NL193875C - Monolithisch ge´ntegreerde stroomoptelketen. - Google Patents

Description

1 193875

Monolithisch geïntegreerde stroomoptelketen

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een monolithisch geïntegreerde optelketen voor elektrische stromen, omvattende ten minste één stroomspiegelketen met een ingangstak en een uitgangstak die 5 respectievelijk een eerste weerstand en een tweede weerstand omvatten, ingericht voor het bepalen van een constante evenredigheidsfactor tussen in deze ingangs- en uitgangstakken vloeiende stromen, waarbij de ingangstak van deze stroomspiegelketen een eerste ingangsaansluiting van de optelketen is.

Een dergelijke stroomoptelketen is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 3.952.257. Dergelijke stroomoptelketens kunnen worden gebruikt in geïntegreerde schakelingen voor het opwekken van 10 meetsignalen die betrekking hebben op diverse elektrische stromen. De optelketens leveren als uitgang een stroom waarvan de sterkte gelijk is aan de som van de sterkten van de als ingang aangevoerde stromen, of een stroom waarvan de sterkte evenredig is met deze som, ongeacht het teken van de als ingang toegevoerde stromen.

Een nadeel van de bekende inrichting, waarvan de werking uitsluitend is gebaseerd op een combinatie 15 van stroomspiegelketens, is dat de inrichting relatief veel componenten omvat.

Een belangrijk doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een monolithisch geïntegreerde stroomoptelketen die zowel in economisch opzicht als in nauwkeurigheid is verbeterd met betrekking tot bekende optelketens.

Daartoe is een stroomoptelketen van het in de aanhef genoemde soort volgens de onderhavige 20 uitvinding gekenmerkt door een spanning-naar-stroom omzetter met een eerste ingangsaansluiting, een tweede ingangsaansluiting, en een uitgangsaansluiting, waarbij deze uitgangsaansluiting een uitgangs-aansluiting van de optelketen is; en ten minste een derde weerstand met een eerste aansluiting die verbonden is met de eerste aansluiting van de omzetter en een tweede aansluiting die via een vierde weerstand Is verbonden met een referentiespanning, waarbij één van deze eerste en tweede aansluitingen 25 van de derde weerstand een tweede ingangsaansluiting van de optelketen is, terwijl de andere aansluiting van de derde weerstand is verbonden met de uitgangstak van de stroomspiegelketen terwijl voorts de tweede ingangsaansluiting van de omzetter is verbonden met een referentiespanning.

Opgemerkt wordt, dat een spanning-naar-stroom omzetter op zich bekend is uit het artikel ”Non-invert|ng summing amplifier” van W.C. Devito in IBM Technical Disclosure Bulletin, vol.24, nr.llB, bladzijde 5961-30 5962.

De onderhavige uitvinding zal in het hiernavolgende nader worden uitgelegd door bespreking van de uitvoeringsvormen van een stroomoptelketen onder verwijzing naar de tekening, waarin corresponderende componenten zullen worden aangeduid met gelijke letters en cijfers, en waarin: 35 figuur 1 een blokschema toont van een bekende stroomoptelketen; figuur 2 een blokschema toont van een uitvoeringsvorm van een stroo optelketen volgens de onderhavige inzichten welke stroomoptelketen monolithisch geïntegreerd kan zijn; en figuur 3 een blokschema toont van een andere uitvoeringsvorm van een stroomoptelketen volgens de onderhavige inzichten.

40

Het verdient in het algemeen de voorkeur in het geval van monolithisch geïntegreerde stroomoptelketens om alle stromen waarop men invloed uitoefent, te verzwakken ter vermindering van de totale voedings-stroomabsorptie welke deze optelketens vereisen voor het bewerken van de als ingang toegevoerd wordende stromen. De eenvoudigste stroomoptelketen zoals momenteel gebruikt in geïntegreerde 45 schakelingen ter vorming van de som van de stroomsterkten van tegengesteld teken, bevat zoals weergegeven in figuur 1: een eerste, een tweede en een derde stroom-spiegelketen M1t M2 en M3, die elk een ingangstak en een uitgangstak bezitten, waarin weerstanden gestoken zijn, ingericht voor het berekenen van een constante evenredigheidsfactor tussen de stromen, die in deze takken vloeien. In de tekeningen worden de stroomspiegelketens, die kunnen worden geconstrueerd onder gebruikmaking van die technie-50 ken, die aan een deskundige op dit vakgebied bekend zijn, weergegeven door rechthoekige blokken, waarin de ingang- en uitgangstakken met de daarin ingebrachte weerstanden eveneens symbolisch zijn weergegeven.

De ingangstakken worden weergegeven door kleine cirkels.

Elke weerstand wordt weergegeven door een getal, en zijn waarde, uitgedrukt door middel van een 55 constante waarde R en een coëfficiënt K van vooraf bepaalde waarde, wordt daarnaast weergegeven. De ingangstak van de eerste stroomspiegelketen M1t waarbij een eerste weerstand 1 met de waarde R is opgenomen, vormt een eerste ingangsklem van de optelketen. De uitgangstak van deze keten M, waarin 193875 2 een tweede weerstand 2 met waarde KR is opgenomen, is verbonden met de ingangstak van de tweede stroomspiegelketen M2, waarin een derde weerstand 3 met waarde KR is ingebracht.

De ingangstak van de derde stroomspiegelketen M3, waarin een vierde weerstand 4 met waarde R is ingebracht, vormt een tweede ingangsklem van de optelketen, waaraan een stroom met teken tegengesteld 5 aan de stroom, die wordt toegevoerd aan de eerste ingang, kan worden geleverd in overeenstemming met de elektrotechnische conventies, zoals die bekend zijn aan een deskundige op dit vakgebied.

De uitgangstakken van de keten M2 en M3, waarin een vijfde weerstand 5 met waarde KR resp. een zesde weerstand 6 eveneens met waarde KR zijn ingebracht, zijn met elkaar verbonden in een circuit knooppunt S, dat een uitgangsklem vormt van de optelketen.

10 De werking van de in figuur 1 weergegeven optelketen is zodanig, dat stromen, wanneer die zoals hierboven vermeld tegengestelde tekens hebben in overeenstemming met bekende elektrotechnische conventies, bijvoorbeeld een stroom lA, die de eerste ingangsklem binnentreedt, en een stroom lB, die afgegeven wordt vanuit de tweede ingangsklem, toegevoerd worden aan de twee ingangsklemmen.

Als de verhouding tussen de weerstanden 2 en 1 equivalent is met K, wordt er aan de uitgangstak van 15 de keten M1 een ingangsstroom lA/K geproduceerd, waarvan de intensiteit K maal lager is dan die van de stroom lA.

Deze stroom lA/K, die afgegeven wordt vanuit de stroomspiegelketen M2, aan de ingangstak waarvan deze wordt toegevoerd, produceert aan de uitgangstak van deze keten een uitgangsstroom lA/K, die daarmede identiek is, daar de waarden van de weerstanden 3 en 5 dezelfde zijn.

20 De stroom lB produceert ook aan de uitgangstak van de stroomspiegelketen M3 een uitgangsstroom Iq/K, waarvan de sterkte K maal lager is dan die van de stroom lB, aangezien de verhouding tussen de waarden van de weerstanden 6 en 4 identiek is met K.

De twee stromen lA/K en Iq/K, die in het knooppunt S van de keten vloeien, worden daarom daaraan toegevoegd, zodat een uitgangsstroom IS = [lA + leJ/Κ beschikbaar is aan de uitgangsklem van de 25 optelketen, waarbij de sterkte van deze stroom gelijk is aan de som van de sterkten van de stromen lA en lB vermenigvuldigd met de coëfficiënt 1/K en in het bijzonder gelijk is aan deze som, wanneer Κ = 1.

Zoals hierboven vermeld verdient het de voorkeur alle stromen, waarop wordt ingewerkt, te verzwakken en daarom wordt gewoonlijk een waarde K>1 geselecteerd.

Het schema van een stroomoptelketen, weergegeven in figuur 2, bevat een stroomspiegelketen M’, met 30 een ingangstak en een uitgangstak, waarin zijn aangebracht een eerste weerstand 1' met een waarde R en een tweede weerstand 2' met een waarde KR. Deze weerstanden zijn ontworpen om een constante evenredigheidsfactor te produceren tussen de stromen, die in de beide takken vloeien. De symbolische weergaven van figuur 1 wordt eveneens gebruikt in figuur 2 voor de stroomspiegelketen en de weerstanden. De ingangstak van de stroomspiegelketen M’n vormt een eerste ingangsklem van de optelketen.

35 De uitgangstak van de stroom spiegelketen M’, is verbonden met een referentiespanning Vre, via een derde weerstand 3' met de waarde [K - 1]R en een vierde weerstand 4' met waarde R die daarmee in serie geschakeld is.

De uitgangstak van de keten M’., is verbonden met de weerstand 3' bij het knooppunt S' van de keten.

Het verbindingspunt P' tussen de beide weerstanden 3' en 4' vormt een tweede ingangsklem van de 40 optelketen.

Het schema van een optelketen weergegeven in figuur 2 bevat eveneens een spanning-naar-stroom omzetter CONV weergegeven door een rechthoekig blok, waarin de spanning-naar-stroom conversie-verhouding I - V/K'R van de omzetter zelf weergegeven is, waarbij de conversiefactor gelijk is aan K'R, waarbij K' wel of niet dezelfde is als K. De omzetter CONV heeft een eerste en een tweede ingangsklem en 45 een uitgangsklem.

De eerste en de tweede ingangsklem van de omzetter zijn verbonden met het knooppunt S' van de keten en met de referentiespanning V^,.

De uitgangsklem van de omzetter vormt een uitgangsklem van de optelketen.

Zowel de stroom-spiegelketen M’, en de omzetter CONV kunnen geconstrueerd worden onder gebruik-50 making van methoden, die bekend zijn aan een deskundige op dit vakgebied.

De werking van de in figuur 2 weergegeven stroomoptelketen zal nu worden onderzocht, wanneer er in dit geval eveneens stromen aan de twee ingangsklemmen worden toegevoerd, welke stromen - in overeenstemming met bekende elektrotechnische conventies - tegengestelde tekens hebben, bijvoorbeeld een stroom IA, die de eerste ingangsklem binnentreedt, en een stroom l'B, die de tweede ingangsklem 55 binnentreedt.

Aangezien de verhouding tussen de weerstanden 2' en 1' van de stroomspiegelketen gelijk is aan K, wordt er aan de uitgangstak van deze keten een uitgangsstroom l'A/K geproduceerd, waarvan de sterkte K

3 193875 maal lager is dan die van de stroom l'A. Aangezien, zoals bekend is aan een deskundige op dit vakgebied, de uitgangsimpedantie van een stroomspiegelketen zoals M', en de ingangsimpedantie van een spanning-naar-stroom omzetter zoals CONV in theorie oneindig zijn, kan de ingangsstroom l'B slechts vloeien via de weerstand 4'. De spanning V tussen het circuit knooppunt S' en de referentiespanning Vref wordt daardoor:

5 V = l'A/K t(K - 1) R + R] + l'B . R = (l'A + l'B) R

De uitgangsstroom l's uit de omzetter, beschikbaar aan de uitgangsklem van de optelketen is daardoor: I's-[I'a+I'b]/K

waarin K'R = de spanning-naar-stroom conversiefactor.

De sterkte van de uitgangsstroom l's is daardoor evenredig met de som van de sterkten van de stromen 10 ΓΑ en l'B in overeenstemming met de evenredigheidscoëfficiênt 1/K' en is in het bijzonder gelijk aan deze som, wanneer K-1.

Opgemerkt dient te worden, dat in werkelijkheid het schakelschema van dit is van belang figuur 2 enkel werkelijke fysische betekenis heeft, wanneer K > 1; dit is van belang wanneer het de voorkeur verdient alle stromen, waarop ingewerkt wordt, te verkleinen teneinde het stroomverbruik te verminderen. In het geval K 15 = 1 is er geen weerstand 3', zodat het punt P' samenvalt met het circuit knooppunt S'.

Er zouden eveneens technische toepassingen kunnen zijn die een coëfficiënt K>1 vergen, zodat de stromen, waarop ingewerkt wordt, worden versterkt ongeacht de waarde van de factor K' van de uiteindelijke omzetting.

In dit geval zou een waarde (K-1)R geen fysische betekenis hebben voor de weerstand 3' en het zou 20 dan ook noodzakelijk zijn voor K>1 een gewijzigd schakelschema te gebruiken, zoals weergegeven in figuur 3.

Zoals men kan zien in deze andere uitvoeringsvorm van een stroomoptelketen is de uitgangstak van de stroomspiegelketen, weergegeven door M'1t niet verbonden met het circuit knooppunt S', maar met de verbindingspunten P'.

25 De tweede ingangsklem wordt anderzijds gevormd door het circuit knooppunt S'.

In dit geval zijn de waarden van de weerstanden 3' en 4' (1 - K)R resp. KR.

Men kan dan inzien, dat door het toevoeren aan de ingangsklemmen van twee stromen met tegengesteld teken ΓΑ en i'B de spanning V tussen het circuit knooppunt S' en de referentiespanning ook nu weer is: V = l'B [(1 - K)R + KR] + l'A/K . KR = (l'A + l'JR 30 met als gevolg, dat de optelketen van figuur 3 volledig identiek is met die van figuur 2.

De voordelen van de voorgestelde stroomoptelketen is te zien in het feit, dat tegenwoordig de circuit gecompliceerdheid van een spanning-naar-stroom omzetter plus een spanningsdeler (zoals de deler gevormd door de twee weerstanden 3' en A') min of meer equivalent is aan die van een stroomspiegelketen. Een optelketen volgens de stand der techniek bevat daardoor ten minste één stroomspiegelketen 35 meer!

De verminderde circuitgecompliceerdheid en de verminderde bezetting de voorgestelde van integratie-zones, die dit verschaft, maken dientengevolge de voorgestelde stroomoptelketen in economisch opzicht meer uitvoerbaar of levensvatbaar dan die volgens de stand der techniek.

In het geval van een optelketen, die uitgevoerd is volgens het schema van figuur 2, d.w.z. het circuit, dat 40 in het algemeen voor geïntegreerde schakelingen te verkiezen is, is het gebruik van weerstanden om vooraf bepaalde stroomverhoudingen in te stellen, zeker meer beperkt in vergelijking met die van de bekende ) keten van figuur 1. Wanneer men in gedachten houdt, dat een weerstand met waarde KR absoluut noodzakelijk is voor de omzetter CONV, vereist dit een weerstandstoename met een maximale totale waarde van slechts (3K + 1)R, zoals tegen een totale waarden van (4K + 2)R in de bekende keten.

45 Aangezien bij geïntegreerde schakelingen de aanwezigheid van de weerstanden leidt tot onvermijdelijke fouten in het vaststellen van de verhoudingen tussen de waarden van de weerstanden zelf, verschaft een verminderd gebruik van weerstanden voor het vaststellen van de vooraf bepaalde stroomverhoudingen aan de voorgestelde optelketen een grotere nauwkeurigheid, ofschoon alle andere parameters natuurlijk hetzelfde blijven.

50 Ofschoon slechts twee uitvoeringsvormen zijn beschreven en geïllustreerd, is het duidelijk, dat een aantal gelijkwaardige varianten mogelijk is. Een stroomoptelketen zoals weergegeven in figuur 2 of 3 zou bijvoorbeeld een willekeurig aantal stroomsplegelketens kunnen bevatten alsmede een willekeurig aantal ingangsverdelers die met elkaar verbonden zijn bij het circuitknooppunt S', bevattende weerstanden met elke willekeurig gewenste voorafbepaalde waarde, die kan worden uitgedrukt door coëfficiënten K1( die ook 55 van component tot component verschillen om het mogelijk te maken niet alleen eenvoudige sommen van twee stromen te verkrijgen, maar ook lineaire combinaties van elk willekeurig aantal stromen, die een willekeurig teken hebben. In dit geval zou de voorgestelde optelketen - kunnen worden gebruikt als een

Claims (3)

193875 4 stroombewerkingsketen. 5

1. Monolithisch geïntegreerde optelketen voor elektrische stromen, omvattende ten minste één stroom-spiegelketen (M'n) met een ingangstak en een uitgangstak die respectievelijk een eerste weerstand (10 en een tweede weerstand (20 omvatten, ingericht voor het bepalen van een constante evenredigheidsfactor tussen in deze ingangs- en uitgangstakken vloeiende stromen, waarbij de ingangstak van deze stroom- 10 spiegelketen een eerste ingangsaansluiting van de optelketen is; gekenmerkt door een spanning-naar-stroom omzetter (CONV) met een eerste ingangsaansluiting, een tweede ingangsaansluiting, en een uitgangsaansluiting, waarbij deze uitgangsaansluiting een uitgangsaansluiting van de optelketen is; 15 en ten minste een derde weerstand (30 met een eerste aansluiting die verbonden is met de eerste aansluiting van de omzetter en een tweede aansluiting die via een vierde weerstand (40 is verbonden met een referentiespanning (Vref), waarbij één van deze eerste en tweede aansluitingen van de derde weerstand (30 een tweede ingangsaansluiting van de optelketen is, terwijl de andere aansluiting van de derde weerstand (30 is verbonden met de uitgangstak van de stroomspiegelketen (M',), terwijl voorts de 20 tweede ingangsaansluiting van de omzetter (CONV) is verbonden met een referentiespanning.

2. Stroomoptelketen volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de met de uitgangstak van de stroomspiegelketen (M^) verbonden aansluiting van de derde weerstand (30 de eerste aansluiting van deze weerstand is, en dat de waarde van de derde weerstand (30 in hoofdzaak gelijk is aan het verschil tussen de waarden van de tweede weerstand (20 en de eerste weerstand (10, en dat de waarde van de vierde 25 weerstand (40 in hoofdzaak gelijk is aan de waarde van de eerste weerstand (10·

3. Stroomoptelketen volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de met de uitgangstak van de stroomspiegelketen (M',) verbonden aansluiting van de derde weerstand (3,) de tweede aansluiting van deze weerstand is, en dat de waarde van de derde weerstand (30 in hoofdzaak gelijk is aan het verschil tussen de waarden van de eerste weerstand (10 en de tweede weerstand (20, en dat de waarde van de vierde 30 weerstand (40 in hoofdzaak gelijk is aan de waarde van de tweede weerstand (20· Hierbij 3 bladen tekening j