DE2803099B2

DE2803099B2 - Digital-Analog-Umsetzer in integrierter Schaltungstechnik

Info

Publication number: DE2803099B2
Application number: DE2803099A
Authority: DE
Inventors: Klaus Prof. Dr. 4600 Dortmund Waldschmidt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-01-25
Filing date: 1978-01-25
Publication date: 1980-07-31
Also published as: DE2803099A1; DE2803099C3

Description

Die Erfindung betrifft einen Digital-Analog-Umsetzer in integrierter Schaltungstechnik mit gewichteten Stromquellen, die jeweils eine der Wertigkeit der Stufe entsprechende Anzahl paralleler Transistoren aufweisen, deren Steueranschlüsse miteinander gekoppelt und an eine Regelschaltung angeschlossen sind, und mit Halbleiterschaltern, die mit den Stromquellen in Reihe geschaltet sind.

Bei einem bekannten Digital-Analog-Umsetzer dieser Art (DE-OS 25 36 633) bestehen die Stromquellen aus mehreren parallelgeschalteten Transistoren, von denen jeder mit einem Widerstand in Reihe liegt. Jede der Stromquellen ist mit einem Halbleiterschalter in Reihe geschaltet. Die Stromquellen sind unabhängig von den Schaltzuständen der Halbleiterschalter permanent eingeschaltet. Auf diese Weise läßt sich durch Verwendung gleichartiger Transistoren für die Stromquellen und innerhalb einer jeden Stromquelle eine sehr genaue Einstellung der Ströme für die einzelnen Wertigkeitsstufen erzielen. Die Halbleiterschalter müssen sehr unterschiedliche Ströme schalten. Bei ihrer Realisierung in integrierter Schaltungstechnik ist es daher erforderlich, diese Transistoren fiächenmäßig zu skalieren. Dies bedeutet, daß derjenige Transistor, der den größten Strom zu schalten hat, großflächig sein muß, während die Flächen derjenigen Transistoren, die gestaffelt kleinere Ströme zu schalten haben, entsprechend kleiner ausgebildet werden. Durch eine solche Skalierung der Transistorflächen der Halbleiterschalter entsteht ein zusätzlicher Aufwand, weil die Flächenbemessungen kritisch sind und sehr genau eingehalten werden müssen. Außerdem ergeben sich bei den ίο großflächigen Transistoren große Kapazitäten. Weitere Schwierigkeiten entstehen durch das unterschiedliche Temperaturverhalten der verschieden großen Transistoren, wodurch eine gemeinsame Temperaturkompensation für alle Halbleiterschalter praktisch unmöglich ist.

Bei einem weiteren bekannten Digital-Analog-Umsetzer (DE-OS 20 59 933) enthalten die Stromquellen gewichtete Widerstände, die also unterschiedlich skaliert sein müssen. Die Schalttransistoren sind den Stromquellen vorgeschaltet und liegen nicht mit ihnen in Reihe. Sie haben die Funktion von Vorverstärkern.

Ferner ist ein Digital-Analog Wandler bekannt (US-PS 40 45 793), bei dem die Stromquellentransistoren in einer der Wertigkeit der jeweiligen Stufe entsprechenden Anzahl vorhanden sind und mit den Schaltsignalen angesteuert werden. Die Stromquellentransistore;_; werden durch Komplementärsignale gesteuert und müssen Schaltfunktionen ausführen. Sie sind in Abhängigkeit von dem jeweiligen Schaltzustand nicht

so immer gleich belastet und werden nicht immer im Sättigungsbereich betrieben. Da die Stromquellen ein- und ausgeschaltet werden und sich bei jedem Schaltvorgang der Strom erst aufbauen muß, ist die Arbeitsgeschwindigkeit dieses Umsetzers relativ gering.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Digital-Analog-Umsetzer der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine erheblich größere Genauigkeit hat und unter Verwendung gleichförmiger Halbleiterelemente einfach herzustellen ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Halbleiterschalter ebenfalls aus einer der Wertigkeit der Stufe entsprechenden Anzahl paralleler untereinander gleicher Transistoren bestehen, von denen jeder mit einem Transistor der zugehörigen Stromquelle in Reihe geschaltet ist.

Nach der Erfindung sind nicht nur die Stromquellen jeweils aus einer der Wertigkeit entsprechenden Anzahl von Transistoren zusammengesetzt, sondern auch die Halbleiterschalter. Dabei ist jeweils ein Stromquellentransistor mit einem Schalttransistor in Reihe geschaltet. Der Digital-Analog-Umsetzer läßt sich somit ausschließlich aus Transistoren eines Typs und einer Größe für die Stromquellen und eines Typs und einer Größe für die Schalttransistoren herstellen. Der Entwurf einer derartigen Schaltung ist einfach und bezüglich der Toleranzen der einzelnen Transistoren unkritisch. Infolge der Parallelschaltung mehrerer Transistoren kompensieren sich Fertigungsstreuungen einzelner Transistoren auch bei den Halbleiterschaltern.

W) Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß jedem Halbleiterschalter ein gleichartig aufgebauter weiterer Halbleiterschalter aus parallelen Transistoren zugeordnet ist, dem das binäre Eingangssignal über einen Inverter zugeführt wird, und

h5 daß die Ausgänge der weiteren Halbleiterschalter sämtlicher Stufen zu einem invertierten Ausgang verbunden sind. Diese Maßnahme trägt zu einer Erhöhung der Arbeiisgcscnwmuigkeii des Digiiaiaiia-

logumsetzers bei. Die Stromquellen werden unabhängig von den Schaltzuständen der einzelnen Stufen stets von demselben Strom durchflossen, der entweder durch den ersten Halbleiterschalter oder durch den weiteren Halbleiterschalter fließt. Dies führt zu kurzen Schaltzeiten, da sich der Strom der Stromquelle nicht bei jedem Schaltvorgang neu aufbauen muß. Er wird lediglich umgeleitet Ein weiterer Vorteil besteht darin, dab an dem invertierten Ausgang zusätzlich das Komplementärsignal de*., eigentlichen Ausgangssignals verfügbar ist.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Regelschaltung eine aus einer Anzahl paralleler gleichartiger Transistoren bestehende Stromquelle sowie einen aus derselben Anzahl paralleler Transistoren bestehenden Halbleiterschalter aufweist und daß die Stromquelle und der Halbleiterschalter im Rückkopplungszweig eines Verstärkers liegen und die Steueranschlüsse der Transistoren der Regelschaltungsstromquelle mit den Steueranschlüssen der Transistoren der gewichteten Stromquellen der einzelneii Stufen gekoppelt sind. Dadurch, daß sowohl die Stromquellentransistoren als auch die Halbleiterschalter in der Regelschaltung nachgebildet sind, erhält die Regelschaltung das gleiche remperaturverhalten beider Transistorgruppen. In der an die Steueranschlüsse der Stromquellentransistoren angelegten Regelspannung wird also auch das Temperaturverhalten der Ha bleiterschalter mitberücksichtigt.

Als Transistoren werden vorzugsweise MOS-Feldeffekttransistoren verwandt μ

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines binärgewichteien 10- Bit-Digital-Analog-Umsetzers,

F i g. 2 ein detailliertes Blockschaltbild der Referenzstromquelle und der beiden höchstwertigen Umsetzerstufen und

F i g. 3 ein detailliertes Blockschaltbild der vier niedrigstwertigen Umsetzerstufen.

Der in Fig. 1 dargestellte Digital-Analog-Umsetzer enthält die gewichteten Stromquellen 5(1) bis S(n), die über die Digitaleingänge D(I) bis D(n) gesteuert werden. Das Digitalsignal wird über die Treiberstufen P(I) bis P(n) verstärkt und schaltet direkt die « hohlleiterschalter S(I) bis B(n). Das Digitalsignal wird außerdem einer Gruppe weiterer Halbleiterschalter A(i) bis A (n) über Inverter /(1) bis l(n) zugeführt. Durch diese Schaltungsanordnung werden die Ströme der Stromquellen S(I) bis S(n) in Abhängigkeit vom Wert des Digitalsignals entweder über die Halbleiterschalter S(I) bis B(n) auf den Stromausgang K5 oder über die Halbleiterschalter /4(1) bis A(n) auf den komplementären Stromausgang K 4 geschaltet.

Gemäß Fig.2 wird die Stromquelle 5(1) für die π höchstwertige Umsetzerstufe aus der Parallelschaltung von 32 gleichartigen MOS-Feldeffekttransistoren gebildet. Entsprechend der Stromquelle S(I) setzt sich jeder der Halbleiterschalter /4(1) und ß(l) ebenfalls aus der Parallelschaltung von 32 gleichartigen MOS-Feldeffekt- feo transistoren zusammen, jeder Transistor eines Halbleiterschalters bildet mit einem Transistor der zugehörigen Stromquelle eine Reihenschaltung.

Während die MOS-Feldeffekttransistoren für die Analogschalter A(O) bis A (n) und B(\) bis B(n) so tv> ausgeführt sind, daß sie im eingeschalteten Zustand möglichst niederohmig sind und im ausgeschalteten Zusianu einen niedrigen Reststrom aufweisen, werden die MOS-Feldeffekttransistoren für die Stromquellen S(O) bis S{n) im Bereich der Sättigung betrieben und sind hochohmig entsprechend der Dimensionierung des maximalen Ausgangsstroms an den Knotenpunkten K 4 bzw. K 5.

Die zweithöchstwertige Umsetzerstufe wird aus der Parallelschaltung von jeweils 16 MOS-Feldeffekttransistoren für die Stromquelle S (2) und jeden der Analogschalter Analogschalter A (2) und B (2) gebildet. Die Ausbildung der MOS-Feldeffekttransistoren der zweiten Stufe und die Verbindung der Transistoren der Stromquellen und Halbleiterschalter sind identisch mit denen der ersten Stufe.

Da die Anzahl der parallelgeschalteten Transistoren der Stromquelle S (2) gegenüber der der Stromquelle 5(1) nur die Hälfte beträgt, verhalten sich deren Ströme ebenfalls im Verhältnis 1 :2.

Die Gewichtung der nachfolgenden Umsetzerstufen erfolgt durch fortlaufende Halbierung der Anzahl parallelgeschalteter MOS-Feldeffekttransistoren für die Stromquellen und Analogschalter. Dies geschieht bis zur sechsten Umsetzerstufe (i = 6).

Die sechste Umsetzerstufe besteht nur noch aus einem MOS-Fe!deffekttransistor fü^r die Stromquelle S(;) und jeweils einem MOS-Feldeffekttransistor für die Analogschalter A (/) und B(i).

Die Gestaltung der vier niedrigstwertigen Umsetzerstufen ist in F i g. 3 dargestellt.

Die siebte Umsetzerstufe setzt sich aus der Parallelschaltung von jeweils 8 gleichartigen MOS-Feldeffekttransistoren für Stromquelle S(/+ /) und die Analogschalter A(i + I) und B(i + I) zusammen. Die Gewichtung der nächsten Umsetzerstufen erfolgt wiederum durch Halbierung der Anzahl parallelgeschalteter MOS-Transistoren bis zur letzten Umsetzerstufe, deren Stromquelle S(n) und deren Halbleiterschalter A (n) und B(n) aus jeweils einem MOS-Feldeffekttransistor bestehen.

Damit eine fortlaufende Halbierung der Ströme von der höchstwertigsten Stromquelle S(\) bis zur niedrigstwertigen Stromquelle S(n) gewährleistet wird, werden die MOS-Feldeffekttransistoren für die vier niedrigsten Umsetzerstufen mit einem Widerstandsverhältnis 16:1 ausgebildet.

Die Versorgung der Stromquellen S(I) bis S(n) sowie der Stromquelle (SO) einer Regelschaltung erfolgt gemäß F i g. 1 und 2 durch eine Spannungsquelle, die an den Knotenpunkt K6 geschaltet wird. Die Polarität der Spannungsquelle an dem Knotenpunkt K 6 häng davon ab, welcher Kanaltyp für die MOS-Feldeffekttransistoren gewählt wurde, und ob der Verstärker V invertierend oder nichtinvertierend beschaltet ist.

Zur Kompensation der Spannungs- und Temperaturabhängigkeit der Stromquellen sind die Steuerelektroden der MOS-Feldeffekttransistoren der Stromquellen S(O) bis S(n) spannungsmäßig über den Knotenpunkt K 3 mit der Regelschaltung gekoppelt.

Die Regelschaltung besteht aus dem Differenzverstärker V und der Referenzstromquelle S(O) mit dem Analogschalter A (0).

Die Regelschaltungsstromquelle S(O) und der HaIbleitv."schalter A (0) werden nach F i g. 2 jeweils aus der Parallelschaltung von 16 gleichartigen parallelgeschalteten MOS-Feldeffekttransistoren gebildet. Die Ausbildung dieser MOS-Feldefiekttransistoren entspricht denen, wie sie für die ersten sechs Umsetzerstufen verwendet werden. Daum entspricht der Wert des Referenzsiroms demjenigen tier zweiihöc'nsiwei iigen

Umsetzerstufe. Die Steueranschlüsse der Transistoren der Regelspannungsstromquelle 5(0) sind mit den Steueranschlüssen der Transistoren der gewichteten Stromquellen 5(1) bis S(ri) gekoppelt.

Einer der beiden Eingänge des Verstärkers V ist an Masse geschaltet. An dem zweiten Eingang wird ein Summenpunkt für den Strom der Regelschaltungsstromquelle 5(0) und einen Referenzstrom gebildet, der über den Knotenpunkt K 1 zugeführt wird. Der über den Knotenpunkt K 1 zugeführte Referenzstrom weist die entgegengestzte Polarität auf zu dem Strom, der von der Stromquelle 5(0) erzeugt wird. Die Regelschaltung bewirkt, daß sich die Ausgangsspannung des Verstärkers V am Knotenpunkt K 3 so einstellt, daß die Stromqueiie 5(0) betragsmäßig den gleichen Strom erzeugt, wie er über den Knotenpunkt K 1 zugeführt wird.

Mit dieser Regelschaltung werden Schwankungen der

Spannungsversorgung am Knotenpunkt K 6 und Temperatureinflüsse der Stromquelle 5(0) kompensiert. Der mit in die Regelschaltung einbezogene Halbleiterschalter A (0) wird auf Durchlaß geschaltet. Dazu wird seine Steuerelektrode entsprechend des Kanaltyps der verwendeten MOS-Feldeffekttransistoren über den Knotenpunkt K 2 an die positive bzw. negative Versorgungsspannung der Schaltung gelegt. Von der spannungs- und temperaturkompensierenden Ausgangsspannung des Verstärkers Vam Knotenpunkt K 3 werden alle MOS-Feldeffekttransistoren der Stromquellen 5(1) bis S(ri) über ihre Steuerelektroden mitgeführt. Da sich bei einer integrierten Schaltung alle Transistoren auf einem gemeinsamen Halbleiterkristall befinden, ist ein guter temperaturmäßiger Gleichlauf zwischen der Stromquelle 5(0) und den Stromquellen 5(1) bis S{n) für die Umsetzerstufen gewährleistet.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Digital-Analog-Umsetzer in integrierter Schaltungstechnik mit gewichteten Stromquellen, die jeweils eine der Wertigkeit der Stufe entsprechende Anzahl paralleler Transistoren aufweisen, deren Steueranschlüsse miteinander gekoppelt und an eine Regelschaltung angeschlossen sind, und mit Halbleiterschaltern, die mit den Stromquellen in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschalter (B(I) bis B(n)) ebenfalls aus einer der Wertigkeit der Stufe entsprechenden Anzahl paralleler untereinander gleicher Transistoren bestehen, von denen jeder mit einem Transistor der zugehörigen Stromquelle (5(1) bis 5(2)) in Reihe geschaltet ist.

2. Digital-Analog-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Halbleiterschalter (ß(l) bis B(n)) ein gleichartig aufgebauter weiterer Halbleiterschalter (-4(1) bis A(ri)) aus parallelen Transistoren zugeordnet ist, dem das binäre Eingangssignal über einen Inverter (/(I) bis /(n)) zugeführt wird, und daß die Ausgänge der weiteren Halbleiterschalter sämtlicher Stufen zu einem invertierten Ausgang (K 4) verbunden sind.

3. Digital-Analog-Umsetzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung eine aus einer Anzahl paralleler gleichartiger Transistoren bestehende Stromquelle (5(0)) sowie einen aus derselben Anzahl paralleler Transistoren bestehenden Halbleiterschalter (A (O)) aufweist und daß die Stromquelle (5(0)) und der Halbleiterschalter (-4(0)) im Rückkopplungszweig eines Verstärkers (V) liegen und die Steueranschlüsse der Transistoren der Regelschaltungsstromquelle (5(0)) mit den Steueranschlüssen der Transistoren der gewichteten Stromqeullen (5(1) bis S(n)) der einzelnen Stufen gekoppelt sind.

4. Digital-Analog-Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren MOS-Feldeffekttransistoren sind.