DE2702681B2

DE2702681B2 - Analog-Digital-Umsetzer mit Komparatoren

Info

Publication number: DE2702681B2
Application number: DE2702681A
Authority: DE
Inventors: Keith Hardy Lofstrom; Robert Allen Nordstrom; Steven Earl Portland Wetterling
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1976-02-12
Filing date: 1977-01-24
Publication date: 1979-09-13
Also published as: JPS5298456A; NL7614244A; JPS6245729B2; CA1105143A; FR2341231A1; JPS5947497B2; GB1547918A; DE2702681A1; JPS5972226A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Analog-Digital-Umsetzer mit Komparatoren, die je ein emittergekoppeltes Transistorpaar aufweisen, dessen Transistoren jeweils mit einem ersten und einem zweiten Eingang verbunden sind, wobei einerseits die ersten Eingänge der Komparatoren gemeinsam vom Analogsignal beaufschlagbar sind und andererseits den zweiten Eingängen Gleichspannungsreferenzwerte zugeführt sind, die der Reihe nach steigende Tendenz aufweisen, und wobei die Kompratorausgänge mit Kodierschaltungen verbunden sind, an deren Ausgängen Datenwörter parallel verfügbar sind.

Ein derartiger Analog-Digital-Umsetzer ist bereits bekannt (David F. Hoeschele, jur, »Analog-to-Digital/ Digital-to-Analog Cenversion Techniques«, John Wiley & Sons, 1968, Seiten 10,11,222,225 bis 231,259 bis 263, 414,415). Als Komparatoren werden bei dem bekannten Analog-Digital-Umsetzer neben Transsitoren, die an der Basis und dem Emitter jeweils mit den Vergleichsso Signalen beaufschlagt sind, und Schmitt-Triggern vorwiegend Differentiatverstärker eingesetzt die mehrere in Reihe geschaltete Veratarkungsstufen aus emittergekuppelten Transistorpaaren aufweisen können. Die Dekodierschaltungen des bekannten Analog-Digital- Wandlers bestehen aus einer Reihe von Gattern und Invertierstufen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Analog-Digital-Umsetzer der eingangs erwähnten Gattung derart weiterzuentwkkeln, daß bei hoher Verstar- kung und gutem Auflösungsvermögen die Zeit die

zwischen dem Auftreten des Anatogsignals an den

Eingingen und dem entsprechenden Digitalwert an den Ausgingen vergeht möglichst kurz ist Die Aufgabe wird erfindungsgemaß dadurch gelöst

es daß das erste emittergekoppelte Transistorpaar im Abtastbetrieb arbeitet und mit einem zweiten emittergekoppelten Transistorpaar verbunden ist das in einer Verriegelungsschaltung angeordnet ist die Mitkopp·

lung aufweist, daß die Komparatoren komplementäre Ausgangssignale abgeben und mit jedem Ausgang je an eine Torschaltung in der Kodierschaltung angeschlossen sind, deren zweiter Eingang mit einem Ausgang eines dem nächsthöheren bzw, nächstniedrigeren s Gleichspannungsreferenzwerts zugeordneten !Comparators verbunden ist, und daß den Torschaltungen jeweils Emitterfolger mit Multi-Emitter-Transistoren nachgeschaltet sind, die an Ausgangsleitungen angeschlossen sind. Eine Verkürzung der Signallaufzeit zwischen den Ein- und Ausgängen des Analog-Digital-Wandlers wird bei dieser Anordnung durch die geringe Anzahl der von den Signalen zwischen den jeweiligen Ein- und Ausgängen zu durchlaufenden Bauelemente erreicht Eine gy^jitrliriH» Verkürzung der Umsetzzeit is

von analogen in den digitalen Wert tritt durch den Abtastbetrieb der Komparatoren und die positive Rückkopplung auf. Ein weiterer Vorteil der Anordnung besteht darin, daß sich die sehr kurzen Umsetzzeiten mit geringem schaltungstechnischem Aufwand erreichen lassen.

Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist vorgesehen, daß die Komparatoren einen ersten Stromgenerator aufweisen, der durch Abtastimpuke schaltbar ist und abwechselnd das erste und das zweite emhtergekoppel- 2s te Transistor mit Strom versorgt und daß ein zweiter Stromgenerator vorgesehen ist, der das zweite emittergekoppelte Transistorpaar mit einem Vorstrom versorgt, durch den eine Eingangsimpedanz mit negativem Bereich einstellbar ist

Bei dieser Anordnung ergibt sich eine nichtlineare Übertragungscharakteristik fur die Komparatoren. Dadurch ist es möglich, eine relativ hohe Verstärkung für nahe beim Wert Null liegende differentielle Eingangsspannungen und eine kleinere Verstärkung zu erreichen, wenn die differentielle Eingangsspannung zunimmt Bei hinreichend groß eingestellter negativer Eingangsimpedanz kann in der Übertragungscharakteristik ein Hysterese-Wert eingerührt werden. Dies bedeutet einen vorgebbaren »Totbereich« um den Wert Null des dirferentiefien Eingangssignals. Dadurch wird das Ansprechen der Komparatoren bei Schwingungen mit kleinem Pegel und bei Rauschen reduziert, während eine hohe Verstärkung und gute Auflösungseigenschaften erhalten bleiben.

Vorzugsweise sind die Torschalfmgen Transistoren mit zwei Eingangsanschlüssen, die von digitalen Signalen benachbarter Komparatoren beaufschlagt sind, wobei die Torschaltungen eine logische UND-Ver knüpfung durchführen.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Transistoren, die je zwei Emitter aufweisen, mit ihren Basen am Arbeitspunktpotential gelegt sind, daß die Transistoren je einen Ober eine Last führenden KoUeklorstrompfad enthalten, dessen einer Anschluß mit einem Emitterfolger verbunden ist, und daß die Emitter je mit den Ausgängen benachbarter Komparatoren verbunden sind, die nichtleitend sind, wenn die Amplitude des Analogsignals zwischen den an die zweiten Eingänge der Komparatoren angelegten Gleichspannungsreferenzweiten hegt wobei die Transistoren nichtleitend und die Emitterfolger leitend sind Von den jeweils aus einem UND-Tor mit nachgeschaltetem Emitterfolger bestehenden Stufen spricht immer nur eine zu einem bestimmten Zeitpunkt an. Die Anzahl der Emitterfolger entspricht dabei der Anzahl der kodierten Bits. Diese Anordnung zeigt einen einfachen Aufbau und verbraucht nur wenig Energie.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform besteht darin, daß die Torschaltungen die Basen der Multi-Emitter-Transistoren speisen und daß die Emitter entsprechend der Kodierung an die Ausgangsleitungen gelegt sind, wobei jeder Transistor bei Ansteuerung ein Datenwort mit NBh erzeugt

Aufgrund des einfachen Aufbaus und des geringen Energieverbrauchs eignet sich die oben erläuterte Anordnung zum Aufbau in integrierter Technik. Es lassen sich dabei zahlreiche Analog-Digital-Umsetzer in jeweils einem Substratträger unterbringen.

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

Es zeigen:

Fig. IA eine Komparator-Schaltung nach der Erfindung;

Fig. IB eine nichtlineare Übertragungskurve mit vorgegebener Hysterese für den in F i g. 1A dargestellten Komparator;

F i g. 1C eine nichtlineare Übertragucjskurve für den Komparator nach F i g. 1A ohne Hysterese;

F i g. 2 einen Kodierkreis für den ernndungsgemäßen Analog-Digitalkonverter;

F ϊ g 3 ein Blockschaltbild eines parallelen 4-Bit-Ana-Iog-Digitalkonverters; und

Fig.4 eine einzelne KomparatorzeUe und den zugehörenden Kodierkreis gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. IA zeigt eine Komparatorschaltung mit nichtlinearer Verstärkung. Ein erstes Paar emittergekoppelter Transistoren 1 und 2 empfangt ein Eingangssignal aus der Signalquelle 4, das an die Basis des Transistors 1 gelegt wird und mit dem Massepotential an der Bais des Transistors 2 verglichen wird. Eine Stromsenke 5 liegt an beiden untereinander verbundenen Emittern und ermöglicht es, daß ein Strom h entsprechend der Polarität des Eingangssignals durch einen der beiden Transistoren 1 oder 2 hindurch geschaltet wird. Die Transistoren 7 und 8 stellen ein zweites emittergekoppeites Paar dar, wobei die miteinander verbundenen Emitter an einer Stromsenke oder Stromquelle 10 liegen, die einen Arbeitsstrom Ix 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 gekoppelt und durch den Spannungspegel verschiebende Batterien 12 und 13 von den entsprechenden Basisanschlüssen der Transistoren getrennt, wobei dm Batterien 12 und 13 in geeigneter Weise durch herkömmliche Dioden oder ZenerdiodVn verwirklichbar sind. Die Widerstände 15 und 16 besitzen gleiche Werte Rc 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. eiu positives Signal an der Basis des Transistors 8, so daß diese beiden Transistoren eingeschaltet werden, während die Transistoren 2 und 7 ausgeschaltet sind. Am Verzweigungspunkt 21 wird daher der durch den Transistor ί fließend? Strom h durch den Strom Ix verstärkt, der durch den Transistor S fließt Wird andererseits eine negative Spannung an die Basis des Transistort 1 gelegt, so leiten die Transistoren 2 und 7, während die Transistoren 1 und 8 ausgeschaltet sind

Wird die geschilderte Komparatorschaltung als

getasteter !Comparator betrieben, so wird der Strom Ir zwischen den ersten und zweiten Paaren von Transistoren hin und her geschaltet, wobei die Transistoren 7 und 8 als Verriegelung dienen. Der Strom /.«'dient in diesem Fall dazu, die Transistoren 7 und 8 schon im voraus auf den Einschalt-Arbeitspunkt-Peget vorzuschalten, um das Einschalten des Transistors 7 oder 8 bei der Abtastung zu beschleunigen. Der den Arbeltspunkt im voraus einstellende Strom Ix, bewirkt, daß die scheinbare Impedanz an den Basis-Anschlüssen an den Transistoren 7 und 8 negativ ist, wodurch wiederum eine Zunahme der Verstärkung der Transistoren 1 und 2 bewirkt wird, wenn die differentielle Eingangsspannung der Basisanschlüsse dieser Transistoren in der Nähe des Wertes Null liegt Diese negative Impedanzwirkung läßt 1 > sich groß genug machen, um in der Übertragungskurve eine Hysterese zu verursachen, vgl. F i g. 1B und IC. Die Spannungsverstärkung M ν des getasteten !Comparators iaüt sich durch folgende Gleichung ausdrucken:

A₁ =

d(V„J

R,

COSh(Fj_n/ V₁)

I fcoshd-',,,,,/

2)

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

Die Bedingung, unter der in der Übertragungskurve eine Hysterese auftritt lautet:

>2V_T.

Die Übertragungskurve nach F i g. 1B zeigt eine Hystereseschleife am Nullpunkt-Kreuziiingspunkt zwischen Ordinate und Abszisse, wobei der den Komparator beeinflussende Hysteresewert gleich den Grenzen des Totbereiches, d. h. ± VV begrenzt wird. Den Punkten VV in F i g. 1 ist ein Wert Vo' zugeordnet, der die Ausgangsspannung des !Comparators kennzeichnet

Der Wert von V₀' läßt sich aus folgender Gleichung gewinnen:

= Vt cosh

Für Werte V_1n < \/2V_T läßt sich die Hysterese in folgender Weise annähern:

± V_1x = ±

55

Die Übertragungskurve in Fig. IB· ist für einen speziellen Komparator für die Werte Ix = 500 uA, h = 2,0 mA, und Rc = 200 Ohm. Der Hysterese-Wert « wird dann berechnet zu ± ViS — ±3£ mV.

Die Übertragungskurve in Fig.IC besitzt keine Hysterese. Diese Kurve belegt den Zuwachs in der Verstärkung um den differentieuen Eingiuigsspannungspunkt Im Gegensatz zu der Übertragungs-Kurve nut Hysterese lautet (Se Bedingung für die Kurve gemäß Fig. IC ohne Hysterese IxRc<2 Vr. Die Spannungsverstärkung Av, die als Steigung der Übertragungskur- ve definiert ist, läßt sich durch folgende Gleichung angeben:

A, ■ =

A, (/.V=O)

¹ " Tv τ

Die in Fig. IC dargestelte Kurve gilt für einen Komparator mit den Weiten Ix - 250 uA, h = 2,0 mA, und Rc - 200 Ohm. Die Spannungsverstärkung der Transistoren 7 und 8 bei Vm = Ö läßt sich berechnen und besitzt den Wert 26.

Die anhand der zwei vorausgegangenen Beispiele diskutierten Übertragungskurven lassen sich durch Wahl der Werte I_x, h und Rc so einstellen, daß jeder Hysterese-Wert im Komparator herstellbar ist, um den gewünschten Totbereich in der Nachbarschaft der Abgleichbedingung des differentiellen Eingangs zu erzeugen, um eine Komparaiorantwori auf Signale oder Schwingungen mit kleinen Pegeln sowie auf Rauschen möglichst gering zu halten.

In F i g. 2 ist ein Kodierkreis für einen /V-Bit-Analog-Digitalkonverter dargestellt Ein Analogsignal aus einer Quelle 25 wird gleichzeitig an 2^N Komparator en 27-33 gelegt und mit unabhängigen diskreten Spannungswerten verglichen, die von einem linearen Spannungsteiler mit den Widerständen 36—42 hergestellt wird, wobei die Widerstände 36-42 in Serie zwischen zwei Spannungswerten einer Referenzspannung liegen. Die Komparatoren besitzen komplementäre Q und Q' Stromausgänge, dk an seperate Emitter der Transistoren 45-53 angeschlossen sind, wobei die Transistoren als logische UND-Tore dienen.

Die Transistoren 45-53 besitzen eine geeignete Arbeitspunktspannung an ihren Basisanschlüssen. Diese Transistoren enthalten an Masse liegende Emitterwiderstände 57—72 und an eine geeignete Quelle einer positiven Spannung liegende Kollektor-Last-Widerstände 75—83. An den Kollektoren dieser Transistoren liegen außerdem Emitterfolger-Transistoren 85 bis 92. Die Emitterfolger besitzen mehrfach Emitter, die mit den N-Ausgangsieitungen gemäS der Anzahl der Bits desjenigen Datenworts verbunden sind, das jeder Emitterfolger darstellt Durch das Einschalten irgend eines Emitterfolgers 85-92 werden entsprechende logische »Eins«-Werte auf den Ausgangsleitungen erzeugt Die Widerstände 95-99 liegen zwischen den Emittern und Masse, um den logischen Null-Pegel für alle Ausgangsleitungen 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 nut dem (^-Ausgang des Komparator 33 verbunden und stellt eine Null dar, während der Transistor 45 mit dem (^-Ausgang des Komparator 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 Ausgangsieitungen gegeben werden müssen. Der Transistor 45 ist mit dem Emitterfolger 85 verbanden, der einen Einfach-Emitter besitzt und an die Bereichsüberschreitung-Ausgangsleitung angeschlossen ist

Um zu zeigen, wie nur einer der Emitterfolger 85—92 bd einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt 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 (^-Ausgänge nieder, während alle (^'-Ausgänge hoch sind. Durch Überprüfen des Betriebszustands der UND-Tore läßt sich feststellen, daß lediglich der Transistor 53 durch den logischen hohen Wert ausgeschaltet ist, der an dessen Emitter geletf- wird, während alle anderen Transsitoren 45-52 mindestens einen logischen niedrigen Wert zugeführt erhielten und dadurch eingeschaltet werden. Die an den Widerständen 75-82 durch die Stromfühiung in diesen Transistoren erzeugte Spannung hält die Basisanschlüsse der Emitterfolger-Transistoren 85 — 92 negativ, das Datenwort auf den Ausgangsleitungen besitzt daher nur Nullen. Wenn das Signal aus der Spannungsquelle 25 durch die Spannung an der Verbindungsstelle zwischen den Widerständen 41 knd 42 hindurch ins Positive sich bewegt, schaltet der Transistor 33 und liefert einen logischen hohen Wen (iugicai high) an die Q-Ausgangsleitung und einen logischen niederen Wert (logical low) an die Q'-Ausgangsleitung. Dadurch wird der Transistor 53 eingeschaltet, während zur gleichen Zeit der Transistor 52 ausgeschaltet wird, dem schon auf dem (^'-Ausgang des !Comparators 32 ein logisch hoher Wert zugeführt wurde Die Basis des Transistors 92 wird positiv und zieht den Einfach-Emitter dieses Transistors nach oben und liefert eine logische »Eins« an die kodierte Ausgangsleitung, die »Eins« entspricht. Wenn das Signal aus der Signalquelle 25 gegen die am Widerstand 36 liegende positive Referenzspannung läuft, wird dabei jeder Komparator geschaltet. Dies rührt her von der sequentiellen Aussteuerung der Emitterfolger in einer Weise, daß jeweils zu einem Zeitpunkt ein Emitterfolger ausgesteuert ist, bis der Emitterfolger 85 ausgesteuert ist, der die Bereichsübersteuerung-Bedingung darstellt In der Praxis stellt das Signal aus der Signalquelle 25 ein Analog-Signal dar und ist innerhalb der Grenzen des Dynamik-Bereiches veränderlich.

Wie in F i g. 2 gezeigt ist, läßt sich das Kodierschema auf die erforderliche Anzahl von Bits erweitern. Die Emitter- und Kollektorwiderstände in dem Kodierkreis werden so ausgewählt daß eine geeignete Verstärkung und geeignete Fan-Out-Eigenschaften der Schaltung erzielbar sind. Obwohl der geschilderte Analog-Digital-Konverter sich aus diskreten Bauelementen herstellen läßt, bietet sich die Schaltung zur Ausführung in monolithischer integrierter Schaltungstechnik an.

In F i g. 3 ist ein vollständiger 4-Bit-Analog-Digitalkonverter 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 Hybrid-Technik herstellen, wobei Dünnfilmwiderstände in engen Toleranzen auf derartige Werte abgeglichen werden, die eine Kompensation erster Ordnung für den Eingangsstrom I_B des Komparator ermöglichen. Die Werte Ro—Ris für diese Widerstände lassen sich aus der folgenden Gleichung entnehmen, wobei K = 0, 1,..., 15:

Vri.i-(-Vri.f)

Eine Abtast-Takt-Schaltung 145 erzeugt ein Abtastsignal zur Abtastung der Komparatoren, um deren Schaltgeschwindigkeit zu erhöhen und eine sehr schnelle Realzeit-Datenzugriffsrate zu ermöglichen. Der erfindungsgemäße Analog-Digitalkonverter arbeitet bei Umwandlungsraten (Konversionsraten) über 100 MHz. Die komplementären Ausgänge der Komparatoren sind den UND-Toren 150-166 zugeführt, um Ausgangssignale zu erzeugen, die irgend einen der 17

ίο diskreten Pegel einschließlich eines Bereichs-Übersteuerungs-Pegels ansprechen. Ein Kodierkreis 170 wandelt die Ausgangssignale der UND-Tore in eine quantivierte 4-Bit-Darstellung um, die an den Ausgangsleitungen 172 abgreifbar ist. Eine Ausgangsstufe 174

ι j enthält Pufferverstärker, die die ECL-Kompatibilität (emittergekoppelte Logik) sicherstellen.

In F i g. 4 ist eine einzelne Komparatorzelle und der zugehörige Kodierkreis dargestellt. Die Emitterfolger 2Ö0 und 2öi, denen Vw und eine Referenzspannung zugeführt sina, stellen eine Isolation dar, um den Komparator als eine konstante Last am Referenzspannungsteiler darstellen zu lassen, die unabhängig von V/n ist. Die Transitoren 204 und 205 sind über ihre jeweiligen Emitterwiderstände 207 und 208 an eine

_>-, geeignete negative Spannungsquelle angelegt und stellen Stromsenken hohr Impedanz für die Emitterfolger-Transistoren 200 und 201 dar.

Der Komparator besteht aus den emittergekoppelten Transistoren 215 und 216 und den kreuzgekoppelten

jo Verriegelungstransistoren 218 und 219. Der größte Anteil des für dieses Transistor-Paar verfügbaren Stromes wird durch eine Konstant-Stromquelle 225 und des zugeordneten Emitterwiderstands 226 geliefert und über einen Stromschalter aus den Transistoren 230 und

j-. 232 geleitet. Die Verriegelungstransistoren 218 und 219 sind im voraus durch einen geringen Wert eines vom Widerstand 235 gelieferten Stromes auf die Einschalt-Spannung vorgespannt (pre-blased), um die Schaltgeschwindigkeit zu erhöhen. Emitterfolger aus den

4(i 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 an die -, Transistoren 250 und 252 des UN D-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 Fi g. 2 beschrieben wurde.

in 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 Komparatorzelle liegt Die Widerstände 254 und 256 stellen die geeignete Last für den Komparatorausgang dar und bestimmen dessen Verstärkung sowie die Festlegung der richtigen Arbeitspunkt-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 Emitterfolger-Ausgangstransistoren 265 und 267 angeschlossen. Die Transistoren 265 und 267 besitzen Mehrfach-Emitter, wie zuvor in Verbindung mit den Transistoren 85—92 dargelegt wurde. Die Emitter sind an die

b5 kodierten Ausgangsleitungen angeschlossen.

Abtastsignale mit entgegengesetzter Polarität werden an die Basisanschlüsse der Transistoren 230 und 232 gelegt, um den Strom vom Transistor 225 zwischen den

beiden Paaren der emittergekoppelten 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 einstellen.

Das Eingangssignal V/n wird an die Basis des Transistors 200 gelegt und mit der Referenzspannung verglichen, die an der Basis des Transistors 201 liegt. Obwohl der Arbeitsstrom für den Komparator 215, 216 fortlaufend ein- und ausgeschaltet ist, verhält sich der Komparator in seinem aktiven Zustand in herkömmlicher Weise. Die Fähigkeit des Komparators, auf kleine Eingangsdifferenzen zu antworten wird durch Verwendung einer geschalteten positiven Rückkopplung möglich. Wird der Arbeitsstrom plötzlich vom Transistor 230 auf den Transistor 232 geschaltet, so antwortet das Verriegelungspaar 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 Verriegelungs-Paar gesättigt wird. Die Transistoren 218 und 219 müssen aufgrund des den Arbeitspunkt im voraus einstellenden Stroms durch den Widerstand 235 die Sperrschicht-Speicherzeit nicht überwinden, wodurch die Schaltzeit auf ein Minimum reduziert ist. Zusätzlich zur Bereitstellung einer logischen 1- oder O-Entscheidung für den Komparator bewirkt die Schaltung des Arbeitsstroms eine Abtastung des Eingangs, d. h. Änderungen im Eingangssignal VW die einer Abtastung 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 UN D-Tore 2i5 und 252 arbeiten in Verbindung mit den benachbarten Komparatoren, um den Betriebszustand der Ausgangsemitterfolger 265 und 267 zu steuern. So erzeugt z. B. ein Strom in einem der Emitter des Transistors 250 eine Spannung am Widerstand 260, die den Transsitor 265 in ausgeschaltetem Zustand hält. Sofern das Eingangssignal Vw bezüglich des Referenzsignals an der Basis des Transistors 201 positiv ist, fließt der gesamte Komparator-Betriebsstrom 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, so wird die Basis des Emitterfolgers 267 durch den Widerstand 262 positiv gemacht, wobei der Transistor 267 einschaltet und logische »Eins«-Werte auf die kodierten Ausgangsleitungen abgibt, mit denen die Transistor-Emitter verbunden 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-Binärkodierer mit großem Erfolg verwirklicht

paratorzelle liegt etwa bei 32 Milliwatt. Die Auflösung beträgt 4-Bits und eine Bereichsübersteuerung.

Der erfindungsgemäße sehr schnelle Analog-Digitalkonverter enthält mehrere parallel geschaltete, abgetastete Komparatoren und ein vereinfachtes Kodierschema. Alle Komparatoren besitzen eine nichtlineare Übertragungscharakteristik, durch die die Verstärkung erhöht wird, wenn die differentielle 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 denselben nachgeschalteten Ausgangs-Emitterfolgem verbunden, von denen jeweils nur eines zu einem bestimmten Zeitpunkt steuerbar ist. Die Ausgangs-Emitterfolger besitzen Mehrfach-Emitter, die mit einer Ausgangssammelleitung entsprechend demjenigen Datenwort verbunden werden, das der Emitterfolger wiedergibt.

Erfindungsgemäß lassen sich ebenfalls zwei oder mehr Anaiog-Digitaikonverter nach der Erfindung zusammen verwenden, um ein erweitertes /V-Bit-System zu erzeugen.

Hici/u 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Analog-Digital-Umsetzer mit Komparatoren, die je ein emittergekoppeltes Transistorpaar aufweisen, dessen Transistoren jeweils mit einem ersten und einem zweiten Eingang verbunden sind, wobei einerseits die ersten Eingänge der Komparatoren gemeinsam vom Analogsignal beaufschlagbar sind und andererseits den zweiten Eingängen Gleichspannungsreferenzwerte zugeführt sind, die der Reihe nach steigende Tendenz aufweisen, und wobei die Komparatorausgänge mit Kodierschaltungen verbunden sind, an deren Ausgängen Datenwörter parallel verfügbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das erste emittergekoppelte Transistorpaar (1, 2; 215, 216) im Abtastbetrieb arbeitet und mit einem zweiten emittergekoppelten Transistorpaar (7,8; 218,219) verbunden ist, das in einer Verriegelungsschaltung (12, 13, 15, 16; 238, 242, 24Oi 244, 246, 248) angeordnet ist, die Mitkopplung aufweist, daß die Komparatoren (27—33) komplementäre Aasgangssignale abgeben und mit jedem Ausgang je an eine Torschaltung (46—70) in der Kodierschaltung angeschlossen sind, deren zweiter Eingang mit einem Ausgang eines dem nächsthöheren bzw. nac&tniedrigeren Gleichspannungsreferenzwerts zugeordneten Komparator verbunden ist, und daß den Torschaltungen (46-70) jeweils Emitterfolger (75-92) nut MultiEmitter-Transistoren (85—92) nachgeschaltet sind, die an Ausgangslettungen (172) angeschlossen sind.

2. Analqg-Digital-limsetzc nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatciren (27-33) einen ersten Stromgerc -ator (5) aufweisen, der durch Abtastünpulse 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 Vorstrom versorgt, durch den eine Eingangsimpedanz mit negativem Bereich einstellbar ist

3. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsreferenzwerte mit einem Spannungsteiler (36-42; 125-140) in Serienschaltung zwischen zwei Bezugsspannungswerten (+ Vref, — vref) erzeugbar sind, wobei die Gleichspannungsreferenzwerte stich um gleiche Beträge voneinander unterscheiden.

4. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 1 ader einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Torschaltungen (45-72; 150-166) Transistoren (45—53) mit zwei Eingangsanschlüssen aufweiten, die von digitalen Signalen benachbarter Kompjiratoren (27-33; 105-120) beaufschlagt sind, und daß die Torschaltungen eine logische UND-Verknüpfung durchführea

5. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch, 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren, die je zwei Emitter aufweisen, mit ihren Basen am Arbeitspunktpotential gelegt sind, daß die Transiiitoren je einen Über eine Last (75-82) führenden KoUektorstrompfad enthalten, dessen einer Anschluß mit einem Emitterfolger verbunden ist, und daß die Emitter je mit den Ausgingen benachbarter Komparatoren verbunden sind, die nichtleitend sind, wenn die Amplitude des Analogsignals zwischen ilen

an die zweiten Eingänge der Komparatoren angelegten Gleichspannungsreferenzwerten liegt, wobei die Transistoren (45—52) nichtleitend und die Emitterfolger (75-92) leitend sind.

6. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Torschaltungen die Basen der Multi-Emitter-Transistoren (85—92) speisen und daß die Emitter entsprechend der Kodierung an die Ausgangsleitungen (17?) gelegt sind, wobei jeder Transistor (85—92; 265, 267) bei Ansteuerung ein Datenwort mit N Bit erzeugt

7. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten emittergekoppelten Transistorpaar (1. 2; 215,216) ein erster und zweiter Transistor (1,215; 2, 216) jeweils mit der Basis eines dritten und vierten Transsitors (7,218; 8,219) im zweiten emittergekoppelten Transsitorenpaar (J, 8; 218, 219) verbunden ist daß die Kollektoren des ersten und zweiten Transistors (1,215; 2,216) in einer Kreuzkopplungsverbindung an die Kollektoren des vierten und dritten Transistors (8,7; 219,218) angeschlossen sind und daß Lastwiderstände (15,16; 246, 248) jeweils mit den Kollektoren des ersten und vierten bzw. des zweiten und dritten Transistors (1,7; 215,219; 2,8; 216,218) verbunden sind.