DE3530445A1 - Signalverarbeitungssystem mit digital/analog-umsetzung - Google Patents

Description

RCA 79400 Sch/Vu

RCA Corporation, Princeton, N.J. (USA)

Signalverarbeitungssystem mit Digital/Analog-Umsetzung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Digital/Analog-Signalkonverter mit verringerter Ausgangskapazität. Insbesondere betrifft die Erfindung einen solchen Konverter, der sich als Ausgangsschaltung eignet, etwa für einen Videoausgangsverstärker zur Ansteuerung einer Bildwiedergabeeinrichtung in einem Videosignalverarbeitungssystem, welches eine digitale Signalverarbeitungstechnik benutzt.

In einem elektrischen Signalverarbeitungssystem mit digitaler Signalverarbeitungstechnik benötigt man einen Digital/Analog-Konverter (D/A-Konverter) zur Umwandlung digitaler Signale in analoge Form zur Verarbeitung durch Analogschaltungen des Systems. In einer Veröffentlichung der ITT Corporation mit dem Titel "VLSI Digital TV System - DIGIT 2000" ist ein digitales Fernsehsignalverarbeitungssystem beschrieben, welches kürzlich durch die Worldwide Semiconductor Group (Freiburg, West-Deutschland) der International Telephone and Telegraph Corporation ein-

geführt worden ist. Bei diesem System werden Farbvideosignale nach Verarbeitung in digitaler Form mit Hilfe von D/A-Konvertern in analoge Form umgewandelt, ehe sie einer Bildröhre zugeführt werden. Die analogen Farbvideosignale werden der Bildröhre über Analog-Pufferverstärker und Videoausgangs-Bildröhrentreiberverstärker zugeführt, welche analoge Videoausgangssignale hohen Pegels liefern, die sich für die Ansteuerung der Intensitätssteuerelektroden der Bildröhre eignen.

In der US-Patentanmeldung Ser. No. 644,398 vom 27. August 1984 mit dem Titel "Kineskope Driver in a Digital Video Signal Processing System" ist ein digitales Videosignalverarbeitungssystem beschrieben, bei welchem die Funktionen des Ausgangs-D/A-Konverters und des Bildröhrentreibers zweckmäßig kombiniert worden sind, so daß viele der Probleme analoger Bildtreiberstufen entfallen. Danach verwendet eine Konverter-Treiberstufe Hochspannungs-Vertikal-VMOS-Feldeffektausgangstransistoren und kann die Intensitätssteuerelektrode, etwa die Kathode einer Bildröhre eines Fernsehempfängers oder ähnlichen Videosignalverarbeitungssystems, welches Videosignale digital verarbeitet, unmittelbar ansteuern. Es ist wünschenswert, das Hochfrequenzverhalten beizubehalten und den Leistungsverbrauch sowie die Verlustleistung eines D/A-Konverters zu verringern, insbesondere bei der Verarbeitung von Signalen großer Amplitude, und zwar durch Verringerung der Ausgangskapazität des Konverters. Demgemäß sieht die Erfindung ein Signalverarbeitungssystem mit einem D/A-Konverter vor, welcher diese Ziele erreicht. Ein D/A-Konverter der erfindungsgemäßen Art weist eine Mehrzahl von Ausgangs-MOSFET-Transistorelementen mit getrennten Sourcebereichen auf. Die Abmessungen der jeweiligen getrennten Sourceflächen sind unterschiedlich, so daß das dem höchstwertigen digitalen Informationsbit zugeordnete Element die größte Sourceflache hat, während die den niedrigerstelligen Bits entsprechenden Elemente kleinere Sourceflachen haben.

Ι Bei einem bevorzugten Realisierungsbeispiel der Erfindung handelt es sich um die Sourceflächen vertikaler VMOS-Ausgangselemente, welche einem binären Maßstab entsprechen, während die Gateelektroden der Ausgangselemente zusammengeschaltet sind und ihre Drainelektroden zusammen an eine Ausgangslastimpedanz geschaltet sind.

Außerdem kann der beschriebene D/A-Konverter vorteilhafterweise eine Intensitätssteuerelektrode, wie etwa die Kathode der Bildröhre eines Fernsehempfängers oder ähnlichem Videosignalverarbeitungssystems mit digitaler Videosignalverarbeitungstechnik unmittelbar ansteuern. In diesem Falle benötigt man keine analoge Bildröhrentreiber-

verstärkerstufe.
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In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Teil eines Fernsehempfängers mit einem D/AKonverter gemäß der Erfindung; 0 Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Element, welches einen Bestandteil des in Fig. 1 gezeigten D/A-Konverters bildet; und

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine integrierte Schaltungsversion des D/A-Konverters nach Fig. 1. 25

Gemäß Fig. 1 wird ein digitales Videosignal mit acht Bit in binärer Form (2 ...2 ) von einer Quelle 10 digitaler Videosignale als Eingangssignal einem 8-Bit-D/A-Konverter 20 zugeführt. An einer Lastimpedanz 24 erscheint ein analoges Videoausgangssignal des D/A-Konverters 20 mit hohem Pegel, welches sich aufgrund seiner Größe zur unmittelbaren Ansteuerung der die Intensitätssteuerelektrode 26 bildenden Kathoden einer Bildwiedergaberöhre 28 eignet, wie man sie in einem Fernsehempfänger, Videomonitor oder ähnlichem Videosignalverarbeitungssystem findet. Der Lastwiderstand 24 und die Kapazität der Bildröhrenkathode bewirken eine geeignete Tiefpaßfilterung des Ausgangssignals

des D/A-Konverters 20.

Der D/A-Konverter 20 enthält eine Mehrzahl als Schalter arbeitender Eingangsinverter IO bis 17, denen jeweils die digitalen Signalbits 2 ...2 als Eingangssignale zugeführt werden. Die Inverter IO bis 17 können beispielsweise Bipolartransistoren enthalten, die als EIN/AUS-Schalter betrieben werden. Die Ausgangssignale der Inverter IO bis 17, die entsprechend dem logischen Zustand der Binäreingangssignale 2 ...2 entstehen, gelangen über binärgewichtete strombestimmende Widerstände RO bis R7 an eine Anordnung von HochSpannungs-Ausgangs-MOSFET-Transistorelemente QO bis Q7. Die Transistoren QO bis Q7 sind mit ihren Gateelektroden zusammen an einen einzigen Gateanschluß G angeschlossen, dem eine Vorspannung zugeführt wird, ihre Ausgangs-Drainelektroden sind zusammen an einen einzigen Drainausgangsanschluß D angeschlossen, an den eine Ausgangslastimpedanz 24 angekoppelt ist, und an getrennten Eingangs-Sourceelektrodenanschlüssen SO bis S7 werden ihnen jeweils binärgewichtete Signalströme von Widerständen RO bis R7 zugeführt.

Die Ausgangstransistoren QO bis Q7 sind vorzugsweise Anreicherungs-VMOS-FET-Transistoren (Vertikal-MOSFETs) wie etwa die Type BS 107 von ITT, Freiburg, oder BSS 93 von Siemens, München. Die Drain- und Sourceelektroden der Transistoren QO bis Q7 sind entlang einer vertikalen Achse angeordnet (im Gegensatz zu Lateraltransistoren, bei denen Gate, Source und Drain in derselben Oberfläche liegen).

Die Transistoren QO bis Q7 sind parallelgeschaltet und lassen sich einfach auf einem geeigneten IC-Substrat, vorzugsweise zusammen mit den Widerständen RO bis R7 und den Schaltinvertern IO bis 17 ausbilden. Der Vertikalaufbau der VMOS-Ausgangstransistoren erleichtert die Herstellung dieser Transistoren mit hoher Durchbruchsspannung, so daß sie unmittelbar die an hoher Spannung liegende Kathode der Bildröhre 38 ansteuern können.

— Q —

Die VMOS-Ausgangstransistoren haben vorteilhafterweise wechselseitig auch gleichförmige kurze Hochspannungsschaltzeiten mit praktisch gleichen Einschalt- und Ausschaltverzögerungen und vermeiden praktisch unerwünschte Schaltschwingungen, insbesondere im Vergleich zu den Hochspannungsschalteigenschaften bipolarer Transistoren. Die Einschalt- und Ausschaltzeiten der VMOS-Ausgangstransistoren werden durch die Größe der geschalteten Spannung praktisch nicht beeinflußt, so daß eine Hochspannungs-Bildröhrenansteuerung möglich ist. Außerdem ermöglicht die VMOS-Technologie eine günstige Herstellung preiswerter integrierter VMOS-Transistoranordnungen mit gemeinsamen Gate- und gemeinsamen Drainelektroden.

Der D/A-Konverter 20 hat vorteilhafterweise eine erheblich verringerte parasitäre Ausgangskapazität, ein gutes Großsignal-übergangsverhalten und gute Hochfrequenzeigenschaften und einen niedrigen Leistungsverbrauch. Wie noch erläutert werden wird, ergeben sich diese vorteilhaften Eigenschaften daraus, daß die Sourceflachen der VMOS-Ausgangstransistoren QO bis Q8 entsprechend einem digitalen Gewichtsfaktor dimensioniert sind, beispielsweise 1:2:4:8:16:32:64:128. Mit anderen Worten sind die Sourceflächen der Ausgangstransistoren QO bis Q7 proportional zu den binären Maßstabswerten der zugehörigen Sourcewiderstände RO bis R7. Auf diese Weise entspricht die Sourceflache des Transistors QO der kleinsten Fläche (1), die dem niedrigststelligen Bit (2 ) zugeordnet ist und die Sourcefläche des Transistors Q7 entspricht der größten Fläcl
ist.

die dem niedrigststelligen Bit (2 ) zugeordnet ist und :h Fläche (128), die dem höchststelligen Bit (2 } zugeordnet

Durch eine derartige maßstäbliche Aufteilung der Sourceflächen der VMOS-Ausgangstransistoren läßt sich die Größe 5 der parasitären Ausgangskapazität am Anschluß D (also die gesamte Drainkapazität) erheblich verringern im Vergleich zu Ausgangstransistoren QO bis Q7 mit gleichgroßen Emit-

terflachen. Bei einem VMOS-Transistor mit vertikalem Aufbau bestimmt die Größe der Sourcefläche (oder die Anzahl der benutzten Sourcestellen) für jeden Ausgangs-VMOS-Transistor primär die von diesem Transistor benötigte Fläche, und weil die Drainfläche und die Drainkapazität proportional zur Fläche des VMOS-Transistors ist, führt eine Verringerung der Sourcefläche zu einer entsprechenden Verringerung des Wertes der parasitären Ausgangs-

Drainkapazität,
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Die Anstiegsgeschwindigkeit des D/A-Konverters 20 (also die Spannungsänderung pro Zeiteinheit oder dv/dt) steht in Beziehung zur Größe des vom Lastwiderstand 24 gelieferten Stroms geteilt durch den Wert der Kapazität am Ausgangsanschluß D. Durch Verringerung der effektiven Kapazität am Anschluß D läßt sich die Anstiegsgeschwindigkeit des D/A-Konverters 20 und damit dessen Hochfrequenzverhalten verbessern. Durch Verringerung der effektiven Ausgangskapazität läßt sich auch der Leistungsverbrauch und die Verlustleistung des D/A-Konverters 20 reduzieren, da diese Größen direkt proportional zum Wert der effektiven Ausgang skapazität sind.

Wie man aus Fig. 3 sieht, die nachfolgend noch erläutert werden wird, weist jeder Ausgangstransistor QO bis Q7 eine Anzahl von Sourcezellen auf. Der Ausgangstransistor Q7, der zum höchststelligen Signalbit gehört, hat die größte Anzahl von Sourcezellen (128) und kann einen hohen Strom führen und trägt am stärksten zum Gesamtwert der Ausgangs-Drainkapazität bei. Andererseits hat der Ausgangstransistor QO, der zum niedrigststelligen Bit gehört, die gleiche Anzahl von Sourcezellen (1) und kann nur einen kleinen Strom führen und trägt am wenigsten zum Gesamtwert der Ausgangs-Drainkapazität bei. 35

Die Stromdichte ist für alle Sourceflächen praktisch gleich, da größere Ströme von den großflächigen Source-

elektroden höherer Ordnung geführt werden und niedrigere Ströme von den kleinerflächigen Sourceelektroden niedrigerer Ordnung geführt werden. Die Größe des durch die Ausgangstransistoren QO bis Q7 fließenden Stroms wird bestimmt durch den Wert der zugehörigen Sourcewiderstände RO bis R7. Obwohl der Einschaltwiderstand (Leitungswiderstand) der Ausgangstransistoren niedrigerer Ordnung höher als der Einschaltwiderstand der Transistoren höherer Ordnung ist, weil die erstgenannten Transistoren nur eine kleinere Anzahl parallelgeschalteter Sourcezellen aufweisen, ist der Drain-Source-Spannungsabfall an den Ausgangstransistoren im Leitungszustand für die Transistoren höherer und niedrigerer Ordnung etwa derselbe, weil die Ausgangstransistoren mit gleicher Stromdichte arbeiten.

Die Gleichspannung am Drain-Ausgangsanschluß D wird mit Hilfe eines zusätzlichen VMOS-Transistors Q8 mit einer Sourceelektrode S8 und einem zugehörigen Sourcewiderstand R8 bestimmt. Eine veränderbare Gleichspannungs-Steuerspannung VC von einer Spannungsquelle 30 verändert den Strom durch den Transistor Q8 und damit die über dem Lastwiderstand 24 abfallende Spannung am Ausgangsanschluß D. Bei einem Fernsehempfänger kann beispielsweise die Schaltung mit der Spannungsquelle 30 und dem Transistor Q8 zur Ein-5 stellung der Kathodenvorspannung der Bildröhre benutzt werden, etwa beim Service des Empfängers oder zu anderen Gelegenheiten.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen VMOS-Feldeffekttransistor, wie er bei der Schaltung nach Fig. 1 benutzt werden kann. Der Drain-Materialkörper besteht aus einem n+ Substrat und einer auf dessen einer Seite abgelagerten n- Epitaxialschicht sowie einer auf der anderen Seite abgelagerten Metallisierungsschicht. Die Sourcezellen bestehen aus p+ Zonen, die in die n- Epitaxialschicht eindiffundiert sind, mit n+ Zonen, die in die p+ Schicht diffundiert sind. Die Geometrie der Sourcezellen kann

variieren und beispielsweise eine hexagonale oder rechteckige Form haben. Das Gate besteht aus einer n+ PoIysilikonschicht, welche in Silikondioxid (Si02) eingebettet ist, mit Öffnungen in der Mitte oberhalb der Sourcezellen. Ferner wird die Gateschicht auf die Oberfläche des Elementes zur Metallisierung und Verbindung mit einer Anschlußfläche aufgebracht. Die Sourcemetallisierung ist die oberste Schicht des Bauelementes und verbindet die einzelnen Sourcezellen in der erforderlichen Weise. Die Durchbruchsspannung eines VMOS-Transistors wird hauptsächlich durch den spezifischen Widerstand und die Dicke der Epitaxialschicht bestimmt.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf eine integrierte Schaltung mit einem Teil der die Transistoren QO bis Q8 enthaltenden Anordnung aus Fig. 1. Die Sourceflachen der Transistoren QO bis Q8, mit welchen die Sourceanschlüsse SO bis S8 verbunden sind, haben eine Rechteckgeometrie mit rechteckigen Gateelementen, die in der dargestellten Weise zusammen mit den Sourcezellenbereichen angeordnet sind. Die Gesamtheit der jeweils den Ausgangstransistoren QO bis Q7 zugeordneten Sourcezellenflachen sind in einem Binärverhältnis aufgeteilt (1:2...:128) und sind durch eine Siliziumdioxidisolierschicht (Si02) getrennt. Ein integriertes VMOS-Element dieser Art läßt sich einfach herstellen durch geringe Modifizierung bestimmter vorhandener VMOS-Elemente, etwa der Type BSS 93 von Siemens, deren Mehrzahl zusammengeschalteter Sourcezellen aufgeteilt werden kann in mehrere individuelle binärbemessene Sourcezellenflachen, indem lediglich die Sourcezellenmetallisierung geändert wird.

Um die Vorteile verringerten Leistungsverbrauchs unter Beibehaltung des Hochfrequenzverhaltens zu erreichen, die sich aus der Reduzierung der gesamten effektiven Ausgangskapazität ergibt, wie bereits erläutert wurde, muß man die Sourceflachen der VMOS-Ausgangstransistoren nicht not-

wendigerweise in einem Binärverhältnis aufteilen. Auch andere Bemessungsverhältnisse können an die Erfordernisse eines vorgegebenen Signalverarbeitungssystems adaptiert werden, beispielsweise hinsichtlich der Erfordernisse der verschiedenen digitalen Informationscodierungen. Generell erhält man jedoch erhebliche Vorteile, wenn die Sourceflachen, welche verschiedenen der niedrigerstelligen Bits zugeordnet sind (abhängig von der Gesamtzahl der Bits) so proportioniert werden, daß sie gegenüber den höherstelligen Bits eine geringere Fläche haben, so daß die Ausgangskapazität reduziert wird, die gewünschten Stromdichten der Sourcezellen erhalten werden und der Leistungsverbrauch verringert wird.

Wenn sich auch die vorbeschriebene Ausführungsform speziell zur Ansteuerung einer Hochspannungs-Intensitätssteuerungs-Kathode einer Bildröhre eines Fernsehempfängers beispielsweise eignet, so kann sie auch als Tonfrequenzsignaltreiber mit geeigneter Impedanzanpassung oder als Quelle analoger Videosignale niedrigen Pegels zur Ansteuerung getrennter analoger Videomonitore oder Empfänger von einer gemeinsamen Digitalvideosignalquelle aus verwendet werden. Generell ist die beschriebene Anordnung nützlich, wo man einen schnell arbeitenden Digital/Analog-Konverter braucht.

Der hier beschriebene VMOS-Konverter/Treiber läßt sich bei einem digitalen Videosignalverarbeitungs- und Anzeigesystem verwenden, wobei vom Zuschauer erzeugte Steuersignale für die übliche Helligkeits- und Kontraststeuerung des Wiedergabebildes in analoger statt in digitaler Form zur Einstellung der Größe des Videosignals benutzt werden, wie es in der US-Patentanmeldung Ser. No. 644,400 vom 27. August 1984 mit dem Titel "Digital Video Signal Processor With Analog Level Control" beschrieben ist.

Claims (8)

1. ;V.;EE:ZQLD;

   Dipl. Ing. peter schütz

   DIPL. ING. WOLFGANG HEUSLER

   ZUGELASSEN BEIM PATENTANWÄLTE

   MARiA-THERESIA-STRASSH 22 POSTFACH 86 02 60

   D-8OOO MUENCHEN 86 <** ^CR " ⁺ '" ^IOS9' ²⁷¹⁶°⁶³

   EUROPAISCHEN PATENTAMT TELEX S22 63B

   MARiA-THERESIA-STRASSH 22 EUROPEANPATENTATTORNEYS POSTFACH 86 02 60 TELEGRAMM SOMBEZ

   MANDATA1RES EN BREVETS EUROPEENS

   RCA 79400 Sch/Vu

   RCA Corporation, Princeton, N.J. (USA)

   Signalverarbeitungssystem mit Digital/Analog-Umsetzung

   Patentansprüche /

   Digitales Videosignalverarbeitungssystem, g e kennzeichnet durch eine Quelle (10) digitaler Signale, welche mehrere Binärinformationsbits enthalten,

   eine analoge Signalnutzschaltung (28) und Digital/ Analog-Konverter (20) mit einer Anordnung von MOS-Transistoren mit jeweils Gate-, Drain- und Sourceelektrode, wobei

   den Sourceelektroden (S0-S7) jeweils entsprechende Informationsbits als Eingangssignale zugeführt werden,

   die Drainelektroden (D) zusammen an die Nutzschaltung zur Versorgung dieser mit analogen Ausgangssignalen angeschlossen sind und

   den Sourceelektroden Sourcebereiche zugeordnet sind, die in ihrer Größe jeweils maßstäblich aufgeteilt sind,

   derart, daß die den niedrigstwertigen Informationsbits zugeordneten Sourcebereiche im Verhältnis zur Größe der den höchststelligen Informationsbits zugeordneten Sourcebereiche kleiner sind.
2. 2) System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die MOS-Elemente Vertikal-MOS-Elemente sind.
3. 3) System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Sourceelektroden der VMOS-Elemente strombestimmende Widerstände gekoppelt sind, daß die Sourcebereiche der VMOS-Elemente entsprechend den Werten der jeweiligen Widerstände maßstäblich bemessen sind, so daß die größte Sourceflache dam kleinsten Widerstandswert und die kleinste Sourceflache dem größten Widerstandswert zugeordnet ist.
4. 4) System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sourcebereiche der Transistorelemente binärmaßstäblich bemessen sind.
5. 5) System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gateelektroden zusammengeschaltet sind.
6. 6) System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzschaltung eine mit den Drainelektroden gekoppelte Lastimpedanz aufweist, daß mit der Lastimpedanz ein weiteres VMOS-Element gekoppelt ist und daß mit dem weiteren VMOS-Element eine Steuersignalquelle zur Steuerung von dessen Leitung und damit zur Steuerung des an der Lastimpedanz entstehenden Potentials gekoppelt ist.
7. 7) System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere VMOS-Element mit einer Gateelektrode an eine Vorspannungsquelle, mit einer Sourceelektrode an die Steuersignalquelle und mit einer Drainelektrode an die Lastimpedanz angekoppelt ist.
8. 8) System nach einem der vorstehenden Ansprüche in Ausbildung als Videosignalverarbeitungssystem, dadurch gekennzeichnet, daß einer Intensitätssteuerelektrode einer Bildwiedergabeeinrichtung analoge Videosignale zugeführt werden und daß diese analogen Videosignale vom Ausgang des Konverters mit einer zur direkten Ansteuerung der Intensitätssteuerelektrode geeigneten Spannung geliefert werden.