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Diese
Erfindung bezieht sich auf Digital-Analog-Wandler, insbesondere
auf Wandler, welche ein Array von Stromquellen verwenden, um eine
analoge Ausgabe zu liefern.
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Digital-Analog-Wandler
dieses Typs sind in zahlreichen Anwendungen weit verbreitet und
können
als Hochgeschwindigkeitswandler implementiert werden, welche geeignet
sind zur Verwendung in Telekommunikationssystemen. In einer Anordnung
ist das Array von Stromquellen als eine Vielzahl von identischen
Stromquellen angeordnet. Ein zugehöriges Schaltarray leitet selektiv
die Stromquellenausgänge
zu zwei möglichen
Ausgabeanschlüssen.
In einigen Systemen ist eines dieser Anschlüsse lediglich Masse und der
andere Anschluss ist ein Strom-Summier-Bus. Das Signal auf dem Strom-Summier-Bus
wird in eine Spannung umgewandelt, bevor es an einen Ausgang des
Wandlers geliefert wird. In anderen Systemen wird die Ausgabe des
Wandlers auf verdrillten Drahtpaaren geliefert. In diesem Fall wird
der Strom, welcher zu einem der Ausgabeanschlüsse geliefert wird, in eine
Spannung für
eines der verdrillten Drahtpaare umgewandelt, und der Strom, welcher
zu dem anderen Anschluss geliefert wird, wird in eine Spannung für den anderen Draht
des verdrillten Paares umgewandelt. In diesem Fall wird die Wandlerausgabe
als die Differenz zwischen den Spannungspegeln auf den zwei Drähten des
verdrillten Paares gebildet.
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Es
ist erkannt worden, dass, um hohe Präzision zu liefern, z.B., wenn
mehr als 10 Bits umgewandelt werden, es nötig ist, die Stromquellen während des
Wandlungsprozesses ständig
zu kalibrieren.
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US 5,870,044 beschreibt
eine Schaltung und ein Verfahren zum Bereitstellen einer Kalibrierung der
in dem Wandlerarray verwendeten Stromquelle. Im Wesentlichen wird
eine zusätzliche
Stromquelle bereitgestellt und der Ausgang der zusätzlichen Stromquelle
wird verwendet, um eine Stromquelle innerhalb des Arrays zu ersetzen,
wenn jene bestimmte Stromquelle innerhalb des Arrays kalibriert
wird. Auf diese Weise können
alle Stromquellen innerhalb des Arrays in zyklischer Weise kalibriert
werden. Die zusätzliche
Stromquelle umgeht die Notwendigkeit, den Wandlungsprozess während einer
Kalibrierung zu unterbrechen.
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Die
Kalibrierung einzelner Stromquellen ermöglicht eine Kompensierung von
Abweichungen in Schichtdicken oder anderen Abmessungen des Arrays
von Stromquellen. Diese Abweichungen des Arrays sind statische Fehler.
Es gibt auch dynamische Fehler, welche aus den verschiedenen parasitären Kapazitäten innerhalb
der Stromquellenschaltungen resultieren. Nach einer Kalibrierung
einer Stromquelle, um eine gewünschte
Ausgabe zu liefern, verändern Änderungen
in den auf diesen parasitären
Kapazitäten
gespeicherten Ladungen den Stromquellenausgang über die Zeit. Daher besteht
auch ein Bedarf dafür,
einen kontinuierlichen zyklischen Kalibrierungsprozess auszuführen.
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US 5703586 beschreibt einen
Digital-Analog (D/A)-Wandler mit einer programmierbaren Transferfunktion,
welcher einen Hauptwandler und mindestens einen Unter-Wandler einschließt. Fehler
in dem Hauptwandler werden kompensiert, indem der eine oder die
mehreren Unter-Wandler mit Ausgleichswerten programmiert werden,
welche während
einer Kalibriersequenz bestimmt werden. Die Kalibriersequenz misst
die Abweichungen der Transferfunktionen des Hauptwandlers von dem
Ideal an vorbestimmten Bit-Übergängen des
digitalen Eingangssignals und erzeugt charakteristische getrennte
digitale Signale für
den einen oder die mehreren Unter-Wandler. Durch Kombinieren dieser
getrennten Signale mit dem digitalen Eingangssignal werden die Nettofehler
der Transferfunktion des D/A-Wandlers verringert.
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Die
Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein signifikanter Teil
des Fehlers in dem Abgabestrom von jeder Stromquelle eine Funktion
der Zeit ist, seit jene bestimmte Stromquelle kalibriert wurde. Insbesondere
ist erkannt worden, dass es einen im Wesentlichen linearen Anstieg
des Fehlers in dem Abgabestrom für
jede Stromquelle als eine Funktion der Zeit seit der letzten Kalibrierung
jener Stromquelle gibt. Erfindungsgemäß wird ein Digital-Analog-Wandler bereitgestellt,
welcher aufweist: Ein Array von Stromquellen, wobei jede Stromquelle
einen Ausgang besitzt, welcher auf einen ersten oder zweiten Anschluss
als Funktion eines digitalen Eingangs in der Weise schaltbar ist,
dass eine erste Anzahl von Stromquellenausgängen zu dem ersten Anschluss geschaltet
werden, und eine zweite Anzahl von Stromquellenausgängen zu
dem zweiten Anschluss geschaltet werden, wobei die Stromquellenausgänge auch
zu einer Kalibriereinheit schaltbar sind, die Stromquellen des Arrays
zyklisch kalibriert werden, wobei die Stromquellenausgänge, die
zu dem ersten und zweiten Ausgangsanschluss geschaltet werden, in
der Weise ausgewählt
werden, dass die durchschnittliche Zeit seit einer Kalibrierung
für alle
Stromquellen, deren Ausgänge
zu dem ersten Anschluss geschaltet sind, annähernd gleich der durchschnittlichen
Zeit seit einer Kalibrierung für
alle Stromquellen ist, deren Ausgänge zu dem zweiten Anschluss
geschaltet sind.
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Ein
Anschluss kann ein Ausgang und der andere Anschluss kann Masse sein.
Alternativ können die
zwei Ausgänge
ein differentielles Ausgabesignal definieren. Die Arbeitsweise des
Wandlers der Erfindung berücksichtigt
die aktuelle Phase des zyklischen Kalibrierungsprozesses. Die durchschnittliche Zeit
seit einer Kalibrierung für
alle Stromquellen, deren Ausgänge
zu dem ersten Anschluss geschaltet sind, ist annähernd gleich der durchschnittlichen
Zeit seit einer Kalibrierung für
alle Stromquellen, deren Ausgänge
zu dem zweiten Anschluss geschaltet sind. In anderen Worten, die
durchschnittliche Zeit seit einer Kalibrierung für jeden Anschluss ist gleich der
Hälfte
der Kalibrierzyklusdauer. Dadurch, dass die durchschnittliche Zeit
seit einer Kalibrierung für die
Stromquelle, welche zu den zwei Anschlüssen geschaltet ist, angeglichen
wird, ist der durchschnittliche Strom der Zellen, die zu einem Anschluss
geschaltet sind, identisch mit dem durchschnittlichen Strom der
Zellen, welche zu dem anderen Anschluss geschaltet sind, da der
durchschnittliche Stromfehler der gleiche ist. Der durchschnittliche
Strom der Zellen, die zu jedem Anschluss geschaltet sind, bleibt über die
Zeit konstant und ist unabhängig
von der Umwandlung der digitalen Eingabe. Dies stellt eine DAC Linearität sicher,
sowohl für
Einzel-, als auch für Doppelausgangs-Systeme.
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Um
die durchschnittliche Zeit seit einer Kalibrierung für die zu
den zwei Anschlüssen
geschalteten Stromquellen anzugleichen, können die zuletzt kalibrierten
Stromquellen und die Stromquellen, deren Kalibrierung am längsten zurückliegt,
zu einem der Ausgangsanschlüsse
geschaltet werden, wobei die verbleibenden Stromquellen zu den anderen
Ausgangsanschlüssen
geschaltet werden.
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Das
Array von Stromquellen kann eine erste Vielzahl von identischen
Stromquellen, deren Ausgänge
in Abhängigkeit
von den wichtigsten Bits der digitalen Eingabe geschaltet werden, und
eine zweite Vielzahl von Stromquellen aufweisen, deren Ausgänge in Abhängigkeit
von den am wenigsten wichtigen Bits des digitalen Eingangs geschaltet
werden.
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Diese
Anordnung ermöglicht,
dass die Vorteile von identischen Stromquellen mit den Vorteilen eines
binären
Arrays von Stromquellen kombiniert werden. Insbesondere kann die
zweite Vielzahl von Stromquellen zwei Stromquellen aufweisen, und
wobei der Ausgang von jeder Stromquelle der zweiten Vielzahl mit
einer Teiler-Anordnung ausgestattet ist, um den Ausgang auf einer
Vielzahl von Leitungen zu liefern, wobei die Ströme auf den einzelnen Leitungen
zu dem ersten oder zweiten Ausgangsanschluss unter der Steuerung
der am wenigsten wichtigen Bits der Eingabe schaltbar sind.
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Diese
Wandleranordnung kann einen 14 Bit-Wandler mit 128 Stromquellen
für die
7 wichtigsten Bits und 2 Stromquellen für die 7 am wenigsten wichtigsten
Bits implementieren.
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Die
Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Steuern eines Digital-Analog-Wandlers
bereit, wobei der Wandler ein Array von Stromquellen aufweist, wobei
jede Stromquelle einen Ausgang besitzt, welcher auf den ersten oder
zweiten Anschluss als Funktion einer digitalen Eingabe schaltbar
ist, in der Weise, dass eine erste Anzahl von Stromquellenausgängen zu
dem ersten Anschluss geschaltet wird und eine zweite Anzahl von
Stromquellenausgängen
auf den zweiten Anschluss geschaltet wird, wobei das Verfahren aufweist:
Zyklisches
Kalibrieren der Stromquellen des Arrays;
Schalten einer ersten
Untermenge der Stromquellenausgänge
zu einem ersten Anschluss und Schalten einer zweiten Untermenge
der Stromquellenausgänge
zu einem zweiten Anschluss, wobei die erste und zweite Untermenge
zusammen alle Stromquellen einschließen, außer der oder jeder Stromquelle,
die kalibriert werden, wobei das Schalten abhängig ist von dem digitalen
Eingangssignal, wobei die erste und zweite Untermenge als eine Funktion
des Punktes innerhalb des Kalibrierungszyklusses ausgewählt werden.
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Ein
Beispiel der Erfindung wird nun ausführlich unter Bezugnahme auf
die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 einen
Digital-Analog-Wandler der Erfindung zeigt, welcher gemäß des Verfahrens
der Erfindung gesteuert wird;
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2 verwendet
wird, um die Kalibrierung von einzelnen Stromquellen zu erläutern;
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3 verwendet
wird, um den erfindungsgemäßen Betrieb
zu erläutern;
und
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4 eine
bevorzugte Wandlerbauweise der Erfindung ausführlich zeigt.
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1 zeigt
einen Wandler der Erfindung, welcher ein Array von Stromquellen
S verwendet. Für die
Umwandlung der N wichtigsten Bits des digitalen Wortes wird ein
Array von n identischen Stromquellen S1 bis
Sn bereitgestellt, wobei n = 2N.
Die Ausgänge
von diesen n Stromquellen werden zu einem von zwei Ausgängen Iout1 und Iout2 geschaltet.
Die zu diesen zwei Ausgängen
fließenden
Ströme
werden zu Spannungen umgewandelt und können dann auf Ausgangsleitungen
des Wandlers bereitgestellt werden. Der Unterschied zwischen den
Signalen auf den zwei Leitungen liefert die analoge Ausgabe. Alternativ
kann einer der zwei Ausgänge
Masse sein und die Ausgabe des Wandlers wird dann auf einer einzelnen Leitung
bereitgestellt.
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Nur
2N – 1
von diesen Stromquellen werden benötigt, um die N Bits darzustellen
und die zusätzliche
n-te Stromquelle ist eine zusätzliche
Stromquelle, welche verwendet wird, wenn eine der 2N – 1 Stromquellen
kalibriert wird.
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1 zeigt
auch eine Stromquelle Sn+1, deren Ausgang
an einen Teiler 10 geliefert wird, welcher eine Anzahl
von Ausgängen
k liefert, welche aus der einzelnen Stromquelle Sn+1 abgeleitet
werden. Dies liefert eine kompakte Möglichkeit, die am wenigsten wichtigen
Bits des digitalen Eingangs umzuwandeln. Jeder der k Ausgänge des
Teilers 10 kann auch selektiv zu jedem der zwei Ausgänge Iout1 und Iout2 geschaltet
werden.
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Eine
zweite zusätzliche
Stromquelle Sn+2 wird verwendet, um den
von den LSBs abgeleiteten Strom zu liefern, wenn die Stromquelle
Sn+1 kalibriert wird. Diese zweite zusätzliche
Stromquelle ist mit einer Teilerschaltung 11 ausgestattet.
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Daher
stellt die Anordnung von 1 im Wesentlichen ein Array
von Stromquellen bereit, wobei jede Stromquelle zu dem ersten oder
zweiten Ausgangsanschluss als eine Funktion des digitalen Eingangs
schaltbar ist. Auf diese Weise wird eine erste Anzahl von Stromquellenausgängen zu
dem ersten Ausgangsanschluss geschaltet und eine zweite Anzahl von
Stromquellenausgängen
zu dem zweiten Ausgangsanschluss geschaltet.
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Die
Stromquellen müssen,
wie oben erwähnt,
kalibriert werden. Insbesondere wird der Abgabestrom von einer Stromquelle
als eine Folge von Leckströmen
mit der Zeit variieren, welche innerhalb der Schaltung der Stromquelle
fließen.
Es ist daher erkannt worden, dass die Stromquellen zyklisch kalibriert
werden sollten, um die gewünschte
Genauigkeit der Wandlung aufrechtzuerhalten. Zu diesem Zweck kann
die zusätzliche
Stromquelle Sn verwendet werden, um die
Ausgabe von jeder anderen Stromquelle S1 bis
Sn–1 zu
ersetzen, wenn jene bestimmte Stromquelle kalibriert wird. Die zusätzliche Stromquelle
Sn+2 kann verwendet werden, um die Ausgabe
der Stromquelle Sn+1 zu ersetzen, wenn jene
Stromquelle kalibriert wird. Die Stromquellenausgänge sind
zu einer Kalibrierungseinheit (in 1 nicht
gezeigt) schaltbar und dies wird für alle Stromquellen des Arrays
zyklisch durchgeführt.
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2 zeigt
eine Methode, in welcher eine einzelne Stromquelle kalibriert werden
kann. Jede Stromquelle kann als erster und zweiter Stromquellentransistor 12, 14 angeordnet
sein. Die relative Dimensionierung der zwei Transistoren 12, 14 ist
so gestaltet, dass der erste Transistor 12 einen viel kleineren
Abgabestrom liefert und der überwiegende
Teil des Abgabestroms der Stromquelle von dem zweiten Transistor 14 geliefert
wird. Z.B. kann der erste Transistor 12 1/32 des Abgabestroms
der Stromquelle liefern. Dieser kleinere Transistor 12 besitzt
eine Gate-Spannung, welche gesteuert wird, um eine Anpassung der
Gesamtstromabgabe der Stromquelle zu liefern. Die Gate-Spannung
auf dem zweiten Transistor 14 ist fest und ist allen Stromquellen
bei VG(com) gemeinsam. Während einer Kalibrierung der
Stromquelle wird der Ausgang durch Transistor 16 zu einer Referenzstromquelle 18 geschaltet,
welche die Abgabe der Stromquelle auf den gewünschten Wert treibt. Eine Rückführungssteuerung 20 liefert
eine geeignete Gate-Spannung auf dem Transistor 12, damit
die Stromquelle den gewünschten
Abgabestrom liefert. Schalter 22 wird während des Kalibrierungsprozesses
geschlossen und wird am Ende des Kalibrierungsprozesses geöffnet und
die benötigte Gatesteuerspannung
wird auf dem Gate von Transistor 12 von der MOS Gate-Kapazität gehalten.
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Nach
einer Kalibrierung der Stromquelle entlädt der Leckstrom von Schalter 22 die
Steuer-Gate-Spannung
von Transistor 12. Dies führt zu einer Änderung
in dem Abgabestrom der Stromquelle. Dies ist überwiegend ein Effekt erster
Ordnung, was bedeutet, dass der resultierende Fehler in der Abgabe
der Stromquelle sich linear mit der Zeit ändert. Die Erfindung stellt
ein Verfahren zum Betreiben eines Digital-Analog-Wandlers bereit,
wie jenen in 1 gezeigten, sodass diese lineare
Abhängigkeit des
Abgabefehlers jeder Stromquelle von der Zeit seit einer Kalibrierung
ausgenutzt wird.
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Erfindungsgemäß werden
die Stromquellenausgänge,
welche zu den zwei Ausgangsanschlüssen geschaltet werden, als
eine Funktion des Punktes innerhalb des Kalibrierungszyklusses gewählt. Dies
ermöglicht,
dass die durchschnittliche Zeit seit einer Kalibrierung für alle zu
dem ersten und zweiten Ausgangsanschluss geschalteten Stromquellen
die gleiche ist.
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3 wird
verwendet, um eine Möglichkeit einer
Implementierung des Verfahrens der Erfindung zum Erzielen einer
gleichen durchschnittlichen Zeit seit einer Kalibrierung zu erläutern.
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3A zeigt den Fehler in der Abgabe von jeder
Stromquelle S1 bis S128.
Es wird angenommen, dass es sieben wichtigste Bits gibt. Die 128
Stromquellen schließen
die 127 für
ein Umwandeln der sieben wichtigsten Bits benötigten Stromquellen ein sowie
eine zusätzliche
Stromquelle, welche benötigt wird,
um eine simultane Kalibrierung stattfinden zu lassen.
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In
dem Beispiel von 3A wird angenommen,
dass Stromquelle Nummer 1 sich im Kalibrierungsprozess befindet,
und der Fehler in der Abgabe wird daher als 0 dargestellt. 3 nimmt
an, dass die Stromquellen in numerischer Reihenfolge kalibriert werden.
Wie aus 3A zu sehen ist, weist Stromquelle
2 den größten Fehler
auf, da die Zeit, seit jene Stromquelle zuletzt kalibriert wurde,
die längste
ist. Es existiert eine lineare Abnahme des Fehlers von Stromquelle
2 bis zu Stromquelle 128, welche während des vorhergehenden Kalibrierungszyklusses kalibriert
wurde. In 3 zeigen die schraffierten Gebiete 30 die
Stromquellen an, deren Ausgänge
zu einem der Anschlüsse
geschaltet sind, und das nicht schraffierte Gebiet 32 stellt
die Stromquellen dar, deren Ausgänge
zu den anderen Ausgangsanschlüssen
geschaltet sind.
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Unter
der Annahme, dass der digitale Eingang erfordert, dass eine Anzahl
p von Stromquellen zu dem ersten Ausgangsanschluss geschaltet werden,
wird eine Hälfte
von dieser Abgabe von Stromquelle 2 bis (1 + p/2) geliefert und
die andere Hälfte wird
von Stromquelle (128 – p/2)
bis 128 geliefert. In anderen Worten, die zuletzt kalibrierten Stromquellen und
die Stromquellen, deren Kalibrierung am längsten zurückliegt, werden zu einem der
Ausgangsanschlüsse
geschaltet und die dazwischen liegenden Stromquellen werden zu dem
anderen Ausgangsanschluss geschaltet. Das Ergebnis ist, dass die
durchschnittliche Zeit seit einer Kalibrierung für alle zu dem ersten Ausgangsanschluss
geschalteten Stromquellen die gleiche ist, wie die durchschnittliche
Zeit seit einer Kalibrierung für
alle zu dem zweiten Ausgangsanschluss geschalteten Stromquellen.
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Da
die durchschnittliche Zeit von einer Kalibrierung für alle zu
einem Anschluss geschalteten Stromzellen konstant bleibt, verbessert
diese Vorgehensweise die Linearität, gleichgültig, ob ein 2-Anschluss-differentieller
Ausgang oder ein Einzelanschluss-Ausgang bereitgestellt wird.
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3B zeigt das gleiche Verfahren, wie unter
Bezugnahme auf 3A beschrieben, wenn
die gerade kalibrierte Stromquelle Nummer 47 ist.
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Obwohl
das unter Bezugnahme auf 3 beschriebene Verfahren die
zuletzt kalibrierten Stromquellen und die Stromquellen, deren Kalibrierung
am weitesten zurückliegt,
heranziehen, existieren andere Modelle zum Sicherstellen, dass der durchschnittliche
Abgabefehler der gleiche bleibt.
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Die
Folge davon, dass im Wesentlichen gleiche durchschnittliche Fehler
der Stromquellen, die zu jedem Ausgang geschaltet werden, gewährleistet sind,
ist, dass der Fehler konstant ist. Es ist daher möglich, anzunehmen,
dass alle Stromzellen den gleichen Abgabestromwert aufweisen, welcher
sich leicht von dem Idealpegel unterscheiden kann. Dieser Unterschied
führt zu
einer leicht modifizierten Wandlerverstärkung, aber die Linearität wird bewahrt.
Dies bedeutet, dass die gleiche Stufe zwischen aufeinanderfolgenden
Abgaben mit unter drückten
Obertönen
und geringem Rauschen versehen ist. Diese Linearität kann wichtiger
sein als die absolute Verstärkung.
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4 zeigt
ein bestimmtes Beispiel eines erfindungsgemäßen Digital-Analog-Wandlers.
Dieses bestimmte Beispiel ist als ein 14 Bit Wandler angeordnet.
Für die
sieben wichtigsten Bits ist ein Array von 128 Stromquellen S1 bis S128 bereitgestellt.
127 von diesen sind zu einem beliebigen Zeitpunkt in Verwendung
und eine wird gerade kalibriert. Wie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben,
schließt
eine Kalibrierung ein Anlegen einer Abstimm-Spannung VTUNE ein.
Die Abgabe von jeder dieser MSB Stromquellen wird an einen 3-Wege-Schalter 40 geliefert, welcher
ermöglicht,
dass die Stromquellenabgabe zu dem positiven Ausgang 42,
dem negativen Ausgang 44 oder der Kalibriereinheit 46 geleitet
wird. Eine einzelne Stromquelle LSB1 wird bereitgestellt, um Abgaben
abhängig
von den sieben am wenigsten wichtigen Bits zu erzeugen. Diese Stromquelle
LSB1 weist einen Teiler 10 an ihrem Ausgang auf. Dieser weist
ein Array von Transistoren mit einer gemeinsamen Gate-Spannung VB auf und das Breite/Länge-Verhältnis des Transistorkanals
bestimmt den Source-Drain-Strom, welcher durch jeden Transistor fließt. Das
Array von Transistoren ist so angeordnet, dass 31 Transistoren jeweils
eine Abgabe liefern, welche 1/32 der Gesamtstromquellenabgabe ist,
ein Transistor eine Abgabe von 1/64 liefert und 2 Abgaben jeweils
1/128 der Stromquellenabgabe liefern. Eine von diesen 1/128 Abgaben
wird nur während
einer Kalibrierung der Stromquelle verwendet und ist während der
Verwendung von der Stromquelle LSB1 auf Masse 47 geschaltet.
Alle anderen Abgaben sind während
der Verwendung der Stromquelle LSB1 zu dem positiven oder negativen
Ausgangsanschluss 42, 44 und zu der Kalibrierungseinheit
während
einer Kalibrierung geschaltet. Während
einer Kalibrierung werden daher alle Abgaben zu der Kalibrierungseinheit
geschaltet und der kombinierte Abgabestrom sollte dann gleich groß sein wie
der Abgabestrom von einer der MSB Stromquellen. Dies ermöglicht,
dass die gleiche Kalibrierungseinheit für eine Kalibrierung der MSB
und LSB Stromquellen verwendet wird.
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Die
kombinierten, zu den zwei Ausgangsanschlüssen fließenden Ströme werden von Widerständen 48 zu
Spannungen umgewandelt. Während
einer Kalibrierung der Stromquellen LSB1 wird eine zusätzliche
Stromquelle benötigt,
um die gleichen skalierten Abgaben zu liefern. Zu diesem Zweck ist
die zweite Stromquelle für
die am wenigsten wichtigen Bits bereitgestellt. Dies ist nur schematisch
als LSB0 in 4 gezeigt, aber entspricht der
Stromquelle Sn+2 und Teiler 11 in 1.
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Obwohl
nicht in 1 oder 4 gezeigt, werden
zusätzliche
Schalter benötigt,
um den Abgabestrom von einer Stromquelle daran zu hindern, zu den
positiven oder negativen Ausgängen
zu fließen, wenn
die Stromquelle kalibriert wird.
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Die
Kalibrierungsschaltung 46 weist im Wesentlichen zusätzliche
Stromquellen auf, welche eine Referenzabgabe liefern, auf welche
die Stromquellen des Wandlers abgestimmt werden. Diese Referenzabgabe
kann aus einer Anzahl von zusätzlichen Stromquellen,
welche über
das Substrat des Wandlers verteilt sind, abgeleitet werden. Dies
stellt sicher, dass die Referenzabgabe sich innerhalb des Bereichs
von jeder einzelnen Stromquelle befindet, welche durch Steuerung
des Transistors 12 erreicht werden kann, wie in 2 gezeigt.
Das vollständige
Array von Stromquellen kann als ein zweidimensionales Array angeordnet
sein, z.B. mit 13 Spalten und 12 Reihen. Für den 14 Bit Wandler von 4 liefert
dies 16 Stromquellenschaltungen zusätzlich zu den 130 von dem Wandler
benötigten.
Einige oder alle von diesen 16 zusätzlichen Stromquellen werden
in üblicher
Weise zum Zwecke eines Vorspannens oder zu Referenzzwecken verwendet.
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Das
Verfahren der Erfindung ermöglicht
eine signifikante Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses
an der Abgabe des Wandlers, insbesondere des Signal/Rausch-Verhältnisses
der Stromabgabe. Das Signal/Rausch-Verhältnis der Spannungsabgabe des
Wandlers weist ein erhöhtes
Rauschen als Folge der Temperaturabhängigkeit des Widerstandes 48 auf,
welcher zur Umwandlung der Stromabgabe zu einer Spannung verwendet
wird.
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Ein
bevorzugter Kalibrierungszyklus schließt ein Kalibrieren einer Hälfte der
MSB Stromquellen (z.B. Stromquellen I1 bis
I64) ein, ein Kalibrieren eines der LSB
Stromquellen, ein Kalibrieren der verbleibenden MSB Stromquellen
(z.B. I65 bis I128)
und schließlich
ein Kalibrieren der anderen LSB Stromquelle ein. Als Beispiel kann
der Wandler mit einer Taktgeschwindigkeit von 17,664 MHz laufen
und ein Taktzyklus wird für
eine D/A-Wandlung benötigt.
Jede Kalibrierungsoperation kann 256 Taktzyklen (14,5 μs) belegen,
was eine Gesamtkalibrierungszeit von 1,88 ms für die 130 Stromquellen ergibt.
Dies entspricht einer Kalibrierungsfrequenz von 531 Hz.
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Die
Erfindung stellt ein Modell bereit, durch welches die Stromquellen
basierend auf der Zeit seit einer Kalibrierung ausgewählt werden.
In dem bestimmten obigen Beispiel wird die durchschnittliche Zeit
seit einer Kalibrierung so ausgewählt, dass sie gleich ist, sodass
für alle
Ausgänge
des DAC der Stromquellenfehler als ein konstanter Wert angenommen
werden kann, wodurch eine Linearität des Wandlers bewahrt wird.
Es ist auch möglich,
die Stromquellen nach anderen Kriterien auszuwählen. Z.B. ist es möglich, die
Stromquellenausgänge
so zu wählen,
dass der Gesamtfehler in dem summierten zu den 2 Ausgängen gelieferten
Strom sich möglichst nahe
an einer Gleichheit befindet. In diesem Fall ist die Gesamtzeit
seit einer Kalibrierung für
alle Stromquellen, deren Ausgänge
zu dem ersten Ausgangsanschluss geschaltet ist, möglichst
nahe an der Gesamtzeit seit einer Kalibrierung für alle Stromquellen, deren
Ausgänge
zu dem zweiten Ausgangsanschluss geschaltet sind.
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Die
Erfindung ermöglicht,
dass die Auswirkung von Schalterleckströmen verringert oder beseitigt
wird. Daher kann eine höhere
Umwandlungsgenauigkeit erzielt werden. Diese erhöhte Genauigkeit kann verwendet
werden, um ein Reduzieren der Kalibrierungsfrequenz zu ermöglichen
und ermöglicht
auch eine Reduzierung der erforderlichen MOS Gate-Kapazität, da der
aus einer verringerten Gate-Kapazität resultierende Ladungs-Kriechverlust kompensiert
wird. Die Auswahl von Zellen basierend auf dem Kalibrierungszyklus
bedeutet auch, dass verschiedene Stromzellen für die gleiche digitale Eingabe
abhängig
von der vorherrschenden Stufe innerhalb des Kalibrierungszyklusses
verwendet werden. Dies hat eine weitere mittelnde Auswirkung, welche die
Wandlerlinearität
verbessert.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung sind für Fachleute offensichtlich.