JPS6013338B2 - デジタル−アナログ変換器 - Google Patents

デジタル−アナログ変換器

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JPS6013338B2
JPS6013338B2 JP51030784A JP3078476A JPS6013338B2 JP S6013338 B2 JPS6013338 B2 JP S6013338B2 JP 51030784 A JP51030784 A JP 51030784A JP 3078476 A JP3078476 A JP 3078476A JP S6013338 B2 JPS6013338 B2 JP S6013338B2
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voltage
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マドリアン・ポール・ブローカウ
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00—Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02—Regulating voltage or current
    • G05F3/08—Regulating voltage or current wherein the variable is dc
    • G05F3/10—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
    • G05F3/26—Current mirrors
    • G05F3/265—Current mirrors using bipolar transistors only
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/06—Continuously compensating for, or preventing, undesired influence of physical parameters
    • H03M1/0602—Continuously compensating for, or preventing, undesired influence of physical parameters of deviations from the desired transfer characteristic
    • H03M1/0604—Continuously compensating for, or preventing, undesired influence of physical parameters of deviations from the desired transfer characteristic at one point, i.e. by adjusting a single reference value, e.g. bias or gain error
    • H03M1/0607—Offset or drift compensation

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はデジタルーァナログ変換器に関し、更に詳しく
いえば２進重みづけパターンのような所定の重みづけパ
ターンに従って、種々のレベルの電流を発生するように
構成された複数の電流源トランジスタで構成されるデジ
タルーァナログ変換器に関するものであり、更にまた温
度によって変化する電流を発生する装置に関するもので
ある。
デジタルーアナログ変換器（以下Ｄ／Ａ変換器と書く）
は、一般に、所定の重みづけパターンに従って種々のレ
ベルの電流を発生するように構成された複数個の電流源
トランジスタと、デジタル入力信号により選択的に作動
させられて、前記電流をアナログ出力信号に組合わせる
複数個のスイッチとで構成されている。そのようにＤ／
Ａ変換器の例が米国特許第３６８５０４５号、第３７４
７０８８号に示されている。これらのＤ／Ａ変換器にお
いては、電流源トランジスタがそのトランジスタが流す
べき電流を決定する抵抗重みづけ回路網に接続される。
また、これらの変換器は前記電流源トランジスタのため
に適切なべース電圧を設定するための制御回路も使用し
、全ての電流源トランジスタはこの同じベース電圧でド
ライブされる。このようなＤ／Ａ変換器においては、電
流源トランジ夕の各ェミッ夕に等しい電圧をＥ肋ロする
ことが望ましい。
その理由は、そのようにすると各ェミッタがそれに接続
された抵抗に、重みをつけられた電流を流すことができ
るからである。各電流源トランジスタのェミッ夕霞圧が
等しくないと「デジタル入力信号の各ビットに対する電
流は適切な比とならない。更に、ヱミッ夕電圧の差の中
には温度ドリフトも含まれており、出力には温度に関係
する誤差も生ずる。初期誤差は抵抗値を調節すればなく
すことができるが、温度ドリフトによる誤差は補正でき
ない。ェミッタ電圧を等しくする１つの技術は、米国特
許第３７４７０８８号に示されているように、全ての電
流源トランジスタが同じ電流密度で動作しトしたがって
同じベース４ェミツタ間電圧と、同じ温度特性を持つよ
うにェミッタの面積を定めることである。
このようにすれば全ての電流源トランジスタは共通した
ベース電圧で動作することになるので、温度変化があっ
てもェミッタ電圧は等しい。そしてＤ／Ａ変換器におけ
る電流は通常２進重みづけパターンをもつているので、
ェミッ夕面積も２進重みづけにしなければならない。米
国特許第３７４７０８８号に示されているように、電流
源を「カッドスイツチ」と呼ばれている独立した４ビッ
トモジュールに分けると「ヱミッタ面積８：４：２：１
の比にする必要がある。これには全部でＩＱ単位のェミ
ッタ面積を必要とすることになり、集積回路においてチ
ップ面積のかなりの部分をとることになる。Ｄ／Ａ変換
器は固体素子を利用することによって進歩したが、より
小さなチップ面積でＬ しかもかなりの性能を有する変
換器に対する需要が依然として存在する。
提案されている１つの技術として、ェミッタ面積が等し
い電流源トランジスタを使用することと、それらのトラ
ンジスタのベース間に一定の電圧オフセットを直列にか
けることが提案されている。これらの固定オフセット電
圧は、引き続くトランジスタの２対１の電流密度比のた
めに、ほぼベース・ェミッ夕闇電圧差になるように選択
される。この提案に含まれる問題は、種々の電流密度で
動作するために生ずるベース。ェミッタ間電圧差が絶対
温度の関数であることである。したがって、一定電圧オ
フセットは温度特性が悪く、とくに、電流源トランジス
タにかかる電圧が小さな値でドライブされる多重Ｄ／Ａ
変換器の場合に温度特性が悪い。したがって、本発明の
目的は、ェミッタが一様な寸法を持ち「したがって種々
の電流密度で動作する電流源トランジスタに等しくて安
定なヱミッタ電圧を与えることができる改良したＤ／Ａ
変換器を提供することである。
本発明の別の目的は、Ｄ／Ａ変換器用に開発されている
入力回路、出力転換回路等も使用できるようにして、電
流源トランジスタの温度特性の良いＤ／Ａ変換器を提供
することである。
本発明の更に別の目的は「普通のＩＣ作製技術を用いて
〜妥当なコストで製作できるＤ／Ａ変換器を提供するこ
とである。
以下に詳細に説明する本発明の好適な実施例においては
、デジタル入力信号のビットの位によって重みづけされ
た種々のレベルの「ビット」出力電流が流れる複数個の
電流源トランジスタが一様なヱミッタ面積を有し、種々
の電流密度で動作し「したがって種々のレベルの電流が
流れた時にベース・ヱミッ夕間電圧が異なるように構成
たれているＤ／Ａ変換器が説明されている。
引き続くそれらの電流源トランジスタのベースの間には
抵抗Ｒが接続され、引き続く電流源トランジスタのベー
ス‘ェミッタ間電圧の差に対応し、絶対温度に比例する
電圧を前記抵抗の端子間に発生させる装置が設けられる
。そうすれと、引き続く電流源トランジスタのェミッタ
電圧は等しくなり、温度に対して安定となって、Ｄ／Ａ
変換器内の重みをつけられた電流のレベルは正確となり
、正確なデジタルーアナログ変換を行える。この電圧発
生袋暦は、本発明の一実施例では、引き続く電流源トラ
ンジスタの電流密度の比と同じ比率、たとえば２：１、
のヱミッタ面積比を有する第１と第２のトランジスタと
、これらの第１と第２のトランジスタに等しい値の電流
を強制的に流させて、種々の電流密度に対応する種々の
ベース・ェミツタ間電圧を発生させる装置とで構成され
る。第１と第２のトランジスタのェミツタの間に接続さ
れ、一方のトランジスタを流れる電流を流す抵抗のよう
な素子が、電流源トランジスタのベース・ェミッタ間電
圧の差に応答して、この電圧の温度により変化する差に
対応する電流を発生する。以下、図面を参照して本発明
を詳細に説明する。
第１図は本発明に従って構成された、８ビット２進集積
回路化デジタルーアナログ変換器ＤＡＩを示す。
そのＤノＡ変換器は複数の電流源トランジスタ１０．１
〜１０．８を有する。これらのトランジスタは、それら
のトランジスタのヱミツタに接続される抵抗重みづけ回
路網１２により決定される２進重みづけパターンに従っ
て、種々のレベルの電流を流すように構成されている。
第１図に示す抵抗重みづけ回路網１２ははしご形回路網
であって、はしご形回路網中の各電流源トランジスタの
電流レベルを、前段の電流源トランジスタの電流レベル
の半分にセットする。８番目の電流源トランジスタ１０
．８の電流レベルに整合された別のトランジスター１が
、はしご形回路網を適切に終らせるために設けられる。
トランジスター０．１〜１０．８には選択的に作動可能
な同一のスイッチング素子１４．１〜１４．８（そのう
ちの１個だけ詳しく図示してある）が接続される。
これらのスイッチング素子は、それぞれの論理信号入力
端子１６．１〜１６．８１こ加えられるデジタル論理信
号により制御できる。各スイッチング素子は出力電流加
算母線１８と、アース線２０とのどちらかに、電流源ト
ランジスタを流れる電流を切り替える。スイッチング素
子は、１９７ぷ牢９月１２日付で出願した未決の米国特
許出願第５０５４７７号において詳しく説明されたいる
ように、いずれに切り替わる場合でも定速かつ急速にト
ランジスタ１０．１〜１０．８のコレクタを一定電位に
する。簡単に説明すると、スイッチング素子１４はトラ
ンジスタ４０と、電流設定抵抗４２と、トランジスタ３
６Ａ，３６Ｂ，６４Ａ，６４Ｂと、抵抗５６Ａ，５６Ｂ
とで構成される。抵抗４２は正電源線４４とトランジス
タ４０との間に接続され、トランジスタ４０のべ−スが
ベース電圧線４６に接続されて、この開路が０．私Ｍの
電流ｌｏを生ずる定電流源として機能する。ＰＮＰトラ
ンジスタ３６Ａ，３６Ｂ派第１蓋動対３８を構成する。
この第１差動対は入力端子１６を介してトランジスタ３
６Ａのベースに加えられる論理信号の電圧値としきし、
値電圧線５０からトランジスタ３６Ｂのベースに加えら
れる一定電圧値とによって、電流ｌｏをトランジスタ３
６Ａか３６８のいずれかに流す。この一定電圧は、使用
されている特定の論理信号（たとえばＴＴＬまたはＣＭ
ＯＳロジック）の要求に合致するような値であって、し
きい値電圧回路５２により発される。トランジスタ３６
Ａ，３６８のコレクタは抵抗５６Ａ，５６Ｂをそれぞれ
介してバイアス電圧線５８に接続される。バイアス電圧
線５８の電圧はバイアス発生回路６０により一定に保さ
れる。整合されたトランジスタ６４Ａ，６４Ｂより成る
第２の蓬勤対６２は、抵抗５６Ａ，５６Ｂの端子間電圧
により制御され第２差動対６２中のトランジスタは、端
子１６に加えられた信号に応じてどちらかが導適状態と
なり、電流源トランジスター０からの電流を出力電流加
算母線１８、またはアース線２０のいずれかへ流す。第
１図に示すように、上位３桁のビットに対応する電流源
トランジスター０．１，１０．２，１０．３のェミッタ
面積は４：２：１で、電流密度は一様になるようにされ
ている。
トランジスタＩＤ．１〜１０．３のベースは互いに直結
され、ベース電圧制御回路２５の出力端子に接続されて
いる共通ベース線２４から電圧が供給される。制御回路
２５は演算増幅器２６を含む。この増幅器は直列接続さ
れた基準トランジスタ２８，３０を流れる電流を、基準
電圧電源３２と基準抵抗３４とにより発生された一定の
基準電流と比較し、基準トランジスタ３０のベース電圧
を調節してトランジスタ３０を流れる電流を一定に保つ
。基準トランジスタ３０のベース電圧の調節は電流源ト
ランジスター０．１〜１０．３を流れる電流を一定に保
つ。第１図の変換器ＤＡＩは電源３２の基準電圧を被乗
数値の１つとして変えることにより、秦算変換器として
機能できる。この場合には、乗数はデジタル入力数であ
る。基準電圧の大きさはト全てのビット電流の大きさを
制御する。その理由は、ビット電流が抵抗３４を流れる
基準電流によって変るように、増幅器２６が共通ベース
線２４の電圧を決めるからである。本発明においては、
電流源トランジスタ１０．３〜１０．８は等しい導電面
積のェミッタを有し、しかもそれらのトランジスタを流
れる電流が２進重みづけパターンとなっているから、そ
れらのトランジスタが種々のレベルの電流を流している
時には、種々の電流密度と、種々のベース・ェミッ夕間
電圧ＶＢＥで動作している。
本発明によれば、引き続く電流源トランジスター０．３
〜１０．８のベースは抵抗Ｒ（たとえば１５０オーム）
を介して接続され、トランジスタ１０．８のベースには
電流供給線７１を介して電流発生器７０が接続されて、
直列に接続された抵抗Ｒを通じて電流ＩＴを流して、各
抵抗Ｒの端子間に電圧△ＶＢＥを発生させる。この電圧
△ＶＢＥは、２対１の電流密度で動作させられる引き続
く電流源トランジスタのベース・ェミッタ間電圧の差に
対応し、絶対温度とともに変化する。その結果、トラン
ジスタ１０．３〜１０．８のェミッ夕霞圧は互いに等し
くなるとともに「トランジスタ１０．１，１０．２のェ
ミッタ電圧にも等しくなる。更に、抵抗Ｒを流れる電流
ＩＴは絶対温度とともに変化するから、この抵抗Ｒの端
子間に生ずる電圧降下△ＶＢ８は、ベース・ェミッタ間
の電圧ＶＢＥの温度による変化を補正し、ェミッ夕電圧
は温度に対して安定となり、変換器の重みづけられた電
流のレベルを正確にして、正確なデジタルーアナログ交
換を行わせる。次に、電流発生器７０によって説明する
。
この電流発生器７０はトランジスタ１０。８のベースに
接続されている電流供給線７１と、負電源線７２との間
に接続され。
ＮＰＮトランジスタ７４，７６のベースが互いに直結さ
れ、ェミッタ面積は１：２の比率で定められ、トランジ
スタ７４，７６に等しい電流を流してやるように構成さ
れる。これらの電流は加算点８０で加え合わされる。球
の抵抗値（３００オーム）を有する抵抗８２が、トラン
ジスタ７４と７６のェミッタの間に接続され、低い電流
密度で動作しているトランジスタ７６を通じて加算点８
０まで電流を流させる。トランジスタ７４，７６のベー
ス・ェミッタ間電圧の差△ＶＢ８がェミツ夕抵抗８２の
端子間に現われ、その抵抗に△ＶＢＥ／２Ｒの電流を流
させる。回路の反対側ではトランジスタ７４に等しい電
流が流れるから、和電流ＩＴは次式で与えられる。ＩＴ
＝△ＶＢＥ／Ｒ電流ＩＴが電流源トランジスター０．３
〜１０．８の間に接続されている抵抗Ｒを通じて流れる
と、各抵抗Ｒの端子間に電圧ＩＴ×Ｒ＝△ＶＢＥが生ず
る。
この電圧は２：１電流密度比に関連する希望のベース・
ェミッタ間の電圧の差である。この電圧は次式に従い、
トランジスタ７４，７６の絶対温度に比例する。△ＶＢ
Ｅ＝等ｌｎ２ ここに、Ｔはトランジスタ７４，７６の絶対温度である
が、電流源トランジスター０の絶対温度もこの値に近い
と見てよい。
ｋはボルッマンの定数、ｑは電子の電荷の絶対値である
。トランジスタ７４，７６に等しい電流を流させるトラ
ンジスタ回路７８は、トランジスタ７４，７６との相補
形のトランジスタ８４，８６の平衡対により構成される
。
トランジスタ８４，８６のェミツタは相互に接続される
とともに電流供給線７１に接続され、ベースは互いに直
結され、コレクタはトランジスタ７４，７６のコレクタ
にそれぞれ接続される。第１図に示すように、トランジ
スタ８６のベースとコレクタ、及びトランジスタ７４の
ベースとコレクタはともに接続される。このような回路
構成は電流の鏡として機能し、トランジスタ７６のコレ
クタ電流がトランジスタ７４のコレク夕電流よりも小さ
いときには、ループを再生状態にして、両方のコレクタ
電流が等しくなるまで増加する。電流発生器７０は安定
な「オフ」状態を持つから、再生動作が開始するように
、トランジスタに電流を流させるスタート回路８８が設
けられる。
スタート回路８８はピンチ・オフ抵抗９０を有し、この
ピンチ。オフ抵抗９川まトランジスタ７４，７６のベー
スに接続され、かつコレクタとべ‐スが短絡されたＮＰ
Ｎトランジスタ９２のべ−スからェミッタへの回路を介
して負電源孫泉７２に接続される。スタート回路８８に
は約３マイクロアンペアの電流が流れて再生動作が開始
される。電流１？の典型的な値は約０．１２のＡである
。これはスタート回路８８を流れる電流からは大きな影
響は受けない。ベース間抵抗Ｒを流れる電流は、電流Ｉ
Ｔに電流源トランジスタ１０．４〜１０．８のベース電
流が加え合わされるので、上位のビットで最も影響を受
ける。
しかし、これらのベース電流の影響は小さく、ベース間
抵抗Ｒの抵抗値を上位ビットの近くで少し小さいように
調節することにより補正できる。補償を行う１つの方法
はベース間抵抗則こ並列にピンチ・オフ抵抗を使用する
ことである。ピンチ・オフ抵抗の抵抗値は直流電流増幅
率ｈＦ８に比例し、したがってベース電流補償のために
使うことができる。第２図はべっの電流発生器１００を
示す。
これは電流発生器７０と同様に、絶対温度に比例して変
化する電流ＩＴを発生するもので「ェミッタの面積比が
１：２の第１と第２のトランジスタ７４，７６と、抵抗
値が次のェミッタ抵抗８２を有する。再生的に結合され
たトランジスタ回路１０２によってトランジスタ７４，
７６に等しい電流が流される。トランジスタ回路１０２
は電流発生器７０内のトランジスタ回路７８よりも、等
しい電流を流させる動作をより正確に行う。トランジス
タ回路１０２は平衡のとれた第１のＮＰＮトランジスタ
対１０４，１０６と、平衡のとれた第２のＰＮＰトラン
ジスタ対１０８，１１０と平衡のとれた第３のＰＮＰト
ランジスタ対１１２，１１４とからなる。トランジスタ
１１２，１１４のエミッタは電流供給線７１に接続され
、三対のトランジス外ま図示のように再生的に結合され
て、回路の両側辺に流れる電流が等しくなるようにさせ
る。スタート電流はＦＥＴ１１６により供給される。Ｆ
ＥＴＩ１６のゲートは負電源線７２に接続され、ソース
とドレインはトランジスタ１０４のコレクタとェミッタ
にそれぞれ接続される。ＦＥＴＩ１６を流れる電流は回
路をスタートさせるときには十分大きいが、回路が再生
動作をひとたび開始したときにはその動作に影響を及ぼ
さないように十分に小さい。電流発生器１００は・Ｔ＝
生Ｅ：申ｎ２で与えられる電流ＩＴを供給する。電流発
生器１００により発生される電流は絶対温度に正確に比
例するから、Ｄ／Ａ変換器は良好な温度特性をもて）。
したがって、電流発生器７０，１００とベース間抵抗Ｒ
を用いることにより、電流源トランジスタ１０．３〜１
０．８のように一様なェミッタ面積を有するトランジス
タを、温度ドリフトに起因する誤差が生じることなしに
、デジタルーアナログ変換器で効果的に使用できること
になる。
これを行う手段は、スイッチング素子１４、ベース電圧
制御回路２５と完全に両立し、更に一部にェミッタ面積
の異なる電流源トランジスタ１０．１〜１０．３が使わ
れていてもよいので、Ｄ／Ａ変換器にとって非常に有効
である。本発明に従えば、いくつかの、あるいは全ての
電流源トランジスタは一様なェミッタ面積を持ったもの
にすることができるから、Ｄ／Ａ変換器に必要なＩＣチ
ップの面積を大幅に節約できる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明のデジタルーァナログ変換器の説明用回
路図、第２図は本発明によるＤ／Ａ変換器に組み込まれ
ている別の電流発生器の回路図である。 符号の説明、１０・・・・・・電流源トランジスタ、１
２・・・・・・抵抗重みづけ回路網、１４・・・・・・
スイッチング素子、１６・・・・・・論理信号入力端子
、１８・・・・・・出力電流加算母線、２０・・…・ア
ース線、２５・・・・・・ベース電圧制御回路、７０，
１００…・・・電流発生器、７１…・・・電流供給線。 ＦＩＧＩＦＩＧ２

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 下記の構成要件からなるデジタル−アナログ変換器
    ： 複数個の論理信号入力端子〔１６〕； 「ビツト」出力電流が流れる複数個の電流源トランジ
    スタ〔１０〕； 前記複数個の論理信号入力端子〔１６
    〕からの論理信号の論理値によって、前記電流源トラン
    ジスタ〔１０〕に流れる前記「ビツト」出力電流を出力
    電流加算母線〔１８〕に流すか、アース線〔２０〕に流
    すかのどちらかに切り替える複数個のスイツチング素子
    〔１４〕； 前記複数個の電流源トランジスタ〔１０〕
    のベース間をビツトの位の順に次々に接続する複数個の
    抵抗〔Ｒ〕； 出力端子が、前記複数個の電流源トラン
    ジスタ〔１０〕のうち最上位のビツトの「ビツト」出力
    電流が流れる電流源トランジスタ〔１０．３〕のベース
    に接続されて、前記複数個の電流源トランジスタ〔１０
    〕にベース電圧を供給するベース電圧制御回路〔２５〕
    ； 前記複数個の電流源トランジスタ〔１０〕のエミツ
    タに接続されて、これらの電流源トランジスタ〔１０〕
    に流れる前記「ビツト」出力電流の値をビツトの位によ
    って重みづける抵抗重みづけ回路網〔１２〕； 前記複
    数個の電流源トランジスタ〔１０〕のうち最下位のビツ
    トの「ビツト」出力電流が流れる電流源トランジスタ〔
    １０．８〕のベースに電流供給線〔７１〕を介して接続
    されて、前記複数個の電流源トランジスタ〔１０〕のベ
    ース間に接続された前記抵抗〔Ｒ〕に、前記複数個の電
    流源トランジスタ〔１０〕の絶対温度に比例する電流〔
    Ｉ＿Ｔ〕を流し、前記抵抗〔Ｒ〕の端子間に電圧〔ΔＶ
    ＿Ｂ＿Ｅ〕を発生させ、前記複数個の電流源トランジス
    タ〔１０〕のベース・エミツタ間の電圧〔Ｖ＿Ｂ＿Ｅ〕
    の温度による変化を補正し、エミツタ電圧を安定させて
    、前記「ビツト」出力電流を温度に対して安定する電流
    発生器〔７０，１００〕。
JP51030784A 1975-03-21 1976-03-19 デジタル−アナログ変換器 Expired JPS6013338B2 (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US05/560,954 US3940760A (en) 1975-03-21 1975-03-21 Digital-to-analog converter with current source transistors operated accurately at different current densities
US560954 1975-03-21

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JPS51120160A JPS51120160A (en) 1976-10-21
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