DE2247237C3 - Grundschaltungseinheit eines Analog-Digital-Umsetzers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Grundschaltungseinheit eines Analog-Digital-Umsetzers, insbesondere zur Codierung von Analogsignalen in aus mehreren Ziffern zusammengesetzte Codewörter in einem PuIscodemodulations-(PCM)System, bestehend aus einem Verstärker, einem Gegenkopplungsnetzwerk mit einem ersten und einem zweiten Weg, die jeweils ein asymmetrisch leitendes Schaltelement enthalten, das so -gepolt ist, daß ein angelegtes Signal immer nur einen Weg leitend hält und einem Auskopplungsnetzwerk, durch das ein erstes und ein zweites Analogsignal und das Ziffernausgangssignal vom Ausgang des Verstärkers abgeleitet werden.

ίο Derartige Schaltungsanordnungen gehören bereits zum bekannten Stand der Technik. Aus der deutschen Auslegeschrift 11 83 126 ist ein PCM-Nachrichtenübertragungssystem bekanntgeworden, dessen Codierer und dessen Decodierer aus einer Anzahl in Kaskade geschalteten Stufen bestehen.

F i g. 1 stellt einen derartigen Codierer mit 4 Stufen schematisch dar. Die einzelnen Stufen des Codierers 1 bis IV, die je eine Ziffer des Codewortes abgeben, enthalten je zwei Grundschaltungseinheiten.

Aus der Fig. 18 der obengenannten deutschen Auslegeschrift ist die Innenschaltung für drei miteinander verbundene Stufen eines derartigen Codierers ersichtlich. Es ist erkennbar, daß jede Stufe des Codierers aus zwei gleichartig aufgebauten Grundschaltungseinheiten (70 + 71 bzw. 73 + 75 ...) mit je einem Signaleingang besteht.

An die beiden Signaleingänge jeder Stufe des Codierers sind gegenphasige symmetrische Signalspannungen anzulegen. Das zu codierende Analogsignal

η wird deshalb gewöhnlich in einer besonderen Stufe in diese Form gebracht, dann an die beiden Signaleingänge der ersten Stufe angelegt und in dieser bewertet. Entsprechend der Bewertung erscheinen am Ziffernausgang 22 der Stufe nach Fig.2 der vorliegenden Unterlagen eine logische »0« oder eine logische »I«. Dem Ausgang 2 der Stufe nach F i g. 2 entspricht einer der beiden Ausgänge 59 der Fig. 18 der oben genannten Veröffentlichung.

Zusammen mit der Bewertung wird bei der

*o Anordnung nach der genannten Auslegeschrift gleichzeitig eine als »Faltung« bezeichnete Zweiweggleichrichtung durchgeführt, so daß ein gleichgerichtetes analoges Signal entsteht. Jede der beiden Grundschaltungseinheiten jeder Stufe des Codierers verfügt über zwei symmetrische Ausgänge, an denen das gleichgerichtete analoge Signal gegenphasig anliegt. Über ein Netzwerk ist entsprechend der Phasenlage des gleichgerichteten analogen Signals jeweils ein Ausgang der einen Grundschaltungseinheit mit einem Ausgang der anderen Grundschaltungseinheit der gleichen Stufe und mit einem Eingang einer Grundschaltungseinheit der folgenden Stufe verbunden.

Das gleichgerichtete analoge Signal wird an den Eingängen der Grundschaltungseinheiten der einzelnen Stufen jeweils durch einen Vorstrom überlagert, dadurch symmetrisch und bildet in dieser Form das analoge Restsignal. In den weiteren Stufen erfolgt ebenfalls eine Bewertung des eingespeisten Analogsignals, die Abgabe einer entsprechenden Ziffer und eines analogen Restsignals, so daß entsprechend der für die Analog-Digital-Umsetzung gewünschten Genauigkeit eine Anzahl Stufen hintereinandergeschaltet werden können.

Die Fig. 2 zeigt die vereinfachte Darstellung der

¹^ Grundschaltungseinheit eines derartigen Codierers, der nach dem Erfinder Waldhauer bezeichnet wird. Die Grundschaltung weist einen Eingang 21 auf, an den das Analogsignal bzw. das analoge Restsignal angelegt wird.

Über den Widerstand R gelangt dieses Signal zum Eingang 24 des Verstärkers A. Der Ausgang 25 des Verstärkers ist mit dem Ziffernausgang 22 und mit den beiden Dioden D1 und D 2 verbunden. ÜberWiderstände R sind an die Dioden die beiden Ausgänge 23 und 23' für das analoge Restsignal angeschlossen. Weiterhin sind die Dioden über Gegenkopplungswiderstände 2R mit dem Eingang 24 des Verstärkers verbunden. Das Koppelnetzwerk zum Ausgang der davor befindlichen Stufe und zum Eingang der folgenden Stufe und das Netzwerk zur Einstellung des Vorstroms am Eingang der einzelnen Grundschaltungseinheiten ist der Einfachheit halber weggelassen. Je nach der Polarität des Eingangssignals ist über die zugehörige Diode entweder der obere oder der untere Gegenkopplungswiderstand eingeschaltet. Die andere Diode bleibt gesperrt Wegen der Schwellspannung der Dioden entsteht für t/£« 0 ein Unsicherheitsbereich, in dem keine der beiden Dioden ltiteL Durch eine hohe Spannungsverstärkung kann dieser Unsicherheitsbereich statisch beliebig klein gemacht werden, bei dem Verstärker A handelt es sich deshalb um einen Spannungsverstärker.

Bei einem Sprung der Eingangsspannung am Punkt 21 ergeben sich an den Punkten a, b, c die in F i g. 3 gezeigten Spannungsverläufe. Entsprechend der Polung der Dioden D1 und D 2 ergibt sich an den Punkten a und c nur eine Spannung, wenn eine negative bzw. positive Eingangsspannung anliegt. Am Punkt b, der mit dem Ausgang 25 des Stromverstärkers A direkt verbunden ist, ergibt sich ein Ausgangsspannungsverlauf, der der verstärkten Eingangsspannung weitgehend entspricht. In der Umgebung des Nullpunktes ist ein Unsicherheitsbereich erkennbar, in dem durch die Schwellspannung der Dioden die Gegenkopplung verringert und damit die Verstärkung erhöht ist. Diese Spannungsverläufe sind aber rein statische Kennlinien.

Das dynamische Verhalten der betrachteten Schaltungsanordnung wird durch die Eigenschaften des Verstärkers und das Schaltverhalten der Dioden bestimmt. Bei einem Eingangsspannungssprung strebt die Ausgangsspannung am Verstärker nach einer Grundlaufzeit mit konstanter Geschwindigkeit dem neuen Endwert zu. Die gesamte Einschwingzeit setzt sich demnach zusammen aus der Grundlaufzeit, der Anstiegszeit im oberen Ausgangsspannungsbereich, der Anstiegszeit im unteren Eingangsspannungsbereich und der Anstiegszeit im Umsicherheitsbereich. Offenbar sind diese Anstiegszeiten direkt den ausgangsseitig durchlaufenden Spannungsbereichen proportional. Dies gilt auch für den Unsicherheitsbereich, da auf Grund der begrenzten Anstiegsgeschwindigkeit die hohe Leerlaufverstärkung dynamisch nicht wirksam werden kann.

Die Schaltdioden beeinflussen das dynamische Verhalten der Gesamtschaltung besonders im Unsicherheitsbereich. Dort macht sich die durch den Ladungsträgerstau verursachte Schaltverzögerung der leitenden Diode bemerkbar. Die Diode bleibt zunächst auch für negative Ausgangsspanniingswerte leitend, wodurch über den zugehörigen Gegenkopplungswiderstand ein Erreichen des Spannungsendwertes vorgetäuscht wird. Ein weiterer Anstieg der Ausgangsspannung am Verstärker erfolgt nun nur noch in dem Maße, in dem die Ladungsträger in der Diode abgebaut werden. Da die Ladungsträger nur über eine rerativ hochohmige Schaltung abfließen können, geht dieser Abbau entsprechend langsam vor sich und ist außerdem von der Aussteuerung abhängig. Daraus ergibt sich, daß die Codiergeschwindigkeit dieses Codierers in hohem Maße von den Ladungsspeichereigenschaften der Dioden und damit von dem bei der Herstellung der Dioden betriebenen technologischen Aufwand abhängt Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

s Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art zu entwickeln, die bei gleichen technologischem Aufwand eine höhere Codiergeschwindigjceit oder aber mit geringerem Aufwand hinsichtlich der Technologie die gleiche Codiergeschwindigkeit ermöglicht

ίο Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß als asymmetrisch leitendes Schaltelement im ersten Weg ein erster Transistor und im zweiten Weg ein zweiter, zum ersten komplementärer Transistor vorgesehen ist und daß für die Ableitung des ersten und

is des zweiten Analogsignals jeweils eine Parallelschaltung zweier weiterer Transistoren vorgesehen ist, daß diese weiteren Transistoren die gleichen elektrischen Eigenschaften und den gleichen Leitungstyp wie die für den jeweiligen Weg vorgesehenen Transistoren aufweisen und daß die Transistoren in Basisschaltung angeordnet sind.

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß durch Wegfall des großen Spannungshubs die gesamte Einschwingzeit verringert werden kann und daß außerdem die Basis-Emitter-Dioden der jeweils leitenden drei Transistoren, die in der Schaltung nach der Erfindung eine Verzögerung herbeiführen könnten, durch die direkte Verbindung der Basen mit dem Bezugspotential wenig wirksam werden können. Die erfindungsgemäße Grundschaltungseinheit enthält deshalb neben einem Verstärker ein nur aus Transistoren bestehendes Netzwerk.

Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Grundschaltungseinheit liegt in der wesentlich erhöhten möglichen Codiergeschwindigkeit bei einem bestimmten technologischen Aufwand bei der Herstellung der Halbleiterbauelemente.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist als Verstärker ein Stromverstärker vorgesehen.

Dadurch entfällt der große Spannungshub über den gesamten Aussteuerbereich, so daß sich sowohl hinsichtlich der Codiergeschwindigkeit als auch der Genauigkeit erhebliche Vorteile ergeben. Eine höhere Genauigkeit ergibt sich bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung durch die verbesserte thermische Kopplung, die erzielt wird, wenn zumindest die 3 Transistoren gleichen Leitungsiyps in einer Hybridschaltung angeordnet sind.

Eine weitere Verbesserung der Grundschaltungseinheit nach der Erfindung ist durch den Einsatz eines Stromverstärkers möglich, der zwei komplementäre Emitterstufen enthält, denen jeweils eine komplementäre Kollektorstufe vorgeschaltet ist und deren Belastung aus einem zur jeweiligen Emitterstufe komplementären Transistor in Emitterschaltung gebildet wird, wobei die Vorspannung für beide Lasttransistoren aus einem gemeinsamen Spannungsteiler entnommen wird, der aus einem Widerstand und zwei mit den Basen der Transistoren unmittelbar verbundenen Dioden besteht, bei dem die beiden Kollektoren der Emitterstufen über eine Reihenschaltung von drei in Durchlaßrichtung gepolten Dioden miteinander verbunden sind, und bei dem die Ableitung des ersten und des zweiten A.-alogsignals von den beiden Anschlüssen der mittle-

hi ren Diode vorgesehen ist und der Ziffernausgang mit einem der beiden Anschlüsse der mittleren Diode verbunden ist.

Eine Vereinfachung der Grundschaltungseinheit nach

der Erfindung wird dadurch möglich, daß jeweils die 3 Transistoren gleichen Leitungstyps zu einem einzigen Halbleiterbauelement zusammengefaßt sind. Die Herstellung eines derartigen Halbleiterbauelementes mit drei genau gleichen Kollektorgebieten ist aber relativ aufwendig.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird deshalb das Halbleiterbauelement im Netzwerk in inverser Basisschaltung angeordnet. In einem solchen Fall ist es möglich, einen handelsüblichen Mehrfachemittertransistor zu verwenden, zumindest aber zur Herstellung des gewünschten Bauelementes die bei derartigen Transistoren entwickelte und erprobte Technologie anzuwenden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Die Fig. 1, 2 und 3 wurden bei der Berücksichtigung des Standes der Technik hinreichend erläutert. Es zeigt

Fig.4 ein vereinfachtes Schaltbild der Grundschaltungseinheit nach der Erfindung und

F i g. 5 das Schaltbild des Stromverstärkers der erfindungsgemäßen Grundschaltungseinheit.

Das in Fig.4 gezeigte vereinfachte Schaltbild der Grundschaltungseinheiten nach der Erfindung enthält ein Netzwerk aus den Transistoren 7"31 ... T36 und dem Stromverstärker A. Der Eingang 34 des Stromverstärkers A ist mit dem Eingang der Grundschaltung 31 verbunden, während an dem Ausgang 35 des Stromverstärkers die Punkte a, b, c der Schaltung angeschlossen sind. Der Gegenkopplungsweg des Verstärkers vom Punkt b der Schaltung zum Verstärkereingang 34 ist wiederum in zwei Zweige aufgeteilt. In dem einen Gegenkopplungszweig ist über den Schaltpunkt a der PNP-Transistor Γ31 mit dem Ausgang und dem Eingang des Verstärkers verbunden, im anderen Gegenkopplungszweig ist über dem Schaltpunkt c der NPN-Transistor Γ34 mit den beiden Anschlüssen des Verstärkers verbunden. Sämtliche Transistoren des Gegenkopplungsnetzwerkes werden in Basisschaltung betrieben.

Ähnlich wie bei dem Codierer nach F i g. 2 schaltet ein gegebenes Eingangssignal entweder den einen oder den anderen Gegenkopplungszweig ein. Der Kollektorstrom des betreffenden Transistors wird dann gleich dem Eingangsstrom, wobei sich die Emitter-Basis-Spannung des Transistors auf einen seiner /^UBf-Kennlinie entsprechenden Wert einstellt. Diese Spannung liegt an den Punkten a und c der Schaltung. Mit dem Punkt a sind weiterhin die beiden Emitter der parallelgeschalteten PNP-Transistoren Γ32 und 733 verbunden. In entsprechender Weise sind an den Schaltpunkt c die Emitter der beiden parallelgeschalteten NPN-Transistoren Γ35 und Γ36 angeschlossen.

Über die Schaltungspunkte a und c erhalten also die zur Auskopplung des analogen Signals dienenden beiden Transistorkombinationen die Emitter-Basis-Spannung der Gegenkopplungstransistoren. Unter der Voraussetzung, daß die Auskopplungstransistoren die gleichen Eigenschaften wie der jeweilige Gegenkopplungstransistor aufweisen, fließt auch dort der gleiche Kollektorstrom, zusammen also 2/a was der gewünschten Verstärkung um den Faktor 2 entspricht

Die statischen Kennlinien der Grundschaltungseinheit nach der Erfindung entsprechen offenbar den in der Fig.3 gezeigten Kennlinien des Codierers nach Waldhauer. Der Unterschied besteht lediglich darin, daß bei der erfindungsgemäßen Grundschaltungseinheit keine Spannungsverstärkung, sondern nur eine Stromverstärkung auftritt. Aus diesem Grunde entfällt auch der große Spannungshub am Punkt b der Schaltung, dort tritt nun im wesentlichen nur noch der Spannung^ hub im Unsicherheitsbereich auf.

5. Die Diodenstrecken, die bei der Grundschaltungseinheit nach der Erfindung eine Verzögerung herbeiführen können, sind die Basis-Emitter-Dioden der jeweils leitenden drei Transistoren. Da sämtliche Basen direkt mit Bezugspotential verbunden sind, ergibt sich ein

to schnellerer Abbau der Ladungsträger und damit ein schnelleres Erreichen des Endwertes. Durch den verringerten Spannungshub und den beschleunigten Abbau der Ladungsträger in den Dioden ergeben sich für eine Grundschaltungseinheit nach der Erfindung wesentlich geringere Einschwingzeiten, die eine höhere Codiergeschwindigkeit erwarten lassen.

Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein neuartiger Stromverstärker entsprechend F i g. 5, durch den die Grundschaltungseinheit nach der Erfindung weiter verbessert wird. Bei den bisher bekannten Verstärkern sind sämtliche Parameter, die auf die Genauigkeit der Gesamtschaltung einen Einfluß haben könnten, entsprechend bemessen. Dies geht meistens auf Kosten einer niedrigen Grundlaufzeit und einer hohen Anstiegsgeschwindigkeit und damit auch aul Kosten der maximal möglichen Codiergeschwindigkeit Im Gegensatz zu den üblichen Anwendungen kann bei einem Stromverstärker für die erfindungsgemäße Grundschaltungseinheit darauf verzichtet werden, daß am Verstärkerausgang ein besonders großer Spannungshub zur Verfügung steht, daß die Speisespannungsquelle besonders rückwirkungsarm ist, daß die Spannungsverstärkung über den Unsicherheitsbereicr hinaus sehr hoch ist und daß die Ausgangsimpedaru niedrig ist.

Bei einem Stromverstärker für die erfindungsgemäße Grundschaltungseinheit ist lediglich darauf zu achten daß die Stromverstärkung möglichst hoch ist, daß dei Strom-offset möglichst niedrig ist, daß die Eingangsim pedanz zumindest für hohe Frequenzen niedrig ist unc daß die Ausgangsimpedanz möglichst hoch ist.

Aus diesen Gründen wurde ein symmetrischei Stromverstärker vorgesehen, der zwei komplementäre Emitterstufen enthält. Durch den komplementärer Aufbau wird ein niedriger Stromoffset gewährleistei und außerdem dafür gesorgt, daß Signale beidei Polaritäten gleich gut verarbeitet werden können. Au: Gründen der höheren Stromverstärkung ist den beider Emitterstufen mit den Transistoren Γ42 und T 42' je eine Komplementäre Kollektorstufe T 41 und Γ41 vorgeschaltet. Die Stromversorgung der beiden Transi stören geschieht über die Lastwiderstände /?42 unc RA2'. Die Stromversorgung der beiden Emitterstufer T42 und 7~42' geschieht über die beiden al:

Stromquellen geschalteten Belastungstransistoren T41 und Γ43'. Die Lasttransistoren erhalten ihre Basisvor spannung über einen Spannungsteiler, der aus de; Reihenschaltung der Diode D 44, dem Widerstand R 41 und der Diode D 44' besteht und bei dem di<

^Wl Vorspannung von den beiden Anschlüssen des Wider Standes R 43 abgenommen wird.

Zur Auskopplung der Signale sind die beidei Kollektoren der Emitterstufen Γ42 und T42' über ein« Reihenschaltung aus den drei Dioden D 41, D 42 um D 43 miteinander verbunden. Dabei entspricht dii Verbindung zwischen der Diode D 41 und der Diodi D 42 dem Schaltungspunkt a der erfindungsgemäßei Grundschaltungseinheit und die Verbindung der beidei

Dioden D42 und D43 den Schaltungspunkten b und c der erfindungsgemäßen Grundschaiiungseinhcit nach F i g. 4. Das binäre Ausgangssignal kann zwischen D 42 unu D 43. ECL-kompatibel entnommen werden.

Am Eingang 41 des Verstärkers ist weiterhin ein RC-GWed aus dem Widerstand Λ 41 und dem Kondensator C41 angeschlossen; es verursacht die gewünschte Verstärkungsabsenkung bei hohen Frequenzen und bewirkt, daß sich die Eingangsimpedanz des Verstärkers im gleichen Maße verringert.

Die Schaltung wurde unter Anwendung der handelsüblichen Transistoren vom Typ 2N918 und 2N2894 aufgebaut. Die Messungen ergaben eine Anstiegszeit unabhängig von der Amplitude von 2 nsec und eine Breite des Unsicherheitsbereichs bezogen auf den Eingang statisch von etwa 0,5% des Aussteuerungsbereiches; der sich bei einer Aussteuerung dynamisch verbreiternde Unsicherheitsbereich war bereits nach etwa 20 nsec auf 1% des Ausstcuerbereiches abgeklungen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Grundschaltungseinheit eines Analog-Digital-Umsetzers, insbesondere zur Codierung von Analog-Signalen in aus mehreren Ziffern zusammengesetzte Codewörter in einen Pulscodemodulations-(PCMJSystem, bestehend aus einem Verstärker, einem Gegenkopplungsnetzwerk mit einem ersten und einem zweiten Weg, die jeweils ein asymmetrisch leitendes Schaltelement enthalten, das so gepolt ist, daß ein angelegtes Signal immer nur einen Weg leitend hält und einem Auskopplungsnetzwerk, durch das ein erstes und ein zweites Analogsignal und das Ziffernausgangssignal vom Ausgang des Verstärkers abgeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß als asymmetrisch leitendes Schaltelement im ersten Weg ein erster Transistor ("7 31) und im zweiten Weg ein zweiter, zum ersten komplementärer Transistor (T34) vorgesehen ist und daß für die Ableitung des ersten und des zweiten Analogsignals jeweils eine Parallelschaltung zweier weiterer Transistoren (732, Γ33, Γ35, 736) vorgesehen ist, daß diese weiteren Transistoren die gleichen elektrischen Eigenschaften und dem gleichen Leitungstyp wie die für den jeweiligen Weg vorgesehenen Transistoren aufweisen und daß die Transistoren in Basisschaltung angeordnet sind.

2. Grundschaltungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker ein Stromverstärker ist.

3. Grundschaltungseinheit nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die 3 Transistoren gleichen Leitungstyps in einer Hybridschaltung angeordnet sind.

4. Grundschaltungseinheit nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromverstärker zwei komplementäre Emitterstufen enthält, denen jeweils eine komplementäre [Collektorstufe vorgeschaltet ist und deren Belastung aus einem zur jeweiligen Emitterstufe komplementären Transistor in Emitterschaltung gebildet wird, wobei die Vorspannung für beide Lasttransistoren aus einem gemeinsamen Spannungsteiler entnommen wird, der aus einem Widerstand und zwei mit den Basen der Transistoren unmittelbar verbundenen Dioden besteht, daß die beiden Kollektoren der Emitterstufen über eine Reihenschaltung von drei in Durchlaßrichtung gepolten Dioden miteinander verbunden sind, daß die Ableitung des ersten und des zweiten Analogsignals von den beiden Anschlüssen der mittleren Diode vorgesehen ist und ' daß der Ziffernausgang mit den negativeren der beiden Anschlüsse der mittleren Diode verbunden ist.

5. Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die 3 Transistoren gleichen Leitungstyps zu einem einzigen Halbleiterbauelement zusammengefaßt sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement im Netzwerk in inverser Basisschaltung angeordnet ist.