DE3317841C2 - - Google Patents

Description

Digital-Analog-Wandler sind in der Regel so aufgebaut, daß die einzelnen Bitleitungen des Digitaleingangs einen Strom­ zweig ansteuern, in dem ein der Wertigkeit des Digitalein­ gangs entsprechendes Widerstandsnetzwerk liegt. Über einen Transistor wird der Summenstrom aller Widerstandsnetzwerke gebildet. Die Höhe dieses Summenstroms entspricht der ein­ gangsseitig anliegenden digitalen Größe. Der Summenstrom wird vorzugsweise über einen Widerstand geleitet, an dem dann eine der Digitalgröße entsprechende Gleichspannung abfällt.

Derartige Digital-Analog-Wandler haben den Nachteil, daß mit der relativ hochohmigen Ausgangsspannungs-Quelle Leistungs­ stufen nicht angesteuert werden können. Außerdem führen die unterschiedlichen Summenströme zu unterschiedlichen Spannungsabfällen an den Transistoren des Digital-Analog- Wandlers, so daß es zu bauelement-spezifischen Verzerrungen der Ausgangsspannung kommt.

Digital-Analog-Wandler, die mit einer Leistungsendstufe kombiniert sind, sind beispielsweise aus der GB-PS 14 18 194 bekannt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine inte­ grierte Halbleiterschaltung mit einem Digital-Analog-Wand­ ler anzugeben, der relativ hoch belastbar ist und der wei­ testgehend last- und temperaturkompensierte Daten über einen großen Temperaturbereich ausweist. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der integrierten Halblei­ terschaltung mit einem Digital-Analog-Wandler ergeben sich aus den Unteransprüchen. Es hat sich gezeigt, daß bei einer Ausführungsform diese integrierte Schaltung über einen Temperaturbereich von -40 +50°C optimal last- und temperaturkompensiert ist. Die Schaltung weist einen extrem geringen Restspannungsverbrauch auf.

Die Erfindung und ihre vorteilhafte Ausgestaltung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher er­ läutert. In der

Fig. 1 ist eine Blockschaltung darge­ stellt, während die

Fig. 2 die Detailschaltung zeigt.

Die in Fig. 1 dargestellte Blockschaltung zeigt die An­ steuerbausteine, die beispielsweise für einen Quarzuhr- Antrieb erforderlich sind. In einem Oszillator 1 wird eine Frequenz erzeugt, die über eine Teilerschaltung 2 auf einen Decoder 3 gegeben wird. Der Decoder 3 steuert den D/A-Wandler 4 an. Dieser D/A-Wandler enthält die er­ wähnte Entkopplungsschaltung. Der Ausgang des D/A-Wand­ lers ist über eine Lastkompensations-Schaltung 5 an die Leistungs-Endstufe 7 angeschlossen, an deren Ausgangsan­ schlüssen die Last 8 beispielsweise ein Motor liegt. Die Schaltung gemäß Fig. 1 enthält noch eine Vor/Rück- Steuerung 6, die die Teilerkette 2 direkt mit der Lei­ stungs-Endstufe 7 verbindet. Diese Vor/Rück-Steuerung wird für den Antrieb eines Motors bei einer Quarzuhr be­ nötigt. Die Endstufe ist in diesem Fall vorzugsweise als Brückenendstufe abgebildet.

Die Fig. 2 zeigt die Detailschaltung für den integrier­ ten Schaltkreis, der sich aus der Referenz-Spannungs­ quelle, dem D/A-Wandler, der Entkopplung, der Lastkom­ pensation und der Brückenendstufe zusammensetzt.

Die Referenz-Spannungsquelle dient der Erzeugung einer von Betriebsspannungs-Schwankungen weitgehend unabhängigen Span­ nung, die zusätzlich temperaturkompensiert ist. Die Referenz- Spannungsquelle besteht aus der Stromspiegelschaltung mit den Transistoren T ₁ und T ₁*. Der Transistor T ₁ ist im Ausführungs­ beispiel ein PNP-Transistor mit zwei Kollektorstrecken, wobei die eine Kollektorstrecke auf die Basiselektrode des PNP- Transistors T ₁* zurückgekoppelt ist. Die Emitterelektrode dieses Transistors T ₁* ist mit dem Basisanschluß des Tran­ sistors T ₁ verbunden. In dem genannten ersten Kollektor- Stromzweig des Transistors T ₁ liegt auch der Stromeinstell- Widerstand R ₁. In der zweiten Kollektorstrecke des Transis­ tors T ₁ liegt die Reihenschaltung aus 4 Dioden D ₁, D ₂, D ₃ und ZD. Bei der Diode ZD handelt es sich um eine Zener­ diode, der die genannten Dioden D ₁-D ₃ in Flußrichtung vorgeschaltet sind. Diese Dioden D ₁-D ₃ dienen zur Tempe­ raturkompensation. So kompensiert die Diode D ₃ den Temperatur­ gang der Zehnerdiode ZD, während die Dioden D ₁ und D ₂ den Temperaturgang der nachgeschalteten Transistoren T ₂ und T ₃ bis T ₆ im D/A-Wandler kompensieren. Die genannte Dioden­ strecke liegt zugleich an der Basiselektrode des NPN-Tran­ sistors T ₂, an dessen Emitterelektrode folglich die tempera­ tur-stabilisierte, von Betriebsspannungs-Schwankungen unab­ hängige Versorgungsspannung für den D/A-Wandler liegt.

Der D/A-Wandler im Ausführungsbeispiel hat eine Auflösung von 4 Bit, so daß 4 Bitleitungen mit den Gewichtungen 1, 2, 4 und 8 an Eingangstransistoren T ₁₀, T ₉, T ₈ und T ₇ angeschlossen sind. Bei den Eingangstransistoren T ₇-T ₁₀ handelt es sich im Ausführungsbeispiel um in Vorwärtsrichtung betriebene NPN-Transistoren, die jedoch auch durch invers betriebene NPN-Transistoren ersetzt werden können. Invers betriebene Transistoren weisen eine geringere Sättigungsspannung auf, was zu geringeren Stufenfehlern beitragen kann. In den Kol­ lektorstrecken der Transistoren T ₇-T ₁₀ liegen die strom­ bestimmenden Widerstände R ₂, R ₃, R ₄ und R ₅. Der Summenstrom wird mit Hilfe der NPN-Transistoren T ₃-T ₆ gebildet, die basisseitig mit der an der Emitterelektrode des Transistors T ₂ abfallenden kompensierten Versorgungsspannung angesteuert werden.

Die Kollektoren der Transistoren T ₃ und T ₆ sind miteinander verbunden und bilden die Eingangsleitung eines Stromspiegel­ verstärkers mit den Transistoren T ₁₁ und T ₁₁*. In der Aus­ gangsleitung des Stromspiegelverstärkers tritt somit der ge­ spiegelte Summenstrom auf, der den Widerstand R ₆ durch­ fließt und dort einen dem Summenstrom entsprechenden Span­ nungsabfall erzeugt. Der Stromspiegelverstärker T ₁₁ und T ₁₁* ist genauso aufgebaut wie der bereits beschriebene Strom­ spiegelverstärker in der Referenz-Spannungsquelle.

Um in den einzelnen Stromzweigen des Digital-Analog-Wandlers Ströme zu erzeugen, die der Gewichtung des zugeordneten Digi­ taleingangs entsprechen, muß der Widerstand R ₄ doppelt so groß sein wie der Widerstand R ₅, der Widerstand R ₃ viermal so groß wie der Widerstand R ₅ und der Widerstand R ₂ achtmal so groß wie der Widerstand R ₅. Um technologisch bedingte Feh­ ler auszuschließen, werden die genannten Widerstände vorzugs­ weise aus gleich großen Einzelwiderständen zusammengesetzt. So handelt es sich beispielsweise bei dem Widerstand R ₄ um einen Einzelwiderstand definierter Größe. Zur Bildung des Widerstandes R ₅ werden zwei derartige Einzelwiderstände in Reihe geschaltet; zur Bildung des Widerstandes R ₃ werden zwei Einzelwiderstände parallel geschaltet; zur Bildung des Wider­ standes R ₂ werden vier Einzelwiderstände parallel geschaltet. Die unterschiedlichen Ströme in den verschiedenen Strom­ zweigen des Digital-Analog-Wandlers verursachen unterschied­ liche Sättigungsspannungen an den Transistoren T ₇-T ₁₀ und unterschiedliche Basis-Emitter-Spannungsabfälle an den Tran­ sistoren T ₃-T ₆. Bei der in der Fig. 2 dargestellten Schal­ tungsausführung mit den den jeweiligen Widerstandsnetzwerken zugeordneten, gesonderten Transistorstrecken können diese unter­ schiedlichen bauelements-spezifischen Spannungsabfälle durch geringfügige Änderung der Dimensionierung der Widerstands­ netzwerke kompensiert werden. Es ist noch darauf hinzuweisen, daß die Transistoren T ₃-T ₆ auch durch einen Einzeltran­ sistor mit 4 Emitterelektroden ersetzt werden können.

Die durch den Widerstand R ₆ gebildete Spannungsquelle ist für die Ansteuerung einer Leistungsstufe zu hochohmig. Nach der Erfindung ist daher eine Entkopplungsschaltung vorge­ sehen, mit der dann die Endstufe niederohmig angesteuert werden kann. Die Entkopplungsschaltung besteht aus den in Reihe geschalteten NPN-Transistoren T ₁₃ und T ₁₄, wobei der Transistor T ₁₃ Teil der aus den Transistoren T ₁₃ und T ₁₃* ge­ bildeten Stromspiegelschaltung ist. Die Basiselektrode des Transistors T ₁₃ wird über den Vorwiderstand R ₁₁ angesteuert, der den Basisstrom der Transistoren T ₃-T ₆ führt. Der Wider­ stand R ₁₁ dient somit zur Einstellung des Minimalstromes für den Transistor T ₁₃. Der Widerstand R ₆ liegt zwischen den Basiselektroden der Transistoren T ₁₃ und T ₁₄, so daß die Span­ nung am Widerstand R ₆ zunächst um die Basisemitterspannung des Transistors T ₁₃ aufgestockt wird und sodann um die Basis­ emitterspannung des Transistors T ₁₄ reduziert wieder am Kollektor des Transistors T ₁₃ als Ausgangsspannung erscheint. Die Basisemitterspannungen der Transistoren T ₁₃ und T ₁₄ kom­ pensieren sich somit gegenseitig, so daß die am Kollektor des Transistors T ₁₃ abgegriffene Spannung keine temperatur­ abhängigen oder laststromabhängigen Verzerrungen erfährt, wenn man von dem geringfügigen, über den Widerstand R ₁₁ fließenden Vorstrom absieht.

Die Ausgangsspannung an der Entkopplungsschaltung wird über den Vortransistor T ₁₆ bzw. T ₁₉ auf die Eingangselektrode der Endstufentransistoren T ₁₇ bzw. T ₁₈ gegeben. Die Leistungs-End­ stufe beim Ausführungsbeispiel ist als Brückenendstufe aus­ gebildet, um eine Vor/Rück-Steuerung eines Uhrenmotors vor­ nehmen zu können. Die Emitterelektrode der PNP-Vortran­ sistoren T ₁₆ bzw. T ₁₉ sind jeweils mit der Basiselektrode des NPN-Endstufentransistors T ₁₇ bzw. T ₁₈ verbunden. In den Emitterstrecken der Endstufentransistoren T ₁₇ und T ₁₈ liegen jeweils die Steuertransistoren T ₂₁ bzw. T ₂₂, die über weitere Transistoren T ₂₀ und T ₂₃ an die Steuereingänge angeschlossen sind. Der Motor ist beim Ausführungsbeispiel zwischen die Emitterelektroden der Endstufentransistoren T ₁₇ und T ₁₈ ge­ schaltet.

Wenn der Strom durch einen der Endstufentransistoren T ₁₇ bzw. T ₁₈ ansteigt, erhöht sich auch der Spannungsabfall an der Basis-Emitterstrecke dieses Transistors, so daß die am Motor anliegende Spannung laststromabhängig mit steigendem Laststrom reduziert wird. Dieser Spannungsanstieg an der Basis-Emitterstrecke der Endstufentransistoren T ₁₇ bzw. T ₁₈ wird über die Lastkompensationsschaltung kompensiert. Diese Lastkompensationsschaltung besteht aus einer Stromspiegel­ schaltung mit den Transistoren T ₁₂ und T ₁₂*, wobei der Tran­ sistor T ₁₂ drei Kollektoren aufweist. Der Eingangsstromkreis des Stromspiegelverstärkers enthält den Widerstand R ₈ und einen der NPN-Transistoren T ₁₅ bzw. T ₂₄, deren Steuerelektroden mit dem Endstufentransistor T ₁₇ bzw. T ₁₈ verbunden sind. Der Widerstand R ₇, der in einem parallel zum Eingangsstromkreis des Stromspiegelverstärkers T ₁₂, T ₁₂* liegenden Stromkreis liegt, bestimmt den mindesterforderlichen Basisstrom für die Endstufentransistoren T ₁₇ und T ₁₈. In den beiden Ausgangs­ stromkreisen des Stromspiegelverstärkers liegen die Emitter- Kollektorstrecken der PNP-Vortransistoren T ₁₆ bzw. T ₁₉.

Wenn bei ansteigendem Laststrom in einem Endstufentransistor, beispielsweise im Transistor T ₁₇, die Basisemitterspannung dieses Transistors T ₁₇ ansteigt, wird auch der an die Basis­ elektrode des Transistors T ₁₇ angeschlossene Transistor T ₁₅ stärker aufgesteuert, so daß im Eingangsstromkreis des Strom­ spiegelverstärkers T ₁₂, T ₁₂* ein erhöhter Strom geführt wird. Dieser erhöhte Strom wird auf den Transistor T ₁₆ gespiegelt, so daß auch die Basisemitter-Spannung des Transistors T ₁₆ in einer Weise ansteigt, durch die die Erhöhung der Basisemitter­ spannung am Transistor T ₁₇ kompensiert wird. Dadurch ist sichergestellt, daß die am Motor anliegende Spannung tem­ peraturunabhängig und laststromunabhängig ist und sich in Weise verändert, wie sie allein durch die am Eingang des Digital-Analog-Wandlers anliegende Digital-Eingangsgröße vor­ gegeben wird. Durch die Entkopplungsschaltung und die weitere Entkopplung über die Transistoren T ₁₆, T ₁₇ bzw. T ₁₉, T ₁₈ ist die Spannungsquelle für den Motor M derart niederohmig, daß ein relativ großer Strom und eine dementsprechend hohe Leistung vom Motor aufgenommen werden kann.

Claims (5)

1. Integrierte Halbleiterschaltung mit einem Digital-Analog-Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des Wandlers über eine Ent­ kopplungsschaltung und eine Kompensationsschaltung eine Leistungs- Endstufe angeschlossen ist, daß der Ausgangssummenstrom des D/A- Wandlers über einen Stromspiegel (T ₁₁, T ₁₁*) einen Ausgangswider­ stand (R ₆) durchfließt, und die an diesem Widerstand abfallende Spannung über die Entkopplungsschaltung auf den Eingang der Lei­ stungs-Endstufe gegeben wird, daß die Entkopplungsschaltung aus einem Entkopplungstransistor (T ₁₄) und einem zum Entkopplungstran­ sistor in Reihe geschalteten weiteren Transistor (T ₁₃) besteht, der Teil einer Stromspiegelschaltung (T ₁₃, T ₁₃*) ist, daß der Ausgangs­ widerstand (R ₆) zwischen die Basiselektroden der beiden hinterein­ andergeschalteten Transistoren (T ₁₃, T ₁₄) geschaltet ist, so daß die Ausgangsspannung der Entkopplungsschaltung an der Emitterelektrode des Entkopplungs-Transistors unabhängig von transistorbedingten Ver­ zerrungen ist.

2. Integrierter Digital-Analog-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus­ gangsspannung an der Entkopplungsschaltung über die Basis- Emitter-Strecke eines Vortransistors (T ₁₆) auf die Basis­ elektrode des Leistungsendstufen-Transistors (T ₁₇) gegeben wird, und daß der Strom durch die Kompensationsschaltung (T ₁₅, R ₈) über eine Stromspiegelschaltung (T ₁₂, T ₁₂*) den Strom durch den Vortransistor bestimmt.

3. Integrierter Digital-Analog-Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektroden des End­ stufentransistors (T ₁₇) und des Transistors (T ₁₅) in der Kompensationsschaltung miteinander und mit der Emitter­ elektrode des Vortransistors (T ₁₆) verbunden sind, so daß bei einem laststrombedingten Anstieg des Spannungsabfalls an der Basis-Emitter-Strecke des Endstufentransistors (T ₁₇) der Strom durch den Transistor (T ₁₅) der Kompensations­ schaltung und damit der Strom durch den Vortransistor (T ₁₆) derart ansteigt, daß der Spannungsabfall an der Basis- Emitter-Strecke des Vortransistors (T ₁₆) den erhöhten Spannungsabfall an der Basis-Emitter-Strecke des Endstufen­ transistors (T ₁₇) kompensiert.

4. Integrierter Digital-Analog-Wandler nach einem der vor­ angehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsendstufe als Brückenendstufe zur Steuerung eines an die Endstufe angeschlossenen Motors ausgebildet ist.

5. Integrierter Digital-Analog-Wandler nach einem der vor­ angehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die digitalen Eingangssignale für jede Bitleitung auf einen gesonderten Eingangstransistor (T ₇-T ₁₀) gegeben werden, der über ein strombestimmendes Widerstandsnetzwerk (R ₂-R ₅) mit einem weiteren gesonderten, der Bitleitung zugeordneten Transistor (T ₃-T ₆) verbunden ist, so daß die stromab­ hängigen Sättigungs- und Flußspannungen der Transistoren (T ₃-T ₁₀) in den einzelnen Bitleitungen durch entsprechende Dimensionierung des zugeordneten Widerstandsnetzwerkes (R ₂-R ₅) kompensierbar sind.