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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Analog/Digital-Umsetzer und
insbesondere auf Analog/Digital-Umsetzer mit einer sehr hohen Betriebstaktfrequenz.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Herkömmliche
schnelle Analog/Digital-Umsetzer ("ADUs")
verwenden üblich
eine Vollflash-Architektur, bei der die Analog/Digitai-Umsetzung
unter Verwendung von etwa 2N Spannungskomparatoren parallel
ausgeführt
wird. Eine Eingangsspannung und Bruchteile einer Referenzspannung
werden gleichzeitig an jeden Komparator angelegt. Die Bruchteile
der Referenzspannung werden erhalten, indem die Referenzspannung
durch Widerstände
in gleiche Inkremente geteilt wird. Der Ausgang jedes Komparators
wird im Allgemeinen an einen Decoder angelegt, der solche Empfangseingänge in einen
die Eingangsspannung repräsentierenden
digitalen Mehrbitausgang decodiert.
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1 veranschaulicht
eine typische Konfiguration eines Abtast-/Halte-Flash-Umsetzers. Eine Abtast-/Halteschaltung 102 ist
mit einer Anordnung von Komparatoren 104 verbunden. Außerdem veranschaulicht 1 eine
Widerstandsleiter 106, die verwendet wird, um unterschiedliche
Schwellenspannungen für
die Komparatoranordnung 104 bereitzustellen. Allerdings
reduziert die Nichtlinearität
der Abtast-/Halteschaltung effektiv den Spannungsausgang der Abtast-/Halteschaltung.
Folglich können
im Ergebnis des Vergleichs des Ausgangs der Abtast-/Halteschaltung
und der Schwellenspannung von der Widerstandsleiter ungenaue Ergebnisse
erhalten werden. Somit repräsentiert
der Ausgang des Komparators nicht genau den Vergleich mit dem Ausgang
der Abtast-/Halteschaltung 102 und dem Schwellenwert von
der Widerstandsleiter.
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2 veranschaulicht
die Eingangs-Ausgangs-Charakteristik der oben beschriebenen Abtast-/Halteschaltung.
Wie veranschaulicht ist, ist die Eingangs-Ausgangs-Charakteristik nichtlinear.
Während
die Eingangsspannung erhöht
wird, nimmt die Ausgangsspannung mit einer langsameren Rate zu. Für Komparatoren
mit einer höheren
Schwellenspannung, beispielsweise mit einem 3-Volt- Eingang, kann der
zum Empfangen der 3 V als Eingabe von der Widerstandsleiter vorgesehene
Komparator die 3-Volt-Ausgabe von der Abtast-/Halteschaltung zum Aktivieren
des Komparators nicht empfangen. Wie veranschaulicht ist, gibt die
Abtast-/Halteschaltung wegen der nichtlinearen Charakteristik 2,5
V aus, nicht 3,0 V. Im Ergebnis ist der Ausgang des Komparators
ungenau, weil der Komparator 3 V von der Referenzleiter und die
Ausgangsspannung, d. h. 2,5 V, von dem Ausgang der Abtast-/Halteschaltung
vergleicht. Im Ergebnis wird der Komparator nicht wie vorgesehen
aktiviert. In der europäischen
Patentanmeldung
EP0849883 sind
mehrere Techniken zur Verbesserung von Abtast/Halte-A/D-Umsetzern beschrieben,
die die Bereitstellung einer zweiten Halteschaltung umfassen, so
dass die Verstärkerschaltungen
länger
ausregeln können,
während
eine Abtastung mit einer ersten Halteschaltung erfolgt, sowie die
Reduzierung des Leistungsverbrauchs wegen einer Verringerung der
Anzahl von Verstärkern,
die benötigt
werden, wenn eine Interpolation zwischen Abtastwerten verwendet
wird, die mit unterschiedlichen Referenzpegeln verglichen werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung schafft einen Analog/Digital-Umsetzer, wie
er in den Ansprüchen
dargestellt ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Für ein vollständigeres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung wird nun lediglich beispielhaft Bezug
genommen auf die folgende ausführliche
Beschreibung bestimmter einzelner und veranschaulichender Ausführungsformen
und ihre Merkmale und Aspekte anhand der Figuren der beigefügten Zeichnung,
in der:
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1 einen
ADU des Standes der Technik veranschaulicht;
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2 eine
Eingangs-Ausgangs-Charakteristik des ADU von 1 veranschaulicht;
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3 einen
ADU in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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4, 5 und 6 je
ein Ausgangsspektrum eines ADU veranschaulichen; und
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7 eine
alternative Ausführungsform
eines ADU gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER VORLIEGENDEN
ERFINDUNG
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3 veranschaulicht
einen Flash-Umsetzer der vorliegenden Erfindung und insbesondere eine
Abtast-/Halteschaltung 300 mit einem Ausgang, der mit Komparatoren 320, 322, 324, 326 und 328 gekoppelt
ist. Außerdem
umfasst der Flash-Umsetzer eine Widerstandsleiter mit einer Reihe
von Widerständen.
Während
in 3 Widerstände 330, 332, 334, 336 und 338 gezeigt
sind, kann irgendeine Anzahl von Widerständen in Übereinstimmung mit den Lehren
der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Genauer enthält die Widerstandsleiter
den Widerstand 338, der mit Masse gekoppelt ist, den Widerstand 330,
der mit dem anderen Ende des Widerstands 338 gekoppelt
ist, und den Widerstand 332, der mit dem anderen Ende des
Widerstands 330 gekoppelt ist. Der Widerstand 334 ist
mit dem anderen Ende des Widerstands 332 gekoppelt, wobei
der Widerstand 336 mit dem anderen Ende des Widerstands 334 gekoppelt
ist. Das andere Ende des Widerstands 336 kann mit einer
Referenzspannung VREF gekoppelt sein.
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Die
Abtast-/Halteschaltungen 302, 304, 306, 308 und 310 werden
als Kopie-Abtast-/Halteschaltungen
bezeichnet, weil sie hinsichtlich der Strom- und der Spannungscharakteristik
die gleichen Eigenschaften wie die Abtast-/Halteschaltung 300 besitzen.
Die Abtast-/Halteschaltung 302 ist zwischen der Referenzspannung
und dem Widerstand 336 angeschlossen und mit dem Eingang
des Komparators 320 verbunden. Die Abtast-/Halteschaltung 304 ist zwischen
dem Widerstand 336 und dem Widerstand 334 angeschlossen
und mit dem Komparator 322 verbunden. Die Abtast-/Halteschaltung 306 ist
zwischen dem Widerstand 334 und den Widerstand 332 angeschlossen
und mit dem Komparator 324 verbunden. Die Abtast-/Halteschaltung 308 ist
zwischen dem Widerstand 332 und dem Widerstand 330 angeschlossen
und mit dem Komparator 326 verbunden. Die Abtast-/Halteschaltung 310 ist
zwischen dem Widerstand 330 und dem Widerstand 338 angeschlossen
und mit dem Komparator 328 verbunden. Alle Abtast-/Halteschaltungen 302, 304, 306, 308 und 310 senken
die jeweiligen Schwellenwerte, die für die jeweiligen Komparatoren
erforderlich sind. Alle Abtast-/Halteschaltungen 302, 304, 306, 308 und 310 sind
Kopien der Abtast-/Halte schaltung 300. Diese Kopie-Abtast-/Halteschaltungen
können
konstruiert sein, indem die Kopie-Abtast-/Halteschaltung im Wesentlichen
kleiner als die Abtast/Halteschaltung 300, beispielsweise
um den Faktor 10, ausgeführt
ist. Folglich sind alle Abmessungen der Kopie-Abtast-/Halteschaltungen
um denselben Faktor verkleinert, was die zum Betreiben der Kopie-Abtast-/Halteschaltung
erforderliche Leistung reduziert. Infolgedessen weisen die Kopie-Abtast-/Halteschaltungen im
Wesentlichen dieselbe Nichtlinearität wie die Abtast-/Halteschaltung 300 auf.
Eine kleinere Abtast-/Halteschaltung spart Leistung. Der Begrenzungsfaktor
für diese
Kleinheit der Abtast-/Halteschaltung ist allerdings die Ausgangsimpedanz
des Reglers, die deutlich größer wird,
während
die Größe abnimmt,
was dazu führt,
dass die Eingangsimpedanz des Komparators inakzeptabel wird.
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Eine
Lösung
besteht darin, für
jeden Komparator eine zusätzliche
Abtast-/Halteschaltung oder eine Kopie zu haben. Diese weist jedoch
das Problem auf, eine große
Anzahl von Kopie-Abtast-/Halteschaltungen zu haben und folglich
daraus resultierend teuer zu sein. Bei dieser Lösung werden alle Spannungen
festgehalten, so dass sich der Schwellenwert entsprechend der Nichtlinearität der Abtast-/Halteschaltung 300 ändert. Allerdings
braucht die vorliegende Erfindung nicht auf die Platzierung einer
Kopie-Abtast-/Halteschaltung an jedem Eingang eines Komparators
eingeschränkt
zu sein. Für
Spannungsbereiche, wo der Ausgang der Abtast-/Halteschaltung 300 relativ
linear ist, ist es nicht notwendig, die Leiter mit einer Abtast-/Halteschaltung
festzuhalten. Der Ausdruck "festhalten" bedeutet, dass der Eingang
zu einem Komparator bei einer bestimmten Referenzspannung eine ihm
zugeordnete Kopie-Abtast-/Halteschaltung besitzt. Es ist möglich, die
Leiter lediglich an Punkten festzuhalten, wo sie nichtlinear ist.
Folglich wird die Widerstandsleiter an bestimmten Punkten festgehalten.
Eine solche Schaltung ist in 7 veranschaulicht.
Hier fehlen zwei Kopien oder Abtast-/Halteschaltungen. Wird die
Schaltung von 3 mit der Schaltung von 7 verglichen,
so fehlen die Kopieschaltungen 304 und 306. Außerdem sind
ein Widerstand 340, ein Widerstand 342 und ein Widerstand 344 hinzugefügt worden.
Der Widerstand 340 ist zwischen dem Ausgang der Abtast-/Halteschaltung 302 und
dem Eingang zum Komparator 320 angeschlossen, wobei das
andere Ende des Widerstands 340 zwischen dem Widerstand 336,
dem Widerstand 334 und dem Komparator 322 angeschlossen
ist. Der Widerstand 342 ist mit dem Ein gang des Komparators 322 verbunden.
Das andere Ende des Widerstands 342 ist zwischen dem Widerstand 334,
dem Widerstand 332 und dem Eingang zum Komparator 324 angeschlossen.
Außerdem
ist ein dritter Widerstand 344 zwischen den Widerständen 334 und 332 und
dem Eingang zum Komparator 324 angeschlossen, wobei das
andere Ende des Widerstands 344 zwischen dem Ausgang der
Abtast-/Halteschaltung 308 und dem Eingang des Komparators 326 angeschlossen
ist. Die Spannung zwischen dem Ausgang der Abtast-/Halteschaltung 302 und
der Abtast-/Halteschaltung 308 wird unter dem Widerstand
340, dem Widerstand 342 und dem Widerstand 344 entsprechend
den relativen Verhältnissen
des Widerstands geteilt.
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Ein
Weg zum Erlangen der Position, wo Kopie-Abtast-/Halteschaltungen
mit Komparatoren zu verwenden sind, besteht darin, über den
wirtschaftlichen Aspekt zu bestimmen, wie viele Kopie-Abtast-/Halteschaltungen
zulässig
sind, sowie daraufhin Komparatoren auszuwählen, die durch die Nichtlinearität der Abtast-/Halteschaltung
am stärksten
beeinflusst werden. Wo keine Kopie-Abtast/Halteschaltungen erforderlich
sind, können
die Komparatoren durch Interpolation bestimmt werden.
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4 zeigt
das Ausgangsspektrum eines 10-Bit-ADU mit einer nichtlinearen Abtast-/Halteschaltung.
Der Rauschabstand beträgt
etwa 37 dB hinsichtlich einer Sinuseingabe.
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5 zeigt
das Ausgangsspektrum eines 10-Bit-ADU, wenn die Referenz für die Komparatoranordnung
an vier Punkten festgehalten ist, d. h. mit vier Kopie-Abtast-/Halteschaltungen.
Das Rauschverhältnis
verbessert sich auf etwa 58 dB. Wenn acht Punkte mit 8 Kopie-Abtast-/Halteschaltungen
festgehalten werden, wie in 6 gezeigt
ist, beträgt
das Rauschverhältnis
61,5 dB, sehr nahe bei dem idealen Rauschverhältnis von 62,03 dB eines 10-Bit-Umsetzers
mit einer linearen Abtast-/Halteschaltung.