SE458812B - Digital-analogomvandlaresystem innefattande en grupp mos-transistororgan med emitterelektroder tilldelade emitteromraaden vars storlek av signifikansen hos sammanhoerande informationsbitar - Google Patents

Description

458 812 2 Det skall här konstateras'att det är önskvärt att bevara högfrekvensgensvaret och att minska effektförbrukningen och effektförlusterna i en digital-analogomvandlare, särskilt då denna används för behandling av signaler med stor amplitud, genom att omvandlarens utgângskapacitans minskas. Således be- skrivs här ett signalbehandlingssystem med en digital-analog- omvandlare som uppfyller dessa krav- En digital-analogomvand- lare av den här beskrivna typen i enlighet med föreliggande uppfinnings principer innefattar ett flertal MOS-fälteffekt- transistogutgångsorgan med separata emitterområden. Dimensioner- na hos de respektive separata emitterområdena skiljer sig åt, varvid organet som korresponderar mot den mest signifikanta digitalinformationsbiten har den största emitterarean medan or- gan som korresponderar mot mindre signifikanta bitar har mindre emitterområden. I en föredragen, såsom exempel tjänande tillämpning av uppfinningen utgörs emitterområdena av vertikal- VMOS-utgångsorgan i en binär skala, vidare är utgångsorganens styrelektroder gemensamt sammankopplade. varjämte utgångsor- ganens kollektorelektroder är gemensamt anslutna till en utgångsbelastningsimpedans.

Dessutom kan den beskrivna digital-analogomvandlaren på ett fördelaktigt sätt direkt driva en intensitetsstyrelektrod, som katodelektroden hos ett bildrör i en televisionsmottagare. eller i ett likartat videosignalbehandlingssystem där man använder sig av digitalvideosignalbehandlingsmetoder_ I ett sådant fall elimineras behovet av ett analogbildrördrivför- stärkarsteg.

Uppfinningen kommer att beskrivas i detalj i det följande under hänvisning till bifogade ritningar, på vilka fig. 1 vi- sar en del av en televisionsmottagare som inkluderar en ana- log-digitalomvandlare i enlighet med föreliggande uppfinning, fig. 2 visar en tvärsektionsvy av ett organ som bildar en del av den i fig. l visade digital-analogomvandlaren, och 3 visar en planvy av en integrerad kretsversion av den i fig. l visade digital-analogomvandlaren.

I fig. form (20 .. fig. l tillförs en 8-bit digitalvideosignal i binär . 27) från en källa 10 för aigitaivideosignaier som en ingångssignal till en 8-bit digital-analogomvandlare 458 812 3 (DAC) 20. En högnivåanalogvideoutgångssignal från DAC 20 upp- träder över en belastningsimpedans med en storlek som är tillräcklig för att direkt driva en katodintensitetsstyrelek- trod 26 hos ett bildpresentatíonsbildrör 28 av typen som kan återfinnas i en televisionsmottagare, videomonitor eller nå- got annat likartat videobehandlingssystem. Lämplig lågpass- filtrering av utgångssignalen från DAC 20 erhålls medelst belastningsmotståndet 24 och den till bildrörkatoden hörande kapacitansen.

DAC 29 inkluderar ett flertal ingångsinverterare I0 - I7 som tjänstgör som omkopplare och var och en av vilka mottar ingångsdigitalsignalbitar 20 ... 27. Inverterarna ID - I7 kan exempelvis inkludera bipolära transistorer som arbetar som till-frånomkopplare. De i enlighet med det logiska till- ståndet hos binäringångssignalerna 20 ..'. 27 bildade utgångs- signalerna från inverterarna I0 - I7 kopplas via binärt väg- da strömbestämningsmotstånd RO - R7 till en grupp högspän- ningsutgångs-MOS-fälteffekttransistororgan Q0 - Q7. Organen QO -!Q7 har sina styrelektroder anslutna gemensamt till ett enda styruttag G, på vilket en förspänning påläggs, vidare är deras kollektorutgångselektroder anslutna gemensamt till ett enda kollektorutgångsuttag D. till vilket utgångsbe- lastningsimpedansen 24 är kopplad, varjämte organen har se- parata emitterelektrodingångsuttag SO - S7, av vilka vart och ett mottar binärt vägda signalströmmar från motstånden RO - R7.

Utgångsorganen Q0 - Q7 utgörs företrädesvis av VMOS- (vertikal-MOS)-fälteffekttransistororgan av ökningstypen så- som organet av typen BS 107 som kan erhållas från ITT i Frei- burg, Västtyskland eller typen BSS 93 som kan erhållas från Siemens i München, Västtyskland. VMOS-organen Q0 - Q7 har kollektor- och ernitterelektroder anordnade längs en vertika1_ axel (i motsats till lateralorgan som har styr-, emitter- och kollektorelement på samma yta). Organen QO - Q7 är parallell- kopplade och kan lätt konstrueras på ett gemensamt integre- rat kretsunderlag, företrädesvis tillsammans med motstånden RO - R7 och omkopplingsinverterarna I0 - I7. Den vertikala .utformningen av VMOS-utgångsorganen underlättar tillverkning 'få 458 812 4 . av dessa organ med ett högt genombrottsspänningsmärkvärde, varigenom organen direkt kan driva högspänningskatodelektro- den i bildröret 28.

VMOS-utgångsorganen har också till fördel ömsesidigt lik- E snabba högspänningsomkopplingskarakteristikor med väsentligen lika tillslagnings- och frânslagningsfördröjning- ar, varjämte de i huvudsak undviker icke transienter ("glitches"), särskilt i formiga. önskvärda omkopplings- jämförelse med högspän- ningsomkopplingskarakteristikorna hos bipolära transistorer.

Tillslagnings- och frånslagningstiderna för VMOS-utgångsor- ganen är väsentligen opåverkade av storleken hos spänningen som håller på att omkopplas, varigenom det blir möjligt att driva bildrör med hög spänning. Dessutom medger VMOS-tekno- logi lätt tillverkning av billiga integrerade VMOS-organgrup- per med gemensamma styrelektroder och gemensamma kollektor elektroder. Z DAC 20 har på ett fördelaktigt sätt en i betydande grad; minskad parasítutgângskapacitans, god skifttakt för stora signaler och gott högfrekvensgensvar, samt reducerad effekt- förbrukning. Såsom kommer att förklaras nedan utgör dessa önskvärda verkningar resultatet av det förhållandet att emit- terområdena hos VMOS-utgångsorganen Q0 - Q8 är så dimensio- nerade att de har en binär vägningsfaktor, nämligen - l:2:4:8:16:32:64:128.

Med andra ord är emitterområdena hos ut- gångsorganen QO - Q7 proportionella mot de i binär skala givna värdena hos de korresponderande emittermotstånden RO - R7. Transistorns OO emitterområde svarar således mot det minsta området ( (20), medan emitterområdet hos transistorn Q7 svarar mot det största området ("l28" kanta biten (27). "l") som är tilldelat den minst signifikanta biten ) som är tilldelat den mest signifi- Genom att emítterområdena hos VMOS-utgångsorgan anordnas_ i skala på detta sätt kommer värdet hos parasítutgångskapaci- tansen vid uttaget D (dvs. den totala kollektorkapacitansen) att minskas i betydande grad i jämförelse med fallet då ut- gångsorganen QO - Q7 har lika stora emitterområden.

Eftersom i ett vertikalt utformat VMOS -organ storleken hos emitter- området (eller antalet emitterceller som används) för varje 458 812, . l S VMOS-utgångsorgan i första hand bestämmer området som upptas av organet och eftersom kollektoromrâdet och kollektorkapa- citansen är proportionella mot området som upptas av VMOS- organet resulterar en minskning i emitterområdet i en korre- sponderande minskning i värdet hos kollektorutgångsparasit- kapacitansen.

Skifttakten hos DAC 20 (spänningsändringen per tidsenhet . eller dv/dt) står i relation till storleken hos strömmen som tillförs av belastningsmotståndet 24 delad med värdet hos kapacitansen"som uppträder vid utgångsuttaget D. Om man mins- kar den effektiva kapacitansen vid uttaget D kommer således skifttakten hos DAC 20 att ökas, varjämte högfrekvensgensva- ret hos DAC 20 ökas. Om man minskar värdet hos den effektiva utgångskapacitansen kommer också effektförbrukningen och ef- fektförlusterna hos DAC 20 att minskas. eftersom dessa fakto- rer är direkt proportionella mot värdet hos den effektiva ut- gångskapacitansen.

Som man ser i fig" 3, som kommer att beskrivas senare, innefattar varje utgângsorgan Q0 - Q7 ett antal emitterceller.

Utgångsorganet Q7 som är tilldelat den mest signifikanta signalbiten innefattar det största antalet emitterceller (128), har stor strömledningsförmâga samt bidrar mest till totalvärdet hos kollektorutgångskapacitansen. Å andra sidan innefattar utgångsorganet Q0, som är tilldelat den minst signifikanta biten, det minsta antalet emitterceller (1), varjämte det har låg strömledningsförmåga och bidrar minst w, till totalvärdet hos kollektorutgângskapacitansen.

Strömtätheten är väsentligen densamma för alla emitter- områden, eftersom större strömmar leds av emitterområdena av större storleksordning medan mindre strömmar leds av emitter- områdena med mindre storleksordning. Storleken hos strömmen som leds av utgångsorganen Q0 - Q7 bestäms av värdet hos de _ korresponderande emittermotstånden RO - R7. Ehuru tillresi- stansen (strömledningsresistansen) hos utgångsorganen av läg- re ordning är större än tillresistansen hos organen av högre ordning därför att de förstnämnda organen innefattar ett mindre antal parallellkopplade emitterceller är spännings- fallet från kollektorelektrod till emitter hos utgångsorganen, 458 812 6 när dessa är strömledande, approximativt detsamma för orga- nen av högre ordning och organen av lägre ordning på grund av de likartade strömtätheterna som utgångsorganen har.

Reglering av likspänningen som erhålls vid kollektorut- gångsuttaget D utförs medelst ytterligare en VMOS-transistor Q8 med en emitterelektrod S8 och ett korresponderande emit- termotstånd R8. En variabel reglerlikspänning VC från en spänningskälla 30 varierar strömmen som leds av transistorn Q8 och varierar därigenom spänningen som bildas över belast- ningsmotståndet 24 vid utgångsuttaget D. I exempelvis en televisionsmottagare kan arrangemanget som inkluderar spän- ningskällan 30 och transistorn Q8 användas för att inställa förspänningen hos bildrörkatoden, t.ex. då man håller på att utföra service på mottagaren samt vid andra tillfällen.

Fig. 2 visar en tvärsektionsvy av en VMOS-fälteffekttran- sistor av typen som kan användas vid arrangemanget enligt fig. l. Kollektormaterialkroppen består av ett n+-substrat med ett n-epitaxialskikt avlagrat på den ena sidan och ett metalliseringsskíkt avlagrat på den andra sidan. Emittercel- lerna består av p+-partier som har fått diffundera in i epitaxialskiktet, varjämte n+ i p+-partierna. n_ -partier har fått diffundera in Den geometriska utformningen av emittercel- lerna kan variera, varvid de t.ex. kan ha formen av sexhör- ningar eller rektanglar. Styret består av ett ni -polykisel- skikt som är inbäddat i kiseldioxid-(S102), varvid öppningar är centrerade över emittercellerna. Vid en viss punkt förs styrskiktet till organets yta för metallisering och anslut- ning till en sammanfogningsdyna. Emittermetalliseringen ut- gör det översta skiktet hos organet och sammankopplar de en- skilda emittercellerna allt efter behov.

Genombrottsspännings- märkvärdet hos ett VMOS -organ bestäms i första hand av resi- stiviteten och tjockleken hos epitaxialskiktet.

Fig. 3 visar en planvy över en integrerad krets som in- kluderar delen av arrangemanget i fig. l som omfattar orga- nen Q0 - Q8. Emitterområdena hos organen Q0 - Q8, till vilka emitteruttagen S0 - S8 är anslutna, har en rektangulär geo- metrisk utformning med rektangulära styrelement anordnade bland emittercellområdena på det visade sättet. De totala 458 8-12 7 emittercellområdena som är tilldelade de respektive utgångs- organen QO - Q7 har en Skala i ett binärt förhållande (l:2 ... :l28) och är åtskilda av ett isolerande skikt av kiseldioxid (SiO2). Ett integrerat VMOS-organ av denna typ kan lätt framställas genom att man modifierar vissa befint- liga VMOS-organ något, såsom organet av typen BSS 93 (SiemensL vars flertal sammankopplade emitterceller skulle kunna upp- delas i flera enskilda emittercellområden i en binär skala helt enkelt genom att man ändrar emittercellmetalliseringen.

För att uppnå fördelarna med minskad effektförbrukning och bevarat högfrekvensgensvar, vilka utgör resultatet av att man reducerar den totala effektiva utgångskapacitansen såsom har diskuterats, är det inte nödvändigt att utforma emitterområdena hos VMOS-utgångsorganen i en skala i ett bi- närt förhållande. Andra skalor kan anpassas till behoven hos ett givet signalbehandlingssystem, t.ex. då det gäller kra- ven på de skilda digitalinformationskoderna. Emellertid er- hålls i regel betydande fördelar när emitterområdena som har samband med flera av bitarna av lägre ordning (beroende på det totala antalet bitar) anordnas i en sådan skala att de har minskad area i förhållande till bitarna av högre ordning i syfte att minska utgångskapacitansen, erhålla önskade emit- terströmtätheter samt minska effektförbrukningen.

Ehuru det beskrivna arrangemanget kommer till särskilt god användning exempelvis då det gäller att driva en högspän- ningskatodintensitetsstyrelektrod hos ett bildrör i en tele- visionsmottagare kan det beskrivna arrangemanget också an- vändas såsom en tonfrekvenssignaldrivkrets med lämplig impe- dansanpassning eller såsom en källa för lågnivåanalogvideo- signaler för att mata separata analogvideomonitorer eller mottagare från en gemensam källa för digitalvideosígnaler.

Generellt sett kan det beskrivna arrangemanget komma till god användning i sådana fall då en snabbt arbetande digital- analogomvandlare behövs.

En VMOS-omvandlare/drivkrets av den ovan beskrivna typen kan med fördel användas i ett digitalvideosígnalbehandlings- och presentationssystem, där av TV-mottagaren alstrade styr- signaler för att normalt reglera intensiteten och kontrasten 458 812 8 hos en presenterad bild utnyttjas i analog form i stället för i digital form för att reglera storleken hos videosignalen på sätt som är beskrivet i den amerikanska patentskriften ~ U 642 690.

Claims (7)

458 812 - 9 PATENTKRAV

1. Digitalsignalbehandlingssystem, k ä n n e t e c k n a t' av en emitter (10) för digitalsignaler innefattande ett fler- tal binära informationsbítar, analogsignalutnyttjningsorgan (28) och digital-analogsignalomvandlarorgan (20) innefattande en grupp MOS-transistororgan med varsin styr-, kollektor- och emitterelektrod, varvid nämnda emitterelektroder (S0 - S7) mottar varsin informationsbit bland nämnda informationsbitar såsom ingångssignal, nämnda kollektorelektroder är gemensamt anslutna (D) till nämnda utnyttjningsorgan för att tillföra analogutgêngssignaler till detta, och nämnda emitterelektro- der har tilldelade emitterområden av vilka vart och ett har en sådan skala i storlek att emitterområden som hör samman med mindre signifikanta informationsbitar är förhållandevis mindre i storlek än emitterområden som hör samman med mera signifikanta informationsbitar.

2. System enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda MOS-organ är vertikal-MOS-organ.

3. System enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t därav, att strömbestämningsresistanser är kopplade till varsin emitter- * elektrod hos nämnda VMOS-organ och att nämnda emitterområden hos VMOS-organen är anordnade i skala i enlighet med värdena hos nämnda resistanser, varvid det största emitterområdet har samband med det minsta resistansvärdet och det minsta emitteromrâdet har samband med det största resistansvärdet.

4. System enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda emitterområden hos transistororganen är anordnade i en binär skala.

5. System enligt krav l eller 2, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda styrelektroder är inbördes hopkopplade.

6. System enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda utnyttjningsorgan innefattar en belastningsimpe- dans som är kopplad till nämnda kollektorelektroder, att _ ytterligare ett VMOS-organ är kopplat till nämnda belastnings- impedans och att en emitter för styrsignaler är kopplad till nämnda ytterligare VMOS-organ för att reglera dettas ström- ledning för att därvid reglera den över nämnda belastnings- impedans bildade potentialen. 458 s1_2 10 k ä n n e t e c k n a t därav, att nämnda ytterligare VMOS-organ har en styrelektrod kopplad till en förspänningskälla,

7. System enligt krav 6, en emitterelektrod kopplad till nämnda_emitter för styrsignaler och en kollektorelektrod kopplad till nämnda belastningsimpedans. s. system enligt någon av kraven 1 - 7, vilket bildar ett videosignalbehandlingssystem, därav, k ä n n e t e c k n a t att bildpresentationsorgan är pâverkbara såsom gen- svar pâ analogvideosignaler matade till en intensítetsstyr- elektrod hosfldesamma och att nämnda utgång från omvandlar- 8 organen avger nämnda analogvideosignaler med en spänning som är lämplig för att direkt driva nämnda intensitetsstyrelekt- rod. Z