-
Die Erfindung betrifft durch eine Spannung genau
einstellbare Stromquellen und insbesondere die Anwendung dieser
Stromquellen bei der Herstellung von
Digital/Analog-Umsetzern mit hochgenaüer automatischer Eichung, beispielsweise
mit 12 Bits.
-
Um Digital/Analog-Umsetzer mit hoher Genauigkeit und großer
Linearität zu erhalten, wurden im Stand der Technik im
allgemeinen mit Netzwerken R-2R verbundene, bipolare
Transistoren verwendet, die gemeinsam schaltbare Stromquellen
bilden, deren Werte zusammen mit dem Wert eines
Bezugsstromes eine geometrische Reihe mit Verhältnis 2 bilden.
Aufgrund der Fertigungsungenauigkeiten oder -streuung bezüglich
des Widerstandswertes der Netzwerke R-2R und der bipolaren
Transistoren ist es nötig, jedesmal dann, wenn die Anzahl
der Bits des Digital/Analog-Umsetzers 7 oder 8
überschreitet, eine Laser-Einstellung der Widerstandswerte der Netze
R-2R durchzuführen, um eine sehr gute Linearität zu
erhalten. Um Digital/Analog-Umsetzer mit hoher Genauigkeit und
großer Linearität zu erhalten, ohne auf die Einstellung
irgendeines Bauteils des Umsetzers mit Laser zurückgreifen
zu müssen, wurden im Stand der Technik verschiedene Typen
von Digital/Analog-Umsetzern mit automatischer Eichung
vorgeschlagen, deren eichbare Bauteile Kondensatoren sind;
diese Kondensatoren gehören zu einer Kondensatorenanordnung,
deren Kapazitätswerte zusammen mit dem Kapazitätswert eines
Einheitskondensators eine geometrische Reihe oder Abstufung
mit Verhältnis 2 bilden.
-
In der EP-A-0061199 ist ein Digital/Analog-Umsetzer
angegeben, der eine einstellbare Stromquelle mit bipolaren
Transistoren aufweist, deren Emitter mit einem
zwischengeschalteten variablen MOS-Widerstand verbunden sind. Diese
Verbindung der Emitter erlaubt nur eine grobe Steuerung des
Stromes, weil die Steuerung des Widerstandes auf die Basis-
Emitter-Spannung der bipolaren Transistoren reagiert. Ferner
sieht diese Druckschrift vor, die Steuerspannung des
variablen Widerstandes durch einen mit dem Gate des MOS-Wider-
standes und mit Masse verbundenen Kondensator zu speichern.
Diese Bauweise ist sehr anfällig gegenüber Störungen
(Rauschen) und macht die Verwendung eines komplizierten
Verstärkers mit hoher Genauigkeit und sehr geringem Rauschen zur
Gate-Steuerung notwendig.
-
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
einfache, mit besonders hoher Genauigkeit einstellbare
Stromquelle zu schaffen.
-
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen genau
steuerbaren Digital/Analog-Umsetzer zu schaffen, der eine
einstellbare Stromquelle verwendet und dennoch eine große
Ahzahl von Stufen haben kann.
-
Gemäß einer weiteren Aufgabe der Erfindung soll ein
Digital/Analog-Umsetzer geschaffen werden, der einfach
herzustellen ist und präzise arbeitet.
-
Diese und andere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der
Erfindung werden durch eine einstellbare Stromquelle
erreicht, mit einem bipolaren Transistor, dessen Basis ein
Signal empfängt, das in etwa den durch diesen fließenden
Strom einstellen kann, und mit einem mit dem bipolaren
Transistor in Reihe geschalteten MOS-Transistor, dessen
Gate ein Steuersignal empfängt, das von einem zwischen
dessen Gate
und dessen Drain angeschlossenen Kondensator
gespeichert ist, wobei der Drain mit dem Kollektor des
bipolaren Transistors verbunden ist.
-
Vorzugsweise ist der bipolare Transistor ein NPN-Transistor
und der MOS-Transistor ein angereicherter
P-Kanal-Transistor, ist die Source des MOS-Transistors mit einer
Hochspannung und sein Drain mit dem Kollektor des bipolaren
Transistors verbunden und ist der Emitter des bipolaren Transistors
an einer Niederspannungsquelle angeschlossen.
-
Das Steuersignal kommt vorzugsweise von einem
Stromverstärker, der ein Fehlersignal liefert, welches sich aus dem
Vergleich zwischen der Stromquelle und einer
Bezugs-Stromquelle ergibt.
-
Ein erfindungsgemäßer Digital/Analog-Unsetzer ist so
aufgebaut, daß seine den niederwertigen Bits entsprechenden
Stufen herkömmliche Stromquellen aufweisen und seine den
hochwertigen Bits entsprechenden Stufen jeweils
erfindungsgemäße Stromquellen aufweisen.
-
Dieser Digital/Analog-Umsetzer umfaßt Schalt- und
Verstärkungsmittel zum periodischen Vergleichen des Stromes in
jeder den hochwertigen Bits entsprechenden Stromquelle mit
der Summe der Ströme der den niederwertigen Bits
entsprechenden Stromquellen zum entsprechenden Einstellen des
Stromes in diesen den hochwertigen Bits entsprechenden
Stromquellen.
-
Diese Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung
sind im folgenden mit weiteren Einzelheiten anhand in der
Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben.
-
Es zeigen:
-
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer einstellbaren
Stromquelle nach der Erfindung,
-
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines
erfindungsgemäßen Digital/Analog-Umsetzers,
-
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer abgewandelten
Verbindung der erfindungsgemäßen Stromquelle in
einem Digital/Ahalog-Umsetzer,
-
Fig. 4 das erfindungsgemäße Eichverfahren und
-
Fig. 5 ein Beispiel eines Stromverstärkers mit
Serienbetrieb, der nach dem Eichschritt einsetzbar ist.
-
Fig. 1 zeigt eine durch eine Spannung einstellbare
Stromquelle nach der Erfindung. Diese Stromquelle läßt einen
gewählten Strom I durch und ist zwischen einer
Hochspannungsklemme A und einer Niederspannungsklemme B mittels
einer nicht gezeigten Schaltung verbunden. Sie umfaßt im
wesentlichen einen bipolaren Transistor BT, der mit einem
MOS-Transistor MT in Reihe geschaltet ist. Im gezeigten
Beispiel ist der bipolare Transistor BT ein NPN-Transistor,
dessen Emitter mit der Klemme B und dessen Kollektor mit
dem Drain des Transistors MT verbunden ist, der ein
angereicherter P-Kanal-Transistor ist. Die Source des Transistors
MT ist mit der Klemme A verbunden. Das Gate des Transistors
MT ist mittels eines Speicherkondensators C mit dessen
Drain verbunden.
-
Normalerweise weist eine herkömmliche Stromquelle lediglich
den bipolaren Transistor BT auf, dessen Basis eine
geeignete Polarisations-Spannung empfängt, abhängig von den
Größen der Hochspanung und der Niederspannung, um den Strom
im bipolaren Transistor einzustellen. Tatsächlich erreicht
man aufgrund der Herstellungstoleranzen niemals den genauen
gewünschten Stromwert.
-
Erfindungsgemäß erlaubt der mit dem bipolaren Transistor BT
in Reihe geschaltete MOS-Transistor MT, eine Fein-Steuerung
zu bewirken, indem die Kollektor-Emitter-Spannung des
bipolaren Transistors BT geringfügig geändert wird. Diese
Steuerung wird durch Einwirken auf das Gate G des
MOS-Transistors erreicht. Es sei bemerkt, dar der Einfluß der
Steuerung gerade so genau ist wie die Impedanz zwischen dem
Emitter des Transistors BT und der Niederspannungsklemme B
klein ist. Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, die am
MOS-Transistor angelegte Gate-Spannung im Kondensator C zu
speichern. Es ist auch möglich, periodisch nur das Gate
des Transistors MT zu betätigen, wobei der Steuerwert im
Kondensator C außerhalb der Eichperioden gespeichert bleibt.
-
Fig. 2 zeigt eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Digital/Analog-Umsetzers. In dieser Darstellung entspricht der
Block 10 einem herkömmlichen Digital/Analog-Umsetzer, der
Block 11 stellt eine zusätzliche Umsetzer-Stufe nach der
Erfindung und der Block 12 ein Beispiel einer
Polarisierungsstufe für den Block 11 dar.
-
Eine Stufe des herkömmlichen Digital/Analog-Umsetzers 10
ist in einem Block 13 dargestellt. Diese Stufe umfaßt einen
bipolaren Transistor 13&sub1;, dessen Kollektor über einen
Unterbrecher 13&sub2; mit dem Pluseingang (+) oder mit dem
Minuseingang (-) eines Differentialverstärkers 14 verbunden ist.
Der Emitter des Transistors 13&sub1; ist über einen Widerstand
2R mit einem Verbindungspunkt 13&sub3; verbunden, wobei dieser
Verbindungspunkt über Widerstände der Größe R mit den
Widerständen 2R der benachbarten Stufen verbunden ist. In jeder
Stufe hat der Transistor 13&sub1; eine Emitterfläche, die der
Größenordnung des von dieser Stufe umgesetzten Bits
entspricht, und der Unterbrecher 13&sub2; ist mit dem Eingang (-)
oder dem Eingang (+) des Verstärkers 14 verbunden, je
nachdem, ob das fragliche Bit einen binären Wert von "1"
oder "0" hat. Die Basis des Transistors 13&sub1; wird durch eine
Schaltung 15 polarisiert, welche einen
Differentialverstärker 15&sub1; aufweist, dessen erster Eingang (-) mit Masse und
dessen zweiter Eingang (+) über einen Widerstand R mit
einer Bezugs-Spannungsquelle 15&sub2; verbunden ist. Dieser
zweite Eingang (+) des Differentialverstärker 15&sub1; ist mit
dem Kollektor eines bipolaren Transistors 15&sub3; verbunden,
dessen Emitter über einen Widerstand 2R mit einer
Versorgungs-Niederspannung VEE und dessen Basis mit dem Ausgang
des Verstärkers 15&sub1; verbunden ist. Auf diese Weise ist der
durch den Transistor 15&sub3; fließende Strom I0 und dadurch
seine Basisspannung eingestellt. Diese Basispannung wird an
die Basen aller Transistoren 13&sub1; angelegt, die dadurch zum
Strom I0 proportionale Ströme durchlassen, abhängig vom
Gewicht des Bits der entsprechenden Stufe. Im Block 10 sind
die ersten Stufen Stufen mit identischen Transistoren, die
den niederwertigen Bits entsprechenden Strom durchlassen.
Es sei bemerkt, daß die erste dieser zwei ersten Stufen
einen Widerstand mit dem Wert R und nicht 2R in Reihe zu
ihrem Transistor aufweist.
-
Der Block 11 bezeichnet die Stufe des
Digital/Analog-Umsetzers, die einem Bit mittlerer Ordnung entspricht, das höher
ist als die letzte Stufe des Blockes 10, beispielsweise dem
achten Bit, wenn der Digital/Analog-Umsetzer des Blocks 10
ein sieben Bit-Umsetzer ist. Es ist lediglich ein einzelner
Block 11 dargestellt, es sei jedoch bemerkt, daß zum
Realisieren eines Umsetzers mit vielen Bits mehrere der Stufe
von Block 11 entsprechende Stufen eingesetzt sein können.
Der Block 11 weist den bipolaren Transistor BT, den MOS-
Transistor MT und den Kondensator C von Figur 1 auf. Die
Anschlußklemme B von Figur 1 ist mit einer Versorgungsspanne
VEE und die Anschlußklemme A von Figur 1 ist mit einem
Schalter S verbunden, der ermöglicht, die erfindungsgemäße
Stufe mit einem der beiden Eingänge des
Ausgangs-Differentialverstärkers 14 zu verbinden.
-
In Figur 2 ist ebenfalls im Block 12 eine Schaltung zum
Polarisieren der Basis des bipolaren Transistors BT gezeigt.
Wie in der Figur gezeigt, weist diese Schaltung im
wesentlichen Strom-Spiegelschaltungen auf und ist dazu bestimmt,
den Transistor BT so zu polen, daß sein Kollektorstrom einen
Wert annimmt, der so genau wie möglich gleich dem doppelten
dem höchstwertigen Bit von Block 10 entsprechenden Strom
ist. Durch diese Schaltung 12 wird man unabhängig davon, daß
zwischen dem Emitter des bipolaren Transistors BT und der
Niederspannung VEE kein Widerstand 2R in Reihe geschaltet
ist.
-
Es sei bemerkt, daß der Umsetzer von Figur 2 lediglich zum
besseren Verständnis der Erfindung und zur Erläuterung des
Umsetz-Verfahrens unter Verwendung der erfindungsgemäßen
Stufen dient. Dabei ist zu beachten, daß der tatsächliche
Aufbau eines Umsetzers einen wesentlich komplizierteren
Schaltungaufwand erfordert, der hier aus Gründen der
einfacheren und klareren Darstellung nicht beschrieben ist.
-
Figur 3 zeigt beispielsweise eine mögliche Realisierung
einer erfindungsgemäßen Stufe 11 mit weiteren Einzelheiten.
In Figur 3 sind der MOS-Transistor MT und sein Gate-Anschluß
G, der Kondensator C und der Transistor BT dargestellt. Der
Transistor BT ist bezüglich des Stromes symmetrisch mit
einem nicht bezeichneten Transistor, der Teil des Blocks 12
von Figur 2 ist, verbunden. Auf herkömmliche Weise ist der
Schalter S mit zwei NPN-Transistoren realisiert, deren
Basen das dem Wert des Bits von Stufe 11 entsprechende
Signal und dessen komplementäres Signal empfangen.
-
Das Hauptmerkmal von Figur 3 ist, daß der Emitter des
Transistors BT nicht direkt mit der Niederspannung VEE, sondern
mit dieser Spannungsquelle über einen vertikalen bipolaren
PNP-Transistor 20 verbunden ist, dessen Emitter mit dem
Emitter des Transistors BT und dessen Kollektor mit der
Niederspannung VEE verbunden sind. Die Spannung am Emitter
dieses Transistors ist durch eine Regeleinrichtung
festgesetzt, die einen Verstärker 21 aufweist, dessen erster
Eingang (+) eine Bezugsspannung empfängt und dessen zweiter
Eingang (-) mit dem Emitter des Transistors 20 verbunden
ist und dessen Ausgang mit der Basis dieses Transistors
verbunden ist. Dieser Aufbau gewährleistet die
Unabhängigkeit von möglichen Schwankungen der Niederspannung VEE. Die
beschriebene Schaltungsanordnung stellt lediglich ein
Beispiel verschiedener Ausgestaltungen dar, gemäß derer die
Vorrichtung ausgeführt werden kann.
-
Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Eichverfahrens. In Figur 4 ist der Block 10 von Figur 2
dargestellt, der einem Digital/Analog-Umsetzer entspricht,
welcher Ströme I0 bis I8 abgibt, wobei der Strom I0 gleich
dem Strom I1 ist, der Strom I1 dem niederwertigsten Bit und
der Strom I8 dem hochwertigsten Bit entspricht. Ferner kann
jede Stufe mit einem Eingang ICAL eines differentiellen
Stromverstärkers mit Serienbetrieb AI verbunden werden.
-
Der Block 30 enthält Stufen, die der Stufe 11 von Figur 2
entsprechen. Hier sind vier Stufen dargestellt, die Stöme
I9 bis I12 liefern, welche den vier hochwertigsten
umzusetzenden Bits entsprechen. Dieser Block weist auch Eingänge
G9 bis G12 auf, die den Gates der MOS-Transistoren der
entsprechenden Stufen entsprechen, welche die Ströme I9 bis
I12 liefern. In der Zeichnung sind die Verbindungen so
dargestellt, wie es dem Eichen der den Strom I11 liefernden
Stufe entspricht. Der Ausgang des Verstärkers AI ist mit
einem Schalter SG11 am Gate G11 des MOS-Transistors
verbunden, der das Eichen des Stromes I11 ermöglicht.
-
In einer ersten (nicht gezeigten) Phase werden die Ströme
I0 bis I10 am Eingang ICAL angelegt, und der entsprechende
Wert wird vom Verstärker AI gespeichert. In einem zweiten
Schritt, der den Verbindungen von Figur 4 entspricht, wird
der Strom I11 an den Eingang des Verstärkers AI gelegt und
mit dem gespeicherten Wert verglichen. Das Fehlersignal am
Ausgang des Verstärkers AI wird an das Gate G11 angelegt,
um den Strom I11 auf einen Wert zurückzuführen, der gleich
der Summe der Ströme I0 bis I10 ist.
-
Die Genauigkeit der Regelung hängt also nur von der
Verstärkung des Verstärkers AI und möglichen Fehlern des
Nullpunktabgleichs dieses Verstärkers ab.
-
Ein Beispiel der Strom-Verstärker-Vergleicher-Schaltung mit
Serienbetrieb ist in Figur 5 gezeigt. Der Verstärker AI
weist selbst einen Differentialverstärker A1 auf, dessen
erster Eingang (+) mit Masse verbunden ist, dessen zweiter
Eingang (-) über einen Kondensator C1 mit einem Knoten N
verbunden ist und dessen Eingang über einen Schalter S3 mit
dem Ausgang verbunden ist. Der Knoten N ist über einen
Widerstand R1 mit einer positiven Betriebsversorgung VCC
verbunden und kann über Unterbrecher S1 und S2 an eine der
beiden Stromquellen IREF (IREF ist gleich der Summe der
Ströme I&sub0; bis I&sub1;&sub0;) und I&sub1;&sub1; angeschlossen sein, im gezeigten
Beispiel über Schalter S1 und S2. Die Schalter S1 und S2
werden in einer ersten Phase Φ1 gleichzeitig geschlossen,
und der Schalter S2 ist in einer zweiten Phase Φ2, während
derer die Schalter S1 und S3 offen sind, geschlossen.
-
Im Laufe der Phase Φ1 lädt sich also der Kondensator C1 mit
der Spannung VCC - R1IREF - VOS auf, wobei VOS die Spannung
der Nullpunktsverschiebung des Verstärkers A1 ist. Folglich
erhält man ab der zweiten Phase Φ2 am Ausgang des
Verstärkers A1 ein dem Wert R1(I&sub1;&sub1; - IREF) entsprechendes Signal
mit einer Kompensation der Spannung der
Nullpunktsabweichung.