MONOLITHIC INTEGRATED DA CONVERTOR WITH BIPOLAR TRANSISTORS

Abstract: 1. Monolithic integrated D/A converter comprising bipolar current-source transistors (Tq) whose base regions are jointly connected to a reference voltage (Ur) and whose emitter regions are each connected through an emitter resistor (Rq) to a forward-voltage source (-Up) and which consist in part of similar current-source transistor units and whose individual collector regions are connected to the emitters of a least one pair of bipolar switching transistors which serve to switch the currents of the individual current-source transistors (Tq) between ground potential (Uo) and the output (A) and consist in part of pairs of similar switching-transistor units, with - the base terminals of the first transistors (T1) of the switching-transistor pairs connected each to one of the bit lines (E), - the collector terminals of these first transistors connected jointly to ground potential (Uo), - the base terminals of the second transistors (T2) of the switching-transistor pairs connected jointly to the output of a voltage source (Ut), and - the collector terminals of the second transistors connected to the output (A) of the converter, characterized in that - the converter is divided into a first N-bit converter section (I) with weighted resistors and a second M-bit converter section (II) with weighted currents, in which second converter section (II) the collector terminals of the second transistors (T2') are all together connected directly to the output (A) of the converter, - in the first converter section (I), n resistors are connected in series between ground potential (Uo) and the output (A), the first of which (R1) has a value of Ro, while the other (R2-Rn) have the values Rn=2**n-2. Ro for n=2, and - each of the nodes of the n resistors (R1 ... Rn) is connected to the collector terminal of the second transistor (T2) of one of the switching-transistor pairs, while that terminal of the last resistor (Rn) located on the output side is connected to the output (A) directly and to the collector of the second transistor (T2) of the nth switching-transistor pair, so that the collectors of the second transistors (T2) in the first converter section (I), with the exception of that at the output end, are connected to the output (A) through at least one of the resistors R2 to Rn.

Description: Monolithisch integrierter D/A-Wandler mit bipolaren Transistoren Die Erfindung beschäftigt sich mit einem integrierten D/A Wandler mit bipolaren Transistoren als Stromquellentransistoren und Schaltertransistoren für schnelle D/A Wandlungen im MHz-Bereich. Bei der Wahl des Typs eines solchen Wandlers spielt, wie allgemein bei einer monolithischen Integration bekannt ist, die benötigte Fläche an Halbleiterplattenmaterial eine Rolle, da mit geringer werdendem Flächenbedarf die Ausbeute pro Platte steigt. Bei D/A-Wandlern des Typs mit gewichteten Stromquellen wird dieses Problem nach der DE-AS 28 03 099 dadurch gelöst, dass nicht nur eine der Wertigkeit der Stromquellen entsprechende Anzahl von gleichartigen parallelgeschalteten Stromquellentransistoren sondern auch noch Schaltertransistoren verwendet werden, welche in gleicher Weise aus parallelgeschalteten gleichartigen Schaltertransistoreinheiten bestehen. Unter dem Begriff der "Gleichartig- keit" sollen hier und im folgenden Halbleiterkomponenten fallen, welche identische Abmessungen und identische Verläufe der Störstellenkonzentration (Dotierungsprofile) aufweisen, wie es sich bezüglich der Störstellenprofile bei gleichzeitiger Herstellung der Zonen ergibt. D/A-Wandler des Typs der gewichteten Stromquellen haben aber den Nachteil, dass schon bei wenigen Bits von etwa 5 der Flächenbedarf und damit auch die Kapazitäten für eine schnelle D/A-Wandlung gross werden. Gleiches gilt für D/A-Wandler mit Widerstandsnetzwerken entsprechend dem Buch von U.Tietze und Ch.Schenk " "Halbleiter-Schaltungs- technik" (1980), Seiten 635 bis 637. Werden D/A-Wandler dieses Typs nämlich monolithisch integriert, dann steigt mit steigender Bitanzahl der zur Realisierung der Widerstände erforderliche Flächenbedarf mit den RC-Produkten, falls zur Erzielung monotoner Wandlerkennlinien parallel oder in Serie geschaltet Widerstände gleicher Struktur und Dotierungsprofile verwendet werden. Es dürfte einleuchten, dass ein monolithisch integrierter D/A-Wandler mit grösserem Flächenbedarf infolge vieler Widerstände im Netzwerk, naturgemäss schon aufgrund der PN-Kapazitäten relativ langsam ist. Bei schnellen D/A-Wandlern soll die Summation der Einzel spannungen im Kollektorkreis möglichst wenig von RC-Kettenleitern beeinflusst werden. Diese begrenzen den Frequenzbereich des Wandlers. Es ist bei schnellen D/A-Wandlern ferner erwünscht, bitweise gleiche Schaltzeiten zu erhalten, um eine Bitüberlappung (glitches) zu verhindern. Eine Lösung dieses Problems liegt daher im Rahmen der Erfindung. Aufgabe der Erfindung ist die Aufgabe eines monolithisch integrierten D/A-Wandlers mit einem ausgangsseitig möglichst kleinem RC-Produkt, der die oben genannten Nachteile bekannter Wandler weitgehend vermeidet, insbesondere für Bitzahlen von mehr als 5. Die Erfindung geht aus von dem aus "A User's Handbook of D/A and A/D Converters" von Eugene R.Hnatek (1976) Seite 106, Fig. 4/19, bekannten monolithisch integrierten D/A-Wandler mit bipolaren Stromquellentransistoren, welche teilweise aus parallelgeschalteten gleichartigen Stromquellentransistoreinheiten bestehen und deren Basis zonen an einer Referenzspannung liegen, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bei diesem monolithisch integrierten D/A-Wandler liegen die Kollektoranschlüsse der zweiten Transistoren jedes der Paare der bipolaren Schaltertransistoren, welche Differenzverstärker bilden, unmittelbar am Ausgang des Wandlers. Beim Wandler nach der Erfindung wird dagegen von' dem Prinzip abgegangen, sämtliche Kollektoranschlüsse der zweiten Transistoren der Paare von bipolaren Schaltertransistoren unmittelbar an den Ausgang des Wandlers zu legen. Die Erfindung betrifft somit einen monolithisch integrierten D/A-Wandler gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bei der Erfindung wird von dem Grundgedanken ausgegangenr zur Ersparnis von Halbleiteroberfläche den Wandler in einen ersten Wandlerteil mit gewichteten Widerständen und in einen zweiten lZandlerteil mit gewichteten Strömen auf zu teilen. Die oben genannte Aufgabe der Angabe eines monolithisch integrierten wirdD/A-Wandler mit einem ausgangsseitig kleinen RC Produkt erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Ausbildung gelöst. Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert deren Fig. 1 das Schaltbild des bekannten D/A-Wandlers der eingangs genannten Literaturstelle veranschau licht, von dem bei der Erfindung ausgegangen wird und deren Fig. 2 das Schalbild eines bevorzugten Ausführungs beispiels des monolithisch integrierten D/A Wandlers nach der Erfindung zeigt. Beim bekannten D/A-Wandler gemäss der Fig. 1 sind, wie beim Wandler nach der Erfindung, bipolare Stromquellentransistoren Tq1 bis Tq4 vorgesehen, welche bis auf den Stromquellentransistor für das LSB zur Stromaufteilung in Stromquellentransistoreinheiten Tq' aufteteilt sind. Die Basiszonen der Stromquellentransistoren Tq1 bis Tq4 bzw. die Stromquellentransistoreinheiten Tq' liegen an einer Referenzspannung Ur, mittels derer die Grösse der Schaltströme und damit die Ausgangsspannung Va des Wandlers festgelegt wird. Die Emitterzonen der Stromquellentransistoren Tq1 bis Tq4 sind über je einen Emitterwiderstand Rq mit unterschiedliegen Widerstandswerten mit einer Flussspannungsquelle Up positiven Vorzeichens bezüglich der PNP-Stromquellentransistoren Tq1 bis Tq4 verbunden. Die Kollektoren der Stromquellentransistoren sind mit je einer Differenzverstärker bildenden Paares von bipolaren Schaltertransistoren T1 mit T2 bzw. T11 mit T2' kontaktiert. Zur Strom aufteilung sind die Paare von Schaltertransistoren T1 mit T2 ebenfalls in Schaltertransistoreinheiten T1' mit T2' aufgeteilt. Während die Basisansehlüsse der ersten Transistoren T1 bzw. T1' an den Bitleitungen liegen, liegen die Basisanschlüsse der zweiten Tansistöreh 2 bzw T2' ah der Schwellwertspannung Ut, welehe die Umschaltspannung der von den Schaltertransistorpaaren gebildeten Differenzverstärker bestimmen. Dementsprechend werden aie einzelnen Ströme dèX Stromquellen- transistoren Tq zwischen der Leitung des Bezugspotentials Uo und dem Ausgang A des Wandlers umgeschaltet. Die Fig. 1 veranschaulicht, dass der Flächenaufwand bei dem bekannten monolithisch integrierten D/A-Wandler exponentiell mit der Bitanzahl ansteigt, falls von dem Grundsatz nicht abgegangen wird, ausschliesslich gleichartige Transistoreinheiten und Widerstandseinheiten zu verwenden, Eine solche Forderung ist aber im Hinblick auf die Erzielung monotoner Kennlinien unerlässlich. Im übrigen hat der bekannte Wandler den Nachteil, dass die Schaltertransistoreinheiten T1, T2; T1', T2' keine gleichen Ströme schalten, so dass unterschiedliche Schaltzeiten erreicht werden. Zur Verhinderung von Glitches-sind aber gleiche Schaltzeiten erforderlich. Demgegenüber werden beim D/A-Wandler nach der Erfindung gemäss der Fig. 2 bitweise gleiche Ströme geschaltet, da gleichartige Schaltertransistoreinheiten bzw. Schaltertransistoren T1', T2' bzw. T1, T2 gleiche Ströme von gleichartigen Stromquellentransistoreinheiten bzw. Stromquellentransistoren Tq' bzw. Tq1 bis Tq5 schalten, deren Emitteranschlüsse über je einen gleichgrossen Widerstand Rq mit der Flussspannungs auelle -Up verbunden sind. Eine erhebliche Verbesserung des bekannten Wandlers hinsichtlich des Flächenaufwandes wird bei dem Wandler nach der Erfindung aber bereits dadurch erreicht, dass der Wandler in einen ersten N-Bit-Wandlerteil I mit gewichteten Widerständen und in einen zweiten M-Bit-Wandlerteil II mit gewichteten Strömen aufgeteilt ist. Während im zweiten Wandlerteil II die Kollektoranschlüsse der zweiten Transistoren T2' unmittelbar am Ausgang A des Wandlers liegen, liegen die Kollektoren der entsprechenden zweiten Transistoren T2 im ersten Wandlerteil I bis auf den ausgangsseitig angeordneten über mindestens einen von Widerständen R2 bis Rn, beim Ausführungsbeispiel gemEss der Fig 2 R2 bis 25, mittelaar an diesem Ausgang A. Diese Widerstände R2 bis R5 liegen mit dem Widerstand R1 in Reihe zwischen dem Bezugspotential Uo und dem Ausgang A und sind entsprechend der Beziehung Rn = 2n . Ro n=2 bis n dimensioniert. Für den 5-Bit-Wand lerteil I sind fünf Widerstände mit den Werten R1 = R2 = 32#, R3 = 64#, R4 = 128# und R5 = 256# vorgesehen, deren Verbindungspunkte mit je einem Kollektoranschluss der zweiten Transistoren T2 je einer der Schaltertransistor paare kontaktiert ist. Der ausgangsseitige Anschluss des letzten Widerstandes R5 liegt unmittelbar am Ausgang und am Kollektor des zweiten Transistors des fünften Schalter transistorpaares. Es ist bekannt, anstelle einer Reihenschaltung von n Wider ständen mit abgestuften Widerstandswerten ein R/2R-Netz werk zu verwenden, da ein solches Netzwerk ohne weiteres leicht aus gleichartigen diffundierten Widerständen aufge baut werden kann, so dass die Fertigungsschwakungen sich gleichartig auf die Bitwerte auswirken. Derselbe Vorteil kann aber auch bei der Reihenschaltung im ersten Wandler teil I des Wandlers nach der Erfindung dadurch erzielt werden, dass die Widerstände R3 bis R5 mit dem von Ro abweichen den Wert aus je einer Serienschaltung von gleichartigen Widerständen des Widerstandswertes von Ro bestehen. Beim Wandler gemäss dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist im übrigen je eines der Paare von Schaltertransistorein heiten bzw. Schaltertransistoren T1, T2, T1' und T2' mit je einer der Stromquellentransistoreinheiten Tq1 bis Tq5 und Tq' in Serie geschaltet. Ausserdem sind die Emitteran schlüsse der Stromquellentransistoren Tq1 bis Tq5 bzw. Stromquellentransistoreinheiten Tq' über je einen gleich grossen Widerstand Rq mit der Flussspannungsquelle Up ver bunde. Dadurch wird erreicht, dass sämtliche Schalter transistoren T1, T2, T1' und T2' die gleichen Ströme über gleiche Innenwiderstände schalten, da diese gleiche Abmessungen und gleiche Dotierungsprofile aufweisen, Es sind daher gleiche Schaltzeiten gewährleistet, so dass Bit überlappungen minimal sind. Die Verwendung einer Reihenschaltung R2 bis Rn in dem Wandlerteil II nach der Erfindung anstelle des bekannten R/2R Netzwerkes hat im übrigen den Vorteil, dass sehr geringe PN-Kapazitäten realisierbar sind, die letzten Endes bei Änderung eines Wortes, dessen Bit an die Eingänge El bis E7 angelegt wird, auf- bzw. umgeladen werden müssen. Bei dem Ausführungsbeispiel eines D/A-Wandlers gemäss der Fig. 2 nach der Erfindung ist ferner eine Spannungsquelle mit verschwindend kleinem Innenwiderstand gegen das Bezugspotential Uo vorgesehen, welche die Transistoren T3 und T4 und die Widerstände R10, R11, R12 und R13 aufweist. Diese Spannungsquelle liefert die Schwellwertspannung Ut, die an den Basen der zweiten Transistoren T2 bzw. T2' der Schaltertransistorpaare anliegt. Durch den verschwindend kleinen Innenwiderstand der Spannungsquelle wird erreicht, dass die Basen der in Basisschaltung betriebenen zweiten Transistoren hochfrequenzmässig praktisch an dem Bezugspotential liegen und die Spannungsrückwirkung über die zweiten Transistoren auf Eingang des Schalters vernachlässigbar wird. Wie im Prinzip bereits bekannt ist werden sowohl die Paare von Schaltertransistoreinheiten T1', T2' bzw. die Paare von Schaltertransistoren untereinander als auch die Stromquellentransistoren Tq und Stromquellentransistoreinheiten Tq' untereinander in denselben Abmessungen und mit denselben Störstellenverteilung hergestellt. Dies bedeutet, dass deren Zonen gleichzeitig hergestellt werden. Zu deren Herstellung eignet sich beispielsweise die sogenannte 3D-Technologie, bei der die Dotierungen der Zonen gleichzeitig während je eines maskierten Implantationsprozesses aufgebracht und gleichzeitig während eines nach dem Aufbringen erfolgenden Diffusionsprozesses in den Halbleiterkörper eingebracht werden, wie im Prinzip aus der Zeitschrift "Electronics" vom 07. August 1975, Seiten 101 bis 106 bekannt ist. In gleicher Weise werden die Schaltertransistorpaare im zweiten Wandlerteil II hergestellt und aus parallelgeschalteten Paaren von gleichartigen Transistoren Ti 1 und T2' mit identischen Abmessungen und identischen Störstellenverteilungen aufgebaut. Die Anwendung der Lehre der Erfindung ist besonders günstig einen monolithisch integrierten D/A-Wandler mit einem ersten 5-Bit-XzTanalerteil I und einem zweiten 2Bit-Wandlerteil II. Bei einem solchen 7-Bit-Wandler nach der Erfindung wird eine beachtliche Einsparung an Halbleiteroberfläche gegenüber herkömmlichen Wandlern erzielt.

Claims: Patentansprüche 1. Monolithisch integrierter D/A-Wandler mit bipolaren Stromquellentransistoren (Tq), deren Basis zonen an einer Referenzspannung (Ur) liegen, deren Emitterzonen über je einen Emitterwiderstand (Rq) mit einer Fluss spannungsquelle (-Up) bezüglich der Emitterzone der Stromquellentransistoren (Tq) verbunden sind, welche teilweise aus parallelgeschalteten gleichartigen Strom quellentransistoreinheiten bestehen und deren einzelne Kollektorzonen mit den Emittern mindestens eines Paares von bipolaren Schaltertransistoren kontaktiert sind, welche zur Umschaltung der Einzelströme der Stromquellen transistoren (Tq) zwischen den Bezugspotentialen (Uo) und dem Ausgang (A) dienen und die teilweise aus parallelgeschalteten Paaren von gleichartigen Schalter transistoreinheiten bestehen, wobei - die Basisanschlüsse der ersten Transistoren der Schaltertransistorpaare an je einer der Bitleitungen, - die Kollektoranschlüsse dieser ersten Transistoren an dem Bezugspotential (Uo), - die Basisanschlüsse der zweiten Transistoren der Schaltertransistorpaare am Ausgang einer Spannungs quelle und - die Kollektoranschlüsse der zweiten Transistoren am Ausgang (A) des Wandlers liegen, dadurch gekennzeichnet, - dass der Wandler in einen ersten N-Bit-Wandlerteil (I) mit gewichteten Widerständen und in einen zweiten M-Bit Wandlerteil (II) mit gewichteten Strömen aufgeteilt ist, in welchem zweiten Wandlerteil (II) die Kollek toranschlüsse der zweiten Transistoren (T2') unmittel bar am Ausgang (A) des Wandlers liegen, - dass zwischen dem Bezugspotential (Uo) und dem Ausgang (A) im ersten Wandlerteil (I) der gewichteten Widerstände eine Reihenschaltung von n Widerständen liegt, deren erster Widerstand (R1) einen Widerstand von Ro und deren weitere Widerstände (R2-Rn) die Werte Rn=2rs 2.Ro für n = 2 bis n aufweisen und - dass je einer der Verbindungspunkte der n Widerstände (R7...Rn) mit je einem Kollektoranschluss der zweiten Transistoren (T2) je einer der Schaltertransistor paare kontaktiert ist und der ausgangsseitige Anschluss des letzten Widerstandes (Rn) unmittelbar am Ausgang (A) und am Kollektor des zweiten Transistors (T2) des n-ten Schaltertransistorpaares liegt, so dass die Kollekto ren der zweiten Transistoren (T2) im ersten Wandler teil (I) bis auf den ausgangsseitig angeordneten über mindestens einen der Widerstände R2 bis Rn mittelbar am Ausgang (A) liegen. 2. D/A-Wandler nach Anspruch 1-, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände (R3, R4...Rn) mit dem von Ro abweichen den Wert aus je einer Serienschaltung von gleichartigen Widerständen des Widerstandswertes von Ro bestehen, welche diesselben Abmessungen und dieselbe Störstellen verteilung besitzen wie Ro. 3. D/A-Wandler nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, - dass je eines der Paare von Schaltertransistoreinhei ten bzw. Schaltertransistoren (T1, T2; T1', T2') mit je einer der Stromquellentransistoreinheiten (Tqi... Tqn; Tqt) in Serie geschaltet ist und - dass die Emitteranschlüsse der Stromquellentransi storen (Tqi...Tqn) bzw. Stromquellentransistor einheiten (Tq') über je einen gleichgrossen Wider stand (Rq) mit der Flussspannungsqzelle (-Up) ver bunden sind. 4. D/A-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisanschlüsse der in Basis Schaltung betriebenen zweiten Transistoren (T2, T2') am Ausgang einer Spannungsquelle mit verschwindend kleinem Innenwiderstand gegen das Bezugspotential (Uo) liegen. 5. D/A-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Paare von Schalter transistoreinheiten (T1', T2') und die Paare von Schaltertansistoren (T1, T2) untereinander als auch die Stromquellentransistoren (Tq) und die Stromquellen transistoreinheiten (Tq') untereinander diesselben Abmessungen und diesselben Störstellenverteilungen aufweisen. 6. D/A-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltertransistorpaare im zweiten Wandlerteil (II) der gewichteten Ströme aus parallel geschalteten Paaren von gleichartigen Transistoren (T1 ', T2') mit identischen Abmessungen und identischen Störstellenverteilungen bestehen. 7. D/A-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekenn zeichnet durch N=5 und M=2.

Inventors: LANG, MANFRED
Applicants: DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GMBH, ITT INDUSTRIES INC.
Application year: 1981
Main classification: H03M1
IPC codes: H03M1