DE2803099C3 - Digital-Analog-Umsetzer in integrierter Schaltungstechnik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Digital-AnaIog_;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 Schältzuständen 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 flächenmäßig 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

Um auch die Halbleiterschalter aus untereinander gleichartigen Transistoren herstellen zu können, ist es bekannt, bei einem Digital/Analog-Umsetzer (Electronics/April 4, 1974, Seiten 125 bis 130) in den höherwertigen Stufen eine der Wertigkeit entsprechende Anzahl von Schalttransistoren vorzusehen und diese parallel zu schalten. Die Anzahl der Schalttransistoren ist hierbei jedoch in jeder Stufe nur halb so groß wie die Anzahl der Stromquellentransistoren derselben Stufe.

Die Stromquellentransistoren sind untereinander parallel geschaltet ebeaso wie die Schalttransistoren zueinander parallel geschaltet sind. Die Transistoren der Stromquelle einer Stufe stellen also einen bestimmten Strom zur Verfugung. Dieser wird auf die Schalttransistoren der betreffenden Stufe verteilt Da die Durchlaßwiderstände der Schalttransistoren sich aber durch Exemplarstreuungen und unterschiedliche Temperaturverhältnisse voneinander unterscheiden können, besteht die Gefahr der ungleichmäßigen Verteilung des Gesamtstromes auf die Schalttransistorcn. Dies liegt daran, daß in jeder Stufe sowohl die Stromquellentransistoren, als auch die Schalttransistoren an einen gemeinsamen Verbindungspunkt angeschlossen sind.

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 Stromquellentransistoren werden durch Komplementärsignale gesteuert und müssen Schaltfunktionen ausführen. Sie sind in Abhängigkeit von dem jeweiligen Schaltzustand nicht immer gleich belastet und werden nicht immer im Sättigungsbereich betrieben. Da die Stromquellen ein- und ausgeschaltet werden und sich bei jedem Schalt vorgang 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.

Jeder Schalttransistor des Halbleiterschalters ist mit einem einzigen Transistor der Stromquelle verbunden. Die Stromquelle treibt also ihren genau bemessenen Strom durch den zugehörigen Schalttransistor, unabhängig von der Größe des Durchlaßwiderstandes dieses Schalttransisiors. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Stromverteilung auf sämtliche Schaittransistoren erzieh, wodurch die Genauigkeit der Umsetzung erhöht wird.

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 daß die Ausgänge der weiteren Halbleiterschalter sämtlicher Stufen zu einem invertierten Ausgang verbunden sind. Diese Maßnahme trägt zu einer Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit des Digitalanalogumsetzers 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. Ε·η weiterer Vorteil besteht darin, daß an dem invertierten Ausgang zusätzlich das Komplementärsignal des 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 eier Transistoren der Regelschaltungsstromquelle mit den Steueranschlüssen der Transistoren der gewichtetcn Stromquellen der einzelnen Stufen gekoppelt sind. Dadurch, daß sowohl die Stromquellentransistoren als auch die Halbleiterschalter in der Regelschaltung nachgebildet sind, erhält die Regelschaltung das gleiche Temperaturverhalten beider Transistorgruppen. In der an die Steueranschlüsse der Stromquellentransistoren angelegten Regelspannung wird also auch das Temperaturverhalten der Halbleiterschalter mitberücksichtigt.

Als Transistoren werden vorzugsweise MOS-Feldeffektiransistoren verwandt.

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

F i g. 1 ein Prinzipschaltbild eines binärgewichteten 10- Hit- Digitii I- Analog- Umsetzers,

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

Fig.3 ein detailliertes Blockschaltbild der vie.-niedrigstwertigen Umsetzerstufen.
Der in F i g. 1 dargestellte Digital-Analog-Umsetzer enthält die gewichteten Stromquellen S(I) bis S(n), die über die Digitaleingänge D(\) bis D(n) gesteuert werden. Das Digitalsignal wird über die Treiberstufen P(I) bis P{ri) verstärkt und schaltet direkt die ίο Hablleiterschalter B(I) bis 5(n). Das Digitalsignal wird außerdem einer Gruppe weiterer Halbleiterschalter A(I) bis A(n) über Inverter /(1) bis I(n) zugeführt Durch diese Schaltungsanordnung werden die Ströme der Stromquellen 5(1) bis S(n) in Abhängigkeit vom Wert des Digitalsignals entweder über die Halbleiterschalter S(I) bis B(ri) auf den Stromausgang K 5 oder über die Halbleiterschalter A(i) bis A(n) auf den komplementären Stromausgang K 4 geschaltet
Gemäß Fig.2 wird die Stromquelle 5(1) für die höchstwertige Umsetzerstufe aus der Parallelschaltung von 32 gleichartigen MOS-Feldeffekitfansistoren gebildet Entsprechend der Stromquelle 5(1) svrtzt sich jeder der Halbleiterschalter A (1) und .8(1) ebenfalls aus der Parallelschaltung von 32 gleichartigen MOS-Feldeffekttransistoren zusammen. Jeder Transistor eines HaIbleiterschaiters bildet mit einem Transistor der zugehörigen Stromquelle eine Reihenschaltung.

Während die MOS-Feldeffekttransistoren für die Analogschalter A(O) bis A (n) und 5(1) bis B(n) so ausgeführt sind, daß sie im eingeschalteten Zustand möglichst niederohmig sind und im ausgeschalteten Zustand 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-Feldeffekttransistören 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 S(I) nur die Hälfte beträgt, verhaften 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 uus einem MOS-Feldeffekttransistor für die Stromquelle S(i) und jeweils einem MOS-Feldeffekttransistor für die Analogschalter A (i) und B(I).

Die Gestaltung d:r 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(i + I) und die Analogschalter A (i + I) und B(i + I) zusammen. Die Gewichtuug der nächsten Umsetzerstufen erfolgt wiederum durch Halbierung der Anzahl parallelgeschalteter MOS-Transistoren bis zur letzten Umsetzerstufe, deren Stromquelle Sin) und deren

5

Halbleiterschalter A (η) und Β(π) aus jeweils einem

MOS-Feldeffekttransistor bestehen. '$

Damit eine fortlaufende Halbierung der Ströme von !■;!

der höchstwertigsten Stromquelle 5(1) bis zur niedrigst- Ii

wertigen Stromquelle S(n) gewährleistet wird, werden 5 !;j

die MOS-Feldeffekttransistoren für die vier niedrigsten Γ¹

Umsetzerstufen mit einem Widerstandsverhältnis 16:1 %

ausgebildet. ;;;

Die Versorgung der Stromquellen 5(1) bis S(n) sowie |i

der Stromquelle (SO) einer Regelschaltung erfolgt

gemäß F i g. 1 und 2 durch eine Spannungsquelle, die an '

den Knotenpunkt K 6 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 nichtin vertierend beschaltet ist.

Zur Kompensation der Spannungs- und Temperaturabhängigkcii der Sirumqueiieii sind die Steuereiektroden der MOS-Feldeffekttransistoren der Stromquellen 5(0) bis S(n) spannungsmäßig über den Knotenpunkt K 3 mit der Regelschaltung gekoppelt.

Die Regelschaltung besteht aus dem Differenzverstärker V und der Referenzstromquelle 5(0) mit dem Analogschalter A (0).

Die Regelschaltungsstromquelle 5(0) und der Halbleiterschalter A (0) werden nach F i g. 2 jeweils aus der Parallelschaltung von 16 gleichartigen parallelgeschalteten MOS-Feldeffekttransistoren gebildet. Die Ausbildung dieser MOS-Feldeffekttransistoren entspricht , denen, wie sie für die ersten sechs Umsetzerstufen 30 ; verwendet werden. Damit entspricht der Wert des Referenzstroms demjenigen der zweithöchstwertigen Umsetzerstufe. Die Steueranschlüsse der Transistoren der Regelspannungsstromquelle 5(0) sind mit den Steueranschlüssen der Transistoren der gewichteten Stromquellen S(!)bis S(.n) 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 Stromquelle 5(0) betragsmäßig den gleichen Strom erzeugt, wie er über den Knotenpunkt K 1 zugeführt wird.

Mit dieser Rege!^haltung 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(n) über ihre Steuerelektroden mitgeführt Da sich bei einer integrierten Schaltung alle Transistoren auf einem gemeinsamen Halbleiterlcristall befinden, ist ein guter temperaturmäßiger Gleichlauf · zwischen der Stromquelle 5(0) und den Stromquellen 5(1) bis 5(n) fürdie Umsetzerstufen gewährleistet

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

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 (S(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 (BYl) 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 I(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 HaIbleitevschalte=.(,4(0)) aufweist und daß die Stromquelle (5(C)) und der Halbleiterschalter (A (O)) im Rückkopplungszv cig 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.