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Die Erfindung betrifft eine in der Oberfläche einer integrierten Schaltung
vorhandene Stromquellenanordnung mit N Stromquellen (N ≥ 1) zur Erzeugung von N
nahezu gleichen Strömen, wobei jede der Stromquellen M x L, mit M x L > 1, nahezu
gleiche Stromquellentransistoren umfaßt. Die Erfindung betrifft auch einen
Digital-Analog-Umsetzer mit einer solchen Stromquellenanordnung.
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Eine solche Stromquellenanordnung bietet die Möglichkeit, einen
Digital-Analog-Umsetzer durch Zuführen der Ströme der Stromquellentransistoren über von
einem digitalen Eingangscode gesteuerte Schalter zu einem Summierungspunkt oder
durch Ableiten dieser Ströme zu einem Stromversorgungsanschluß zu realisieren. Der
am Summierungspunkt auftretende Strom bildet dann das dem digitalen Eingangscode
entsprechende Ausgangssignal. In einem solchen Umsetzer wird bei jeder Erhöhung des
digitalen Eingangscodes jeweils eine Stromquelle in die Schaltung aufgenommen. Der
Umsetzer ist daher innerhalb des gesamten Bereiches des Eingangscodes monoton.
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Ein Umsetzer dieser Art erfordert eine so grobe Zahl Stromquellen und
Schalter, um eine hohe Auflösung zu erhalten, daß er kaum zu realisieren ist. Ungetähr
1024 Stromquellen sind für beispielsweise einen 10-Bit-Digital-Analog-Umsetzer
erforderlich.
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Um mit einer begrenzten Anzahl Stromquellen eine hohe Auflösung zu
erhalten, werden die Bits mit dem niedrigsten Stellenwert häufig durch Aufteilen des
Stroms aus einer der Stromquellen mit Hilfe beispielsweise eines binären Stromteilers
realisiert. Ein 10-Bit-Umsetzer kann beispielsweise aus 8 gleichen Stromquellen gebildet
werden, wobei die Ströme von 7 Stromquellen für die Bildung der 3 höchstwertigen Bits
verwendet werden und der Strom der übrigen Stromquelle einem binären Stromteiler
zugeführt wird, um die 7 Bits mit niedrigstem Stellenwert zu bilden.
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Um Monotoniefehler in einem solchen Umsetzer zu vermeiden, sollte der
Strom jeder Stromquelle des 3-Bit-Teils des Umsetzers mindestens gleich dem
Summenstrom des 7-Bit-Teils des Umsetzers sein. Die Abweichung zweier Stromquellen von
einander nimmt jedoch zu, je größer der Abstand dieser Stromquellen auf der
integrierten
Schaltung ist. Folglich kann die Abweichung zwischen der Stromquelle, deren Strom
einem binären Stromteiler zugeführt wird und einer weiter entfernt liegenden
Stromquelle so groß werden, daß ein Monotoniefehler auftritt. Zur Vermeidung solcher
Fehler ist bekannt, dem binären Stromteiler nicht einen festen Strom, sondern den Strom
der der zuletzt in die Schaltung aufzunehmenden Stromquelle am nächsten gelegenen
Stromquelle des 3-Bit-Teils zuzuführen. Ein auf diesem Prinzip basierender Digital-
Analog-Umsetzer ist aus Digest of Technical Papers 1985 IEEE ISSCC, S. 32-34
bekannt. Ein Nachteil eines solchen Umsetzers ist, daß ein komplexes Schaltnetz aus
Dreiwegschaltern zum Schalten der Ströme der Stromquellen aus dem 3-Bit-Teil
erforderlich ist.
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Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Stromquellenanordnung zur
Erzeugung einer Anzahl exakt gleicher Ströme zu verschaffen. Erfindungsgemäß wird
daher eine Stromquellenanordnung der eingangs beschriebenen Art verschafft, bei der
die Stromquellentransistoren in einer Matrix aus R Zeilen und K Spalten von
Matrixelementen angeordnet sind, wobei jedes Matrixelement L miteinander verbundene
Stroniquellentransistoren einer gegebenen Stromquelle umfaßt, so daß N x M = R x K x L,
und bei der jede Zeile M/(RXL) Matrixelemente und jede Spalte M/(KxL)
Matrixelemente jeder Stromquelle umfaßt, wobei die Matrixelemente jeder Stromquelle
gleichmäßig über die Oberfläche der integrierten Schaltung verteilt angeordnet sind, um einen
maximalen mittleren Abstand zwischen den Matrixelementen dieser Stromquelle zu
verschaffen, so daß der Schwerpunkt aller zu einer bestimmten Stromquelle gehörenden
Matrixelemente nahezu im Zentrum der Matrix liegt.
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Die Einflüsse aller möglicher Gradienten und Änderungen, wie
Temperatur-, Dotierungskonzentrations- und Oxiddickengradienten, auf die Verhältnisse der
Ströme der Stromquellen zueinander werden weitmöglichst ausgeschaltet, indem die zu
einer Stromquelle gehörenden Matrixelemente so gleichmäßig wie möglich und mit
möglichst großen gegenseitigen Abständen über das Oberflächengebiet der integrierten
Schaltung verteilt werden.
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Es sei bemerkt, daß eine binäre Stromquellenanordnung, deren
Transistoren in einer Matrix angeordnet sind, so daß der Abstand zwischen den
Stromquellentransistoren und dem Zentrum mit zunehmender Stärke der Stromquelle zunimmt, aus
der US-Patentschrift 3.999.304 bekannt ist. Dies ist jedoch keine
Stromquellenanordnung, bei der jeder Stromquellentransistor von einer Anzahl parallel geschalteter
Transistoren
gebildet wird, wie in der erfindungsgemäßen Anordnung. Außerdem werden in
der in der genannten Patentschrift beschriebenen Anordnung nur die nachteiligen Effekte
linearer Temperaturkoeffizienten verringert und werden die nachteiligen Auswirkungen
aller möglicher nichtlinearer Gradienten und Änderungen nicht beseitigt.
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Die europäische Patentanmeldung EP-A-0 074 860 beschreibt eine
Stromquellenanordnung mit einer Vielzahl schaltbarer gleichgewichteter Stromquellen, die
ein- und ausgeschaltet werden können. Die Anzahl eingeschalteter Stromquellen ist
gleich der von einem digitalen Eingangswort repräsentierten Zahl. Die Stromquellen
werden durch eine Vielzahl, auf die digitalen Eingangssignale wirkender, logischer
Netze aktiviert. Jedes Netz aktiviert eine schaltbare Stromquelle. Jede Stromquelle
besteht aus einem einzigen Transistor. Die einzelnen Transistoren der
Stromquellenanordnung liegen in Abständen zueinander auf dem Chip, um einen mittelnden Effekt in
bezug auf Abweichungen der Kennwerte des Chips bei isolierten Positionen auf dem
Chip zu erhalten.
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Die gleichzeitig anhängige europäische Patentanmeldung EP-A-0329231
betrifft eine Stromquellenanordnung mit N in der Oberfläche einer integrierten Schal
tung vorhandenen Stromquellen Ip, mit p = I,...N zur Erzeugung von N binär
gewichteten Strömen, wobei jede der Stromquellen 2p-1 nahezu gleiche
Strnmquellentransistoren umfaßt. Auch wird ein Digital-Analog-Umsetzer mit einer solchen
Stromquellenanordnung beschrieben.
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Wegen der größeren Gleichheit der Stromquellen wird bei Verwendung
einer erflndungsgemäßen Stromquellenanordnung in einem Digital-Analog-Umsetzer die
Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Monotoniefehlern erheblich verringert.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 ein erstes Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen
Stromquellenanordnung,
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Fig. 2 ein zweites Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen
Stromquellenanordnung,
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Fig. 3 einen Digital-Analog-Umsetzer mit einer erfindungsgemäßen
Stromquellenanordnung, und
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Fig. 4 schematisch die Anordnung der Transistoren auf der Oberfläche der
integrierten Schaltung in einer erfindungsgemäßen Stromquellenanordnung.
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Fig. 1 ist ein erstes Prinzipschaltbild einer erfindungsgemaßen
Stromquellenanordnung. Diese Anordnung umfaßt etwa zehn nahezu gleiche Stromquellen, die
mittels der Transistoren T&sub1;-T&sub1;&sub0; schematisch dargestellt sind. Jeder Transistor T&sub1;-T&sub1;&sub0;
besteht aus einer Vielzahl parallel geschalteter Transistoren. Die Basen der Transistoren
sind miteinander verbunden und die Emitter der Transistoren sind mit einem
gemeinsamen Verbindungspunkt verbunden, dem ein Eingangsstrom Iin zugeführt wird. Dieser
Eingangsstrom Iin wird von den Transistoren T&sub1;-T&sub1;&sub0; in 10 nahezu gleiche Ströme Iin/10
unterteilt, die die Ausgangsströme der Anordnung bilden.
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Fig. 2 ist ein zweites Prinzipschaltbild einer erflndungsgemäßen
Stromquellenanordnung, in dem gleiche Teile gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 haben. Die
gemeinsame Basis der Transistoren T&sub1;-T&sub1;&sub0; führt eine feste Spannung, die
beispielsweise mit Hilfe eines Transistors T&sub0; erhalten werden kann, dessen Basis-Emitter-Strecke
parallel zu der der Transistoren T&sub1;-T&sub1;&sub0; geschaltet ist und dessen Kollektor einerseits
mittels eines Verstärkers 2 mit seiner Basis und andererseits mit einer
Bezugsstromquelle Iref gekoppelt ist. Der Verstärker 2 steuert die Basis vom Transistor T&sub0; so, daß
dessen Kollektorstrom exakt gleich dem Strom Iref ist. Die Kollektorströme der
Transistoren T&sub1;-T&sub1;&sub0; sind ein Vielfaches dieses Stroms Iref, das durch das Verhältnis der gesamten
Emitterfläche jedes der Transistoren T&sub1;-T&sub1;&sub0; zu der Emitterfläche des Transistors T&sub0;
bestimmt wird.
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Fig. 3 zeigt schematisch eine mögliche Ausführungsform eines Digital-
Analog-Umsetzers mit einer Stromquellenanordnung wie in Fig. 2 gezeigt. Dieses ist
ein 10-Bit-D/A-Umsetzer. Die Ströme der 3 Bits mit höchstem Stellenwert werden von
einer Stromquellenanordnung 40 geliefert, die eine wie in Fig. 2 gezeigte Struktur hat
und 8 nahezu gleiche Ströme liefert. Mit Hilfe eines Schaltnetzes 50, das von 8 Zwei
wegschaltern gebildet wird, die der Einfachheit halber nicht dargestellt werden, werden,
abhängig von dem digitalen Eingangscode, 7 Ströme entweder dem Summierungspunkt
80 zugeführt oder zu dem positiven Stromversorgungsanschluß abgeleitet, während einer
der Ströme einer Anordnung 60 zugeführt wird, die die Ströme für die 7 Bits mit
niedrigstem Stellenwert liefert. Die Zweiwegschalter werden beispielsweise von
Differenzpaaren gebildet, wobei die Ströme der Stromquellenanordnung die Endströme dieser
Differenzpaare bilden. Die Anordnung 60 kann beispielsweise von einem binären
Stromteiler gebildet werden, dessen Ströme mit Hilfe eines Schaltnetzes 70, das Zwei
wegschalter enthält, die der Einfachheit halber nicht dargestellt werden, je nach dem
digitalen Eingangscode, entweder dem Summierungspunkt 80 zugeführt oder zu dem
positiven Stromversorgungsanschluß abgeleitet werden. Die gesamten am
Summierungspunkt auftretenden Ausgangsströme Iout können mit einem schematisch dargestellten
Strom-Spannungs-Wandler 90 in eine Ausgangsspannung Vout umgewandelt werden.
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Es sei bemerkt, daß die Anordnung 60 nicht nur von einem binären
Stromteiler, sondern auch von einer Anordnung gebildet werden kann, die den dieser
zugeführten Strom dem Summierungspunkt für eine Zeitdauer zuführt, die den
niedrigstwertigen Bits des Eingangscodes proportional ist.
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In dieser Ausführungsform wird das digitale 10-Bit-Wort einem Eingang
20 eines Datenregisters 10 seriell zugeführt. Die 7 Bits mit niedrigstem Stellenwert
steuern das Schaltnetz 70 unmittelbar an. Die 3 Bits mit höchstem Stellenwert werden
erst einem Decodierer 30 zugeführt, der die Schaltsignale für die 7 Schalter des
Schaltnetzes 50 ableitet.
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Der maximale effektive Ausgangsstrom des 7-Bit-Teils ist der 127/128-te
Teil des ihm zugeführten Stroms. Wenn der Umsetzer monoton bleiben soll, darf jeder
der 7 Ströme des 3-Bit-Teils um weniger als 127/128 von dem dem 7-Bit-Teil
zugeführten Strom abweichen.
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Um das zu erreichen, umfaßt jeder Stromquellentransistor eine Vielzahl in
einer Matrix in bestimmter Weise parallel geschalteter Transistoren. Das Prinzip dieser
Anordnung soll anhand einer Stromquellenanordnung mit 8 jeweils aus 16 parallel
geschalteten Transistoren aufgebauten Stromquellen erläutert werden. Ihre Anordnung
wird in Fig. 4 gezeigt, in der die Verbindungen der zu einer bestimmten Stromquelle
gehörenden Transistoren der Einfachheit halber nicht dargestellt sind. Die Gesamtzahl
von 128 Transistoren ist in einer Matrix aus 16 Zeilen und 8 Spalten angeordnet, wobei
jede Zeile 1 Transistor und jede Spalte 2 Transistoren jeder Stromquelle umfaßt. Alle zu
einer einzelnen Stromquelle gehörenden Transistoren haben die gleiche Ordnungszahl.
Der gegenseitige Abstand zweier zu ein und derselben Stromquelle gehörenden
Transistoren ist so groß wie möglich gewählt. Weiterhin sind die Transistoren so angeordnet,
daß der Schwerpunkt aller zu einer bestimmten Stromquelle gehörenden Transistoren
nahezu im Zentrum der Matrix liegt.
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Beim Füllen der Matrix kann beispielsweise folgendermaßen vorgegangen
werden. In der ersten Spalte werden die beiden zu der Stromquelle 1 gehörenden
Transistoren in der ersten bzw. der neunten Zeile plaziert. Anschließend wird das nächste
Paar Transistoren der Stromquelle 1 in der fünften und dreizehnten Zeile in der zweiten
Spalte plaziert, was einen maximal möglichen Abstand zu den Transistoren der ersten
Spalte bedeutet. Die beiden Transistoren der Stromquelle 1 werden in der dritten und
der elften Zeile in der dritten Spalte plaziert. Es sei bemerkt, daß diese Transistoren im
Prinzip auch in der siebten und der fünfzehnten Zeile hätten plaziert werden können.
Die Anordnung der Transistoren in den darauffolgenden Spalten sollte dieser Belegung
angepaßt sein. Die Transistoren der vierten Spalte werden dann in der siebten und
fünfzehnten Spalte plaziert, wobei diese Transistoren dann wieder einen maximalen Abstand
zu den anderen Transistoren haben. Der Transistor in der siebten Reihe liegt nahezu auf
der Hälfte zwischen den zu der ersten Stromquelle in der dritten Spalte gehörenden
Transistoren. In gleicher Weise werden die Transistoren der ersten Stromquelle in den
anderen Spalten angeordnet. Wie die Figur deutlich zeigt, liegt der Schwerpunkt aller
Transistoren der Stromquelle 1 nahezu im Zentrum der Matrix. Die Transistoren der
anderen Stromquellen sind in gleicher Weise angeordnet, was, ausgehend von der den
Ordnungszahlen in der ersten Spalte entsprechenden Anordnung, einfach ersichtlich ist.
Der Schwerpunkt der zu diesen Stromquellen gehörenden Transistoren liegt ebenfalls
nahezu im Zentrum der Matrix.
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Das dargestellte Prinzip kann in einfacher Weise auf eine größere Anzahl
Stromquellen erweitert werden. Im Fall einer sehr großen Zähl Transistoren pro
Stromquelle kann jedes Element der Matrix eine Vielzahl von Transistoren einer Stromquelle
umfassen, um die Komplexität der Verbindungen der zu einer bestimmten Stromquelle
gehörenden Transistoren zu begrenzen.
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Wegen der beschriebenen Verteilung der Stromquellentransistoren ist jede
Stromquelle aus Stromquellentransistoren aufgebaut, die möglichst gleichmäßig über das
Oberflächengebiet der integrierten Schaltung verteilt sind. Folglich sind Gradienten und
Änderungen wie Temperatur-, Dotierungskonzentrations- und Oxiddickengradienten und
-änderungen, die auf dem Oberflächengebiet der integrierten Schaltung auftreten, so
gleichmäßig wie möglich über die Stromquellen verteilt. Die Stromquellen sind daher
genauer einander gleich.
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Die beschriebene Verteilung der Transistoren über die Oberfläche der
integrierten Schaltung hat erwiesen, daß eine Stromquellenanordnung hergestellt werden
kann, deren gegenseitige Stromabweichung Meiner als 1 % war. Mit dieser Genauigkeit
wird das Auftreten von Monotoniefehlern bei Verwendung einer solchen
Stromquellenanordnung
in einem Digital-Analog-Umsetzer verhindert.
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Die Erfindung kann sowohl für Stromquellenanordnungen mit
Bipolartransistoren als auch für Stromquellenanordnungen mit Unipolartransistoren verwendet
werden. Es sei auch bemerkt, daß ein Digital-Analog-Umsetzer mit ausschließlich einer
linearen Stromquellenanordnung anstelle einer linearen Stromquellenanordnung für die
Bits mit höchstem Stellenwert und einer binären Stromquellenanordnung für die Bits mit
niedrigstem Stellenwert realisiert werden kann.