DE2702681A1 - Paralleler analog-digitalkonverter - Google Patents

Description

PATENTANWALT DIPL-INQ. JOACHIM STRASSE

6« HANAU RÖMERSTIL 1t · POSTFACH 793· TEL. (06181) itWOS/807« · TELEQRAMME: HAN^UtAXENT wTELEX. 41H7M|mI

TEKTRONIX, Inc.

14150 S. W. Karl Braun Drive

Beaverton, Oregon 97077 21. Januar 1977

U.S.A. Rb/Ml - 11 491

(8782596 US)

Paralleler Analog-Digitalkonverter

Die Erfindung betrifft einen parallelen Ana Iog-Digita Ikonve rte r·

Paral IeIe Ana Iog-Digita Jkonverter, in denen 2 -1 Komparatoren zur Erzeugung N logischer Bits eingesetzt werden, sind dem Stand der Technik, z. B. aus der US-PS 3 539 831 bekannt. Typischerweise wird dabei das analoge Eingangssignal mit einer linear unterteilten Referenzspannung verglichen, und die Ausgangssignale des Komparators (Vergleichers) werden in einer brauchbaren digitalen Form kodiert. Als Kodierkreise wurden bisher komplexe logische Netzwerke verwendet, die zusätzliche Verzögerungszeiten zur Folge hatten und die Umwandlungsgeschwindigkeit verringerten. Bei einer hohen Bauteileanzahl waren derartige Konverter außerdem teuer und benötigten überschüssige Energie.

Zwei Probleme, die sich bei der Entwicklung von Konverterschaltungen stellen, bestehen darin, die Umwandlungsgeschwindigkeit und die Eingangsauflösung dadurch zu erhöhen, daß Schaltungshysteresen um die abgeglichene DifferentI a I eingangsspannung vermieden werden. Durch Verwendung abgetasteter Komparatoren lassen sich Umwandlungszeiten von weniger als 8 Nanosekunden erzielen. Ein Beispiel derartiger

709833/0586

TTKTRONIX, Inc.
(11 4Q 1 )

getasteter Komparatoren ist von D. R. Breuer, in 1972 International Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers, Seiten 146 - 147 beschrieben.

Das Vorhandensein von Schaltungshysterese stelIt bei einigen Komparatoren eine beachtliche und tatsächlich vorhandene Eigenschaft dar, die einen Totbereich um den abgeglichenen Differenzeingang zur Folge hat und die Auflösung begrenzt. Obwohl der Trend dahin geht, eine derartige Hysterese vol!ständig zu vermeiden, kann eine vorgegebene kleine Hysterese wünschenswert sein, um den durch Schwingungen mit niedrigem Pegel und Rauschen verursachten Fehler auf ein Minimum zu begrenzen, wobei trotzdem eine gute Auflösung erzielt wird.

Gemäß der Erfindung enthält ein sehr schneller Analog-Digitalkonverter mehrere paralIeI geschaltete Komparatoren, denen vorgegebene verschiedene diskrete Analogpegel zugeordnet sind. Alle Komparatoren besitzen eine derart nichtlineare Übertragungsfunktion,daß die Verstärkung relativ hoch ist, wenn die differentielle Einganqsspannung sich nahe beim Wert Null befindet, und daß die Verstärkung relativ kleinwird, wenn die differentielle Ei η gangs spannung zunimmt. In die Übertragungsfunktion läßt sich ein vorgegebener Hysterese-Wert einführen, um einen vorgegebenen "Totbereich" um den Spannunqswert NuI I des differentiellen Eingangssignals zu erzeugen. Dadurch werden Antwortsignale des Komparators auf Schwingungen mit kleinem Pegel und auf Rauschen reduziert, während eine hohe Verstärkung und gute A υ flösungs eigen schäften er-halten bleiben.

Die Komparatorausgänge sind mit Kodierkreisen verbunden, z. B. für Binärcodes oder Gray-Codes, die ein UND-Tor und einen Emitterfolger für jeden der genannten Analog-Pegel enthalten wobei die Stufen aus UND-Tor und Emitterfolger so geschaltet sind, daß jeweils nur pine dieser vielen Stufen zu einem [■> ρ stimmte η Zeitpunkt anspricht. Die Anzahl dor Emitterfolger ist gleich der Anzahl rl -> r darzustellenden und kodierten Bits,

709833/058S - 3 -

TEKTRONIX, Inc.
(11 491)

wobei diese Emitter zu geeigneten parallelen Ausgangsleltungen zusammengeschaltet sind, so daß beim Ansprechen eines bestimmten Emitterfolger die dem zugeordneten diskreten Analogpegel entsprechende kodierte Information erzeugt wird.

Aufgabe der Erfindung tst es daher, einen verbesserten, sehr schnellen DIgltaI-Analogkonverter zu schaffen.

Der erfindungsgemäße Ana Iog-DIglta I konverter enthält Insbesondere eine Übertragungsfunktion (transfer characteristic) mit einer vorgegebenen Hysterese um den Nullpunkt der dtfferentleIlen Eingangsspannung. Der erfindungsgemäße Ana Iog-DIglta]konverter enthält außerdem einen Komparatorkrels mit einer ηtchtI Inearen Verstärkungscharakteristik, wobei die Verstärkung In der Nähe des Nullpunkts der dlfferent1eI I en Eingangsspannung erhöht Ist. Der AnaIog-DIgtta I-konverter enthält ferner einen neuen und verbesserten DIgltaI-Kodlerer, der aus vereinfachten Schaltkreisen besteht, wobei der erfindungsgemäße Ana Iog-DIglta!-Konverter einen minimalen Energieverbrauch besitzt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung.

Es ze i gen :

Fig. 1 A eine Komparator-SchaItung nach der Erfindung;

Fig. 1 B eine nichtlineare Ubertragungskurve mit

vorgegebener Hysterese für den in Fig. 1 A dargestellten Komparator;

Fig. 1 C eine nichtlineare Ubertragungskurve für den

Komparator nach Fig. 1 A ohne Hysterese;

709833/0588 " ⁴ "

TEKTRONIX, Inc.
iU 491)

FIg. 2 einen Kodierkreis für den erfindungsgemäßen Analog-Digltalkonverter;

Flg. 3 ein Blockschaltbild eines parallelen 4-BIt-AnaIog-DIgI ta Ikonverters; und

FIg. 4 eine einzelne KomparatorzeI Ie und den zugehörenden Kodierkreis gemäß einer bevorzugten Ausführungs form der Erfindung.

FIg. 1 A zeigt eine KomparatorschaItung mit η I ent I I nearer Verstärku-ng. Ein erstes Paar emittergekoppelter Transistoren I und 2 empfängt ein Eingangssignal aus der Signalquelle 4, das an die Basis des Transistors 1 gelegt wird und mit dem Massepotent I a I an der Basis des Transistors 2 verglichen wird. Eine Stromsenke 5 liegt an beiden untereinander verbundenen Emittern und ermöglicht es, daß ein Strom I_T entsprechend der Polarität des Eingangssignals durch einen der beiden Transistoren 1 oder 2 hindurch geschaltet wird. Die Transistoren 7 und 8 stellen ein zweites emittergekoppeltes Paar dar, wobei die miteinander verbundenen Emitter an einer Stromsenke oder Stromquelle 10 liegen, die einen Arbeltsstrom I _χ liefert. Die Transistoren 7 und 8 sind an die Kollektoranschlüsse der Transistoren 1 und 2 angeschlossen und erzeugen eine Mitkopplung. Die Kollektoren der Transistoren 7 und 8 sind über Kreuz verkoppelt und durch den Spannungspegel verschiebende Batterien 12 und 13 von den entsprechenden Basisanschlüssen der Transistoren getrennt, wobei die Batterien 12 und 13 In geeigneter Welse durch herkömmliche Dioden oder Zenerdloden verwIrkI Ichbar sind. Die Widerstände 15 und 16 besitzen gleiche Werte R_ und stellen die Kollektorlast für den Schaltkreis dar, während der Ausgang zwischen den Anschlüssen 18 und 19 abgegriffen wird.

Ein positives Signal an der Basis des Transistors 1 bewirkt z. B. ein poslttves Signal an der Basis des Transistors 8, so daß diese beiden Transistoren eingeschaltet werden, während die

709833/0588

TEKTRONIX, Inc.
(11 491)

Transistoren 2 und 7 ausgeschaltet sind. Am VerzweIgungspunkt 21 wird daher der durch den Transistor 1 flteßende Strom I_ durch den Strom I _χ verstärkt, der durch den Transistor 8 fließt. Wird andererseits eine negattve Spannung an die Basis des Transistors 1 gelegt, so leiten die Transistoren 2 und 7, während die Transistoren 1 und 8 ausgeschaltet sind.

Wird die geschilderte Komparatorschaltung als getasteter Komparator betrieben, so wird der Strom l_ zwischen den ersten und zweiten Paaren von Transistoren hin und her geschaltet, wobei die Transistoren 7 und 8 als Verriegelung dienen. Der Strom L dient In diesem Fall dazu, die Transistoren 7 und 8 schon Im voraus auf den EInscha1t-ArbeItspunkt-Pegel vorzuschalten, um das Einschalten des Transistors 7 oder 8 bei der Abtastung zu beschleunigen. Der den Arbeltspunkt Im voraus einstellende Strom l_v, bewirkt, daß die

scheinbare Impedanz an den Bas Is-Ansch1üssen an den Transistoren 7 und 8 negativ Ist, wo-durch wiederum eine Zunahme der Verstärkung der Transistoren 1 und 2 bewirkt wird, wenn die dIfferentIe1Ie E!ngangsspannung der Basisanschlüsse dieser Transistoren In der Nähe des Wertes Null liegt. Diese negative Impedanzwirkung läßt sich groß genug machen, um In der Ubertragungskurve eine Hysterese zu verursachen, vgl. FIg. IB und 1C. Die Spannungsverstärkung A„ des getasteten Komparators läßt sich durch folgende Gleichung ausdrücken:

.,V .. 1+cosh(V. /V_T)

. d( out) _ InT

V d (V.)

709833/0586

TEKTRONIX, Inc. ill 491)

4Z

Hierbei bedeutet V die bekannte Temperaturspannung (Spannungsäquivalent der Temperatur), die als Produkt aus Bo1tzmann-Konstante und absoluter Temperatur, dividiert durch die Ladung eines Elektrons, definiert Ist, und bei Raumtemperatur etwa 26 Millivolt beträgt.

Die Bedingung, unter der In der Ubertragungskurve eine Hysterese auftritt, lautet:

x^Rc

2V.

Die Ubertragjngskurve nach FIg. 1 B zeigt eine Hystereseschleife am Nullpunkt-Kreuzungspunkt zwischen Ordinate und Abszisse, wobei der den Komparator beeinflussende Hysteresewert gleich den Grenzen des Totbereiches, d. h. _+ V. ' begrenzt wird. Den Punkten V. ' In FIg. 1 Ist ein Wert zugeordnet, der die Ausgangsspannung des Komparators kennzelchnet.

V ' ο

Der Wert von V ' läßt sich aus folgender Gleichung gewinnen:

_ 1 cosh ¹ (

- 1)

Für Werte Vj_n <1/2 ν_χ läßt sich die Hysterese In folgender Welse annähern:

2V

- 1 - V₀-

Die Ubertragungskurve In FIg. 1 B Ist für einen speziellen Komparator für die Werte 1_χ ■ 500 wA, I - 2,0 mA, und R_r - 200 0hm. Der Hysterese-Wert wtrd dann berechnet zu ♦ V. 8 — f η

+ 3,2 mV.

TEKTRONIX, Inc. (11 491)

Die Übertragungskurve In FIg. 1 C besitzt keine Hysterese. Diese Kurve belegt den Zuwachs In der Verstärkung um den dtfferentlellen Eingangsspannungspunkt. Im Gegensatz zu der Ubertraguns-Kurve mit Hysterese Lautet dte Bedingung for die Kurve gemäß FIg. 1 C ohne Hysterese I_VR_P K. 2 V_T. Die Spannungsverstärkung Ay, die als Stetgung der Übertragungskurve definiert Ist, läßt sich durch folgende Gleichung angeben:

1 V,

IN-O 1-

Die In FIg. 1 C dargestellte Kurve gilt for etnen Komparator

mit den Werten Ι_χ - 250 yuA, I^ - 2,0 mA, und R_Q - 200 0hm.

Die Spannungsverstärkung der Transistoren 7 und 8 bei V. - 0 läßt steh berechnen und besitzt den Wert 26.

Die anhand der zwei vorausgegangenen Beispiele diskutierten Ubertragungskurven lassen sich durch Wahl der Werte l_y, I_T und R_ so einstellen, daß jeder Hysterese-Wert tm Komparator herstellbar Ist, um den gewünschten Totbereich In der Nachbarschaft der AbgleIchbedlngung des dlfferentlellen Eingangs zu erzeugen, um eine Komparatorantwort auf Signale oder Schwingungen mit kleinen Pegeln sowie auf Rauschen möglichst gering zu halten.

In FIg. 2 Ist ein Kodlerkrets for einen N-Btt-Analog-Dtgltalkonverter dargestellt. Ein Analogsignal aus einer Quelle 25 wird gleichzeitig an 2 Komparatoren 27-33 gelegt und mit unabhängigen diskreten Spannungswerten verglichen, dte von einem linearen Spannungsteller mit den Widerständen 36-42 hergestellt wird, wobei die Widerstände 36-42 In Serie zwischen

709833/0586

TEKTRONIX, Inc. (11 491)

zwei Spannungswerten einer Referenzspannung liegen. Die Komparatoren besitzen komplementäre Q und Q^f Stromausgänge, die an seperate Emitter der Transistoren 45-53 angeschlossen sind, wöbe! die Transistoren als logische UND-Tore dienen.

Die Transistoren 45-53 besitzen eine geeignete Arbeitspunktspannung an Ihren BaslsanschlUssen. Diese Transistoren enthalten an Hasse liegende EmItterwfderstände 57-72 und an eine geeignete Quelle einer positiven Spannung liegende KoIIektor-Last-Wlderstände 75-83. An den Kollektoren dieser Transistoren liegen außerdem Emltterfolger-TransI stören 85 bis 92. Die Emitterfolger besitzen mehrfach Emitter, die mit den N-Ausgangsleftungen gemäß der Anzahl der Bits desjenigen Datenworts verbunden sind, das jeder Emitterfolger darstellt. Durch das Einschalten Irgend eines EmItterfolgers 85-92 werden entsprechende logische "Elns^ttWerte auf den Ausgangs IeItungen erzeugt. Die Widerstände 95 - 99 liegen zwischen den Emittern und Masse, um den logischen Null-Pegel für alle. Ausgangslel tungen festzulegen.

Die Transistoren 46-52 ermöglichen die Kodierung von bis zu N logischen Bits und enthalten zweifach Emitter, die bei jedem Transistor mit den komplementären Ausgängen benachbarter Komparatoren verbunden sind. Der Transistor 53 Ist mit dem Q¹-Ausgang des Komparators 33 verbunden und stellt eine Null dar, während der Transistor 45 mit dem Q-Ausgang des Komparators 27 verbunden Ist und eine Bereichsüberschreitung-Bedingung darstellt. Folglich Ist der Kollektor des Transistors 53 nicht mit einem anschließenden Emitterfolger verbunden, da keine logischen "EIns"-Werte auf Irgendeine der Ausgangs-Ieltungen gegeben werden müssen. Der Transistor 45 Ist mit dem Emitterfolger 85 verbunden, der einen EInfach-Emltter besitzt und an die Bereichsüberschreitung-Ausgangs IeItung angeschlossen Ist.

709833/058$

TEKTRONIX, Inc. (11 491)

Um zu zeigen, wie nur einer der Emitterfolger 85-92 bei einem beliebigen gegebenen Zeltpunkt durch die UND-Tore 45-53 aktivierbar Ist, sei angenommen, daß das Signal aus der Signalquelle 25 negativer Ist als die an den Widerstand 42 angelegte negative Spannung. Unter dieser Bedingung sind alle Q-Ausgänge nieder, während alle Q'-Ausgänge hoch sind. Durch überprüfen des Betrlebszustands der UND-Tore läßt sich feststellen, daß lediglich der Transistor 53 durch den logischen hohen Wert ausgeschaltet Ist, der an dessen Emitter gelegt wird, während alle anderen Transistoren 45-52 mindestens einen logischen niedrigen Wert zugeführt erhielten und dadurch eingeschaltet werden. Die an den Wider** ständen 75-82 durch die StromfUh rung In diesen Transistoren erzeugte Spannung hält die Basisanschlüsse der EmI tterfol ger-Translstoren 85-92 negativ, das Datenwort auf den Ausgangsleltungen besitzt daher nur Nullen. Wenn das Signal aus der Spannungsquelle 25 durch die Spannung an der Verbindungssteile zwischen den Widerständen 41 und 42 hindurch Ins Positive sich bewegt, schaltet der Transistor 33 und liefert einen logischen hoh'en Wert (logical high) an die Q-Ausgangsleltung und einen logischen niederen Wert (logical low) an die Q'-Ausgangsleltung. Dadurch wird der Transistor 53 eingeschaltet, während zur gleichen Zelt der Transistor 52 ausgeschaltet wird, dem schon auf dem Q'-Ausgang des Komparators 32 ein logisch hoher Wert zugeführt wurde. Die Basis des Transistors 92 wird positiv und zieht den Etnfach-Emltter dieses Transistors nach oben und liefert eine logische "Etns" an die kodierte Ausgangs IeItung, die "Eins" entspricht. Wenn das Signal aus der Signalquelle 25 gegen die am Widerstand liegende positive Referenzspannung läuft, wird dabei jeder Komparator geschaltet,. Dies rührt her von der sequentiellen Aussteuerung der Emitterfolger In einer Wetse, daß Jeweils zu einem Zeltpunkt ein Emitterfolger ausgesteuert tst, bis der Emitterfolger 85 ausgesteuert Ist, der die Beretchsübersteuerung-Bedlngung darstellt. In der Praxis stellt das Signal aus der Signalquelle 25 etn Analog-Signal dar und Ist Innerhalb der Grenzen des Dynamlk-Berelches veränderlich.

- 10 -

709833/058·

TEKTRONIX, Inc.
(11 49 1)

Wie In Flg. 2 gezeigt Ist, läßt sich das Kodierschema auf die erforderliche Anzahl von Bits erweitern. Die Emlttei— und Ko1Iektorwfderstände In dem Kodlerkrels werden so ausgewählt, daß eine geeignete Verstärkung und geeignete Fan-Out-Eigenschaften der Schaltung erzlelbar sind. Obwohl der geschilderte Ana Iog-DIglta]-Konverter sich aus diskreten Bauelementen herstellen läßt, bietet sich die Schaltung zur Ausführung In monolithischer integrierter Schaltungstechnik an .

In Flg. 3 Ist ein vollständiger 4-BIt-Ana1og-DIgtta Ikonverter dargestellt, dessen Grundkonzept vorstehend beschrieben wurde. Aus der Signalquelle 102 wird ein Analog-Signal gleichzeitig an die Komparatoren 105-120 angelegt und mit Referenzspannungen verglichen, die an den In Serie liegenden Widerständen 125-140 zwischen geeigneten Quellen einer positiven und negativen Referenzspannung erzeugt werden. Die Widerstände 125-140 lassen sich mittels Hybrld-TechnIk herstellen, wobei DünnfI ImwIderstände In-engen Toleranzen auf derartige Werte abgeglichen werden, die eine Kompensation erster Ordnung für den Eingangsstrom I_R des Komparators ermöglichen. Die Werte ^Ry"Rj₅ für diese Widerstände lassen sich aus der folgenden Gleichung entnehmen,wöbe I K « 0, 1, ..·, 15 :

^RK - _{1 +} ¹⁶

Eine Abtast-Takt-Schaltung 145 erzeugt ein Abtastsignal zur Abtastung der Komparatoren, um deren Scha ItgeschwIndIgke11 zu erhöhen und eine sehr schnelle Realzelt-Datenzugriffsrate zu ermöglichen. Der erfindungsgemäße Ana 1og-DIglta I-konverter arbeitet bei Umwandlungsraten (Konversionsraten) über 100 MHz. Die komplementären Ausgänge der Komparatoren

-11-

709833/05«·

TEKTRONIX, Inc. (11 49 1)

sind den UND-Toren 150-166 zugeführt, um Ausgangssignale zu erzeugen, die Irgend einen der 17 diskreten Pegel einschließlich eines BereIchs-Ubersteuerungs-PegeIs ansprechen. Ein Kodierkreis 170 wandelt die Ausgangssignale der UND-Tore In eine quantlvlerte 4-BIt-DarsteI Iung um , die an den AusgangsIeftungen 172 abgreifbar Ist. Eine Ausgangsstufe 174 enthält Pufferverstärker, die die ECL-KompatIb I I I tat (emittergekoppelte Logik) sicherstellen.

In FIg. 4 Ist eine einzelne Komparatorze1Ie und der zugehörige Kodierkreis dargestellt. Die Emitterfolger 200 und 201, denen V... und eine Referenzspannung zugeführt sind, stellen eine Isolation dar, um den Komparator als eine konstante Last am Referenzspannungsteller darstellen zu lassen, die unabhängig von V. Ist. Die Transistoren 204 und 205 sind über Ihre jeweiligen Emitterwiderstände 207 und 208 an eine geeignete negative Spannungsquelle angelegt und stellen Stromsenken hoher Impedanz für die EmItterfolger-TransIstoren 200 und 201 dar.

Der Komparator besteht aus den emittergekoppelten Transistoren 215 und 216 und den kreuzgekoppelten VerrlegeIungstranslstoren 218 und 219. Der größte Anteil des für dieses Transistor-Paar verfügbaren Stromes wird durch eine Konstant-StromquelIe 225 und des zugeordneten Emitterwiderstands 226 geliefert und über einen Stromschalter aus den Transistoren 230 und 232 geleitet. Die Verriegelungstranslstoren 218 und 219 sind Im voraus durch einen geringen Wert eines vom Widerstand 235 gelieferten Stromes auf die EInscha1t-Spannung vorgespannt (pre-bIased), um die Scha 1 tgeschw I ndl g'<e 11 zu erhöhen. Emitterfolger aus den Transistoren 238 und 240 und den Widerständen 242 und 244 liegen zwischen den Kollektoren der Transistoren 215 und 216 und den Basisanschlüssen der Transistoren 218 und 219. Die Komparatorausgänge werden über die Widerstände 246 und 248

- 12 -

709833/0581

TEKTRONIX, [nc.
(11 49 1)

an die Transistoren 250 und 252 des UND-Tores gelegt.

Die Transistoren 250 und 252 des UND-Tores sind Transistoren mit Zweifach- oder Dual-Emitter und arbeiten Im wesentlichen so, wie Im Zusammenhang mit den Transistoren 46-52 der FIg. 2 beschrieben wurde. In der Zeichnung Ist lediglich jeweils ein Emitter jedes Transistors verbunden, es wird jedoch darauf hingewiesen, daß der zweite Emitter jedes Transistors an einem Ausgang einer benachbarten KomparatorzeI Ie liegt. Die WIdei— stände 254 und 256 stellen die geeignete Last für den Komparatorausgang dar und bestimmen dessen Verstärkung sowie die Festlegung der richtigen Arbeltspunkt-Bedingungen für die Transistoren 250 und 252. Die Kollektoren der Transistoren 250 und 252 sind über die Widerstände 260 und 262 an eine geeignete positive Spannungsquelle und außerdem an die EmItterfο Iger-AusgangstransJstoren 265 und 267 angeschlossen. Die Transistoren 265 und 267 besitzen Mehrfach-Emltter, wie zuvor In Verbindung mit den Transistoren 85-92 dargelegt wurde. Die Emitter sind an die kodierten Ausgangs I eItungen angeschlossen.

Abtastsignale mit entgegengesetzter Polarität werden an die Ba&Isansch I üsse der Transistoren 230 und 232 gelegt, um den Strom vom Transistor 225 zwischen den beiden Paaren der emfttergekoppeI ten Transistoren 215 und 216 sowie 218 und 219 zu schalten. Es sei für diese Schaltung angenommen, daß das Abtastsignal mit einer Frequenz von 100 MHz und einem Tastverhältnis von 50 % auftritt und eine genügende Amplitude für die wirksame Schaltung des Transistoren-Paars 230, 232 besitzt. Abtastsignale mit einer höheren oder kleineren Frequenz lassen sich jedoch genausogut In anderen Anwendungen einsetzen, ebenso läßt sich das Tastverhältnis auf einen gewünschten Wert elnstellert.

Das Eingangssignal V.., wird an die Basis des Transistors 200 gelegt und mit der Referenzspannung verglichen, die an der Basis des Transistors 201 liegt. Obwohl der Arbeltsstrom für den Komparator 215,216 fortlaufend ein- und ausgeschaltet Ist, verhält sich der Komparator In seinem aktiven Zustand In hei— kömmllcher Welse. Die Fähigkeit des Komparators, auf kleine

709833/0588 - 13 -

TEKTRONIX, Inc.
(11 419)

Eingangsdifferenzen zu antworten wird durch Verwendung einer geschalteten positiven Rückkopplung möglich. Wird der Arbeltsstrom plötzlich vom Transistor 230 auf den Transistor 232 geschaltet, so antwortet das Verrtegelungspaar 218, 219 auf die Polarität des Signals an den Kollektoren der Transistoren 215 und 216 und schaltet In Mitkopplung In den geeigneten Zustand über. Die Emitterfolger 238 und 240 verhindern, daß das Verrlege1ungs-Paar gesättigt wird. Die Transistoren 218 und 219 müssen aufgrund des den Arbeltspunkt Im voraus einstellenden Stromsdurch den Widerstand 235 die Sperrschicht-Speicherzeit nicht überwinden, wodurch die Schaltzelt auf ein Minimum reduziert Ist. Zusätzlich zur Bereitstellung einer logischen 1 oder 0 - Entscheidung für den Komparator bewirkt die Schaltung des Arbeltsstroms eine Abtastung des Eingangs, d. h. Änderungen Im Eingangssignal V-_N, die eInerAbtastung nachfolgen, besitzen auf das Ausgangssignal des Komparators so lange keinen Einfluß, bis das Abtastsignal entfernt wird. Wie schon erwähnt, läßt sich ein vorgegebener Hysterese-Wert In die Schaltung dadurch einführen, daß die Betriebs-Parameter der Schaltung gemäß den angegebenen Gleichungen ausgewählt werden.

Die UND-Tore 215 und 252 arbeiten In Verbindung mit den benachbarten Komparatoren, um den Betriebszustand der Ausgangsemi tterfοIger 265 und 267 zu steuern. So erzeugt z. B. ein Strom In einem der Emitter des Transistors 250 eine Spannung am Widerstand 260, dte den Transistor 265 In ausgeschaltetem Zustand hält. Sofern das Eingangssignal V... bezüglich des Referenzsignals an der Basis des Transistors 201 positiv T sh, fließt der gesamte Komparator-Betrlebsstrom durch den Widerstand 246 In den Emitter des Transistors 250, so daß dann kein Strom durch den Widerstand 248 fließt. Fließt aus dem benachbarten Komparator kein Strom In den Transistor 252,

709 833/0586

TEKTRONIX, Inc.
(11 491)

so wird die Basis des EmItterfο I ge rs 267 durch den Widerstand 262 positiv gemacht, wobei der Transistor 267 einschaltet und logische "Eins"-Werte auf die kodierten Ausgangs I e I t ungen abgibt, mit denen die Transistor-Emitter ve rb unden sind.

Die erfindungsgemäße Schaltung Ist so einfach aufgebaut und verbraucht so wenig Leistung, daß die Integration von 16 Komparatoren auf einem einzelnen Substratträger (chip) zusammen mit einem wirksamen 4-BIt-BInärkodterer mit großem Erfolg verwirklicht wurde. Der Le Istungsverb rauch einer einzelnen KomparatorzeΠe liegt etwa bei 32 Milliwatt. Die Auflösung beträgt 4-BIts und eine BereIchsübersteuerung.

Der erfindungsgemäße sehr schnelle Ana Iog-DIgI ta Ikonverter enthält mehrere parallel geschaltete, abgetastete Komparatoren und ein vereinfachtes Kodierschema. Alle Komparatoren besitzen eine nichtlineare Ubertragungscharakterlst Ik,durch die die Verstärkung erhöht wird, wenn die dIfferentIe11e Eingangsspannung sich nahe am Wert Null befindet. Ein vorgegebenes Maß an Hysterese läßt sich In die übertragungscharakteristik einführen, um den Einfluß von Schwingungen kleiner Amplitude und von Rauschen zurückzudrängen, während eine gute Verstärkung und gute Auflösungseigenschaften erhalten bleiben. Die Komparatorausgänge sind mit mehreren UND-Toren und deren nachgeschaltete Ausgangs-Emltterfο 1ger verbunden,von denen jeweils nur eines zu einem bestimmten Zeltpunkt steuerbar 1st. Die Ausgangs-EmItterfölger besitzen mehrfach Emitter, die mit einer Ausgangs-Sammelleitung entsprechend demjenigen Datenwort verbunden werden,das der Emitterfolger wiedergibt.

Erf Indungsgemäß lassen sich ebenfalls zwei oder mehr Analog-DIgI ta Ikonverter nach der Erfindung zusammen verwenden, um ein erweitertes N-BIt-System zu erzeugen.

An sp rüche:

709833/0586

Leerseite

Claims (14)

1. TEKTRONIX, Inc.

   m 491)

   yf-

   Patentansp rüche

   Analog-Dtglta 1 konverter, dadurch gekennzeichnet, daß eine Referenzspannungsquelle (36-42, V_REp; 125-140, V_REF> mft 2^H verschiedenen diskreten Spannungswerten vorgesehen Ist, daß Schalter (27-33; 105-120) rnft der Referenzsspannungsquel Ie (36-42 V_REF; 125-140 V_REp) verbunden sind, die In Abhängigkeit von einem mit den Spannungsherden fr» Vergleich

   N
   gesetzten Ana log-Sign a I 2-1 WouiplementSre digitale Signale liefern, daß Torschaltungen (45-53; 15Ο-166Ϊ mit den Schaltern (27-33; 105-120) verbunden sind, denen die komplementären digitalen Signale zuföhrbar

   N N

   sind, und die 2 den 2 Spannungswerten entsprechende Ausgangssignale abgeben,wobei zu einem Zeltpunkt jeweils nur ein digitales Ausgangssignal verfügbar Ist, und daß Kodlerschaltungen (75-99; 170} mit den Torschaltungen (45-53; !50-166Ϊ verbunden sind, denen die digitalen AusgangssIgnale zuführbar sind, und die daraus Daten-Wörter mit N-BIts erzeugen, wobei für Jeden der 2 diskreten Spannungswerte ein· verschiedenes Datenwort· mit N-BIts vorgesehen Ist.
2. 2. Analog-DIgfta I konverter nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannun.gsquelle einen In SerlenschaItung ausgebildeten Spannungsteiler (36-42; 125-140) zwischen zwei vorgegebenem Spannungswerten (+V__Ep -V_REp) zur Erzeugung von 2 von einander gleich beabstandeten Spannungswerten! erhalt, daß die Schalter (27-33; 105-120) 2^H-1 untereinander parallel liegende Komparator!«reise enthalten^iaß jeder der Komparatoren (27-33; 105-120) einen Signaleingang (1),

   •««se:¹

   TEKTRONIX, Inc.
   (11 491)

   einen Referenzeingang (2) und zwei Ausgangsanschlüsse (18, 19; Q, Q') enthält, daß die Signaleingänge miteinander verbunden sind und ein Analogsignal empfangen, daß die Referenzeingänge aufeinander folgend an je einen der verschiedenen Referenzspannungswerte angeschlossen sind und daß die Ausgangsanschlüsse (18, 19; Q, Q¹) geschaltet werden, wenn das Analogsignal die Referenzspann ungs werte du rc hlä'uft.
3. 3. AnaIog-DIgI ta 1konverter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abtastsignalquelle vorgesehen Ist, daß die KomparatorkreI se (27-33; 105-120; 1-22) mitkoppelnde Verrlegelungselnrlchtungen (7, 8, 12, 13, 10) enthalten, die mit der AbtastsIgnalquelle verbunden sind und bei einer vorgegebenen Rate geschaltet werden, um komplementäre digitale Ausgangssfgnale an den KomparatorkreI sen zu gewährleisten.
4. 4. AnaIog-DIglta Ikonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die TorschaItungen (45-72; 150-166) Transistoren (45-52) enthalten, daß die Transistoren (45-53) zwei EIngangsansch Iüsse enthalten und digitale Signale von benachbarten Schaltern (27-33; 105-120) enthalten und e f r/df g I ta Ies Ausgangss fgnal abgeben, wenn die beiden EIngangssIgnaJe denselben logischen Zustand besitzen.
5. 5. Analog-DIgI ta Ikonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die KodlerschaItungen (75-99; 170) 2^H Emitterfolger Transistoren (85-92; 265, 267) enthalten, deren Basisanschlüsse mit den digitalen Ausgangssignalen der TorschaItungen (45-72; 150-166;

   - 17 -

   709833/0586

   TEKTRONIX, inc.
   (11 491)

   252) speisbar sind, und daß jeder der Transistoren (85-92; 265, 267) mehrere Emitter enthält, die mit N-BIt-AusgangsIeItungen In Kodierung verbunden sind, wobei jeder Transistor (85-92; 265, 267) bei Aussteuerung ein N-BIt Datenwort erzeugt.
6. 6. Paralleler Analog-DIglta I konverter, dadurch gekennzeichnet, daß Komparatoretnrlchtungen (27-33; 105-120) mehrere KomparatorkreI se mit einem ersten und einem zweiten Etngang und einem ersten und einem zweiten Ausgang(Q» Q¹) enthalten, daß die ersten Eingänge gemeinsam untereinander verbunden sind und ein AnaIog-SIgnaI empfangen, daß die zweiten Eingänge mit einer Vielzahl aufeinander folgend zunehmender GIeIchspannungsreferenzwerte verbunden sind und daß die Ausgänge In parallelen komplementären Paaren (0, 0') weiterverbunden sind, wöbet eines der Ausgangspaare In Übereinstimmung mit dem VergletchsergebnIs zwischen Analogsignal und den an die ersten und zweiten Eingänge gelegten Referenzspannungen leitend und die anderen Ausgangspaare nicht leitend stnd, daß Kodlerschaltungen (75-99; 170) zur Erzeugung von den AugenbI Icks-Amp1ituden des Analogsignals entsprechenden kodterten digitalen Signalen vorgesehen sind, daß die Kodterschaltungen (45-72; 150-166) mehrere UND-Tore mtt zwei Eingängen, die an den Ausgängen benachbarter KomparatorkreI se liegen, und mehrere Emitterfolger (75-92) mit einem an einen Ausgang des UND-Tores gelegten Etngang enthalten, und daß jeder Emitterfolger (75-92) mehrere Emitter besitzt, die In kodierter Form mehreren parallelen Datenausgangslettungen zuführbar stnd.
7. 7. Paralleler Analog-DIglta 1 konverter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparator-EInrlchtungen eine Abtastsignalquelle ent-

   - 18 -

   709833/0588

   TEKTRONIX, [nc.
   (11 491)

   halten, daß die Komparatorkre I se die Abtastsignale empfangen und daß die Komparatorkretse VerrlegeIungseinrichtungen zur Verriegelung der komplementären Ausgänge in denjenigen logischen Zuständen besitzen, wenn die Abtastsignale empfangen werden
8. 8. Paralleler Ana Iog-DlgI ta Ikonverter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatorkre I se (1-22) ein erstes emittergekoppeltes Transistorpaar (1, 3) besitzen, deren Basisanschlüsse jeweils mit den ersten und zweiten Eingängen verbunden sind, und daß die VerrIegeIungseI ηrIchtungen ein zweites emittergekoppeltes Trans Istorpaar mit Steuerelektroden besitzen, deren Ausgänge mit den Ausgängen des ersten Transistorpaars (1, 2) In Kreuzkopplung verbunden sind.
9. 9. Paralleler Ana Iog-DIgI ta 1konverter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatorkre I se einen ersten Stromgenerator (5) enthalten, der durch die Abtast ImpuI se schaltbar Ist und abwechselnd das erste und das zweite emittergekoppelte Transistorpaar (1, 2; 7, 8) mit Strom versorgt und daß ein zweiter Stromgenerator (10) vorgesehen Ist, der das zweite emittergekoppelte Transistorpaar (7, 8) mit einem Arbeltspunktvorstrom (preblas current) versorgt, um die Verrtege1ungszeIt auf einem Minimum zu halten.
10. 10. Paralleler AnaIog-DIglta 1konverter nach Anspruch 6,

    dadurch gekennzeichnet, daß

    die UND-Tore (46-70) Transistoren mit einer Basis auf Arbettspunktspotentlal mit zwei Emittern und einen einzelnen über eine Last führenden Kollektorstrompfad enthalten, dessen einer Anschluß mit den Emitterfolgern (75-99) verbunden Ist, daß das Emitterpaar mit den

    709833/0586

    TEKTRONIX, Inc.
    (11 49 1)

    mit den Ausgängen benachbarter Komparatoren verbunden Ist, die sich beide Im nichtleitenden Zustand befinden, wenn die Amplitude des Analogsignals zwischen den GI elchspannungsreferenzwerten liegt, die an die zweiten Eingänge der benachbarten Komparatoren angelegt sind, wobei die Transltoren In den nichtleitenden und die Emitterfolger In den leitenden Zustand übergehen.
11. 11. Komparator mit einer ηIch11 Inearen übertragungscharakteristik, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Paar emittergekoppelter Transistoren (1, 2) mtt einem ersten Transistor (1) und einem zweiten Transistor (2) vorgesehen Ist, daß der Basis des ersten Transistors ein Signal und der Basis des zweiten Transistors eine Referenzspannung zuführbar Ist, daß ein Stromgenerator (5) zur Erzeugung eines ersten Stromes mit dem ersten emittergekoppelten Transistorpaar verbunden Ist, daß ein zweites emtttergekoppeltes Transistorpaar (7, 8) einen dritten Transistor (7) und einen vierten Transistor (8) enthalt, daß die Basisanschlüsse der dritten und vierten Translstore (7, 8) jeweils entsprechend an die Kollektoren der ersten und zweiten Transistoren (1, 2) , und die Kollektoren der dritten und vierten Transistoren In einer Kreuzkopp Iungsverb Indung an die entsprechenden Kollektoren der ersten und zweiten Transistoren (1, 2) angeschlossen sind, daß ein zweiter Stromgenerator (10) zur Erzeugung eines zweiten Stromes mit dem zweiten emittergekoppelten Transistorpaar (7, 8) verbunden Ist und eine negative Impedanz an der Basis der dritten und vierten Transistoren (7, 8) erzeugt und dadurch deren Verstärkung auf etwa einen abgeglichenen Eingangszustand erhöht und daß Lastelemente (15, 16) mit den Kollektoren der Transistoren (1, 2, 3, 4) verbunden sind.

    - 20 -

    709833/0588

    TEKTRONIX, Inc.
    (11 491)
12. 12. Komparator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stromgenerator außerdem mit dem zweiten emittergekoppelten Transistorpaar verbunden Ist, daß der Komparator ferner eine AbtastsIgna1que!Ie und Schalteinrichtungen zwischen dem ersten Stromgenerator und dem ersten und dem zweiten emittergekoppelten Transistor enthält, daß die Schalteinrichtungen auf das Abtastsignal ansprechen und den ersten Strom abwechselnd zwischen dem ersten und zweiten emlttergekoppeI ten Transistorpaar schal ten.
13. 13. Digitaler Kodierkreis, dadurch gekennzel chnet, daß Einrichtungen zur Erzeugung mehrerer digitaler Signale vorgesehen sind, wobei die digitalen Signale an seperaten digitalen Ausgangssignalen abgreifbar sind, daß mehrere Emitterfolger (75-92) vorgesehen sind, deren Eingang mit einer seperaten digitalen Ausgangs IeItung verbunden Ist, wobei die Emitterfolger mehrere Emitter besitzen, daß mehrere parallele Ausgangsdaten IeItungen (1, 2, 3 ... N) vorgesehen sind, daß die Emitter der Emitterfolger mit den parallelen Ausgangsdaten IeItungen In einer vorgegebenen kodierten Form so verbunden sind, daß die von den Einrichtungen zur Erzeugung digitaler Signale erzeugten digitalen Signale von den Emitterfolgern als paralleles Datenwort auf die Ausgangsdaten Ie Itungen gegeben werden.
14. 14. Digitaler Kodierkreis nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Erzeugung mehrerer digitaler Signale mehrere TorschaItungen (45-72; 150-166) enthalten, die zu einem Zeltpunkt jeweils nur ein einziges digitales Signal abgeben.

    709833/058$