DE2445142C3

DE2445142C3 - Analog-Digital-Umsetzer und Digital-Analog-Umsetzer sowie Verfahren zu ihrem Betrieb

Info

Publication number: DE2445142C3
Application number: DE2445142A
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl.-Ing. 8021 Taufkirchen Hoffmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-09-20
Filing date: 1974-09-20
Publication date: 1980-10-16
Also published as: FR2285754A1; JPS5157279A; DE2445142B2; US4091378A; GB1524527A; DE2445142A1; IT1042656B; NL7511015A; FR2285754B1; BE833629A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Analog-Digital-Umsetzer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und auf einen Digital-Analog-Umsetzer sowie auf Verfahren zu ihrem Betrieb.

Ein Analog-Digital-Umsetzer dieser Art wird in dem Aufsatz von D. R. Breuer »High-S/.^ed A/D Converter Monolithic Techniques«, der in arm «Digest of Technical Papers« der 1972 IEEE Internatir-al Solid-State Circuits Conference auf den Seiten 146 und 147 enthalten ist, beschrieben. Dort bestehen die Spanpi-'.ngswertvergieicher aus aufwendigen Schaltungen mit Operationsverstärkern. Der Analog-Digital-Umsetzer kann damit nicht ohne weiteres als integrierte Halbleiterschaltung hergestellt werden. Außerdem ist die Anzahl der im Analog-Digital-Ur.ise'zer verwendbaren Spannungswertvergleicher beschränkt.

Aus der DE-OS 23 39 492 ist ein Analog-Digital-Umsetzer bekannt, der ohne eine Widerstandsleitung oder -kette mit einer Vielzahl von Vergleichern aufgebaut ist und der eine komplizierte Codiereinrichtung umfaßt. Auch dieser Umsetzer ist nur unter großen Schwierigkeiten als integrierte Schaltung zu realisieren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es. Umsetzer der eingangs genannten Art anzugeben, die in einfacher Weise auf einem Halbleiterchip integrierbar sind. Gemäß der Erfindung wird das bei einem Analog-Digitai-Umsetzer durch eine Ausbildung entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 erreicht. Gemäß weiterer Erfindung wird das bei einem Digital-Analog-Umsetzer durch eine Ausbildung gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 2 erreicht. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Umsetzer nach der Erfindung sind in den Patentansprüchen 3 bis 13 angegeben.

Gemäß weiterer Erfindung sind in den Patentansprüchen 14 bis 16, 18 und 19 jeweils Verfahren zum Betrieb der Umsetzer nach der Erfindung gekennzeichnet. Patentanspruch 17 gib! eine bevorzugte Weiterbildung der Ye-fahren nach den Ansprüchen 14 bis 16 an.

Ein erfindungsgemäßer Umsetzer kann in einfacher Weise auf einem Halbleiterchip integriert wurden. Zwei oder mehrere, insbesondere auf einem Halbleiterchlp integrierte Anordnungen können einander parallel geschaltet werden. Es können weiterhin sehr viele Transistoren an die Widerstandsleitung angeschlossen werdeh, wodurch sowohl bei der Analog-Digital-Umsetzung als auch bei der Digital-Analog-Umsetzung eine hohe Auflösung erreicht wird.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeis;t

Fig. 1 das Schaltbild eines erfindungsgemäßen Umsetzers,

F i g. 2 ein Spannungsdiagramm zu F i g. 1,

I i g. 3 das .Schaltbild eines nach der Erfindung ausgebildeten Analog-Digital-Umsci/crs.

I i g. 4 ein .Spannungsdiagramm /li Γ ι g. J.

f i g. 5 das Schaltbild eines Analog-Digital-Umsetzers nach der Erfindung für einen dynamischen Betrieb.

Γ ig. 6.Spannungs-Zeit-Diagramme zu Fi g. 5.

E i g. 7 das Schaltbild eines Digilal-Analog-l Imsctzcrs nach der Erfindung.

l'ig. 8 das Schaltbild eines weiteren Digital-Analog-Umsetzers nach der Erfindung.

I" ig. 9 in Draufsicht den Sehaltiingsaiifbaii eines Umsetzers nach der Erfindung auf einem Halbleitersubstrat.

I i g. 10 ein Spannungsdiagramm zu I' i g. 9.

I ig. Il in Draufsicht eine weitere Realisierung eines I Inisetzers nach der Erfindung auf einem Halbleitersubstrat.

l'ig. 12 ein Spannungsdiagramm zu I' ig. II.

I tu Il rt;i*: Sch:lltltilrl pini'r hpvrtr/iiutPM Λ in.i*i»(.t:il-

lung eines Umsetzers nach der Erfindung.

I ig. 14 das Schaltbild einer anderen bevorzugten Ausgestaltung eines Umsetzers nach der Erfindung und

lig. 15 das Schallbild einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungeines Umsetzers nach der Erfindung.

Der in l'ig. 1 dargestellte Umsetzer besteht aus der Widerstandsleitung 1 an die an den jeweiligen Abgriffpunkten 11 bis 14 die Transistoren 2 bis 5 über ihre Steuerclcktrodenanschlüsse 21 bis 51 angeschlossen sind An die Transistoranschlüsse 23 bis 53 sind die I .asielemenie 6 bis 9 angeschlossen. Die Widerslandsleitung I kann eine durchgehende Leitung oder eine aus diskreten Widerständen zusammengesetzte Widerstandskctte sein. Die Transistoren 2 bis 5 sind in der Eig. 1 als Feldeffekttransistoren dargestellt, können jedoch auch bipolare Transistoren sein.

Ein solcher Umsetzer kann als Analog-Digital-Umsetzer betrieben werden, wenn die Lastelemente b bis 9 Widerslände sind. Es werden dabei an die Enden 19 und 20 der Widerstandsleitung 1 zwei verschiedene Spannungen ll₍;\. Uc2 angelegt, so daß entlang der Widerslandsleitung ein Spannungsabfall erzeugt wird. Die Abgriffpunkte 11 bis 14 liegen dann auf unterschiedlichen Abgrillspannungen (A bis IU. In dem in 1 ι g. 2 dargestellten Spannungsknotendiagramm ist der Spannungsabfall über die gesamte Widerstandsleitung durch die Gerade 200 dargestellt. Auf der Abszisse sind die Abgriffpunkte Il bis 14 eingetragen und auf der Geraden 200 die zugehörigen Abgriffspannungen lh bis IU. Beim Betrieb des Umsetzers werden die Widerstandsanschlüsse 61 bis 91. beispielsweise über eine Verbindungsleitung 101 auf Versorgungsspannung gelegt und an die Transistoranschlüsse wird beispielsweise über eine Verbindungsleitung 10 und erforderlichenfalls über einen Signalverstärker 16 das Analogsignal Ua angelegt. Dies hat zur Folge, daß jeweils diejenigen der Transistoren 2 bis 5 eingeschaltet werden, bei denen die Abgriffspannungen an den Abgriffpunkten der Widerstandsleitung größer als die Spannung Ua minus der Schwellspannung Ut der Transistoren ist. Wird Ut der Einfachheit halber als 0 V angenommen, so bedeutet dies für einen durch die Gerade 201 repräsentierten Momentanwert Ua des Analogsignals, daß der Transistor 2 leitend geschaltet ist. während alle anderen Transistoren sperren. Das Analogsignal Ua bewirkt somit, daß die Anzahl der eingeschalteten Transistoren den jeweiligen Ampiiludenweri repräsentieren. Der dem jeweiligen Analogwert entsprechende Digitalwert wird an den Transistoranschlüssen 23 bis 53 parallel entnommen.

Ik'i der vorstehend beschriebenen Betriebsweise als An ^]'og-Digital-Umsetzer schalten die jeweiligen Tran sistorcn hei verschiedenen Spannungen l/.\. Bei Verwendung von MOS-Eckleffckt-Transistorcn hat das den Nachteil, dal! sich der Substratsteuereffekl unterschiedlich auf die einzelnen Transistoren auswirkt, wodurch sich unterschiedliche Schwellspannungen /'/ für die Transistoren ergeben und dadurch unerwünschte Nichtlinearilätcn erzeugt werden. In der E i g. 3 isl der Schalliingsaufbau eines Analog-Digital-Umsetzers mit einer erfindungsgemallen Anordnung dargestellt, bei der der Substnitstcucrefiekl nicht wirksam wird. Die Ansteuerung des Umsetzers erfolgt über die Wider Standsleistung, wobei das Analogsignal erforderlichen falls über einen Signalversiarker 30 auf ein Ende, beispielsweise das Ende 19 dieser Leitung gegeben wird. Am anderen Ende der Widcrslandsleitung ist ein SiritmupMpr:iti»r 300 vnrvJi'srhrn rlrr hrwirkt rl;i(t cm Spannungsabfall an der Widerstandsleiiung erzeugt wird, der unabhängig von der Analogsignalspannung / Ί ist. Die Transistoranschlüssc 22 bis 52 werden, beispielsweise wieder über eine Vcrbindungsleitung 10. entweder auf Masse oiler auf Versegungspotcniial gelegt, während die Widerstandsanschlüssc 61 bis 91. beispielsweise wieder über eine Verbindiingesleitiinr Verbindungsleitung 101. entweder auf Versorgiingspolential oder auf Masse gelegt werden. Da? dem jeweiligen Analogsignalwert entsprechende Digitalsignal wird wieder an den Transisloranschlüsscn 23 bis 53 parallel entnommen. Die sich an den Abgriffpunkten 11 bis 14 der Widcrstandslcitung ergebenden Spannungen II, bis Ut sind in einem Spannungsknotendiagramm in der I ig. 4 dargestellt. Die Gerade 400 in E ig. 4 gibt wieder den Spannungsabfall entlang der Widersiandslcitung. in diesem ("all für einen Momentanwert U.\ an. Die Spannungen U\ bis IU sind wiederum durch Punkte eingezeichnet. Der Schnittpunkt der Abszisse mil der Ordinate entspricht der Schwcllspaniung Lh- Es sind jeweils die Transistoren eingeschaltet, deren Abgriffspannung größer als die Schwcllspannung Ur ist. in der Fig.4 also die Transistoren 2 und 3. Die gestrichelt gezeichnete Gerade 401 gibt den Grenzfall an. in dem alle Transistoren eingeschaltet sind, während die gestrichelt gezeichnete Gerade 402 den Gren/fall angibt, in dem alle Transistoren gesperrt sind. Das Analogsignal U.\ bewirkt somit, daß die Anzahl der eingeschalteten Transistoren wieder den jeweiligen Amplitudenwert des Analogsignals repräsentieren, der wiederum an den Anschlüssen 23 bis 53 der Transistoren abgenommen werden kann.

Ein erfindungsgemäß aufgebauter Analog-Digital-Umsetzer kann auch dynamisch betrieben werden. Der dynamische Betrieb hat den Vorteil, daß der Leistungsverbrauch reduziert wird und die Umsetzgeschwindigkeit erhöht werden kann. In der Fig.5 ist der Schaltungsaufbau eines Analog-Digital-Umsetzers mit einer erfindungsgemäßen Anordnung für dynamischen Betrieb dargestellt. Der Umsetzer unterscheidet sich von dem in F i g. 3 dargestellten Umsetzer im wesentlichen nur dadurch, daß die Lastelemente 6 bis 9 aus Kondensatoren 60 bis 90 bestehen. Außerdem wird das Analogsignal, erforderlichenfalls wieder über einen Verstärker 530. über einen Schalttransistor 510 an das eine Ende 19 der Widerstandsleitung angelegt. Ein Stromgenerator 540 ist über einen Schalüransistor 511 an das andere Ende der Widerstandsleitung angeschlossen. Weiter sind Schalttransistoren 512 und 513

vorgesehen durch die beide Finden der Widcrstandslcitung auf Versorgungspotential gelegt werden können. Die Transistoranschlüssc 22 bis 53 werden, beispielsweise über eine Verbindungslcitung IO an einen Impulsgenerator 550 angeschlossen, während die Kondensa- ^r> toranschlüsse 601 bis 901, beispielsweise über eine Verbi"diingsleiiung 101, auf festes Potential vorzugsweise Masse gelegt werden. Anhand der in Fig. 6 dargestellten Impulsdiagramme I und Il sei die Wirkungsweise des Umsetzers beschrieben. Die beiden Schalttransistorcn 512 und 513 und die Schalttransistorcn 510 und 511 werden im Gegentakt betrieben, d.h.. die .Schalttransistoren 512 und 513 sind immer dann geschlossen, wenn die Transistoren 510 und 511 offen sind. Die Transistoren 512 und 513 seien durch die i^r> Steuerimpulse I gesteuert. Zum Zeitpunkt /i werden die Transistoren 512 und 513 geöffnet, wodurch die Anschlüsse 19 und 20 der Widerstandslcitung I und damit die Abgriffpunkte 11 bis 14 auf Versorgungsspannung Ky liegen. Die Anstiegsflnnken der vom Impuls- .Ό generator 550 an die Verbindungslcitung 10 gegebenen Impulse Il fallen mit der Anstiegsflanke der Impulse I zusammen, während die Impulse Il eine etwas größere Impulsdauer aufweisen. Die Impulse Il legen die Verbindungsleitung 10 abwechselnd auf Masse und auf r> Versorgungsspannung V,,. Während der Impulsdauer der Impulse I, d. h., in der Zeilspanne /? - ti werden die Kondensatoren 60 bis 90 auf Versorgungspotential Kv aufgeladen. Zum Zeitpunkt ο werden die Transistoren 512 'ind 513 abgeschaltet und die Transistoren 510 und in 511 geöffnet. Das Analogsignal gelangt auf die Widerstandsleitung und erzeugt einen Spannungsabfall. Zur Zeit ij wird die Verbindungsleitung 10 auf Masse gelegt, wodurch die Kondensatoren entladen werden, deren entsprechende Transistoren eine Abgriffspan- ΐί nung haben, die größer als die Schwellspannung L/r ist. Das Analogsignal bewirkt somit, daß die Anzahl der entladenen Kondensatoren den jeweiligen Amplitudenwert des Analogsignals repräsentieren. Das Digitalsignal wird wieder an den Transistoranschlüssen 23 bis 53 abgenommeii

r^:_ ti ι ...

LIlI \_| I ItIUUtI, Cl-IIIcIUt-I LJIIIDCI/.CI IVUI

Digital-Analog-Umsetzer betrieben werden. In der Fig. 7 ist dazu eine Schaltungsanordnung mit einem Sägezahngenerator dargestellt. Ein wesentlicher Unterschied zu den bisher beschriebenen Anordnungen besteht darin, daß die Lastelemente 6 bis 9 durch Dioden 81 bis 84 realisiert sind. Die Diodenanschlüsse 811 bis 841 werden nicht miteinander verbunden, sondern bilden die Digitaleingänge des Digital-Analog-Wandlers. Der Zweck der Dioden ist es. ein gegenseitiges Gleichstromkoppeln der digitalen Eingänge zu vermeiden. In der Fig. 7 sind die Dioden 81 bis 84 in Durchlaßrichtung an die Transistoren 2 bis 5 angeschlossen. An ein Ende der Widerstandsleitung, beispielsweise an das Ende 19 ist ein Sägezahngenerator 80 und an deren anderes Ende 20 ein Stromgenerator 85 angeschlossen. Die Trar.sistoranschlüsse 22 bis 52 werden über eine Verbindungsleitung 10 und über einen Widerstand 86 auf Versorgungsspannung V_n gelegt und über einen Impulserzeuger 87 mit der Steuerelektrode eines Transistors 88 verbunden. Der Transistor 88 verbindet den Ausgang des Sägezahngenerators 80 mit einer Elektrode eines Kondensators 89, dessen andere Elektrode geerdet ist. An der einen Elektrode des fii Kondensators 89 kann das Analogsignal abgenommen werden. Der Pulserzeuger 87 hat die Aufgabe aus einer Spannungsänderung einen Impuls von kurzer Dauer zu erzeugen. Dieser Impuls schaltet kurzzeitig den Transistor 88 ein, der dadurch den Kondensator 89 auf die Momentanspannung des Sägezahngenerators auflädt. Die Funktion des Umsetzers sei im folgenden näher erläutert: Der Sägezahngenerator 80 erzeugt die Spannung Um, die sich von z.B. OV bis auf LJcwtw vergrößert, wodurch die Transistoren 2—5 nacheinander eingeschaltet werden. Die binäre »I«- und »0«-Zustände werden durch entsprechende Spannungswerte beispielsweise Versorgungsspannung Kr «nd 0 V entsprechend an den Hingängen des Umsetzeis repräsentiert. Dies bedeutet, daß der zuerst durch die Sägezahnspannung Um leitend geschaltete Transistor. der eine Eingangsspannung von 0 V hat, eine Spannungsänderung am Widersland 86 hervorruft. Diese Spannungsänderung verursacht, mit Hilfe des Pulserzeugers 87 und des Transistors 88, daß die Kapazität 89 auf die entsprechende Sägezahnspannung aufgeladen wird. Dadurch entsteht an dieser Kapazität eine Treppenspannung, die der angelegten digitalen Information entspricht.

Ein Digital-Analog-Umsetzer mit Sägezahngenerator kann auch in Kollektorschaltung betrieben werden. Der Schaltungsaufbau eines solchen Umsetzers unterscheidet sich von der in Fig. 7 dargestellten Anordnung dadurch, daß die Dioden 81 bis 84 in Sperrichtung an die Transistoren angeschlossen sind. Außerdem arbeiten die Transistoren beim Betrieb in Kollektorschaltung. An den Widerstand 86 wird außerdem nicht die Versorgungsspannung Kr, sondern beispielsweise 0 V angelegt und der zuerst mit Hilfe der Sägezahnspannung Um entdeckte binäre »!«-Zustand verursacht den Umsetzer, die entsprechende Sägezahnspannung im Kondensator 89 zu speichern.

In der Fig. 8 ist der Schaltungsaufbau eines Digital-Analog-Umsetzers mit Gewichtssatz dargestellt. Dieser Umsetzer besteht lediglich aus den Transistoren 2 bis 5. den in Durchlaßrichtung an die Transistoren angeschlossenen Dioden 81 bis 84, der Widerstandsleitung 1 und dem an die Transistoranschlüsse 22 bis 52 über eine Verbindungsleitung 10 ₌n~c;ch!o"cncn Wideri'.ar-.ci 96. An die Er.dcr. !9 -jr.d 20 der Widerstandsleitung 1 werden zwei Spannungen ilen und ilen angelegt. Dadurch sind die Transistoren wie ein Gewichtssatz zu betrachten, die unterschiedliche Ströme durch den Widerstand 96 erzeugen, da die Transistoren, die an unterschiedlichen Abgriffpunkten angeschlossen sind, auch unterschiedliche Gatespannungen aufweisen. Die Steuerung der Transistoren geschieht durch die an den Diodenanschlüssen 811 bis 741 anliegende digitale Information. Dabei ist jeweils nur der Transistor eingeschaltet, an dessen Eingang der binäre »0«-Zustand herrscht Am Widerstand 96 entsteht eine Treppenspannung, die der angelegten digitalen Information entspricht. Diese Treppenspannung repräsentiert das Analogsignal Ua und wird an der Verbindungsleitung 10 abgenommen.

In der F i g. 9 ist in Draufsicht die Realisierung eines erfindungsgemäßen Umsetzers auf einem Halbleitersubstrat dargestellt Im Halbleitersubstrat sind ein oder eine Reihe mehrerer Isolierschicht-Feldeffekttransistoren 20 bis 50 mit dotierten Gebieten als Source- und Drainelektroden vorhanden. Dabei sei unter Isolierschicht-Foldeffekttransistor, im Gegensatz zum Sperrschicht-Feldeffekttransistor, ein Transistor verstanden, der den Aufbau eines MIS-Feldeffekttransistors bzw. eines MOS-Feldeffekttransistors aufweist, dessen Gateelektrode jedoch nicht notwendig aus Metall ist In der

F i g. 9 sind sämtliche Transistoren 20 bis 50 parallel zueinander angeordnet und haben eine Weite w und einen Abstand ζ voneinander, jeweils eine dotierte Elektrode eines jeden Transistors ist Teil eines zusammenhängenden, für alle Transistoren gemeinsamen dotierten Gebietes 110. Die andere dotierte Elektrode eines jeden Transistors weist einen nach außen führenden Kontaktanschluß 126 bis 129 auf. Die Gateelektrode,ι benachbarter Feldeffekttransistoren in der Reihe sind, isoliert vom Halbleitersubstrat, durch elektrisches Widerstandsmaterial miteinander verbunden, so daß eine durchgehende Gateleitung 100 vorhanden ist. Die Gatelcitung 100 übernimmt beim Beirieb zwei Funktionen:

a) Das Steuern der entsprechenden Transistoren,

b) das Erzeugen der Abgriffspannungen U\ bis Ut, wodurch die Gateleitung die Widerstandsleitung bildet.

In der F i r. Q ist Hin ΓίίΟρΙρίΐιιηιχ !Oft rtnrrhorphpnH

gezeichnet. Dies soll andeuten, daß hier die Gateclektroden der Transistoren und die Verbindungen zwischen den Gateelektroden aus gleichem Material bestehen.

In der Fig. 10 ist das zur Fig. 9 gehörende Spannungsknotendiagramm über die Länge der Gateleitung dargestellt. Die Länge der Gateleitung ist dabei entsprechend der Transistorweite w und des Transistorabstandes ζ aufgeteilt. Die Gerade 900 gibt den Spannungsabfall entlang der Gateleitung zwischen den an ihren Enden 119 und 120 anliegenden Spannu.igswerten Ua\ und U₍n an. Die Abgriffspannungen L/, bis LZ₄ berechnen sich aus dem Mittelwert der Gaterandspannungen der entsprechenden Transistorbereiche. Beispielsweise errechnet sich die Spannung U₂ aus den zum Transistor 30 gehörenden Gaterandspannungen L/21 und U₂₂ZuIh = CLZ₂I + U₂₂)Il.

Wie vorstehend beschrieben, werden die Gates mit einer Gatespannung betrieben, die sich als Mittelwert der Gaterandspannungen errechnen läßt. Im Hinblick auf hohe Umsetzgeschwindigkeit ist es vorteilhaft, die Transistoren mit einer möglichst hohen Gatespannung zu betreiben. In der Fig. 11 ist eine Anordnung dargestellt, die dies dadurch erreicht, daß die Gateelektrodenbereiche 122 bis 125 der Feldeffekttransistoren niedrigeren Widerstand aufweisen als die Verbindungen zwischen diesen Elektroden, und zwar derart, daß kein Spannungsabfall entlang der Gateelektroden der Transistoren entsteht. Handelt es sich um eine Silizium-Gate-Technologie, so ist es vorteilhaft diesen niedrigen Widerstand durch Metall-Gateelektroden zu realisieren. Der Spannungsabfall entlang der Gateleitung ist durch die treppenförmige Kurve 1000 im Spannungsknotendiagramm der F i g. 12 dargestellt. Die Gatelänge ist hier wiederum in die Transistorbereiche und die Zwischenbereiche eingeteilt Ein Spannungsabfall tritt nur Ober den Zwischenbereichen auf, während über den Gateelektroden der Transistoren die Spannung konstant ist. Dieser konstante Spannungswert entspricht jeweils einer der Abgriffspannungen U\ bis LZ₄ und ist gleich der maximalen Gaterandspannung des entsprechenden Transistorbereiches. Damit ist die Abgriffspannung höher als die zur Fig.9 gehörende Abgriffspannung.

Die in F i g. 9 und F i g. 11 dargestellten Anordnungen können auch parallel geschaltet werden.

Die erfindungsgemäßen Analog-Digital-Umsetzer bzw. Digital-Analog-Umsetzer können so aufgebaut werden, daß sie eine lineare oder nicht lineare Quantisierung erzeugen, d. h., daß das Analogsignal in gleich große oder unterschiedliche Quantisierungsstufen aufgeteilt wird. Bei nicht linearer Quantisierung müssen diese Widerstände unterschiedliche Widerstandswerte aufweisen. Bei den in Fig. 9 und Il dargestellten Anordnungen kann lineare oder nichtlineare Quantisierung dadurch erreicht werden, daß die Abstände ζ gleiche oder unterschiedliche Werte aufweisen.

Bei den in Fig. 9 und Fig.lt dargestellten Anordnungen können die Lastelemente entweder über die Kontaktanschlüsse 126 bis 129 oder über dotierte Gebiete an die mit den Kontaktanschlüssen versehenen Transistorcleklroden angeschlossen werden. Widerstände als Laslelemente können beispielsweise Schichtwiderstände sein, die die mit den Kontaktanschlüssen versehenen Transistorelektroden berühren. Kondensatoren können durch MIS-Kondensatoren realisiert werden.

,Un kiel··»

Betriebsverfahren wird der Spannungsabfall über die Widerstandsleitung entweder durch Anlegen von Spannungen an die Enden der Widerstandsleitung oder durch einen Stromgenerator, der einen konstanten

2^r> Strom erzeugt, hervorgerufen. Der erzeugte Spannungsabfall ist dabei widerstandsabhängig. Widerstandsänderungen werden beispielsweise durch Temperaturschwankungen hervorgerufen, so daß der Spannungsabfall über die Widerstandsleitung ebenfalls

so temperaturabhängig ist. In den Fig. 13 und 14 sind Anordnungen beschrieben, bei denen der Spannungsabfall entlang der Widerstandslcitung konstant gehalten wird. In der F i g. 13 ist eine Anordnung angegeben, bei der der Spannungsabfall entlang der Widerstandslci-

r> tung durch einen Stromgenerator erzeugt wird. An einem Ende 20 der Widerstandsleitung 1 einer erfindungsgemäßen Anordnung sind in Serie hintereinander ein Transistor 301 und ein Widerstand 302 angeschlossen. Der Widerstand 302 besteht dabei aus

M) einem Widerstandsmaterial, dessen Widerstandswert dieselbe Temperaturabhängigkeit aufweist wie der Widerstandswert der Widerstandsleitung, ^r Transistor 301 ist vorzugsweise ein Feldeffekttransistor. Die Steuerelektrode des Transistors ist mit 3011, die beiden übrigen Elektroden sind mit 3012 und 3013 bezeichnet. Der Spannungsabfall U_w entlang der Widerstandsleitung zwischen den Enden 19 und 20 errechnet sich zu:

LA. = (Us-Ut-UJRJR.

■>» Dabei bedeuten LA die Spannung an der Steuerelektrode 3011 des Transistors, LA, die Spannung am Anschluß 3021 des Widerstandes 302, Ut die Einsatzspannung des Transistors 301, /?» den Widerstandswert der Widerstandsleitung und R den Widerstandswert des

« Widerstandes 302. Verändert sich der Widerstand R_w z. B. mit der Temperatur, so verändert sich im gleichen Maße der Widerstand R. Dies hat zur Folge, daß das Verhältnis R„/R und somit Uw konstant bleibt. Die in Fig. 13 dargestellte Anordnung benötigt einen gerin-

Wi gen Aufwand an Bauelementen und ist deshalb besonders gut integrierbar. Die Anordnung ist weiter unempfindlich gegenüber Widerstandsschwankungen. Beim Betrieb als Analog-Digital-Umsetzer bzw. als Digital-Analog-Umsetzer wird dadurch eine hohe Auflösegenauigkeit erreicht. Die in Fi g. 13 dargestellte Anordnung kann in allen angegebenen Betriebsweisen betrieben werden. In der Fig. 14 ist eine Anordnung dargestellt, bei der der Spannungsabfall über die

Widerstandsleitung durch zwei Spannungsquellen erzeugt wird. Jedes Ende 19, 20 der Widerstandsleitung I eines erfindungsgemäQen Umsetzers ist mit dem Ausgang 3G33, 3043 je eines invertierenden Verstärkers 303, 304 verbunden. Die Eingänge 3030, 3040 der Verstärker sind über zwei Widerstände 305, 307 miteinander verbunden. Der Ausgang eines jeden Verstärkers ist über je einen Widerstand 3032, 3042 mit dem Eingang des Verstärkers rückverbunden. Der Eingang 3030 des Verstärkers 303 ist über einen weiteren Widerstand 306 mit einem Anschlußelenient 308 verbunden. Die Verstärker prägen den Enden 19 und 20 der Widerstandsleitung zwei Spannungen U\ und U₂ ein. wodurch der Widerstandswert R₁, der Widerstandsleitung keinen Einfluß auf den Spannungsabfall U_n entlang der Widerstandsleitung hat. Der Spannungsabfall (Λ, wird dadurch erzeugt, daß am Eingang 3030 des Verstärkers 303 eine Spannung U_a zu einer zwischen den Widerständen 305 und 307 angelegten Spannun** Ui^ hinzusddiert wird. Wird das Vcrhältn¹·" der Widerstandswerte der Widerstände 305 und 3032 gleich dem Verhältnis der Widerstandswerte der Widerstände 307 und 3042 gewählt, so errechnen sich die Spannungen U\ und L^ zu:

OJund U₂= - U_1n

wodurch ein Spannungsabfall entlang der Widerstandsleitung von U)-Ll₂= - (7„ entsteht. Die in der Fig. 14 dargestellte Anordnung kann in allen angegebenen Betriebsweisen betrieben werden. Beim Betrieb als Analog-Digital-Umsetzer, bei dem das Analogsignal auf ein Ende der Widerstandslcitung gegeben wird, ist so zu verfahren, daß das Analogsignal zwischen den Widerständen 305 und 307 angelegt wird.

In der Fig. 15 ist eine Anordnung dargestellt, bei der nur eine einzige Spannungsquellc verwendet wird. Die Enden 19, 20 der Widerstandslcitung 1 sind über cine n Differenzverstärker 30J4 miteinander verbunden. Ein Ende 19 der Widerstandsleitung ist über einen Widerstand 3051 mit dem positiven Differentialeingang -, 3035 des Differen/verstärkers verbunden. Der Ausgang 3038 des Differenzverstärkers ist über einen Widcstand 3036 mit dem negativen Differ^ntialeingatig 3039 rückverbunden. Der negative Differentialeingang ist über einen Widerstand 3037 an Masse angeschlossen.

ίο Der positive Diflerentialeingang ist über einen Widerstand 3061 mit einem Anschlußelenient 3081 verbunden. Bezeichnet man die Widerstandswerte der Widerstände 3051,3061,3037 und 3036 mit K₁. K₂, K, und W₄. so erhält man einen Spannungsabfall entlang der Widerstandslei-

ΙΊ Hing, der unabhängig vom Widerstandswert der Widerstandsleitiing und unabhängig von einer an das Ende 19 der Widerstandslcitung angelegten Spannung UiN ist, wenn man die Widerstandswerte Wi bis Rt so wählt, daß gilt:

■"' RiZ(Ri+ W₄)= RtZ(R₁ + R₂)= 1/2.

Sind die Widerstände 3051, 3061, 3036 und 3037 aus gleichem Material, so verändern sich die Widerstände als Folge der Temperatur oder der Herstellung im

_<■"■ gleichen Maße, wodurch das Verhältnis der Widerstände und somit die Spannung am positiven Differentialeingang 3035 des Verstärkers und die Verstärkung nicht beeinflußt werden. Die in Fig. 14 und Fig. 15 dargestellten Anordnungen können auf einem HaIb-

!(i leiterkörper integriert werden. Die in Fig. 15 dargestellte Anordnung kann in allen angegebenen Betriebsweisen betrieben werden. Beim Betrieb als Analog-Digital-Umsetzer, bei dem das Analogsignal auf ein Ende der Widerstandsleitung gegeben wird, ist so /u

t'i verfahren, daß das Analogsignal auf das Ende 19 der Widerstandsleitung gegeben wird.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Analog-Digital-Umsetzer mit einer Widerstandsleitung oder -kette, an die an einem oder mehreren Abgriffspunkten je ein Spannungswertvergleicher über einen ersten Vergleichereingang angeschlossen ist, wobei der erste Vergleichereingang der Steuerelektrodenanschluß eines Transistors ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Spannungswertvergleicher nur aus einem Transistor (2 bis 5) und einem Widerstand (6 bis 9) oder einem Kondensator (60 bis 70) besteht, daß der Widerstand oder der Kondensator an einen der beiden übrigen Anschlüsse des Transistors, der zugleich den Ausgang des Spannungswertvergleichers bildet und der direkt mit einem der Ausgang des Umsetzers verbunden ist, angeschlossen ist, daß der andere Transistoranschluß (22, 32 und 52) den zweiten Vergleichereingang bildet, und daß an die anderen Anschlüsse (61 bis 91 oder 601 bis 901) der Widerstände oder Kondensatoren ein festes Potential anlegbar ist.

2. Digital-Analog-Umsetzer, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Widerstandsleitung oder -kette (1) an die an einem oder mehreren Abgriffspunkten (11 bis 14) je ein Transistor (2 bis 5) mit seinem Steuerelektrodenanschluß (21 bis 51) angeschlossen ist und je eine Diode (81 bis 89) für jeden Transistor, die an einen der beiden übrigen Anschlüsse (23 bis 53) des Transistors angeschlossen ist, umfaßt (Fig. 7).

3. Analog-Digital-Umsetzer oder Digital-Analog-Umsetzer nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Transistoren ein Feldeffekttransistor ist.

4. Analog-Digital-Umsetzer oder Digital-Analog-Umsetzer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Halbleitersubstrat ein oder eine Reihe mehrerer Isolierschicht-Feldeffekttransistoren (20 bis 50) mit dotierten Gebieten als Source- und Drainelektroden vorhanden sind, daß die Gateelektroden benachbarter Feldeffekttransistoren in der Reihe, isoliert vom Halbleitersubstrat, durch elektrisches Widerstandsmaterial miteinander verbunden sind, daß jeweils eine dotierte Elektrode eines jeden Transistors Teil eines zusammenhängenden für alle Transistoren gemeinsamen dotierten Gebiet (110) ist und daß die andere dotierte Elektrode eines jeden Transistors einen nach außen hin führenden Kontaktanschluß (126 bis 129) aufweist.

5. Analog-Digital-Umsetzer oder Digital-Analog-Umsetzer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gateelektroden der Transistoren und die Verbindungen zwischen den Gateelektroden aus gleichem Material sind.

6. Analog-Digital-Umsetzer oder Digital-Analog-Umsetzer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gateelektroden (122 bis 125) der Feldeffekttransistoren niedrigeren spezifischen Widerstandswert aufweisen als die Verbindungen zwischen den Gateelektrodcn.

7. Analog-Digital-Umsetzer oder Digital-Analog-Umsetzer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gateelektroden (122 bis 125) aus Metall sind.

8. Analog-Digital-Umsetzer oder Digital-Analog-

Umsetzer nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände (z) zwischen zwei Feldeffekttransistoren (20 bis 50) Werte entsprechend einer vorgegebenen Gewichtsfunktion aufweisen.

9. Analog-Digital-Umsetzer oder Digital-Analog-Umsetzer nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß alle Abstände (^zwischen zwei Transistoren gleich groß sind.

10. Analog-Digital-Umsetzer oder Digital-Analog-Umsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an ein Ende (20) der Widerstandsleitung in Serie hintereinander ein Transistor (301) und ein Widerstand (302) angeschlossen sind, wobei der Widerstand aus ein Widerstandsmaterial ist, dessen spezifischer Wider standswert dieselbe Abhängigkeit bezüglich wenigstens einer Einflußgröße aufweist, wie der Widerstandswert der Widerstandsleitung.

11. Analog-Digital-Umsetzer oder Digital-Analog-Umsetzer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daS die Widerstände der Widerstandsleitung und der Widerstand aus demselben Widerstandsmaterial bestehen.

12. Analog-Digital-Umsetzer oder Digital-Analog-Umsetzer nach einem der Ansprüche I bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jodes Ende der Widerstandsleiiung mit dem Ausgang (3033,3043) je eines invertierenden Verstärkers (303, 304) verbunden ist, daß die Eingänge (3030,3040) der Verstärker über zwei Widerstände (305, 307) miteinander verbunden sind, daß der Ausgang eines jeden Verstärkers über je einen Widerstand (3032, 3042) mit dem Eingang des Verstärkers rückverbunden ist, und daß der Eingang eines jeden Verstärkers (303) über einen weiteren Widerstand (306) mit einem Anschlußelement (308) verbunden ist.

13. Analog-Digital-Umsetzer oder Digital-Analog-Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daJ die Enden der Widerstandsleitung über einen Differenzverstärker (3034) miteinander verbunden sind, wobei ein Ende (19) der Widcrstandsleitung über einen Widerstand (3051) mit dem positiven Differentialeingang (3035) des Differenzverstärkers verbunden ist, daß der Ausgang (30J8) des Differenzverstärkers über einen Widerstand (3036) mit dem negativen Differentialeingang (3039) rückve:bunden ist, daß der negative Differentialeingang über einen Widerstand (3037) mit einem Anschluß für das Bezugspotential verbunden ist und daß der positive Differentialeingang über einen Widerstand (3061) mit einem Anschlußelement (3081) verbunden ist.

14. Verfahren zum Betrieb eines Analog-Digital-Umsetzers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nur Widerstände an die Transistoren angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden (19 bzw. Uin,20) der Widerstandsleitung auf je ein festes Potential gelegt werden, daß sämtliche Widerstände (6 bis 9) gemeinsam auf ein weiteres festes Potential gelegt werden, daß auf sämtliche zweiten Vergleichereingänge (22 bis 54) gemeinsam ein Signal gegeben wird und daß aus den Transistoranschlüssen, die zugleich die Ausgänge der Spannungswertvergleicher bilden, die Ausgangssignale parallel entnommen werden.

15. Verfahren zum Betrieb eines Analog-Digital-Umsetzers nach einem der vorhergehenden Ansprü-

ehe, wobei nur Widerstände an die Transistoren angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß alle anderen Anschlüsse (61 bis 91) der Widerstände und alle zweiten Vergleichereingänge (22 bis 52) auf je ein festes Potential gelegt werden, daß auf ein Ende (19 bzw. U_tN) der Widerstandsleitung ein Signal angelegt wird, daö an das andere Ende (20) ein Stromgenerator (300) angeschlossen wird, der einen konstanten, vom jeweiligen Signalwert unabhängigen Strom durch die Widerstandsleitung erzeugt und daß aus den Transistoranschlüssen, die zugleich die Ausgänge der Spannungswertvergleicher bilden, die Ausgangssignale parallel entnommen werden.

16. Verfahren zum Betrieb eines Analog-Digital-Umsetzers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nur Kondensatoren an die Transistoren angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse (601 bis 901) der Kondensatoren (60 bis 90) gemeinsam auf ein festes Potential gelegt und die zweiten Vergleichereingänge (22 bis 52) an einen Impulsgenerator (550) angeschlossen werden, daß an ein Ende (19) der Widerstandsleitung über einen Schalttransistor (510) ein Signal angelegt wird, daß an das andere Ende (20) der Widerstandsleitung über einen weiteren Schalttransistor (511) ein Stromgenerator (540) angeschlossen wird und daß die beiden Enden (19 bzw. Um, 20) der Widerstandsleitung über je einen dritten und vierten Schalttransistor (512, 513) auf ein festes Potential legbar sind, wobei der dritte und vierte Schalltransistor (512,513) gleichzeitig mit einem vom Impulsgenerator erzeugten Impuls geöffnet und vor Beendigung dieses Impulses wieder geschlossen werden und wobei die Transistoren (512, 513) im Gegentakt zu den Transistoren (510, 511) betrieben werden und daß aus den Transistoranschlüssen, die zugleich die Ausgänge der Spannungswertvergleicher bilden, die Ausgangssignale parallel entnommen werden.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprücne 14 bis 17, zum Betrieb eines Analog-Digital-Umsetzers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Analogsignal über einen Signalverstärker (16, 30, 530) auf den jeweiligen Analogeingang gegeben wird.

18. Verfahren zum Betrieb eines Digital-Analog-Umsetzers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden (19 bzw. Uin, 20) der Widerstandsleitung auf je ein festes Potential gelegt werden, daß sämtliche zweiten Vergleichereingänge (22 bis 52) über wenigstens einen Widerstand (86) an ein weiteres festes Potential angeschlossen werden, daß an die freien Diodenanschlüsse (811 bis 814) digitale Signale parallel angelegt werden und daß an sämtlichen zweiten Vergleichereingängen (22 bis 52) gemeinsam ein Signal entnommen wird.

19. Verfahren zum Betrieb eines Digital-Analog-Umsetzers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende (19 bzw. Um) der Widerstandslcitung an einen Sägezahngenerator (80), das andere Ende (20) an einen Stromgenerator (85) der einen stets konstanten Strom durch die Widerstandsleitung erzeugt, angeschlossen werden, daß sämtliche zweiten Vergleichereingängc (22 bis 52) an einen Eingang (871) eines Impulsgebers (87), welcher bei einer eingangsseitigen Spannungsäiiderung ausgangsseitig kurzzeitig einen Impuls abgibt, angeschlossen sind, daß das Ende (19 bzw. U/n) der Widen-tandsleitung über einen Schalttransistcr (88), der durch die Ausgan^simpulse des Impulsgebers ein- und ausgeschaltet wird, mit einer Elektrode des Kondensators (89), dessen andere Elektrode auf festes Potential gelegt ist, verbunden, daß an die freien Diodenanschlüsse (811 bis 841) digitale Signale parallel angelegt werden und daß am Anschluß (891) der einen Kondensatorelektrode das Ausgangssignal entnommen wird.