DE68925392T2

DE68925392T2 - Analog-Digitalwandler

Info

Publication number: DE68925392T2
Application number: DE68925392T
Authority: DE
Inventors: Henry S Katzenstein
Original assignee: Brooktree Corp
Current assignee: Brooktree Broadband Holding Inc
Priority date: 1988-08-11
Filing date: 1989-08-01
Publication date: 1996-05-15
Anticipated expiration: 2009-08-02
Also published as: CA1309500C; JP2852940B2; EP0354448B1; DE68925392D1; JPH0281469A; EP0354448A2; EP0354448A3; US4928102A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Analog/Digital-Wandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der FR-A-20 68 948 ist ein potentiometrischer Widerstand bekannt, der dazu geeignet ist, einen kontinuierlich variablen Widerstand zu liefern. Der Widerstand weist eine Basisplatte aus einem isolierenden Material, einen Flächenbereich eines Dünnfilmwiderstandsmaterials, das auf einer Seite der Basisplatte niedergeschlagen ist, eine Reihe von separaten Kontakten aus leitenden Materialien, die in einer geraden Linie entlang dem Rand des Flächenbereichs angeordnet sind, wobei ein Ende jedes Kontakts in elektrischem Kontakt mit der Kante des Films steht, ein Band aus leitendem Material, das auf der Basisplatte parallel zu den Reihen der Kontakte gebildet und von den Kontakten separiert ist, und einen bewegbaren Kontakt, der immer mit dem Band aus leitendem Material und mit der Vielzahl der Reihen der Kontakte in Eingriff ist, auf.
Aus der US-A-3 460 026 ist ein aufgeteiltes Widerstandsnetzwerk mit einem monolithischen Dünnfilm mit n-Anschlüssen bekannt. Das Netzwerk ist aus rechtwinkligen oder kreisformigen Dünnfilmflächenbereichen gebildet, die auf Trägersubstraten niedergeschlagen sind. Erwünschte Netzwerkfunktionen werden durch Verbindung von geeignet proportionierten, leitenden Laschen oder Anschlüssen und leitenden Erdungsbändern mit spezifizierten Bereichen des Widerstandsfilms realisiert.
Datenverarbeitungssysteme arbeiten auf digitalen Signalen. Allerdings sind die Eingänge zu den Datenverarbeitungssystemen allgemein analog. Zum Beispiel können die Parameter, wie beispielsweise Temperaturen und Drücke, kontinuierlich in einem System zur Herstellung von Chemikalien gemessen werden. Diese Messungen müssen in eine digitale Form gewandelt werden, bevor sie zu dem Datenverarbeitungssystem für eine Verarbeitung durch das System zugeführt werden. Analog/Digital-Wandler sind seit einer beträchtlichen Anzahl von Jahren in Benutzung, um analoge Signale in eine digitale Form zu wandeln.
Aus der GB-A-2 170 968 ist ein Widerstandsnetzwerk für einen Analog/Digital-Nandler bekannt. Das Widerstandsneztwerk umfaßt eine grobe Widerstandskette mit relativ niedriger Impedanz, die in grobe Segmente unterteilt ist. Das Widerstandsnetzwerk umfaßt auch eine feine Widerstandskette mit relativ hoher Impedanz, die ein feines Widerstandssegment pro grobes Segment aufweist. Jedes feine Widerstandssegment in der Kette ist in feine Untersegmente unterteilt. Beim Bestimmen des Werts einer Eingangsspannung werden alle groben Segmente dazu verwendet, zu fühlen, welches grobe Segment die Eingangsspannung führt. Allerdings wird nur das eine feine Segment, das parallel zu dem "führenden", groben Segment liegt, dann mit Komparatoren gekoppelt, um zu fühlen, welches der feinen Untersegmente die Eingangsspannung führt.
Es sind zwei (2) wichtige Parameter beim Betrachten der Funktion von Analog/Digital-Wandlern vorhanden. Dies sind (1) die Geschwindigkeit der Wandlung und (2) die Auflösung oder Genauigkeit, mit der die analogen Daten in eine digitale Form gewandelt werden. Die Wandler, die derzeit in Verwendung sind, sind dahingehend erfolgreich gewesen, nur einen (1) dieser zwei (2) Parameter zu erfüllen.
In einem Typ eines Wandlers wird eine Vielzahl Komparatoren eingesetzt, um auf einer simultanen oder parallelen Basis zu arbeiten. Um eine Genauigkeit in der Wandlung zu liefern, muß eine große Anzahl von Komparatoren verwendet werden. Wenn zum Beispiel eine Wandlung in zwölf (12) binäre Bits vorgenommen werden muß, müssen viertausendfünfundneunzig (4095) Wandler verwendet werden. Dies bewirkt, wie ersichtlich werden wird, daß der Wandler groß, komplex, teuer wird und schwierig herzustellen ist.
In einem anderen Typ eines Wandlers werden aufeinanderfolgende Approximationen vorgenommen, um den analogen Wert in den entsprechend digitalen Wert zu wandeln. In jeder Annäherung wird der Wert aufeinanderfolgender Bits einer reduzierten, binären Signifikanz bestimmt. Dieser Typ eines Wandlers ist relativ einfach und kann sehr genau sein, insbesondere dann, wenn die Anzahl der aufeinanderfolgenden Annäherungen relativ groß ist. Allerdings ist dieser Typ eines Wandlers langsam. Weiterhin erhöht sich die Zeit, die dazu erforderlich ist, eine Wandlung zu erhalten, wenn die Genauigkeit der Wandlung erhöht wird.
Eine mögliche Lösung der Probleme, die vorstehend in Bezug auf Analog/Digital-Wandler diskutiert ist, ist die Verwendung eines Wandlers, der eine logarithmische Charakteristik besitzt. Bei diesem Typ eines Wandlers wird die Auflösung umgekehrt proportional zu dem Signalpegel gestaltet. Dies führt zu einer konstanten, fraktionalen Auflösung über den Bereich der Wandlung. Für die meisten Anwendungen, wie beispielsweise digitalisierte Videomformationen, ist dies zufriedenstellend.
Ein kritisches Erfordernis für einen Analog/Digital-Wandler, der logarithmische Charakteristika besitzt, ist dasjenige, für die Wandler-Referenzpegel eine Spannung zu haben, die exponentiell als eine Funktion aufeinanderfolgender Laschenpositionen abkungt. Um dies vorzunehmen, sind beim Stand der Technik Probleme entstanden. Wenn zum Beispiel ein einzelner, widerstandsmäßiger Pfad mit Laschen versehen wird, die an exponentiell beabstandeten Intervallen angeordnet sind, fuhrt dies zu einem nicht praktizierbar langen Widerstandspfad. Weiterhin kommen unter niedrigen Spannungspegeln die Laschen so dicht zueinander beabstandet, daß sie nicht voneinander in einer praktischen Art und Weise separiert werden können.
Der Wunsch, einen Analog/Digital-Wandler mit logarithmischen Charakteristika zu schaffen, ist seit einiger Zeit bekannt. Aus diesem Grund sind beträchtliche Anstrengungen unternommen worden und beträchtliche Mengen an Geld wurden ausgegeben, um einen solchen Wandler zu schaffen. Trotz dieser Bemühungen und der beträchtlichen Geldausgaben sind die Schwierigkeiten beim Schaffen eines zufriedenstellenden Analog/Digital-Wandlers mit logarithmischen Charakteristika noch vorhanden.
Diese Erfindung schafft einen Analog/Digital-Wandler, der die Merkmale des Anspruchs 1 besitzt, der logarithmische Charakteristika besitzt und der die Schwierigkeiten, die vorstehend diskutiert sind, überwindet. Der Wandler dieser Erfindung ist schnell, einfach und kostengünstig. Er liefert einen widerstandsmäßigen Pfad, der relativ kurz ist und gleichmäßig voneinander beabstandete Laschen (oder Anschlüsse) besitzt, die Spannungen mit einer analogen Beziehung liefern. Weiterhin kann der Wandler so aufgebaut sein, um eine lineare Beziehung unter niedrigen Spannungen zu schaffen und so ein verwendbares Ansprecherhalten in der Nähe des Null-Spannungseingangs zu schaffen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt ein Teil einen Dünnfilm auf seiner Oberfläche mit im wesentlichen gleichförmig elektrischen Widerstandscharakteristika. Eine Vielzahl von Anschlüssen sind auf dem Dünnfilm auf einem Seitenrand des Dünnfilms angeordnet. Ein Referenzpotential, wie beispielsweise eine elektrische Erdung, wird an dem zweiten Seitenrand des Dünnfilms angelegt. Eine erregende Spannung wird an dem Dünnfilm an der Verbindung zwischen dem ersten Seitenrand und einem bestimmten des Oberseiten- und Bodenrands des Dünnfilms angelegt. Auf diese Weise werden Spannungen an den aufeinanderfolgenden Anschlüssen mit einer logarithmischen Beziehung zu der Position der Anschlüsse erzeugt.
Wenn eine lineare Beziehung zwischen den Spannungen an den aufeinanderfolgenden Anschlüssen in dem niedrigen Spannungsbereich erwünscht ist, wird die Beziehung zwischen der Position der Anschlüsse und der Referenzpotentialelektrode verändert. In einer solchen Ausführungsform wird das Referenzpotential nicht zu dem zweiten Seitenrand des Dünnfilms an der Position in der vertikalen Richtung entsprechend zu einem solchen Anschluß beaufschlagt. Anstelle hiervon kann die Referenzspannung an dem anderen des Oberseiten- und Bodenrands angelegt werden. In einer anderen solchen Ausführungsform kann eine Reihe von Anschlüssen über die Breite des Bands nahe einem bodenseitigen Rand angeordnet werden.
Eine Vielzahl Komparatoren ist vorgesehen, von denen jeder so verbunden ist, um eine Eingangsspannung und die Spannung an einem einzelnen der aufeinanderfolgenden Anschlüsse aufzunehmen. Die Komparatoren liefern einen Ausgang, der für die Ausgangsspannung kennzeichnend ist.
Die Spannungen an den aufeinanderfolgenden Anschlüssen in dem ersten Bereich des Dünnfilms können durch einen Schaltkreis kalibriert werden, der eine Kapazitanz umfaßt, um Abweichungen von der logarithmischen Beziehung anzuzeigen. Die Spannungen an den aufeinanderfolgenden Anschlüssen in dem zweiten Bereich des Dünnfilms können durch den Kapazitanzschaltkreis und eine Quelle eines im wesentlichen konstanten Stroms kalibriert werden, um Abweichungen von der linearen Beziehung anzuzeigen.
In den Zeichnungen:
Figur 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Geräts nach dem Stand der Technik zum Wandeln einer analogen Spannung in eine lineare Beziehung zu einem entsprechenden, digitalen Ausgang;
Figur 2 zeigt ein schematisches Diagramm des Geräts nach dem Stand der Technik zum Wandeln einer analogen Spannung in eine logarithmische Beziehung zu einem entsprechenden digitalen Ausgang;
Figur 3 zeigt ein schematisches Diagramm eines Geräts, das eine Ausführungsform dieser Erfindung zum Wandeln einer analogen Spannung in eine logarithmische Beziehung zu einem entsprechenden digitalen Ausgang bildet;
Figur 4a zeigt ein schematisches Diagramm eines Geräts, das eine Ausführungsform dieser Erfindung zum Wandlen einer analogen Spannung zu einer entsprechenden digitalen Spannung in einer logarithmischen Beziehung für hohe, analoge Werte und in einer linearen Beziehung für niedrige, analoge Werte bildet;
Figur 4b zeigt eine andere Ausführungsform derselben Beziehung, wie sie in Bezug auf die Figur 4a besprochen ist;
Figur 5 zeigt ein schematisches Diagramm eines elektrischen Schaltkreises zum Kalibrieren des Wandlers, der in Figur 4 dargestellt ist;
Figur 6 zeigt eine Kurve, die die Größe der analogen Spannung, die an unterschiedlichen Positionen gebildet ist, in einem Teil darstellt, das in dem Wandler, der in Figur 4 dargestellt ist, umfaßt ist;
Figur 7 zeigt eine Kurve, die die Beziehung zwischen der Spannung, die an aufeinanderfolgenden Anschlüssen in dem Wandler der Figur 4 gebildet ist, und die Zelt zum Erzeugen solcher Spannungen darstellt; und
Figur 8 zeigt ein schematisches Diagramm, das das Gerät darstellt, das den Wandler, der in Figur 3 dargestellt ist, zum Anzeigen der Größe einer unbekannten Eingangsspannung in digitaler Form darstellt.
Figur 1 stellt eine Ausführungsform nach dem Stand der Technik zum Wandeln einer analogen Spannung in einen digitalen Ausgang einer Vielzahl von Anschlüssen dar, wobei die Ausgänge an den aufeinanderfolgenden Anschlüssen in dieser Vielzahl eine lineare Beziehung zueinander haben. In der Ausführungsform nach dem Stand der Technik, wie er in Figur 1 dargestellt ist, ist ein Widerstandselement 10, wie beispielsweise ein Element, das aus einem Dünnfilm eines elektrisch leitenden Materials hergestellt ist, an seinen entgegengesetzten Enden mit einer Quelle einer Gleichspannung, wie beispielsweise einer Batterie 12, verbunden. Wie gesehen werden wird, kann der Pfad des Widerstandselements 10 wellenförmig sein, um die Länge des Pfads innerhalb eines beschränkten Raums zu erhöhen.
Eine Vielzahl Anschlüsse 14 ist unter gleichförmig beabstandeten Intervallen entlang des Widerstandselements 10 vorgesehen. Zuleitungsdrähte 16 erstrecken sich von den Anschlüssen 14 zu ersten Eingangsanschlüssen von Komparatoren 18, die in einer herkömmlichen Art und Weise aufgebaut sein können. Ein Signal wird über eine Leitung 20 an zweiten Eingangsanschlüssen der Komparatoren 18 angelegt. Die Ausgangssignale von den Komparatoren 18 werden zu einem Decoder 22 zugeführt, der in einer herkömmlichen Art und Weise aufgebaut sein kann. Ausgangsleitungen 24 erstrecken sich von dem Decoder 22.
Da die Anschlüsse 14 gleichmäßig entlang der Länge des Widerstandselements 10 beabstadet sind, besitzen die Größen der Spannungen, die an den aufeinanderfolgenden Anschlüssen 14 erzeugt werden, eine lineare Beziehung zueinander. Die Spannungen an den Anschlüssen 14 werden zu den Komparatoren 18 für einen Vergleich mit dem Signal an der Leitung 20 zugeführt. Die Ergebnisse dieses Vergleichs werden in einer bekannten Art und Weise durch den Decoder 22 angezeigt. Zum Beispiel erzeugt, wenn die Spannung, die an einem der Komparatoren 18 von dem zugeordneten Anschluß 14 größer als das Signal auf der Leitung 20 ist, der Komparator ein positives Ausgangssignal.
Der Komparator 18 erzeugt ein negatives Ausgangssignal, wenn die Spannung, die zu dem Komparator 18 von dem zugeordneten Anschluß 14 zugeführt wird, geringer als das Eingangssignal ist. Der Decoder 22 bestimmt die Position entlang des Widerstandselements 10, wo die Spannung von einem der zwei angrenzenden Komparatoren positiv ist und die Spannung von dem anderen der zwei benachbarten Komparatoren negativ ist. Der Decoder wandelt dann die Spannung an dieser Position entlang des Widerstandselements 10 in einen entsprechenden digitalen Wert an den Ausgangsanschlüssen 24.
Der Wandler, der vorstehend besprochen ist, besitzt bestimmte, signifikante Nachteile. Um eine Wandlung mit einer erwünschten Genauigkeit zu liefern, muß eine beträchtliche Anzahl von Anschlüssen 14 unter beabstandeten Intervallen entlang des Widerstandselements 10 vorgesehen werden. Zum Beispiel müssen, um eine Auflösung von zwölf (12) binären Bits zu liefern, viertausendfünfundneunzig (4095) Anschlüsse 14 vorgesehen werden und eine entsprechende Anzahl von Komparatoren 18 muß vorgesehen werden. Wie ersichtlich werden wird, ist es schwierig, dies in einem begrenzten Raum zu erzielen, gerade mit den am meisten fortgeschrittenen Techniken des Aufbaus eines integrierten Schaltkreises.
Als Folge muß sowohl die Anzahl der Anschlüsse 14 als auch der Komparatoren 18 mit einer entsprechenden Verringerung in der Auflösung reduziert werden oder die Größe des Widerstandselements 10 muß erhöht werden. Eine Erhöhung der Größe des Widerstandselements 10 läuft konträr zu den unternommenen Versuchen in der Industrie über Jahre, die Größe eines elektrischen Schaltkreises, wie beispielsweise auf integrierten Schaltkreis-Chips oder einem gekapselten Schaltkreis, mit einer erhöhten Dichte auf einem integrierten Schaltkreischip einer gegebenen Größe zu reduzieren.
Figur 2 stellt einen Analog/Digital-Wandler ähnlich zu demjenigen dar, der in Figur 1 dargestellt ist. Der Wandler, der in Figur 2 dargestellt ist, ist ebenso nach dem Stand der Technik bekannt. Allerdings sind die Anschlüsse 30 in Figur 2 nicht gleichmäßig entlang eines Widerstandselements 32, wie in der Ausführungsform, die in Figur 1 dargestellt ist, beabstandet. Im Gegensatz dazu besitzen die Anschlüsse 30 eine logarithmische Beabstandung relativ zueinander entlang des Widerstandselements 32. Dies bewirkt, daß aufeinanderfolgende Anschlüsse 32 Spannungen liefern, die eine logarithmische Beziehung zueinander haben.
Wie in Figur 2 gesehen werden wird, erniedrigt sich der Abstand zwischen den aufeinanderfolgenden Anschlüssen 30, wenn sich die Spannungen an den Anschlüssen erniedrigen. Demzufolge werden die Anschlüsse 30 so dicht zueinander beabstandet, daß es schwierig ist, sie bei niedrigen Spannungen zu separieren. Dies begrenzt die Anzahl der Anschlüsse, die auf dem Widerstandselement 32 vorgesehen werden können und begrenzt demgemäß die Auflösung, die durch den Wandler, der in Figur 2 dargestellt ist, erzielt wird.
Figur 3 stellt eine Ausführungsform eines Analog/Digital-Wandlers dar, der allgemein mit 40 bezeichnet ist, der diese Erfindung bildet. In dieser Ausführungsform ist ein Teil 42, das aus einem geeigneten, elektrisch isolierenden Material hergestellt ist, vorgesehen. Ein Dünnfilm 44, der aus einem geeigneten, elektrischen Widerstandsmaterial hergestellt ist, ist auf einer Oberfläche des Teils 42 angeordnet. Vorzugsweise ist der Dünnfilm 44 in seiner Konfiguration rechtwinklig und ist mit einem im wesentlichen gleichförmigen, elektrischen, spezifischen Widerstand pro Flächeneinheit an den unterschiedlichen Positionen auf dem Film ausgestattet. Der Dünnfilm 44 kann in einer herkömmlichen Art und Weise durch Diffusion, lonenimplantation von Störstellen in ein halbleitendes Substrat oder durch Dampfniederschlag eines Metalls oder von Halbleitern auf dem Teil 42 gebildet werden. Das Dampfniederschlagen kann durch Verdampfen, Sputtern oder chemischen Dampfniederschlag vorgenommen werden.
Eine Öse 46 kann auf dem Teil 42 an der Verbindung zwischen der Oberseitenkante und der rechtsseitigen Kante des Teils vorgesehen werden und der Dünnfilm 44 kann auf dieser Öse niedergeschlagen werden. Ein hoch leitendes Band 48 ist auf dem Dünnfilm 44 entlang der linken Kante des Dünnfilms 44 angeordnet. Eine Gleichspannung, wie beispielsweise von einer Batterie 50, wird zwischen dem Dünnfilm 44 an der Position der Öse 46 und dem leitenden Band 48 angelegt. Anschlüsse 52 sind unter gleichförmig beabstandeten Intervallen entlang der rechten Kante des Dünnfilms angeordnet. Die Anschlüsse 52 sind mit ersten Eingangsanschlüssen von Komparatoren 54 verbunden. Zweite Eingangsanschlüsse der Komparatoren 54 nehmen eine Eingangsspannung an einer Leitung 56 auf. Die Ausgänge von den Komparatoren 54 werden zu einem Decoder 58 beaufschlagt. Die Komparatoren 54, die Leitung 56 und der Decoder 58 können jeweils dem Komparator 18, der Leitung 20 und dem Decoder 22 in Figur 1 entsprechen.
Obwohl die Anschlüsse 52 gleichförmig entlang der rechten Kante des Dünnfilms 44 beabstandet sind, besitzen die Größen der Spannungen, die an den aufeinanderfolgenden Anschlüssen erzeugt werden, eine logarithmische Beziehung zueinander in Bezug auf die Position solcher Anschlüsse. Dies kann anhand der Figur 8 gesehen werden, wo die effektiven Serienwiderstände zwischen aufeinanderfolgenden Anschlüssen 52a, 52b und 52c jeweils bei 60a und 60b angezeigt sind, und die effektiven Nebenschluß- bzw. Shuntwiderstände zwischen dem leitenden Band 48 und den Anschlüssen 52a, 52b und 52c sind jeweils bei 62a, 62b und 62c angezeigt.
Wie gesehen werden wird, besitzen die effektiven Serienwiderstände 60a und 60b zwischen den Anschlüssen 52a und 52b und den Anschlüssen 52b und 52c gleiche Werte und die Widerstände 62a, 62b und 62c haben auch gleiche Werte (unterschiedlich gegenüber den Werten der Widerstände 60a und 60b). Als Folge ist das Verhältnis zwischen dem effektiven Wert des Widerstands 62b und der Summe der Werte der effektiven Widerstände 62b und 60a dasselbe wie das Verhältnis zwischen dem Wert des effektiven Widerstands 62c und der Summe der Werte der effektiven Widerstände 62c und 60b. Dies kann mathematisch wie folgt ausgedrückt werden:
Das konstante Verhältnis, das in der vorstehenden Gleichung dargestellt ist, führt dazu, daß die Spannungen an den Anschlüssen 52 eine logarithmische Beziehung in Bezug auf die Positionen der Anschlüsse haben, gerade obwohl die Anschlüsse 52 gleichmäßig beabstandet sind. Anders ausgedrückt folgt die Spannungsverteilung entlang der rechten Seite des Dünnfilms 44 in Bezug auf die Positionen der Anschlüsse im wesentlichen der Funktion V = V&sub0; (e -ax), wobei "a" ein Dämpfungsfaktor ist, der mit dem Längenverhältnis (das Verhältnis der Breite zu der Höhe des Dünnfilms 44) in Bezug gesetzt ist, x ist der Abstand entlang der unteren Kante des Dünnfilms von der Öse 46, V&sub0; ist die Spannung, die an der Öse 46 in Figur 3 beaufschlagt wird, und V ist die Spannung an einzelnen der Anschlüsse 52 in Figur 3. Die logarithmische Beziehung kann durch Differenzierung dieser Gleichung gesehen werden, um log V = log V&sub0; - ax zu erhalten.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann der Dünnfilm 44 ein Rechteck eines dotierten Polysiliziumfilms bilden, der ein Längen-Breiten-Verhältnis von ungefähr fünf zu eins (5:1) besitzt. Der spezifische Widerstand kann in der Größenordnung von einhundert (100) Ohm pro Fläche (square) haben. Die Spannung von der Quelle 50 kann in der Größenordnung von vier (4) Volt vorliegen. Zweihundertundfünfunddreißig (235) Anschlüsse 52 können unter gleichmäßig beabstandeten Positionen entlang der rechten Seitenkannte des Dünnfilms 44 angeordnet werden. Das Verhältnis zwischen den Spannungen an aufeinanderfolgenden Anschlüssen 52 wird dann 1,03:1 sein. Das Spannungsverhältnis zwischen dem oberen und dem unteren der Anschlüsse 52 in Figur 3 wird ungefähr zweitausend zu eins (2000:1) sein.
Es sollte angemerkt werden, daß die logarithmische Charakteristik des Wandlers, der in Figur 3 dargestellt und vorstehend diskutiert ist, nicht durch die graduelle Variation in dem spezifischen Widerstand des Dünnfilms 44 beeinflußt wird. Eine solche graduelle Variation kann aus Gradienten resultieren, die in dem Dünnfilm 44 während des Herstellverfahrens des Dünnfilms auf dem Trageteil induziert wird. Die logarithmische Charakteristik wird durch diese graduelle Variation nicht beeinflußt, da das Verhältnis der spezifischen Widerstände, wie dies vorstehend besprochen ist, im wesentlichen mit solchen graduellen Variationen in dem spezifischen Widerstand des Dünnfilms 44 konstant verbleibt. Demzufolge wird das Verhältnis der spezifischen Widerstände, wie dies vorstehend diskutiert ist, nur durch Effekte höherer Ordnung beeinflußt werden. Im Gegensatz dazu wird die Linearität eines Wandlers mit linearen Charakteristika direkt durch graduelle Variationen in dem spezifischen Widerstand des Dünnfilms 44 beeinflußt. Aus denselben Gründen, wie sie vorstehend besprochen sind, wird die logarithmische Charakteristik des Dünnfilms 44 nicht durch Änderungen in der Temperatur des Dünnfilms 44 beeinflußt.
Falls es erwünscht ist, kann der Widerstand 60 elektrisch zwischen dem positiven Anschluß der Batterie 50 und der Öse 46 angeordnet werden und ein Widerstand 62 kann elektrisch zwischen dem untersten der Anschlüsse 52 und dem Anschluß 48 angeordnet werden. Diese Spannungen werden vorgesehen, um effektive Abschlüsse der Widerstandsleiter zu erzielen, die durch den Dünnfilm 44, den Leiter 48 und die Anschlüsse 52 festgelegt werden. Auf diese Weise werden irgendwelche Randzoneneffekte in dem Wandler, der in Figur 3 dargestellt ist, minimiert.
In einigen Fällen kann es nützlich sein, die Verteilung der Spannung entlang der Anschlüsse 52 linear für einige Flächenbereiche des Dünnfilms 44 im Gegensatz zu exponentiell zu gestalten. Insbesondere kann es erwünscht sein, die Verteilung der niedrigen Spannungen eher linear als exponentiell zu gestalten. Dies kann für niedrige Spannungen erwünscht sein, da der Logarithmus von Null (0) nicht definiert ist. Weiterhin kann eine logarithmische Beziehung zwischen der Beabstandung der Anschlsüse 52 an dem niedrigen Ende des Spannungsbereichs unerwünscht aufgrund der engen Beabstandung zwischen Spannungspegeln, ohne notwendigerweise die Anzahl der Komparatoren zu erhöhen, sein.
Die Ausführungsform, die in Figur 4 dargestellt ist, liefert eine logarithmische Beziehung zwischen der Spannung an den Anschlüssen 70, und der Position davon, an dem hohen Ende des Spannungsbereichs und eine lineare Beziehung zwischen der Spannung an den Anschlüssen und der Position davon an dem niedrigen Ende des Spannungsbereichs. In der Ausführungsform die in Figur 4a dargestellt ist, ist ein hoch leitendes Band 71 (entsprechend dem leitenden Band 48 in Figur 3) entlang einem Bereich des Abstands zwischen der Oberseite und dem Boden des Dünnfilms 72 vorgesehen. Der Widerstand des leitenden Bands 70 entspricht dem Abstand, in dem der Dünnfilm 72 wirkt, um eine logarithmische Wandlung zu liefern. Zusätzlich kann ein leitendes Band 74 auf dem Dünnfilm 72 an der Bodenkante des Films angeordnet werden.
Wie in Figur 6 gesehen werden wird, werden Spannungen, die eine logarithmische Beziehung in Bezug auf die Positionen der aufeinanderfolgenden Anschlüsse 70 besitzen, an solchen aufeinanderfolgenden Anschlüssen auf dem Bereich des Dünnfilms 72 entsprechend der Positionierung des leitenden Bands 71 erzeugt. Dies ist bei 76 in Figur 6 angezeigt. In dem Bereich des Dünnfilms 72 unterhalb des leitenden Bands 70 wird eine Spannung, die eine lineare Beziehung in Bezug auf aufeinanderfolgende Anschlüsse besitzt, an solchen aufeinanderfolgenden Anschlüssen des Dünnfilms erzeugt. Dies resultiert aus der Anordung des leitenden Bands 74 auf dem Dünnfilm an der Bodenkante des Dünnfilms in Figur 4. Die lineare Beziehung der Spannung an aufeinanderfolgenden Anschlüssen an dem niedrigen Ende der Spannungsbereiche ist bei 78 in Figur 6 angezeigt.
Die Ausführungsform, wie sie in Figur 4b dargestellt ist, liefert dieselben Ergebnisse wie die Ausführungsform, die in Figur 4a dargestellt ist, allerdings in einer etwas unterschiedlichen Art und Weise. Die Ausführungsform, die in Figur 4b dargestellt ist, ist im wesentlichen dieselbe wie die Ausführungsform, die in Figur 3 dargestellt ist. Allerdings sind die Anschlüsse 82 gleichmäßig entlang der Bodenoberfläche des Dünnfilms 84 beabstandet. Als Folge wird eine Spannung, die eine logarithmische Beziehung in Bezug auf die Positionen der aufeinanderfolgenden Anschlüsse 52 entlang der Seitenkante des Dünnfilms 84 besitzt, an aufeinanderfolgenden Anschlüssen geliefert. Allerdings wird eine Spannung, die eine lineare Beziehung in Bezug auf die Positionen der aufeinanderfolgenden Anschlüsse 82 entlang der Bodenoberfläche des Dünnfilms besitzt, an solchen aufeinanderfolgenden Anschlüssen geliefert.
Gerade obwohl ein Wandler, der gemäß dieser Erfindung so aufgebaut ist, daß er logarithmische Charakteristika besitzt, nur gering durch Prozeßgradienten beeinflußt werden kann, sind dennoch Fehler in den logarithmischen Ckarakteristika an aufeinanderfolgenden Anschlüssen vorhanden, wie beispielsweise die Anschlüsse 52 in Figur 3. Zum Beispiel können Fehler aus kleinen, lokalen Defekten in den Halbleitermaterialien Verzerrungen in den Charakteristika des Dünnfilms 44 als Folge lithographischer Fehler bei der Anordnung der Anschlüsse 52 und dem Einfluß aus dem Herstellungsverfahren der Anschlüsse 52 resultieren. Als Folge kann es erforderlich sein, den Wandler zum Zeitpunkt des Abschlußtests des Wandlers zu Kalibrieren oder eine Kalibrierung zu irgendeinem Zeitpunkt, nachdem der Wandler in Betrieb genommen ist, vorzunehmen.
Figur 5 stellt ein System zum Kalibrieren eines Wandlers, wie beispielsweise derjenige, der in Figur 4 dargestellt ist, dar. In Figur 5 ist eine Gleichstromquelle, wie beispielsweise Batterien 80 und 82, in Serie verbunden. Der positive Anschluß der Batterie 80 ist mit einem ersten, stationären Anschluß eines Schalters 84 gemeinsam. Eine Verbindung ist aus einem bewegbaren Arm des Schalters 84 zu einem Anschluß einer Kapazitanz 86 hergestellt und der andere Anschluß davon ist mit dem negativen Anschluß der Batterie 80 gemeinsam. Ein Widerstand 88 ist zwischen einem zweiten, stationären Anschluß des Schalters 84 und dem negativen Anschluß der Batterie 80 verbunden.
Eine Quelle 90 eines im wesentlichen konstanten Stroms ist zwischen dem zweiten stationären Anschluß des Schalters 86 und dem negativen Anschluß der Batterie 82 verbunden. Die Spannung an dem zweiten stationären Anschluß des Schalters 84 wird zu einem stationären Anschluß eines Schalters 92 in Figur 5 zugeführt. Der zweite stationäre Anschluß des Schalters 92 nimmt ein Eingangssignal an der Leitung 92 auf. Der bewegbare Arm des Schalters 92 ist mit einer Leitung entsprechend zu der Leitung 56 in Figur 3 verbunden.
Wenn der bewegbare Arm des Schalters 84 in den linken, stationären Anschluß des Schalters eingreift, wird die Kapazität 86 durch die Batterie 80 auf eine Spannung entsprechend der Spannung über die Batterie 80 aufgeladen. Wenn der bewegbare Arm des Schalters 84 in den rechten stationären Anschluß des Schalters 84 eingreift, entlädt sich die Kapazität 86 über den Widerstand 88. Wenn sich die Kapazität 86 entlädt, erzeugt sie eine expotentiell abklingende Spannung entsprechend dem Bereich 76 in Figur 6.
Mit dem bewegbaren Arm des Schalters 92, der in den unteren, stationären Anschluß in Figur 5 eingreift, wird die abklingende Spannung über die Kapazität 86 zu der Leitung entsprechend der Leitung 56 in Figur 3 für einen Vergleich mit den Spannungen an den Anschlüssen 70 in Figur 4 zugeführt. Wenn die Spannung über die Kapazität 86 abkungt, paßt sie die Spannung an den Progressiven der Anschlüsse 70 an. Ein Ausgangssignal wird dementsprechend durch den Decoder 58 zu jedem Zeitpunkt erzeugt, zu dem eine solche sich anpassende Spannung auftritt. Diese Ausgangsspannung nimmt in progessiv zunehmenden Schritten ab, wie dies bei 96 in Figur 7 dargestellt ist.
Wenn keine Abweichungen in dem Dünnfilm 44 vorhanden sind, um Fehler in den logarithmischen Charakteristika hervorzurufen, wird jede der Stufen in der Kurve 96 in Figur 7 einen gleichmäßigen Zeitschritt bzw. ein Zeitinkrement haben. Allerdings wird, wenn der Dünnfilm 44 Fehler in den logarithmischen Charakteristika hervorruft, dies bewirken, daß Abweichungen gegenüber den gleichmäßigen Zeitschritten in Figur 7 erzeugt werden. Die Position des Schritts in der Kurve, die in Figur 7 dargestellt ist, wird anzeigen, wo die Fehler in dem Dünnfilm 44 lokalisiert sind. Die Abweichungen von den gleichmäßigen Zeitschritten in der Kurve, die in Figur 7 dargestellt ist, wird den Umfang jedes solchen Fehlers anzeigen. Ein Mikroprozessor (nicht dargestellt) kann dann so programmiert werden, um solche Fehler derart zu kompensieren, daß eine wahre, logarithmische Beziehung durch den Wandler, der in Figur 4 dargestellt ist, erzielt werden kann.
Der Schaltkreis, der in Figur 5 dargestellt ist, ist auch so betreibbar, um den linearen Bereich 78 der Kurve, die in Figur 6 dargestellt ist, zu kalibrieren. Wenn sich die Kapazität 86 auf einen Spannungspegel entsprechend dem Spannungspegel an der Verbindung zwischen den Bereichen 76 und 78 der Kurve, die in Figur 6 dargestellt ist, entladen hat, wird die Konstantstrom-Vorrichtung 90 in Figur 5 beim Produzieren einer weiteren Entladung der Kapazität effektiv. Die Konstantstrom-Vorrichtung kann ein Feldeffektransistor sein oder kann irgendein anderes Teil sein, das nach dem Stand der Technik bekannt ist, um einen konstanten Strom zu liefern, wenn eine Spannung zu ihr zugeführt wird.
Wenn sich die Kapazität 86 über die Konstantstrom-Vorrichtung 98 entlädt, wird die über die Kapazität abgefallene Spannung zu einer Leitung entsprechend der Leitung 56 in Figur 3 zum Vergleich mit den Spannungen an den Anschlüssen 70 in Figur 4 zugeführt. Eine Ausgangsspannung wird dementsprechend durch den Decoder zu jedem Zeitpunkt erzeugt, zu dem die Spannung von der Kapazität 86 die Spannung an einem der Anschlüsse 70 anpaßt. Die Zelt zum Produzieren der passenden Spannungen liefert eine Kalibrierung der Spannung an einem solchen Anschluß.
Das Gerät, das diese Erfindung bildet, besitzt verschiedene wichtige Vorteile. In einer Ausführungsform liefert es Spannungen mit einer logarithmischen Beziehung zu einer Position von einer Vielzahl gleichmäßig beabstandeter Anschlüsse. In einer anderen Ausführungsform liefert sie Spannungen mit einer solchen logarithmischen Beziehung an einer ersten Vielzahl von gleichmäßig beabstandeten Anschlüssen in einem ersten Bereich eines Teils und liefert Spannungen mit einer linearen Beziehung an zweiten, gleichmäßig beabstandeten Anschlüssen in einem zweiten Bereich des Teils. Vorzugsweise besitzen die Spannungen von der ersten Vielzahl der Anschlüsse relativ hohe Größen und die Spannungen von der zweiten Vielzahl der Anschlüsse besitzen relativ niedrige Größen.
Das Gerät, das diese Erfindung bildet, ist in einer relativ einfachen Art und Weise durch Anordnung eines im wesentlichen gleichförmigen, widerstandsmäßigen Films auf einem Teil und durch Beaufschlagen von Spannungen in einer bestimmten Art und Weise auf das Teil gebildet. Die Ausgänge von einem solchen Teil sind im wesentlichen von Änderungen in der Widerstandsfähigkeit des Dünnfilms an unterschiedlichen Positionen auf dem Teil unabhängig, da die Änderungen allgemein progressiv in einer im wesentlichen gleichförmigen Art und Weise an aufeinanderfolgenden Bereichen auf dem Dünnfilm auftreten. Die Ausgänge von einem solchen Teil sind auch von Temperaturvariationen unabhängig.
Das Gerät, das diese Erfindung bildet, umfaßt auch ein System zum Kalibrieren der Spannungen, die an den unterschiedlichen Anschlüssen erzeugt werden, um die logarithmischen und linearen Beziehungen darzustellen. Auf diese Weise ist das System in der Lage, die Abweichungen an den Anschlüssen von den logarithmischen und den linearen Beziehungen zu bestimmen. Ein Mikroprozessor kann dann so programmiert werden, um solche Spannungsabweichungen an den unterschiedlichen Anschlüssen zu kompensieren.

Claims

1. Analog/Digital-Wandler, umfassend:

ein im wesentlichen ebenes Teil (42), das einen ersten und einen zweiten gegenüberliegenden Rand sowie einen oberen und unteren Rand aufweist,

ein elektrisches Widerstandselement (44), welches auf der Oberfläche des ebenen Teils (42) angeordnet ist,

eine Vielzahl von Anschlüssen (52) an gleichmäßig beabstandeten Positionen entlang einem Seitenrand des Widerstandsteils (44), und

eine Einrichtung (50) zum Anlegen einer Aktivierungsspannung an das Widerstandselement (44),

dadurch gekennzeichnet, daß

die Aktivierungsspannung an das Widerstandselement angelegt wird, um Referenzspannungen für den Wandler zu erhalten mit einem Betrag, der eine logarithmische Beziehung an aufeinanderfolgenden Anschlüssen (52) entlang des Seitenrandes des Widerstandselementes (44) bezüglich der Positionen der aufeinanderfolgenden Anschlüsse (52) besitzt.

2. Wandler nach Anspruch 1, worin das Widerstandselement (44) aus einer dünnen im wesentlichen gleichförmigen Schicht eines elektrischen Widerstandsmaterials auf dem Teil (42) gebildet ist.

3. Wandler nach Anspruch 2, umfassend:

eine Vielzahl von Vergleichern (54) mit ersten und zweiten Eingangsanschlüssen,

eine Einrichtung (56) zum Anlegen einer Eingangsspannung an den ersten Eingangsanschluß jedes Vergleiches (54),

eine Einrichtung zum Anlegen der Spannung jedes Anschlusses (52) auf dem Widerstandselement (44) an den zweiten Eingangsanschluß eines einzelnen der Komparatoren (54), und

eine Einrichtung (58) zum Bestimmen der Eingangsspannung von den Ausgängen der Vergleicher (54).

4. Wandler nach Anspruch 3, worin die Spannungseinrichtung die Aktivierungsspannung an das Widerstandselement (44) an einer bestimmten Position relativ zu den Anschlüssen (52) an dem Seitenrand des Widerstandselements anlegt.

5. Wandler nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend eine Einrichtung (48) zum Anlegen einer Referenzspannung an den Seitenrand des Widerstandselements gegenüberliegend der Seite mit den Anschlüssen (52).

6. Wandler nach wenigstens einem der Anprüche 1 bis 5, umfassend eine Einrichtung (48) zum Anlegen einer Massespannung an den Seitenrand des Widerstandselements gegenüberliegend dem Seitenrand mit den Anschlüssen (52) und worin die Aktivierungsspannung an die Ecke (46) des Widerstandselements (44) ausge legt wird, die sich neben dem Seitenrand des Widerstandselements mit den Anschlüssen (52) befindet.

7. Wandler nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die aufeinanderfolgenden Anschlüsse (52) am Seitenrand des Widerstandselements (44) einen im wesentlichen gleichen Abstand aufweisen.

8. Wandler nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend:

eine Einrichtung, welche mit dem elektrischen Widerstandselement (72) verbunden ist zum Erzeugen, an einer Vielzahl von zweiten aufeinanderfolgenden Anschlüssen, von Spannungen mit einer linearen Beziehung bezüglich der Positionen solcher zweiten aufeinanderfolgenden Anschlüsse,

wobei die zweiten aufeinanderfolgenen Anschlüsse des Elements von den ersten aufeinanderfolgenden Anschlüssen (52) auf dem elektrischen Widerstandselement (72) beabstandet angeordnet sind.

9. Wandler nach wenigstens Anspruch 5 und 8, worin die zweiten aufeinanderfolgenden Anschlüsse von den ersten aufeinanderfolgenden Anschlüssen (52) und der Bezugsspannungseinrichtung (48) beabstandet angeordnet sind.

10. Wandler nach Anspruch 9, umfassend:

eine Einrichtung (72, 74) zum Anlegen der Bezugsspannung an Einen der oberen und unteren Ränder des elektrischen Widerstandselements (72) nahe den zweiten aufeinanderfolgenden Anschlüssen.

11. Wandler nach wenigstens Anspruch 9, worin die Bezugsspannungseinrichtung (71) sich entlang der Länge des Seitenrandes erstreckt gegenüberliegend der Seite mit den Anschlüssen des elektrischen Widerstandselements (72), und

die zweiten aufeinanderfolgenden Anschlüsse an Einem der oberen und unteren Ränder des elektrischen Widerstandselements (72) angebracht sind.

12. Wandler nach Anspruch 11, umfassend:

eine Einrichtung zum Anlegen einer Aktivierungsspannung an das elektrische Widerstandselement (44, 72) an die Verbindung zwischen dem ersten Seitenrand des Widerstandselements und dem Anderen der oberen und unteren Ränder.

13. Wandler nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, worin das elektrische Widerstandselement (44, 72) auf dem ebenen Teil (42) in Form eines dünnen Films ausgebildet ist, welcher im wesentlichen gleichbleibende Eigenschaften an verschiedenen Positionen auf dieser Oberfläche aufweist.

14. Wandler nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, umfassend eine Einrichtung (80-92), die mit den aufeinanderfolgenden Anschlüssen verbunden ist zum Kalibrieren, der an diesen Anschlüssen erzeugten Spannungen mittels der Spannungsdifferenz, die an das Widerstandselement angelegt wird.

15. Wandler nach wenigstens Anspruch 8, worin die ersten aufeinanderfolgenden Anschlüsse des Widerstandselements höhere Spannungen erzeugen als die zweiten aufeinanderfolgenden Anschlüsse.

16. Wandler nach wenigstens Anspruch 14, worin die Kalibrierungsesinrichtung umfaßt:

eine Kapazität (86), eine Einrichtung (80, 82) zum Aufladen der Kapazität, eine Einrichtung (88) zum Bereitstellen einer Entladung der Kapazität und eine Vielzahl von Vergleichern (54), von denen jeder auf die Spannung an einem einzelnen der Anschlüsse (52) und die Spannung von der Kapazität (86) anspricht, um eine Bestimmung von jeglichen Abweichungen von der logarithmischen Zunahme der Spannungen an den aufeinanderfolgenden Anschlüssen (52) bezüglich der Positionen solcher aufeinanderfolgender Anschlüsse (52) zu liefern.

17. Wandler nach Anspruch 16, worin die Kalibrierungseinrichtung weiterhin umfaßt eine Schalteinrichtung (84)umfaßt, welche einen ersten und zweiten Betriebszustand besitzt, und worin

die Kapazitäts-Ladeeinrichtung (80, 82) so arbeitet, daß sie die Kapazität (86) im ersten Betriebszustand der Schalteinrichtung (84) lädt, und

die Kapazitäts-Entladeeinrichtung (88) so arbeitet, daß sie die Kapazität (86) im zweiten Betriebszustand der Schalteinrichtung (84) entlädt.

18. Wandler nach Anspruch 17, weiterhin umfassend, eine Einrichtung zum Kalibrieren der Spannungen an den zweiten aufeinanderfolgenden Anschlüssen des Widerstandselements, um jegliche Abweichungen von der linearen Beziehung der Spannungen an solchen Anschlüssen bezüglich der Positionen dieser Anschlüsse festzustellen.

19. Wandler nach Anspruch 18, worin die Kalibrierungseinrichtung für die lineare Beziehung die Kalibrierungseinrichtung für die logarithmische Beziehung und weiterhin eine im wesentlichen konstante Stromquelle (90) umfaßt.

20. Wandler nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 19, worin das Widerstandselement (44) im wesentlichen eine rechteckige Form besitzt.