專利名稱:具有數(shù)-模轉(zhuǎn)換的信號處理系統(tǒng)的制作方法
本發(fā)明是關(guān)于降低了輸出電容的數(shù)字量到模擬量的信號變換器。
本發(fā)明特別涉及了這樣一種變換器，它適于用作象視頻輸出放大器那樣的輸出電路;該視頻輸出放大器是在采用數(shù)字視頻信號處理技術(shù)的視頻信號處理系統(tǒng)中，用來驅(qū)動圖像顯示裝置的。
在采用數(shù)字信號處理技術(shù)的電信號處理系統(tǒng)中，要求數(shù)-模變換器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M形式，供相關(guān)系統(tǒng)的模擬線路使用。最近由國際電話電報公司(ITT)的世界半導(dǎo)體學(xué)會(夫來堡(Freiburg)，西德)介紹的數(shù)字電視信號處理系統(tǒng)記述在ITT公司出版物上，題為“VLSI數(shù)字TV系統(tǒng)DIGIT2000”。在那一系統(tǒng)中，已經(jīng)處理為數(shù)字形式的彩色視頻信號，在接到顯示圖像的顯像管之前，利用數(shù)-模變換器變換為模擬形式。而模擬彩色視頻信號經(jīng)過模擬緩沖放大器和視頻輸出顯像管驅(qū)動放大器接在顯像管上;顯像管驅(qū)動放大器將模擬視頻輸出信號轉(zhuǎn)為高電平，以適于驅(qū)動顯像管的強(qiáng)度控制極。
一個數(shù)字視頻信號處理系統(tǒng)記述在1984年3月27日提交的美國專利申請第644，398號中，題為“數(shù)字視頻信號處理系統(tǒng)中的顯像管驅(qū)動器”。該系統(tǒng)中很好地結(jié)合了輸出數(shù)-模變換器和顯像管驅(qū)動器的作用，以此消除了許多與顯像管驅(qū)動級有關(guān)的問題。正如該文中揭示的，變換器/驅(qū)動級采用了高壓縱向VMOSFET晶體管輸出器件，并能直接驅(qū)動強(qiáng)度控制極，象電視接收機(jī)或類似的采用數(shù)字視頻信號處理技術(shù)的視頻信號處理系統(tǒng)中的顯像管之陰極。
這里應(yīng)當(dāng)承認(rèn)，最理想的是通過減小變換器的輸出電容來保持高頻響應(yīng)，減小功耗和數(shù)模變換器的功率損耗;尤其是在處理大幅值信號時。于是，此處揭示了一種可滿足這些要求的有關(guān)數(shù)模變換器的信號處理系統(tǒng)。這里按照本發(fā)明的原理揭示的數(shù)模變換器包括多個具有獨立源極區(qū)域的MOS FET輸出晶體管器件。各個獨立源極區(qū)域的尺寸不一致，據(jù)此與最大有效數(shù)字信息位相關(guān)的器件具有最大的源極區(qū)域，而相應(yīng)于較小有效位的器件之源極區(qū)域較小。在發(fā)明的一個較佳實施例中，縱向VMOS輸出器件之源極區(qū)域是按二進(jìn)制劃分的，輸出器件的柵極接在一起，并且輸出器件的漏極共同連接一個輸出負(fù)載阻抗。
此外，前面所揭示的數(shù)模變換器能夠直接驅(qū)動一個強(qiáng)度控制極，諸如電視接收機(jī)或類似的采用數(shù)字視頻信號處理技術(shù)的視頻信號處理系統(tǒng)中的顯像管之陰極。在此方案中，所需的模擬顯像管驅(qū)動放大器被取消了。
在附圖中圖1表示依據(jù)本發(fā)明的有數(shù)模變換器的電視接收機(jī)的一部分，圖2表示形成圖1中數(shù)模變換器構(gòu)造部分的器件剖視圖;以及圖3描繪了示于圖1中數(shù)模變換器的集成電路部位的平面圖。
在圖1中，來自數(shù)字視頻信號源10的二進(jìn)制形式(20…27)8位數(shù)字視頻信號用作8位數(shù)模變換器(DAC)20的輸入信號。出自DAC20的一個高電平模擬輸出視頻信號呈現(xiàn)在負(fù)載阻抗24上，其幅值適于直接驅(qū)動圖像顯示顯像管28的陰極強(qiáng)度控制極，正如在電視接收機(jī)，圖像控制器或其他類似的圖像處理系統(tǒng)中可見到的。利用負(fù)載電阻24和顯像管陰極相關(guān)的電容對DAC20的輸出信號提供適當(dāng)?shù)牡屯V波。
DAC20包括多個輸出反相器10-17，這些反相器作為開關(guān)，分別接受輸入數(shù)字位20……27。例如，反相器10-17可以包括作為通-斷開關(guān)工作的雙極型晶體管。按照二進(jìn)制輸入信號20……27的邏輯狀態(tài)產(chǎn)生的出自反相器10-17的輸出信號通過二進(jìn)制加權(quán)、電流確定的電阻R0-R7接在高電壓輸出MOS FET晶體管器件Q0-Q7的陣列上。器件Q0-Q7具有共同成一個柵端G的柵極(在G端加有偏壓)，共同連成一個漏極輸出端D的輸出漏極(接有輸出負(fù)載阻抗24)，以及分別接納來自電阻R0-R7的二進(jìn)制加權(quán)信號電流的獨立輸入源極端S0-S7。
輸出器件Q0-Q7最好是增強(qiáng)型VMOS(縱向MOS)FET晶體管器件。諸如在西德，夫來堡(Frciburg)的ITT可以得到的BS107型器件，或在西德，慕尼黑的西門子可得到的BSS93型器件。VMOS器件Q0-Q7具有沿縱軸排列的漏極和源極(相對于柵、源和漏各部分均在同一表面上的橫向器件)。器件Q0-Q7并行連接，并且易于制做在同一集成電路基片上，最好同電阻R0-R7和開關(guān)反相器10-17做在一起。這種VMOS輸出器件的縱向結(jié)構(gòu)便于制造具有高擊穿電壓分布的器件，使得器件直接驅(qū)動顯像管28的陰極高壓。
VMOS輸出器件很好地展示出相互一致的高壓快速開關(guān)特性，具有基本上相等的導(dǎo)通和截止的延遲時間，并且基本上避免了不希望的開關(guān)瞬態(tài)(“低頻干擾”)，與雙極型晶體管的高壓開關(guān)特性相比較更為明顯。VMOS輸出器件的導(dǎo)通和截止時間基本上不受所要轉(zhuǎn)換的電壓幅值的影響，由此高壓顯像管的驅(qū)動是可能的。此外，VMOS技術(shù)易于制造帶有公共柵極和公共漏極的低成本的集成VMOS器件陣列。
DAC20很好地展示出充分減少了的寄生輸出電容，良好的大信號轉(zhuǎn)換率和高頻響應(yīng)，以及降低的功耗。正如下面將要解釋的，這些理想的效果取決于這一事實VMOS輸出器件Q0-Q7的源極區(qū)域的尺寸體現(xiàn)了二進(jìn)制加權(quán)因子，即1∶2∶4∶8∶16∶32∶64∶128。換句話說，輸出器件Q0-Q7的源極面積正比于相關(guān)源極電阻R0-R7的二進(jìn)制數(shù)值。也就是說，晶體管Q0的源極面積相應(yīng)于與最低有效位(20)一致的最小面積(“1”)，而晶體管Q7的源極面積相應(yīng)于與最高有效位(27)一致的最大面積(“128”)。
與輸出器件Q0-Q7的源極面積相等的情況相比較，通過這種方式劃分VMOS輸出器件的源極面積，D端的輸出寄生電容值(即，總的漏極電容)充分減小。由于在縱向構(gòu)造的VMOS器件中，每一輸出VMOS器件的源極區(qū)域的尺寸(或所用源極單元的數(shù)目)初步?jīng)Q定了器件所占的面積，并且由于漏極區(qū)域和漏極電容正比于VMOS器件所占的面積，源極面積的減小導(dǎo)致了寄生輸出漏極電容值的相對減小。
DAC20的轉(zhuǎn)換率(每單位時間的電壓變化，或dv/dt)與負(fù)載電阻24(被呈現(xiàn)在輸出端D的電容值所除)供給的電流幅值有關(guān)。因此，減小D端的有效電容量便提高了DAC20的轉(zhuǎn)換率，也增強(qiáng)了DAC20的高頻響應(yīng)。減小有效輸出電容值也就減小了DAC20的功耗和換耗，因為這些因素均正比于有效輸出電容值。
正如圖3中所看到的，下面依次加以討論，每一輸出器件Q0-Q7包括若干源極單元。與最大有效信號位相對應(yīng)的輸出器件Q7含有最多源極單元(128個)，具有最高的電流傳導(dǎo)力，并且構(gòu)成輸出漏極電容總值的絕大部分。換句話說，與最低有效位相對應(yīng)的輸出器件Q0包含最少源極單元(1個)，具有低的電流傳導(dǎo)能力，并且構(gòu)成輸出漏極電容總值的最小一點。
對于整個源極區(qū)域來說，電流密度基本上是相同的，這是因為較高的電流由較高級別的大面積源極來傳導(dǎo)，而較低的電流則由較低級別的小面積源極來傳導(dǎo)。輸出器件Q0-Q7所傳導(dǎo)的電流幅值是由相應(yīng)的源極電阻R0-R7的值決定的。雖然較低級別的輸出器件的工作電阻量(傳導(dǎo)電阻)比較高級別的器件的工作電阻高(因為前者包含較少的并聯(lián)源極單元)，由于輸出器件表現(xiàn)出類似的電流密度，當(dāng)高階和低階的輸出器件的導(dǎo)通情況相同時，輸出器件便呈現(xiàn)出漏-源電壓降。
在漏極輸出端D產(chǎn)生的DC電壓的控制是利用一只附加的VMOS晶體管Q8(帶有一源極S8和一相應(yīng)的源電阻R8)來提供的。來自電壓源30的可變DC控制電壓VC改變了由晶體管Q8傳導(dǎo)的電流，從而改變了產(chǎn)生在輸出端D的負(fù)載電阻24上的電壓。例如，在電視接收機(jī)中，包含電壓源和晶體管Q8的配置可以用來調(diào)整顯像管陰極的偏壓，象在接收待服期和其他時間內(nèi)。
圖2表示一個VMOSFET結(jié)構(gòu)的剖視圖。它可以用于圖1的配置。器件的漏極部分由一n+基底構(gòu)成，n+基底的一邊沉積有一n-外延層，而另一邊沉積有一金屬層。源極單元是由擴(kuò)散進(jìn)上述n-外延層的P+區(qū)域，和擴(kuò)散進(jìn)該P(yáng)+區(qū)域的n+區(qū)域組成的。源極單元的幾何形狀可變，例如為六邊形或矩形。柵極是由埋在二氧化硅(SiO2)中的n多晶硅層，和居于源極單元中心的小孔組成。在某些點處，柵極層露出在器件的表面，供涂金屬和接管腳用。源極金屬層是器件的最上層，并按要求連通了單個的源極單元。VMOS器件的擊穿電壓額定值是由外延層的電阻率和厚度初步?jīng)Q定的。
圖3表示了包括具有器件Q0-Q8的圖1配置部分的集成電路平面圖。接有源極端S0-S8的器件Q0-Q8的源極區(qū)域呈現(xiàn)為矩形幾何圖形，并有一矩形柵極單元沉積在源極單元區(qū)域之中(如圖示)。分別與輸出器件Q0-Q7相關(guān)的總的源單元區(qū)域是以二進(jìn)制率(1∶2∶……128)的形式劃分的，并由二氧化硅(SiO2)絕緣層分隔開。這種類型的集成VMOS器件經(jīng)過稍微修改某些現(xiàn)存的VMOS器件就可很容易的制成;比如BSS93類型的器件(西門子)，其多個相互連接的源極單元，通過簡單地改造源極單元金屬層便可分成若干個按二進(jìn)制劃分的單個源極單元區(qū)域。
為了達(dá)到減小功耗和保持高頻響應(yīng)(是由所討論過的減少總有效輸出電容實現(xiàn)的)的效益，并非必須按二進(jìn)制比例來劃分VMOS輸出器件的源極區(qū)域。其他劃分的安排可以適用于給定信號處理系統(tǒng)的要求，即，對于各種數(shù)字信息碼的要求。然而，通常情況下，為了減小輸出電容，獲得所希望的源極單元電流密度，并減少功耗，當(dāng)把與若干低價位有關(guān)源極區(qū)域相對高階位劃分為逐漸減小的面積，就能獲得足夠的效益。
雖然所揭示的配置特別適用于驅(qū)動象電視接收機(jī)中顯像管的高壓強(qiáng)度控制陰極，它也能用作帶有適當(dāng)阻抗匹配的音頻信號，或用作低電平模擬視頻信號源，從一公共的數(shù)字視頻信號源供給單獨的模擬視頻監(jiān)視器或接收器?？偠灾?，在需要高速數(shù)模變換器的地方所揭示的結(jié)構(gòu)都是有用的。
這里描述的VMOS變換器/驅(qū)動器適于用在數(shù)字視頻信號處理和顯示系統(tǒng)中，其中，產(chǎn)生一般控制亮度和顯示圖像的對比度的控制信號的電視接收機(jī)是以模擬形態(tài)而不是以數(shù)字形態(tài)應(yīng)用的;以控制視頻信號的幅度。正如1984年8月27日提交的美國專利申請第644，400號，題為“具有模擬電平控制的數(shù)字視頻信號處理機(jī)”中所揭示的。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字信號處理系統(tǒng)的特征是一個具有多個二進(jìn)制信息位的數(shù)字信號源(10)；模擬信號應(yīng)用裝置(28)；以及數(shù)模信號變換裝置(20)，包括一個MOS晶體管器件陣列，每一器件具有柵、漏和源極；其中所說源極(SO-S7)接收作為輸入信號的所說信息位的相應(yīng)位；所說漏極共同接到上述使用裝置上，以提供模擬輸出信號；以及所說源極具有相應(yīng)的源極區(qū)域，所說源極區(qū)域分別劃分為這樣的尺寸與較低有效信息位對應(yīng)的源區(qū)域要比與較高有效信息位對應(yīng)的區(qū)域要小。
2.按照權(quán)項1的一個系統(tǒng)，其特征在于所說MOS器件是縱向MOS器件。
3.按照權(quán)項2的一個系統(tǒng)，其特征是確定電阻的電流分別接向所說VMOS器件的源極;并且所說VMOS器件的源極分別按照上述的電阻值劃分;以較大的源極區(qū)域?qū)?yīng)于較小的電阻值，而以較小的源極區(qū)域?qū)?yīng)于較大的電阻值。
4.按照權(quán)項1或2的一個系統(tǒng)，其特征在于所說晶體管器件的源極區(qū)域是按二進(jìn)制劃分的。
5.按照權(quán)項1或2的一個系統(tǒng)，其特征在于所說柵極連在一起。
6.按照權(quán)項2的一個系統(tǒng)，其特征在于所說應(yīng)用裝置包括一個接在所說漏極上的負(fù)載阻抗;另一個VMOS器件接在上述負(fù)載阻抗上;以及一個控制信號源接在上述另一個VMOS器件上，以控制其導(dǎo)通，從而控制了產(chǎn)生在所說負(fù)載阻抗上的電位。
7.按照權(quán)項6的一個系統(tǒng)，其特征在于所說另一個VMOS器件具有一個柵極接偏置電源，一個源極接所說控制信號源，和一個漏極接所說的負(fù)載阻抗。
8.按照前述任何一個權(quán)項的一個系統(tǒng)，它是一個視頻信號處理系統(tǒng)，其特征是，圖象顯示裝置響應(yīng)加在強(qiáng)度控制極上的模擬視頻信號;和所說變換裝置的輸出給所說模擬視頻信號一個電壓，該電壓適于直接驅(qū)動所說強(qiáng)度控制極。
專利摘要
在一個包含圖像顯示顯像管(28)的數(shù)字視頻信號處理系統(tǒng)中，一個數(shù)-模信號變換器(DAC20)包括一個VMOS晶體管結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)有一個柵極(G)；一個漏極(D)(由此產(chǎn)生一個模擬信號)；和多個源區(qū)域(SO-S7)對應(yīng)于接收輸入數(shù)字信號(10)的源極。這些源極區(qū)域按二進(jìn)制劃分，以減小有效輸出電容和功耗。這一DAC也適于直接驅(qū)動顯像管的高電平陰極(26)。
文檔編號H04N5/222GK85104435SQ85104435
公開日1987年2月4日 申請日期1985年6月11日
發(fā)明者維爾納·欣 申請人:Rca公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan