Brevet FR2070883A1 — publié le 19710917

- 1 - 2070883 La présente invention concerne les circuits électroniques et plus particulièrement un convertisseur numérique-analogique utilisant les transistors à effet de champ pour convertir une information numérique en un courant ou une tension analogique. 5 Les récents progrès de la microélectronique et notamment des techniques MOS (métal-oxyde-semiconducteur) ont ouvert la porte à de nouvelles solutions de' conception et de réalisation de divers types de circuits électroniques. Il est en particulier souhaitable de pouvoir réaliser un circuit ou un système intégré 10 complet sur un substrat semiconducteur unique, ainsi que de pouvoir faire fonctionner les composants du circuit ou du système avec les tensions fournies par la logique des circuits intégrés. La présente invention a donc pour objet un circuit convertisseur numérique-analogique convenant mieux aux techniques des 15 circuits intégrés, que les réalisations antérieures. Le convertisseur numérique-analogique de l'invention est réalisé sur un seul substrat semiconducteur, ou même sur une petite partie d'un tel substrat, et peut fonctionner avec les niveaux de tension fournis par la logique des circuits intégrés. L'invention permet 20 donc de réaliser un convertisseur numérique-analogique d'encombrement et de poids très réduits, qui est en outre relativement insensible à des variations importantes 'de la température ambiante. Selon une caractéristique essentielle de 1'invention, un convertisseur numérique-analogique comprend plusieurs transistors 25 à effet de champ utilisés comme résistances commutées et dont les canaux de conduction sont connectés en parallèle. Lorsqu'une tension essentiellement uniforme à un premier niveau prédéterminé est appliquée aux: électrodes de commande respectives des résistances commutées, chacune d'elles devient con-30 ductrice avec une résistance R qui est liée aux résistances voisines par une relation mathématique prédéterminée. Lorsqu'une tension uniforme à un second niveau prédéterminé est appliquée aux électrodes de commande respectives des résistances' commutées, ces dernières deviennent essentiellement non conductrices. Un 35 circuit de transfert reçoit les signaux numériques d'entrée et, à l'apparition d'un signal de commande de transfert, applique sélectivement aux électrodes de commande respectives des résis 70 45262 - 2 - 2070883 tances commutées une tension au premier ou au second niveau prédéterminé mentionné ci-dessus, en fonction de la valeur des signaux numériques d'entrée. Le. circuit de sortie-relié aux ca-naux*de conduction des résistances commutées fournit un signal 5 analogique représentatif de la somme des courants qui y circulent. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description détaillée qui suit et de la figure ionique qui représente schématiquement un convertisseur numérique-analogique .conforme aux principes de l'invention. 10 Le convertisseur numérique-analogique de l'invention utilise un réseau résistif en échelle 10 composé d'une série de dispositifs résistifs pondérés pouvant être^sélectivement mis en paral-. - x ou en être coupés lele entre deux lignes 6 et 8/.La ligne 6 est reliée a un point de référence de potentiel, tel que la masse, et la ligne 8 est' 15 reliée au circuit fournissant le signal analogique de sortie du convertisseur. Chaque dispositif résistif comprend un transistor à effet de champ utilisé comme résistance commutée. Comme le montre la figure, les canaux source-drain de plusieurs transistors à effet de champ 12, 14, 16 et 18 sont connectés en parallèle 20 entre les lignes 6 et 8. Il va de soi, bien que le schéma ne comporte que quatre dispositifs résistifs, que ce nombre est purement illustratif et que le nombre de dispositifs résistifs que comprend un convertisseur particulier n'est déterminé que par le nombre de bits des mots qu'il doit convertir. 25 Lé premier transistor à effet de champ 12 qui est associé comme résistance commutée au bit de plus haut rang du mot numérique d'entrée, est calculé de façon que, lorsqu'il est polarisé pour conduire à un point de fonctionnement prédéterminé de la région linéaire de sa caractéristique tension-courant, son canal 30 source-drain ait une résistance prédéterminée R.. Le second transistor à effet de champ 14, qui est associé comme résistance commutée au second bit du mot numérique d'entrée, est calculé de façon que, lorsqu'il est polarisé conducteur à une tension de grille égale à la polarisation du transistor 12 au point de fonctionne-35 ment mentionné ci-dessus, son canal source-drain ait une résistance liée à la résistance R par une relation mathématique prédéterminée . I 70 45262 - 3 - •2070883 Dans la forme préférée de l'invention illustrée sur la figure, le convertisseur est prévu -pour transformer un mot numérique binaire en une tension ou en un courant analogique, c'est-à-dire proportionnel à la valeur numérique du mot,"de sorte que 5 la relation mathématique prédéterminée soit une progression géométrique de raison 2. En appliquant cette relation, lorsque le transistor 14 est polarisé conducteur avec une tension de grille égale à celle du transistor 12 au point de fonctionnement mentionné ci-dessus, le canal source-drain du transistor 14 doit 10 avoir une résistance de 2R. Cette résistance peut être obtenue en dessinant le canal du transistor 14 avec un rapport largeur sur longueur deux fois plus petit que celui du transistor 12. De même,, le troisième transistor à effet de champ 16, qui est associé comme résistance commutée au troisième bit du mot numérique 15 d'entrée, doit avoir un canal dont le rapport largeur/longueur est quatre fois plus petit que celui du transistor 12, de façon que, lorsque le transistor 16 est polarisé conducteur à une tension de grille égale à celle du transistor 12 au point de fonctionnement mentionné plus haut, son canal source-drain ait "une \ 20 résistance de 4R. Le ne-e transistor à effet de champ 18, qui est N associé comme résistance commutée au n - chiffre à partir de la gauche du mot numérique d'entrée, doit avoir un canal dont le rapport largeur/longueur est de 1/2 ^ fois celui du'premier tran- N * ©3316 sistor 12, Ainsi, lorsque le n transistor est polarisé conduc-25 teur avec la tension de grille mentionnée, plus haut, la résistance de son canal source-drain est de 2 ^n~^R. Il est évident que, bien que dans la forme préférée décrite les résistances du réseau en échelle soient pondérées proportion- 2 * nellement à la progression de R , n'importe quelle relation ma- 30 thématique peut être utilisée pour le calcul de ces résistances, sans s'écarter des principes de l'invention. Ainsi, si le premier transistor à effet de champ 12 fournit une résistance R, le second 2 transistor 14 peut avoir une résistance R , le troisième transistor 16 une résistance R^ et le ne-e transistor 18 une résistance 35 Rn. Une telle relation mathématique peut être obtenue en donnant aux canaux des transistors à effet de champ 14, 16 et 18 un rapport largeur/longueur inversement proportionnel au rapport des 70 45262 - 4 - 2070883 résistances ci-dessus à celle du premier transistor 12. Les résistances des transistors à effet de champ 12, 14» 16 et 18 sont sélectivement connectées et déconnectées du réseau en échelle 10 au moyen de dispositifs de transfert 22, 24, 26 et 5 28. Dans une forme préférée de l'invention, les dispositifs de transfert 22, 24, 26 et 28 sont d'autres transistors à effet de champ dont les canaux source-drain respectifs sont connectés entre les grilles des résistances commutées 12, 14, 16 et 18 et les bornes respectives 32, 34, 36 et 38 qui reçoivent les premier, second, N 10 troisième et n - bits à partir de la gauche d'un mot numérique . d'entrée. Les signaux binaires respectifs peuvent par exemple provenir des étages correspondants d'un registre de mémoire. Le convertis-seur numérique-analogique décrit peut être basé sur 'une logique dans laquelle l'état "0" est représenté par zéro 15 volt et l'état "1" est représenté par une tension négative -V qui peut, par exemple, être -7 volts. Oh remarquera cependant, qu'étant donné que les tensions de grille des résistances commutées respectives 12, 14, 16 et 18 doivent être uniformes pour obtenir les résistances relatives désirées de leurs canaux respectifs source-20 drain lorsqu'elles sont conductrices, le potentiel numérique d'entrée -V appliqué aux bornes 32, 34, 36 et 38 doit être régulé avec une extrême précision. Pour appliquer les signaux binaires des bornes 32, 34, 36 et 38 aux grilles respectives des résistances commutées 12, 14, 25 16 et 18 au moment voulu, les transistors de transfert 22, 24, 26 et 28 sont rendus conducteurs par un signal commun de transfert reçu à la borne 40 et appliqué à leurs grilles. Dans l'exemple mentionné précédemment où les potentiels des signaux logiques sont 0 et -7 volts, l'impulsion de transfert peut être de -13 volts. 30 les potentiels appliqués aux grilles respectives des résistances commutées 12, 14, 16 et 18 à l'apparition d'un signal de transfert à la borne 40 restent présents sur leurs électrodes respectives jusqu'à l'apparition du signal de transfert suivant à cause de la capacité d'entrée inhérente ou parasite des grilles des transis-35 tors 12, 14, 16 et 18. Cette capacité est représentée sur la figure par des condensateurs 42, 44, 46 et 48 connectés entre les grilles respectives des transistors 12, 14, 16 et 18 et la masse. 70 45262 - s - 2070883 Un courant analogique de sortie d'amplitude proportionnelle à la valeur numérique du mot d'entrée apparaît sur la ligne 8 et peut être mesuré par un ampèremètre ou un autre dispositif de mesure de courant. Cependant, dans la forme préférée de l'invention illustrée sur la figure, on obtient une tension analogique de sortie en reliant la ligne 8 à l'entrée inversée d'un amplificateur opérationnel 50 dont la sortie est reliée à une borne 52 sur laquelle apparaît la tension analogique de sortie. Une résistance contre-réaction 54 relie la sortie 52 à l'entrée inversée de l'amplificateur opérationnel 50 dont l'entrée non inversée est reliée à une source d'alimentation 56 qui fournit un potentiel V^. Le potentiel sert de polarisation pour le réseau en échelle 10 car le potentiel de l'entrée inversée de l'amplificateur 50 (c'est-à-dire le potentiel de la ligne 8) est maintenu par la boucle de contre-réaction à une valeur essentiellement égale au potentiel de l'entrée non inversée 56. La polarisation est choisie de façon que, lorsque les résistances commutées 12, 14, 16 et 18 sont conductrices, elles fonctionnent dans la région linéaire de leur caractéristique tension-courant. Pour un potentiel de grille de -7 volts (qui représente le niveau logique "1" dans l'exemple choisi ci-dessus), et pour un potentiel de seuil des résistances commutées (entre la conduction et la non conduction) de -2 volts, la polarisation "V^ du réseau en échelle peut être de -2 volts. Dans le convertisseur numérique-analogique de l'invention, en l'absence d'un signal de transfert appliqué à la borne 40, chacun des transistors à effet de champ 22, 24, 26 et 28 est non conducteur, que le potentiel de la borne d'entrée 32, 34, 36 et 38 représente un "1" ou un "0" logique. Lorsque l'impulsion de trans-r fert est appliquée à la borne 40, chacun des transistors à effet de champ 22, 24, 26 et 28 conduit à saturation et les potentiels des bornes 32, 34, 36 et 38 sont transférés aux grilles respectives des transistors à effet de champ 12, 14, 16 et 18.qui fonctionnent en résistances commutées. ■ En utilisant la logique décrite ci-dessus dans laquelle l'otat "0" est représenté par un potentiel de 0 volt et l'état "1" par un potentiel de -7 volts, lorsqu'un potentiel logique "0" est 70 45262 - s - 2070883 appliqué aux bornes 32, 34, 36 et 38, l'impulsion de transfert suivante appliquée à la borne 40 provoque la transmission d'un potentiel essentiellement égal à 0 volt à la grille des résistances commutées associées 12, 14, 16 et 18. Le canal source-5 drain de la résistance commutée ne conduit aucun" courant de sorte que l'on peut considérer qu'elle est effectivement déconnectée des lignes 6 et 8 du; réseau en 'échelle 10. Par contre, lorsqu'un potentiel logique -"1" est présent à l'une des bornes d'entrée 32, 34, 36 ou 38, l'impulsion de transfert suivante appliquée 10 à la borne 40, provoque l'application d'un potentiel de -7 volts à la grille de la résistance commutée associée 12, 14, 16 ou 18. Ce potentiel rend conductrice la- résistance et le courant qui circule dans son canal source-drain connecte électriquement la résistance en question entre les lignes 6 et 8 du réseau en 15 échelle. Ainsi, lorsque le nombre numérique d'entrée à convertir en un signal analogique, est 0 (c'est-à-dire lorsque des potentiels logiques "0" sont appliqués à chacune des bornes 32, 34, 36 et 38), toutes les résistances commutées 12, 14, 16 et 18 sont non 20 conductrices. Aucun courant ne circule donc dans la ligne 8 et le potentiel de la borne de sortie 52 est à son niveau minimal. Lorsqu'un potentiel logique "1" est appliqué à l'entrée 32 et lorsque des potentiels logiqués "0" sont appliqués aux autres entrées 34, 36 et 38, seule la première résistance commutée 12 25 est rendue conductrice par l'impulsion de transfert-. Un courant d'intensité essentiellement égale à V^/R" circule donc dans la ligne 8 et une tension correspondante apparaît à la borne de sortie 52. Lorsqu'un potentiel logique "1" est présent à la seconde 30 entrée 34 et lorsque des potentiels logiques "O" sont présents sur les autres entrées 32, 36 et 38, seule la résistance commu-• tée 14 est rendue conductrice par l'impulsion de transfert. Un courant d'intensité essentiellement égale à V^/2R circule dans la ligne 8 et une tension correspondante apparaît à la borne de 35 sortie 52. La présence d'un bit "1" à la borne d'entrée 34 provoque donc l'apparition d'un courant analogique d'intensité deux fois plus faible que celle d'un courant produit par la présence 70 45262 2070883 d'un bit "1" à l'entrée 32, de sorte qu'une conversion numérique-analogique précise peut être réalisée car le bit qui est associé à l'entrée 34 a un poids deux fois plus faible que celui qui est associé à l'entrée 32. 5 On peut poursuivre le même raisonnement en supposant qu'un 6St potentiel logique "1"/présent à l'entrée 36 et que des potentiels logiques "0" sont présents aux autres entrées 32, 34 et 38, auquel cas un courant dent l'intensité est égale à V^/4R apparaît dans la ligne 8. Lorsqu'un potentiel logique "1™ est présent à l'entrée 10 38 et lorsque des potentiels logiques "0" sont présents aux autres entrées 32, 34 et 36, il apparaît dans la ligne 8 un courant d'intensité égale, à V^/2^n-1^R. Lorsque des potentiels logiques "1" sont présents aux entrées 32 et 34, les entrées 36 et 38 recevant des potentiels "0", les résistances 12 et 14 sont conductrices 15 et le courant qui circule dans la ligne 8 a une intensité égale à 3"V^/2R. le courant analogique qui circule dans la ligne 8 (et la tension analogique correspondante à la borne de sortie 52) est donc proportionnel à la valeur du mot numérique qui est appliquée aux bornes d'entrée 32, 34, 36 et 38. 20 Toutes les résistances commutées à effet de champ 12, 14, 16 et 18, tous les transistors à effet de champ de transfert 22, 24, 26 et 28 et toutes les lignes d'interconnection peuvent être réalisés sur un seul substrat semiconducteur par la technologie M0S (métal-oxyde-semiconducteur). La présente invention permet 25 donc de réaliser des convertisseurs numérique-analogique d'encombrement et de poids' extrêmement réduits. De plus, ces convertisseurs numérique-analogique sont non seulement de conception simple, mais également insensibles à de larges variations de température. 30 II va de soi que la présente invention a été décrite ci- dessus à titre purement indicatif mais nullement limitatif, et que l'on pourra lui apporter toutes modifications de détail conformes à son esprit sans sortir de son cadre. 70 45262 - 8 - 2070883 REVENDICATIONS 1 - Convertisseur numérique-analogique, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs transistors à effet de champ utilisés comme éléments résistifs commutés et ayant chacun un canal de 5 conduction de courant et une électrode de commande, les canaux de conduction respectifs des éléments résistifs commutés étant connectés en parallèle, le canal d'un premier élément résistif commuté ayant une résistànce R lorsqu'une tension égale à un premier niveau prédéterminé est appliquée à son électrode de com-10 mande, le canal de chaque autre élément résistif commuté devenant conducteur avec une résistance différente, liée à la résistance R par une relation mathématique prédéterminée, lorsqu'une tension égale au premier niveau prédéterminé est appliquée à son électrode de commande, chaque élément résistif commuté étant essentiel-15 lement non conducteur lorsqu'une tension égale à un second niveau uniforme prédéterminé est appliquée à son électrode de commande, des dispositifs de transfert recevant les signaux numériques d'entrée et, à l'apparition d'un signal de transfert, appliquant sélectivement aux électrodes de commande respectives des éléments 20 résistifs commandés une tension égale au premier ou au second niveau prédéterminé, selon l'état des signaux numériques d'entrée, un circuit de sortie étant relié aux canaux de conduction des éléments résistifs commandés pour fournir un signal analogique représentant la somme des intensités qui circulent dans leurs ca-25 naux de conduction. 2 - Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le canal de chacun des éléments résistifs commutés .autre que le premier a un rapport largeur/longueur qui est lié au rapport largeur/longueur du premier élément résistif par la relation 30 inverse de ladite relation mathématique prédéterminée. 3 - Convertisseur selon la revendication î, caractérisé en ce que les dispositifs de transfert comprennent plusieurs transistors à effet de champ ayant chacun un canal de conduction et une électrode de commande, les canaux de conduction de ces tran- 35 sistors étant connectés entre les entrées numériques respectives et les électrodes de commande respectives des éléments résistifs commutés, un circuit appliquant un signal 'commun de transfert aux 70 45262 -9 - 2070883 électrodes de commande de chacun desdits transistors. 4 - Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit comprend un amplificateur opérationnel ayant une entrée inversée, une entrée non inversée et une sortie, l'en- 5 trée inversée étant reliée à l'une des extrémités des canaux de conduction de chacun des éléments résistifs commutés, une source de potentiel étant connectée entre l'entrée non inversée et l'au-. tre extrémité de chacun desdits canaux de conduction, une résistance de contre-réaction reliant la sortie de l'amplificateur 10 opérationnel à son entrée inversée. 5 - Convertisseur numérique-analogique caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs transistors à effet de champ utilisés comme éléments résistifs commutés et ayant chacun un canal de conduction et une électrode de commande, les canaux de conduction 15 respectifs des éléments résistifs commutés étant connectés en parallèle, la conduction du canal de chaque élément résistif se faisant avec une résistance R. = 2^n-^ lorsqu'une tension est appliquée à son électrode de commande à un premier niveau uniforme prédéterminé, R étant une résistance prédéterminée et n un 20 entier positif identifiant l'élément résistif en question, chaque M ïViù m t. i f r'I.iitit, oîir.ontiol l ornent non conducteur lorsqu'une tension est appliquée à son électrode de 'commande à un second niveau uniforme prédéterminé, des dispositifs de transfert recevant les signaux numériques d'entrée'et, à l'apparition d'un si-25 gnal de transfert, appliquant sélectivement aux; électrodes de commande des éléments résistifs une tension essentiellement égale au premier ou au second niveau prédéterminé, selon l'état des signaux numériques d'entrée, un circuit de. sortie étant.relié aux canaux de conduction des éléments résistifs commutés pour fournir 30 un signal analogique représentatif de la somme des intensités qui circulent dans lesdits canaux. 6 - Convertisseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque transistor à effet de champ utilisé comme élément résistif commuté et pour lequel l'entier n est supérieur à l'.uni- 35 té, à tua canal dont le rapport largeur/longueur est essentiellement égal à l/2^n~1^ fois celui du canal de l'élément résistif qui est identifié par l'entier 1. 70 45262 -io- 2070883 7 - Convertisseur selon la revendication 5, caractérisé en ce' que les dispositifs de transfert comprennent plusieurs transistors à effet de champ ayant chacun un canal de conduction et une électrode de commande, les canaux de conduction de ces transistors étant connectés entre les entrées numériques respectives et les électrodes respectives des éléments résistifs commutés, un circuit appliquant un signal commun de transfert aux électrodes de commande de chacun desdits transistors. 8 -.Convertisseur selon la revendication 5, caractérisé en-ce que le circuit comprend un amplificateur opérationnel ayant une entrée inversée, une entrée non inversée et une sortie, l'entrée inversée étant reliée à l'une des extrémités des canaux de conduction de chacun des éléments résistifs commutés, une source de potentiel étant connectée entre l'entrée non inversée et l'autre extrémité de chacun desdits canaux de conduction, une résistance de contre-réaction reliant la sortie de 1'amplificateur opérationnel à son entrée inversée. -,