NL8103557A - Digitaal/analoog-omvormer met verbeterde compensatieschakeling voor afwijkingsspanningsvariaties. - Google Patents

Description

* N.0.30254 1

Digitaal/analoog-omvormer met verbeterde conpensatieschakeling voor af-wijkingsspanningsvariaties.

De uitvinding heeft betrekking op een digitaal/analoog-omvormer 5 van het type waarin een aantal transistorstroombronnen zijn gekoppeld met een R-2R-laddernetwerk teneinde binair gewogen stromen op te wekken. Meer in het bijzonder heeft de uitvinding betrekking op een omvormer die voorzien is van middelen voor het minimaliseren van fouten die resulteren uit afwijkingsspanningen in de transistorstroombronnen.

10 Een algemeen gebruikte digitaal/analoog-omvormer, beschreven in het USA "reissue" octrooischrift 28.633 bevat afzonderlijke transistorstroombronnen aangesloten in een gemeeschappelijke basisconfiguretie waarbij de emitters zijn verbonden met een weerstandsnetwerk teneinde binair gewogen bitstroraen door de transistoren op te wekken. De opper-15 vlakken van de emitters van de transistoren zijn evenredig aan de corresponderende bitstromen teneinde een gelijke stroomdichtheid in de transistoren te verschaffen en daardoor gelijke emitterspanningen op te wekken die elkaar volgen bij temperatuurvariaties. Door gebruik te maken van een terugkoppelconfiguratie met een referentietransistor kunnen 20 alle bitstromen worden gestabiliseerd ten opzichte van teoperatuurva-riaties waardoor in hoge mate wordt vermeden dat temperatuurfouten optreden in de analoge uitgangsstroom.

Alhoewel de bovenbeschreven configuratie met getrapte emitterge-bieden effectief is voor het vermijden van fouten als gevolg van afwij-25 kingsspanningen, vereist deze configuratie relatief grote delen van een chip-gebied van een geïntegreerde schakeling, in het bijzonder wanneer deze configuratie wordt toegepast voor met hoge resolutie werkende omvormers aangebracht op een enkele chip. Om dit nadeel te vermijden is een andere oplossing voor het probleem voorgesteld in het USA octrooi-30 schrift 3.940.760. Daarin bestaan de stroombronnen uit aan elkaar aangepaste transistoren, dat wil zeggen transistoren met gelijke emitter-gebieden, zodat de ^gg-afwijkingsspanningen elkaar niet volgen bij temperatuurvariaties. De bases van de transistoren zijn onderling via respectievelijke weerstanden gekoppeld en een stroom die evenredig is 35 met de absolute temperatuur (PTAT) stroomt in serie door al deze basisweerstanden. Deze stroom produceert temperatuurgevoelige compensatie-spanningen tussen de bases die aangepast zijn aan de Δ Vgg spanningen tussen de opeenvolgende stroombrontransistoren. De emitters van alle stroombrontransistoren worden derhalve op gelijke potentiaal ge-40 handhaafd, zodat er geen door temperatuurverschillen teweeg gebrachte 8103557 ï n 2 variaties optreden in de bitstromen door het stroorainstellende weer-standnetwerk resulterend uit afwijkingsspanningsveranderingen.

De tussen de bases aanwezige weerstandsconfiguratie die in het bovenstaande is beschreven is effectief voor het minimaliseren van fouten 5 als gevolg van verschillen in de stroombronspanning Vjjg, en wordt op commerciële schaal uitgebreid toegepast. Deze configuratie vereist echter de toevoeging van een groep van goed aan elkaar aangepaste weerstanden met bijbehorende schakelingen. Er bestaat dan ook een behoefte aan een afwijkingsspanningscompensatie die op veel efficiëntere wijze 10 kan worden gerealiseerd.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding, die in het volgende nog in detail wordt beschreven, wordt nu een digitaal/ana-loog-omvormer voorzien van een aantal afzonderlijke stroombrontransis-toren die in een gemeenschappelijke basisconfiguratie zijn verbonden 15 met een R-2R-laddernetwerk. De afsluitweerstand (2R) van het laddernet-werk is gekoppeld met een spanningsbron die een afsluitspanning opwekt die twee (kT/q)ln2 meer positief is dan de emitter van de laatste trap van de omvormer. Deze spanning produceert door de reeks weerstanden van de ladder een compensatiestroom die corresponderende spanningscomponen-20 ten opwekt aangepast aan de Δ Vgg spanningen tussen de opeenvolgende trap, zodat de spanning over elk van de shunt weerstanden van de ladder niet beïnvloed wordt door veranderingen in de afwijkingsspan-ning. De bitstromen'kunnen dus constant worden gehouden ongeacht tempe-ratuursafhankelijke variaties in VBE* 25 De belangrijkste doelstelling van de uitvinding is derhalve het verschaffen van een verbeterde digitaal/analoog-omvormer. Een andere doelstelling van de uitvinding is het verschaffen van verbeterde middelen voor het minimaliseren van fouten als gevolg van veranderingen in de afwijkingsspanning van de transistorstroombronnen in een digitaal/ 30 analoog-omvormer. Verdere doelstellingen, kenmerken en voordelen van de uitvinding zullen deels duidelijk zijn en zullen deels worden verklaard in de navolgende beschrijving van een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding, waarbij wordt gerefereerd aan de begeleidende figuren.

Figuur 1 toont het schema van een deel van een conventionele digi-35 taal/analoog-omvormer voorzien van een R-2R-laddernetwerk.

Figuur 2 toont een schematische representatie van een laddernet-werk als hulpmiddel bij de verklaring van de principes van de uitvinding.

Figuur 3 toont een schematische illustratie van een laddernetwerk 40 als hulpmiddel bij de verklaring van de principes van de uitvinding.

8103557 * « 3 ' Figuur 4 toont een ladder-afsluitconfiguratie volgens de uitvin ding.

Figuur 5 toont een andere ladder-afsluitconfiguratie volgens de uitvinding.

5 Figuur 6 toont een verdere ladder-afsluitconfiguratie.

Figuur 1 toont een schema van een deel van een schakeling gebaseerd op een digitaal/analoog-omvormer van een bekend type. Een dergelijke omvormer is voorzien van een aantal identieke transistoren 10 die aangesloten zijn als stroombronnen, waarbij hun bases gekoppeld zijn 10 met een gemeenschappelijke leiding 12 en de emitters verbonden zijn met respectievelijke shunt weerstanden 14 van een R-2R-ladder 16 waartoe ook de serieweerstanden 18 behoren. De basislijn 12 wordt op een vaste spanning gehouden die aangeduid is met -Vg, en de uitgang van een operationele versterker 20 levert een bekrachtigingsspanning aan de in-15 gangsaansluiting 22 van de ladder 16. De collectorstromen van de transistoren 10 worden selectief opgeteld in 24 teneinde het gewenste analoge uitgangssignaal corresponderend met een aangeboden digitaal signaal te verschaffen, bijvoorbeeld door middel van een schakeling zoals getoond is in het USA octrooischrift 3.961.326.

20 De ladderbekrachtigingsspanning wordt bestuurd door een terugkop pellus voorzien van een referentietransistor 26, waarvan de emitter via een 2R weerstand 28 verbonden is met de uitgang van de operationele versterker 20. De basis van deze transistor is verbonden met de gemeenschappelijke basislijn 12 en de collector is gekoppeld met de ene in-25 gangsaansluiting van de versterker. Ook een bron van constante referen-tiestroom voorzien van de referentieweerstand 30 alsmede een stabiele referentiespanningsbron Vggp is met deze ingang verbonden. De versterker 20 vergelijkt continu de collectorstroom met deze referen-tiestroom en stelt de spanning aan het onderuiteinde van de weerstand 30 28 zodanig in dat de collectorstroom gelijk wordt gehouden aan de refe- rentiestroom. Omdat de spanning aan het onderuiteinde van de weerstand 28 ook wordt toegevoerd aan de ingangsaansluiting 22 van het laddernet-werk dient de regeling van deze spanning door de versterker 20 ook voor het stabiliseren van de collectorstromen van de stroorabrontransistoren 35 10.

Een probleem dat bij een dergelijke omvormer optreedt is, dat de stroombrontransistoren 10 verschillende afwijkingsspanningen (offset-spanningen Vgg) hebben als gevolg van het feit dat de transistoren werken met verschillende stroomdichtheden. Bovendien is het verschil 40 tussen deze afwijkingsspanningen (4Vgp) teraperatuurgevoelig, zodat 8103557 4 het niet mogelijk is om op eenvoudige wijze een compensatie afregeling te realiseren in de weerstandnetwerkwaarden als aanpassing aan de van trap tot trap optredende verschillen.

Het is echter gebleken dat het probleem kan worden opgelost door 5 de gebruikelijke ladderafsluitweerstand aan te sluiten op een spanning die positiever is dan de spanning aan de emitter van de laatste stroom-brontransistor en wel met een waarde gelijk aan twee maal A Vgg, dat wil zeggen 2 (kT/q)ln2. Daardoor zullen binair gewogen stromen in het R-2R-laddernetwerk worden geproduceerd die niet worden beïnvloed 10 door veranderingen van Vgg in de stroombrontransistoren.

Om dit aan te tonen wordt allereerst verwezen naar figuur 2 waarin een vereenvoudigd schema is weergegeven als hulpmiddel bij de verklaring van een aantal principes van de uitvinding. Er wordt aangenomen dat de dwarstakspanningen, aangeduid met "V" gelijk zijn aan nul en dat 15 de dwarstakweerstanden 14 van het laddernetwerk 16 allemaal zijn aangesloten op dezelfde spanning evenals dit het geval was bij de uit de stand der techniek bekende en in het bovenstaande beschreven compensa-tieconfiguratie. In dat geval wordt een bekrachtigingsspanning E aangeboden aan het linker uiteinde van de ladder waardoor een stroom zal 20 gaan lopen in de meest linker 2R dwarstakweerstand, en de daarop volgende delen van de ladder zullen deze stroom verdelen volgens de verhouding 2:1 over elke volgende trap zodanig dat de stroom in de tweede 2R dwarstak de helft bedraagt van die in de eerste dwarstak enzovoort.

Als echter de dwarstakweerstanden 14 eindigen in niet gecorapen-25 seerde emitters van aangepaste in gemeenschappelijke basisschakeling aangesloten transistoren (zoals in figuur 1), dan zal de spanning op elke dwarstak worden verstoord. Aannemend dat E wordt gegenereerd ten opzichte van de eerste emitterspanning, dan zal de emitter die de tweede dwarstak afsluit staan op een spanning die ongeveer (kT/q)ln2 posi-30 tiever is dan de eerste emitter, omdat de tweede transistor zal werken met ongeveer de helft van de stroomdichtheid van de eerste transistor; de emitter die de derde dwarstak beëindigt zal op soortgelijke wijze ongeveer (kT/q)ln2 positiever zijn dan de tweede dwarstak, en dit verschijnsel plant zich voort van tak tot tak in de ladder. (Opgemerkt 35 wordt dat de verschillen in spanning tussen de opeenvolgende trappen zullen niet precies gelijk zijn aan (kT/q)ln2 omdat de aanwezigheid van de afwijkingsspanning van een niet gecompenseerde emitter zal leiden tot een zeer geringe afwijking van de stroomverdeling van de ideale 2:1 verhouding.) 40 Nu wordt verondersteld dat de eerste dwarstak in figuur 2 op de 8103557 * t 5 getoonde wijze wordt verstoord door een spanning V, en dat de tweede dwarstak wordt verstoord door een spanning die exact gelijk is aan 2V, enzovoort. Verder wordt verondersteld dat de ladderafsluitweerstand 32 (net een waarde 2R) gekoppeld is met een spanning die 2V groter is dan 5 de spanning van de laatste actieve dwarstak welke een afwijkingsspan-ning nV had. De stromen in de dwarstakken zullen nu opnieuw exact binair gewogen zijn. Als dit het geval is dan zullen de aangepaste tran-sistoren 10 afwijkingsspanningen produceren die per trap exact (kT/q)ln2 verschillen.

10 Om te demonstreren dat de stromen in de dwarstakken onder de ver onderstelde omstandigheden exact binair gewogen zijn wordt verwezen naar figuur 3 waarin een deel van het laddernetwerk met de afsluitcon-, figuratie uit figuur 2 is getoond. Terwille van de eenvoud is de be-krachtigingsspanning E op nul gesteld. Als de 2R dwarstakweerstanden 15 van de ladder zijn verwijderd (met uitzondering van de afsluitweerstand 32 aan het rechter uiteinde) dan bedraagt de totale weerstand aangesloten op de afsluitspanningsbron (n+2)V de som van n serieweerstanden 18 elk met een waarde R en de 2R afsluitweerstand 32, ofwel (n+2)R. De resulterende stroom zal dus juist gelijk zijn aan V/R. Omdat deze stroom 20 loopt door een reeks van serieweerstanden 18 met de waarde R zal over elk van deze weerstanden een spanning V worden opgewekt. De spanning op het knooppunt 1 zal gelijk zijn aan V, zodat, als de eerste 2R dwarstak met zijn afwijkingsspanning V in de schakeling zou worden opgenomen, er geen stroom door deze tak zal lopen. Op soortgelijke wijze kan de twee-25 de 2R dwarstak samen met zijn 2V afwijkingsspanning weer worden opgenomen waarbij de afwijkingsspanning wordt gecompenseerd door de spanning 2V op het knooppunt 2, zodat ook door deze tak geen stroom zal gaan lopen. Op deze wijze voortgaande kunnen alle dwarstakken met hun respectievelijke afwijkingsspanningsgeneratoren worden aangebracht en door 30 geen van deze dwarstakken zal een stroom gaan lopen. Omdat onder deze omstandigheden de stromen in de dwarstakken foutstromen zouden representeren, opgewekt door de instroductie van de afwijkingsspanningen, zal het duidelijk zijn dat de fouten in dit geval gelijk zijn aan nul.

Door toepassing van het superpositiebeginsel kan de niet aan nul 35 gelijk zijnde bekrachtigingsspanning E weer worden aangebracht zonder dat daardoor de foutcorrectie wordt beïnvloed. Omdat de foutcorrectie-spanningen als constant zijn verondersteld zal de bekrachtiging resulteren in exact binair gewogen stromen in de dwarstakken van de ladder.

Deze stromen zullen aan de emitters van de transistoren 10 afwijkings-40 spanningen produceren die van elkaar verschillen met exacte veelvouden 8103557 *r t 6 van (kT/q)ln2, waarmee wordt voldaan aan de oorspronkelijke veronderstellingen.

Figuur 4 toont schematisch een eenvoudige schakeling voor het opwekken van een spanning van 2(kT/q)ln2 voor de 2R afsluitweerstand 32.

5 Deze schakeling bevat een emittervolger met ingebouwde afwijkingsspanning van (kT/q)ln4 = 2(kT/q)ln2.

Het is zelfs mogelijk een eenvoudiger configuratie te gebruiken bij omvormers die minder eisen stellen aan de specificaties. Als de spanning over de afsluitweerstand 32 groot is in vergelijking van 10 2(kT/q)ln2, dan zal de stroom erdoor slechts weinig verschillen van de stroom door de laatste actieve trap. In dat geval kan, zoals getoond is in figuur 5, een extra transistor met een emittergebied dat vier tot vijf maal groter is dan dat van de laatste trap, en met een basis verbonden met alle andere bases, worden gebruikt voor het realiseren van 15 een redelijke correctie met slechts een kleine fout.

Zoals getoond is in figuur 6 kan de uitvinding eveneens worden geïmplementeerd door gebruik te maken van een stroombron zoals geïllustreerd is met 36, welke in dit geval direct aangesloten is op het uit-

lcT

20 einde van het laddernetwerk en stroom Iq = -g ln 2 levert. Daardoor zal de geschikte compensatiestroom worden opgewekt door de serieweerstanden R van het laddernetwerk.

Alhoewel in het bovenstaande voorkeursuitvoeringsvormen van de 25 uitvinding in detail zijn besproken zal het duidelijk zijn dat deze uitvoeringsvormen slechts dienst doen ter illustratie van de uitvinding zonder dat het kader van de uitvinding tot deze uitvoeringsvormen is beperkt. Het zal verder duidelijk zijn dat allerlei wijzigingen in de beschreven uitvoeringsvormen door een deskundige aangebracht kunnen 30 worden als aanpassing aan bepaalde toepassingen.

« 8103557

Claims (9)

1. Digitaal/analoog-omvormer van het type, dat voorzien is van een aantal transistoren die dienst doen als stroombronnen en voorzien zijn van gelijke emittergebieden, middelen voor het met elkaar verbinden van 5 de bases van deze transistoren, een R-2R-laddernetwerk waarvan de dwarstakweerstanden gekoppeld zijn met respectievelijke stroombron-emitters teneinde een binaire weging van de transistorstromen te ver-krijgen, alsmede een bekrachtigingsspanningsbron aangesloten op het genoemde laddernetwerk teneinde de binair gewogen stromen door de genoem-10 de transistoren op te wekken, met het kenmerk, dat de digitaal/ana-loog-omvormer voor het minimaliseren van fouten als gevolg van afwij-kingsspanningen in de transistoren voorzien is van compensatiemiddelen aangesloten op het genoemde laddernetwerk teneinde een compensatie-stroom te genereren door de serieweerstanden van dit laddernetwerk, 15 welke compensatiestroom een grootte heeft die zodanig is gekozen dat over elk van de genoemde serieweerstanden een compensatiespanningscom-ponent ontstaat die tenminste in hoofdzaak gelijk is aan het verschil tussen de afwijkingsspanningen van de opeenvolgende transistorstroombronnen.

2. Omvormer volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het genoemde laddernetwerk aan een uiteinde voorzien is van een afsluitweerstand met een waarde 2R, en de compensatiemiddelen voorzien zijn van een spanningsbron aangesloten op het uiteinde van de genoemde afsluitweerstand teneinde daaraan een spanning aan te bieden die 2(kT/q)ln2 groter is 25 dan de spanning op de aangrenzende stroombrontransistor.

3. Omvormer volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de genoemde bekrachtigingsspanningsbron is aangesloten op het andere uiteinde van het genoemde laddernetwerk.

4. Omvormer volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de genoemde 30 compensatiespanningscomponent een grootte heeft van tenminste in hoofdzaak 2(kT/q)ln2.

5. Omvormer volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de genoemde compensatiemiddelen voorzien zijn van een temperatuurgevoelige span-ningsgenerator, een afsluitweerstand aan een uiteinde van het genoemde 35 laddernetwerk, en middelen voor het koppelen van de genoemde spannings-generator aan de afsluitweerstand teneinde de compensatiestroom door deze afstandweerstand en door de serieweerstanden op te wekken.

6. Omvormer volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de compensatiemiddelen voorzien zijn van een emittervolgar die een afwijkingsspan- 40 ning gelijk aan 2(kT/q)ln2 produceert, welke emittervolger aangesloten 8103557 W V \ ' is tussen de emitter van de laatste omvormertrap en een afsluitwear-stand mét een waarde 2R teneinde de genoemde compensatiestroom door de genoemde serieweerstanden op te wekken.

7. Omvormer volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de genoemde 5 compensatiemiddelen bestaan uit een verdere transistor waarvan de basis verbonden is met de basisleiding van de genoemde stroombrontransistoren en waarvan de emitter via een weerstand gekoppeld is met een uiteinde van de genoemde ladder teneinde een stroom door de serieweerstanden daarvan te laten lopen, welke verdere transistor een emittergebied 10 heeft dat aanzienlijk groter is dan het emittergebied van de stroombrontransistoren.

8. Omvormer volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de verdere transistor een emittergebied heeft dat tenminste vier maal groter is dan het emittergenied van de stroombrontransistoren, en de genoemde 15 weerstand gekoppeld met de verdere transistor een waarde heeft van 2R teneinde het laddernetwerk op de juiste wijze af te sluiten.

9. Omvormer volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de compensatiemiddelen voorzien zijn van een stroombron voor het produceren van een temperatuurafhankelijke uitgangsstroom, gericht op een uiteinde van 20 het genoemde laddernetwerk. ****************** 81 03 5 5 7