EP2135355A1 - Convertisseur analogique-numerique parallele a double echelle statique - Google Patents

Convertisseur analogique-numerique parallele a double echelle statique

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Publication number
EP2135355A1
EP2135355A1 EP08717733A EP08717733A EP2135355A1 EP 2135355 A1 EP2135355 A1 EP 2135355A1 EP 08717733 A EP08717733 A EP 08717733A EP 08717733 A EP08717733 A EP 08717733A EP 2135355 A1 EP2135355 A1 EP 2135355A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
network
resistors
voltage
rank
current
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08717733A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Alain Nicolas
Richard Morisson
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Teledyne e2v Semiconductors SAS
Original Assignee
e2v Semiconductors SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by e2v Semiconductors SAS filed Critical e2v Semiconductors SAS
Publication of EP2135355A1 publication Critical patent/EP2135355A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03MCODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12Analogue/digital converters
    • H03M1/34Analogue value compared with reference values
    • H03M1/36Analogue value compared with reference values simultaneously only, i.e. parallel type
    • H03M1/361Analogue value compared with reference values simultaneously only, i.e. parallel type having a separate comparator and reference value for each quantisation level, i.e. full flash converter type
    • H03M1/362Analogue value compared with reference values simultaneously only, i.e. parallel type having a separate comparator and reference value for each quantisation level, i.e. full flash converter type the reference values being generated by a resistive voltage divider
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03MCODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/06Continuously compensating for, or preventing, undesired influence of physical parameters
    • H03M1/0617Continuously compensating for, or preventing, undesired influence of physical parameters characterised by the use of methods or means not specific to a particular type of detrimental influence
    • H03M1/0675Continuously compensating for, or preventing, undesired influence of physical parameters characterised by the use of methods or means not specific to a particular type of detrimental influence using redundancy
    • H03M1/0678Continuously compensating for, or preventing, undesired influence of physical parameters characterised by the use of methods or means not specific to a particular type of detrimental influence using redundancy using additional components or elements, e.g. dummy components
    • H03M1/068Continuously compensating for, or preventing, undesired influence of physical parameters characterised by the use of methods or means not specific to a particular type of detrimental influence using redundancy using additional components or elements, e.g. dummy components the original and additional components or elements being complementary to each other, e.g. CMOS
    • H03M1/0682Continuously compensating for, or preventing, undesired influence of physical parameters characterised by the use of methods or means not specific to a particular type of detrimental influence using redundancy using additional components or elements, e.g. dummy components the original and additional components or elements being complementary to each other, e.g. CMOS using a differential network structure, i.e. symmetrical with respect to ground

Definitions

  • the invention relates to fast digital analog converters, and more particularly those which have at least one "flash" type conversion stage, that is to say a parallel structure stage in which the voltage to be converted is compared simultaneously with a series of reference voltages V j where j is an index varying from 0 to N, all potential differences V ⁇ i - V j being assumed to be identical and equal to a fixed basic reference voltage V tap .
  • the junction points of the resistors constitute intermediate jacks connected to the inputs of the amplifiers.
  • FIG. 1 The simplest structure is that shown in FIG. 1, in which a network of series resistors Ri to R N traversed by a fixed current I 0 and a set of differential amplifiers or comparators Ai to A N are seen .
  • Amplifier A j of rank j receiving on the one hand the voltage V in to be converted, on the other hand the voltage at the junction point of the resistor R j + i and the resistor R j .
  • This structure can be used for a final stage of analog-to-digital conversion, the amplifiers swinging in one direction or another depending on the direction of the difference between the input voltage and the reference voltage. It can also be used as an input stage or an analogue-to-digital conversion stage, followed by other conversion stages, and in this case each amplifier must supply, for the following stages, a linearly varying voltage or current. as a function of the difference between the input voltage V in and the reference voltage associated with this amplifier.
  • FIG. 1 diagrammatically represents an input current I b derived on each amplifier input connected to the resistor network.
  • This current I b is in practice the basic current of a bipolar input transistor of the amplifier.
  • the potentials of the intermediate taps of the series resistor network are not regularly distributed with voltage intervals R.
  • I 0 between two successive intermediate taps of the series of resistors. It can be estimated that the overall non-linearity error is proportional to the square of the number N of amplifiers, to the value of the elementary resistance R, and to the value of the input current I b consumed by each amplifier.
  • N 64 for 6 bits.
  • a minimum current I b is imposed by the dynamic performance of the differential amplifiers which must be able to work at high speed. MOS technologies with low input power consumption could be used, but these technologies make it difficult to achieve sufficient manufacturing accuracy to achieve the performance provided by bipolar technologies.
  • the integral nonlinearity error INL is the cumulative sum of the differences between the theoretical values of the reference voltages and their real values. These 7.5 bits of the lowest weight represent a too important error that one wishes to reduce.
  • the two networks are exactly the same. They are powered by a common voltage source.
  • a respective current source of value I 0 may be provided in series with each network to impose the current that will go through them.
  • the converter has a number of amplifiers greater than N, the additional amplifiers being present only to avoid edge effects.
  • the resistor networks then each comprise more than N resistors.
  • FIG. 1 represents a principle of a prior art analog-digital flash converter.
  • FIG. 2 represents another flash converter principle of the prior art
  • FIG. 3 represents a flash conversion structure according to the invention
  • FIG. 4 represents an alternative structure according to the invention.
  • FIG. 5 represents a folded constitution of the resistance networks
  • FIG. 6 shows an embodiment of differential amplifier with four inputs.
  • the structure of the converter of FIG. 3 uses N differential amplifiers with four inputs similar to those used in FIG. 2.
  • Each differential amplifier A j of rank j, where j varies from 1 to N has two first inputs receiving the differential voltage.
  • converting ⁇ p V - V ⁇ n A voltage V ⁇ p is therefore applied to a first input of all the differential amplifiers, and a voltage V ⁇ n is applied to a second input of all the differential amplifiers.
  • a different reference potential difference is applied for each amplifier.
  • This potential difference is established from two different resistor networks taken, one dedicated to the application of a reference potential on the third input, the other dedicated to the application of another potential of reference on the fourth entry.
  • the two networks of resistors are identical and traversed by identical currents I 0 defined by current sources. They each comprise at least N-1 identical resistors, of value R, in series, and the ends of these N-1 resistors define N jacks intended to be connected to the inputs of the amplifiers.
  • the jack Pj of rank j is the junction point of the resistance R j and the resistance R j + - ⁇ .
  • the outlets are designated P 1 to P N. and the resistances by R 1 to R N.
  • "prime" indices are used: taken P'-i, P ' 2 , ..., P' N -
  • the increasing direction of the indices j from 1 to N is taken conventionally in the direction of passage of the current in the networks, that is to say that, if we refer to the figure, the indices are increasing from top to bottom for the two networks which are both traversed by a current passing from the top to the bottom ( VH supply potential more positive at the top than at the bottom).
  • the two networks are connected on one side to a voltage source which defines the supply potential VH.
  • the networks are connected to a current source in such a way that they are traversed by identical currents.
  • the jack P j of rank j of the first network is connected to the third input of the amplifier A j
  • the jack P ' N - j + i of rank N-j + 1 of the second network is connected to the fourth input of the amplifier A j .
  • the potential difference between these two taps constitutes a reference voltage Kl o , K, for the differential amplifier A j which provides at its output a voltage proportional to the difference between the input voltage to be converted and this voltage. reference when the input voltage is close to this reference voltage.
  • the reference potential differences K i o are staggered regularly between - (NI) R. I 0 and + (N-1) RI 0 , at intervals 2R.I 0 .
  • the integer K is in practice equal to N-2J + 1 for the amplifier A j .
  • the two resistor networks are independently powered by two different current sources of the same value I 0 arranged at the foot of the networks, through foot resistors R 0 and R ' 0 , the head of the networks being powered by the same source of supply voltage VH.
  • a single double value current source 2xl 0 supplies all the two networks in parallel.
  • the head is still powered by a voltage source VH common to both networks.
  • the current is divided into two equal parts of value I 0 since the networks are identical, but there is still an improvement in the second-order nonlinearity error.
  • These following stages can be structures with folding amplifiers ("folding amplifiers" in English) or other types of structures.
  • resistor networks extend over a fairly large length on an integrated circuit chip, for example 1 millimeter; but over such a distance, the effects of thermal gradients or technological dispersion can be felt. It is advantageous under these conditions to break down each resistor into two resistors in parallel, but these two resistors being placed symmetrically with respect to the middle of the array so that the temperature gradients compensate each other.
  • FIG. 5 represents such a configuration of resistor networks.
  • Resistors Ri, R 2 , R 3 of the preceding figures are each constituted by resistors in parallel; Ri 3 and R- ⁇ b constitute the resistance Ri.
  • R 2a and R 2b are the resistance R 2, etc.
  • the structure of the invention comprises networks of resistors fed by a DC voltage and a DC current and not by the input voltage to be converted (static resistor network or scale, unlike other dynamic scale structures where it is the input voltage that is applied to the network), it is advantageous to decouple the network by capacitors each connected between a network tap and the ground (or a fixed potential terminal).
  • This decoupling avoids disturbances of the reference voltages by dynamic signals such as clock signals from sample-pickers, or even the input signals to be converted which could be coupled by parasitic capacitances to the resistor network.
  • the added capabilities bypass these parasitic signals. It should be noted that this decoupling also reduces the thermal noise generated by the resistors.
  • FIG. 6 shows an example of a detailed constitution of a differential amplifier A j usable in the structure of the invention.
  • the amplifier has four inputs receiving the input signals to be converted and the voltages present on the jacks P j and P N- J +1 .
  • It is constituted in form a dual amplifier consisting of two simple transconductance differential amplifiers whose outputs are crossed to produce a voltage proportional to the difference between the input voltage of the first and the input voltage of the second.
  • the assembly then produces a voltage proportional to V -V ⁇ p ⁇ n - KR I 0 V when the voltage -V ⁇ p ⁇ n is close to krio -
  • KRI 0 represents the potential difference between P and Pj taken N -J +
  • the term KRI 0 represents the potential difference between P and Pj taken N -J + The
  • the first amplifier receives on one input (which is the first input of the amplifier A j ) the voltage V ⁇ p and on another input (which is the fourth input of A j ) the voltage present on the socket P N - j + i -
  • the second amplifier receives on one input (which is the second input of the amplifier A j ) the voltage V ⁇ n and on another input (which is the third input of A j ) the voltage present on the socket P j .
  • the current outputs of the amplifiers are combined to act as summers; crossing the outputs makes a difference, so that the outputs provide a differential voltage representing, with a coefficient corresponding to the gain of the amplifier, the difference in voltage differences applied to the inputs taken in pairs.
  • This difference represents the amount V ⁇ ⁇ n PV - Krio
  • each simple differential amplifier comprises two symmetrical branches powered by the current of a single constant current source, each branch comprising a transistor in series with a load resistor R Ch -
  • the bases of the transistors are the inputs of the amplifiers.
  • the first amplifier receives V ⁇ p on the basis of the first transistor T1 and receives the tap P N - j + i on the basis of the second transistor T2.
  • the second amplifier receives V ⁇ n on the basis of the first transistor T'1 and receives the tap P j on the basis of the second transistor T'2.
  • the outputs are summator but crossed: the output constituted by the collector of T1 is connected to the output constituted by the collector of T'2 to form a first output of the double differential amplifier, and conversely the collectors of T'1 and T2 are connected to form a second output of the double differential amplifier; the output of the differential amplifier is constituted by one of these outputs, for example the collector of T1 if the output of the amplifier is a single output, or by the two outputs (T1 and T2 collectors) if the output of the amplifier must be differential.
  • the currents of the current sources are identical and the transistors and resistors of the diagram are all identical.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Analogue/Digital Conversion (AREA)

Abstract

L'invention concerne les convertisseurs analogiques numériques rapides, et plus particulièrement ceux qui possèdent au moins un étage de conversion de type "flash". Le convertisseur selon l'invention utilise N amplificateurs différentiels à quatre entrées. L'amplificateur de rang j reçoit la tension d'entrée à convertir V<SUB>e</SUB>

Description

CONVERTISSEUR ANALOGIQUE-NUMERIQUE PARALLELE A DOUBLE ECHELLE STATIQUE
L'invention concerne les convertisseurs analogiques numériques rapides, et plus particulièrement ceux qui possèdent au moins un étage de conversion de type "flash", c'est-à-dire un étage à structure parallèle dans lequel la tension à convertir est comparée simultanément à une série de tensions de référence Vj où j est un indice variant de O à N, toutes les différences de potentiel Vμi - Vj étant supposées identiques et égales à une tension de référence élémentaire fixe Vtap.
De tels convertisseurs utilisent en général un réseau de résistances R identiques en série alimentées par un courant constant I0 pour produire les tensions de référence réparties à des intervalles réguliers de valeur Vtap = FUo, et N amplificateurs différentiels associés chacun à une tension de référence respective pour déterminer si la tension d'entrée est supérieure ou inférieure à cette tension de référence ou pour amplifier linéairement l'écart entre la tension d'entrée et cette tension de référence. Les points de jonction des résistances constituent des prises intermédiaires connectées aux entrées des amplificateurs.
La structure la plus simple est celle qui est représentée à la figure 1 où on voit un réseau de résistances en série Ri à RN parcourues par un courant fixe I0 et un ensemble d'amplificateurs différentiels ou comparateurs Ai à AN, l'amplificateur Aj de rang j recevant d'une part la tension Vin à convertir, d'autre part la tension au point de jonction de la résistance Rj+i et de la résistance Rj.
Cette structure peut être utilisée pour un étage final de conversion analogique-numérique, les amplificateurs basculant dans un sens ou dans un autre selon le sens de la différence entre la tension d'entrée et la tension de référence. Elle peut être utilisée aussi comme étage d'entrée ou étage intermédiaire de conversion analogique-numérique, suivi par d'autres étages de conversion, et dans ce cas chaque amplificateur doit fournir, à destination des étages suivants, une tension ou un courant variant linéairement en fonction de la différence entre la tension d'entrée Vin et la tension de référence associée à cet amplificateur.
On veut pouvoir réaliser des convertisseurs ayant une linéarité toujours plus grande pour pouvoir effectuer des conversions précises avec une résolution toujours plus élevée. On cherche à réaliser par exemple des convertisseurs de résolution 12 ou 14 bits. Les erreurs de linéarité sont dues aux imperfections des résistances qui peuvent avoir des valeurs pas tout à fait identiques ; elles sont dues aussi au fait que même si les résistances sont identiques, les entrées des amplificateurs dérivent une partie du courant qui traverse les résistances de sorte que les courants parcourant les résistances du haut de la série sont plus élevés que les courants parcourant les résistances du bas de la série. La figure 1 représente schématiquement un courant d'entrée lb dérivé sur chaque entrée d'amplificateur connectée au réseau de résistances. Ce courant lb est en pratique le courant de base d'un transistor bipolaire d'entrée de l'amplificateur. Il en résulte que les potentiels des prises intermédiaires du réseau de résistances en série ne sont pas régulièrement répartis avec des intervalles de tension R. I0 entre deux prises intermédiaires successives de la série de résistances. On peut estimer que l'erreur de non-linéarité globale est proportionnelle au carré du nombre N d'amplificateurs, à la valeur de la résistance élémentaire R, et à la valeur du courant d'entrée lb consommé par chaque amplificateur.
On ne peut pas diminuer R au-delà de certaines limites pour des raisons de précision de fabrication et de consommation de courant. Le nombre N dépend de la résolution désirée pour l'étage, par exemple N = 64 pour 6 bits. Un courant lb minimum est imposé par les performances dynamiques des amplificateurs différentiels qui doivent pouvoir travailler à grande vitesse. On pourrait utiliser des technologies MOS à faible consommation de courant d'entrée mais ces technologies permettent difficilement une précision de fabrication suffisante pour obtenir les performances que procurent les technologies bipolaires.
On a déjà imaginé des solutions de compensation de courant, par injection de courants de valeur lb dans les prises intermédiaires de l'échelle de résistances pour neutraliser la perte de courant lb vers les amplificateurs. Ces solutions sont complexes et très sensibles aux variations de température ou à la dispersion des paramètres technologiques de la fabrication ; en effet, le problème est de compenser un courant de base qui est directement lié au gain en courant β du transistor d'entrée de l'étage différentiel, mais la valeur du gain en courant est très dispersée et variable avec la température. On pourrait éventuellement s'inspirer de la structure différentielle décrite dans la demande de brevet WO 2005/055431 , qui a été imaginée pour augmenter les performances en vitesse des convertisseurs. Cette structure, rappelée à la figure 2, utilise des amplificateurs différentiels A1 à AN à quatre entrées chacun ; l'amplificateur Aj de rang j reçoit d'une part sur deux premières entrées la tension différentielle à convertir Vθp-Vθn, et d'autre part sur deux autres entrées les tensions prélevées sur deux prises symétriques, de rang j et N-j+1 respectivement, du réseau de résistances en série. Ainsi, le premier amplificateur A1 est relié à la première prise intermédiaire Pi et à la dernière PN, le deuxième est relié à la deuxième prise P2 et à l'avant dernière PN-2, etc. Avec cette structure, on pourrait résoudre le problème engendré par ce courant lb dérivé à chaque prise du réseau de résistances, en raison de la symétrie de la structure qui établit une compensation naturelle de ce courant. En effet, ce qui compte dans cette structure ce n'est pas la linéarité de répartition des potentiels des prises Pi à PN, c'est la linéarité de la succession de différences de potentiel entre prises Pj et PN-J+1 lorsque j croît de 1 à N. Or, quel que soit j, la chute de tension entre les prises Pj et PN-j+i résulte de l'addition de chutes de tension dans les résistances du haut de l'ensemble, parcourues par des courants plus importants, et de chutes de tension dans les résistances du bas, parcourues par des courants moins importants, de sorte qu'en moyenne la répartition des chutes de tension reste régulière, même si le courant moyen dans les résistances n'est pas I0 comme on le voudrait mais plutôt Io+N.lb.
Toutefois, cette compensation n'a lieu qu'à la condition que le courant lb soit indépendant de la tension d'entrée Vθp-Vθn à convertir. Mais ce n'est pas le cas. On pourrait faire en sorte que ce soit le cas en insérant un étage suiveur entre chaque prise du réseau et l'entrée de l'amplificateur différentiel correspondant ; mais alors on introduit des problèmes supplémentaires d'appariement de circuits, de dispersion en fonction de la température, de consommation supplémentaire de courant, de bruit introduit par l'étage suiveur, et de chute de tension base-émetteur supplémentaire néfaste si on souhaite travailler avec une alimentation à très basse tension telle que 3,3 volts.
A titre d'exemple, une simulation de calcul d'erreur de linéarité dans la configuration de la figure 2, pour un convertisseur de 14 bits dont le premier étage comporte 80 amplificateurs différentiels, aboutit à la conclusion que l'erreur de non-linéarité intégrale sur l'échelle de conversion peut atteindre 7,5 LSB (bits de poids le plus faible) dans un exemple où le courant d'alimentation du réseau de résistances est de 30 milliampères, les paires différentielles des amplificateurs ont des alimentations en courant de 200 microampères, et le courant de base moyen est de 1.7 microampères. L'erreur de non linéarité intégrale INL est la somme cumulée des différences entre les valeurs théoriques des tensions de référence et leurs valeurs réelles. Ces 7,5 bits de poids le plus faible représentent une erreur trop importante qu'on souhaite réduire.
On a constaté que si on alimentait le réseau de résistances de la figure 2 entre deux sources de tension de référence plutôt qu'entre une source de tension haute et une source de courant basse, on divisait l'erreur de non linéarité intégrale dans un rapport de presque 2,5 ce qui est considérable. Dans les mêmes conditions de mesure, on aboutit à une erreur de non-linéarité intégrale de 3 LSB pic à pic pour un convertisseur de 14 bits, ce qui est beaucoup plus satisfaisant. L'alimentation par deux tensions de référence améliore donc les performances.
On a essayé aussi de vérifier si on pouvait améliorer encore la non-linéarité intégrale de la structure en utilisant une double échelle de résistances en série alimentées entre deux tensions de référence, au lieu d'une simple échelle alimentée entre deux tensions de référence ; l'une des entrées de l'amplificateur est alors prise sur une prise de rang j de l'une des échelles tandis que l'autre entrée est prise sur une prise de rang N-j+1 de l'autre échelle. Mais le résultat n'est pas concluant car, dans les mêmes conditions que ci-dessus, on aboutit à une non-linéarité intégrale de 4,7 LSB. La double échelle de résistances n'a donc pas d'utilité du point de vue de la non-linéarité intégrale puisqu'elle détériore la performance.
Pour améliorer la linéarité de la conversion analogique numérique à haute résolution, notamment la conversion sur plus de 12 bits, l'invention propose un convertisseur analogique-numérique comportant un réseau de N amplificateurs différentiels de rang j = 1 à N, ayant chacun quatre entrées, deux entrées recevant une tension différentielle d'entrée à convertir Vθp-Vθn, la troisième et la quatrième entrées recevant des tensions de référence issues d'un ensemble de résistances de valeurs nominales identiques R parcourues par un courant de valeur nominale I0, l'amplificateur de rang j fournissant une tension proportionnelle à Vθp-Vθn - K.R.I0 (K entier) lorsque la tension différentielle d'entrée Vθp-Vθn avoisine la tension K. R. I0, caractérisé en ce que l'ensemble de résistances comprend un premier réseau de N résistances de valeur R en série connecté d'un côté à une source de tension et de l'autre à une source de courant de référence, les extrémités des résistances définissant N premières prises de rang j = 1 à N, et un deuxième réseau de N résistances de valeur R en série connecté d'un côté à la même source de tension que le premier et de l'autre à une source de courant de référence telle que les deux réseaux soient alimentés par des courants identiques, les résistances du deuxième réseau définissant N deuxièmes prises de rang j =1 à N, l'amplificateur de rang j ayant sa troisième entrée reliée à une prise de rang j du premier réseau et à une prise de rang N-j+1 du deuxième réseau. Les deux réseaux sont rigoureusement identiques. Ils sont alimentés par une source de tension commune. Une source de courant respective de valeur I0 peut être prévue en série avec chaque réseau pour imposer le courant qui va les parcourir. Cependant il est plus avantageux de prévoir une seule source de courant commune de valeur double 2I0 alimentant simultanément les deux réseaux (identiques), chacun d'eux étant alors parcouru par la moitié du courant, à savoir un courant I0.
Si on souhaite utiliser N amplificateurs différentiels pour la conversion, il est possible de prévoir que le convertisseur comporte un nombre d'amplificateurs supérieur à N, les amplificateurs supplémentaires étant présents uniquement pour éviter des effets de bord. Les réseaux de résistances comprennent alors chacun plus de N résistances.
La non-linéarité intégrale de la structure ainsi obtenue s'avère bien meilleure (dans un rapport d'environ 30 à 50, ce qui est considérable) que celle qu'on obtient avec les autres structures essayées. Bien qu'une alimentation d'un réseau simple à l'aide de deux tensions de référence s'avère nettement meilleure qu'une alimentation d'un réseau simple par une source de tension et une source de courant, on a trouvé qu'une amélioration inattendue d'un ordre de grandeur très supérieur pouvait être obtenue en utilisant un réseau double à la condition qu'on évite de l'alimenter entre deux sources de tension de référence. Dans les mêmes conditions de mesure que ci-dessus, on a obtenu une non-linéarité intégrale de 0,1 LSB pic-à-pic pour un convertisseur de 14 bits, soit 75 fois mieux qu'un réseau simple alimenté de la même manière,
30 fois mieux qu'un réseau simple alimenté par des références de tension, et 50 fois mieux qu'un réseau double alimenté par des références de tension.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente un principe de convertisseur analogique- numérique flash de l'art antérieur ;
- la figure 2 représente un autre principe de convertisseur flash de l'art antérieur ;
- la figure 3 représente une structure de conversion flash selon l'invention ;
- la figure 4 représente une variante de structure selon l'invention ;
- la figure 5 représente une constitution repliée des réseaux de résistances ;
- la figure 6 représente un exemple de réalisation d'amplificateur différentiel à quatre entrées.
La structure du convertisseur de la figure 3 utilise N amplificateurs différentiels à quatre entrées semblables à ceux qui sont utilisés dans la figure 2. Chaque amplificateur différentiel Aj de rang j, où j varie de 1 à N possède deux premières entrées recevant la tension différentielle à convertir Vθp - Vθn. Une tension Vθp est donc appliquée à une première entrée de tous les amplificateurs différentiels, et une tension Vθn est appliquée à une deuxième entrée de tous les amplificateurs différentiels.
Entre la troisième et la quatrième entrée, on applique une différence de potentiel de référence, différente pour chaque amplificateur. Cette différence de potentiel est établie à partir de prises de deux réseaux de résistances distincts, l'un dédié à l'application d'un potentiel de référence sur la troisième entrée, l'autre dédié à l'application d'un autre potentiel de référence sur la quatrième entrée. Sur la figure 2, un seul réseau de référence était utilisé. Les deux réseaux de résistances sont identiques et parcourus par des courants identiques I0 définis par des sources de courant. Ils comprennent chacun au moins N-1 résistances identiques, de valeur R, en série, et les extrémités de ces N-1 résistances définissent N prises destinées à être reliées aux entrées des amplificateurs. Ainsi, la prise Pj de rang j est le point de jonction de la résistance Rj et de la résistance Rj+-ι.
Pour le premier réseau, les prises sont désignées par P1 à PN. et les résistances par R1 à RN. Pour le deuxième réseau, des indices "prime" sont utilisés : prises P'-i, P'2, ..., P'N- Le sens croissant des indices j de 1 à N est pris par convention dans le sens de passage du courant dans les réseaux, c'est-à-dire que, si on se réfère à la figure, les indices vont croissant de haut en bas pour les deux réseaux qui sont tous deux parcourus par un courant passant du haut vers le bas (potentiel d'alimentation VH plus positif en haut qu'en bas). Les deux réseaux sont connectés d'un côté à une source de tension qui définit le potentiel d'alimentation VH. De l'autre côté, les réseaux sont connectés à une source de courant d'une manière telle qu'ils soient parcourus par des courants identiques.
Selon l'invention, la prise Pj de rang j du premier réseau est reliée à la troisième entrée de l'amplificateur Aj, et la prise P'N-j+i de rang N-j+1 du deuxième réseau est reliée à la quatrième entrée de l'amplificateur Aj. Ceci pour tous les rangs j. La différence de potentiel entre ces deux prises constitue une tension de référence K.lo, K entier, pour l'amplificateur différentiel Aj qui fournit à sa sortie une tension proportionnelle à l'écart entre la tension d'entrée à convertir et cette tension de référence lorsque la tension d'entrée est proche de cette tension de référence. Les différences de potentiel de référence K.lo s'échelonnent régulièrement entre -(N-I )R. I0 et +(N-1 )R.I0, à intervalles 2R.I0.
Le nombre entier K est en pratique égal à N-2J+1 pour l'amplificateur Aj.
On notera que, par comparaison avec la figure 2 et pour avoir les mêmes résolutions et gammes de tension de référence qu'à la figure 2, la valeur de la résistance R utilisée dans les réseaux de la figure 3 sera double de celle de la figure 2, et la valeur du courant I0 sera moitié de celle de la figure 2. On a constaté selon l'invention que non seulement l'erreur de non linéarité du premier ordre, due à l'existence des courants lb prélevés par chaque entrée d'amplificateur, est corrigée de la même manière que dans le cas de la figure 2, mais aussi que les erreurs de non-linéarité du second ordre, dues au fait que le courant lb varie selon le niveau de la tension d'entrée Vθp - Vθn , tendent à se compenser. On notera que les courants d'entrée lb de toutes les troisièmes entrées des amplificateurs sont prélevés sur l'un des réseaux alors que les courants lb de toutes les quatrièmes entrées sont prélevés sur l'autre réseau. Une simulation analogue à celle qui a été indiquée ci-dessus pour le cas de la figure 2 a permis de constater une erreur de non-linéarité intégrale aussi basse que 0,1 LSB, soit beaucoup moins que précédemment, dans les mêmes conditions.
Sur le schéma de la figure 2, on a considéré que les deux réseaux de résistances sont alimentés indépendamment par deux sources de courant différentes de même valeur I0 disposées au pied des réseaux, à travers des résistances de pied R0 et R'o, la tête des réseaux étant alimentée par la même source de tension d'alimentation VH. Cependant, on peut avantageusement prévoir qu'une seule source de courant de valeur double 2xl0 alimente l'ensemble des deux réseaux en parallèle. La tête est encore alimentée par une source de tension VH commune aux deux réseaux. Le courant se divise en deux parties égales de valeur I0 puisque les réseaux sont identiques, mais on constate encore une amélioration de l'erreur de non-linéarité du second ordre. Dans ce qui précède on a considéré qu'il y avait un réseau de N amplificateurs avec N prises de tension d'un réseau de N-1 résistances. Le nombre N représente le nombre de plages de conversion produites par l'étage. Par exemple, si l'étage doit établir les 6 bits de poids fort d'une conversion, il y aura N=64 amplificateurs qui délivreront des tensions variables en fonction de la tension d'entrée, cette tension étant utilisée dans des étages de conversion suivants pour établir les bits de poids faible de la conversion. Ces étages suivants peuvent être des structures à amplificateurs de repliement ("folding amplifiers" en anglais) ou d'autres types de structures.
Mais même si le premier étage doit établir seulement N plages de conversion, il peut être utile de prévoir qu'il y a un plus grand nombre d'amplificateurs et un plus grand nombre de résistances prolongeant les réseaux de la figure 3 ou 4 vers le haut et vers le bas. Ces résistances et amplificateurs supplémentaires servent à éviter des effets de bord qui tendraient à détériorer la linéarité vers les extrémités de la plage de conversion. On peut ainsi rajouter plusieurs dizaines d'amplificateurs et de résistances de chaque côté du réseau de N résistances et amplificateurs utiles.
Enfin, les réseaux de résistances s'étendent sur une assez grande longueur sur une puce de circuit intégré, par exemple 1 millimètre ; or sur une telle distance, les effets de gradients thermiques ou de dispersion technologique peuvent se faire sentir. Il est avantageux dans ces conditions de décomposer chaque résistance en deux résistances en parallèle mais ces deux résistances étant placées symétriquement par rapport au milieu du réseau de manière que les gradients de température se compensent. La figure 5 représente une telle configuration des réseaux de résistances. Les résistances R-i, R2, R3 des figures précédentes sont constituées ici chacune par des résistances en parallèle ; Ri3 et R-ιb constituent la résistance R-i. R2a et R2b constituent la résistance R2, etc.
Etant donné que la structure de l'invention comprend des réseaux de résistances alimentés par une tension et un courant continus et non par la tension d'entrée à convertir (réseau ou échelle de résistances dite statique contrairement à d'autres structures à échelle dynamique où c'est la tension d'entrée qui est appliquée au réseau), il est avantageux de découpler ce réseau par des capacités connectées chacune entre une prise du réseau et la masse (ou une borne à potentiel fixe). Ce découplage évite des perturbations des tensions de référence par des signaux dynamiques tels que les signaux d'horloge d'échantillonneurs bloqueurs, ou même les signaux d'entrée à convertir qui pourraient être couplés par des capacités parasites au réseau de résistances. Les capacités rajoutées court-circuitent ces signaux parasites. On notera que ce découplage réduit aussi le bruit thermique engendré par les résistances.
La figure 6 représente à un exemple de constitution détaillée d'un amplificateur différentiel Aj utilisable dans la structure de l'invention. L'amplificateur a quatre entrées recevant les signaux d'entrée à convertir et les tensions présentes sur les prises Pj et PN-J+1. Il est constitué sous forme d'un amplificateur double composé de deux amplificateurs différentiels à transconductance simples dont les sorties sont croisées pour produire une tension proportionnelle à la différence entre la tension d'entrée du premier et la tension d'entrée du deuxième. L'ensemble produit alors une tension proportionnelle à Vθp-Vθn - K. R. I0 lorsque la tension Vθp-Vθn est proche de K.R.Io - Le terme K.R.I0 représente la différence de potentiel entre les prises Pj et PN-J+L
Le premier amplificateur (à gauche) reçoit sur une entrée (qui est la première entrée de l'amplificateur Aj) la tension Vθp et sur une autre entrée (qui est la quatrième entrée de Aj) la tension présente sur la prise PN-j+i - Le deuxième amplificateur (à droite) reçoit sur une entrée (qui est la deuxième entrée de l'amplificateur Aj) la tension Vθn et sur une autre entrée (qui est la troisième entrée de Aj) la tension présente sur la prise Pj.
Les sorties en courant des amplificateurs sont réunies pour agir en sommateur ; en croisant les sorties on fait une différence, de sorte que les sorties fournissent une tension différentielle représentant, avec un coefficient correspondant au gain de l'amplificateur, la différence des différences de tension appliquées aux entrées prises deux à deux . Cette différence représente la quantité : Vθp-Vθn - K.R.Io
Plus précisément, chaque amplificateur différentiel simple comprend deux branches symétriques alimentées par le courant d'une seule source de courant constant, chaque branche comprenant un transistor en série avec une résistance de charge RCh- Les bases des transistors sont les entrées des amplificateurs. Le premier amplificateur reçoit Vθp sur la base du premier transistor T1 et reçoit la prise PN-j+i sur la base du deuxième transistor T2. Le deuxième amplificateur reçoit Vθn sur la base du premier transistor T'1 et reçoit la prise Pj sur la base du deuxième transistor T'2. Les sorties sont montées en sommateur mais croisées : la sortie constituée par le collecteur de T1 est reliée à la sortie constituée par le collecteur de T'2 pour constituer une première sortie de l'amplificateur différentiel double, et réciproquement les collecteurs deT'1 et T2 sont reliés pour constituer une deuxième sortie de l'amplificateur différentiel double ; la sortie de l'amplificateur différentiel est constituée par l'une de ces sorties, par exemple le collecteur de T1 si la sortie de l'amplificateur est une sortie simple, ou par les deux sorties (collecteurs de T1 et T2) si la sortie de l'amplificateur doit être différentielle. Les courants des sources de courant sont identiques et les transistors et résistances du schéma sont tous identiques.

Claims

REVENDICATIONS
1. Convertisseur analogique-numérique comportant un réseau de N amplificateurs différentiels (A1 à AN) de rang j = 1 à N, ayant chacun quatre entrées, deux entrées recevant une tension différentielle d'entrée à convertir Vθp-Vθn à convertir, la troisième et la quatrième entrées recevant des tensions de référence issues d'un ensemble de résistances de valeurs nominales identiques R parcourues par un courant de valeur nominale I0, l'amplificateur de rang j fournissant une tension proportionnelle à Vθp-Vθn - K. R. I0 lorsque la tension différentielle d'entrée Vθp-Vθn avoisine la tension K. R. I0, caractérisé en ce que l'ensemble de résistances comprend un premier réseau de N résistances (Ri à RN) de valeur R en série connecté d'un côté à une source de tension (VH) et de l'autre à une source de courant de référence, les extrémités des résistances définissant N premières prises (Pi à PN) de rang j = 1 à N, et un deuxième réseau de N résistances (R'i à R'N) de valeur R en série connecté d'un côté à la même source de tension (VH) et de l'autre à une source de courant de référence telle que les deux réseaux soient alimentés par des courants identiques, les résistances du deuxième réseau définissant N deuxièmes prises (P'i à P'N) de rang j =1 à N, l'amplificateur de rang j ayant sa troisième entrée reliée à une prise (Pj) de rang j du premier réseau et à une prise (PN-J+I) de rang N-j+1 du deuxième réseau.
2. Convertisseur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'une source de courant respective de valeur I0 est prévue en série avec chaque réseau pour imposer le courant qui va les parcourir
3. Convertisseur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'une source de courant de valeur 2I0 est prévue pour alimenter l'ensemble des deux réseaux, chacun d'eux étant alors essentiellement parcouru par la moitié du courant, à savoir un courant I0.
4. Convertisseur selon l'une des revendications 1 à 3, produisant N tensions de sortie utiles à la conversion, caractérisé en ce qu'il comporte un nombre d'amplificateurs et de résistances supérieur à N, les amplificateurs et résistances supplémentaires étant présents uniquement pour éviter des effets de bord.
5. Convertisseur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chacun des réseaux de résistances a une configuration dans laquelle chaque résistance est formée de deux résistances en parallèle, placées symétriquement par rapport au milieu du réseau.
6. Convertisseur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'une capacité de découplage est connectée entre chaque prise du réseau et une borne à potentiel fixe.
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