CS258602B1 - Číslicovo-analógový převodník s prúdovými zrkadlami - Google Patents

Description

Vynálezom sa rieši zapojenie číslicovo-analógového prevodníka s prúdovými zrkadlami, v ktorom sa váhový príspevok každého jednobitového vstupu, k analogovému výstupu určuje len bipolářnymi tranzístormi.

V doteraz známých zapojeniach číslicóvo-analogových prevodníkov sa váhový príspevok jednobitových vstupov určuje výlučné bipolářnymi tranzístormi len při vstupných miestach s najmenšou váhou —obvykle pri 4 miestach. Je to dané tým, že bipolárne tranzistory v týchto vstupných miestach sú zapojené ako dělič prúdu, pri ktorom sa dosahuje relativné nízká přesnost delenia, vyplývajúca z konečnej hodnoty prúdového zosilííovacieho činitela bipolárneho tranzistora. Pri jednobitových miestach s váčšou váhou v týchto prevodníkoch sa váhový príspevok určuje najmenej jedným relativné přesným rezistorom. Na vytvorenie týchto rezistorov v monolitických číslicovo-analógových prevodníkoch je však potřebná vačšia plocha polovodičového substrátu a tým sa zvyšuje aj cena prevodníka.

Pri doteraz známom číslicovo-analógovom převodníku s prúdovými zrkadlami, v ktorom sa prúdové zrkadlá využívají! v bitových miestach s najvačšou váhou, sa na vytvorenie dvojíc susedných bitových miest využívá princip dynamického ustredňovania prúdov vo viacerých (4J paralelných vetvách. Z toho vyplývá relativné velká obvodová zložitosť prevodníka. Ďalej pri každom bitovom mieste tohto prevodníka sa využívajú dva přesné rezistory. Z obvodovej zložitosti a z použitia přesných monolitických rezistorov, ktoré vyžadujú relativné velká plochu polovodičového substrátu — vyplývá relativné velká celková plocha polovodičového substrátu monolitického prevodníka a tým aj jeho vysoká cena. Princip dynamického ustredňovania prúdov vyžaduje naviac použitie filtračných kapacitorov s relativné velkou kapacitanciou — aspoň pre polovicu bitových miest s vačšon váhou v převodníku. Tým sa zvyšujú nároky na zaberaný priestor, náročnost' montáže a celkovú cenu číslicovo-analogového prevodníka.

Podstata číslicovo-analógového prevodníka s prúdovými zrkadlami obsahujúceho n statických prúdových zrkadiel, pričom hlavně výstupy prúdových zrkadiel sú spojené s analógovými vstupmi logicky riadeného analógového súčtového obvodu, ktorý má n riadiacich vstupov pódia tohto vynálezu spočívá v tom, že n prúdových zrkadiel je zapojených do kaskády tak, že vstup prvého prúdového zrkadla je spojený s prvou vstupnou svorkou a jeho súčtový výstup je spojený so vstupom druhého prúdového zr258602 kadla a postupné až so vstupom n-tého prúdového zrkadla. Súčtový výstup n-tého prúdového zrkadla je spojený s druhou vstupnou svorkou. Výstup logicky riadeného analógového súčtového obvodu je spojený so vstupom prevodníka napaťovej úrovně. Výstup prevodníka napaťovej úrovně je spojený s výstupnou svorkou. Prúdové zrkadlá majú prúdové zosilnenie 1 t. j. prúd hlavného výstupu každého prúdového zrkadla má rovnakú hodnotu ako jeho vstupný prúd.

Hlavná výhoda zapojenia číslicovo-analógového prevodníka s prúdovými zrkadlami podía tohto vynálezu spočívá v tom, že je realizované len s bipolárnymi tranzistormi a tým sú pri jeho monolitickej realizácii zníŽené nároky na velkosť polovodičového substrátu.

Na výkresoch je na obr. 1 uvedené základné zapojenie číslicovo-analógového prevodníka s prúdovými zrkadlami podía vynálezu, na obr. 2 je příklad zapojenia tohto prevodníka s diódovým logicky riadeným súčtovým obvodom, na obr. 3 je iné zapojenie tohto prevodníka s logicky riadeným súčtovým obvodom s využitím diferenclálnych tranzistorových stupňov a na obr. 4 I = b₀ . I_o + 2bil„ + 4b2l₀ + .

kde b_k_i je dvojhodnotová premenná s hodnotami 0 a 1. b_k_i má hodnotu podía logického stavu na zodpovedajúcom logickom riadiacom vstupe súčtového obvodu. I„ je referenčný prúd. Číslicový vstupný údaj v binárnom kóde (b₀, bi . . . b_n_ij, kde b„ je bit s najmenšou váhou, sa prevádza na velkosť prúdu I podía vzťahu (1).

Prúdy z hlavných výstupov prúdových zrkadlel 11 až ln sa spínajú v logicky riadenom analógovom súčtovom obvode 2 do jeho výstupu podía vzťahu (1) kde I_o je referenčný prúd tečúci do vstupu prúdového zrkadla 11 a b₀ až b_n_! sú hodnoty logických signálov na svorkách Bi až B_n. Na jednu zo vstupných svoriek I_o, U_ sa připojuje zdroj napátia a na druhů z týchto svoriek sa připojuje zdroj prúdu. Orientácia vstupov a výstupov prúdových zrkadiel 11 až 1„ na obrázku 1, 2, 3 je zhodná s orientáciou na obr. 4. Prevodníkom napaťovej úrovně 3 sa umožňuje dosiahnutie róznych napáťových úrovní na výstupnej svorke I.

Na obr. 2 sú katódy diód 211, 212 v prvej dvojici diód 211, 212 spojené s hlavným výstupom prvého prúdového zrkadla 11 a postupné až katódy diód 2nl, 2n2 v n-tej dvojici diód 2nl, 2n2 sú spojené s hlavným je zapojenie Wllsonovho prúdového zrkadla.

Prúdové zrkadlá 11 až ln sú na obr. 1 zapojené do kaskády 1 tak, že vstup prvého prúdového zrkadla 11 je spojený s prvou vstupnou svorkou I_o, jeho súčtový výstup je spojený so vstupom druhého prúdového zrkadla 12 až postupné so vstupom n-tého prúdového zrkadla ln. Súčtový výstup prúdového zrkadla ln je spojený s druhou vstupnou svorkou U. Výstup logicky riadeného analógového súčtového obvodu 2 je spojený so vstupom prevodníka napaťovej úrovně 3. Výstup prevodníka napaťovej úrovne 3 je spojený s výstupnou svorkou I.

Zo súčtového výstupu každého prúdového zrkadla preto tečie do vstupu najbližšieho prúdového zrkadla v kaskádě dvojnásobná hodnota prúdu v porovnaní s jeho vstupným prúdom. Hodnoty prúdov v hlavných výstupoch prúdových zrkadiel sú preto odstupňované v pomere mocnin čísla 2. Logickým spínáním výstupných prúdov prúdových zrkadiel do spoločného bodu v súčtovom obvode sa dosahuje, že výstupný prúd súčtového obvodu má hodnotu:

. + . I_o; - (1) výstupom n-tého prúdového zrkadla ln. Anóda prvej diódy 212 je spojená so vstupnou svorkou Bi až postupné anoda n-tej diódy 2n2 je spojená so svorkou B_n. Anódy diód 211 až 2nl sú spojené so súčtovým výstupom prúdového zrkadla 31, ktorého hlavný výstup je spojený s výstupnou svorkou I. Vstup prúdového zrkadla 31 je spojený s anódou prvku 32 s referenčným napátím, ktorý móže byť realizovaný štvoricou sériovo spojených diód zapojených v priepustnom smere. Katóda prvku 32 s referenčným napátím je spojená so svorkou s nulovým potenciálom. Medzi anódu prvku s 32 s referenčným napátím a napájaciu svorku V+ je zapojený prvok 33 s obmedzením prúdu, ktorým móže byť například rezistor. Výstupné svorky zapojenia sú svorky I a U+.

Na súčtovom výstupe prúdového zrkadla 31 je potenciál : U_c — 4U_Dr — 2U_BE{I), kde 4U_Dk je napátie na prvku 32 s referenčným napátím; U_BE(I) je napátie na priechode báza—emitor tranzistorov v prúdovom zrkadle 31 pri kolektorovom prúde I. Ak je na svorke B_k a tým aj na anóde diódy 2k2 riadiace napátie s vysokou úrovňou; pričom predpísaná hodnota tohto napátia je:

je dióda 2kl nevodívá a príspevok ku prúdu tečúcemu zo súčtového výstupu prúdového zrkadla 31 je nulový. Výstupný prúd prúdového výstupu prúdového zrkadla 31 je nulový. Výstupný prúd prúdového zrkadla lk . c) + UDÍ2-¹ . I_omin) tečie cez vodivú diódu 2k2 z riadiacej svorky B_k. Ak je na anóde diódy 2k2 riadiace napátie s nízkou úrovňou; pričom predpísaná hodnota tohto napátia je:

258B02

6

U_L ž 4Udr - 2U_be [ . (2ⁿ - 1) Iomax] - UD(2^n_1 . Iomaxj c + l je dioda 2k2 nevodivá a výstupný prúd prúdového zrkadla Ik tvoří príspevok ku prúdu tečúcemu zo súčtového výstupu prúdového zrkadla 31 . c je prúdový přenos t. j. poměr prúdu hlavného výstupu a vstupného prúdu prúdového zrkadla 31. c móže mať aj inú hodnotu než 1. U_D je napatie na dióde v priepustnom smere. I_on)in, I_omax sú krajné hodnoty referenčného prúdu I_o tečúceho do vstupu prúdového zrkadla 11. Výsledkem je logické riadenie toku prúdu hlavného výstupu prúdového zrkadla Ik cez súčtový výstup prúdového zrkadla 31. Medzi výstupnými svorkami I a U+ potom tečie prúd c + l

---. I, kde prúd I je určený vzťahom (1). Predpísané hodnoty úrovní napátia na svorkách Bi až B_n vyplývajú z předpokladu, že na nevodívej dióde je nulové napatie, alebo napatie v závernom smere.

Na obr. 3 je hlavný výstup prvého prúdového zrkadla 11 spojený s napájacím vstupom prvého diferenciálneho stupňa 21 až hlavný výstup n-tého prúdového zrkadla ln je spojený s napájacím vstupom n-tého diferenciálneho stupňa 2n. Prvý vstup prvého diferenciálneho stupňa 21 je spojený so svorkou Bi až prvý vstup n-tého diferenciálneho stupňa 2n je spojený so svorkou B_n.

Druhé vstupy diferenciálnych stupňov 21 až 2n sú spojené s anodou prvku 31 s referenčným napátím. Prvé výstupy diferenciálnych stupňov 21 až 2n sú spojené s prvou výstupnou svorkou I₊ a druhé výstupy diferenciálnych stupňov sú spojené s druhou výstupnou svorkou I_.

Ak je na svorke B_k riadiace napatie s vysokou úrovňou, prúd hlavného výstupu prúdového zrkadla lk tečie cez prvý výstup diferenciálneho stupňa 2k zo svorky I+. Ak je na svorke B_k riadiace napatie s nízkou úrovňou, prúd hlavného výstupu prúdového zrkadla lk tečie cez druhý výstup diferenciálneho stupňa 2k zo svorky I_. Přitom k = 1, 2, . . . n. Medzi svorkami 1+ a U+ tečie prúd I, určený vzťahom (1) a medzi svorkami I_ a U+ tečie doplnok prúdu I do hodnoty (2 — 1) . I_o.

Číslicovo-analógový převodník podl'a vynálezu možno použit na automatickú korekciu chýb prvkov analógovej techniky — zosilňovačov a číslicovo-analógových prevodníkov s relativné vačšou presnosťou. Převodník přitom može byť súčasťou monolitického integrovaného obvodu, predstavujúceho tento prvok. Zapojenie je možné využiť aj ako programovatelný prúdový zosilňovač.

Claims (4)

1. Číslicovo-analógcvý převodník s prúdovými zrkadlami, obsahujúci n statických prúdových zrkadiel, pričom hlavně výstupy prvého až n-tého prúdového zrkadla sú spojené s analogovými vstupmi logicky riadeného analogového súčtového obvodu, ktorý má n riadiacich svoriek, vyznačujúci sa tým, že n prúdových zrkadiel je zapojených do kaskády (1), pričom vstup prvého prúdového zrkadla (11) je spojený s prvou vstupnou svorkou (I_o), zatial' čo jeho súčtový výstup je spojený so vstupom druhého prúdového zrkadla (12) až jeho hlavný výstup je spojený až so vstupom n-tého prúdového zrkadla (ln), kde jeho súčtový výstup je spojený s druhou vstupnou svorkou (U_) a že výstup logicky riadeného analogového súčtového obvodu (2) je spojený so vstupom prevodníka napaťovej úrovně (3J, ktorého výstup je spojený s výstupnou svorkou (I).

2. Číslicovo-analógový převodník s prúdovými zrkadlami podl'a bodu 1, vyznačený tým, že katody diod (211, 212} v prvej dvojici diod (211, 212) sú spojené s hlavným výstupom prvého prúdového zrkadla (11) až katody diod (2nl, 2n2) v n-tej dvojici diod (2nl, 2n2) sú spojené s hlavným výstupom n-tého prúdového zrkadla (ln), pričom anóda prvej diódy (212] je spojená s prvou svorkou (Bi), až anóda n-tej diódy (2n2) je

VYNALEZU spojená s n-tou svorkou (B_n), zatial' čo anody diod (211 až 2nl) sú spojené so súčtovým výstupom prúdového zrkadla (31), ktorého hlavný výstup je spojený s výstupnou svorkou (I) a ktorého vstup je spojený s anódou prvku (32] s referenčným napátím, ktorého katóda je spojená so svorkou s nulovým potenčiálom, pričom medzi vstup prúdového zrkadla (31) a napájaciu svorku (U₊) je zapojený prvok (33) s obrnedzením prúdu.

3. Číslicovo-analógový převodník s prúdovými zrkadlami podl'a bodu 1, vyznačený tým, že hlavný výstup prvého prúdového zrkadla (11) je spojený s napájacím vstupom prvého diferenciálneho stupňa (21) až hlavný výstup n-tého prúdového zrkadla (ln) je spojený s napájacím vstupom n-tého diferenciálneho stupňa (2n), že prvý vstup prvého diferenciálneho stupňa (21) je spojený s prvou svorkou (Bi) až prvý vstup n-tého diferenciálneho stupňa (2n) je spojený s n-tou svorkou (B_n), zatial' čo druhé vstupy diferenciálnych stupňov (21 až 2n) sú spojené s anodou prvku (31) s referenčným napátím, pričom prvé výstupy diferenciálnych stupňov (21 až 2n) sú spojené s prvou výstupnou svorkou (1+), zatial' čo ich druhé výstupy sú spojené s druhou výstupnou svorkou (I_).