DE4435428A1 - Analog/Digital-Wandler - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Ana­ log/Digital-Wandler zum Umsetzen eines analogen Signals in ein digitales Signal.

Im Stand der Technik sind allgemein Analog/Digital- Wandler (nachfolgend in Kurzform auch als A/D-Wandler be­ zeichnet) bekannt, die nach dem Prinzip des Rückkopplungs- Vergleichs oder der sukzessiven Approximation arbeiten, so­ wie solche, die nach dem Prinzip des rückkopplungsfreien Vergleichs oder dem Parallelprinzip arbeiten. Ein nach dem Parallelprinzip arbeitender A/D-Wandler bestimmt alle Bit­ werte durch unmittelbaren bzw. sofortigen Vergleich einer zugeführten Analogspannung mit präzise geteilten Referenz­ spannungen. Ein nach dem Parallelprinzip arbeitender A/D- Wandler zeichnet sich durch eine hohe Wandlungsgeschwindig­ keit aus, da die genannten Referenzspannungen zur Verfügung stehen, die statisch präzise geteilt sind. Jedoch ist hier­ für eine Schaltungsanordnung erforderlich, die eine Viel­ zahl von Vergleichsschaltungen und eine Vielzahl weiterer Elemente erfordert. In Fig. 6A ist anhand eines Blockschalt­ bilds der prinzipielle Aufbau eines herkömmlichen, nach dem Parallelprinzip arbeitenden A/D-Wandlers gezeigt, der als Ausgangssignal zwei Bits ausgibt. In diesem Fall hat die erzielbare Auflösung den Wert vier. Wie aus Fig. 6A her­ vorgeht, weist dieser Wandler vier Widerstände R21, R22, R23 und R24 auf, die in Reihe verbunden sind. Die an den Verbindungspunkten zwischen diesen Widerständen anliegenden Spannungen VZ1, VZ2 und VZ3 werden jeweiligen invertieren­ den Eingängen von drei Komparatoren 21 bis 23 als jeweilige Referenzspannungen zugeführt. Das (digitale) Ausgangssignal dieses herkömmlichen A/D-Wandlers wird mittels einer Logik­ schaltung durch die jeweiligen Werte der Ausgangssignale der Komparatoren 21 bis 23 festgelegt. In Fig. 6B ist eine Wahrheitstabelle dieses herkömmlichen A/D-Wandlers darge­ stellt. Die Referenzspannungen VZ1, VZ2 und VZ3 werden durch die Widerstandswerte der jeweiligen Widerstände R21 bis R24 und den Wert einer Versorgungsspannung Vcc festge­ legt. Mit diesem herkömmlichen A/D-Wandler ist eine hohe Wandlungsgeschwindigkeit erzielbar. Jedoch tritt hier das Problem auf, daß eine Erhöhung der Auflösung eine entspre­ chende Erhöhung der Anzahl von Vergleichsschaltungen sowie der Anzahl der Widerstände zum Erzeugen der Referenzspan­ nungen erforderlich macht, wobei die Wandlungsgenauigkeit bei einer Erhöhung der Auflösung abnimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ana­ log/Digital-Wandler zu schaffen, mit dem bei geringstmögli­ chem Schaltungsaufwand eine hohe Wandlungsgeschwindigkeit und eine gute Wandlungsgenauigkeit erzielbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Die Erfindung schlägt demgemäß einen Analog/Digital- Wandler zum Umwandeln eines (analogen) Spannungssignals in ein n-Bit-Digitalsignal vor, der folgende Merkmale umfaßt: Eine Vergleichsschaltung, die erste bis n-te Stufen von Komparatoren aufweist, die eine Tandem- bzw. Doppelstruktur besitzen und auf ein zugeführtes Spannungssignal anspre­ chen, wobei die ersten bis n-ten Stufen von Komparatoren unter Verwendung von jeweiligen ersten und zweiten bis n­ ten Referenzspannungen n-Bit-Vergleichsergebnisse derart ausgeben, daß die n-Bit-Vergleichsergebnisse aufeinander­ folgend aus einem höherwertigen Bit bestimmt werden; sowie eine Referenzspannungs-Umschaltschaltung, welche die n Re­ ferenzspannungen derart erzeugt, daß eine der n Referenz­ spannungen in Übereinstimmung mit einem Teil der n-Bit-Ver­ gleichsergebnisse von vorhergehenden Stufen der n Stufen von Komparatoren geändert wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Analog/Digital-Wandler ändert die Referenzspannungs-Umschaltschaltung eine der zweiten bis n-ten Referenzspannungen derart, daß die zweiten bis n-ten Referenzspannungen erhöht werden, wenn eine erste Stufe der Komparatoren den Wert "1" ausgibt, während sie die zweiten bis n-ten Referenzspannungen dann verkleinert, wenn die erste Stufe der Komparatoren den Wert "0" ausgibt.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Refe­ renzspannungs-Umschaltschaltung des erfindungsgemäßen Ana­ log/Digital-Wandlers folgende Merkmale auf: Erste und zwei­ te bis n-te Spannungsteilerschaltungen, wobei jede Span­ nungsteilerschaltung eine Vielzahl von Widerständen auf­ weist; sowie erste bis (n-1)-te Stufen von Umschaltschal­ tungen, die die Spannungsverbindungspunkte in der jeweili­ gen zweiten bis n-ten Spannungsteilerschaltung steuern. Darüberhinaus ist vorgesehen, daß die n-te Spannungsteiler­ schaltung der ersten und zweiten bis n-ten Spannungsteiler­ schaltungen eine Versorgungsspannung in 2^m Spannungsberei­ che aufteilt, wobei m eine natürliche Zahl ist, die der Be­ dingung m n gehorcht. Darüberhinaus spricht eine der er­ sten bis (n-1)-ten Stufen der Umschaltschaltungen auf einen Teil der n-Bit-Vergleichsergebnisse der vorhergehenden Stufe der ersten bis n-ten Stufen von Komparatoren an. Wei­ terhin weist eine der ersten bis (n-1)-ten Stufen von Um­ schaltschaltungen einen Inverter auf, der auf mindestens eines der n-Bit-Vergleichsergebnisse der vorhergehenden Stufe der ersten bis n-ten Stufen von Komparatoren an­ spricht.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dar­ überhinaus mit einem Analog/Digital-Wandler gelöst, der folgende Merkmale umfaßt: Erste bis n-te Komparatoren, die eine Tandemstruktur aufweisen, zum Vergleichen eines Ein­ gangs-Spannungssignals mit jeweiligen ersten bis n-ten Re­ ferenzspannungen und zum Ausgeben von jeweiligen ersten bis n-ten Ausgangsbits, wobei n eine natürliche Zahl größer als eins ist und wobei der erste Komparator das höchstwertige Bit des ersten Ausgangsbits ausgibt; eine erste Referenz­ spannungs-Erzeugungsschaltung zum Erzeugen der ersten Refe­ renzspannung; sowie zweite bis n-te Referenzspannungs-Er­ zeugungsschaltungen zum Erzeugen der zweiten bis n-ten Re­ ferenzspannungen, wobei die p-ten Referenzspannungen in Übereinstimmung mit Ausgangssignalen der ersten bis (p-1)­ ten Komparatoren erzeugt werden und wobei p eine natürliche Zahl ist, die der Bedingung 1<p<n gehorcht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeich­ nung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 anhand eines Blockschaltbilds den prinzipiellen Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsge­ mäßen Analog/Digital-Wandlers, der ein zwei Bit breites Ausgangssignal erzeugt;

Fig. 2 anhand eines Blockschaltbilds den prinzipiellen Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels des Ana­ log/Digital-Wandlers, der ein drei Bit breites Ausgangssi­ gnal erzeugt;

Fig. 3 anhand einer Tabelle die Beziehung zwischen einer Spannung des Eingangssignals und den Ausgangssignalen bei dem Analog/Digital-Wandler des zweiten Ausführungsbei­ spiels, wobei ferner Gleichungen zum Ermitteln von Refe­ renzspannungen beim zweiten Ausführungsbeispiel angegeben sind;

Fig. 4 anhand eines Blockschaltbilds ein drittes Ausfüh­ rungsbeispiel des Analog/Digital-Wandlers, bei dem ein vier Bit breites Digitalsignal erzeugt wird;

Fig. 5 anhand einer Tabelle die Beziehung zwischen einer Spannung des Eingangssignals und den Ausgangssignalen des dritten Ausführungsbeispiels des Analog/Digital-Wandlers;

Fig. 6A anhand eines Blockschaltbilds einen herkömmli­ chen, nach dem Parallelprinzip arbeitenden Analog/Digital- Wandler, bei dem ein zwei Bit breites Ausgangssignal er­ zeugt wird; und

Fig. 6B eine Wahrheitstabelle dieses herkömmlichen Ana­ log/Digital-Wandlers.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 zunächst ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläu­ tert.

In Fig. 1 ist der grundsätzliche Aufbau bzw. die Struk­ tur dieses ersten Ausführungsbeispiels des Analog/Digital- Wandlers, bei dem ein zwei Bit breites Ausgangssignal er­ zeugt wird, anhand eines Blockschaltbilds dargestellt. Wie aus diesem Bockschaltbild hervorgeht, weist dieser Ana­ log/Digital-Wandler einen ersten Spannungsteiler D1 auf, der Widerstände R1 und R2 enthält, die den gleichen Wider­ standswert aufweisen und in Reihenschaltung zwischen einer Versorgungsspannung Vcc und Masse geschaltet sind. An einem ersten Verbindungspunkt J1 zwischen diesen Widerständen liegt eine erste Referenzspannung mit einem Spannungswert VA2 an. Am nicht-invertierenden Eingang eines ersten Kompa­ rators 1 liegt eine Eingangs-Analogspannung aus einem Ein­ gangsanschluß IN an, während an seinem invertierenden Ein­ gang die Referenzspannung VA2 anliegt. Ein zweiter Span­ nungsteiler D2 weist Widerstände R3, R4 und R5 auf, die in Reihenschaltung zwischen der Versorgungsspannung Vcc und Masse angeordnet sind, wobei zwischen den Widerständen R3 und R4 ein zweiter Verbindungspunkt J2 und zwischen den Wi­ derständen R4 und R5 ein dritter Verbindungspunkt J3 vor­ liegt. Am einen Ende des Widerstands R3 liegt die Versor­ gungsspannung Vcc an und der zweite Verbindungspunkt J2 liefert eine zweite Referenzspannung, die den Spannungswert VA1 oder VA3 hat. Ein zweiter Komparator 2 empfängt an sei­ nem nicht-invertierenden Eingang aus dem Eingangsanschluß IN die analoge Eingangsspannung, während an seinem inver­ tierenden Eingang die zwischen den Widerständen R3 und R4 erzeugte zweite Referenzspannung aus dem zweiten Verbin­ dungspunkt J2 anliegt. Ein Inverter 3 inventiert ein Aus­ gangssignal des ersten Komparators 1. Die Basis eines als Schalter dienenden npn-Transistors T1 spricht auf ein Aus­ gangssignal des Inverters 3 an, sein Kollektor ist mit dem dritten Verbindungspunkt J3 zwischen den Widerständen R4 und R5 verbunden und sein Emitter ist an Masse angeschlos­ sen. Ein erster Puffer 4 puffert das Ausgangssignal des Komparators 1 und liefert ein der hohen Stelle entsprechen­ des Ausgangssignal, d. h. ein höchstwertiges Bit MSB, an seinem Ausgangsanschluß OUT1. Ein zweiter Puffer 5 puffert ein Ausgangssignal des zweiten Komparators 2 und liefert an seinem Ausgangsanschluß OUT2 ein der tiefen Stelle entspre­ chendes Ausgangssignal, d. h. ein niedrigstwertiges Bit LSB. Die erste Referenzspannung hat den halben Wert der Versor­ gungsspannung Vcc und die zweite Referenzspannung hat dann ein Viertel des Werts der Versorgungsspannung Vcc in Form der Spannung VA1 (=1/4 Vcc), wenn das Ausgangssignal des Komparators 1 niedrigpeglig ist (L), während sie dann drei Viertel des Werts der Versorgungsspannung Vcc in Form der Spannung VA3 (=3/4 Vcc) aufweist, wenn das Ausgangssignal des Komparators 1 hochpeglig ist (H).

Die den halben Wert der Versorgungsspannung Vcc aufwei­ senden erste Referenzspannung VA2 wird erhalten, indem die zwischen der Versorgungsspannung Vcc und Masse anliegende Spannung mittels der Widerstände R1 und R2 geteilt wird, wobei die Versorgungsspannung Vcc ausreichend größer als die zu bestimmende bzw. zu wandelnde analoge Eingangsspan­ nung ist. Die Versorgungsspannung Vcc wird folglich in Übereinstimmung mit einer Betriebsbedingung auf einen vor­ bestimmten Spannungswert eingestellt, wobei sich der Span­ nungswert der Referenzspannung VA2 aus folgender Gleichung ergibt:

V2 = R2 · Vcc/(R1+R2) (1)

Der Komparator 1 vergleicht die analoge Eingangsspan­ nung mit der ersten Referenzspannung VA2 (=1/2 Vcc) und gibt als Vergleichsergebnis am Ausgangsanschluß OUT1 ein dem Pegel H oder L aufweisendes Logiksignal als höchstwer­ tiges Bit MSB aus. Das Ausgangssignal MSB wird über den In­ verter 3 ferner dem Steuereingang einer Referenzspannungs- Umschaltschaltung 6 zugeführt, die den zweiten Spannungs­ teiler D2 und den Transistor D1 enthält, d. h., das Aus­ gangssignal MSB wird an die Basis des Transistors T1 ange­ legt, um die zweite Referenzspannung zwischen den Werten VA1 und VA3 hin- und herzuschalten. Die Referenzspannungs- Umschaltschaltung 6 liefert ein Viertel der Versorgungs­ spannung Vcc, d. h. die Spannung VA1, wenn das Ausgangssi­ gnal des Komparators 1 den Pegel L, da der als Schalter ar­ beitende Transistor T1 in diesem Fall beide Enden des Wi­ derstands R5 kurzschließt oder dadurch am Verbindungspunkt J3 im wesentlichen Massepotential herbeiführt. Wenn das Ausgangssignal des Komparators 1 demgegenüber den Pegel H hat, liefert die Referenzspannungs-Umschaltschaltung 6 drei Viertel der Versorgungsspannung Vcc, d. h. die Spannung VA3, wobei der Transistor T1 in diesem Fall zwischen seinem Kol­ lektor und Emitter, die mit entsprechenden Enden des Wider­ stands R5 verbunden sind, eine hohe Impedanz aufweist. Im einzelnen werden die Widerstandswerte der Widerstände R3 und R4 in der Weise festgelegt, daß am Verbindungspunkt J2 zwischen den Widerständen R3 und R4 ein Viertel der Versor­ gungsspannung Vcc, d. h. die Spannung VA1, geliefert wird, wenn das Ausgangssignal des Komparators 1 den Pegel L hat. Die Widerstandswerte der Widerstände R3 und R4 sollten hier unter Berücksichtigung der Spannungsdifferenz zwischen dem Kollektor und Emitter des Transistors T1 bestimmt werden, d. h. unter Berücksichtigung des Vorwärts-Spannungsabfalls des Transistors T1 oder der Sättigungsspannung V_CE(SAT) zwischen dem Kollektor und dem Emitter. Diese Sättigungs­ spannung V_CE(SAT) ist dann klein, wenn es sich bei dem Transistor T1 um einen Metalloxid-Halbleiter (MOS) handelt. Die Referenzspannung VA1 läßt sich daher durch folgende Gleichung ausdrücken:

VA1 = R4(Vcc-V_CE(T1))/(R3+R4) + V_CE(T1)T1 (2)

In der obigen Gleichung ist mit V_CE(T1) die Spannungs­ differenz zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Tran­ sistors T1 bezeichnet, die auftritt, wenn das Ausgangssi­ gnal des Komparators 1 den Pegel L hat. Die jeweiligen Werte der Widerstände R3 bis R5 werden darüberhinaus in der Weise festgelegt, daß am Verbindungspunkt J2 zwischen den Widerständen R3 und R4 drei Viertel der Versorgungsspannung Vcc, d. h. die Spannung VA3, geliefert wird, wenn das Aus­ gangssignal des Komparators 1 den Pegel H hat. Die Refe­ renzspannung VA3 läßt sich somit durch folgende Gleichung ausdrücken:

V3 = (R4+R5)Vcc/(R3+R4+R5) (3)

Mit anderen Worten, die Referenzspannungs-Umschalt­ schaltung 6 liefert dann ein Viertel der Versorgungsspan­ nung Vcc, wenn sich die analoge Eingangsspannung durch die digitalen Werte "00" und "01" ausdrücken läßt, während sie dann drei Viertel der Versorgungsspannung Vcc liefert, wenn sich die analoge Eingangsspannung in digitaler Form als "10" und "11" ausdrücken läßt. Die Puffer 4 und 5 sind zur Stabilisierung des Ausgangssignals dieses Analog/Digital- Wandlers vorgesehen und enthalten Halbleiterschaltungen aus komplementären Metalloxidhalbleitern (CMOS-Typ).

Die Referenzspannung VA2 beträgt die Hälfte des Werts der Versorgungsspannung Vcc und wird ausschließlich durch die Widerstandswerte der Widerstände R1 und R2 festgelegt. Mit anderen Worten, die Referenzspannung VA2 wird durch die Genauigkeit der Widerstände R1 und R2 bestimmt. Die Refe­ renzspannungen VA1 und VA3 betragen jedoch ein Viertel bzw. drei Viertel des Werts der Versorgungsspannung Vcc und wer­ den durch die Widerstandswerte der Widerstände R3 und R5 sowie durch den Vorwärts-Spannungsabfall V_CE(T1) des Tran­ sistors T1 festgelegt, da der Widerstand R5 größer als der Ein-Widerstand des Transistors T1 ist, so daß die Span­ nungsdifferenz am Widerstand R5 durch den Vorwärts-Span­ nungsabfall des Transistors T1 bestimmt wird, wenn der Transistor T1 eingeschaltet ist. Wenn der Transistor T1 demgegenüber ausgeschaltet ist, wird die Referenzspannung VA3 ausschließlich durch die Widerstandswerte der Wider­ stände R3 bis R5 festgelegt.

In Fig. 2 ist anhand eines Blockschaltbilds der prinzi­ pielle Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfin­ dungsgemäßen Analog/Digital-Wandlers gezeigt, bei dem ein drei Bit breites Ausgangssignal erzeugt wird.

Zusätzlich zu dem ein zwei Bit breites Ausgangssignal erzeugenden Analog/Digital-Wandler des ersten Ausführungs­ beispiels weist dieser ein drei Bit breites Ausgangssignal erzeugende Analog/Digital-Wandler einen Komparator 7 für das niedrigstwertige Bit LSB sowie eine Referenzspannungs- Umschaltschaltung 8 auf, die einen Inverter 9 und einen In­ verter 21 enthält.

Die Referenzspannungs-Umschaltschaltung 8 weist ferner einen Spannungsteiler D3 auf, der Widerstände R6 bis R9 enthält, die in Reihe zwischen die Versorgungsspannung Vcc und Masse geschaltet sind. Ein Ende des Widerstands R6 ist mit der Versorgungsspannung Vcc verbunden, während ein Ende des Widerstands R9 an Masse angeschlossen ist. Der Emitter eines als Schalter dienenden pnp-Transistors T3 ist mit der Versorgungsspannung Vcc verbunden, sein Kollektor ist an einen zwischen den Widerständen R6 und R7 befindlichen Ver­ bindungspunkt J4 angeschlossen und seine Basis ist mit dem Ausgang eines Inverters 21 verbunden, der das Ausgangssig­ nal des Komparators invertiert. Der Inverter 9 invertiert das Ausgangssignal des Komparators 1 und führt dieses in­ vertierte Signal der Basis eines npn-Transistors T2 zu, dessen Kollektor mit einem zwischen den Widerständen R8 und R9 befindlichen Verbindungspunkt J6 verbunden ist und des­ sen Emitter an Masse angeschlossen ist. Der nicht-invertie­ rende Eingang des Komparators 7 empfängt das analoge Ein­ gangssignal, während sein invertierender Eingang an einen zwischen den Widerständen R7 und R8 befindlichen Verbin­ dungspunkt J5 angeschlossen ist. Das Ausgangssignal des Komparators 7 wird über einen Puffer 11 an einem Ausgangs­ anschluß OUT3 als niedrigstwertiges Bit LSB ausgegeben.

Der Transistor T3 führt dem Verbindungspunkt J4 im we­ sentlichen die Versorgungsspannung Vcc zu, wenn das Aus­ gangssignal des Komparators 2 den Pegel H hat, und der Transistor T2 legt den Verbindungspunkt J6 auf Massepoten­ tial, wenn das Ausgangssignal des Komparators 1 den Pegel L hat. Die Vorwärts-Spannungsabfälle der Transistoren T2 und T3 werden hier vernachlässigt.

In Fig. 3 sind eine Tabelle, in der die Beziehung zwi­ schen der jeweiligen Spannung des analogen Eingangssignals und den Ausgangssignalen OUT1 bis OUT3 dargestellt ist, so­ wie Gleichungen gezeigt, mit denen sich die Beziehungen zwischen den Referenzspannungen und den Werten der Wider­ stände R3 bis R9 beim zweiten Ausführungsbeispiel bestimmen lassen. Im vorliegenden Fall wird beispielsweise angenommen, daß die Versorgungsspannung Vcc 8 Volt beträgt. Die Refe­ renzspannungen VB1 bis VB7 haben dann entsprechende Span­ nungswerte zwischen 1 und 7 Volt. Wenn die Spannung des analogen Eingangssignals zwischen 0 und 1 Volt liegt, haben alle Ausgangssignale OUT1 bis OUT3 den Pegel L. Wenn die Spannung des analogen Eingangssignals zwischen 4 und 5 Volt liegt, hat das Ausgangssignal OUT1 den Pegel H und die Aus­ gangssignale OUT2 und OUT3 haben den Pegel L. Wenn die Spannung des analogen Eingangssignals zwischen 7 und 8 Volt liegt, haben alle Ausgangssignale den Pegel H. Das analoge Eingangssignal wird auf die dargestellte Weise in ein drei Bit breites Digitalsignal umgewandelt.

In Fig. 4 ist anhand eines Blockschaltbilds ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Analog/Digital- Wandlers gezeigt, bei dem ein vier Bit breites Digitalsi­ gnal erzeugt wird.

Dieser Vier-Bit-Analog/Digital-Wandler enthält zusätz­ lich zu dem ein drei Bit breites Digitalsignal erzeugenden Analog/Digital-Wandler des zweiten Ausführungsbeispiels ei­ ne Referenzspannungs-Umschaltschaltung 15 und einen Kompa­ rator 13 zur Erzeugung des niedrigwertigen Bits LSB.

Die Referenzspannungs-Umschaltschaltung 15 weist einen Spannungsteiler D4 auf, der Widerstände R10 bis R14 ent­ hält, die in Reihe zwischen die Versorgungsspannung Vcc und Masse geschaltet sind. An einem Ende des Widerstands R10 liegt die Versorgungsspannung Vcc an und an einem Ende des Widerstands R14 liegt Masse an. Der Emitter eines als Schalter dienenden pnp-Transistors T6 ist mit der Versor­ gungsspannung Vcc verbunden, sein Kollektor ist mit einem zwischen den Widerständen R10 und R11 befindlichen Verbin­ dungspunkt J6 verbunden und seine Basis ist an den Ausgang des Komparators 2 angeschlossen. Ein Inverter 12 invertiert das Ausgangssignal des Komparators 7 und führt das inver­ tierte Signal der Basis eines npn-Transistors T5 zu, dessen Kollektor mit einem zwischen den Widerständen R12 und R13 befindlichen Verbindungspunkts J9 verbunden ist und dessen Emitter an Masse anliegt. Der Kollektor eines npn-Transi­ stors T4 ist mit einem zwischen den Widerständen R13 und R14 befindlichen Verbindungspunkts J10 verbunden, sein Emitter liegt an Masse und seine Basis ist an den Ausgang des Inverters 3 angeschlossen. Der Komparator 13 empfängt an seinem nicht invertierenden Eingang das analoge Ein­ gangssignal und ist mit seinem invertierenden Eingang an einen zwischen den Widerständen R11 und R12 befindlichen Verbindungspunkt J8 angeschlossen. Das Ausgangssignal des Komparators 13 wird über einen Puffer 14 an einem Ausgangs­ anschluß OUT4 als niedrigstwertiges Bit LSB ausgegeben.

Der Transistor T6 führt dem Verbindungspunkt J7 im we­ sentlichen die Versorgungsspannung Vcc zu, wenn das Aus­ gangssignal des Komparators 2 den Pegel H hat, und der Transistor T5 legt den Verbindungspunkt J9 auf Massepoten­ tial, wenn das Ausgangssignal des Komparators 7 den Pegel L hat. Der Transistor T4 bringt den Verbindungspunkt J10 auf Massepotential, wenn das Ausgangssignal des Komparators 1 den Pegel L hat. Der jeweilige Vorwärts-Spannungsabfall der Transistoren T1 bis T6 wird hier vernachlässigt.

In Fig. 5 ist anhand einer Tabelle die Beziehung zwi­ schen dem jeweiligen Wert des analogen Eingangssignals und den Ausgangssignalen des Analog/Digital-Wandlers dieses dritten Ausführungsbeispiels dargestellt. Hier ist bei­ spielsweise angenommen, daß die Versorgungsspannung Vcc ei­ ne Spannung von 16 Volt aufweist. Die Referenzspannungen VC1 bis VC15 weisen entsprechend Spannungswerte von 1 bis 15 Volt auf. Wenn der Spannungswert der analogen Eingangs­ spannung zwischen 0 und 1 Volt liegt (VC1-0), haben alle Ausgangssignale OUT1 bis OUT4 den Pegel L. Wenn der Span­ nungspegel des analogen Eingangssignals demgegenüber zwi­ schen 8 und 9 Volt liegt (VC9-VC8), hat das Ausgangssignal OUT1 den Pegel H und die Ausgangssignale OUT2 bis OUT4 ha­ ben den Pegel L. Wenn der Pegel des analogen Eingangssig­ nals zwischen 15 und 16 Volt liegt (Vcc-VC15), haben alle Ausgangssignale den Pegel H. Die analoge Eingangsspannung wird daher entsprechend in ein vier Bit breites Digitalsig­ nal umgewandelt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die die Beziehung zwischen den Widerstandswerten und den Referenzspannungen angebenden Gleichungen ausgelassen. Die Widerstandswerte der Widerstände R10 bis R14 können jedoch auf ähnliche Weise wie beim ersten und zweiten Ausführungsbeispiel be­ stimmt werden. Es wird hier schwierig, die jeweiligen Kom­ binationen der Widerstände mit zunehmender Anzahl der Bits zu bestimmen. Darüberhinaus sollte der Vorwärts-Spannungs­ abfall berücksichtigt werden. Es ist jedoch möglich, die Widerstände R1 bis R14 durch Ausbildung von (nicht gezeig­ ten) Trimmwiderständen zu trimmen bzw. einem Feinabgleich zu unterziehen, wenn die Schaltung des Analog/Digital-Wand­ lers mittels eines Photolithographieverfahrens ausgebildet wird, so daß die gewünschten Referenzspannungen auf einfa­ che Weise erzielt werden können.

Erfindungsgemäß wird somit selbst bei einer Erhöhung des Meßbereichs des Analog/Digital-Wandlers eine präzise Bestimmung der analogen Eingangsspannung ermöglicht. Wei­ terhin wird mit der Erfindung ein Analog/Digital-Wandler geschaffen, der weniger Schaltungselemente als ein herkömm­ licher Analog/Digital-Wandler aufweist. Das heißt, die An­ zahl von Transistoren und Widerständen (die Anzahl von Gat­ tern) zum Herstellen des Analog/Digital-Wandlers gemäß dem erstem, zweiten und dritten Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung kann um ungefähr 40% im Vergleich zu einem herkömmli­ chen Analog/Digital-Wandler verringert werden. Darüberhin­ aus beträgt die Auflösung in der ersten Stufe der Ver­ gleichsschaltung, d. h. des Komparators 1, die Hälfte bis ein Viertel derjenigen eines herkömmlichen Analog/Digital- Wandlers, so daß der Störabstand in der ersten Stufe der Vergleichsschaltung ungefähr das Doppelte desjenigen eines herkömmlichen Analog/Digital-Wandlers beträgt. Die Bedeu­ tung dieses erhöhten Störabstands liegt hier darin, daß dann, wenn über die analoge Eingangsspannung ein Störimpuls zugeführt wird, dessen Dauer einer Verzögerungszeit in der ersten Vergleichsschaltung und deren Ausgabeelementen, d. h. dem jeweiligen Inverter und den Transistoren T2 und T5, entspricht oder kleiner als diese ist, der erfindungsgemäße Analog/Digital-Wandler durch diesen Störimpuls nicht nega­ tiv beeinflußt wird.

Gemäß vorstehender Beschreibung schlägt die Erfindung somit einen Analog/Digital-Wandler vor, der folgende Ein­ richtungen aufweist: erste bis n-te Komparatoren 1, 2, 7 und 13, die eine Tandemstruktur aufweisen, zum Vergleichen des Eingangs-Spannungssignals mit jeweiligen ersten bis n-ten Referenzspannungen und zum Ausgeben jeweiliger erster bis n-ter Bit-Ausgangssignale, wobei n eine natürliche Zahl größer als eins ist und wobei der erste Komparator 1 das höchstwertige Bit als erstes Bit-Ausgangssignal OUT1 aus­ gibt; eine erste Referenzspannungs-Erzeugungsschaltung T1, die Widerständer R1 und R2 zum Erzeugen der ersten Refe­ renzspannung aufweist; sowie zweite bis n-te Referenzspan­ nungs-Erzeugungsschaltungen (-Umschaltschaltungen) 8 und 15 zum Erzeugen der zweiten bis n-ten Referenzspannungen, wo­ bei die p-ten Referenzspannungen in Übereinstimmung mit Ausgangssignalen des ersten bis (p-1)-ten Komparators 1, 2 und 7 erzeugt werden, wobei p eine natürliche Zahl ist, die der Beziehung 1<p<n genügt.

Claims (9)

1. Analog/Digital-Wandler zum Umwandeln eines Span­ nungssignals in ein n-Bit-Digitalsignal, mit:
einer Vergleichsschaltung, die erste bis n-te Stufen von Komparatoren (1, 2, 7, 13) aufweist, die eine Tandem­ struktur besitzen und auf ein Eingangs-Spannungssignal an­ sprechen, wobei die ersten bis n-ten Stufen der Komparato­ ren n-Bit-Vergleichsergebnisse unter Verwendung jeweiliger erster und zweiter bis n-ter Referenzspannungen derart aus­ geben, daß die n-Bit-Vergleichsergebnisse aufeinenderfol­ gend aus einem höheren Bit bestimmt werden; und
einer Referenzspannungs-Umschaltschaltung (6, 8, 15) für eine derartige Erzeugung der n Referenzspannungen, daß eine der n Referenzspannungen in Übereinstimmung mit einem Teil der n-Bit-Vergleichsergebnisse vorhergehender Stufen der n Stufen der Komparatoren geändert wird.

2. Analog/Digital-Wandler nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Referenzspannungs-Umschaltschaltung (6, 8, 15) die genannte eine der zweiten bis n-ten Refe­ renzspannungen derart ändert, daß die zweiten bis n-ten Re­ ferenzspannungen erhöht werden, wenn eine erste Stufe der Komparatoren den Wert "1" ausgibt, und daß die zweiten bis n-ten Referenzspannungen herabgesetzt werden, wenn die er­ ste Stufe der Komparatoren den Wert "0" ausgibt.

3. Analog/Digital-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Referenzspannungs-Umschalt­ schaltung (6, 8, 15) erste und zweite bis n-te Spannungs­ teilerschaltungen (T1, T2, T3, T4), von denen jede eine Vielzahl von Widerständen aufweist, sowie erste bis (n-1)­ te Stufen von Umschaltschaltungen aufweist, die jeweilige Spannungsverbindungspunkte in den zweiten bis n-ten Span­ nungsteilerschaltungen steuern.

4. Analog/Digital-Wandler nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die n-te Spannungsteilerschaltung der er­ sten und zweiten bis n-ten Spannungsteilerschaltungen eine Versorgungsspannung in Spannungsbereiche von 2^m unterteilt, wobei m eine natürliche Zahl ist und der Bedingung m n gehorcht.

5. Analog/Digital-Wandler nach Anspruch 3 oder 4, da­ durch gekennzeichnet, daß eine der ersten bis (n-1)-ten Stufen von Umschaltschaltungen auf einen Teil der n-Bit- Vergleichsergebnisse der vorhergehenden Stufe der ersten bis n-ten Stufen von Komparatoren anspricht.

6. Analog/Digital-Wandler nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die genannte eine der ersten bis (n-1)­ ten Stufen von Umschaltschaltungen weiterhin einen Inverter aufweist, der auf mindestens eines der n-Bit-Vergleichser­ gebnisse der vorhergehenden Stufe der ersten bis n-ten Stu­ fen von Komparatoren anspricht.

7. Analog/Digital-Wandler, mit:
ersten bis n-ten Komparatoren mit einer Tandemstruk­ tur, die ein Eingangs-Spannungssignal mit jeweiligen ersten bis n-ten Referenzspannungen vergleichen und jeweilige er­ ste bis n-te Bit-Ausgangssignale ausgeben, wobei n eine na­ türliche Zahl größer als eins ist und wobei der erste Kom­ parator ein höchstwertiges Bit als erstes Bit-Ausgangssi­ gnal ausgibt;
einer Referenzspannungs-Erzeugungsschaltung zum Erzeu­ gen der ersten Referenzspannung; und
zweiten bis n-ten Referenzspannungs-Erzeugungsschaltun­ gen zum Erzeugen der zweiten bis n-ten Referenzspannungen, wobei p-te Referenzspannungen in Übereinstimmung mit Aus­ gangssignalen der ersten bis (p-1)-ten Komparatoren erzeugt werden, wobei p eine natürliche Zahl ist, die der Bedingung 1<p<n genügt.

8. Analog/Digital-Wandler, mit:
einem ersten Spannungsteiler, der in Reihe zwischen ei­ ne Versorgungsspannung (Vcc) und Masse geschaltete Wider­ stände (R1, R2) aufweist, zwischen denen ein erster Verbin­ dungspunkt zur Zufuhr einer ersten Referenzspannung liegt,
einem ersten Komparator mit einem ersten Eingang, der eine analoge Eingangsspannung empfängt, und einem zweiten Eingang, der die erste Referenzspannung empfängt,
einem zweiten Spannungsteiler, der in Reihe zwischen die Versorgungsspannung (Vcc) und Masse geschaltete Wider­ stände (R3, R4, R5) aufweist, wobei zwischen zweien dieser Widerstände (R3, R4) ein zweiter Verbindungspunkt und zwi­ schen zwei weiteren Widerständen (R4, R5) ein dritter Ver­ bindungspunkt liegt, wobei ein Ende eines Widerstands (R1) die Versorgungsspannung empfängt und wobei der zweite Ver­ bindungspunkt eine zweite Referenzspannung liefert,
einem zweiten Komparator mit einem dritten Eingang, der die analoge Eingangsspannung empfängt, und einem vierten Eingang, der aus dem zweiten Verbindungspunkt zwischen den zwei Widerständen (R3, R4) die zweite Referenzspannung emp­ fängt, und
einem Schalter, dessen Steuereingang auf ein Ausgangs­ signal des ersten Komparators anspricht, um ein Potential am dritten Verbindungspunkt zwischen den zwei anderen Wi­ derständen (R4, R5) zu steuern.

9. Analog/Digital-Wandler nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der erste Spannungsteiler den halben Wert der Versorgungsspannung liefert und der zweite Spannungs­ teiler den viertelten Wert der Versorgungsspannung lie­ fert, wenn das Ausgangssignal des Komparators (1) den Wert "0" hat, und den dreiviertelten Wert der Versorgungsspan­ nung liefert, wenn das Ausgangssignal des Komparators den Wert "1" hat.