DE68914627T2 - Subtrahierer-Verstärkerschaltung für Kaskadenanalog-Digitalwandler. - Google Patents

Subtrahierer-Verstärkerschaltung für Kaskadenanalog-Digitalwandler.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Subtrahierverstärker, der in einen Analog-Digital-Wandler vom unterteilten Typ eingebaut ist. Diese Schaltung kann ein elektrisches Analogsignal in ein Digitalsignal mit hoher Genauigkeit und mit einer großen Anzahl von Bits umwandeln, trotz der Begrenzungen, die durch das begrenzte Auflösungsvermögen des Analog-Digital-Wandlers gegeben sind.
  • In allen bekannten Wandlern wird unabhängig von ihrem Prinzip das analoge Eingangssignal durch Vergleich mit Signalen bekannten "Gewichts" gewogen. Je höher die gewünschte Genauigkeit ist, d.h. je mehr Bits man am Ausgang wünscht, umso kleiner ist der konstante Abstand zwischen den Gewichten. Man erreicht eine Grenze, für die der Abstand, der die Empfindlichkeit oder das Auflösungsvermögen des Wandlers angibt, kleiner als die Kippspannung der Transistoren wird, die den Meßkreis bilden.
  • Um diese Grenze zu überschreiten, isolieren bekannte Wandler vom unterteilten Typ den Teil des Analogsignals, der kleiner als die Kippspannung ist, verstärken ihn und liefern die Bits geringeren Gewichts mit einer Genauigkeit, die auf andere Weise nicht erreichbar wäre. Dieses Betriebsschema entspricht dem des in der Druckschrift FR-A-2 189 938 beschriebenen Wandlers, aber die Ausführungseinzelheiten des Subtrahierkreises und des Verstärkers, die getrennt sind, sind anders und sind eher auf eine größere Umwandlungsgeschwindigkeit als auf eine größere Umwandlungsgenauigkeit gerichtet. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung dieser Druckschrift waren die komplementären Siliziumtransistoren nicht sehr schnell, aber recht genau, aufgrund einer geringen Fabrikationsstreuung. Mit modernen Transistoren aus GaAs oder anderen Materialien der Gruppe III-V, die eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit erlauben, verschiebt sich das Problem, da ihre Fabrikations-Streuung in manchen Fällen größer als die für die Umwandlung gewünschte Genauigkeit ist.
  • Die Erfindung betrifft die Schaltung, die diesen unteren Bruchteil des Analogsignals zu isolieren und in Binärsignale umzuwandeln vermag. Erfindungsgemäß gelangt das analoge Eingangssignal parallel an einen ersten Analog-Digital-Wandler und an einen Subtrahierverstärkerkreis. Dieser erste Analog-Digital-Wandler liefert alle Bits höheren Gewichts, für die es kein Empfindlichkeitsproblem der Transistoren gibt. Gleichzeitig jedoch gelangen diese Bits an den Subtrahierkreis, indem sie nach Umwandlung in ein analoges Signal mit dem analogen Eingangssignal verglichen werden. Die Differenz ist ein schwaches Signal, das verstärkt wird und die Umwandlung in ein Digitalsignal mit einem zweiten Analog-Digital-Wandler erlaubt, der die Bits geringeren Gewichts liefert.
  • Der Subtrahierverstärker besteht aus zwei parallelen Transistoren, deren gemeinsamer Drain von einer Quelle eines modulierbaren Stroms gespeist wird. Die Quelle modulierbaren Stroms besteht einerseits aus dem Strom entsprechend dem Eingangssignal und andererseits aus dem Strom entsprechend dem Ausgangssignal des ersten Analog-Digital-Wandlers, das in ein Analogsignal umgewandelt wurde. Diese beiden Ströme werden durch zwei parallele Transistoren subtrahiert, von denen der zweite einen höheren Verstärkungsgrad als der erste hat, wodurch sich die Verstärkung ergibt. Der Ausgang des Subtrahierverstärkers erfolgt über einen Ausgangsspannungsstabilisator. Das Ausgangssignal gelangt an einen zweiten Analog-Digital- Wandler, der die Bits niedrigeren Gewichts liefert.
  • Genauer genommen betrifft die Erfindung einen Subtrahierverstärker für einen Analog-Digital-Wandler, der ein analoges Eingangssignal in ein digitales Signal mit N Bits umwandelt und zwei Analog-Digital-Wandler in Kaskade enthält, von denen der erste die Bits höheren Gewichts N&sub1; und der zweite die Bits niedrigeren Gewichts N&sub2; des Signals mit N Bits liefert, dadurch gekennzeichnet, daß er in Parallelschaltung einen Eingangstransistor, der das an seine Gateelektrode angelegte analoge Eingangssignal in einen Strom proportional zu N=N&sub1;+N&sub2; transformiert, und einen Verstärkertransistor aufweist, wobei die Transistoren linear sind und gleiche negative Schwellenspannungen VT besitzen, wobei die Kennliniensteigung oder Transkonduktanz G des Eingangstransistors gleich 2j mal der Kennliniensteigung des Verstärkertransistors ist und j die Rangordnung des ersten der Bits höheren Gewichts darstellt, indem die Bits von Null an gezählt werden: GE = 2jQA, wobei diese Transistoren von einer modulierbaren Stromquelle gespeist werden, die einen Laststrom liefert, an die Drainelektroden der Transistoren angeschlossen ist und besteht aus:
  • - erstens einer aktiven Last,
  • - zweitens einem Analog-Digital-Wandler parallel zur aktiven Last, die die Bits höheren Gewichts N&sub1;, die aus dem ersten Analog-Digital-Wandler kommen, in einen Strom proportional zu N&sub1; umwandeln, wobei der Strom, der den Verstärkertransistor durchfließt, gleich der Differenz zwischen dem modulierbaren Laststrom und dem Strom ist, der den Eingangstransistor durchfließt, und damit proportional zu N&sub2;, wobei das am Drain des Verstärkertransistors entnommene Signal an das Gate desselben Verstärkertransistors über eine Stabilisationsstufe angeschlossen wird und die Spannung an diesem Gate das Ausgangssignal des Subtrahierverstärkers bildet.
  • Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen erläutert.
  • Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Analog-Digital-Wandlers vom unterteilten Typ, der den erfindungsgemäßen Subtrahierverstärker verwendet.
  • Figur 2 zeigt das elektrische Schaltbild des Subtrahierverstärkers gemäß der Erfindung.
  • Figur 3 zeigt das elektrische Schaltbild des ersten Analog-Digital-Wandlers und des Subtrahierverstärkers gemäß der Erfindung.
  • Um die Beschreibung klarer und genauer zu gestalten, wird die Erfindung nun am Beispiel eines Analog-Digital-Wandlers mit acht Bits dargelegt, der mit linearen Transistoren vom Typ TEGFET aus Galliumarsenid gebildet wird, deren technologische Streuung in der Größenordnung von 20 bis 30 mV liegt, was die unmittelbare Herstellung von Analog-Digital-Wandlern einer Auflösung von z.B. 10 mV praktisch unmöglich macht. Diese Angaben beschränken aber in keiner Weise den Rahmen der Erfindung. Sie dienen nur der Klarheit der Darstellung.
  • Es sei VE ein analoges Eingangssignal. Wenn vo die Empfindlichkeit oder das Auflösungsvermögen eines üblichen Analog-Digital-Wandlers ist, dann kann man setzen:
  • VE = Nvo
  • Ein üblicher Analog-Digital-Wandler mit acht Bits, der also acht Ausgänge Si hat mit 0 < i < 7, kann VE in 255 Intervallen des Werts vo messen und am Ausgang ein Binärsignal entsprechend der Zahl N ausgeben
  • Das erste Bit hat den Rang 0, da 2&sup0; = 1.
  • Nimmt man die vier höherwertigen Bits, dann erhält man eine Zahl
  • Die Zahl N¹ wird mit einem Analog-Digital-Wandler von vier Bits gemessen, dessen Auflösungsvermögen 16 vo ist und damit 16 mal größer als das des Analog-Digital-Wandlers mit acht Bits.
  • Technologisch gesehen ist es viel leichter, einen Analog-Digital-Wandler von vier Bits mit einer Auflösung von 16 vo als einen Analog-Digital-Wandler mit acht Bits und einem Auflösungsvermögen von vo herzustellen. Man muß aber die Zahl N mit Hilfe eines Subtrahierkreises ergänzen, der die Messung des folgenden Werts erlaubt:
  • VS = VE - N&sub1;vo
  • und mit Hilfe eines Verstärkers um den Faktor 16 verstärken
  • V's = 16 Vs
  • Aufgrund der Definition VE = Nv0 gilt:
  • Das Signal V's kann von einem zweiten Analog-Digital-Wandler mit vier Bits und einer Empfindlichkeit 16vo gemessen werden, dessen Ausgang die Ergänzung der zu bestimmenden Zahl N darstellt:
  • N = N&sub1; + N&sub2;
  • So ergeben zwei identische Analog-Digital-Wandler von je vier Bits und einer Empfindlichkeit von 16vo die Werte N&sub1; und N&sub2; einfacher als ein einziger Analog-Digital-Wandler von acht Bits und einer Empfindlichkeit von vo.
  • Mit anderen Worten kann man zur Digitalisierung eines Analogsignals mit acht Bits und einer Auflösung von 10 mV wegen der technologischen Streuung von 20 bis 30 mV keinen Analog-Digital-Wandler mit acht Bits und 10 mV Empfindlichkeit herstellen, aber man kann zwei Analog-Digital-Wandler mit vier Bits und 160 mV Empfindlichkeit herstellen, die dasselbe Resultat ergeben.
  • Figur 1 zeigt das Blockschaltbild eines Kaskaden-Analog-Digital-Wandler mit acht Bits, der den erfindungsgemäßen Subtrahierverstärker verwendet.
  • Das Eingangssignal VE = Nvo wird gleichzeitig an einen ersten Analog-Digital-Wandler 1 mit vier Bits sowie an einen Subtrahierkreis 2 angeschlossen. Die Erweiterung des ersten Analog-Digital-Wandlers in unterbrochenen Strichen bezieht sich auf den Fall, in dem die Digitalisierung auf 12, 16 oder noch mehr Bits erweitert wird. In diesem Fall werden alle Ausgänge des Analog-Digital-Wandlers 1 an den Subtrahierkreis 2 angelegt, um daraus zu ermitteln N&sub2; = N-N&sub1;.
  • Der erste Analog-Digital-Wandler 1 liefert die vier Bits höchsten Gewichts 54 bis S7, die gleichzeitig an den Ausgang der Vorrichtung und an den Eingang des Subtrahierglieds 2 angeschlossen sind. Diese vier höherwertigen Bits messen die Zahlen N&sub1; von 16 bis 240 in Schritten von 16 (240 + 16 = 256).
  • Die Einheit aus Subtrahierkreis 2 und Verstärker 3 bildet einen Subtrahierverstärker, der Gegenstand der Erfindung ist und anhand von Figur 2 im einzelnen dargestellt wird.
  • Das aus dieser Einheit kommende Analogsignal 16N&sub2;vo oder ganz allgemein K.N&sub2;vo gelangt an einen zweiten Analog-Digital-Wandler 4, der dem ersten Analog-Digital-Wandler 1 gleicht, und liefert die vier Bits geringerer Gewichtung vo bis S&sub3;, die die Zahlen 0 bis 15 messen.
  • Der erste Analog-Digital-Wandler 1 hat im gewählten Beispiel ein Auflösungsvermögen von 16 vo: Die Signale mit einem Wert unter 16vo werden vom Subtrahierkreis 2 erfaßt, der das Eingangssignal VE = Nvo mit dem Signal N&sub1;vo vergleicht, das durch erneute Umwandlung der vier Bits S&sub4; bis S&sub7; in ein Analogsignal erhalten wurde. Die Differenz
  • Nvo - N&sub1;vo = N&sub2;vo
  • wird mit einem Faktor 16 im Verstärker 3 verstärkt. Das verstärkte Signal 16N&sub2;vo wird durch den zweiten Analog-Digital-Wandler 4 in eine Binärzahl N&sub2; mit vier Bits umgewandelt, wobei dieser zweite Wandler 4 dasselbe Auflösungsvermögen 16vo wie der erste Wandler besitzt.
  • Figur 2 zeigt das elektrische Schaltbild des Subtrahierverstärkers 2, 3.
  • Er enthält einen Digital-Analog-Wandler bestehend aus vier Transistoren 14 bis 17 und ihren Lastwiderständen. Die vier Bits (mit dem logischen Wert 0 oder 1) höheren Gewichts S&sub4; bis S&sub7; (Zahl N&sub1;) gelangen an die Gates der Unterbrechertransistoren 14 bis 17, deren Sourceelektroden über eine Schottky- Diode von einer aktiven Last belastet werden, die die Werte 2&sup4;, 2&sup5;, 2&sup6; bzw. 2&sup7; besitzen. Dieser Digital-Analog-Wandler liefert also einen Strom N&sub1;io (io ist der Strom entsprechend dem Spannungsintervall vo).
  • Weiter enthält der Digital-Analog-Wandler einen Spannungs-Strom-Transformator, der vom Eingangstransistor E und einer aktiven Last 5 des Werts 2&sup4;= 16 gebildet wird. Das Eingangssignal VE = Nvo, das an das Gate des Eingangstransistors E angelegt wird, wird in einen Strom iE = Nio umgewandelt.
  • Schließlich ist am Ausgang ein Verstärkertransistor A mit einem Stabilisationssystem für die Ausgangsspannung VA verbunden, das aus einem Transistor 6 in Folgeschaltung und dessen Last 7 gebildet wird.
  • Natürlich werden alle diese Transistoren zwischen einer Spannung VDD und Masse oder zwischen VDD und VSS für den Stabilisationskreis gespeist.
  • Technologisch gesehen sind die Transistoren E und A lineare Transistoren vom Typ TEGFET und besitzen gleiche negative Schwellenspannung VT. Sie haben eine konstante Steigung der Kennlinie oder Transkonduktanz G, derart, daß gilt
  • GE = 16 GA
  • Die Transistoren 6 und 7 des Stabilisationskreises besitzen negative Schwellenspannungen und die Unterbrechertransistoren 14 besitzen positive Schwellenspannungen. Die aktiven Lastwiderstände sind Transistoren, deren Gate an die Sourceelektrode angeschlossen ist. Aufgrund ihrer Abmessungen liefern diese aktiven Lastwiderstände Ströme im Verhältnis 2&sup4;io, 2&sup5;io, 2&sup6;io und 2&sup7;io.
  • Der Laststrom ic ist den beiden Transistoren E und A gemeinsam:
  • ic = iE +iA
  • ic = 16io + N&sub1;io
  • iE = Nio = (N&sub1; + N&sub2;)io = GE(VE- VT)
  • iA = iC - iE = (16 - N&sub2;)io = GA(VA - VT)
  • (die Schwellenspannung VT ist dieselbe für die beiden Transistoren E und A).
  • Wenn die Variation &Delta;VE des Eingangssignals nicht 16vo übersteigt, dann verändert sich der Analog-Digital-Wandler 1 nicht und ic ist konstant. GE&Delta;VE + GA&Delta;VA = 0
  • Man hat aber gewählt: GE/GA = 16. Aus dem Ausdruck für iA ergibt sich
  • VA = (16 - N&sub2;) 16 vo +VT
  • Man kann also VA mit Hilfe eines Analog-Digital-Wandlers 4 mit vier Bits und der Empfindlichkeit 16vo digitalisieren, dessen Ausgänge eine Binärzahl M = 16 - N&sub2; liefern.
  • Die Zahl M wird in eine Zahl N² umgewandelt, entweder mit Hilfe von Wandlertabellen oder unter Verwendung eines Kaskaden-Analog-Digital-Wandlers gemäß dem französischen Patent FR-A-2 623 034 vom 10. November 1987 der Anmelderin, in dem die komplementären Ausgänge S&sub0; bis S&sub3; dieses Wandlers verwendet werden.
  • Die sehr stabile Ausgangsstufe, bestehend aus den Transistoren A, 6, 7 und den Dioden, ist in dem französischen Patent FR-A-2 623 350 vom 17. November 1987 der Anmelderin beschrieben.
  • So kann der Analog-Digital-Wandler mit acht Bits gemäß Figur 1 mit Hilfe des erfindungsgemäßen Subtrahierverstärkers ein Analogsignal mit hoher Genauigkeit und einfach digitalisieren, wobei die Bits höheren Gewichts von einem ersten Analog-Digital-Wandler und die Bits geringeren Gewichts von einem zweiten Analog-Digital-Wandler geliefert werden, die beide die gleiche Empfindlichkeit von hier 16vo besitzen.
  • Figur 3 zeigt das elektrische Schaltbild des ersten Analog-Digital-Wandlers und des erfindungsgemäßen Subtrahierverstärkers. Diese Figur ist durch eine unterbrochene Linie X'X unterteilt. Oberhalb dieser Linie X'X befindet sich ein Analog-Digital-Wandler vom Kaskadentyp gemäß dem erwähnten französischen Patent FR-A-2 623 034, der die Bits höherer Gewichtung S&sub4; bis S&sub7;liefert. Unterhalb von X'X findet sich der Subtrahierverstärker gemäß der Erfindung. Das Eingangssignal VE wird an diesen Verstärker parallel mit dem Wandler 1 angelegt und der Verstärker liefert ein Signal VA, das seinerseits an einen zweiten Analog-Digital-Wandler 4 angelegt wird, der dem ersten gleicht.
  • Um die Darstellung zu vereinfachen, wurde davon ausgegangen, daß der Analog-Digital-Wandler acht Bits hat, dessen vier geringerwertige Bits erfindungsgemäß einfach bestimmt werden können (daher die Zahl 16, denn 2&sup4; = 16). Die Umsetzung ist aber für den Fachmann problemlos, abhängig von
  • - der Anzahl von Bits, die zur Bestimmung von N erforderlich sind,
  • - der für jeden Analog-Digital-Wandler 1 und 4 erforderlichen Empfindlichkeit vo,
  • - der verwendeten Technologie und damit der Streuung bei der Transistorherstellung.
  • Wenn die Zahl N mit i Bits bestimmt wird, indem die Bits von 0 an gezählt werden, wobei das Bit der Rangordnung j das erste der Bits höheren Gewichts ist, ergibt sich insbesondere der Verstärkungsgrad des Eingangstransistors E zu 2j mal dem Verstärkungsgrad des Verstärkungstransistors A, und die aktiven Lastwiderstände haben die Reihe 2j, 2j+¹ ... 2i für den Analog-Digital-Wandler.
  • Die erfindungsgemäße Schaltung kann auf Siliziumbasis realisiert werden, aber um lineare Transistoren E und A mit genau bestimmter Kennliniensteigung zu erzielen, ist es günstiger, die Schaltung auf der Basis von Galliumarsenid mit TEGFET-Transistoren herzustellen.

Claims (4)

1. Subtrahierverstärker für einen Analog-Digital-Wandler, der ein analoges Eingangssignal (VE) in ein digitales Signal mit N Bits umwandelt und zwei Analog-Digital-Wandler in Kaskade enthält, von denen der erste (1) die Bits höheren Gewichts N&sub1; und der zweite (2) die Bits niedrigeren Gewichts N&sub2; des Signals mit N Bits liefert, dadurch gekennzeichnet, daß er in Parallelschaltung einen Eingangstransistor (E), der das an seine Gateelektrode angelegte analoge Eingangssignal (VE) in einen Strom (iE) proportional zu N=N&sub1;+N2 transformiert, und einen Verstärkertransistor (A) aufweist, wobei die Transistoren linear sind und gleiche negative Schwellenspannungen (VT) besitzen, wobei die Kennliniensteigung oder Transkonduktanz G des Eingangstransistors (E) gleich 2j mal der Kennliniensteigung des Verstärkertransistors (A) ist und j die Rangordnung des ersten der Bits höheren Gewichts darstellt, indem die Bits von Null an gezählt werden GE - 2jQA, wobei diese Transistoren von einer modulierbaren Stromquelle gespeist werden, die einen Laststrom (ic) liefert, an die Drainelektroden der Transistoren angeschlossen ist und besteht aus:
- erstens einer aktiven Last (5),
- zweitens einem Analog-Digital-Wandler (14 bis 17) parallel zur aktiven Last (5), die die Bits höheren Gewichts N&sub1;, die aus dem ersten Analog-Digital-Wandler (1) kommen, in einen Strom proportional zu N1 umwandeln, wobei der Strom (iA), der den Verstärkertransistor (A) durchfließt, gleich der Differenz zwischen dem modulierbaren Laststrom (ic) und dem Strom (iE) ist, der den Eingangstransistor (E) durchfließt, und damit proportional zu N&sub2;, wobei das am Drain des Verstärkertransistors (A) entnommene Signal an das Gate desselben Verstärkertransistors (A) über eine Stabilisationsstufe (6, 7) angeschlossen wird und die Spannung an diesem Gate das Ausgangssignal (VA) des Subtrahierverstärkers bildet.
2. Subtrahierverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Last (5) proportional zu 2jio ist, wobei io der Strom entsprechend der Empfindlichkeit vo ist.
3. Subtrahierverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Analog-Digital-Wandler aus einer Mehrzahl von Transistoren (14 bis 17) in Parallelschaltung gebildet wird, deren Gates von den logischen Ausgängen (S&sub4; bis S&sub7;) des ersten Analog-Digital-Wandlers (1) gesteuert werden und deren Sourceelektroden je mit einer Diode und einer Last in Reihe liegen, wobei durch die Lastwiderstände Ströme proportional zu 2jio, 2j+¹io, ... 2iio fließen und i die Gesamtzahl von durch den Analog-Digital-Wandler in Kaskade gelieferten Bits ist.
4. Subtrahierverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung (VA) durch eine Stufe stabilisiert wird, die einen Transistor (6) in Folgeschaltung enthält, dessen Sourceelektrode in Reihe mit einer Mehrzahl von Verschiebedioden und mit einem Rückholtransistor (7) geschaltet ist, wobei die Ausgangsspannung (VA) an das Gate des Verstärkertransistors (A) angelegt wird.
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