FR2785474A1 - Synchronous or asynchronous analogue to digital converter, has comparators connected to interrupters and differential amplifiers - Google Patents

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Jean Claude Mboli
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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
    • H03M1/38Analogue value compared with reference values sequentially only, e.g. successive approximation type
    • H03M1/44Sequential comparisons in series-connected stages with change in value of analogue signal

Abstract

The analogue to digital (A/D) converter for n-bit resolution, where n = 4, comprises n comparators (1, 5, 8, 11), n-1 interrupters (2, 6, 9), n-1 differential amplifiers (3, 7, 10) of gain 2, and a power supply (4) for the reference voltage, where the input voltage Vin is less than half the reference voltage Vref. The converter can be operated in synchronous mode by adding a sampling blocking circuit at its input. The input analogue signal is compared to half the reference voltage, which is the maximum value of the input signal Vin. A direct comparison by the comparator (1) of the signal Vin to Vref/2 delivers the high-value bit (BIT3). The interrupter (2) is open or closed depending on the value, which determines the output of the differential amplifier (3), 2Vin or 2(Vin-Vref/2). The output of the differential amplifier (3) is also compared to Vref/2, and the process is continued to the low-value bit (BITO). The converter can be added to a digital circuit at the output of comparator. An INDEPENDENT claim is also included for an analogue/digital converter comprising one comparator, one differential amplifier, two interrupters, and two sampling-blocking circuits, connected for operation in synchronous mode.

Description

La présente invention concerne un convertisseur analogique/numérique asynchrone à la fois rapide, de grande précision et d'encombrement réduit. The present invention relates to an asynchronous analog / digital converter that is fast, high precision and compact.

Les convertisseurs analogique/numérique actuellement disponibles sont soit rapides et de faible résolution, soit précis mais très lents. Les différentes méthodes utilisées pour obtenir simultanément ces deux qualités (précision et rapidité) se traduisent toujours par une complexité et un encombrement plus grands, très souvent impossible à réaliser. Currently available analog-to-digital converters are either fast and low resolution, or accurate but very slow. The different methods used to simultaneously obtain these two qualities (accuracy and speed) always result in a greater complexity and bulk, very often impossible to achieve.

Par ailleurs tous ces convertisseurs analogique/numérique sont synchrones, c'est-a-dire qu'ils fonctionnent avec une fréquence d'échantillonnage fixée par l'utilisateur, ce qui ne contribue pas à réduire leur consommation. Moreover all these analog / digital converters are synchronous, that is to say they operate with a sampling frequency set by the user, which does not help reduce their consumption.

Le convertisseur analogique/numérique selon l'invention permet de remédier à tous ces problèmes en conjuguant rapidité et précision sans augmenter la complexité du circuit, tout en étant asynchrone. En effet, pour un convertisseur n bits, elle ne nécessite que n comparateurs, n-1 amplificateurs différentiels analogiques et n-1 interrupteurs. Aucun autre élément n'est nécessaire si ce n'est une (et une seule) tension de référence, les valeurs numériques étant directement disponibles à la sortie des n comparateurs. The analog / digital converter according to the invention overcomes all these problems by combining speed and accuracy without increasing the complexity of the circuit, while being asynchronous. Indeed, for an n-bit converter, it requires only n comparators, n-1 analog differential amplifiers and n-1 switches. No other element is necessary except for one (and only one) reference voltage, the numerical values being directly available at the output of the n comparators.

Son fonctionnement est le suivant : le signal analogique vin à convertir est comparé à la moitié de la tension de référence (la valeur maximale de vin) vref/2 à l'aide du ler comparateur. Si vin < vref/2 la sortie de celui-ci passe à 0
(valeur de son alimentation négative), ce qui ouvre le premier interrupteur, mettant ainsi à la masse l'entrée-du premier amplificateur différentiel tandis que son entrée + est connectée en permanence à vin, qui se retrouve par conséquent à la sortie de l'amplificateur différentiel. Si vin > vref/2 la sortie du comparateur passe à 1 (valeur de l'alimentation positive), fermant ainsi l'interrupteur en connectant l'entrée -de l'amplificateur différentiel à vref/2. Dans les deux cas la sortie du comparateur donne la valeur exacte du bit n (bit de poids fort) et le signal issu de la sortie de l'amplificateur différentiel (supposé de gain unité) est un signal de n-1 bits qui doit normalement tre comparé avec vref/2**2 selon la mme technique que précédemment afin d'extraire le bit n-1. On évite cela en donnant à l'amplificateur différentiel (donc à chaque amplificateur différentiel) un gain égal à 2, ce qui permet d'utiliser la mme tension vref/2. Le processus se répète ainsi jusqu'au bit de poids faible (BIT 0) avec la mme tension de référence vref/2.
Its operation is as follows: the analog wine signal to be converted is compared to half of the reference voltage (the maximum wine value) vref / 2 using the comparator ler. If wine <vref / 2 the output of it goes to 0
(value of its negative power supply), which opens the first switch, thus grounding the input-of the first differential amplifier while its input + is permanently connected to wine, which is therefore found at the output of the differential amplifier. If vin> vref / 2 the comparator output goes to 1 (positive power supply value), thus closing the switch by connecting the input - of the differential amplifier to vref / 2. In both cases the output of the comparator gives the exact value of the bit n (most significant bit) and the signal from the output of the differential amplifier (assumed unity gain) is an n-1 bit signal which normally be compared with vref / 2 ** 2 according to the same technique as before to extract the bit n-1. This is avoided by giving the differential amplifier (and therefore each differential amplifier) a gain equal to 2, which makes it possible to use the same voltage vref / 2. The process is thus repeated until the least significant bit (BIT 0) with the same reference voltage vref / 2.

Toutes ces opérations étant effectuées de façon purement analogique, le convertisseur analogique/numérique selon l'invention est très rapide et sa vitesse n'est limitée que par la bande passante des différents éléments analogiques utilisés. Réalisée dans une technologie appropriée elle peut permettre d'atteindre des vitesses de conversion de plusieurs dizaines de MHz voire de quelques centaines de MHz et mme plus. Par ailleurs, avec les technologies micro-électroniques actuelles et à venir, on peut facilement obtenir des précisions de l'ordre de 20 bits et plus tout en maintenant des vitesses de conversion citées ci-dessus. Il est clair que ce convertisseur est totalement asynchrone, c'est-à-dire que la conversion n'a lieu que si le signal analogique vin a varié d'une valeur supérieure à sa résolution (égale à vref/2**n). All these operations being performed purely analogically, the analog / digital converter according to the invention is very fast and its speed is limited only by the bandwidth of the different analog elements used. Performed in an appropriate technology it can achieve conversion speeds of several tens of MHz or even a few hundred MHz and even more. Moreover, with present and future microelectronic technologies, one can easily obtain accuracies of the order of 20 bits and more while maintaining conversion rates mentioned above. It is clear that this converter is totally asynchronous, that is to say that the conversion takes place only if the analog wine signal has varied by a value greater than its resolution (equal to vref / 2 ** n) .

Ce qui évite l'utilisation de circuits échantillonneurbloqueurs et de génération d'horloge internes ou externes, et contribue à la réduction de la consommation du système où il est implanté. This avoids the use of internal or external sampling and sampling circuits, and contributes to the reduction of the consumption of the system where it is implanted.

Selon des modes particuliers de réalisation : -un circuit échantillonneur-bloqueur peut tre ajouté à l'entrée du convertisseur analogique/numérique selon l'invention afin de rendre celui-ci synchrone. According to particular embodiments: a sample-and-hold circuit can be added to the input of the analog / digital converter according to the invention in order to make it synchronous.

-afin d'avoir un convertisseur analogique/numérique le plus simple possible, on peut utiliser le mme bloc de circuit (comparateur, interrupteur, amplificateur différentiel) pour obtenir successivement les n bits en commençant par le bit de poids fort. Le fonctionnement étant synchrone, avec une vitesse de conversion n fois plus faible que celui obtenu en synchrone avec les n blocs au complet.in order to have an as simple as possible analog / digital converter, it is possible to use the same circuit block (comparator, switch, differential amplifier) to successively obtain the n bits beginning with the most significant bit. The operation is synchronous, with a conversion rate n times lower than that obtained in synchronism with the n blocks in full.

-Un circuit numérique de conversion série/parallèle peut tre ajouté à la sortie du convertisseur analogique/numérique sériel ci-dessus décrit.A digital serial / parallel conversion circuit can be added to the output of the analog / digital converter described above.

Les dessins annexés illustrent l'invention :
La figure 1 représente un convertisseur 4 bits selon l'invention.
The accompanying drawings illustrate the invention:
FIG. 1 represents a 4-bit converter according to the invention.

La figure 2 représente une variante de ce mme convertisseur 4 bits.FIG. 2 represents a variant of this same 4-bit converter.

En référence à ces dessins, le circuit comprend 4 comparateurs (1), (5), (8) et (11) ; 3 interrupteurs (2), (6), (9) ; 3 amplificateurs différentiels (3), (7), (10) ; et une source de tension (4). Le signal analogique à convertir est appliqué à centrée + de l'amplificateur différentiel (3) et comparé à la valeur vref/2 de la source de tension (4) grâce au comparateur (1) qui délivre en sortie le bit de poids fort (BIT3).With reference to these drawings, the circuit comprises 4 comparators (1), (5), (8) and (11); 3 switches (2), (6), (9); 3 differential amplifiers (3), (7), (10); and a voltage source (4). The analog signal to be converted is applied to the center + of the differential amplifier (3) and compared to the value vref / 2 of the voltage source (4) by the comparator (1) which outputs the most significant bit ( BIT3).

L'amplificateur différentiel (3) délivre en sortie soit 2*vin soit 2* (vin-vref/2) selon la valeur de BIT3 (qui ouvre ou ferme l'interrupteur (2)). La sortie de (3) est à son tour appliquée à l'entrée + de (7) et comparé de la mme façon à
(4) grâce à (5) dont la sortie est le bit 2 (BIT2). De mme, la sortie de (7) est comparée à (4) grâce à (8) qui fournit en sortie le bit 1 (BIT1). Enfin, le bit 0 (bit de poids faible=BITO) est fourni par le comparateur (11) après comparaison de la sortie de (10) avec (4).
The differential amplifier (3) outputs either 2 * wine or 2 * (vin-vref / 2) according to the value of BIT3 (which opens or closes the switch (2)). The output of (3) is in turn applied to the + input of (7) and compared in the same way to
(4) thanks to (5) whose output is bit 2 (BIT2). Likewise, the output of (7) is compared to (4) by (8) which outputs bit 1 (BIT1). Finally, the bit 0 (LSB = BITO) is provided by the comparator (11) after comparing the output of (10) with (4).

Dans la forme de réalisation selon la figure 2, un seul comparateur (1), un seul amplificateur différentiel (3) et deux interrupteurs (2) et (12) sont utilisés. Par contre, 2 échantillonneurs-bloqueurs (13) et (14) sont nécessaires. Le premier (13) échantillonne et maintient le signal analogique à convertir à la fréquence d'échantillonnage choisie fe. Pendant cette période de maintien, l'échantillonneur-bloqueur (14) échantillonne et maintient le signal issu de l'amplificateur différentiel (3) n fois (pour un convertisseur n bits). Enfin, l'interrupteur (12) commandé par une horloge synchrone et complémentaire de celle qui commande (14) ré-injecte le signal échantillonné par (14) à l'entrée + de (3). Ainsi, pendant toute la période de maintien de (13) les n bits (pour un convertisseur n bits) du signal échantillonné par fe seront sortis en série du comparateur (1), le bit de poids fort en premier et le bit de poids faible en dernier. Il est clair que les deux horloges (15) et (17) cadençant les deux échantillonneurs-bloqueurs (13) et (14) et celle (16) qui pilote l'interrupteur (12) doivent absolument tre disjointes
(jamais au niveau actif en mme temps).
In the embodiment according to Figure 2, a single comparator (1), a single differential amplifier (3) and two switches (2) and (12) are used. On the other hand, 2 sample-and-hold devices (13) and (14) are necessary. The first (13) samples and holds the analog signal to be converted at the selected sampling frequency fe. During this hold period, the sample-and-hold device (14) samples and holds the signal from the differential amplifier (3) n times (for an n-bit converter). Finally, the switch (12) controlled by a synchronous clock and complementary to that which controls (14) re-injects the signal sampled by (14) to the + input (3). Thus, during the entire maintenance period of (13) the n bits (for an n-bit converter) of the signal sampled by fe will be output in series from the comparator (1), the most significant bit first and the least significant bit. Lastly. It is clear that the two clocks (15) and (17) clocking the two sample-and-hold devices (13) and (14) and the one (16) which controls the switch (12) must absolutely be disjointed
(never at the active level at the same time).

Selon une variante non représentée un circuit numérique de conversion série/parallèle (registre à décalage) peut tre ajouté à la sortie du convertisseur analogique/numérique sériel ci-dessus décrit afin d'obtenir une sortie parallèle des valeurs numériques ainsi obtenues. According to a variant not shown a digital serial / parallel conversion circuit (shift register) can be added to the output of the analog / digital converter described above to obtain a parallel output of the numerical values thus obtained.

Le convertisseur analogique/numérique selon l'inventionl est particulièrement destiné aux applications large bande, grande précision et faible consommation d'une part, et aux systèmes sur puce (intégration micro-électronique) d'autre part.  The analog / digital converter according to the invention is particularly intended for broadband applications, high precision and low consumption on the one hand, and systems on chip (microelectronics integration) on the other hand.

Claims (3)

précision et de faible encombrement, et totalement asynchrone caractérisé en ce qu'il comporte, pour une résolution de n bits, n comparateurs ( (1), (5), (8) et (11) pour la version 4 bits) ; n-1 interrupteurs ( (2), (6) et (9) pour la version 4 bits) ; n-1 amplificateurs différentiels de gain 2 ( (3), (7) et (10) pour la version 4 bits) ; et une source de tension de référence (4) de valeur égale à la moitié de la valeur maximale du signal analogique à convertir. precision and small footprint, and fully asynchronous characterized in that it comprises, for a resolution of n bits, n comparators ((1), (5), (8) and (11) for the 4-bit version); n-1 switches ((2), (6) and (9) for the 4-bit version); n-1 gain differential amplifiers 2 ((3), (7) and (10) for the 4-bit version); and a reference voltage source (4) of value equal to half of the maximum value of the analog signal to be converted. REVENDICATIONS 1) Convertisseur analogique/numérique rapide, de grande 1) High speed analog / digital converter 2) Convertisseur analogique/numérique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'un circuit échantillonneur-bloqueur est ajouté à son entrée afin d'obtenir un fonctionnement synchrone.2) A / D converter according to claim 1 characterized in that a sample-and-hold circuit is added to its input to obtain a synchronous operation. 3) Convertisseur analogique/numérique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il ne comporte qu'un seul comparateur3) Analogue / digital converter according to claim 1 characterized in that it comprises a single comparator (1), un seul amplificateur différentiel de gain 2 (3), deux interrupteurs (2) et (12) et deux échantillonneurs-bloqueurs (1), a single differential gain amplifier 2 (3), two switches (2) and (12) and two sample-and-hold devices (13) et (14), permettant d'obtenir une précision arbitrairement élevée au prix d'une réduction proportionnelle de la rapidité, et fonctionnant de manière synchrone avec unencombrement faible et constant. (13) and (14), to obtain an arbitrarily high precision at the cost of a proportional reduction in speed, and operating synchronously with a low and constant clutter. Convertisseur analogique/numérique selon la revendication 3 caractérisé par l'ajout d'un circuit numérique de conversion série/parallèle à la sortie du comparateur (1).  An analog-to-digital converter according to claim 3 characterized by adding a serial / parallel digital conversion circuit to the output of the comparator (1).
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