DE2933888A1

DE2933888A1 - Analog-digital-wandler

Info

Publication number: DE2933888A1
Application number: DE19792933888
Authority: DE
Inventors: Rudy Johan Van De Plassche
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1978-08-29
Filing date: 1979-08-22
Publication date: 1980-03-06
Also published as: NL7808871A; DE2933888C2; GB2030017A; GB2030017B; AU527047B2; JPS6028169B2; JPS5533400A; AU5027379A; CA1139886A; ES483672A1; US4325054A; FR2435163A1; IT7968712A0; FR2435163B1

Description

k..6.1979 ~*~ PHN 9209

Analog-Digital-Wandler

Die Erfindung bezieht sich auf einen Analog-Digital-Wandler mit einer Faltschaltung, die ein monoton zunehmendes Eingangssignal bis zu einem gewissen Wert desselben in ein monoton zu- oder abnehmendes Ausgangssignal und über diesem Wert in ein monoton ab— bzw. zunehmendes Ausgangssignal umwandelt, wobei die Faltschaltung einen ersten und einen zweiten Transistor enthält, denen das Eingangssignal zugeführt, wird und deren Emitterelektroden durch eine erste bzw. zweite Gleichstromquelle gespeist werden und aus deren Kollektorelektroden mit einer differenzbestimmenden Schaltungsanordnung das Ausgangssignal erhalten wild.

Aus IEEE Transactions on Nuclear Science, Heft NS 22, Februar '75, Seiten 446-451 ist ein Analog-Digital-Wandler der obengenannten Art mit einer Faltschaltung bekannt, wobei das Eingangssignal den Basiselektroden des ersten und zweiten Transistors zugeführt wird. Die Emitterelektroden des ersten und zweiten Transistors sind mit je einem Emitter eines zweier anderer Transistoren verbunden, deren Basis-Elektroden an einer etwas abweichenden Bezugsspannung liegen.

Eine derartige Faltschaltung hat eine Eingangssignal-Ausgangssignalkennlinie, die von der gewünschten Dreiecksignal— form stark abweicht. Dies lässt sich zwar teilweise durch Verwendung logarithrnischer Belastungswiderstände verbessern,

Die Erfindung hat nun zur Aufgabe, die Dreieckform des Ausgangssignals weiter zu verbessern.

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Ein Analog-Digital-Wandler der eingang erwähnten Art weist dazu nach der Erfindung das Kennzeichen auf, dass das Eingangssignal durch eine Stromquelle dem Emitter des ersten Transistors zugeführt wird und der Emitter des zweiten Transistors über ein Schwellenelement mit dem des ersten Transistors verbunden ist, wobei die Basiselektroden des ersten und zweiten Transistors an derartigen Gleichspannungen liegen, dass der Spannungsunterschied zwischen denselben kleiner ist als die Schwellenspannung des Schwellenelementes. Infolge dieser Massnahme wird die Wellenform des Ausgangssignals derart verbessert, dass jede Seite der Dreieckwellenform völlig für einen Feinwandler benutzt werden kann, wenn mit dem Eingang der Schaltungsanordnung ein Grobwandler gekoppelt ist. Die Verwendung einer weiteren FaItschaltung in einer Untergruppe, die ein unverzerrtes Ausgangssignal abgibt, wenn das Ausgangssignal der erstgenannten Faltschaltung, die dann eine andere Untergruppe bildet, verzerrt ist, kann dadurch gewünschtenfalls vermieden werden.

Analog-Digital-Wandler nach der Erfindung eignen sich insbesondere zum Umwandeln von Signalen mit grosser Bandbreite, wie beispielsweise Videosignale.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der

Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben, Es zeigen:

Fig. 1 eine einfache Faltschaltung für einen erfindungsgemässen Analog-Digital-Wandler,

Fig. 2 eine mehrfache Faltschaltung für einen erfindungsgemässen Analog-Digital-Wandler, Fig. 3 eine andere mehrfache Faltschaltung für einen erfindungsgemässen Analog-Digital-Wandler,

Fig. h einen vereinfachten' Schaltplan eines erfindungsgemässen Analog-Digital-Wandlers.

In Fig. 1 wird einem Eingang 1 ein Eingangssignal zugeführt. Dieses Eingangssignal steuert eine Stromquelle 3» " die einen Strom I proportional dem Augenblickswert des Eingangssignals liefert.

Der Strom I wird dem Verbindungspunkt eines Emitters eines ersten Transistors 5> dessen Basiselektrode an einem

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festen Potential V₁ liegt, mit einer ersten Gleichstromquelle 7j die einen konstanten Gleichstrom von diesem Verbindungspunkt abführt, zugeführt. Der Kollektor des ersten Transistors liegt an einem Eingang 9 einer differenzbestimmenden Schaltung 11.

Der Verbindungspunkt des Emitters des ersten Transistors 5 mit der ersten Gleichstromquelle 7 liegt über eine Diode 13 am Verbindungspunkt einer zweiten Gleichstromquelle 15 und eines Emitters eines zweiten Transistors 17» dessen Basis an einem festen Potential V„ liegt. Die zweite Gleichstromquelle 15 führt von diesem Verbindungspunkt einen konstanten Gleichstrom ab. Der Kollektor des zweiten Transistors liegt an einem Eingang 19 der differenzbestimmenden Schaltung 11, die einen Ausgang 21 hat, dem die Differenz (l„—I₁) des Kollektorstromes I„ des zweiten Transistors 17 und des Kollektorstromes I₁ des ersten Transistors 5 entnommen werden kann.

Der Spannungsunterschied zwischen V₁ und V„ an der Basis des ersten und des zweiten Transistors 5 bzw. 17 ist derart, dass die Diode 13 bei geringen Werten des von der Stromquelle 3 gelieferten Stromes 1 gesperrt ist. Die Diode 13 ist als Schwellenelement wirksam und wird erst leitend, wenn der Strom I grosser wird als der von der ersten Gleichstromquelle 7 abgeführte Strom. Wenn der Wert des von der Stromquelle 3 gelieferten Stromes wächst, und zwar von einem Wert Null, bleibt der Strom I„ durch den zweiten Transistor konstant, und der Strom I₁ durch den ersten Transistor 5 nimmt von einem durch die erste Stromquelle 7 bestimmten Wert bis Null ab. Der erste Transistor sperrt dann, und die Spannung am Emitter des ersten Transistors 5 steigt an, bis die Schwellenspannung der Diode überschritten wird. Bei einem weiter zunehmenden Wert des Stromes I nimmt nun auch der Strom I„ durch den zweiten Transistor 17 ab. Der am Ausgang 21 der differenzbestimmenden Schaltung 11 auftretende Unterschied der Ströme I_? und I₁ weist als Funktion des Stromes I eine Drcieckwellenform auf, die sehr lineare Seiten und einen scharfen Scheitelwinkel hat.

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Die differenzbestimmende Wirkung 11 kann ausgebildet werden, wie dies in der US-Patentschrift 3 697 882 beschrieben worden ist, und sie kann eine nachfolgende Faltschaltung steuern. Es ist auch möglich, in jeden der Kollektorelektroden der Transistoren 5 und 17 einen Widerstand aufzunehmen und als differenzbestimmende Schaltung einen Feinwandler zu verwenden, der zwischen diesen Kollektorelektroden angeschlos~ sen wird, wie dies bei der Beschreibung der Fig. k noch näher erläutert wird.

Der Spannungssprung, der am Emitter des ersten Transistors 5 auftritt, wenn der Strom I den Wert des Gleichstromes überschreitet, der von der Gleichstromquelle 7 geliefert wird, kann für einen Grobwandler verwendet werden. Dieser Spannungssprung entspricht der Schwellenspannung der Diode 131 wenn die Spannungen V_Q und V an den Basiselektroden des ersten und zweiten Transistors gleich sind, und ist grosser als die Schwellenspannung, wenn V„ höher ist als V₁, und kleiner, wenn V_? niedriger ist als V₁. Im letzteren Fall muss dafür gesorgt werden, dass V₁-Vp kleiner bleibt als die Schwellenspannung der Diode 13·

Statt der Diode 13 kann gewünschtenfalls ein anderes Schwellenelement verwendet, werden, wie beispielsweise eine Schottky-Diode oder eine zwischen einem Eingang und einem Ausgang eines Verstärkers angeordnete Diode.

Der Verbindungspunkt des Emitters des zweiten Transistors 17 mit der Gleichstromquelle I5 kann gewünschtenfalls über einen gestrichelt dargestellten weiteren Diodenkreis an eine der Spannungen V₁ oder V gelegt werden, um bei einem Wert von I₁ der grosser ist als die Summe der von den Quellen 7 und 15 gelieferten Gleichströme, einen zu grossen Anstieg der Spannung an den Emitterelektroden des ersten und zweiten Transistors zu vermeiden.

In Fig. 2 ist eine mehrfach faltende Faltschaltung angegeben. Für entsprechende Elemente sind dieselben Bezugszeichen verwendet wie in Fig. 1. Für deren Beschreibung sei auf die der Fig. 1 verwiesen.

Der Kollektor des ersten Transistors 5 ist mit dem eines dritten Transistors 25 verbunden und der des zweiten

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Transistors 17 mit dem eines vierten Transistors 27. Die Basiselektroden aller Transistoren liegen an einer Spannung V₁. Der Emitter des zweiten Transistors 17 liegt über eine Diode 29 am Verbindungspunkt des Emitters des dritten Transistors 25 und einer Gleichstromquelle 31. Der Emitter des dritten Transistors 25 liegt über eine Diode 33 am Verbindungspunkt des Emitters des vierten Transistors 27 mit einer Gleichstromquelle 35· Die Gleichstromquellen 31 und 35 führen je einen konstanten Gleichstrom von den betreffenden Verbindungspunkten.

Bei einem von Null an zunehmenden Wert von I nimmt zunächst I₁ ab, bis der erste Transistor 5 sperrt, die Diode 13 wird dann leitend, und daraufhin nimmt der Strom I„ ab, bis die Diode 29 zu leiten anfängt. Dann nimmt der Strom wieder ab, bis die Diode 33 zu leiten anfängt, und daraufhin nimmt der Strom I„ wieder ab, wenn I noch weiter zunimmt.

Es dürfte einleuchten, dass, wenn mehrere Dreiecke erwünscht werden, die Schaltungsanordnung um mehr Gleichstromquellen und Transistoren erweitert werden kann, die der dargestellten Faltschaltung nachgeschaltet werden können. In Fig. 3 ist eine mehrfache Faltschaltung dargestellt, die gegenüber der aus Fig. 2 den Vorteil bietet, dass die Emitter-Basis-Spannung der Transistoren weniger hoch ansteigt. Für entsprechende Elemente sind dieselben Bezugszeichen verwendet worden wie in Fig. 1. Für deren Beschreibung sei auf die in Fig. 1 verwiesen.

Die Spannung V^ an der Basis des zweiten Transistors wird beispielsweise um den halben Wert der Schwellenspannung der Diode 13 niedriger gewählt als die Spannung V₁ an der Basis des ersten Transistors 7·

Der Emitter des ersten Transistors 5 liegt über eine Diode 37 am Verbindungspunkt eines Emitters eines dritten Transistors 39 und einer dritten Gleichstromquelle 41, die einen bestimmten Gleichstrom von diesem Verbindungspunkt abführt. Der Kollektor des dritten Transistors ist mit dem des ersten Transistors 5 verbunden.

Der Emitter des zweiten Transistors 17 liegt über eine Diode k"} am Verbindungspunkt des Emitters eines vierten

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Transistors 45 und einer vierten Gleichstromquelle 47» die einen bestimmten Gleichstrom von diesem Verbindungspunkt abführt. Der Kollektor des vierten Transistors ist mit dem des zweiten Transistors verbunden.

Mit den Kollektorelektroden des ersten und des dritten Transistors 5 bzw. 39 sind noch die Kollektorelektroden eines fünften und eines sechsten Transistors 49 bzw. 5I verbunden, deren Emitterelektroden an einem Kreis aus Dioden— gleichstromquellenschaltungen 53» 55» 57» 59 liegen. Die Basiselektroden des ersten, dritten, vierten und fünften Transistors sind miteinander verbunden.

An den Kollektorelektroden des zweiten und vierten Transistors 17 bzw. 45 liegen die eines siebenten und achten Transistors 61 bzw. 63» deren Emitterelektroden an Verbindung«« punkten der Dioden 65 bzw. 67 mit Gleichstromquellen 69 bzw. 61 liegen. Die Basiselektroden dieses siebenten und achten Transistors 61, 63 liegen an denen des zweiten und des vierten Transistors.

Bei Zunahme des von der Stromquelle 3 gelieferten Stromes I werden nun nacheinander die Transistoren 5i 17t 39t 45, 49, 61, 51 bzw. 63 gesperrt. Der Differenzwert (I₃-I₁) der Ströme I„ zu der unteren Gruppe von Transistoren 17» 61, 63 und I₁ zu der oberen Gruppe, weist eine DreieckweLlenform auf. Die höchste Emitterspannung, die bei völliger Aussteuerung der Faltschaltung auftritt, ist nun weniger als das Vierfache der Schwellenspannung einer Diode. Bei einer mehrfachen FaItschaltung, die nach dem Prinzip entsprechend Fig. 2 aufgebaut wäre, wäre dies das Siebenfache der Schwellenspannung einer Diode gewesen.

In Fig. 4 sind für entsprechende Elemente dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 2 und Fig. 1 verwendet worden· Für deren Beschreibung sei auf die Beschreibung dieser Figuren verwiesen.

Die Kollektorelektroden des ersten und des dritten Transistors 5 bzw. 25 liegen über einen Widerstand 73, die des zweiten und des vierten Transistors 17 bzw. 27 über einen Widerstand 75 Etn einer positiven Spannung. Weiterhin ist mit dem Widerstand 73 ein Eingang je einer Gruppe von

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Vergleichsschaltungen 77, 79» 81, 83 verbunden. Ein anderer Eingang dieser Vergleichsschaltungen liegt an einem Spannungsteiler 85, 87, 89, der einerseits am Widerstand 75 und an einer schwebenden Gleichspannungsquelle 91 und andererseits am anderen Anschluss der Gleichspannungsquelle 91 liegt. Beim Durchlaufen einer Seite des Dreiecks durch die gemeinsamen Kollektorströme ändern sich nacheinander die Polaritäten der Ausgangsspannungen der Vergleichsschaltungen. Diese Ausgangsspannungen werden in einem Kodewandler 93 in einen gewünschten Kode umgewandelt.

Diesem Kodewandler 93 werden auch noch die Ausgangsspannungen von vier Vergleichsschaltungen 95, 97, 99 ^ 101 zugeführt, wobei ein Eingang an einer geeignet gewählten Spannung V liegt und ein anderer Eingang mit einer der Emitterelektroden der Transistoren verbunden ist.

Dez" Kodewandler 93 hat eine Anzahl Ausgänge 103, denen der digitale Kode entnommen werden kann, der dem analogen Wert des Eingangssignals am Eingang 3 entspricht.

Die Vergleichsschaltungen können beispielsweise von dem Typ sein, wie dieser in den Wandlern des obengenannten Artikels in IEEE Transactions on Nuclear Science oder der US-Patentschrift 3 735 390 verwendet worden ist.

Obschon die Verwendung von Untergruppen infolge der guten Linearität der Dreieckwellenform und der scharfen Scheitelwinkel darum im allgemeinen nicht notwendig sein wird-, kann dies gewünschtenfalls dadurch erfolgen, dass zwei Gruppen gewählt werden, wie diese in Fig. 2 dargestellt sind, die von.je einer vom Eingangssignal gesteuerten Stromquelle gesteuert werden und wobei die Gleichstromquellen in den Emitterkreisen der ersten Transistoren in diesen Gruppen Ströme abgeben, die in ihrem Wert voneinander abweichen.

Die Gleichstromquellen in den Emitterkreisen der Transistoren der Schaltungsanordnungen der Figuren bestimmen die Art der Umwandlung. Wenn die Gleichstromquellen einer bestimmten Faltschaltung einen gleichen Stromwert aufnehmen, ist die Umwandlung linear. Bei einer Umwandlung, die nicht linear sein soll, müssen die von den Gleichstromquellen

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aufgenommenen Ströme in einem geeigneten Verhältnis gewählt werden. Bei Verwendung einer Grob-Feinumwandlung wie in Fig. h, wobei die Grobumwandlung in den Emitterkreisen der Transistoren erfolgt und die Feinumwandlung in den Kollektorkreisen, muss bei einer nicht-linearen Umwandlung auch der Spannungsteiler 851 87, 89 angepasst und die Kollektorkreise der Transistoren an geeignet gewählte Abgriffe der Kollektorwiderstände 73 und 75 angeschlossen werden.

Es dürfte einleuchten, dass für eine andere Polarität des von der Eingangsstromquelle gelieferten Stromes Transistoren vom entgegengesetzten Leitungstyp verwendet werden können und die Dioden in der entgegengesetzten Richtung geschaltet werden müssen, während die Gleichstromquellen einen entgegengestzten Strom liefern müssen.

Es ist selbstverständlich auch möglich, eine Kombination für negative und positive Eingangsströme geeigneter Wandler herzustellen, und zwar dadurch, dass Kreise für jede dieser Polaritäten miteinander gekoppelt werden.

Ein Wandler nach der Erfindung eignet sich insbesondere zum Umwandeln von Videosignalen und Fernsehsystemen, obschon die Verwendung sich darauf nicht beschränkt.

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Claims

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1. Analog-Digital-Wandler mit einer FaItschaltung die ein monoton zunehmendes Eingangssignal bis zu einem gewissen Wert desselben in ein monoton zu- oder abnehmendes Ausgangssignal und über diesem Wert in ein monoton ab- bzw. zunehmendes Ausgangssignal umwandelt, wobei die FaI t— schaltung einen ersten und einen zweiten Transistor enthält, denen das Eingangssignal zugeführt wird und deren Emitterelektroden durch eine erste bzw. zweite Gleichstromquelle gespeist werden und aus deren Kollektorelektroden mit einer differenzbestimmenden Schaltung das Ausgangssignal enthalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangssignal durch eine Stromquelle (3) dem Emitter des ersten Transistors (5) zugeführt wird und der Emitter des zweiten Transistors (17) über ein Schwellenelement (I3) mit dem des ersten Transistors (5) verbunden ist, wobei die Basiselektroden des ersten (5) und des zweiten (17) Transistors an derartigen Gleichspannungen liegen (V , V ), dass der Spannungsunterschied zwischen denselben kleiner ist als die Schwellenspaniiung des Schwellenelementes (13) (Fig. 1).

2. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die differenzbestininiende Schaltung einen in jeden der Kollektorkreise des ersten und des zweiten Transistors (5, I7) aufgenommenen Widerstand (73, 75) und eine mit den Kollektorkreisen des ersten und des zweiten

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Transistors verbundenen Gruppe von Vergleichsschaltungen (77, 79, 81, 83) enthält (Fig. h).

3. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter des zweiten Transistors (17) über ein Schwellenelement (29) mit dem eines dritten Transistors (25) und mit einer dritten Gleichstromquelle (31) verbunden ist und der Emitter des dritten Transistors (25) Ober ein Schwellenelement (33) mit dem eines vierten Transistors (27) und mit einer vierten Gleichstromquelle (35) verbunden ist und von dem ersten und dem dritten Transistor (5, 25) sowie von dem zweiten und dem vierten Transistor (17, 27) die Kollektorelektroden miteinander verbunden sind und die Basiselektroden des ersten, zweiten, dritten und vierten Transistors miteinander verbunden sind (Fig. 2).

h. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter des ersten Transistors (5) weiterhin über ein Schwellenelement (37)1 mit dem Emitter eines dritten Transistors (39) und mit einer dritten Gleichstromquelle (4i) verbunden ist und die Kollektorelektroden des ersten und des dritten Transistors (5, 39) sowie deren Basiselektroden miteinander verbunden sind und der Emitter des zweiten Transistors (17) weiterhin über ein Schwellenelement (^3) mit dem Emitter eines vierten Transistors (^5) und mit einer vierten Gleichstromquelle (47) verbunden ist und der Kollektor des zweiten und des vierten Transistors (17, 45) sowie deren Basiselektroden miteinander verbunden sind und dass zwischen die Basiselektroden des ersten und dritten (5, 39) und des zweiten und vierten Transistors (17, ^5) ein Spannungsunterschied angelegt ist (V.., V_) Fig. 3).