DE2842144A1

DE2842144A1 - Stromschalter fuer digitalanalogumsetzer

Info

Publication number: DE2842144A1
Application number: DE19782842144
Authority: DE
Inventors: Larry Joseph Kendall
Original assignee: Fairchild Camera and Instrument Corp
Current assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Priority date: 1977-10-03
Filing date: 1978-09-28
Publication date: 1979-04-12
Also published as: GB2005503A; JPS5455158A

Description

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Beschreibung:

Die Erfindung betrifft strombetätigte Schalter und insbesondere einen Stromschalter, der in einem Digitalanalogumsetzer Verwendung finden soll.

Der Stand der Technik auf dem Gebiet der Digitalanalogumsetzer ist in der USA-Patentschrift 3 961 326 (R.D.Craven) bei der dortigen Würdigung des Standes der Technik eingehend beschrieben. Die in der genannten US-Patentschrift beschriebene Erfindung geht über diesen Stand der Technik hinaus, indem ein Stromschalter für die Verwendung in einer integrierten Digitalanalogumsetzerschaltung vorgesehen ist, der eine verhältnismäßig große Digitalzahl verarbeiten kann. Das Prinzipschaltbild einer Craven-Zelle ist in "An Integrated Circuit 12 - Bit D/A Converter", 1975 IEEE International Solid State Circuits Conference, Seite in Fig. 4 dargestellt. Diese Figur zeigt eine geregelte Stromquelle Q6, die mit den gemeinsamen Emittern des Differenzpaares Q4, Q5 verbunden ist, zu dem Strom durch das pnp-Transistorpaar Q2 und Q3 gelenkt wird. Die geregelte Stromquelle Q6 ist erforderlich, um die gemeinsamen Emitier auf einem bekannten Strompegel zu halten, da die Spannung an der Basis desjenigen Transistors des Transistorpaars Q4, Q5, welcher jeweils leitend ist, nicht genau bekannt ist. Es ist erforderlich, daß Q6 ein Transistor von hoher Präzision ist.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen strombetätigten Schalter zu schaffen, welcher für den Einsatz in einem Digitalanalogumsetzer geeignet ist und gegenüber Schaltern bekannter Art bessere Eigenschaften aufweist.

Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen strombetätigten Schalter für einen Digitalanalogumsetzer zu schaffen, in welchem ein npn-Transistorenpaar verwendet wird, um Strom zu einem vollausgeglichenen Differenzpaar zu lenken.

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Die Erfindung hat weiterhin zur Aufgabe, einen strombetätigten Schalter für einen Digitalanalogumsetzer zu schaffen, der keine mit den gemeinsamen Emittern eines voll ausgeglichenen Differenzpaares gekoppelte geregelte Stromquelle von hoher Präzision erfordert. ^x

Gemäß der Erfindung ist ein strombetätigter Schalter vorgesehen, in dem ein Paar npn-Transistoren verwendet werden, um Strom zu den jeweiligen Basen eines Paares voll ausgeglichener Transistoren zu lenken. Das Paar der lenkenden npn-Transistoren ist mit der Bezugsspannung derart verbunden, daß die zu der Basis des leitenden Transistors des voll ausgeglichenen Differenzpaars gelangende Spannung fest und verhältnismäßig niedrig ist und sich von der Bezugsspannung merklich unterscheidet. Die Spannung an den gemeinsamen Emittern des voll ausgeglichenen Differenzpaars liegt daher um einen Diodenabfall unterhalb dieser Spannung und ist eine feste Spannung. Daher wird kein Konstantstrom-Generator benötigt, um die gemeinsamen Emitter auf einem festen und bekannten Strompegel zu halten.

Der strombetätigte Schalter kann in einem Digitalanalogumsetzer verwendet werden, welcher einen Digitaldekodierer, eine Präzisionsstromquelle und eine Bezugsquelle besitzt. Im Betrieb liefert der Digitaldekodierer ein logisches Signal zu einzelnen strombetätigten Schaltern, um den Schalter zu schließen oder zu öffnen, so daß Strom von der Stromquelle zu den Analogausgangsleitungen selektiv durchgelassen wird. Die jeweilige Permutation geschlossener Schalter bestimmt den auf den Analogausgangsleitungen auftretenden Strom. Dieser kumulative Strom stellt den Analog-Ausgang dar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Dabei werden sowohl bekannte Anordnungen als auch Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.

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Fig. 1 zeigt ein Schaltbild eines nach dem Stande der Technik

bekannten strombetätigten Schalters. Fig. 2 zeigt ein Schaltbild eines weiteren Beispiels eines nach

dem Stande der Technik bekannten strombetätigten Schalters« Fig. 3 zeigt ein Schaltbild des strombetätigten Schalters gemäß

der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild eines Digitalanalogumsetzers unter Verwendung des erfindungsgemäßen strombetätigten Schalters.

Es ist zweckmäßig, zunächst den allgemeinen Aufbau eines Digitalanalogumsetzers zu beschreiben, wie er in dem Blockschaltbild gemäß Fig. 4 dargestellt ist. Ein Digitales Signal wird an einen Dekodierer 50, wie er beispielsweise in das Fairchild-Teil Nr. uA 9712 eingebaut ist, angelegt, Der Dekodierer liefert für jede ihm vorgelegte Digitalzahl ein eindeutiges logisches Signal zu der Stromschalterreihe 53 ... 55. Für jede digitale Eingangszahl gibt es daher ein ihr zugeordnetes logisches Signal bzw. Schaltsignal, welches von dem Dekodierer 50 zu den Stromschaltern 53 ... 55 gesandt wind, um eine ' betimmte Permutation geschlossener Schalter herzustellen. In jedem Stromschalter wird der Strom aus der Stromquelle 52 entweder zu Ausgangsleitung 58 oder Ausgangsleitung 59 gelenkt. Die Ströme auf Ausgangsleitung 58 bzw. Ausgangsleitung 59 stellen den analogen Ausgang 0 und sein Komplement 0 dar. Eine Änderung der Werte von 0 und 0 tritt jedesmal dann auf, wenn die Permutation geändert wird. Wenn beispielsweise die Schalter 53 und 54 geschlossen sind, um über Dekodierer 50 Strom zu .Ausgangsleitung 58 zu leiten, so fließt Strom von der Stromquelle 52 durch Leitungen 63 und 64 und stellt den Ausgang 0 dar. In diesem Fall wird der analoge Ausgang 0 auf Leitung 58 gleich dem Betrag 30721 sein, und der analoge Ausgang 0 würde eindeutig einem digitalen Eingang von beispielsweise 1100 ... 0 zugeordnet sein. Durch Anwendung der möglichen Permutationen, die bestimmten digitalen Eingangszahlen zugeordnet sind, können ein analoger Ausgang 0 und sein Komplement (T, die jeweils aus einer großen Zahl kleiner Stufen gebildet sind, erhalten werden.

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Bei einem Digitalanalogumsetzer sind der Stromschalter und die Stromquelle kritische Komponenten. Eine für die Anwendung bei dem Stromschalter gemäß der vorliegenden Erfindung geeignete Stromquelle ist in den US-Patentanmeldungen 764,037 "Binary Digital-to-Analog Converter of the Bar Graph Type" und 764,039 "Digital-to-Analog Converter" offenbart.

Fig. 1 zeigt einen strombetätigten Schalter bekannter Art. Im Betrieb wird der Strom I von Transistor 12 oder 13 durch die

Basispotentialdifferenz von Transistor 12 zu Transistor 11 zu den Anklammerdioden 15 und 16 geleitet, ierdurch wird wiederum der Bezugsstrom von Widerstand 19 durch Transistor 18 und durch Transistor 17 zur Ausgangsleitung 22 geleitet oder wechselweise durch Transistor 23 zur Erde, und zwar abhängig von dem Basispotential des Transistors 12 relativ zu dem Basispotential des Transistors 11. Auf diese Weise bestimmt das Schaltsignal an der Basis des Transistors 12, ob irgendeine Änderung des Signals auf Ausgangsleitung 22 auftritt. Dieser Schaltung haftet der Nachteil an, daß ein übermäßiger Aufwand an Teilen erforderlich ist, einschließlich Präzisionstransistor 18. Auch besteht der Nachteil, daß der Stromspiegel mit Transistoren 13 und 14 Leistung verbraucht und die Arbeitsgeschwindigkeit herabsetzt.

Fig. 2 zeigt einen strombetätigten Schalter, wie er von R.D. Craven in "An Integrated Circuit 12-Bit D/A Converter", Digest of Technical Papers, 1975, IEEE International Solid State Circuits Conference, Seite 41 beschrieben wurde. Im Betrieb wird der Strom I zu Widerständen 35 oder 36 geführt, und zwar abhängig von dem Basispotential von Transistor 30 im Verhältnis zu dem Potential auf der Basis von Transistor 32. Hierdurch wird eine Differenzspannung über den Basen von Transistoren 33 und 34 erzeugt, so daß der Präzisionsstrom von Widerstand 37 durch Widerstand 39 zur Erde oder zu dem Kollektor des Transistors 33 geleitet wird. Im letzteren Fall wird das Analogsignal auf Leitung 38 entsprechend beeinflußt. Während der in dem strombetätigten Schalter gemäß Fig. 1 vorhandene Stromspiegel zwar eleminiert worden ist, werden

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pnp-Anordnungen, z.B. Transistoren 30 und 32, nachwie vor verwendet, um eine Differenzspannung über den Basen des stromleitenden Differenzpaares, den Transistoren 34 und 33, einzustellen. Auch wird ein Transistor 39 (Transistor 18 in Fig. 1) von hoher Präzision verwendet, um den Schaltungspunkt 29 (Schaltungspunkt 24 in Fig. 1) der miteinander verbundenen Emitter auf einem bekannten Stromwert zu halten.

Der strombetätigte Schalter gemäß der vorliegenden Erfindung ist schematisch in Fig. 3 dargestellt. Die Schaltungsanordnung läßt erkennen, daß sie das Gegenteil der in Fig. 2 dargestellten Schaltung darstellt. Strom wild zu einem voll ausgeglichenen Differenzpaar von npn-Transistoren 40 und 41 durch ein npn-Transistorenpaar 42 und 43 geleitet. Die logischen Signale Ll und L2 werden von einer Eingangseinrichtung für logische Signale, beispielsweise Dekodierer 50 in Fig. 4_f empfangen. Diese Signale geben an, welche Seite des stromleitenden Differentialpaars in den leitfähigen Zustand zu versetzen ist. Im Gegensatz hierzu werden die leitenden Transistoren 30 und 32 gemäß der in Fig. 2 dargestellten Schaltung unmittelbar durch externe Bit-Eingänge gesteuert. Im Fall der Fig. 2 wird die Spannung an der Basis des leitenden Transistors des voll ausgeglichenen Paars 33 und 34 durch Vorspannungsquelle 28, durch Strom I , den Wert H_pE von Transistor 30 oder 32 und den Wert der Widerstände 35 und 36 bestimmt, so daß die Spannung am Schaltungspunkt 29 ■ um eine Diode niedriger liegt und ungenau bestimmt ist. Dies erfordert die Verwendung der Konstantstromquelle 39, um sicherzustellen, daß ein bekannter Strom durch Schaltungspunkt 29 fließt. Da bei der vorliegenden Erfindung der leitende Transistor des voll ausgeglichenen Paares von dem nichtleitenden Transistor des leitenden Paares gesteuert wird, wird die Basisspannung des leitenden Transistors des ausgeglichenen Paares durch Leckstrom und Basisströme durch Widerstand 44 oder 45 und V_REp auf Leitung 48 bestimmt und wird nahezu die gleiche Spannung wie V_REp und konstant sein. Demtentsprechend wird Schaltungspunkt 47 um äien Diodenfall im Potential unter dem Basispotential des leitenden Transistors des Transistorpaars 42, 43 liegen. Die Differenz zwischen V_REp und diesem

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Basispotential wird stets eine niedrige Spannung in der Größenordnung von Millivolt sein. Da dieser Punkt genau bekannt ist, besteht keine Notwendigkeit für eine Konstantstromquelle, wie beispielsweise Transistor 39 in Fig. 2. Ermöglicht wird der Verzicht auf diesen Transistor durch die Verwendung eines npn-Transistorpaars statt der pnp-Transistoren 30 und 32 in der Schaltung gemäß Fig. 2.

Der Stromschalter gemäß der vorliegenden Erfindung gestattet eine erhebliche Vereinfachung der Gesamtkonstruktion und bewirkt insbesondere eine Verringerung der Bauteilgröße, da die Transistoren hoher Präzision notwendigerweise verhältnismäßig groß und zur optimalen Anpassung nah aneinander angeordnet sein mußten. Die Erfindung ermöglicht daher eine erhebliche Vereinfachung der Bearbeitungsgänge, da eine Fehlerquelle eliminiert ist, nämlich die Hp_E- oder ß-Anpassung des Transistors 39. Zusätzlich zu dem Vorteil der Eliminierung der Konstantstromquelle, welche benutzt wird, um den gemeinsamen Emitterschaltungspunkt auf einem bekannten Potential zu halten, hat der Stromschalter gemäß der vorliegenden Erfindung den Vorteil eines besseren Frequenzverhaltens. Es ist bekannt, daß npn-Transistoren schneller sind als pnp-Transistoren, und zwar um mehrere Größenordnungen. Dieser Frequenzvorteil kann in größerem oder geringerem Umfang ausgenutzt werden, je nach der Einspielzeit der RC-Zeitkonstanten der Schaltung. Bei großen Widerständen und niedrigen Strömen wird jedoch kaum ein Frequenzvorteil erreicht werden können.

Im Betrieb arbeitet der Stromschalter gemäß der vorliegenden Erfindung in folgender Weise: Ein logisches Signal wird an die Basen der leitenden Transistoren 42 bzw. 43 angelegt. Wenn Ll hoch und L2 niedrig ist, wird Transistor 43 eingeschaltet und Transistor 42 ausgeschaltet. Demzufolge fließt Strom durch Widern stand 45, und an der Basis des Transistors 41 tritt ein hohes negatives Potential auf» Gleichzeitig fließt kein Strom durch Widerstand 44, und ein niedriges negatives Potential erscheint an der Basis des Transistors 40. Infolgedessen fließt Strom durch Wider-

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stand 46 und Transistor 40 zum Ausgang 0. Die Spannung, welche dann am Schaltungspunkt 47 liegt, ist um einen Diodenfall niedriger als an der Basis des Transistors 40 bzw. etwa 600 Millivolt geringer als Y _R„„ auf Leitung 48. Wenn andererseits Ll niedrig ist und L2 einen hohen Wert hat, ist Transistor 43 nichtleitend und Transistor 42 leitend. Infolgedessen erscheint ein hohes negatives Potential an der Basis des Transistors 40 und versetzt diesen in den nichtleitenden Zustand. Gleichzeitig erscheint ein niedriges negatives Potential an der Basis des Transistors 41 und versetzt ihn in den leitenden Zustand. Dementsprechend fließt ein Strom durch Widerstand 46 und Transistor 41 zum Ausgang Ö". In jedem Fall bleibt die Spannung am Schaltungspunkt 47 um einen Diodenfall unter der Spannung an der Basis des zugeordneten leitenden Transistors.

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Leerseite

Claims

Ansprüche:

!.'■ Stromschalter für einen Digitalanalogumsetzer, gekennzeichnet durch

einen Eingang für logische Signale, eine Bezugsspannungsquelle, eine Konstantstromquelle,

ein erstes npn-Transistorpaar, deren Emitter miteinander und mit der Konstantstromquelle und deren Basen mit dem Signaleingang verbunden sind,

ein zweites ausgeglichenes npn-Transistorpaar, deren Emitter miteinander und deren Basen jeweils mit den Kollektoren des ersten npn-Transistorpaares verbunden sind, ein Paar angepaßter Transistoren, welche zwischen eine Polarität der Bezugsspannungsquelle bzw. die Basen des zweiten ausgeglichenen npn-Transistorpaares gekoppelt sind, und einen Stromquellenwiderstand, welcher zwischen die Emitter des zweiten ausgeglichenen npn-Transistorpaars und die entgegengesetzte Polarität der Bezugsspannungsquelle eingekoppelt ist.
2. Stromschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangseinrichtung für das logische Signal einen Dekodierer aufweist, dessen beide Ausgangsleitungen jeweils mit den Basen des ersten npn-Transistorpaars gekoppelt sind.

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