DE3615382C2 - Digital-Analog-Wandler mit einer Bit-Einstell- und Filterschaltung - Google Patents
Digital-Analog-Wandler mit einer Bit-Einstell- und FilterschaltungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Digital-Analog-Wandler
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es sind verschiedene Digital-Analog-Wandler-Schaltungen, zum
Beispiel aus der US-A-44 23 409
bekannt. Mit fortschreitender Technik wurden monolithi
sche Digital-Analog-Wandler (DAC) erhöhter Genauigkeit
und größerer Bandbreite (d. h. Betriebsgeschwindigkeit)
bekannt, welche bei Stromversorgungsspannungen recht
niedriger Amplitude arbeiten können. Es sind jedoch
weitere Verbesserungen auf allen diesen Gebieten in ho
hem Maße erwünscht, um den Markt für solche DAC zu er
weitern, so daß der Einsatz solcher DAC bei einer größe
ren Anzahl von kostengünstigen Erzeugnissen in wirt
schaftlicher Weise verwirklicht werden kann. Es ist in
hohem Maße erwünscht, eine monolithische integrierte
Schaltung, insbesondere einen monolithischen DAC, zu
schaffen, welcher die Befähigung hat, innerhalb vorbe
stimmter Bedingungen nicht nur bei sehr niedrigen Ampli
tuden der Stromversorgungsspannungen zu arbeiten, son
dern auch bei sehr hohen Amplituden der Stromversorgungs
spannungen. Die Verwirklichung dieser Funktion in einer
integrierten Schaltung, besonders in einem monolithi
schen DAC, führt zu verschiedenen Schwierigkeiten beim
Schaltungsaufbau. So führt die Befähigung zum Betrieb bei
einer Stromversorgungsspannung niedriger Amplitude häufig
zum Problem der Erzeugung adäquater, interner Betriebs
spannungen, ansprechend auf die ungünstigsten TTL-Ein
gangssignale. Die Verwendung von Stromversorgungsspan
nungen niedriger Amplitude macht es auch schwierig, die
maximalen Ausgangsspannungen zu erzeugen, welche übli
cherweise erforderlich sind. Der Ausdruck "Kopfraum"
wird gelegentlich von Fachleuten verwendet, um das Problem
der Erzielung zweckentsprechender Ausgangssignalpegel
bei integrierten Schaltungen zu bezeichnen, wenn eine
oder beide Stromversorgungsspannungsamplituden niedrig
sind, z. B. +4,75 Volt oder -4,75 Volt betragen. Es ist
schwierig, adäquat hohe Ausgangsspannungen zu erhalten,
falls die Schaltung nur einen geringen "Kopfraum" auf
weist, wenn eine niedrige positive Stromversorgungsspan
nung verwendet wird. Das gleiche gilt für eine negative
Ausgangsvariation, wenn die negative Versorgungsspannung
einen niedrigen Spannungswert hat. Für eine große posi
tive Ausgangsschwankung muß die Emitter-Basis-Spannung
eines NPN-"Hochzieh"-Transistors im "Kopfraum" unterge
bracht werden, und es muß eine vorgeschaltete Stufe vor
gesehen werden, um die Basis dieses NPN-"Hochzieh"-
Transistors zu treiben. Bei modernen Schaltungen hoher
Geschwindigkeit und niedriger Leistung ist auch bei
solchen Vorstufen ein adäquater "Kopfraum" erforderlich,
um verschiedene Emitter-Basis-Spannungsabfälle und
Kollektor-Emitter-Spannungsabfälle unterzubringen, die
erforderlich sind, um das Signal für das Treiben der
Basis des NPN-"Hochzieh"-Transistors zu erzeugen. Ähn
liche Bedingungen gelten auch für den NPN-"Herunter
zieh"-Transistor.
Wenn die Stromversorgungsspannungen (+VCC und/oder
-VCC) einen sehr hohen Wert haben, z. B. +15 bis +18 Volt
(oder -15 bis -18 Volt), dann werden bei bestimmten Be
triebsbedingungen die Kollektor-Emitter-Durchbruchspan
nungen des "Hochzieh"- und des "Herunterzieh"-Transistors
leicht überschritten. Dies geschieht leicht, da typi
scherweise die normale Kollektor-Emitter-Durchbruchspan
nung dieser Transistoren, falls sie eingeschaltet sind,
etwa 20 Volt betragen, und zwar bei einem typischen Her
stellungsverfahren für bipolare Hochgeschwindigkeits
schaltungen, und die Kollektor-Emitter-Spannungen dieser
Transistoren übersteigen diesen Wert, falls +VCC +15 Volt
oder mehr beträgt und falls -VCC -15 Volt oder einen
niedrigeren Wert aufweist. Zur Überwindung dieses
Problems können zusätzliche aktive Einrichtungen vorge
sehen sein, z. B. Transistoren und Zenerdioden, in Reihen
schaltung zu dem "Hochzieh"- und dem "Herunterzieh"-
Transistor zum Zwecke der "Absorption" von Kollektor-
Emitter-Überspannungen, welche anderenfalls an diesen
Transistoren anliegen würden und ihren Durchbruch her
vorrufen würden. Sowohl die Zenerdioden-Spannungsabfälle
als auch die Kollektor-Emitter-Spannungsabfälle wurden
bisher in Reihenbeziehung zum "Hochzieh"- und zum "Her
unterzieh"-Transistor vorgesehen, um Durchbrüche zu ver
meiden, welche auftreten, wenn hohe Versorgungsspannun
gen an den Gegentakt-Ausgangsschaltungen anliegen. Das
Bereitstellen einer solchen zusätzlichen Schaltung macht
den Aufbau der Gesamtschaltung wesentlich komplizierter
und verteuert auch die Schaltung. Häufig kommt es auch
zu einer Verringerung der Geschwindigkeit und zu einer
Steigerung des Leistungsverbrauchs sowie zu einer Ver
ringerung des "Kopfraums", welcher zur Erzielung adäqua
ter Ausgangssignalpegel erforderlich ist. Eine andere Be
schränkung dieser monolithischen integrierten Schaltun
gen besteht in der Anzahl der Pins oder der Zuleitungen
eines wirtschaftlichen Gehäuses, in dem das Chip unter
gebracht werden muß. Bei monolithischen Digital-Analog-
Wandlern (im folgenden mit DAC bezeichnet) ist es oft
erwünscht, die Möglichkeit für den Anschluß externer
Komponenten, wie Potentiometern, vorzusehen, um präzise
Einstellungen der Bit-Ströme zu ermöglichen. Dies kann
bei einigen praktischen Anwendungen solcher monolithi
scher DAC erforderlich sein. Es kann auch erwünscht sein,
externe Kondensatoren einzuschließen, um Rauschsignale
herauszufiltern, da es unpraktisch ist, große interne
Filterkondensatoren in einer monolithischen integrierten
Schaltung vorzusehen, da dies eine sehr große Chipfläche
für die integrierten Schaltungskondensatoren erfordern
würde.
Man erkennt somit, daß ein erhebliches Bedürfnis für
einen verbesserten Schaltungsaufbau besteht, welcher
einen Schaltungsbetrieb bei hohen Geschwindigkeiten ge
stattet, und zwar über einen weiten Bereich von Strom
versorgungsspannungen und bei minimaler Schaltungs
komplexität, während andererseits die monolithische
Chipfläche zur Verwirklichung dieses Ziels ebenfalls
minimal sein soll.
Ein weiteres Problem solcher monolithischer Schaltungen
besteht in den Komplizierungen, welche nicht nur durch
eine diesen Erfordernissen gerecht werdende Schaltung
bedingt werden, sondern auch durch den erforderlichen
Betrieb über einen weiten Temperaturbereich, wobei die
vorerwähnten Bedingungen bei allen Temperaturen inner
halb dieses Bereichs gegeben sein müssen.
Herkömmliche DAC haben relativ große negative Stromver
sorgungsspannungen, von denen die Spannungen über die
Präzisionswiderstände entwickelt werden, welche die Bit-
Ströme bestimmen. Von diesen Spannungen werden Strom
schalter betätigt, welche selektiv die Bit-Ströme sum
mieren, zum Zwecke der Erzeugung eines analogen Aus
gangsstroms, ansprechend auf die digitalen Eingangssi
gnale. Einige herkömmliche DAC verwenden Zenerdioden
mit Durchbruchspannungen von etwa 7 Volt, um die TTL-
Eingangspegel hinab zu den niedrigen Spannungspegeln zu
schieben, welche erforderlich sind, um die Bit-Strom
schalter zu steuern. Diese Technik kann nicht verwendet
werden, wenn die negative Versorgungsspannung nicht we
sentlich größer ist als die Zenerdioden-Durchbruchspan
nung. Obgleich Widerstandspegel-Schiebetechniken zu ver
schiedenen Zwecken verwendet wurden, so wurden sie doch
bisher nicht bei monolithischen integrierten Schaltun
gen angewendet, bei denen eine Pegelverschiebung mit
konstanter Spannung erforderlich ist. Dies beruht wahr
scheinlich auf dem Verlust der Schaltgeschwindigkeit
und auf der inadäquaten Steuerung der Spannungspegel-
Verschiebung wegen der Verarbeitungsvariationen.
Einige herkömmliche DAC haben Vorkehrungen zum Anschluß
eines externen Kondensators, welcher dazu bestimmt ist,
das intern erzeugte Rauschen in der DAC-Schaltung auf
grund einer Zenerdioden-Referenzschaltung herauszufil
tern. Einige herkömmliche DAC gestatten es ferner, den
Bit-Strom eines jeweiligen Bits, z. B. des signifikante
sten Bits, präzise einzustellen, und zwar durch Einstel
lung eines externen Potentiometers, welches mit der DAC-
Schaltung verbunden ist. Solche herkömmlichen DAC ver
wenden gesonderte Zuleitungen für den Anschluß des Fil
terkondensators und für das Bit-Strom-Einstellpotentiome
ter. In einigen Fällen stehen jedoch zwei zusätzliche
Anschlüsse des Gehäuses nicht zur Verfügung. Es ist da
her erwünscht, das Problem des Anschlusses eines exter
nen Rauschfilterkondensators und eines externen Bit-
Einstellpotentiometers zu ermöglichen, ohne daß zwei zu
sätzliche Zuleitungen für das Gehäuse der DAC-Schaltung
erforderlich sind.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Möglichkeit für die Verwendung nur einer einzigen Zulei
tung eines DAC zu schaffen zum Zwecke des Anschlusses
sowohl eines externen Bit-Einstellpotentiometers als
auch eines Kondensators mit geringer Kapazität zum Her
ausfiltern eines internen Rauschens der DAC-Schaltung.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Digital-Analog-Wandler
geschaffen, welcher ein externes Potentiometer umfaßt,
das der Einstellung eines Bit-Stroms der DAC-Schaltung
dient. Das Filtern eines internen Rauschens, welches
durch eine Zenerdioden-Referenzschaltung erzeugt wird,
und der Anschluß des externen Potentiometers gelingen
beide durch Anschluß eines externen Filterkondensators
und des externen Potentiometers an eine einzige Zulei
tung des Gehäuses des DAC. Sowohl der Filterkondensator
als auch das externe Potentiometer liegen zwischen der
negativen Stromversorgungsspannung und der einzigen
zusätzlichen Zuleitung. Diese einzige zusätzliche Zulei
tung ist mit einem Leiter verbunden, welcher mit einem
ersten Widerstand eines niedrigen Widerstandswertes mit
dem Emitter eines NPN-Emitter-Folgertransistors verbun
den ist, dessen Basis mit einer Referenzspannung ver
bunden ist, die wiederum durch eine ein Rauschen erzeu
gende Spannungsreferenzschaltung erzeugt wird. Eine
VBE-Multiplizierschaltung führt auch zu einer vorbe
stimmten Variation der Spannung des Leiters in bezug
auf die Temperatur zum Zwecke der Kompensation von Ände
rungen des beta-Wertes (des Stromverstärkungswerts) der
Bit-Schaltertransistoren der DAC-Schaltung sowie zu Än
derungen des VBE-Wertes der Stromquellentransistoren der
DAC-Schaltung.
Gleichzeitig mit vorliegender Patentanmeldung werden
zwei weitere Patentanmeldungen der Anmelderin mit den
Titeln
- (1) Eine Schaltung zur Verschiebung des Eingangspegels eines Digital-Analog-Wandlers (DE 36 15 383 A1)
- (2) Digital-Analog-Wandler für niedrige Spannungswerte (DE 36 15 513 A1)
eingereicht, auf die zu Offenbarungszwecken ausdrücklich
hingewiesen wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen
näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines Teilbe
reichs eines Digital-Analog-Wandlers der Erfindung;
Fig. 2 ein schematisches Diagramm einer Aus
gangsverstärkerschaltung, welche den durch die Schal
tung gemäß Fig. 1 erzeugten Analog-Summenstrom empfängt;
Fig. 3 ein Diagramm zur Beschreibung der Arbeits
weise der Schaltung gemäß Fig. 2; und
Fig. 4 ein Diagramm der Kollektor-Emitter-Durch
bruchcharakteristika eines NPN-Transistors als Funktion
des Basisstroms und des Kollektorstroms.
Gemäß den Fig. 1 und 2 umfaßt der Digital-Analog-Wandler
1 eine Vielzahl von digitalen Eingangsanschlüssen, z. B.
den Eingangsanschluß 2, welche mit einer Vielzahl von
einzelnen "Bit-Schaltungen" verbunden sind, z. B. der
Bit-Schaltung 3A. Wenn z. B. DAC 1 ein 16 Bit-DAC ist,
so liegen 16 "Bit-Schaltungen", wie 3A, vor und 16 ge
sonderte Digital-Eingangsanschlüsse, z. B. der Eingangs
anschluß 2. In Fig. 1 ist nur eine Bitschaltung 3A im
einzelnen gezeigt. Diese Bitschaltung 3A betrifft das
wichtigste Bit im beschriebenen DAC 1. Die verbleiben
den Bitschaltungen, wie 3B, sind der Bitschaltung 3A im
wesentlichen ähnlich, mit der Ausnahme, daß sie nicht
notwendigerweise mit der nachfolgend zu erläuternden
Bit-Stromjustierschaltung verbunden sind. Eine zweckent
sprechende binäre Bit-Stromabstufung mittels einer her
kömmlichen R-2R-Widerstandsleiterschaltung ist in übli
cher Weise aufgebaut und nicht gezeigt.
Die Bitschaltung 3A umfaßt einen Präzisionswiderstand
12, welcher zwischen VCC (Leiter der negativen Versor
gungsspannung) und dem Leiter 11 liegt. Der Leiter 11
ist mit dem Emitter des NPN-Stromquellen-Transistors 10
verbunden. Die Basis des Stromquellen-Transistors 10
einer jeden der Bitschaltungen ist mit einem Leiter 13
verbunden, welcher eine Temperatur-kompensierte Vor
spannung VB2 erzeugt. Der Kollektor des Stromquellen-
Transistors 10 einer jeden Bitschaltung ist mit einem
Leiter 9 verbunden, welcher wiederum mit den Emittern
der beiden NPN-Transistoren 5 und 6 verbunden ist, die
ein Emitter-gekoppeltes Paar bilden. Die Transistoren
5 und 6 wirken als Bitstromschalter. Der Kollektor des
Bitstromschalttransistors 5 ist mit Erde verbunden und
der Kollektor des Bitstromschalttransistors 6 ist mit
einem Stromsummenleiter 24 verbunden. Der Leiter 24A
ist in herkömmlicher Weise geschaltet zum Empfang an
derer Bitströme in einer R-2R-Widerstandsleiterschal
tung. Die Basis des Transistors 5 ist durch einen Leiter
8 mit einer Pegelschiebeschaltung verbunden, welche die
Spannungspegel, die durch VA gesteuert werden, abwärts
schiebt zu Pegeln, welche für die zweckentsprechende Ar
beitsweise der Basis des Bitstromschalttransistors 5 er
forderlich sind. Für eine jede der Bitschaltungen wird
ein Bitstrom IBIT im Widerstand 12 durch den Stromquel
lentransistor 10 bereitgestellt und entweder auf Erde
geschaltet, wenn die Basis des Transistors 5 einen hohen
Pegel hat, oder auf den Stromsummenleiter 24, wenn die
Basis des Transistors 5 auf niedriger Spannung liegt.
Die Summe aller Bitströme ist ein Analog-Ausgangsstrom
IOUT. Der Strom IOUT wird dem negativen Eingangsan
schluß eines Differentialverstärkers 71 mit hohem Ver
stärkungsgrad gemäß Fig. 2 zugeführt.
Eine Vorspannung VB1 wird der Basis des Bitstromschalt
transistors 6 einer jeden der Bitschaltungen, z. B. 34A,
zugeführt. Herkömmliche Temperatur-Nachführvorspannungs
schaltungen können leicht vom Durchschnittsfachmann kon
zipiert werden zum Zwecke der Beaufschlagung des Leiters
7 mit der Vorspannung VB1.
Eine jede der Bitschaltungen umfaßt eine Eingangspegel-
Schiebeschaltung mit einer Diode 15, einem "Hochzieh"-
Widerstand 17, einem NPN-Emitter-Folger-Transistor 18,
einem Pegel-Schiebewiderstand 19 und einer Temperatur
kompensierten Stromquellenschaltung 31.
Eine TTL-kompatible Eingangsspannung VA wird dem Emitter
des mit einer Diode verbundenen NPN-Transistors 15 zuge
führt und der Kollektor und die Basis desselben sind
durch einen Leiter 16 mit dem Widerstand 17 verbunden
und mit dem NPN-Transistor 18. Der obere Anschluß des
Widerstandes 17 ist mit einer zweckentsprechenden Refe
renzspannung VREF1 verbunden. Der Kollektor des Transi
stors 18 ist mit +VCC verbunden und der Emitter ist
durch einen Nichrom-Widerstand 19 mit dem Leiter 8 ver
bunden. Der Leiter 8 ist mit dem Kollektor eines NPN-
Transistors 20 einer Stromquelle 31 verbunden.
Die Stromquellenschaltung 31 ist an sich ein Ausgang
einer NPN-Stromspiegelschaltung herkömmlicher Bauart.
Sie umfaßt NPN-Transistoren 20, 23 und 27 mit Emitter
widerständen 21, 28 bzw. 29. Die Basen der Transistoren
20 und 27 sind mit dem Emitter des Transistors 23 verbun
den und die Basis des letzteren ist mit dem Kollektor
des Transistors 27 über einen Leiter 30 verbunden. Der
dem Kollektor des Transistors 27 zugeführte Strom be
stimmt den Strom ILS im Kollektor des Transistors 20 und
auch in den Transistoren, wie z. B. 20 der anderen Bit
schaltungen, welche nicht gezeigt sind. Der Strom im
Transistor 27 wird durch eine gesonderte PNP-Stromspie
gelschaltung 32 bestimmt. Die PNP-Stromspiegelschaltung
32 umfaßt PNP-Transistoren 33 und 34, deren Basen mit
dem Emitter des PNP-Transistors 37 verbunden sind. Die
Basis des Transistors 37 ist mit dem Kollektor des PNP-
Transistors 34 verbunden. Die Emitter der Transistoren
33 und 34 sind durch Emitterwiderstände 35 und 36 mit
+VCC verbunden. Der Strom durch den Transistor 34 und
somit auch den Transistor 33 und den Transistor 27 der
Stromspiegelschaltung 31 wird bestimmt durch einen Prä
zisions-Nichromwiderstand 40, welcher in einer Verhält
nis-Anpassung hinsichtlich Gestalt und Struktur des
oben erwähnten Nichromwiderstandes 19 der Pegel-Schiebe
schaltung 14 steht. Der Widerstand 40 liegt zwischen dem
Emitter des NPN-Transistors 38 und -VCC. Der Kollektor
des Transistors 38 ist mit dem Kollektor bzw. der Basis
der PNP-Transistoren 34 bzw. 37 verbunden.
Die Basis des Transistors 38 ist durch einen Leiter 39
mit der Kathode einer Zenerdiode 65 verbunden, welche
in einer Spannungsreferenzschaltung 63 liegt, in der ei
ne Stromquelle 68 eine Kette von Komponenten einschließ
lich der Temperatur-Kompensationsdioden 64 und 66 und
der Zenerdioden 65 mit positivem Temperaturkoeffizien
ten vorspannt.
Der Leiter 39 ist auch mit der Basis des NPN-Transistors
42 verbunden, der mit einem Nichromwiderstand 41 zwi
schen dem Emitter des NPN-Transistors 42 und -VCC liegt.
Der Nichromwiderstand 41 hat eine Verhältnis-Anpassung
zum Widerstand 97, wie dies nachfolgend im Zusammenhang
mit Fig. 2 erläutert wird. Der Kollektor des Transistors
42 ist mit einer zweiten PNP-Stromspiegelschaltung 45
verbunden, welche im wesentlichen der PNP-Stromspiegel
schaltung 32 ähnlich ist, und umfaßt PNP-Transistoren
43 und 44, deren Basen mit dem Emitter des PNP-Transi
stors 46 verbunden sind, wobei die Basis des letzteren
mit den Kollektoren der Transistoren 42 und 43 verbun
den ist. Die Emitter der Transistoren 43 und 44 sind
über Widerstände 102 bzw. 101 mit +VCC verbunden. Der
Kollektor des Transistors 44 ist durch einen Leiter 25
mit der Vorspann-Steuerschaltung 70 verbunden, welche
nachfolgend anhand von Fig. 2 erläutert wird.
Fig. 1 umfaßt ferner eine Schaltung, welche allgemein
mit 78 bezeichnet ist und der Erzeugung der vorerwähn
ten Vorspannung VB2 auf dem Leiter 13 dient sowie der
Bewirkung einer präzisen Bitstromeinstellung einer (oder
mehrerer) der Bitschaltungen DAC 1. Die Schaltung 78 um
faßt einen NPN-Emitter-Folger-Transistor 62, dessen Ba
sis mit einem Referenzspannungsleiter 67 verbunden ist
und dessen Emitter über einen 500 Ohm Widerstand 61 mit
einem Leiter 49 verbunden ist. Der Leiter 49 ist über
einen 6,15 Kiloohm-Widerstand 59 mit einem Leiter 60
verbunden und der Leiter 60 ist über einen 3,35 Kilo
ohm-Widerstand 58 mit einem Leiter 57 verbunden. Der
Leiter 57 ist mit einer VBE-Vervielfacherschaltung 53
mit -VCC verbunden. Die VBE-Vervielfacherschaltung
(oder Multiplizierschaltung) 53 umfaßt einen NPN-Transi
stor 54, dessen Emitter mit -VCC verbunden ist. Seine
Basis ist über einen Widerstand 56 mit -VCC verbunden
sowie über einen Widerstand 59 mit seinem Kollektor. Der
Kollektor des Transistors 54 ist ferner mit einem Lei
ter 57 verbunden.
Der Leiter 66 ist mit der Basis des NPN-Transistors 51
verbunden und der Emitter desselben ist über einen Wi
derstand 52 mit -VCC verbunden. Der Emitter des Transi
stors 51 ist ferner mit dem VB2-Leiter 13 verbunden.
Der Leiter 49 ist über einen externen Filterkondensa
tor 50 mit -VCC verbunden. Der Leiter 49 ist auch über
ein externes Potentiometer 48 mit -VCC verbunden. Das
Potentiometer 48 hat einen Anschluß 48A mit variablem
Widerstand, welcher über einen Widerstand 47 mit dem
Leiter 11 verbunden ist.
Im folgenden soll auf Fig. 2 Bezug genommen werden. Der
zuvor beschriebene Differentialverstärker 71 ist an sei
nem positiven Eingang mit Erde verbunden. Sein Ausgang
ist mit einer allgemein mit 69 bezeichneten Gegentakt-
Ausgangsstufe mit Verstärkungsfaktor 1 verbunden.
Die Schaltung des Verstärkers 71 ist insgesamt herkömm
licher Art und kann vom Durchschnittsfachmann leicht
konzipiert werden. Verschiedene, typische Differential
verstärkerschaltungen mit hohem Verstärkungsfaktor und
niedriger Leistung können verwendet werden, um den
Verstärker 71 aufzubauen.
Der Ausgang des Verstärkers 71 ist mit der Basis des
PNP-Transistors 72 verbunden, dessen Emitter mit dem
Leiter 73 verbunden ist und dessen Kollektor über einen
Leiter 89 mit der Basis des "Herunterzieh"-Transistors
87 vom NPN-Typ verbunden ist sowie einen Widerstand 90
mit -VCC. Der Emitter des Transistors 87 ist über einen
Widerstand 88 mit -VCC verbunden.
Der Leiter 73 ist mit dem Kollektor eines PNP-Strom
quellentransistors 74 verbunden, dessen Emitter über
den Emitterwiderstand 74A mit +VCC verbunden ist. Der
Leiter 73 ist ferner mit der Basis des NPN-"Hochzieh"-
Transistors 80 verbunden und der Kollektor desselben
ist mit +VCC verbunden. Der PNP-Transistor 72 wirkt als
Emitter-Folger, welcher die Basis des NPN-"Hochzieh"-
Transistors 80 treibt. Der Emitter des Transistors 80
ist über einen 24 Ohm Widerstand 81 mit dem Ausgangs
leiter 82 verbunden, auf dem die Ausgangsspannung VOUT
erzeugt wird. Ein externer Lastwiderstand RL ist mit
dem Bezugszeichen 83 bezeichnet und verbindet den Lei
ter 82 mit Erde. Ein Rückkopplungswiderstand 86 mit dem
Wert RF liegt zwischen dem Ausgangsleiter 82 und dem
Leiter 24.
Ein 2 Kiloohm-Widerstand 84 liegt zwischen der Basis des
Hochzieh-Transistors 80 und dem Ausgangsleiter 82. Die
Anode der Diode 85 ist mit dem Leiter 82 verbunden und
die Kathode ist mit dem Leiter 73 verbunden.
Ein temperatur-kompensierter Vorspannstrom IBIAS, der
bei einer bestimmten Temperatur konstant ist, wird im
Kollektor des PNP-Stromspiegeltransistors 74 erzeugt.
Der Transistor 74 ist mit einer Basis mit der Basis des
PNP-Transistors 75 verbunden und mit dem Emitter des
PNP-Transistors 77. Der Emitter des Transistors 74 ist
über einen Widerstand 74A mit +VCC verbunden. Der Emit
ter des Transistors 75 ist über einen Widerstand 76 mit
+VCC verbunden und der Kollektor des Transistors 75 ist
über einen Leiter 79 mit der Basis des Transistors 77
verbunden sowie mit dem Kollektor des NPN-Transistors
92. Die Transistoren 74, 75 und 77 bilden eine PNP-
Stromspiegelschaltung und die Ströme derselben werden
durch die Schaltung gesteuert, welche die NPN-Transisto
ren 93, 95 und 96 umfaßt, sowie durch die Stromspiegel
schaltung 45 gemäß Fig. 1. Der Emitterbereich des
Transistors 74 beträgt das Zweifache desjenigen des
Transistors 75, so daß ein Strom des Werts IBIAS/2 zu
standekommt (aufgrund des Transistors 93 und des Wider
stands 94) und im Kollektor des Transistors 75 fließt,
während andererseits der zweifache Wert dieses Stroms,
d. h. IBIAS, im Kollektor des Transistors 74 fließt. Der
Widerstand 97 liegt zwischen den Leitern 25 und 98.
Die Basis des NPN-Transistors 92 ist mit Erde verbunden
und sein Emitter ist mit dem Kollektor des Transistors
93 verbunden. Der Emitter des Transistors 93 ist über
einen Widerstand 94 mit -VCC verbunden. Die Basis des
Transistors 93 ist über einen Leiter 25 mit dem Kollek
tor und der Basis des mit einer Diode verbundenen NPN-
Transistors 95 verbunden. Der mit einer Diode beschaltete
Transistor 96 ist mit seinem Kollektor und mit seiner
Basis mit dem Emitter des Transistors 95 verbunden, wäh
rend sein Emitter mit dem Leiter 98 verbunden ist. Ein
48 Ohm Widerstand 99 liegt zwischen dem Leiter 98 und
-VCC.
Eine beispielhafte Bemessung der verschiedenen Komponen
ten der Schaltung gemäß den Fig. 1 und 2 ist in der
folgenden Tabelle 1 angegeben.
Im folgenden wird die Arbeitsweise der Gegentakt-Aus
gangsstufe 69 der Fig. 2 erläutert. Zum Verständnis die
ser Arbeitsweise der push-pull-Ausgangsstufe 69 ist es
wichtig, sich vor Augen zu halten, daß der monolithische
DAC 1 mit dem Schaltungsaufbau gemäß den Diagrammen der
Fig. 1 und 2 eine "Standard"-Schaltung mit monolithi
scher, bipolarer Integrierung ist und in üblicher Weise
hergestellt wird, wobei die "normale" Kollektor-Emitter-
Durchbruchspannung BVCEO der NPN-Transistoren etwa 18
bis 22 Volt beträgt. Die verschiedenen Widerstände kön
nen z. B. Dünnfilm-Nichromwiderstände sein oder diffun
dierte Widerstände vom P-Typ, welche während der glei
chen Betriebsstufe ausgebildet werden, in der auch die
Basisregionen der NPN-Widerstände gebildet werden.
Der NPN-Hochzieh-Transistor 80 ist mit seinem Kollektor
direkt mit +VCC verbunden. Er ist nicht in Reihe mit an
deren Schaltungen geschaltet, was zur Absorption eines
Teils der überschüssigen Kollektor-Emitter-Spannung füh
ren würde, die anderenfalls dem Transistor 80 zugeführt
würde, wenn der NPN-Herunterzieh-Transistor 87 die Span
nung VOUT auf einen Spannungswert herabzieht, welcher
nahe bei -VCC liegt. Die gebildete Differenz zwischen
VOUT und +VCC übersteigt die normale Kollektor-Emitter-
Durchbruchspannung.
Im Sinne der vorliegenden Beschreibung bedeutet der Aus
druck "normal" oder "EIN"-Kollektor-Emitter-Durchbruch
spannung eines NPN-Transistors die Kollektor-Emitter-
Durchbruchspannung, wenn dieser Transistor als "einge
schaltet" zu betrachten ist und einen beträchtlichen
Kollektorstrom führt, z. B. mindestens 0,1 Milliampere.
Gemäß einem wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung
ist ein Herunterzieh-Transistor (pulldown-Transistor) 87
vom NPN-Typ mit seinem Emitter mit -VCC verbunden, und
zwar über einen Widerstand 88 mit niedrigem Widerstands
wert (24 Ohm). Sein Kollektor ist direkt mit dem Aus
gangsleiter 82 verbunden und nicht über eine zusätzli
che Schaltung, welche überschüssige Kollektor-Emitter-
Überspannung absorbieren würde, welche anderenfalls an
liegen würde für den Fall, daß der Hochzieh-Transistor
80 VOUT auf einen Wert nahe +VCC hochzieht und die ge
bildete Differenz zwischen VOUT und VCC die "normale"
Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung des Herunterzieh-
Transistors 87 übersteigt.
Es ist für den Durchschnittsfachmann verständlich, daß
bei einem NPN-Transistor mit einem Kollektorstrom von
mehr als etwa 50 Mikroampere die Stoßionisation, welche
in der Kollektor-Basis-Verarmungsregion stattfindet, zu
einem Lawinensphänomen führen kann, wodurch die Durch
bruchspannung dieses Transistors 80 oder 87 erheblich
verringert wird.
Die Art und Weise, in der die Kollektor-Emitter-Durch
bruchspannung mit dem Kollektorstrom und dem Basisstrom
variiert, wird im folgenden anhand von Fig. 4 diskutiert.
Ein Verständnis dieser Verhältnisse ist hilfreich in
bezug auf das Verständnis der Arbeitsweise der Gegentakt-
Ausgangsstufe gemäß Fig. 2. Im folgenden wird auf Fig. 4
Bezug genommen. Diese zeigt den Kollektorstrom IC in Ab
hängigkeit von der Kollektor-Emitter-Spannung VCE bei
einem typischen NPN-Transistor, z. B. dem Hochzieh-
Transistor 80. Die Kurve A zeigt die Kollektor-Emitter-
Durchbruchspannung mit offener Basis BVCEO des Hochzieh-
Transistors 80 oder des Herunterzieh-Transistors 87. Für
Kollektorströme oberhalb weniger Mikroampere beträgt
BVCEO etwa 20 Volt. Die Kurve B zeigt die Kollektor-
Emitter-Durchbruchspannung bei einer mit dem Emitter
kurzgeschlossenen Basis BVCES. Bei Kollektorströmen ober
halb weniger Mikroampere beträgt BVCES etwa 56 Volt. Der
Durchschnittsfachmann erkennt, daß BVCEO wesentlich
niedriger ist als BVCES, da ein Leckstrom des Kollektor-
Basis-Übergangs in Sperrichtung in die Basisregion des
Transistors fließt und um den Stromverstärkungsfaktor
"beta" des Transistors erhöht wird. Hierdurch kommt es
zu einem erheblich verstärkten Kollektorstrom (Verstär
kungsfaktor von mehreren Hundert), welcher Stoßionisa
tion hervorruft. Dies geschieht bei einer Kollektor-
Emitter-Spannung von etwa 20 Volt. Dies führt zu einem
raschen Lawinendurchbruch, was wiederum häufig zu einer
Zerstörung des Transistors führt und/oder zu anderen
schädlichen Effekten.
Die Kurven C, D, E und F zeigen BVCER (Kollektor-Emit
ter-Durchbruchspannungen mit einem 2 Kiloohm Widerstand
zwischen Basis und Emitter) mit sukzessiv niedrigeren
Werten eines konstanten Treiberstroms in die Basis und
mit einem 2 Kiloohm Widerstand, beim Test mit einem her
kömmlichen Kurvenschreiber.
Die Widerstände 84 und 90 der Fig. 2 beeinflussen somit
die Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung des Hochzieh-
Transistors 80 und des Herunterzieh-Transistors 87,
wenn sie abgeschaltet sind. Man erkennt, daß beim Ab
schalten des Hochzieh-Transistors 80 oder des Herunter
zieh-Transistors 87 (wenn der jeweils andere einen hohen
Ausgangsstrom zuführt oder ableitet) nicht notwendiger
weise seine Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung erhöht
wird, wie dies die Kurve A in Fig. 4 zeigt. Zusätzlich
dazu, daß der Transistor abgeschaltet wird oder im we
sentlichen abgeschaltet wird, muß ein Pfad vorgesehen
werden, um den Kollektor-Basis-Leckstrom von der Basis
abzuleiten und die beta-Multiplizierung zu verhindern,
und zwar zum Zwecke der Steigerung der Kollektor-Emit
ter-Durchbruchspannung in Richtung auf den Wert BVCES,
wie dies die Kurve F in Fig. 4 zeigt. Vor diesem Hinter
grund kann nun der Betrieb der Gegentakt-Schaltung der
Erfindung vonstatten gehen.
Unter ruhigen Betriebsbedingungen, unter denen der
Analogsummenübergangsstrom oder DAC-Ausgangsstrom IOUT
Null ist, hat auch VOUT den Wert Null. Man nimmt nun an,
daß ein Betrieb bei Raumtemperatur stattfindet. Sodann
beträgt IBIAS etwa 0,7 Milliampere. Der Strom durch RL
ist Null. Der Strom I4 durch den Hochzieh-Transistor 80
beträgt etwa 0,5 Milliampere und der Strom durch den
Widerstand 84 beträgt etwa 0,35 Milliampere. Daher be
trägt der Strom I7 (die Summe von I3 und I4) im Herunter
zieh-Transistor 87 etwa 0,85 Milliampere. Da I3 etwa
0,35 Milliampere beträgt, hat auch I2 einen Wert von et
wa 0,35 Milliampere. Es wird angenommen, daß alle Basis
ströme vernachlässigbar sind. Somit beträgt auch I6 etwa
0,35 Milliampere.
Im folgenden sollen einige Beispiele für den Betrieb der
Ausgangsstufe gegeben werden.
Zunächst wird der Fall betrachtet, daß der Analogstrom
IOUT (Leiter 24) einen ausreichend großen Wert hat, so
daß VOUT auf +10 Volt getrieben wird. Sodann erhöht sich
der Strom durch RL (RL = 5 Kiloohm) auf etwa 2 Milli
ampere vom Ruhewert Null. Der Strom Iq durch RF beträgt
1 Milliampere. IOH beträgt sodann 3 Milliampere. Compu
ter-Simulationsergebnisse zeigen, daß der Strom I4 etwa
2,6 Milliampere beträgt. Sodann werden I3 und somit auch
I1 auf etwa 0,4 Milliampere erhöht, und zwar aufgrund
der Steigerung des Spannungsabfalls über den Widerstand
81 und VBE des Transistors 80 und eine im wesentlichen
gleiche Steigerung des Spannungsabfalls über den Wider
stand 84. Dies veranlaßt I2 und somit auch I6, auf etwa
0,3 Milliampere abzufallen, da IBIAS in bezug auf die
Änderung des Ausgangsstroms konstant ist. Somit verrin
gert sich die Spannung zwischen der Basis des Transi
stors 87 und VCC auf etwa 0,6 Volt, was dazu führt, daß
der Transistor 87 nahezu abgeschaltet wird. Somit führt
die Rückkopplung über den Widerstand 81 und den Emitter
des Transistors 80 zu einer Verringerung von I2, und
zwar ansprechend auf eine Steigerung des Ausgangsstroms
des Transistors 80, welcher den Transistor 87 im wesent
lichen abschaltet. Diese Verringerung des Stroms I2 führt
zu einer ausreichend niedrigen Spannung über dem Wider
stand 90, so daß der Spannungsabfall über den niedrigen
Widerstandswert (2 Kiloohm) des Nebenschlußwiderstands
90 es erlaubt, daß der Kollektor-Basis-Leckstrom in Sperr
richtung aus der Basis des Transistors 87 fließt, wo
durch seine Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung beträcht
lich erhöht wird. Dies wurde oben anhand der Fig. 4 er
läutert. Computer-Simulationen zeigen, daß dies zu einem
Stromfluß von etwa 0,2 Mikroampere durch den Transistor
87 führt, wodurch wiederum die Durchbruchspannung be
trächtlich erhöht wird.
In einem zweiten Beispiel wird RL von 5 Kiloohm auf Un
endlich erhöht. VOUT beträgt +10 Volt und +VCC beträgt
+15 Volt und -VCC beträgt -15 Volt. Simulationen zeigen,
daß der Strom I4 etwa 0,65 Milliampere beträgt. I3 und
somit auch I1 werden geringfügig erhöht, und zwar aus
gehend von 0,35 Milliampere-Ruhewert, und I2 wird vom
Ruhewert geringfügig gesenkt. Der ungünstigste Fall
oder der höchste Wert von I7 durch den Transistor 87
tritt auf, wenn RL Unendlich ist. Dies führt zu einer
Verringerung der Vorspannung in Durchlaßrichtung an der
Basis des Transistors 87, was zu einer Verringerung des
Wertes von I7 auf etwa 20 Mikroampere führt. Der ungün
stigste Wert von I7 führt zu einer Erhöhung der Kollek
tor-Emitter-Durchbruchspannung des Transistors 87 be
trächtlich über die 25 Volt-Kollektor-Emitter-Spannung
des Transistors 87 hinaus (Fig. 4), und zwar trotz des
höheren Wertes des Stroms I7 im Vergleich zum vorher
gehenden Beispiel.
In einem dritten Beispiel wird angenommen, daß der Ein
gangswert von IOUT dazu führt, daß der Transistor 87
eingeschaltet wird, wodurch VOUT auf -10 Volt gesenkt
wird. Dies führt zu einer 25 Volt-Kollektor-Emitter-
Spannung über dem Transistor 80. Der Strom durch RL von
Erde zum Leiter 82 wird vom Ruhewert auf etwa 2 Milli
ampere erhöht. Der Stromfluß vom Leiter 24 durch RF zum
Leiter 82 beträgt etwa 1 Milliampere. Der Strom I7 (I3
plus IOL) durch den Transistor 87 beträgt etwa 3,3 Mil
liampere. Diese Steigerung des Ausgangsstroms des Transi
stors 87 führt zu einer Rückkopplung in Form einer er
höhten Spannung über den Widerstand 88 und einer im
wesentlichen gleichen Steigerung der Spannung über den
Widerstand 90. Dies führt zu einer Erhöhung von I2 und
demzufolge zu einer Senkung von I1. Insbesondere wird
I2 auf etwa 0,4 Milliampere gesenkt, wodurch I1 und so
mit auch I3 auf etwa 0,3 Milliampere gesenkt werden. Dies
verringert die Spannung zwischen der Basis des Transi
stors 80 und dem Leiter 82 auf etwa 0,6 Volt. Simula
tionen zeigen, daß dies zu einem Strom von etwa
0,5 Mikroampere durch den Transistor 80 führt. Dies
wiederum führt zu einer Erhöhung der Kollektor-Emitter-
Durchbruchspannung über die 25 Volt der Kollektor-Emit
ter-Spannung hinaus, welche bei dem Wert VOUT anliegt.
Als weiteres Beispiel sei angenommen, daß der Lastwider
stand RL von 5 Kiloohm auf Unendlich steigt. Die Simula
tionen zeigen, daß in diesem Falle I7 etwa 1,35 Milli
ampere beträgt. Der Rückkopplungsstrom durch RF beträgt
immer noch 1 Milliampere. I2 wird über den Ruhewert von
0,35 Milliampere geringfügig angehoben. Dies führt dazu,
daß I1 und somit auch I3 geringfügig unter den Ruhewert
von etwa 0,3 Milliampere gesenkt werden. Die erhöhte
Spannung über den Widerstand 84 führt zu einer Steige
rung von I4 auf etwa 40 Mikroampere. Unter diesen Bedin
gungen liegt die Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung
des Transistors 80 immer noch beträchtlich oberhalb
25 Volt.
Im folgenden soll betrachtet werden, wie eine Erhöhung
der Betriebstemperatur den vorerwähnten Betrieb der Aus
gangsstufe 69 beeinflußt. Die Erhöhung der Betriebstem
peratur führt zu einer Verringerung der Emitter-Basis-
Spannungen der Transistoren. Wenn z. B. unter den Ruhe
bedingungen die Temperatur von Raumtemperatur auf z. B.
+125°C steigt, so verringert sich VBE des Transistors 80
auf etwa 200 Millivolt. Daher muß IBIAS ausreichend ver
ringert werden, um den etwa gleichen Ruhestrom im Transi
stor 80 und im Transistor 87 aufrechtzuerhalten wie bei
Zimmertemperatur.
Zur Vermeidung einer drastischen Steigerung des Ruhe
stroms im Transistor 80 und im Transistor 87 bei einer
Steigerung der Temperatur führt die in Fig. 2 gezeigte
Schaltung 70 zu einer Verringerung von IBIAS mit anstei
gender Temperatur, und zwar allgemein wie in der graphi
schen Darstellung der Fig. 3 gezeigt. Die PNP-Strom
spiegelschaltung mit den Transistoren 74 und 75 führt
dazu, daß IBIAS das Doppelte des Stroms durch den PNP-
Transistor 75 beträgt. Im folgenden soll erläutert wer
den, auf welche Weise die Schaltung 70 gemäß Fig. 2 den
Wert von IBIAS verringert, wenn die Temperatur ansteigt.
Zunächst muß betont werden, daß der NPN-Transistor 92
nur gegebenenfalls vorhanden sein muß und nur die Funk
tion eines Schutztransistors 93 ausübt und dabei erfor
derlichenfalls vor einer exzessiven Kollektor-Emitter-
Spannung schützt. Die Emitter-Geometrie der Transistoren
93 und 95 werden zweckentsprechend abgestuft, so daß die
Spannung am Emitter des NPN-Transistors 93 im wesentli
chen gleich der Spannung am Emitter des mit einer Diode
beschalteten Transistors 95 über den Betriebstemperatur
bereich von -25 bis +125°C ist. Somit ist die Summe des
Spannungsabfalls über den mit einer Diode beschalteten
Transistor 96 und des kleinen Spannungsabfalls über den
Widerstand 99 im wesentlichen gleich dem Spannungsab
fall über den Widerstand 94.
Es ist nun wichtig, sich vor Augen zu halten, daß die
Stromspiegelschaltung 45 in Fig. 1 im wesentlichen ei
nen konstanten Strom durch den Leiter 25 liefert. Dieser
Strom wird auf den Pfad mit den Dioden-beschalteten
Transistoren 95 und 96 und auf den Pfad mit dem Wider
stand 97 aufgeteilt. Mit steigender Temperatur werden
die Emitter-Basis-Spannungen der Dioden-beschalteten
Transistoren 95 und 96 verringert. Diese Verringerung
führt zu einer Verringerung der Spannung über den Wider
stand 94 und somit zu einer Verringerung von IBIAS/2
Die obere Kurve A in Fig. 3 veranschaulicht qualitativ
die Verringerung von IBIAS/2, wenn der Widerstand 97
weggelassen wird. Die Kurve A zeigt eine relativ lineare
Verringerung von IBIAS/2 mit steigender Temperatur. Si
mulationen des Schaltungsbetriebs zeigen, daß diese Rate
der Verringerung nicht ausreicht, um in den Transistoren
80 und 87 konstante Ruheströme aufrechtzuerhalten. Die
Wirkung der Hinzufügung des Widerstands 97 besteht in
der Beschleunigung der Rate der Verringerung von IBIAS/2
mit steigender Temperatur, wie dies die Kurve B in
Fig. 3 zeigt. Der Widerstand 97 führt zu einem Neben
schluß eines Teils des Stroms des Leiters 25, und zwar
von den mit Dioden beschalteten Transistoren 95 und 96
weg. Dies führt zu einer Verringerung der Stromdichte
in diesen Transistoren.
Die Verringerung der Stromdichte führt zu einer Steige
rung der Rate der Änderung von VBE der Transistoren 95
und 96 in bezug auf die Temperatur. Dies führt zu einer
größeren Rate der Verringerung der Spannung über den
Widerstand 94 und somit des Wertes von IBIAS/2 mit stei
gender Temperatur.
Als Gesamteffekt der Vorspann-Stromschaltung 70 beobach
tet man sodann bei Erhöhung der Temperatur eine ausrei
chende Verringerung von IBIAS, so daß der Strom I1 oder
I2 des Ausgangstransistors 80 oder 87, welcher einen ho
hen Ausgangsstrom zuführt oder ableitet, sowie der Strom
im zugeordneten Widerstand 84 bzw. 90 hoch genug ist, um
den anderen Ausgangstransistor und seinen Widerstand 84
bzw. 90 auszuhungern. Dies gestattet es, den Kollektor-
Basis-Leckstrom in Sperrichtung des ausgehungerten Aus
gangstransistors aus der Basis dieses Ausgangstransistors
auszuschalten. Dies führt zu einer Steigerung der Kollek
tor-Emitter-Durchbruchspannung des ausgehungerten Aus
gangstransistors vom BVCEO-Wert auf einen beträchtlich
höheren Wert, der abhängt vom Wert des Widerstands 84
oder 90, wie dies anhand der Fig. 4 erläutert wurde.
Der 48 Ohm-Widerstand 99 zeigt eine Verhältnisanpassung
in bezug auf die 24 Ohm-Widerstände 81 und 88 in bezug
auf Verarbeitungsänderungen und Temperaturänderungen.
Der Widerstand 94 zeigt Verhältnisanpassung an die Wi
derstände 84 und 90 in bezug auf Verarbeitung und Tempe
raturänderungen. Der Betrag des dem Leiter 25 über die
PNP-Stromspiegelschaltung 45 gemäß Fig. 1 zugeführten
Stroms steuert IBIAS/2 und somit IBIAS.
Es wird somit ein im wesentlichen konstanter Strom in
den Dioden-beschalteten Transistor 96 erzwungen, und der
48 Ohm-Widerstand 99 steuert die Spannung über den Wider
stand 94 und somit auch den Strom durch diesen Wider
stand. Dies führt dazu, daß ein temperaturabhängiger
Strom IBIAS/2 im Widerstand 94 fließt. Die PNP-Strom
spiegelschaltung 74, 75 verdoppelt diesen Strom im Sinne
einer Erzeugung von IBIAS, welcher sodann in die Ströme
I1 und I2 aufgespalten wird. Hierdurch kommt es zu pro
portionalen temperaturabhängigen Strömen in den Wider
ständen 84 und 90. Der Fachmann erkennt, daß diese Strö
me Spannungen erzeugen, welche den Transistor 80 und den
Widerstand 81 veranlassen, einen im wesentlichen konstan
ten, relativ temperaturunabhängigen Strom I4 zu erzeu
gen. Ferner werden der Transistor 87 und der Widerstand
88 veranlaßt, einen im wesentlichen konstanten und rela
tiv temperaturunabhängigen Strom I7 zu erzeugen. Ein
analoger Betrieb findet unter Nicht-Ruhebedingungen
statt sowie bei hohen und niedrigen Temperaturen. Der
Kollektorstrom des Ausgangstransistors, welcher keinen
Ausgangsstrom zuführt oder ableitet, ist so niedrig, daß
seine Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung auf einen
sicheren Wert erhöht wird.
Der Betrieb der Pegel-Schiebeschaltung 14 gemäß Fig. 1
soll im folgenden erläutert werden. Ein niedriger TTL-
Pegel von VA am Leiter 2 wird durch die Emitter-Basis-
Spannung des mit einer Diode beschalteten Transistors 15
verschoben und sodann an die Basis des Emitter-Folger-
Transistors 18 angelegt, dessen Emitter im wesentlichen
auf VA Volt liegt. Ein Pegel-Schiebewiderstand 19, der
eine Verhältnisanpassung in bezug auf den Widerstand 41
zeigt, führt zu einer Spannungsverschiebung um etwa
2 Volt. Die verschobene, niedrige TTL-Eingangsspannung
liegt an der Basis des Bitstromschalttransistors 5 an.
Wenn VA "hoch" ist, so wird VREF1 an die Basis des
Transistors 18 (da die Diode 15 abgeschaltet ist) ange
legt und der Pegel von VREF1 wird durch den Widerstand
19 verschoben. Es soll nun angenommen werden, daß -VCC
einen niedrigen Wert von -4,75 Volt hat. Im Hinblick
auf die Beschränkungen der Werte VB1 und VB2 ergibt
sich somit das Problem, wie der Spannungsabfall über
den Pegel-Schiebewiderstand 19 im wesentlichen konstant
gehalten werden kann, und zwar über einen normalen Be
reich von Verarbeitungsparameteränderungen und Tempera
turänderungen von -25 bis +125°C. Falls diese Kompen
sation der Verarbeitungsparameter- und der Temperatur
änderungen nicht erreicht werden kann, ist die Pegel-
Schiebetechnik der Schaltung 14 bei einem DAC für
niedrige Spannungen praktisch nicht verwendbar.
Die Art und Weise, in der der Strom ILS (d. h. der Schie
bestrom) variiert wird, um den Spannungsabfall über den
Widerstand 19 im wesentlichen konstant zu halten, be
steht darin, die NPN-Stromspiegelschaltung 31 mittels
der PNP-Stromspiegelschaltung 32 zu treiben, deren Ein
gangsstrom durch den Transistor 38, den Widerstand 40
und die Referenzspannung am Leiter 39 bestimmt wird.
Bei dem Pegel-Schiebewiderstand 19 können Variationen
des Widerstandswertes auftreten, und zwar aufgrund von
Änderungen der verschiedenen Nichrom-Ätzprozesse, durch
die der Widerstand 19 gebildet wird, und aufgrund von
Änderungen verschiedener Parameter, welche den Wider
standswert des Widerstands 19 definierten. Somit wird
der Widerstand 40, welcher eine Verhältnisanpassung
an den Widerstand 19 aufweist und auch die gleiche Brei
te hat wie dieser und auch die gleiche Anschlußstruktur,
dazu verwendet, den Strom durch die PNP-Stromspiegel
schaltung zu schicken, so daß etwaige verfahrensindu
zierte Variationen des Widerstandswertes des Widerstands
19 durch entsprechende Änderungen des Stroms, welcher
durch den Widerstand 40 in der PNP-Stromspiegelschaltung
32 und somit auch in der NPN-Stromspiegelschaltung 31
und somit auch in ILS erzeugt wird, ausgeglichen werden.
Im folgenden soll erläutert werden, wie eine Befähigung
zur Einstellung des Bitstroms IBIT mit Hilfe des exter
nen Potentiometers 48 geschaffen wird. Die Schaltung 78
in Fig. 1 verursacht den Strom IADj, so daß er bei Tem
peraturänderungen und bei Änderungen von +VCC oder
-VCC im wesentlichen konstant ist. Ein hinsichtlich des
Aufbaus der Schaltung auftretendes Problem besteht in
der Verwirklichung dieser Möglichkeit und auch in der
Verwirklichung einer sehr niedrigen Rauschvorspannung
VB2 auf dem Leiter 13, wobei nur eine einzige Zuleitung
am Gehäuse für DAC 1 verwendet wird. Die auf dem Leiter
49 erzeugte Spannung ist in zweckentsprechender Weise
temperaturkompensiert, und zwar aufgrund des negativen
Temperaturkoeffizienten der Emitter-Basis-Spannungen
der mit Dioden beschalteten NPN-Transistoren 64 und 66
und der VBE-Multiplizierschaltung 53 und aufgrund des
positiven Temperaturkoeffizienten der Zenerdiode 65. Die
Zenerdiode 65 erzeugt ein unakzeptabel starkes Rauschen
auf dem Referenzspannungsleiter 67, welches bei einem
DAC hoher Genauigkeit, z. B. einem 16 Bit-DAC, nicht
tragbar ist. Es ist somit erwünscht, einen externen Kon
densator vorzusehen, um dieses Rauschen auszufiltern,
ehe man von der Referenzspannung Gebrauch macht, um die
Spannung VB2 auf dem Leiter 13 zu erzeugen.
Im idealen Fall besteht der beste Hochimpedanzpunkt für
einen Anschluß des externen Filterkondensators an der
Basis des Emitter-Folger-Transistors 51. Sodann würden
der hohe Wert des Widerstandes (Widerstände 59 und 61)
zwischen der Basis des Emitter-Folger-Transistors 51 und
der mit hohem Rauschen behafteten Referenzspannung auf
dem Leiter 67 in Kombination mit dem Filterkondensator
ein Tiefpaß-RC-Filter bilden.
Der ideale Ort für den Anschluß eines externen Potentio
meters, z. B. 48, wäre ein Emitter-Folger-Transistor
(nicht gezeigt), dessen Basis-Elektrode am Leiter 67
anliegt.
Unglücklicherweise erfordert diese "ideale" Vorgangs
weise zwei Zuleitungen des Gehäuses. Der Anschluß eines
externen Potentiometers, z. B. 48, an der Basis des Emit
ter-Folger-Transistors 51 (der ideale Punkt für den An
schluß eines externen Filterkondensators) würde zu ei
ner nicht akzeptablen Belastung des Leiters 60 führen,
was zu Änderungen von VB2 führen würde.
Die Schaltung gemäß Fig. 1 löst diese Konfliktsituation
in wirksamer Weise durch einen 500 Ohm-Widerstand 61
zwischen dem Emitter des Emitter-Folger-Transistors 62
und dem Leiter 49. Dieser 500 Ohm-Widerstand hindert
den externen Filterkondensator 50 daran, dem äußerst
niedrigen Emitterwiderstand des Emitter-Folger-Transi
stors 62 ausgesetzt zu sein, und gestattet eine wirk
same Herausfilterung des Rauschens vom Leiter 49 mit
einem relativ klein-dimensionierten Kondensator mit ei
nem Wert von etwa 0,1 Mikrofarad. Für Werte des Wider
standes dem Potentiometers 48 von 1 Megaohm oder dar
über ist die effektive Belastung des Leiters 49 ver
nachlässigbar.
Zusammengefaßt wird erfindungsgemäß ein 16 Bit-DAC ge
schaffen, welcher über Stromversorgungsspannungen,
nämlich +VCC-Spannungen von +4,75 Volt bis hinauf zu
+15 Volt oder darüber, arbeitet sowie -VCC-Spannungen
von -4,75 Volt bis -15 Volt oder darunter sowie über
einen Temperaturbereich von -25 bis +125°C. Darüber
hinaus ist der DAC für alle im schlimmsten Fall auftre
tenden Eingangs-Logikwerte von digitalen TTL-Schaltun
gen geeignet. Sowohl die externe Filterfunktion als
auch die Bitstrom-Einstellfunktion werden mit einer ein
zigen Zuleitung des DAC bewirkt.
Claims (9)
1. Digital-Analog-Wandler mit
- (i) einer Vielzahl von Bitschaltungen, deren jede einen Widerstand (12) umfaßt, der den Bitstrom für die se Bitschaltung bestimmt, der durch einen Stromquellen transistor (10) fließt, dessen Emitter mit dem Wider stand (12) verbunden ist und dessen Kollektor mit einem Bitstromschalter (5, 6) verbunden ist, der auf ein digitales Eingangssignal (VA) anspricht, um den Bit strom (IBIT) in einen Summierungsleiter zu schalten, und
- (ii) einer Referenzspannungsschaltung (64, 65, 66) zur Erzeugung einer ersten Spannung auf einem Leiter (67), welche zur Basis eines ersten Emitter-Folger- Transistors (62) geführt wird, wobei die erste Spannung und die Spannung des Emitters des ersten Emitter-Fol ger-Transistors (62) ein Rauschsignal erzeugen;
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- (a) ein erster Widerstand (61) liegt zwischen dem Emitter des ersten Emitter-Folger-Transistors (62) und einem ersten Leiter (49);
- (b) ein zweiter Widerstand (59) liegt zwischen dem ersten Leiter (49) und einem zweiten Leiter (60);
- (c) ein externer Filterkondensator (50) ist mit dem ersten Leiter (49) verbunden und
- (d) ein externes Potentiometer (48) liegt zwischen dem ersten Leiter (49) und dem Spannungsversorgungslei ter (-VCC) und hat einen variablen Widerstandsanschluß (48A), welcher mit dem Übergang (11) verbunden ist, der zwischen dem Emitter des ersten Stromquellentransistors (10) und dem Widerstand (12) der ersten der Bitschal tungen besteht, zur Bewirkung einer Einstellung des Bitstroms (IBIT) dieser Bitschaltung.
2. Digital-Analog-Wandler nach Anspruch 1, gekenn
zeichnet durch einen dritten Widerstand (58) zwischen
dem zweiten Leiter (60) und einem dritten Leiter, wobei
der Widerstandswert des ersten Widerstands (61) gerin
ger ist als die Widerstandswerte des zweiten (59) und
des dritten Widerstands (58).
3. Digital-Analog-Wandler nach Anspruch 2, gekenn
zeichnet durch einen externen Widerstand (47) zwischen
dem variablen Widerstandsanschluß (48A) des externen
Potentiometers (48) und dem Übergang (11) zwischen dem
Emitter des Stromquellentransistors (10) und dem Präzi
sionswiderstand der ersten Bitschaltung.
4. Digital-Analog-Wandler nach Anspruch 3, gekenn
zeichnet durch einen zweiten Emitter-Folger-Transistor
(51), dessen Emitter mit einem vierten Widerstand (52)
verbunden ist sowie mit der Basis der Stromquellentran
sistoren (10) einer Vielzahl von Bitschaltungen (3A,
3B, etc.), wobei die Basis des zweiten Emitter-Folger-
Transistors (51) mit dem zweiten Leiter (60) und ein
Kollektor des zweiten Emitter-Folger-Transistors (51)
mit einem zweiten Spannungsversorgungsleiter (+VCC)
verbunden ist und wobei der vierte Widerstand (52)
ebenfalls mit dem ersten Spannungsversorgungsleiter
(-VCC) verbunden ist.
5. Digital-Analog-Wandler nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Stromquellentransistoren (10),
der erste Emitter-Folger-Transistor (62) und der zweite
Emitter-Folger-Transistor (51) NPN-Transistoren sind.
6. Digital-Analog-Wandler nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß eine zwischen dem ersten Spannungs
versorgungsleiter (-VCC) und dem dritten Leiter
geschaltete VBE-Multiplizierschaltung (53) und eine
zwischen dem ersten Spannungsversorgungsleiter (-VCC)
und dem Leiter (67) geschaltete Zenerdiodenschaltung
zusammenwirken zur Hervorrufung von Bitströmen, welche
im wesentlichen unabhängig von der Temperatur über
einen vorbestimmten Temperaturbereich sind.
7. Digital-Analog-Wandler nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des Potentiome
ters (48) ausreichend hoch ist, so daß Änderungen des
Stroms durch das Potentiometer die Spannung des ersten
Leiters (49) nicht signifikant ändern.
8. Digital-Analog-Wandler nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der erste Widerstand (61) und der
externe Filterkondensator (50) ein Tiefpaßfilter bilden
zur wirksamen Herausfilterung etwaigen Rauschens aus
dem ersten Leiter (49).
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