DE2940228A1 - Schaltungsanordnung fuer einen analog-digital-umwandler nach dem pipelineprinzip mit einer grobumwandlungs- und einer nachgeschalteten feinumwandlungsstufe - Google Patents

Schaltungsanordnung fuer einen analog-digital-umwandler nach dem pipelineprinzip mit einer grobumwandlungs- und einer nachgeschalteten feinumwandlungsstufe

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DE2940228A1 DE19792940228 DE2940228A DE2940228A1 DE 2940228 A1 DE2940228 A1 DE 2940228A1 DE 19792940228 DE19792940228 DE 19792940228 DE 2940228 A DE2940228 A DE 2940228A DE 2940228 A1 DE2940228 A1 DE 2940228A1
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  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Analogue/Digital Conversion (AREA)

Description

  • Schaltungsanordnung für einen Analog-Digital-Umwandler
  • nach dem Pipelineprinzip mit einer Grobumwandlungs- und einer nachgeschalteten Feinumwandlungsstufe Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für einen Analog-Digital-Umwandler nach dem Pipelineprinzip mit einer Grobumwandlungs- und einer nachgeschalteten Feinumwandlungsstufe, in denen das analoge Eingangssignal Jeweils mit Schaltschwellenspannungen verglichen wird und zeitlich nacheinander abgetastet Jeweils als digitales Ausgangssignal am Jeweiligen Ausgang abnehmbar ist, die Schaltschwellenspannungen Jeweils mit Hilfe eines zwischen zwei Bezugs spannungen angeordneten Spannungsteilers erzeugt werden und für Jede Schaltschwelle ein das Eingangssignal mit der zugehörigen Schaltschwellenspannung vergleichender Differenzverstärker mit vor- oder nachgeschaltetem getaktetem Speicher und danach eine Verknüpfungsschaltung angeordnet sind, an deren Ausgang das digitale Ausgangssignal im l-aus-nCode abnehmbar und hinter den Verkndpfungsschaltungen der Grobumwandlungsstufe eine Digital-Analog-Umwandhngsstufe angeordnet ist, die ein dem digitalen Wert zu einem bestimmten Zeitpunkt entsprechendes analoges Signal an eine Differenzverstärkerstufe liefert, der weiterhin das analoge Eingangssignal verzögert zugeführt wird und die das analoge Eingangssignal für die Feinumwandlungsstufe liefert.
  • Eine derartige Schaltungsanordnung ist in der älteren Anmeldung nach P 29 24 746.9 beschrieben. Der Gegenstand der Erfindung dieser älteren Anmeldung besteht darin, zur Berichtigung falsch liegender Schaltschwellenspannungen eine Erkennschaltungsanordnung und im Signale hinter dieser eine Auswerteschaltungsanordnung anzuordnen, deren Ausgangssignale als Steuersignale dem für mindestens eine Schaltschwellenspannung einstellbar ausgebildeten Spannungsteiler zugeführt werden. Es ging also im wesentlichen darum, die in der integrierten Schaltungstechnik gegenüber Toleranzen sehr anfälligen Schaltschwellenspannungen bzw. Widerstandswerte innerhalb eines Spannungsteilers durch eine entsprechende Schaltungsanordnung auszugleichen.
  • Es hat sich weiterhin herausgestellt, daß es schwierig ist,auf einem Chip mit den oben genannten zahlreichen einzelnen Schaltelementen, also den vergleichenden Differenzverstärkern, den Flip-Flops, den Gattern und den verschiedenen Feldeffekttransistoren, einen genügend genauen Differenzverstärker mit zu integrieren, der an der Ubergangsstelle zwischen dem Grobkonverter und dem Feinkonverter angeordnet ist. Dazu sei noch einmal das Prinzip in groben Zügen beschrieben: Die Grobkonverterstufe besteht aus einer Anzahl, z.B. 15, vergleichenden Differenzverstärkern, die parallel an die Eingangs spannung und Jeweils eine Schaltschwellenspannung mit ihren Eingängen geschaltet sind, wobei die Schaltschwellenspannungen von dem bereits genannten Spannungsteiler, der zwischen zwei Bezugssspannungsquellen liegt, geliefert werden. Ein in seiner Amplitude sich änderndes analoges Eingangssignal wird also in Abhängigkeit von der Zeit an einer unterschiedlichen Anzahl von Differenzverstärkern anliegen und dadurch, daß die nachgeschalteten Flip-Flops diese Differenzverstärker in ihren Ausgängen mit der Frequenz eines Taktes abtasten, wird an diese ein Signal geliefert, und zwar derart, daß immer soviel.Flip-Flops gesetzt sind, wie Differenzverstärker in Abhängigkeit von der Amplitude des Eingangssignals angesteuert sind.
  • Hinter diese Flip-Flops sind dann entsprechende Verknüpfungsgatter geschaltet, an deren Ausgängen dann das digitale Signal im 1- aus -16-Code abnehmbar ist. Dies wird zweckmäßigerweise einem ROM zugeführt und ist dort im Dualcode abnehmbar. Näheres wird anhand der Figurenbeschreibung beschrieben.
  • Der Feinkonverter oder die Feinumwandlungsstufe ist im Prinzip in genau gleicher Weise aufgebaut, aber, um ihr ebenfalls ein analoges Eingangssignal zuführen zu können, muß in der Grobumwandlungsstufe nicht nur ein digitales, sondern auch ein analoges Signal abnehmbar sein, das dem digitalen Wert zu einem bestimmten Zeitaugenblick entspricht.
  • Somit kann eine analoge Differenzspannung zwischen der analogen Eingangsspannung und der dem digitalen Wert der Grobumwandlungsstufe entsprechenden analogen Ausgangsspannung gewonnen werden und nach Verstärkung der Feinumwandlungsstufe zugeführt werden.
  • Beim Gegenstand nach der älteren Anmeldung wurde zum Zwecke der Umwandlung des digitalen Signals in ein analoges Signal in der Grobumwandlungsstufe hinter Jedem Verknüpfungsglied ein FET als Schalter angeordnet, dessen Gate mit dem Ausgang des Verknüpfungsgatters verbunden war und dessen Drain-Anschluß Jeweils an der zugeordneten Spannungsteilerspannung bzw. Schaltschwellenspannung lag und dessen Source-Anschlüsse sämtlicher FET zusammengeschaltet als Ausgang eines Digital-Analog-Wandlers an den einen Eingang des Differenzverstärkers geführt waren, dessen anderer Eingang über eine Verzögerungsleitung bzw. Verzögerungsstufe mit dem Eingang der Grobumwandlungsstufe verbunden war. Am Ausgang dieses Differenzverstärkers konnte nun ein verstärktes Differenzsignal, d.h. also das analoge Eingangssignal für die Feinumwandlungsstufe,entnommen werden, d.h. es wurde Jeweils dem positiven Eingang der vergleichenden Differenzverstärker in der Feinumwandlungsstufe zugeführt. Der andere Eingang dieser vergleichenden Differenzverstärker lag Jeweils an der zugeordneten Schaltschwellenspannung.
  • Bei einer derartigen Schaltungsanordnung muß der Differenzverstärker derart ausgelegt sein, daß sein Verstärkungsgrad möglichst genau dem Verhältnis der Differenz der beiden Bezugsspannungsquellen zur Spannungsdifferenz zwischen zwei benachbarten Schwellwertspannungen, also der Anzahl der den Spannungsteiler bildenden Transistoren zwischen den beiden Bezugsspannungsquellen entspricht. War sein Verstärkungsgrad zu groß, so konnte die Eingangsspannung für die Feinumwandlungsstufe größer als die obere Bezugsspannungsquelle werden, und wurde für diese Fälle von den vergleichenden Differenzverstärkern der Feinumwandlungsstufe nicht mehr richtig erkannt. War er in seinem Verstärkungsgrad zu klein, so wurde gegebenenfalls nur ein Teil der vergleichenden Differenzverstärker in der Feinumwandlungsstufe angesteuert, d.h. ein in bezug auf die Amplitude des Eingangssignals zu kleines digitales Signal erzeugt.
  • Das Kriterium für diesen Differenzverstärker war daher, daß er in seinem Verstärkungsgrad genau auf die Stufung im Grobkonverter angepaßt werden mußte.
  • Damit der Feinkonverter in gcrineter Weise angesteuert wird, muß, wenn die Grobumwandlungsstufe die Eingangs spannung in 16 Stufen einteilt, d.h. aus 15 vergleichenden Differenzverstärkern besteht, die Verstärkung des Differenzverstärkers an der Übergangsstelle 16-fach mit einer maximalen Abweichung von + 0,5 sein, d.h. die Abweichung darf nur + 3 , betragen; dann ist der Fehler kleiner als die Differenz zwischen zwei benachbarten Schaltschwellenspannungen in der Feinumwandlungsstufe und somit im Ausgangsdualcode-Signal nicht mehr erkennbar.
  • Dieser sehr enge Toleranzbereich von1S5-bis 16,5-fach der Verstärkung ist die Voransetzung für die Funktion des A/D-Wandlers nach dem Pipelining-Prinzip, bei einer Auflösung von 8 Bit.
  • Weiter gilt die strenge Forderung, daß die Gleichtaktverstärkung kleiner 1/32 ist, d.h. kleiner als ein halber Feinumwandlungs schwellwert.
  • Da in der bisherigen integrierten Schaltungstechnik ein derart genauer Differenzverstärker, der sich also auch über die verschiedensten Chargen gleichmäßig in seinem Verstärkungsgrad verhalten soll, sehr schwierig darstellbar war, wurde bisher die Grobumwandlungs- und die Feinumwandlungsstufe in einem Arbeitsgang hergestellt und es wurden die betreffenden Leitungsanschlüsse für den Differenzverstärker nach außen ausgeführt und ein besonders abgeglichener bzw. extra aufgebauter Differenzverstärker von außen zugeschaltet. Hierbei wurde der Verstärkungsgrad des Differenzverstärkers auch noch wiederholt abgeglichen.
  • Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, diese umständlichen Maßnahmen zu vermeiden und eine Schaltungsanordnung anzugeben, die es möglich macht, de Anforderungen an den Differenzverstärker an der Übergangs stelle zwischen der Grobumwandlungsstufe und der Feinumwandlungsstufe so weit zu reduzieren, so daß eine Gesamtintegrierung auf einem genau samen Chip in Zukunft möglich ist.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe werden bei drier Schaltungsanordnung für einen Analog-Digital-Umwandler nach dem Pipelineprinzip der eingangs genannten Art nach der Erfindung Maßnahmen ergriffen, die dadurch gekennzeichnet.sind, daß die Differenzverstärkerstufe aus einem ersten und einem zweiten Jeweils zwei symmetrische Ausgänge aufweisenden Differenzverstärkern mit gleichem absoluten Verstärkungsgrad besteht, die beiden negativen Ausgänge dieser Differenzverstärker miteinander verbunden und sowohl an den unteren Fußpunkt des Spannungsteilers der Feinumwandlungsstufe als auch über einen Lastwiderstand an den positiven Ausgang des ersten Differenzverstärkers und dieser positive Ausgang an alle negativen oder positiven Eingänge der vergleichenden Differenzverstärker der Feinumwandlungsstufe angeschlossen sind, weiterhin der positive Ausgang des zweiten Differenzverstärkers an dem oberen Anschluß des Spannungsteilers und an den verbleibenden Eingang des oberen vergleichenden Differenzverstärkers angeschlossen ist, ferner der invertierende Eingang des ersten sowohl mit dem invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers als auch mit den Analogausgängen einer ersten Digi tal-Analog-umwandlungs stufe in der Grobumwandlungsstufe, der nicht invertierende Eingang des ersten Differenzverstärkers über eine Verzögerungsstufe mit d dZr EingangsSemme und der nicht invertierende Eingang des zweiten Differenzverstärkers mit den Analogausgängen einer zweiten hinter den Verknüpfungsachaltungen der Grobumwandlungs stufe angeordneten Di gi tal-Anal og-Umwandlungsstufe verbunden sind.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung lind die Referenzeingänge der zweiten Digital-Analog-Umwandlungsstufen an der Jeweils nächsthöheren Schaltschwellenspannung angeschlossen.
  • Weiterhin kann der Wert des Lastwiderstandes gleich dem Wert des Summenwiderstandes des Spannungsteilers des Feinkonverters sein.
  • Bei Einsatz der Erfindung werden also zwei Differenzverstärker erforderlich, die zwar absolut recht ungenau sein dürfen, aber relativ zueinander sehr genau sein müssen und zwar deswegen, weil ihre Ausgangsspannungen in der Feinumwandlungsstufe aufeinander bezogen werden, nicht aber in bestimmten Relationen zu anderen Spannungen stehen müssen.
  • Der zweite Differenzverstärker liefert die Referenzspannung für die Spannungsteilungskette des Feinkonverters und der erste Differenzverstärker die Eingangsspannung für den Feinkonverter, die dann im Feinkonverter durch Vergleich mit der Referenzspannung in einen digitalen Wert umgesetzt wird.
  • Die relative Abweichung der Verstärkung der beiden Differenzverstärker darf aus den vorangegangenen Betrachtungen eben- falls nur + 3 , betragen bei einer nominalen, d.h. absoluten Verstärkung von z.B. 16-facher. Eine Gleichtaktunterdrückung wird nicht gefordert.
  • Um diese Maßnahmen zu verwirklichen, müssen nunmehr zusätzlich in der Grobkonverterstufe als zweite D/A-Wandlerstufe noch weitere FET angeordnet werden, an denen ein weiteres analoges Ausgangssignal für den zweiten Differenzverstärker abnehmbar ist. Die Bezugsspannung für den Spannungsteiler für die Feinkonverterstufe ist durch die Erfindung von der Bezugs spannung für den Grobkonverter bzw. die Grobkonverterstufe abgekoppelt und an die Ausgänge des zweiten, zusätzlichen Differenzverstärkers angeschlossen.
  • Durch diese Schaltungsanordnung ist nicht mehr eine absolut genaue Verstärkung der beiden Differenzverstärker von z.B*' 16 + 0,5, sondern nur eine relative Verstärkungsabweichung von + 3 % zwischen den beiden erforderlich. Die absolute Verstärkung ist nur vom Linearitätsbereich der vergleichenden Differenzverstärker in der Feinumwandlungsstufe abhängig und kann z.B. zwischen 15- und 30-fach liegen. Die Forderung nach relativer Genauigkeit und nicht absoluter kommt jedoch einer Integration auf einem Chip entgegen, da hier die relativen Toleranzen sehr klein gehalten werden können, während absolute Werte mit hohen Toleranzen häufig von mehr als 20 , behaftet sind.
  • Die neue Spannungsteilerkette für die Feinumwandlungsstufe kann z. 3. ebenso wie die Spannungsteilerkette für die Grobumwandlungsstufe nach dem Gegenstand der älteren Anmeldung nach P 29 24 746.9 an Steuerschaltungen angeschlossen werden, so daß es möglich ist, auch hier den gleichen Grad an Genauigkeit beizubehalten.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 ein Übersichtsschaltbild einer Grobumwandlungsstufe mit nachgeschalteter Feinumwandlungsstufe, Fig. 2 die analogen Elngangssignale als Funktion der Zeit, Fig. 3 die Signalverläufe an den Ausgängen der Flip-Flops Fl bis F15 und an den Ausgängen der Gatter G1 bis Gel 5 der Grobumwandlungsstufe, Fig. 4 die digitalen Ausgangssignale b7 bis b3 am Ausgang des ROM der Grobumwandlungsstufe, den Spannungsverlauf N1 der Differenz der Eingangssignale am Differenzverstärker Dl und das verstärkte Ausgangssignal E2 dieses Differenzverstärkers.
  • In Fig. 1 ist die Grobumwandlungsstufe mit GADU/DAU bezeichnet. Durch diese Bezeichnung soll zum Ausdruck kommen, daß in dieser Grobumwandlungsstufe ein analoges Eingangssignal in ein digitales Ausgangssignal umgewandelt wird, aber auch gleichzeitig das digitale Ausgangssignal wiederum in ein analoges Signal umgewandelt wird, das mit Hilfe eines Differenzverstärkers als Eingangssignal für die Feinumwandlungsstufe dient, die mit FADU bezeichnet ist.
  • Die Eingangsspannung, also das analoge Eingangssignal, wird zwischen dem gemeinsamen Bezugspunkt, z.B. Masse, und der Eingangsklemme E, wie links unten in Fig. 1 eingezeichnet, angelegt. Der Eingang der Grobumwandlungsstufe GADU/DAU besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel aus parallel geschalteten Differenzverstärkern K1, K2, K3 bis K15. Es sind also fünfzehn Eingangsstufen vorhanden. Der eine Eingang dieser vergleichenden Differenzverstärker ist mit der Eingangsklemme E verbunden und der andere Eingang mit Jeweils einem Abgriff aus einer Spannungsteilerkette, die aus Widerständen bestehen kann, oder, wie in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt, aus FETs mit der Bezeichnung TS1, TS2 bis TS16. Dieser Spannungsteiler ist zwischen eine Bezugsspannung UB3 und eine Bezugsspannung UB1 geschaltet, wobei z.B. UB3 +2 V und UB1 + 5V sein kann. Um die Widerstandswerte der FET TS1 bis TS16 entsprechend ihren Sollwerten korrigieren zu können, sind Steueranschlüsse S1, S2, S3 bis S16 vorhanden, die mit Steuerschaltungen verbunden sein können, wie in der älteren Anmeldung nach P 29 24 746.9 gezeigt.
  • Entsprechend dem Amplitudenwert der Eingangsspannung, die an der Eingangsklemme E angelegt wird, werden zu einem bestimmten Zeitaugenblick z.B. die vergleichenden Differenzverstärker K1, K2 und K3 angesteuert, wenn z.B. die Differenz zwischen zwei Jeweils benachbarten Schwellwertspannungen 0,1875 V (n 5V1 3V) beträgt und in dem betreffenden Zeitpunkt (; Augenblick) der Amplitudenwert des analogen Eingangssignals etwa 2,6 V beträgt.
  • (2 V + 3 x 0,1875 V + d; O td t0,1875 V).
  • Zum Taktzeitpunkt läuft ein Takt T1 an die Takteingänge der nachgeschalteten Flip-Flops F1, F2, F3 bis FIS. In dem angegebenen Beispiel werden die drei Flip-Flops F7, F2, F3 gesetzt, während die anderen gelöscht werden. Die Verknüpfungsgatter G1, G2, G3 bis G14 reagieren entsprechend und an ihren Ausgängen liegt zusammen mit dem invertierten Ausgang des Flip-Flops F1 und dem nicht invertierten Ausgang des Flip-Flops FIS der Amplitudenwert in binär kodierter Form (also als Eins oder Null bzw. High oder Low) im 1-aus-16-Code vor. Diese genannten Ausgänge werden auf die Eingänge des ROM für die Grobumwandlungsstufe geführt, wo in an sich bekannter Weise der Dualcode erzeugt wird, so daß an dem Ausgang des ROM die vier höherwertigen Bits b7 bis b4 des Digitalwertes abgenommen werden können.
  • Auf diese Weise ist es möglich, wenn die Taktfrequenz doppelt so groß ist oder größer als die höchste, im analogen Eingangssignal vorkommende Frequenz ist, das Eingangssignal ohne Informationsverfälschung zu digitalisieren.
  • Die Feinumwandlungsstufe FADU wandelt nur analog-digital um.
  • Ihre Signaleingangsklemme ist mit A bezeichnet. Die vergleichenden Differenzverstärker sind hier K21, K22, K23 bis K36, die nachgeschalteten Flip-Flops F21, F22, F23 bis F36 und die Verknüpfungsgatter G22 bis G34. Auch hier ist ein ROM in gleicher Weise wie bei der Grobumwandlungsstufe angeordnet und es werden die vier niederwertigen Bits b3 bis bO am Ausgang dieses zweiten ROM am Ende der Feinumwandlungsstufe FADU verfügbar.
  • Der vergleichende Differenzverstärker K36 und das dessen Ausgang abtastende Flip-Flop F36 und dessen Ausgangssignal AF werden nicht zur direkten Umwandlung des analogen Eingangssignals in ein digitales Ausgangssignal benötigt, sondern nur als Erkennschaltungsanordnung für die in der älteren Patentanmeldung nach P 29 24 746.9 beschriebene Fehlerkorrekturschaltung und hat, wie überhaupt die ganze Fehlerkorrekturschaltung, für den Gegenstand dieser Anmeldung keine Bedeutung. Das Pipeliningprinzip einer Analog-Digital-Umsetzung beruht darauf, daß zunächst in einer ersten Umwandlungsstufe (Grobumwandlungsstufe) das analoge Signal mit Schwellwertspannungen in groben Spannungsspriingen verglichen und dabei digital gewandelt wird und anschließend - nach einer gewissen Zeitverzögerung t2 - die Differenz zwischen der höchsten, vom analogen Eingangs signal Uberschdttenen Schwellwertspannung und der um die Zeitspanne tl verzögerten analogen Eingangsspannung fein digital gewandelt wird. Um dies mit vergleichenden Differenzverstärkern gleicher Konstruktion und Empfindlichkeit wie in der Grobumwandlungsstufe tun zu können, muß die Differenz entsprechend verstärkt werden.
  • In der Einleitung wurde bereits darauf hingewiesen, daß zwischen der Grobumwandlungsstufe und der Feinumwandlungsstufe eine Rückumsetzung des digitalen Ausgangssignals der Grobumwandlungsstufe in ein analoges Signal erfolgen muß, um ein Differenzsignal (C-B) mit dem analogen Eingangssignal E für die Grobumwandlungsstufe als Eingangssignal C für die Feinumwandlungsstufe FADU zu erhalten.
  • Dazu war es bekannt bzw. in der älteren Anmeldung bereits beschrieben, hinter die Verknüpfungsglieder G1, G2, G3 bis G14 der Gro;bumwandlungsstufe GADU entsprechend angeordnete FET Tl, T2, T3 bis T15 als DAU einzuschalten, an deren Gates das digitale Signal im 1-aus-16-Code lag und an deren Ausgänge ein analoges Signal abgegriffen werden konnte, das dem digitalen Wert zu dem betreffenden Zeitpunkt entspricht.
  • Gezeigt ist diese bereits auch in der älteren Anmeldung vorhandene Leitung, die mit den Source-Anschlüssen der FET TO bis T15 verbunden ist, während die Drain-Anschlüsse dieser FET Jeweils an dem Spannungsteiler angeschlossen sind, und zwar Jeweils an dem einer Schaltschwelle zugeordneten. Während der Gegenstand nach der älteren Anmeldung nach P 29 24 746.9 nur einen Differenzverstärker an der tjbergangsstelle zwischen der Grobumwandlungsstufe GADU/DAU und der Feinumwandlungsstufe FADU zeigte, sind nach der Erfindung, aus Fig. 1 unten ersichtlich, zwei Differenzverstärker angeordnet, und zwar die mit den Bezeichnungen D1 und D2, deren absolute Verstärkungsgrade untereinander gleich sein müssen, aber keinen bestimmten, eng vorgeschriebenen Wert haben müssen.Die Eingänge des ersten Differenzverstärkers D1 sind genauso geschaltet wie die des Differenzverstärkers OP1 nach Fig. 1 der älteren Anmeldung P 29 24 746.9, nämlich der nicht invertierende Anschluß ist huber eine Verzögerungsleitung bzw. Verzögerungsstufe tl mit der Eingangsklemme E verbunden und der invertierende, also mit Minus bezeichnete Anschluß, liegt an den bereits oben beschriebenen Transistoren TO bis T16, und zwar Jeweils an den Source-Anschlüssen und somit am Ausgang eines DAU 1. Der weitere nach dieser Erfindung neu hinzukommende Differenzverstärker D2 liegt nun mit seinem invertierenden Eingang am invertierenden Eingang des ersten Differenzverstärkers D1, also auch am Ausgang DAU 1 , während der nicht invertierende Eingang des Differenzverstärkers D2 nunmehr an den Source-Anschlüssen weiterer als Schalter angeordneter FETs liegt, die in Fig. 1 mit TB1 bis TB15 bezeichnet sind, die einen DAU 2 bilden. Der Unterschied besteht darin, daß die Drain-Anschlüsse dieser FET TB1 bis TB15 nicht an der Jeweils zugehörigen, d.h. der zuletzt von der Eingangsspannung überschrittenen Schaltspannungsschwelle liegen, sondern an der Jeweils nächsthöheren, die Gate-Anschlüsse jedoch mit den entsprechenden von DAU 1 verbunden sind. So liegt z.B. der Drain-Anschluß des FET TB1 nicht an dem Verbindungspunkt zwischen den entsprechenden Anschlüssen der Spannungsteiler transistoren TS1 und TS2, sondern an dem Verbindungspunkt der Anschlüsse der nächsthöheren Schalt schwelle zwischen den Transistoren im Spannungsteiler TS2 und TS3. Entsprechend liegt der Drain-Anschluß des FET TB2 an der nächsthöheren Schaltschwelle, also an der Verbindungsstelle zwischen den Anschlüssen der Spannungsteilertransistoren TS3 und TS4.
  • Die Ausgänge der beiden Differenzverstärker sind nun nicht wie bei dem Differenzverstärker OP1 in Fig. 1 der älteren Anmeldung nach P 29 24 746.9 auf Masse bezogen, sondern frei, die beiden negativen Ausgänge Jedoch verbunden.
  • Der zweite Differenzverstärker D2 schafft an seinen Ausgängen zwei neue Bezugsspannungsquellen: Am positiven Ausgang A die mit UB2 bezeichnete Bezugsspannungsquelle und am negativen Ausgang mit der Klemme B die mit UB4 bezeichnete Bezugsspannungsquelle. Zwischen diesen beiden Bezugsspannungsquellen sind die mit ihren Drain- und Source-Anschlüssen in Reihe geschalteten Transistoren T21, T22 bis T36 als Spannungsteiler geschaltet, der an seinen Abgriffen die Schwellwertspannungen für die vergleichenden Differenzverstärker der Feinumwandlungsstufe liefert. Die Gate-Anschlüsse S27 bis S36 können wie in der älteren Anmeldung P 29 24 746.9 für S1 bis Si5 beschrieben von der dort angeführten Fehlerkorrekturschaltung angesteuert werden. Der Spannungsteiler kann auch aus Widerständen bestehen.
  • Damit gibt der Differenzverstärker D2 die Schwellwertspannungen für die Feineinstellungsstufe vor.
  • Da der negative Ausgang B des Differenzverstärkers D1 mit dem negativen Ausgang des Differenzverstärkers D2 und somit mit der "unteren" Bezugsspannungsquelle UB4 verbunden ist, bezieht sich der positive Ausgang C des Differenzverstärkers D1, also das analoge Eingangssignal der Feinumwandlungsstufe, auf den Fußpunkt des Spannungsteilers in der Feinumwandlungs- stufe. Zwischen positivem C und negativem Ausgang B des Differenzverstärkers D1 wird ein Lastwiderstand R geschaltet, dessen Größe dem Summenwiderstand des Spannungsteilers entspricht; dadurch sind die Ausgänge der beiden Differenzverstärker gleich belastet.
  • Durch Einsatz der beiden Differenzverstärker D1 und D2 gelingt es, die Referenzspannungen für den Feinkonverter abhängig von dem Verstärkungsgrad der Differenzverstärker zu machen, von dem Ja auch die Höhe des Eingangssignals für den Feinkonverter abhängt.
  • Fig. 2 zeigt die wesentlichen Signale eines Analog-Digital-Umwandlers als Funktion der Zeit. Als analoges Eingangssignal an der Eingangsklemme E wird die ansteigende Flanke einer Dreiecks-Spannung angenommen bzw. betrachtet. Sie ist in der Fig. 2 mit E bezeichnet. Die Treppenkurve DA1 zeigt den zugehörigen Verlauf des an den negativen Eingängen der beiden Differenzverstärker D1 und D2 anliegenden analogen Signals (= Ausgangssignal des DAU 1). Die Treppenkurve DA2 zeigt den zugehörigen Verlauf des Ausgangssignals DAU 2.
  • In der nachfolgenden Fig. 3 sind die Signalverläufe an den Ausgängen der Flip-Flops F1 bis F15 aufgezeichnet. Mit Q ist der nicht invertierte Ausgang bezeichnet, der dem Eingang direkt folgt, mit der invertierte Ausgang des Jeweiligen Flip-Flops.
  • Die folgenden Zeilen in Fig. 3 geben die Signale an den Ausgängen der Verknüpfungsgatter an; in ihnen ist das Eingangssignal im l-aus-16-Code dargestellt. Diese Signale wirken auch auf die Gates der beiden Digital-Analog-Umwandler-Stufen DAU 1 und DAU 2 und auf die Eingänge des ROM der Grobumwandlungsstufe. Die Zeilen b7 bis b4 stellen den Ausgang des ROMS dar (siehe Fig. 4).
  • Ni zeigt den Spannungsverlauf der Differenz der Eingangssignale am Differenzverstärker D1, E2 das verstärkte Ausgangssignal dieses Differenzverstärkers auf die Bezugsspannungsqulle UB4 bezogen. E2 dient als Eingangssignal für die Feinumwandlungsstufe und wird in dieser wie E in der Grobumwandlungsstufe mit entsprechenden Schwellwertspannungen verglichen und digital gewandelt (siehe Fig. 4).
  • Zwischen der Darstellung von N1 und E2 ist eine Zeitdehnung vorgenommen worden.
  • D1 und D2 können beliebige Verstärkung haben; wenn sie nur untereinander gleich sind - dies ist leicht zu erreichen, da sie bei einer Integration- - dicht nebeneinander auf einem IC liegen - liegt E2 immer richtig zwischen UB4 und UB2, also im Bereich der Schwellwertspannungen der Feinumwandlungsstufe.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE: Q Schaltungsanordnung für einen Analog-Digital-Umwandler nach dem Pipelineprinzip mit einer Grobumwandlungs- und einer nachgeschalteten Feinumwandlungsstufe, in denen das analoge Eingangs signal Jeweils mit Schaltschwellenspannungen verglichen wird und zeitlich nacheinander abgetastet Jeweils als digitales Ausgangssignal am Jeweiligen Ausgang abnehmbar ist, die Schaltschwellenspannungen Jeweils mit Hilfe eines zwischen zwei Bezugsspannungen angeordneten Spannungsteilers erzeugt werden urid für Jede Schaltschwelle ein das Eingangs signal mit der zugehörigen Schaltschwellenspannung vergleichender Differenzverstärker mit vor- oder nachgeschaltetem getaktetem Speicher und danach eine Verkndpfungsschaltung angeordnet sind, an deren Ausgang das digitale Ausgangssignal im 1-aus-n-Code abnehmbar und hinter den Verknüpfungsschaltungen der Grobumwandlungsstufe eine Digital-Analog-Umwandlungsstufe angeordnet ist, die ein dem digitalen Wert zu einem bestimmten Zeitpunkt entsprechendes analoges Signal an eine Differenzverstärkerstufe liefert, der weiterhin das analoge Eingangssignal verzögert zugeführt wird und die das analoge Eingangssignal für die Feinumwandlungsstufe liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzverstärkerstufe aus einem ersten und einem zweiten Jeweils zwei symmetrische Ausgänge aufweisenden Differenzverstärkern (D1 und D2) mit gleichem absoluten Verstärkungsgrad besteht, die beiden negativen Ausgänge (Punkt B) dieser Differenzverstärker (D1 und D2) miteinander verbunden und sowohl an den unteren Fußpunkt des Spannungsteilers (T21 bis T36) der Feinumwandlungsstufe (FADU) als auch über einen Lastwiderstand (R) an den positiven Ausgang (Punkt C) des ersten Differenzverstärkers (D1) und dieser postive Ausgang (Punkt C) an alle negativen oder positiven Eingänge der vergleichenden Differenzverstärker (K21 bis K36) der Feinumwandlungsstufe (FADU) angeschlossen sind, weiterhin der positive Ausgang (Punkt A) des zweiten Differenzverstärkers (D2) an dem oberen Anschluß des Spannungsteilers (Drain-Anschluß von T36) und an den verbleibenden Eingang des oberen vergleichenden Differenzverstärkers (K36) angeschlossen ist, ferner der invertierende Eingang des ersten (D1) sowohl mit dem invertierenden Eingang des zweiten (D2) Differenzverstärkers als auch mit den Analogausgängen (Source-Anschlüsse von TO bis T15) einer ersten Digital-Analog-Umwandlungsstufe (TO bis T15) in der Grobumwandlungsstufe (GADU/DAU), der nicht invertierende Eingang des ersten Differenzverstärkers (D1) huber eine Verzögerungsstufe (tal) mit der Eingangsklemme (E).und der nicht invertierende Eingang des zweiten Differenzverstärkers (D2) mit den Analogausgängen (Source-Anschlüssen von TB1 bis TB15) einer zweiten hinter den Verknüpfungsschaltungen (G1 bis G14) der Grobumwandlungsstufe (GADU/DAU) angeordneten Digital-Analog-Umwandlungsstufe (TB1 bis TB15) verbunden sind.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Referenzeingänge (Drain-Anschlüsse) der zweiten Digital-Analog-Umwandlungsstufen (TB1 bis TB15) an der jeweils nächsthöheren Schaltschwellenspannung angeschlossen sind.
  3. 3. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Lastwiderstandes (R) gleich dem Wert des Summenwiderstandes des Spannungsteilers (T21 bis T36) des Feinkonverters (FADU) ist.
DE19792940228 1979-10-04 1979-10-04 Schaltungsanordnung fuer einen analog-digital-umwandler nach dem pipelineprinzip mit einer grobumwandlungs- und einer nachgeschalteten feinumwandlungsstufe Granted DE2940228A1 (de)

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