rl zugeführten Impulses nimmt das Programmwerk P folgende Ände- ao rungen vor:

— Die Ausgangsspsnnung an der Klemme P1 geht auf Null, so daß der MOS-Feldeffekttransistor 71 gesperrt wird und die Aufladung des Kondensators C1 beendet wird; die Spannung am Kondensator Cl stellt jetzt den Analogwert für den zuletzt umgesetzten Digitalwert dar.

— Der MOS-Feldeffekttransistor T6 wird ausgeschaltet und gleichzeitig der MOS-Feldeffekttransistor TS eingeschaltet, so daß die Steuerelektrode des MOS-Feldeffekttransistors Tl vom Kondensator C 2 auf den Kondensator C1 umgeschaltet wird. Während dieses Umschaltvorgangs wird der Spannungswert in der Steuerelektroden-Quellen-Kapazität des MOS-FeIdeffekttransistors Tl gespeichert, so daß keine kurzzeitige Unterbrechung in der Ausgangsspannung an der Klemme K 4 erscheint.

— Der MOS-Feldeffekttransistor T4 wird ein· geschaltet, so daß sich der Kondensator Cl über dessen Kanal schnell entlädt.

Nr.ch einem kurzen Zeitintervall, das jedoch mit Sicherheit zur vollständigen Entladung des Kondensators ausreicht, wird im Zeitpunkt / 2 vom Ausgang Pl des ProgrammwerksP ein Impuls zum Eingang Z 2 des Zählers Z gegeben, wodurch wieder der Inhalt des Registers R in den Zähler Z übertragen und der nächste Zählvorgang eingeleitet wird. Gleichzeitig wird der MOS-Feldeffekttransistor TA ausgeschaltet und der MOS-Feldeffekttransistor Tl eingeschaltet, so daß sich nunmehr der Kondensator C 2 während der Dauer des Zählvorgangs über den Widerstand R auflädt.

Beim Erreichen des Zählerstandes Null im Zeit punkt/3 liefert wieder die Logikschaltung L einer Impuls zum Eingang P8 des Programmwerks P wodurch folgende Vorgänge ausgelöst werden:

— Der MOS-Feldeffekttransistor Tl wird aus geschaltet, so daß der Ladevorgang des Kondensators C2 beendet wird.

— Der MOS-Feldeffekttransistor 75 wird aus geschaltet, und der MOS-Feldeffekttransistor Tt wird gleichzeitig eingeschaltet, so daß die Steuerelektrode des MOS-Feldeffekttransistor: Tl vom Kondensator Ci auf den Kondc lsatoi C 2 umgeschaltet wird.

— Der Transistor 73 wird eingeschaltet, so daC sich der Kondensator C! über dessen Kana entlädt.

Im Zeitpunkt/4 wird der nächste Zählvorganj durch einen Impuls vom Ausgang Pl des Programmwerks P eingeleitet. Gleichzeitig wird der MOS-Feldeffekttransistor 73 ausgeschaltet und der MOS Feldeffekttransistor 71 eingeschaltet. Damit ist wieder der gleiche Zustand wie im Zeitpunkt/0 er reicht.

Diese Vorgänge wiederholen sich beliebig oft. Wi< zu erkennen ist, liegt an der Steuerelektrode de« MOS-Feldeffekttransistors 72 praktisch lückenlo! entweder die Spannung des Kondensators C1 odei die Spannung des Kondensators C 2 an, so daß dei Analogwert an der Klemme K4 ununterbrochen zui Verfügung steht.

Wenn sich der Inhalt des Registers R ändert ändert sich dementsprechend die Anzahl der gezähl ten Taktimpulse und damit die Meßzeit Tm. Die; hat eine entsprechend höhere oder niedrigere Span nung an dem während des betreffenden Zählvorgang! aufgeladenen Kondensator C1 oder C 2 zur Folge so daß die Ausgangsspannung an der Klemme K t den Änderungen des umzusetzenden Digitalwert! stetig folgt.

Wie zu erkennen ist, besteht der Analogteil dei Schaltung ausschließlich aus Kondensatoren, MOS-Feldeffekttransistoren und einem Widerstand. Diesei Schaltungsteil eignet sich also besonders gut für eine Fertigung in Form einer integrierten Halbleiterschaltung auf einem Kristall. Alle Teile unterlieger somit den gleichen Fertigungsbedingungen, und si« sind auch im Betrieb den gleichen Temperaturbedingungen ausgesetzt.

Das Programmwerk P, das Register R, der Zähler Z und Logikschaltung L sind digitale Schaltungen deren Aufbau auf Grund der geschilderten Funktionsweise für jeden Fachmann offensichtlich ist. Die Herstellung solcher digitaler Schaltungen in Fora von integrierten Schaltungen ist allgemein bekannt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

1 2 eine dem Analogwert entsprechende Spannung auf-Patentansprüche: geladen wird. Bei den bekannten Digital-Analog-Umsetzern die-

1. Digital-Analog-Umsetzer mit einem Konden- ser Art wird gewöhnlich ein Zähler auf den umzusator, der während einer dem Digitalwert propor- 5 setzenden Digitalwert voreingestellt und dann mit tionalen Zeit auf eine dem Analogwert entspre- Taktimpulsen fester Frequenz bis auf Null herunterchende Spannung aufgeladen wird, dadurch gezählt; in der Zeit von der Voreinstellung bis zum gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Kon- Erreichen des Zählerstands Null wird ein Kondendensatoren (Cl, C2) vorgesehen sind, dieabwech- sator über einen Widerstand aufgeladen. Die an den selnd aufgeladen und entladen werden, daß das io Klemmen des Kondensators beim Erreichen des NuIl-Aufladen der beiden Kondensatoren (Cl, C2) werts erhaltene Spannung stellt den Analogwert dar. über den gleichen Widerstand (R) erfolgi und daß Diese Schaltungen weisen den Vorteil auf, daß mit der jeweils aufgeladene Kondensator mit einer einem geringen Schaltungsaufwand Digitalwerte mit Ausgangsstufe (Tl, TS) verbunden wird. großer Stellenzahl in Analogwerte umgesetzt werden

2. Digital-Analog-Umsetzer nach Anspruch 1, 15 können. Ein Nachteil ist jedoch darin zu sehen, daß dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstufe der Analogwert nur einmal, und zwar direkt nach (Γ7, TS) wenigstens einen MOS-Feldeffekttran- Beendigung des Zählvorgangs, zur Verfügung steht, sistor (7" 7) enthält, dessen Steuerelektrode mit weil der Kondensator anschließend für den nächsten dem jeweils aufgeladenen Kondensator verbun- Zählvorgang sofort wieder entladen werden muß.
den wird. 30 Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines

3. Digital-Analog-Umsetzer nach Anspruch 2, Digital-Analog-Umsetzers der eingangs angegebenen dadurch gekennzeichnet, daß im Abflußkreis des Art, bei dem der Analogwert ununterbrochen zur MOS-Feldeffekttransistors (Tl) der Ausgangs- Verfügung steht und sich entsprechend den Ändestufe als Lastwiderstand ein weiterer MOS-FeId- rungen des Digitalwerts stetig ändert,
effekttransistor (TS) mit Kurzschluß zwischen 35 Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, Steuerelektrode und Abfluß liegt. daß wenigstens zwei Kondensatoren vorgesehen sind,

4. Digital-Analog-Umsetzer nach einem der die abwechselnd aufgeladen und entladen werden, Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß daß dar Aufladen der beiden Kondensatoren über ein Programmwerk (P) zur Steuerung des Auf- den gleichen Widerstand erfolgt und daß der jeweils ladens und Entladens der Kondensatoren (Cl, 30 aufgeladene Kondensator mit einer Ausgangsstufe C 2) und zur Verbindung des jeweils aufgeladenen verbunden wird.

Kondensators mit der Ausgangsstufe (Tl, TS) Bei dem nach der Erfindung ausgeführten Digitalvorgesehen ist. Analog-Umsetzer kann jeweils die Ladung auf einem

5. Digital-Analog-Umsetzer nach Anspruch 4, Kondensator gehalten werden, während der andere dadurch gekennzeichnet, daß im Ladekreis und 35 Kondensator zunächst entladen und dann während im Entladekreis jedes Kondensators (Cl, C2) so- des Zählvorgangs aufgeladen wird. Sobald der anwie in der Verbindung zwischen jedem Konden- dere Kondensator voll aufgeladen ist, wird seine sator (Cl, C2) und der Ausgangsstufe (T7, TS) Klemmenspannung der Ausgangsstufe zugeführt, ein vom Programmwerk (P) gesteuerter Schal- während nunmehr der erste Kondensator entladen ter (7Ί bis 76) liegt. 4» und erneut aufgeladen wird. An der Ausgangsstufe

6. Digital-Analog-Umsetzer nach Anspruch 5, ist daher dauernd der durch den letzten Zählvorgang dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schalter ein erhaltene Analogwert vorhanden, der sich jeweils MOS-Feldeffekttransistor (7Ί bis T 6) ist. nach Beendigung eines Zählvorgangs nur um den

7. Digital-Analog-Umsetzer nach einem der Betrag ändert, der einer inzwischen erfolgten VerAnsprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß 45 änderung des umzusetzenden Digitalwerts entals zeitbestiminendes Glied ein auf den Digital- spricht.

wert voreinstellbarer Zähler (Z) vorgesehen ist, Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erder Taktsignale empfängt und dessen Stufen- findung ist ein Programmwerk zur Steuerung des ausgänge mit einer Logikschaltung (L) verbunden Aufladens und Entladens der Kondensatoren und zur sind, die beim Erreichen des Zählerstandes Null 50 Verbindung des jeweils aufgeladenen Kondensators ein Auslösesignal zu einem Eingang (P 8) des Pro- mit der Ausgangsstufe vorgesehen. Zu diesem Zweck grammwerks liefert, und daß das Programmwerk liegt vorzugsweise im Ladekreis und im Entladekreis einen Ausgang (P 7) hat, der mit einem Steuer- des Kondensators sowie in der Verbindung zwischen eingang des Zählers (Z) für dessen Voreinstel- jedem Kondensator und der Ausgangsstufe ein vom lung entsprechend dem Digitalwert verbunden 55 Programmwerk gesteuerter Schalter. Der nach der ist. Erfindung ausgeführte Digital-Analog-Umsetzer eig-

8. Digital-Analog-Umsetzer nach Anspruch 7, net sich besonders gut zur Ausführung in Form einer dadurch gekennzeichnet, daß die Stufeneingänge integrierten Halbleiterschaltung. Zu diesem Zweck des Zählers (Z) mit den Ausgängen eines ist vorzugsweise jeder Schalter ein MOS-Feldeffekt-Registers (R) verbunden sind, in dem der Digital- 60 transistor (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttranwert gespeichert ist. sistor). Zweckmäßig enthält auch die Ausgangsstufe

wenigstens einen MOS-Feldeffekttransistor, dessen

Steuerelektrode mit dem jeweils aufgeladenen Kondensator verbunden wird. Diese Ausbildung ergibt 65 zusätzlich die Wirkung, daß während des Umschalt-

Die Erfindung bezieht sich auf einen Digital- Vorgangs der Spannungswert in der vorhandenen Analog-Umsetzer mit einem Kondensator, der wäh- Steuerelektroden-Quellen-Kapazität des Feldeffektrend einer dem Digitalwert proportionalen Zeit auf transistors gespeichert wird, so daß jede Unter-