DE2812375A1

DE2812375A1 - Analog-digital-umsetzer

Info

Publication number: DE2812375A1
Application number: DE19782812375
Authority: DE
Inventors: Michio Hara; Katsuaki Takagi; Toshiro Tsukada; Hisashi Tsuruoka
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-03-22
Filing date: 1978-03-21
Publication date: 1978-10-12
Also published as: GB1601907A; FR2385264B1; DE2812375C2; FR2385264A1

Description

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan

Analog-Digital-Umsetzer

Die Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Umsetzer für die Schnittstelle zwischen einem Analog- und einem Digital-Schaltkreis, und insbesondere

einen integrierten Analog-Digital-Umsetzer für z. B.medizinische

öffentliche Einrichtungen, elektrische Heimgeräte und Instrumente usw.

Bei einem herkömmlichen Analog-Digital-Umsetzer erfolgt die Analog-Digital-Umsetzung durch Entladen der Ladung entsprechend einem Eingangssignal mittels eines Entlade-Schaltkreises nach deren Aufladung in einem Speicher und durch Zählen der Anzahl der Taktimpulse mittels eines Zählers während der Entladungszeit T, die gleich einer Zeitdauer ist, bis ein Pegel der Ladung einen konstanten Erfassungspegel Vm erreicht (vgl. hierzu auch den Aufsatz "An AIl-MOS Analog to Digital

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_*7 —

Converter Using a Constant Slope Approach",IEEE Journal of Solid State Circuits, Juni 1976, von G. Smarandoin u. a.).

Wenn jedoch bei einem derartigen herkömmlichen Schaltungsaufbau die Eingangssignalspannung kleiner als der Erfassungspegel ν_ΤΗ ist, kann die Entladungszeit T nicht erfaßt werden, und damit ist die Analog-Digital-Umsetzung unmöglich. D. h., mit herkömmlichen Schaltungen ist die Analog-Digital-Umsetzung lediglich in einem begrenzten Bereich des Eingangssignales möglich.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Analog-Digital-Umsetzer mit ausgedehntem Bereich des Eingangssignales anzugeben, in dem eine Analog-Digital-Umsetzung möglich ist, wobei Ladungen entsprechend einem Analog-Eingangssignal in einem Speicher gespeichert und dann im Entlade-Schaltkreis entladen werden, um die Entladungszeit durch einen Zähler zu zählen, bis eine Spannung im Speicher einen vorbestimmten Erfassungspegel erreicht; dieser Analog-Digital-Umsetzer soll außerdem integrierbar sein.

Wenn die Spannung am Ausgangsanschluß des Speichers, die durch Laden eines Eingangssignales erzeugt wird, kleiner als der Erfassungspegel ist, wird beim erfindungsgemäßen Analog-Digital-Umsetzer hierzu eine Vorspannung an den Speicher gelegt, um eine Entlade-Startspannung einzustellen, die größer als der Erfassungspegel ist, und die Entladungszeit T wird gemessen, bis die Entladungsspannung den Erfassungspegel erreicht. Da die Entladestart spannung größer als die Vorspannung ist, indem

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die Vorspannung geeignet gewählt ist, selbst wenn die Eingangssignalspannung unter dem Erfassungspegel liegt, ist das Messen einer sehr kleinen Eingangssignalspannung oder eine Analog-Digital-Umsetzung eines derartigen Eingangssignales möglich.

Obwohl die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst wird, daß eine Vorspannung an den Speicher während der Entladungszeit nur dann gelegt wird, wenn die Eingangssignalspannung kleiner als der Erfassungspegel ist, kann die Vorspannung immer am Speicher bei der Entladungszeit unabhängig davon liegen, ob die Eingangssignalspannung kleiner als der Erfassungspegel ist oder nicht.

Weiterhin ist beim erfindungsgemäßen Schaltungsaufbau nicht nur die Vorspannung an den Speicher bei der Entladungszeit gelegt, sondern es ist auch ein Kurzschlußglied parallel zu einem kapazitiven Bauelement des Speichers vorgesehen, so daß am Abschluß der Analog-Digital-Umsetzung die beiden Anschlüsse des kapazitiven Bauelements kurzgeschlossen sind, um ein Schalten von der Vorspannung nach Erde oder Masse durchzuführen. Daher wird unabhängig von der Größe der Vorspannung keine negative (oder positive) Spannung in irgendeinem Teil des Schaltkreises erzeugt, wodurch eine Zerstörung der integrierten Schaltung verhindert wird.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung nachfolgend beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines herkömmlichen Analog-Digital-Umsetzers mit exponentiellem Abfall,

Fig. 2 Signale zur Erläuterung des Betriebs der in Fig. 1 dargestellten Schaltung,

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Pig. 3 ein Schaltbild eines Analog-Digital-Umsetzers mit exponentiellem Abfall nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. ¹Ia und 4b Signale zur Erläuterung des Betriebs der in Fig. 3 dargestellten Schaltung,

Fig. 5a und 5b Schaltbilder mit einer in der Schaltung der Fig. 3 vorgesehenen Vorspannungsquelle,

Fig. 6 ein Schaltbild eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 7 Signale zur Erläuterung des Betriebs der in Fig. 6 dargestellten Schaltung,

Fig. 8a und 8b Schaltbilder mit dem wesentlichen Teil eines das Ausführungsbeispiel d.er Fig. 6 weiterbildenden Schaltungsaufbaues,

Fig. 9 ein Schaltbild eines Analog-Digital-Umsetzers mit konstantem Abfall nach einem weiteren Aus- ■ führungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 10 ein Schaltbild mit dem konkreten Schaltungsaufbau eines Konstantstrom-Entladungsgliedes im Schaltungsaufbau der Fig. 9»

Fig. 11 Signale zur Erläuterung des Betriebs der in Fig. 9 dargestellten Schaltung,

Fig. 12 ein Schaltbild mit dem wesentlichen Teil eines das Ausführungsbeispiel der Fig. 9 weiterbildenden Schaltungsaufbaues,

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Pig. 13 Signale zur Erläuterung des Betriebs der in Fig. 12 dargestellten Schaltung, und

Fig. 14 ein Schaltbild mit anderem Anschlußpunkt der bei der Erfindung verwendeten Vorspannungsquelle .

Bevor die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert wird, soll zunächst auf ein Beispiel des herkömmlichen Analog-Digital-Umsetzers mit exponentiellem Abfall im Zusammenhang mit Fig. 1 eingegangen werden. Ergänzend wird noch auf die bereits genannte Literaturstelle mit einem Analog-Digital-Umsetzer von konstantem Abfall verwiesen.

In Fig. 1 sind vorgesehen ein Eingangsanschluß 1, in de η ein Eingangssignal einspeisbar ist, und ein Speicher aus einem Schalter 21 (SWl) und einem kapazitiven Bauelement 22. Ein Entladungsglied 3 besteht aus einem Widerstand 31 und einem Schalter 32 (SW2). Weiterhin sind ein Pegelfühler ¹I und ein Zähler 5 vorgesehen, dessen Anschlüsse 51, 52 und 54 jeweils mit zu zählenden Taktimpulsen, Setz- und Löschimpulsen beaufschlagt sind.

Fig. 2 zeigt Signale zur Erläuterung des Betriebs der in Fig. 1 dargestellten Schaltung. Wenn eine Eingangssignalspannung V-j. in den Eingangsanschluß 1 eingespeist wird und der Schalter 21 (SWl) während einer in Fig. 2b gezeigten Zeit eingeschaltet ist, wird die Ausgangsanschlußspannung V oder die Spannung an einem Anschluß des kapzitiven Bauelements 22 des Speichers 2 gleich der Eingangssignalspannung Vj. D. h., die Analog-Eingangssignalspannung Vj wird im Speicher aufgezeichnet. Wenn nach einer Zeitdauer der Schalter 21 (SWl) ausgeschaltet und der Schalter 32 (SW2) des Entladungsgliedes 3 eingeschaltet wird (vgl.

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-11·

Fig. 2c), entlädt sich elektrische Ladung mit exponentiellem Abfall durch das Widerstandsbauelement 31, wie dies in Fig. 2a dargestellt ist. Wenn die Spannung V auf einen konstanten Erfassungspegel V_TH abfällt, wird der Pegelfühler 4 ausgeschaltet, wie dies in Fig. 2d gezeigt ist, was zu einem Rücksetzimpuls für den Zähler 5 führt. Da der Setzimpuls für den Zähler 5 am Anschluß 52 bei der Entlade-Startzeit liegt oder wenn der Schalter 32 (SW2) eingeschaltet ist, zählt der Zähler 5 die Anzahl der in den Anschluß 51 während der Zeitdauer T eingespeisten Impulse, wie dies in Fig. 2e gezeigt ist. Nach Abschluß des Zählens wird der Zählerwert an ein Verarbeitungsglied abgegeben, wie dies in Fig. 1 durch einen Pfeil 53 angedeutet ist.

Die folgenden Gleichungen gelten für den Zählerwert N₁ , die Frequenz f der Taktimpulse, die Kapazität C des kapazitiven Bauelements 22 und den Widerstandswert R des Widerstandselementes:

V₁ = V_TH - exp (T^/CR) (i)

N° = f ■ T° = f · C R'ln (Vj/V^j) (2).

Aus diesen Gleichungen folgt, daß N₁ den Wert Null

annimmt, wenn V_x ^= V_mt, vorliegt. D. h., wenn bei dem

ι in

in Fig. 1 dargestellten Schaltungsaufbau die Eingangssignalspannung V₁ kleiner als der Erfassungspegel V_T„ ist, hat das Ausgangssignal des Zählers 5 den Wert Null, was bedeutet, daß keine Analog-Digital-Umsetzung möglich ist. Daraus folgt, daß die Analog-Digital-Umsetzung bei der herkömmlichen Schaltung eingeschränkt ist.

Das gleiche gilt auch für einen Analog-Digital-Umsetzer mit konstantem Abfall, der ein Konstantstromglied im Entlade-Schaltkreis verwendet. Mit dem Zählerwert N™, der

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Zeitdauer Τ™ und dem Konstant strom I_Q des Konstantstromgliedes ergeben sich die folgenden Gleichungen entsprechend (1) und (2):

Wenn nicht V_T > ν_φΗ vorliegt, wird der Zählerwert -p_C nicht erreicht.

Fig. 3 zeigt ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbexspiels der Erfindung, bei dem diese auf einen Analog-Digital-Umsetzer mit exponentiellem Abfall angewandt wird. In der Fig. 3 sind einander entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1. Weiterhin ist eine Vorspannungs^ersorg 6 vorgesehen, die eine Vorspannung V_ß an das kapazitive Bauelement 22 legt. Weiterhin sind Schalter 61 (SW3) und 62 (SW4) sowie eine Vorspannungsquelle 63 gezeigt. Ein Parallelglied aus dem Schalter 61 (SW3), dem Schalter 62 (SW4) und der Vorspannungsquelle 63 liegt in Reihe zum kapazitiven Bauelement 22.

Im folgenden wird der Betrieb des Ausführungsbexspiels der Fig. 3 anhand der Fig. 4a und 4b näher erläutert, die Signale am Ausgang des Speichers 2 (vgl. Fig. 3) zeigen. Fig. 4a zeigt das Signal, wenn die Exngangssignalspannung ν,- kleiner als die Erfassungspegelspannung Vm₁₁ ist, während Fig. 4b den Signalverlauf angibt, wenn V,- größter als V_TH ist. In Fig. 4a liegt bei eingeschaltetem Schalter 21 (SWl), bei ausgeschaltetem Schalter 32 (SW2), bei eingeschaltetem Schalter 61 (SW3) und bei ausgeschaltetem Schal-

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ter 62 (SW4) eine Eingangssignalspannung V_T kleiner als V_T„ am Eingangsanschluß 1. Eine entsprechende Ladung wird im kapazitiven Bauelement 22 gespeichert, und die Spannung V am Ausgang des Speichers nimmt den Wert V₁ an. Wenn sodann die Schalter 21 (SWl) und 32 (SW2) aus- bzw. eingeschaltet und gleichzeitig die Schalter 61 (SW3) und 62 (SW4) aus- bzw. eingeschaltet werden, um eine Vorspannung V_ß an das kapazitive Bauelement 22 zu legen, damit eine Entladung hervorgerufen wird, verschiebt sich die Spannung V am Ausgang des Speichers 2 nach (ν,- +Vj,). In diesem Fall sollte die Vorspannung V_B tatsächlich die Bedingung V₁ + V_ß > V_TR erfüllen. Die Zeitdauer T-p, in der die Spannung V am Ausgang des Speichers 2 auf V_TH abfällt, wird durch den Zähler 5 gezählt, um einen Zählerwert N zu erhalten. In diesem Fall gelten entsprechend (1) und (2) die folgenden Gleichungen:

V₁ = V_TH. exp (Tj/CR) - V_B (5)

^vt ^{+ v}n
N_T = f-C-R-In (~τ -) . (6)

Selbst wenn so die Eingangssignalspannung V₁ kleiner als Vfpjj ist, wird die Analog-Digital-Umsetzung bewirkt, indem lediglich eine Vorspannungsquelle mit geeignetem Wert und ein zusätzlicher Schalter beigefügt werden. Fig. *Jb zeigt den Signalverlauf, wenn der Schalter 61 (SW3) eingeschaltet ist; der Schalter 62 (SW^) wird während der Entladungszeit ausgeschaltet gehalten, da die Eingangssignalspannung V₁ größer als V„„ ist. Der Verlauf des Signales in Fig. 4b entspricht dem Verlauf des Signales in Fig. 2a.

Obwohl beim obigen Ausführungsbeispiel die Vorspannung Vg an das kapazitive Bauelement 22 vor der Entladung ange-

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legt ist und die Spannung V am Ausgang des Speichers 2 auf V.J. + Vg eingestellt wurde, kann eine Vorspannung V„ mit Vg > V_TH an das kapazitive Bauelement 22 vor der Entladung angelegt werden, und zwar unabhängig davon, ob Vj kleiner als V_TH ist oder nicht. Bei diesem Vorgehen kann die Schaltung einfach aufgebaut werden, da kein Glied erforderlich ist, um zu entscheiden, ob V₁ größer oder kleiner als V_miJ ist.

In

Im folgenden werden die wesentlichen Bauelemente zum Herstellen des Ausführungsbeispiels der Fig. 3 in integrierter Weise näher erläutert. Als Schalter SWl - SW4 können Einfach-Kanal-(n- oder p-Kanal) MOSPET- oder C-MOS-Analog-Schalter verwendet werden. Der Pegelfühler 4 kann aus einem MOSFET bestehen, da er zufriedenstellend durch einen Vielstufen-Anschluß herkömmlicher logischer Gatter arbeitet, wie z. B. von Invertern.

Ein genaues Ausführungsbeispiel für die Spannungen Vg, Vrppr und Vj wird im folgenden kurz erläutert. Wenn der Pegelfühler 4 aus Vielstufen-Anschlüssen von Invertern besteht, kann V_TH auf 0,5 V - 1,5 V eingestellt werden. Wenn V_T„ auf ca. 1,3 V und die Vorspannung V_ß auf ca. 2,0 V eingestellt werden, können alle Eingangssignalspannungen V-J- über 0 V einer Analog-Digital-Umsetzung unterworfen werden.

Die Fig. 5a und 5b zeigen genaue Ausführungsbeispiele der Vorspannungsquelle 6 von Fig. 3. In Fig. 5a bestehen die Schalter 6l (SW3) und 62 (SW4) der Fig. 3 aus MOS-Feldeffekttransistoren, die jeweils Steueranschlüsse 6k bzw. 65 aufweisen. Fig. 5b zeigt eine Vorspannungsquelle 6'

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aus einem herkömmlichen Inverter aus MOS-Feldeffekttransistoren, wobei eine Spannungsquelle 66 für eine Spannung V„ und ein Steueranschluß 67 vorgesehen sind. Die Spannungsdifferenz zwischen dem hohen und dem niederen Pegel des Inverters entspricht der Vorspannung V . Insbesondere ist der Inverter auf einem niederen Pegel bei der Ladezeit, während er auf dem hohen Pegel bei der Entladungszeit ist. Gewöhnlich ist der hohe Pegel geerdet.

Fig. 6 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispieles der Fig. 3· Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Bezugsspannungsanschluß 7 parallel zum Eingangsanschluß 1 vorgesehen, an dem die Eingangssignalspannung V- liegt, und weiterhin sind dem Schalter 21 (SWl) Schalter 23 (SW5) und 2h (SW6) beigefügt. Einflüsse aufgrund einer Unregelmäßigkeit und Alterungserscheinungen der Bauelemente der Schaltung werden ausgeschlossen, indem eine Bezugsspannung V_R als eine der Eingangsspannungen des Analog-Digital-Umsetzers eingeführt wird. In Fig. 6 besteht der Pegelfühler 4 aus zahlreichen Verbindungen von Invertern H. Die Inverter 4 können den in Fig. 5b gezeigten Aufbau haben.

Im folgenden wird der Betrieb des Ausführungsbeispieles der Fig. 6 näher anhand der Fig. 7 erläutert. Fig. 7a zeigt die Ausgangsspannung V des Speichers 2. Die Fig. 7b - e zeigen den Ein-Aus-Betrieb von jeweils den Schaltern SW6, SWl, SW5 und SW2. Fig. 7f zeigt das Ausgangssignal des Pegelfühlers ¹J, während in Fig. 7e der Betriebstakt des Zählers 5 dargestellt ist. Obwohl die Anlegungszeit der Vorspannung V_ß nicht dargestellt ist, kann die Vorspannung Vg gleichzeitig mit dem Ein-Betrieb des Schalters

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32 (SW2) angelegt werden, während deren Einspeisung gleichzeitig mit dem Ein-Betrieb des Schalters 24 (SW6) unterbrochen wird. Wenn anfänglich der Schalter 2¹I (SW6) eingeschaltet ist und die Null-Spannung einer Analog-Digital-Umsetzung unterworfen wird, gibt der Zähler 5 einen Zählerwert N_ ab. Wenn sodann der Schalter 21 (SWl) eingeschaltet und die Eingangsspannung V₁ einer Analog-Digital-Umsetzung unterworfen wird _t gibt der Zähler 5 einen Zählerwert Nj ab. Wenn zuletzt der Schalter 23 (SW5) eingeschaltet und die Bezugsspannung V_R einer Analog-Digital-Umsetzung unterworfen wird, gibt der Zähler 5 einen konstanten Wert N_R ab. In diesem Fall

Aus den Gleichungen (7) - (9) folgt:

^NI
exp -=-

^VI = ^VR NT¹ NT ^VB <¹⁰>

exp (^) - exp (^)

N_R - N

X = fC R = — (11).

ln(V_R + V_B) - In V_B

Auf diese Weise ist V_T frei von Einflüssen von C, R und V_TH.

gelten	0	die	folgenden Gleichungen:
	=	V_TH exp C₁
V	I =	V_TH exp (
R ⁼	V_TH exp (
iSL)-V E¹CR ^; B
^NI L· ν/Xl Ό
R \ _ -y I UrI Xj

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Da die Vorspannung V_ß aus dem hohen Pegel des Inverters erhalten wird, stellen die Änderungen von V_ß und die Alteiung ' ein ernsthaftes Problem dar. Fig. 8 zeigt den wesentlichen Teil eines Schaltkreises, der diese Probleme überwindet. Fig. 8a zeigt einen Schaltungsaufbau, bei dem ein Zählerwert N_ß entsprechend der Vorspannung Vg gezählt wird. Im Vergleich zum Ausführungsbeispiel der Fig. 5 sind ein Inverter 6, der die gleiche Kennlinie wie der Inverter 6· für die Vorspannungsquelle aufweist, ein Eingangsanschluß 9, an den die Spannung Vg' mit hohem Pegel anlegbar ist, und ein Schalter 25 (SW7) zum Anlegen dieser Spannung an den Schalter 2 zusätzlich vorgesehen. Wenn bei dieser Schaltungsanordnung der Zählerwert V_ß' mit Vg' = Vg für N_ß vorliegt, so gelten:

N₁ N

^vi ■ ^v

_{1 0}
exp (γ,-) - exp (

i ■ ^vr nr 1

exp (-=t) - exp (

¹ = f · C R = log₂ e · (Ng - N₀) (13).

Auf diese Weise wird der Einfluß der Spannung V_ß ausgeschlossen. Wenn Änderungen von V_ß und Vg¹ nicht vernachlässigbar sind, kann das Ausführungsbeispiel der Fig. 8b vorteilhaft sein, bei dem zwei Arten von Bezugsspannungen verwendet werden. Es sei angenommen, daß Spannungen V_R und V_R· am Eingang 7 bzw. 7' liegen und Zählerwerte N_R und N_R' durch den Zähler 5 abgegeben sind. Wenn die Zählerwerte für die Eingangsspannung V₁ und die Nullspannung jeweils die Werte Nj und N_Q aufweisen, so ergibt sich:

^NI - ^N0
exp Opr) exp (=τ,)

v = v s din

^VI ^V ^{ΐμ)

Ί ^YR N_n N₀
exp (-£) - exp (-2)
t" T"

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wobei sich t" aus der folgenden Gleichung ergibt:

N ' N
V_p« exp (JL ) - exp (-^ )

K I ti χ»

= fi- NT ⁽¹⁵⁾·

^VR exp (Ji ) - exp (Ji )

In Fig. 8b dient der Schalter 23' (SW5¹) zum Auswählen der Bezugsspannung V_R'.

Die obige Beschreibung, die sich auf die Fig. 3-8 bezieht, dient zur Erläuterung von Ausführungsbeispxelen eines Analog-Digital-Umsetzers mit exponentiellem Abfall. Im folgenden wird anhand der Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Umsetzers mit konstantem Abfall näher erläutert. Ein Unterschied vom Analog-Digital-Umsetzer mit exponentiellem Abfall liegt darin, daß das Entladungsglied 3 durch ein Konstantstrom-Entladungsglied 3¹ ersetzt ist. Schalter 21 (SWl), 23 (SW5) und 24 (SW6) sind als MOS-Feldeffekttransistoren dargestellt. Obwohl zahlreiche Beispiele für das Konstantstrom-Entladungsglied 3' als integrierte Schaltung geeignet sind, ist eine Schaltungsanordnung nach Fig. 10 vorteilhaft (vgl. JA-Patentanmeldung 87 417/77 vom 22. Juli 1977). In Fig. 10 sind vorgesehen ein Spannungsanschluß 33 für eine Spannung V_DD, ein Steueranschluß 34 zum Anlegen eines Steuerimpulses an den Schalter 32 (SW2) für den Ein-Aus-Betrieb des Konstantstrom-Gliedes, ein Konstantstrom-Ausgangsglied 35 und ein Vorspannungsglied 36 für die Ausgangsschaltung. Das Konstantstrom-Glied 35 hat zwei MOS-Feldeffekttransistoren 351 und 352 vom Anreicherungstyp, die in Reihe zwischen dem Ausgangsanschluß und Erde liegen. Das Vorspannungs-

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— j y —

glied 36 dient zum Betrieb der MOS-Feldeffekttransistoren 351 und 352 vom Anreicherungstyp im Sättigungsbereich und besteht aus einem ersten Spannungsteiler mit einem MOS-Feldeffekttransistor 36I vom Verarmungstyp und einem MOS-Feldeffekttransistor 362 vom Anreicherungstyp und aus einem zweiten Spannungsteiler mit einem MOS-Feldeffekttransistor 363 vom Verarmungstyp und einem MOS-Feldeffekttransistor 364 vom Anreicherungstyp. Die konstante Spannung des ersten Spannungsteilers liegt am Gate-Anschluß des Feldeffekttransistors 352, während die Spannung des zweiten Spannungsteilers dem Gate-Anschluß des Feldeffekttransistors 351 zugeführt wird. Dieses Konstantstrom-Glied nutzt grundsätzlich die Tatsache aus, daß die Drain-Ströme im Sättigungsbereich der MOS-Feldeffekttransistoren 351 und 352 vom Anreicherungstyp im wesentlichen konstant unabhängig von der Drain-Spannung sind. Weiterhin wird auch davon ausgegangen, daß sich die Drain-Ströme der MOS-Feldeffekttransistoren 351 und 352 entgegengesetzt zur Spannungsänderung am Verbindungspunkt dieser MOS-Feldeffekttransistoren ändern, um die Drain-Spannung des Feldeffekttransistors 352 immer auf einem konstanten Wert zu halten.

Fig. 11 zeigt Signale zur Erläuterung der Schaltung der Fig. 9· Fig· Ha zeigt die Spannung V am Ausgang des Speichers 2; Fig. Hb zeigt die Ein-Zustände der Schalter SWl, SW5 und SW6; Fig. Hc, Hd und He zeigen jeweils die Ein- und Aus-Zustände der Schalter SW2, SW3 und SW4; Fig. Hf zeigt das Aus gangs signal des Pegelfühlers 4; und Fig. Hg zeigt die Zählperiode des Zählers 5. Obwohl die Zeitpunkte für den Ein-Aus-Betrieb der Schalter SWl - SW6 als übereinstimmend dargestellt sind, wird der Schalter 6l (SW3) etwas später als die Schalter 21 (SWl), 23 (SW5) und 24 (SW6) ausgeschaltet. Der Schalter 62 (SW4) wird dann

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etwas später eingeschaltet, und der Schalter 32 (SW2) wird noch etwas später eingeschaltet. Darüber hinaus ist es erforderlich, eine gewisse Zeitspanne zwischen der Aus-Zeit des Schalters 62 (SW¹O und der Ein-Zeit des Schalters 61 (SW3) vorzusehen. Die Steuerung der Schaltergruppe erfolgt durch ein Signal von einem (nicht dargestellten) Steuerglied.

Für die Zählerwerte N_RC, N_IC und N_QC für die Bezugsspannung V_RJ die EingangsSignalspannung V^ bzw. die Nullspannung V₀ gilt die folgende Beziehung:

V_T = V_n + (V_R - V_n) -Ϊ2 2£_ (16).

¹ ° ⁰N-N

RC OC

Daraus folgt, daß die Kapazität C des kapazitiven Bauelementes 22 und die Vorspannung V_ß in der obigen Gleichung nicht auftreten.

Es tritt jedoch eine Schwierigkeit ein, wenn der Betrieb nach Fig. 11 für die Schaltung der Fig. 9 durchgeführt wird. Da, wie aus Fig. lla. folgt, Vg > V„„ gewählt ist, wird die Spannung V am Ausgangsanschluß des Speichers negativ oder "(Vg - VmTi)₁ wenn der Schalter 62 (SW4) ausgeschaltet ist. Es sei angenommen, daß der Schaltkreis aus einer N-Kanal-MOS-Schaltung in integrierter Technik besteht . Dann hat der PN-Übergang zwischen den Drain-Bereichen der ausgeschalteten Schalter 21 (SWl), 23 (SW5) und 24 (SW6) und dem Substrat eine Vorwärts- oder Durchlaß-Vorspannung, wenn die Ausgangsspannung V negativ ist. Dies führt zu einem überstrom, was eine Zerstörung oder Beschädigung der integrierten Schaltung hervorrufen kann. Um dies zu vermeiden, können nach dem Ausschalten des

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Schalters 62 (SW4) der Schalter 61 (SW3) und der Schalter 24 (SW6) gleichzeitig eingeschaltet werden, um beide Anschlüsse des kapazitiven Bauelements 22 auf das Null-Potential zu bringen. Da jedoch eine derartige Übereinstimmung schwierig zu erzielen ist, besteht weiterhin die Möglichkeit eines Durchbruches der integrierten Schaltung.

Fig. 12 zeigt einen wesentlichen Teil eines Ausführungsbeispiels, das dieses Problem überwindet. In dieser Figur liegt ein Schalter 28 (SW8) zusätzlich parallel zum kapazitiven Bauelement 22. Weiterhin unterscheidet sich der Aufbau des Konstantstrom-Entladungsgliedes 3¹ von demjenigen der Fig. 10. Die Gate-Spannung eines Feldeffekttransistors 352 vom Anreicherungstyp wird durch ein Vorspannungsglied 36' konstantgehalten. Ein weiterer Feldeffekttransistor 351 vom Anreicherungstyp hat die Funktion eines Ein-Aus-Schalters für das Konstantstrom-Entladungsglied 3¹· Weiterhin ist ein Anschluß 3¹*¹ zum Einspeisen des Steuerimpulses vorgesehen. Beide Feldeffekttransistoren 351 und 352 vom Anreicherungstyp können während der Ein-Periode im Sättigungsbereich betrieben werden. Im folgenden wird der Betrieb des Schalters 28 (SW8) dieses Ausführungsbeispieles näher erläutert. Sobald die Anschlußspannung des kapazitiven Bauelements 22 des Speichers 2 auf die Erfassungspegelspannung V_TH abfällt und der Zähler 5 das Zählen beendet,wird der Schalter 28 (SW8) eingeschaltet, um die Anschlußspannung wieder auf V_ß zu bringen. Wenn danach der Schalter 62 (SW4) und der Schalter 61 (SW3) aus- bzw. eingeschaltet werden, fällt die Anschlußspannung des kapazitiven Bauelements 22 nicht unter 0 V ab. Dieser Betrieb wird anhand der Fig. 13 näher erläutert. Fig. 13a zeigt die Ausgangsspannung des Speichers 2 oder die Anschlußspannung des kapazitiven Bauelements 22; die Fig. 13b,

H 0 9 8 4 1 / 0 7 1 2

13c, 13d, 13e und 13f zeigen jeweils den Ein- und Aus-Zustand der Schalter SWl, SW2, SW3, SW¹I bzw. SW8.

Da beim Einsatz dieses Ausführungsbeispiels die Anschlußspannung des kapazitiven Bauelements 22 nicht unter den Wert Null abfällt, tritt kein Durchbruch der integrierten Schaltung auf, selbst wenn die Schaltung nach der Erfindung aus N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren besteht. Das gleiche gilt, wenn die Schaltung aus P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren besteht, sofern die Umkehrung der Polarität berücksichtigt wird. Obwohl sich riis Ausführungsbeispiel auf einen Analog-Digital-Umsetzer mit konstantem Abfall bezieht, kann die Erfindung auch für einen exponentiellen Abfall vorgesehen werden, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist.

Bei den obigen Ausführungsbeispielen besteht der Pegelfühler 4 aus einer integrierten Schaltung mit mehreren Invertern; jedoch sind auch Analog-Vergleicher und Operationsverstärker ebenfalls hierfür geeignet. Weiterhin ist für die Anschlußstelle der Vorspannungsquelle 6 auch das Ausführungsbeispiel der Fig. 14 möglich, wie sofort aus deren Funktion folgt.

Weiterhin kann der Betrieb der Vorspannungsquelle abhängig von den Eigenschaften von mehreren einer Analog-Digital-Umsetzung zu unterwerfenden Analog-Eingangssignalen so gesteuert werden, daß die Vorspannungsquelle immer für bestimmte Arten der Analog-Eingangssignale arbeitet und für andere Arten nicht arbeitet.

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Claims

Ansprüche

.) Analog-Digital-Umsetzer mit

einem Speicher, der an einen Eingangsanschluß angeschlossen ist und ein Signal entsprechend dem Analog-Eingangssignal speichert,

einem Entladungsglied, das an den Ausgangsanschluß des Speichers angeschlossen ist und das gespeicherte Signal entlädt, und

einem Zähler zum Zählen der Taktimpulse bis zu der Zeit, in der die Spannung am Ausgangsanschluß des Speichers einen bestimmten Erfassungspegel während der Entladung erreicht, gekennzeichnet durch

eine Vorspannungsversorgung (6), die an den Speicher (2) angeschlossen ist und die Spannung am Ausgangsanschluß des Speichers (2) über den Erfassungspegel verschiebt (Fig. 3) .
2. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Speicher (2) aufweist:

einen ersten Schalter (21), von dem ein Anschluß an den Eingangsanschluß (1) angeschlossen ist, ein kapazitives Bauelement (22), von dem ein Anschluß an den anderen Anschluß des ersten Schalters (21) und von dem der andere Anschluß an Masse angeschlossen ist, und

81-(A2943-03)-KoSc

R 0 9 8 Λ 1 /071 2

COPY

daß die Vorspannungsversorgung (6) in Reihe zum kapazitiven Bauelement (22) liegt (Fig. 3).
3. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß das Entladungsglied (3) eine Reihenschaltung aus einem Widerstandselement (31) und einem zweiten Schalter (32) umfaßt (Fig. 3) .
4. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Vorspannungsversorgung (6⁽) einen Inverter aufweist (Fig. 5b).
5. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Vorspannungsversorgung (6) eine Parallelschaltung aus einem dritten Schalter (61) und einer Reihenschaltung eines vierten Schalters (62) und einer Vorspannungsquelle (63) hat (Fig. 3).
6. Analog-Digital-Umsetzer, mit

einem Speicher zum Speichern einer Analog-Eingangssignalspannung an einem Eingangsanschluß, einem Entladungsglied, das an den Ausgangsanschluß des Speichers angeschlossen ist und die im Speicher gespeicherte Analog-Eingangssignalspannung entlädt, einem Pegelfühler zum Erfassen der Zeit, in der die Spannung am Ausgangsanschluß des Speichers eine Erfassungspegelspannung erreicht,und

einem Zähler zum Zählen der Anzahl der Taktimpulse vom Beginn der Entladung bis zur Erfassungszeit des Pegelfühlers, gekennzeichnet durch eine Vorspannungsversorgung (6¹)/ die mit dem Speicher (2) verbunden ist und die Spannung am Ausgangsanschluß des Speichers (2) über den Erfassungspegel verschiebt (Fig. 6).

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7. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß der Pegelfühler (4) eine Vielstufen-Verbindung von Invertern (41) aufweist (Fig. 6).
8. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß der Speicher (2) aufweist:

einen ersten Schalter (21), von dem ein Anschluß an den Eingangsanschluß (1) angeschlossen ist, und ein kapazitives Bauelement (22), von dem ein Anschluß an den anderen Anschluß des ersten Schalters (21) und von dem der andere Anschluß an Masse angeschlossen ist, und

daß das Entladungsglied (3) eine Reihenschaltung aus einer Entladungsschaltung (31) und einen zweiten Schalter (32) Zwischen dem Verbindungspunkt des ersten Schalters (21) mit dem kapazitiven Bauelement (22) und Masse aufweist (Fig. 3).
9. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß die Vorspannungsversorgung (6) eine Parallelschaltung aus einem dritten Schalter (61) und einer Reihenschaltung eines vierten Schalters (62) und einer Spannungsquelle (63) aufweist, und in Reihe zum kapazitiven Bauelement (22) liegt (Fig. 3).
10. Analog- Digital-Umsetzer nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch

einen achten Schalter (35) parallel zum kapazitiven Bauelement (22) (Fig. 9, 10) .
11. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,

daß der erste, der zweite, der vierte und der achte Schalter MOS-Feldeffekttransistoren (21, 3', 62, 35) aufweisen (Fig. 9, 10) .

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12. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß die Inverter (41) MOS-Feldeffekttransistoren aufweisen.
13. Analog-Digital-Umsetzer, mit

einem Eingangsanschluß für ein Analog-Eingangssignal, einem kapazitiven Bauelement, das mit dem Eingangsanschluß über einen ersten Schalter verbunden ist und die Analog-Eingangssignalspannung speichert,

einem Konstantstrom-Entladungsglied, das mit dem Ausgangsanschluß des kapazitiven Bauelements verbunden ist und einen zweiten Schalter hat,

einem Pegelfühler, der mit dem Ausgangsanschluß des kapazitiven Bauelements verbunden ist und den Zeitpunkt erfaßt, in dem die Spannung am Ausgangsanschluß des kapazitiven Bauelements gleich einem Erfassungspegel wird, und

einem Zähler zum Zählen der Anzahl der Taktimpulse vom Beginn des Betriebs des Konstantstrom-Entladungsgliedes bis zu dem Zeitpunkt,

gekennzeichnet durch eine Vorspannungsquelle (6), die in Reihe zum kapazitiven Bauelement (22) liegt, um die Spannung am Ausgangsanschluß des kapazitiven Bauelements (22) über die Erfassungspegelspannung zu verschieben (Fig. 9).
14.Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch

einen achten Schalter (35) parallel zum kapazitiven Bauelement (22) (Fig. 9, 10) .
15. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,

daß das Konstantstrom-Entladungsglied (3¹) eine Reihenschaltung aus zwei MOS-Feldeffekttransistoren vom Anreicherungstyp hat, die im Sättigungsbereich arbeiten (Fig. 9).

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16. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß einer der MOS-Feldeffekttransistoren vom Anreicherungstyp der zweite Schalter ist (Fig. 9).

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