DE4041372A1

DE4041372A1 - Self-calibrating multiplication circuit for stationary reference current - produces most significant bit currents from parallel current cells switched to comparison and correction current rails

Info

Publication number: DE4041372A1
Application number: DE19904041372
Authority: DE
Inventors: Hans Gustat
Original assignee: Humboldt Universitaet zu Berlin
Current assignee: GUSTAT, HANS, O-1054 BERLIN, DE
Priority date: 1990-12-20
Filing date: 1990-12-20
Publication date: 1992-06-25

Abstract

Each circuit cell (A1-An) includes a FET (1) gated from a control amplifier (4), whose noninverting input is connected to a capacitor (5) and current switch (6), and the inverting input to an equalising current source (2) and to the source electrode of the FET (1). The drain electrode is switched (7) to a comparison current rail (8) while the other switch (6) connects the amplifier (4) to a correction current rail (12) from the output (11) of an evaluation circuit (B). USE/ADVANTAGE - Esp. in monolithic integrated digital to analogue converter. Current errors arising from automatic analogue adjustment of equally weighted currents are reduced considerably.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von höchstwertigen Bitströmen aus einem Referenzstrom, insbesondere für Digital-Analog-Umsetzer und findet vorzugsweise in integrierter Schaltungstechnik Anwendung.The invention relates to a circuit arrangement for generation of most significant bit streams from a reference stream, especially for digital-to-analog converters and finds preferably in integrated circuit technology application.

Die Erhöhung der Genauigkeit von Digital-Analog-Umsetzern und deren Kostensenkung erfordern vor allem Lösungen für das Problem, ein festes Verhältnis von - für die Wandlung meist genutzten - Teilströmen, die kodeabhängig auf einen Summenstromleiter geschaltet den Analogwert repräsentieren, mit geforderter Präzision einzuhalten. Absolute Genauigkeitsforderungen können durch Referenzverfahren auf relative reduziert werden.Increasing the accuracy of digital-to-analog converters and their cost reduction primarily require solutions for the problem, a fixed ratio of - for change most used - partial streams that depend on a code Sum current conductor switched represent the analog value, to comply with the required precision. absolute Accuracy requirements can be based on reference methods be reduced relative.

Der stationäre Teil der Relativfehler läßt sich - unter anderem durch Verwendung von Festwertspeichern - weitgehend eliminieren (DE 35 16 005). Der dynamische Teil der Relativfehler kann durch wiederkehrenden Abgleich reduziert werden. Hierfür ist neben relativ langsamen digitalen Korrekturanordnungen (DE 37 36 785) eine Methode bekannt, die mehrere gleichgewichtete einzeln steuerbare Feldeffekttransistor-Stromquellen analog durch wiederkehrendes Einprägen eines Referenzstromes über deren gespeicherte Gate-Source-Spannung abgleicht (D.Groeneveld et al., "A Self Calibration Technique for Monolithic High Resolution D/A Converters", IEEE J-SC 24(1989), pp 1517-1522) . Nachteilig ist hierbei jedoch, daß der beim Abgleich sich schaltungsbedingt einstellende Arbeitspunkt sich beim Aufschalten des Stromes auf einen Summenstromleiter verändert, wodurch ein Stromfehler entsteht. Die zur Stabilisierung des Arbeitspunktes vorgeschlagene zusätzliche mehrfache Wiederholung der Struktur in Kaskodeschaltung mindert diesen Nachteil, steigert jedoch den Betriebsspannungsbedarf der Schaltung erheblich. Nachteilig ist weiterhin, daß der Arbeitspunkt durch den Abgleich auf einen für den Stromquellenbetrieb ungünstigen Wert festgelegt wird. The stationary part of the Relative errors can be - among other things by using of read-only memories - largely eliminate them (DE 35 16 005). The dynamic part of the relative errors can by recurring adjustment can be reduced. For this is next relatively slow digital correction arrangements (DE 37 36 785) a method known to use several equally weighted ones controllable field effect transistor current sources by analog recurring impressing of a reference current over their Stored gate-source voltage compared (D. Groeneveld et al., "A Self Calibration Technique for Monolithic High Resolution D / A Converters ", IEEE J-SC 24 (1989) pp 1517-1522). The disadvantage here, however, is that the adjustment itself circuit-related working point at the Switching the current on a total current conductor changed, causing a current fault. The one for stabilization additional multiple proposed at the operating point Repetition of the structure in cascode circuit reduces this Disadvantage, however, increases the operating voltage requirement of the Circuit significantly. Another disadvantage is that the Working point by adjusting to one for the Power source operation unfavorable value is set.

Eine weitere Schwierigkeit bei der Anwendung dieser Schaltung liegt in der hohen Empfindlichkeit des Ausgangsstromes der Stromquellen gegenüber einer Veränderung der gespeicherten Sollspannung. Die zur Verringerung der Empfindlichkeit, vorgesehene Parallelschaltung aus jeweils einer selbstkalibrierenden und einer weiteren festen Stromquelle besitzt einen niedrigen Ausgangswiderstand und muß durch erhöhten Schaltungs- und Betriebsspannungsaufwand gegen Arbeitspunktänderungen geschützt werden, um die Stromfehler zu verringern.Another difficulty in using this circuit lies in the high sensitivity of the output current Power sources versus a change in stored Target voltage. The one to reduce sensitivity, provided parallel connection of one each self-calibrating and another fixed power source has a low output resistance and must pass through increased circuit and operating voltage expenditure against Operating point changes are protected to prevent the current error to reduce.

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum selbstkalibrierenden Vervielfachen eines stationären Referenzstromes, insbesondere für einen monolithischen Digital-Analog-Umsetzer zu schaffen, die die Stromfehler, die bei selbsttätigem analogen Abgleich mehrerer gleichgewichteter Ströme auftreten, bereits durch die Abgleichschaltung wesentlich verringert, und die weiterhin vorteilhaft eine Fehlerkorrektur vorhandener auch bipolarer fest eingestellter Stromquellen - welche mit einer höheren Grundgenauigkeit gefertigt werden können - ermöglicht.The invention is based on the technical object Circuit arrangement for self-calibrating multiplication a stationary reference current, especially for a monolithic digital-to-analog converter to create the Current errors that occur with automatic analog adjustment of several equal-weighted currents occur already through the Trim circuit significantly reduced, and that continues advantageously an error correction of existing and bipolar ones Fixed power sources - which with a higher one Basic accuracy can be manufactured - enables.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Anspruches angegebenen Maßnahmen. Hierbei wird auf die Methode gleichgewichteter analog abzugleichender Stromquellen zurückgegriffen. Deren Abgleich erfolgt jedoch durch Abgleich der Spannungen über den Stromquellen. Da deren Ansteuerung vom Abgleich nicht beschränkt wird, kann ein für Stromquellen günstiger Arbeitspunkt gewählt werden. Die zum Abgleich in jeder Stromzelle vorgesehene Regelschaltung stabilisiert den Arbeitspunkt des Stromquellentransistors und trägt damit wesentlich zur Erhöhung der Genauigkeit des Stromes bei. Ein Abgleich bipolarer Stromquellentpansistoren ist damit vorteilhaft möglich. Für jeden den Ausgangsstrom bildenden Teilstrom ist eine gleichartige Stromzelle vorgesehen, die außer dem Transistor der abzugleichenden Stromquelle eine Regelschaltung und Stromschalter enthält. This task is solved by the in the characteristic of the Claim specified measures. This is based on the method equally weighted analog power sources to be balanced resorted to. However, they are compared by comparison the voltages across the power sources. Because their control is not limited by the adjustment, one for power sources favorable working point can be selected. The for comparison in control circuit provided stabilized each current cell the operating point of the current source transistor and thus carries significantly increase the accuracy of the current. This is a comparison of bipolar current source transistors advantageously possible. For each one that forms the output current A current cell of the same type is provided, which in addition to the transistor of the current source to be adjusted Control circuit and power switch contains.

Die Korrekturgröße für den Abgleich jeder Stromzelle wird durch aufeinanderfolgendes Schalten eines externen Referenzstromes und des abzugleichenden Stromes auf eine geeignete Auswerteschaltung gewonnen. Die dadurch entstehende Spannungsänderung wird in der Auswerteschaltung in einen Korrekturstrom umgesetzt, welcher die auf einem Kondensator in der Stromzelle gespeicherte Sollspannung ändert und somit die Spannung über dem Stromquellentransistor beeinflußt. Da diese Spannung nur indirekt über dem Ausgangswiderstand des Stromquellentransistors auf den abzugleichenden Strom wirkt, werden an die Genauigkeit der Regelung und Speicherung dieser Spannung nur geringe Anforderungen gestellt.The correction quantity for the adjustment of each current cell is by switching an external one in succession Reference current and the current to be calibrated to a suitable evaluation circuit won. The resulting Voltage change is in the evaluation circuit in one Correction current implemented, which on a capacitor setpoint voltage stored in the current cell changes and thus affects the voltage across the current source transistor. Because this voltage is only indirectly across the output resistance of the current source transistor to the current to be adjusted acts on the accuracy of regulation and storage this voltage has only low requirements.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel und anhand der Zeichnung erläutert werden; In der zugehörigen Zeichnung zeigt die Figur:
- das Blockschaltbild eines Digital-Analog-Umsetzer mit Stromzellen A1 bis An, Auswerteschaltung B und gemeinsamer Ansteuereinheit C
- und die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer der gleichen Stromzellen A1 bis An (hervorgehoben).The invention will be explained below using an exemplary embodiment and with reference to the drawing; In the accompanying drawing the figure shows:
- The block diagram of a digital-to-analog converter with current cells A 1 to An, evaluation circuit B and common control unit C.
- And the circuit arrangement according to the invention in one of the same current cells A 1 to An (highlighted).

Entsprechend dem Blockschaltbild nach der Figur bilden n Stromzellen A1 bis An, eine Auswerteschaltung B sowie eine gemeinsame Ansteuerschaltung die Hauptbestandteile eines monolithischen m-Bit-Digital-Analog-Umsetzers, wobei n=2^m gilt.According to the block diagram according to the figure, n current cells A 1 to An, an evaluation circuit B and a common control circuit form the main components of a monolithic m-bit digital-to-analog converter, where n = 2 ^m .

Erfindungsgemäß weist dabei jede Stromzelle einen Feldeffekttransistor 1 auf, der zur selbsttätigen Kalibrierung des Konstantstromes der Stromzelle zusätzlich in den Ausgang der abzugleichenden Stromquelle 2 eingefügt wird. Die gemeinsame Steuerung aller Stromquellen 2 erfolgt über die gemeinsame Ansteuerschaltung C derart, daß unter Berücksichtigung aller Stromfehler der Ausgangsstrom jeder Stromquelle 2 etwas größer ist als der am Anschluß 3 angelegte Referenzstrom. According to the invention, each current cell has a field effect transistor 1 , which is additionally inserted into the output of the current source 2 to be calibrated for the automatic calibration of the constant current of the current cell. The common control of all current sources 2 takes place via the common control circuit C such that, taking into account all current errors, the output current of each current source 2 is somewhat larger than the reference current applied at terminal 3 .

Die Korrektur statischer und dynamischer Fehler des Ausgangsstromes jeder Stromquelle 2 wird über eine Regelung der Spannung über der Stromquelle 2 mit der Regelschaltung, die aus dem Feldeffekttransistor 1, einem Regelverstärker 4 und einem Kondensator 5 besteht, durchgeführt. Dazu wird das Gate des Feldeffekttransistors 1 vom Ausgang eines Regelverstärkers 4 gesteuert, dessen nichtinvertierender Eingang mit einem Kondensator 5 und einem Stromschalter 6 verbunden ist. Die Spannung an diesem Punkt ist die Sollspannung zum Abgleich der Spannung über der Stromquelle 2. Daher ist der invertierende Eingang des Regelverstärkers mit dem Ausgang der Stromquelle 2 und dem Sourceanschluß des Feldeffekttransistor 1 verbunden. Am Drainanschluß des Feldeffekttransistor 1 ist der abgeglichene Konstantstrom verfügbar und kann wie üblich zur Digital-Analog-Umsetzung mittels Stromsummierung verwendet werden. Beim Abgleich der Stromzelle wird dieser Strom über den Stromschalter 7 auf eine Vergleichsstromschiene 8 gelegt, mit der der Eingang 9 einer Auswerteschaltung B, der bis dahin über den Umschalter 10 mit dem Anschluß 3 für einen externen stationären Referenzstrom verbunden war, nun über den Umschalter 10 verbunden ist.The correction of static and dynamic errors of the output current of each current source 2 is carried out by regulating the voltage across the current source 2 with the control circuit, which consists of the field effect transistor 1 , a control amplifier 4 and a capacitor 5 . For this purpose, the gate of the field effect transistor 1 is controlled by the output of a control amplifier 4 , the non-inverting input of which is connected to a capacitor 5 and a current switch 6 . The voltage at this point is the target voltage for balancing the voltage across current source 2 . Therefore, the inverting input of the control amplifier is connected to the output of the current source 2 and the source terminal of the field effect transistor 1 . The balanced constant current is available at the drain connection of the field effect transistor 1 and, as usual, can be used for digital-analog conversion by means of current summation. When the current cell is adjusted, this current is placed via the current switch 7 on a comparison busbar 8 , with which the input 9 of an evaluation circuit B, which was previously connected via the changeover switch 10 to the connection 3 for an external stationary reference current, now via the changeover switch 10 connected is.

Die Spannungsänderung beim Umschalten vom Referenzstrom auf den Vergleichsstrom wird in der Auswerteschaltung verstärkt und in einen Strom am Ausgang 11 gewandelt. Dieser wird über die Verbindung mit der Korrekturstromschiene 12 und über den Stromschalter 6 der abzugleichenden Stromzelle zugeführt, wo über eine Änderung der Sollspannung und damit der Spannung über der Stromquelle 2 der Konstantstrom solange beeinflußt werden kann, bis die Spannungsänderung am Eingang 9 der Auswerteschaltung hinreichend klein geworden ist. Das Ergebnis des Abgleichs wird im Kondensator 5 bis zum nächsten Abgleich gespeichert. Die Auswerteschaltung B hat am Eingang 9 zweckmäßigerweise eine Schaltung mit hohem differentiellen Innenwiderstand, um auch bei geringen Stromunterschieden am Umschalter 10 eine auswertbare Spannungsdifferenz zu erzeugen. Deren Verstärkung kann beispielsweise mit einem Transkonduktanz- Operationsverstärker geschehen, der eine hohe Span nungsverstärkung und einen Strom als Ausgangsgröße aufweist. Zweckmäßig wird der Signalweg in der Auswerteschaltung gemeinsam mit dem Umschalter 10 geschaltet, wodurch die nötige untere Grenzfrequenz des verstärkenden Teiles erhöht werden kann.The voltage change when switching from the reference current to the comparison current is amplified in the evaluation circuit and converted into a current at the output 11 . This is supplied via the connection to the correction current rail 12 and via the current switch 6 of the current cell to be calibrated, where the constant current can be influenced by changing the target voltage and thus the voltage across the current source 2 until the voltage change at the input 9 of the evaluation circuit is sufficiently small has become. The result of the adjustment is stored in capacitor 5 until the next adjustment. The evaluation circuit B expediently has a circuit with a high differential internal resistance at the input 9 in order to generate an evaluable voltage difference at the changeover switch 10 even with small current differences. Their amplification can be done, for example, with a transconductance operational amplifier that has a high voltage gain and a current as an output variable. The signal path in the evaluation circuit is expediently switched together with the changeover switch 10 , as a result of which the required lower limit frequency of the amplifying part can be increased.

Damit auch während des Abgleichs einer Stromzelle der volle Strombereich für die D/A-Wandlung verfügbar ist, kann für diese Zeit eine zusätzliche Stromzelle ersatzweise angeschaltet werden. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung erschöpft sich in ihrer Anwendung nicht auf einen Digital- Analog-Umsetzer, sondern ist auch in einem Analog-Digital- Umsetzer mit sukzessiver Approximation einsetzbar.So that the full one even during the adjustment of a current cell Current range for D / A conversion is available for this time an additional power cell as an alternative be turned on. The circuit arrangement according to the invention their application is not limited to a digital Analog converter but is also in an analog to digital Converter with successive approximation can be used.

Bei ihrem Einsatz in einem Digital-Analog-Umsetzer werden wegen des exponentiellen Anwachsens der Zahl nötiger Stromzellen mit der Umsetzbreite zweckmäßig nur die höchstwertigen Bitströme auf die beschriebene Art erzeugt, während für die Bits mit niedrigeren Genauigkeitsanforderungen eine Realisierung über eine einfachere Schaltung, z. B. über einen Stromteiler vorgesehen ist.When used in a digital-to-analog converter because of the exponential increase in the number needed Current cells with the implementation width expediently only that generates the most significant bit streams in the manner described, while for the bits with lower accuracy requirements a realization via a simpler circuit, e.g. B. about a current divider is provided.

Claims

Circuit arrangement for the self-calibrating multiplication of a stationary reference current, in particular in a monolithic digital-to-analog converter, consisting of several current cells, each of which has a current source to be adjusted, and of an evaluation circuit, current switches and a control circuit common to all current sources, characterized in that
that each current cell (A 1 to An) has a field effect transistor ( 1 ), the gate of which is connected to a control amplifier ( 4 )
and the non-inverting signal input of the control amplifier ( 4 ) is connected to a capacitor ( 5 ) and the inverting input is connected to the output of a current source ( 2 ) to be adjusted and to the source connection of the field effect transistor ( 1 ), the drain connection of which is connected to a via a current switch ( 7 ) common comparison busbar ( 8 ) is connected and has a further current switch ( 6 ) which connects the non-inverting input of the control amplifier ( 4 ) to a common correction busbar ( 12 ) and which is connected to the current output ( 11 ) of the evaluation circuit (B)
and a switch ( 10 ) is arranged at the input ( 9 ) of the evaluation circuit (B), which connects the comparison busbar ( 8 ) and a connection ( 3 ) for a stationary reference current to the input ( 9 ) of the evaluation circuit (B).