DE2914108A1 - Monolithisch integrierte schaltungsanordnung fuer einen digital-analog-wandler - Google Patents

Description

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Monolithisch integrierte Schaltungsanordnung für einen Digital-Analog-Wandler

Die Erfindung beschäftigt sich mit einem monolithisch integrierten Digital-Analog-Wandler, in welchem Widerstände und Schalter in Form von Isolierschicht-Feldeffekttransistoren ausgebildet sind. In diesem Zusammenhang wird auf die Zeitschrift "Funk-Technik" 30, Nr. 8, 1975, S. 217 bis 219 verwiesen.

Aus der DE-PS 20 59 933 ist es bekannt, bei derartigen in integrierter MOS-Technik realisierten Digital-Analog-Wandlern als Widerstände Isolierschicht-Feldeffekttransistoren zu verwenden, deren Widerstandswerte durch ein vorgegebenes Verhältnis von Breite zu Länge der Kanalzone gewählt sind.

Die Erfindung betrifft eine solche monolithisch integrierte Schaltungsanordnung für einen Digital-Analog-Wandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Massenherstellung von derartigen monolithisch integrierten Schaltungsanordnungen in der Mehrzahl an in die

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einzelnen Schaltungsanordnungen zu zerteilenden Halbleiterplatten ergibt sich die Schwierigkeit, daß die Ausgangssignale der Wandler aufgrund der Herstellungsbedingungen schwanken, was unter Umständen erhebliche Ausbeuteschwankungen zur Folge hat. Es wurde festgestellt, daß zwar die Schwankungen über eine Halbleiterplatte weniger problematisch sind, über eine Mehrzahl von Halbleiterplatten aber erheblich sein können.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Angabe einer Schaltungsmaßnahme für eine monolithisch integrierte Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wodurch die Aus-Wirkungen der Schwankungen der Herstellungsbedingungen auf die Ausbeute in einer Massenherstellung der oben erwähnten Art erheblich vermieden werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Schaltungsmaßnahme erreicht.
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Als Konstantstromquelle wird vorzugsweise eine in integrierter Schaltungstechnik realisierbare temperaturkompensierte Konstantstromquelle bekannter Art verwendet.

Durch die weiteren Isolierschicht-Feldeffekttransistoren in der monolithisch integrierten Schaltungsanordnung nach der Erfindung werden zwar Schwankungen der Herstellungsbedingungen ausgeglichen. Da aber als Stromquellen in Sättigung betriebene Isolierschicht-Feldeffekttransistoren des Anreicherungstyps verwendet werden, sind deren Widerstandswerte ziemlich abhängig von den Schwankungen der an den Drain-Elektroden anliegenden Spannung Vo, die sich auf die effektive Kanallänge L auswirken.

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Nach einer erfinderischen Weiterbildung der monolithisch integrierten Schaltung nach der Erfindung werden diese Kanallängenschwankungen dadurch kompensiert, daß der weitere Isolierschicht-Feldeffekttransistor in Reihe mit der Source-Drain-Strecke eines in Form eines Isolierschicht-Feldeffekttransistors ausgebildeten Regeltransistors des Anreicherungstyps geschaltet ist, dessen Gate-Elektrode auf das Ausgangspotential gelegt ist.

Die monolithisch integrierte Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, deren

Fig. 1 das Schaltbild der monolithisch integrierten Schaltungsanordnung nach der Erfindung und deren

Fig. 2 das Schaltbild der erwähnten erfinderischen ■ Weiterbildung der monolithisch integrierten

Schaltungsanordnung nach der Erfindung zeigen. 20

Der monolithisch integrierte Digital-Analog-Wandler enthält zunächst eine Mehrzahl von Source-Drain-Reihenschaltungen von Isolierschicht-Feldeffekttransistoren (Q1 , T1; Q2, T2; Q3, T3, ...), wovon drei Serienschaltungen in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Diese Serienschaltungen liegen zwischen dem Ausgangspotential Vo und Masse. Das Ausgangspotenti'al Vo fällt an dem Lastwiderstand R_T ab, der an der Spannung V_c liegt und durch den der Strom Io fließt.

Entsprechend dem bekannten Stand der Technik nach der genannten DE-PS 20 59 933 werden durch die oberen am Ausgangspotential Vo liegenden Isolierschicht-Feldeffekttransistoren Q1/ Q2, Q3, ... Widerstände nachgebildet, deren Ströme durch ein vorgegebenes Verhältnis von Breite zu Länge der Kanalzone ausgewählt werden. Diese Transistoren Q1, Q2, Q3, ...

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werden jedoch in Sättigung betrieben. Ihre Gate-Elektroden werden gemeinsam an das Regelspannungspotential Vr gelegt/ das am Knotenpunkt 1 einer Reihenschaltung einer Stromquelle Ik mit einem weiteren Isolierschicht-Feldeffekttransistor Qk abgegriffen wird/ durch den der Regelstrom Ir fließt. Der Knotenpunkt 1 zwischen der Stromquelle Ik und dem weiteren Isolierschicht-Feldeffekttransistor liegt an der Drain-Elektrode dieses Transistors und wird mit seiner Gate-Elektrode verbunden.
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Unter Verwendung der bekannten Beziehung für den Source-Drain-Strom der Isolierschicht-Feldeffekttransistoren Qk; Q1f Q2, Q3, ...

. Ik = Κ· H (V_GS -Vt)²

- vgl. "SCP and Solid-state Technology" (November 1966), S. 33 bis 38 - mit der Schwellspannung Vt und K = Cou/2 kann man zeigen, daß
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^In ~ ^Ik

woraus ersichtlich wird, daß die den Herstellungsbedingungen unterworfenen Größen, nämlich die Schwellspannung Vt und die spezifische Kapazität Co und damit auch deren Schwankungen eliminiert sind.

Da der Lastwiderstand R_T denselben Schwankungen der Her-

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Stellungsbedingungen unterworfen ist, liegt insofern ein Problem vor, als das Ausgangspotential Vo ebenfalls diesen Schwankungen unterworfen ist. Die Schwankungen des Ausgangspotentials Vo äußern sich in Schwankungen der effektiven Kanallänge L der Feldeffekttransistoren Q1, Q2, Q3, . .., da die effektive Kanallänge L gleich ist den Abständen der Source-Zonen von den Drain-Zonen, jeweils abzüglich der

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spannungsabhängigen Feldzone der Drain-Zone. Für um AVo von Vo abweichende Werte sind die Kanallängenschwankungen der Feldeffekttransistoren Q1, Q2, Q3, ... von denjenigen des weiteren Isolierschicht-Feldeffekttransistors Qk unterschiedlich.

Große Werte der Kanallänge L verbessern die Genauigkeit, da die von AVo bewirkte relative Kanallängenänderung kleiner wird. Bei einmal festgelegten W/L-Verhältnissen wirkt sich also Δνο um so weniger aus, je größer das W/L-Produkt, d. h. die Kanalfläche, bemessen wird.

Vr ist somit Temperatur- und Prozeß-Schwankungen unterworfen, was sich wohl auf die durch die Feldeffekttransistoren Q1, Q2, Q3, ... fließenden Source-Ströme, nicht aber auf deren Verhältnisse auswirkt.

Die Schaltungsanordnung gemäß der Fig. 2 unterscheidet sich von der Fig. 1 dadurch, daß der weitere Isolierschicht-Feldeffekttransistor Qk in Reihe mit der Source-Drain-Strecke eines Regeltransistors Tk geschaltet ist, der in Form eines Isolierschicht-Feldeffekttransistors ausgebildet ist. Dessen Gate-Elektrode liegt auf dem Ausgangspotential Vo, während die Source-Elektrode mit dem Bezugspotential verbunden ist. Dieser Regeltransistor Tk dient zur Kompensation der aufgrund der Stromversorgungspotentialschwankungen ^Vo erfolgenden Schwankungen der effektiven Kanallängen.

' Diese Kompensation wird durch eine Rückkopplung von Vo auf Vr über den Regeltransistor Tk erreicht. Ohne diesen Regeltransistor Tk würden mit abfallendem Vo die Ströme 11, 12 und 13 ebenfalls abfallen, da die effektive Kanallänge L dieser Transistoren sich aufgrund der Verminderung der Feldzone des PN-übergangs der Drain-Zone erhöht.

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Durch diese Rückkopplung über den Regeltransistor Tk ist jedoch nur zum Teil eine Kompensation der erwähnten Kanallängenschwankungen möglich, da mit abfallendem Vo das Potential Vb ansteigt, was die Schwellspannung Vt um einen Faktor aufgrund des Substrateffekts erhöht. Mit wachsendem Schwellenwert Vt des weiteren Isolierschicht-Feldeffekttransistors Qk steigen die in den Feldeffekttransistoren Q1, Q2, Q3, ... fließenden Ströme an. Eine Kompensation in der geschilderten Weise gemäß der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 ist daher nur über einen begrenzten Bereich des Stromversorgungspotentials Vo befriedigend.

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Claims (2)

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   Patentansprüche

   Monolithisch integrierte- Schaltungsanordnung für einen Digital-Analog-Wandler mit parallelgeschalteten und in Form von Isolierschicht-Feldeffekttransistoren ausgebildeten Widerständen, deren Ausgangsströme durch ein vorgegebenes Verhältnis von Breite zu Länge der Kanalzone gewählt sind und deren Source-Drain-Ströme mittels je einem in Form eines Isolierschicht-Feldeffekttransistors ausgebildeten Schaltertransistors gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet,
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   daß die Source-Drain-Strecke jedes der Transistoren (Q1, Q2, Q3, ...) vom Anreicherungstyp mit der Source-Drain-Strecke je eines v/eiteren Schaltertransistors (TI, T2, T3, ...) in Reihe zwischen dem Ausgangspotential (Vo) und dem Bezugspotential liegt,

   daß die Gate-Elektroden der in Sättigung betriebenen Feldeffekttransistoren (Q1, Q2, Q3, ...) mit der Gate-Elektrode und der Drain-Elektrode eines weiteren Isolierschicht-Feldeffekttransistors (Qk) vom Anreicherungstyp verbunden sind, dessen Source-Drain-Strecke in Reihe zwischen einer Konstantstroinquelle (Ik) und dem Bezugspotential liegt und dessen W/L-Verhältnis gleich dem des Feldeffekttransistors mit dem kleinsten W/L-Verhältnis ist.
2. 2. Monolithisch integrierte Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Isolierschicht-Feldeffekttransistor (Qk) in Reihe mit der Source-Drain-Strecke eines in Form eines Isolier-

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   schicht-Feldeffekttransistors ausgebildeten Regeltransistors (Tk) geschaltet ist, dessen Gate-Elektrode auf das Ausgangspotential (Vo) gelegt ist.

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