Differentieller Analog-Digitalu setzer
Aus dem Datenbuch 1989/90 der Firma Siemens, "ICs für Industri¬ elle Anwendungen", Seiten 369 bis 385 ist insbesondere aus dem Blockschaltbild auf Seite 375 ein Analog-Digital-Umsetzer (A/D- U setzer) bekannt. Hierbei wird eine sogenannte "Widerstandslei¬ ter", gebildet aus der Serienschaltung von insbesondere 65 Wi¬ derständen, zwischen das positive und das negative Referenzpo¬ tential geschaltet. Jeder der 64 Knotenpunkte dieser Serien- schaltung ist jeweils an einen der beiden Eingänge eines Kompa¬ rators geschaltet, die anderen Eingänge dieser 64 Komparatoren sind gemeinsam mit einer Eingangsklemme verbunden und werden mit dem umzusetzenden Analogsignal beaufschlagt. Hierbei wird jeder der Komparatoren mit einem Signal angesteuert, das aus der Differenz zwischen dem Aπalogsignalpegel und dem jeweiligen Referenzpegel gebildet wird. Der Analogsignalpegel ist für alle Komparatoren gleich, der Referenzpegel ist für alle Komparato¬ ren unterschiedlich. Der durch die Komparatoren realisierten Umwandlungstufe bzw. Entscheidungsstufe ist eine Auswertestufe aus Flip-Flops, Kodierer, Demultiplexer und Ausgangsstufen nachgeschaltet.
Die Eingangskapazität eines Komparators ist, wie bei jedem Dif¬ ferenzverstärker stark von der an- seinem Eingang anstehenden Differenzspannung abhängig und kann bei kleinen Differenzspan¬ nungen sehr groß werden. Bei Schaltungsanordnungen, wie sie oben beschrieben sind, liegen die Eingangskapazitäten aller Komparatoren parallel an der Eingangklemme, wobei bei jedem Analogsignalpegel immer einige Komparatoren mit einem kleinen Differenzsignal angesteuert sind. Solche bekannte Schaltungsan¬ ordnungen zeichnen sich also durch eine große Eingangskapazität aus, die zudem noch vom Analogsignalpegel abhängig ist. Auf Seite 385 des obengenannten Datenbuches ist dieser Zusammenhang graphisch dargestellt.
Die Analogsignalquelle wird also stark kapazitiv belastet, so daß die Genauigkeit des A/D-Umsetzers in Abhängigkeit von der
Impedanz der Analogsignalquelle und von der Frequenz des umzu¬ setzenden Analogsignales beeinträchtigt wird.
Dadurch, daß aufgrund der entsprechenden Beschaltung der Wider- Standsleiter die Referenzpegel der einzelnen Komparatoren un¬ mittelbar von der Referenzspannung hergeleitet werden und auf¬ grund der unsymmetrischen Ansteuerung der Komparatoren bezüglich der Referenzspotential-Ansteuerung und der Analogsignal-Ansteuer- ung, ist das A/D-Umwandlungsergebnis solcher Schaltungen auch stark von Referenzspannungsstörungen abhängig. D.h., solche Schaltungen sind empfindlich bezüglich Differentieller Störun¬ gen.
Ein zwischen die Analogsignalquelle und die Komparatorsignalein- gänge geschalteter Verstärker, der als Impedanzwandler dienen könnte, ist bei solchen bekannten Schaltungen nicht empfehlens¬ wert, da die damit verbundenen Linearitätsfehler sich störend bemerkbar machen würden und die Genauigkeit des A/D-Umsetzers erheblich schlechter würde.
Aufgabe der Erfindung ist das Bereitstellen eines Analog-Digi¬ tal-Umsetzers mit geringerer Abhängigkeit der Eingangsimpedanz vom Analogsignalpegel, der außerdem die Analogsignalquelle we¬ niger stark belastet, eine geringere Empfindlichkeit bezüglich Gleichspannungsstörungen aufweist und eine symmetrische Ansteu¬ erung der Komparatoren ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen A/D-Umsetzer nach dem Patentanspruch 1 gelöst.
Günstige Ausgestaltungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in den Figuren 1 bis 2 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigt :
Figur 1 die Eingangsschaltung eines erfindungsgemäßen A/D-Um- setzers, Figur 2 eine Schaltung nach Figur 1 mit einer zusätzlichen Kas- kodestufe Tla, Tlb und je einem Linearisierungswider¬ stand ROa und ROb zwischen den Referenzspannungserzeu¬ gungen Ria, R2a, ... bzw. Rlb, R2b, ... und dem ersten Versorgungspotential C, Figir 3 ein besonderes Ausführungsbeispiel einer Schaltung nach Figur 2 mit einer weiteren Kaskodestufe T2a, T2b, die jeweils zwischen den Kollektoranschluß des ersten Tran¬ sistors Ta und der ersten Referenzspannungserzeugung Ria, R2a, ... bzw. des zweiten Transistors Tb und der zweiten Referenzspannungserzeugung Rlb, R2b, ... ge- schaltet ist, wobei der Basisanschluß des fünften T2a und der Basisanschluß des sechsten T2b, diese Kaskode¬ stufe bildenden Transistors mit einem Referenzpotential RV2 beaufschlagt sind und die Basisaπschlüsse des zwei¬ ten Tla und des dritten Tlb, die bereits in Figur 2 ge- zeigte Kaskodestufe bildenden Transistoren mit einem Referenzpotential VR1 beaufschlagt sind.
Figur 1 zeigt einen Analog-Digital-Umsetzer mit einer ersten und einer zweiten Referenzspannungserzeugung, wobei jede dieser beiden Referenzspannungserzeugungen eine Serienschaltung von Widerständen Ria, R2a,..., Rlb, R2b, ... enthält denen jeweils ein gesteuerter Strom eingeprägt ist. Dies Ströme legen in Ver¬ bindung mit den Widerstandswerten die Ausgangspotentiale der Referenzspannungserzeugungen fest. Außerdem mit Komparatoren mit jeweils zwei zueinander symmetrischen Eingängen, wobei ein erster Komparator Kl mit seinem einen Eingang an den zur Bereit¬ stellung des niedrigsten Referenzpegels vorgesehenen Schaltungs¬ knoten der zweiten Referenzspannungserzeugung Rlb,R2b,... ge¬ schaltet ist und mit seinem anderen Eingang an den zur Bereit- Stellung des höchsten Referenzpegels vorgesehenen Schaltungskno¬ ten der ersten Referenzspannungserzeugung Rla,R2a, ... geschal¬ tet ist, wobei ein zweiter Komparator (K2) mit seinem einen Ein-
gang an den zur Bereitstellung des zweit niedrigsten Referenzpe¬ gels vorgesehenen Schaltungsknoten der zweiten Referenzspannungs¬ erzeugung geschaltet ist und mit seinem anderen Eingang an den zur Bereitstellung des zweit höchsten Referenzpegels vorgesehen- en Schaltungsknoten der ersten Referenzspannungserzeugung ge¬ schaltet ist, wobei die weiteren Komparatoren ..., Kk-1, Kk ent¬ sprechend mit ihren Eingängen an die erste und die zweite Refe¬ renzspannungserzeugung derart geschaltet sind, daß der letzte Komparator Kk mit seinem einen Eingang an den zur Bereitstel- lung des höchsten Referenzpegels vorgesehenen Schaltungsknoten der zweiten Referenzspannungserzeugung geschaltet ist und mit seinem anderen Eingang an den zur Bereitstellung des niedrig¬ sten Referenzpegels vorgesehenen Schaltungsknoten der ersten Referenzspannungserzeugung geschaltet ist. Hierbei ist dem ei- nen Eingang jedes Komparators Kl, K2, ... ein zur Bereitstel¬ lung eines Referenzpegels vorgesehener Schaltungsknoten der er¬ sten Referenzspannungserzeugung und dem anderen Eingang dieses Komparators Kl, K2, ... ein zur Bereitstellung eines Referenz¬ pegels vorgesehener Schaltungsknoten der zweiten Referenzspan- nungserzeugung eindeutig zugeordnet. Die erste Referenzspan¬ nungserzeugung Ria, R2a,.... liegt im Kollektorkreis eines er¬ sten Transistors Ta. Hierzu ist der eine Anschluß der die erste Referenzspannungserzeugung bildenden Serienschaltung von Wider¬ ständen Ria, R2a, ... an den Kollektoranschluß des ersten Tran- sistors geschaltet und der andere Anschluß dieser Serienschal¬ tung an das erste Versorgungspotential Vrr geschaltet. Die zweite Referenzspannungserzeugung Rlb, R2b, ... liegt in glei¬ cher Weise im Kollektorkreis eines zweiten Transistors Tb. Der erste und der zweite Transistors Ta, Tb bilden eine Differenz- verstärkerschaltung und der Steuereingang des ersten Transis¬ tors Ta und der Steuereingang des zweiten Transistors Tb bilden einen mit Gegentakt-Signalen /\Vi beaufschlagbaren symmetri¬ schen Analogsignaleingang. Der Emitteranschluß des ersten Tran¬ sistors Ta ist über einen der Gegenkopplung dienenden nicht er- findungswesentlichen Widerstand REa und der Emitteranschluß des zweiten Transistors Tb ebenfalls über einen weiteren Widerstand REb an einen Anschluß einer Stromquelle IE geschaltet, deren
anderer Anschluß an das zweite Bezugspotential V-E geschaltet ist.
Figur 2 zeigt einen A/D-Umsetzer, der sich gegenüber dem in Fi- gur 1 gezeigten dadurch unterscheidet, daß in der ersten und der zweiten Referenzspannungserzeugung jeweils ein Linearisie¬ rungswiderstand ROa, ROb vorgesehen ist, über den die Serien¬ schaltung der Referenzwiderstände Ria, R2a, ... Rlb, R2b ... an ein erstes Versorgungspotential Vcc geschaltet sind und außer- dem dadurch, daß die erste Referenzspannungserzeugung über die steuerbare Strecke eines dritten Transistors Tla an das erste Versorgungspotential Vcc geschaltet ist, daß die zweite Refe¬ renzspannungserzeugung über die steuerbare Strecke eines vier¬ ten Transistors Tlb an das erste Versorgungspotential Vcc ge- schaltet ist und daß der Steuereingang des dritten Transistors Tla und der Steuereingang des vierten Transistors Tlb mit einem konstanten Potential VR beaufschlagt sind.
Der in Figur 1 durch den ersten Transistor Ta und den zweiten Transistor Tb, mit der Stromquelle IE im Emitterkreis und den beiden Referenzspannungserzeugung Ria, R2a, ..., Rka bzw. Rib, R2b, ..., Rkb gebildete Differenzverstärker hat k symmetrische Ausgänge mit den Ausgangsspannungen \Vo,l, VO>2, ..., /Q/o,k. Hierbei wird die Zahl k bestimmt durch die Anzahl der Teilwi- derstände Ria, R2a, ... der Referenzspannungserzeugungen und durch die entsprechende Anzahl der Komparatoren Kl, K2, ..., Kk.
Soll der Analog-Digital-Umsetzer eine Auflösung von n Bit ha¬ ben, wobei n eine natürliche Zahl ist, so ist die Anzahl der Widerstände pro Referenzspannungserzeugung sowie die Anzahl der Komparatoren abhängig von der Schaltschwelle der Komparatoren. Soll eine Schaltschwelle in Bereichsmitte liegen, so sind 2n-l üblicherweise gleichgroße Widerstände und identische Komparato¬ ren erforderlich, soll eine Schaltschwelle beispielsweise sym- metrisch zur Bereichmitte liegen, so sind 2n Widerstände pro Referenzspannungserzeugung und auch Komparatoren erforderlich, wobei 2n-l Widerstände gleichgroß sein sollten und der Wider-
stand Ria bzw. Rlb kleiner als die anderen Teilwiderstände, beispielsweise halb so groß sein sollte.
Ist A der Verstärkungsfaktor der aus dem ersten Transistor Ta und dem zweiten Transistor Tb gebildeten Transistorschaltung und sind die Widerstände Ria, R2a, ..., Rka und Rlb, R2b, ..., Rkb gleichgroß und haben den Wert R, entspricht _AVi der Ein¬ gangsdifferenzspannung am Signaleingang der Schaltung und ent¬ spricht IE dem durch die Stromquelle IE fließenden Strom, so ergibt sich für die einzelnen, an den jeweiligen Komparatorein- gängen anstehenden Differenzspannungen /\ o , l , o
> , • >
^Vo,x = A-^Vi + (x - k/2)- R-IE
Jede Spannung
wird zu Null für einen bestimmten Wert von Vi. Die Schaltschwelle eines Komparators Kx entspricht dem Wert der Spannung
bei der seine Eingangsdifferenzspannung Λ.Vo,x zu Null wird. Hierbei ist die Spannungsdifferenz LSB zwischen zwei benachbarten Schaltschwellen gegeben durch LSB = R'IE/A.
Zwischen den an einen Komparator angeschlossenen Ausgangsklemme der Differenzverstärkerschaltung ist für jedes Ausgangsklemmen- paar im Kollektorkreis des Differenzverstärkers die gleiche An¬ zahl von Teilwiderständen der Referenzspannungserzeugung wirk¬ sam. Dadurch läßt sich der Verstärkungsfaktor der Differenzver¬ stärkerschaltung sowie die Spannungsdifferenz zwischen zwei be¬ nachbarten Schaltschwellen LSB unabhängig voneinander durch Wahl der Widerstandswerte und des Stromes der Stromquelle IE einstellen.
In einer besonders günstigen Ausgestaltungsform der Erfindung wird der Verstärkungsfaktor A = 1 gewählt. Damit kann der Ver- Stärkungsfaktor über den gesamten Aussteuerbereich genügend genau konstant gehalten werden. Störungen aufgrund der nicht- linearen Abweichungen der Basis-Emitter-Spannungen des ersten
und des zweiten Transistors Ta, Tb können somit in Grenzen ge¬ halten werden. Ein Verstärkungsfaktor A = 1 kann bei einer Wi¬ derstandszahl pro Referenzspannungserzeugung von 2n - 1, wobei alle Widerstände gleichgroß sind, die Linearisierungswiderstän- de ROa und ROb den Wert RO haben und die Emitterwiderstände REa bzw. REb den Wert RE haben, eingestellt werden durch:
2 RE = 2n- R + 2- RO.
Bei 2n Widerständen pro Referenzspannungserzeugung, wobei der Wert des Widerstandes Ria und des Widerstandes Rlb halb so groß ist wie der Wert der übrigen Widerstände der Referenzspannungs¬ erzeugungen, liegt der selbe Zusammenhang vor.
Durch das Zwischenschalten zusätzlicher Widerstände (Linearisie¬ rungswiderstände) ROa, ROb zwischen die Referenzspannungserzeu¬ gungen und das erste Versorgungspotential Vc_. kann sicherge¬ stellt werden, daß die Differenzverstärkerschaltung im gesamten Aussteuerbereich ein lineares Ubertragungsverhalten hat.
Durch eine Kaskodestufe, bestehend aus einem dritten Transistor Tla und einem vierten Transistor Tlb, deren Basisanschlüsse ge¬ meinsam mit einem festen Potential VR bzw. VR1 beaufschlagt werden, deren Kollektoranschlüsse an das erste Versorgungspoten- tial Vcc angeschaltet sind und deren Emitteranschlüsse jeweils das eine Potential einer Referenzspannungserzeugung bereitstel¬ len, wird die in erster Linie durch eine symmetrische Signal¬ führung erreichte Unabhängigkeit der Schaltungsanordnung von Versorgungsspannungsschwankungen noch verbessert. Außerdem dient eine solche Kaskodestufe der Linearisierung der Verstär¬ kung und zusätzlich kann man die Gleichspannungspegel für die Komparatoren einstellen. Insbesondere kann gewählt werden VR = . Die Verstärkung .ist bei symmetrisch aufgebauten Schaltungsanordnungen nach Figur 1 unter anderem nichtlinear, weil die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Ta und des Transistors Tb abhängig sind von dem durch die Transistoren fließenden Strom. Bei Ansteuerung der Transistoren Ta und Tb
mit einem Differenzsignal fließen in beiden Transistoren unterschiedlich große Ströme, deren Differenz proportional zu dem Differenzsignal /\Vi ist und man erhält in den Transistoren Ta und Tb unterschiedliche Basis-Emitter-Spannungen. Wenn, wie in Figur 2 gezeigt, eine zusätzliche Kaskodestufe Tla und Tlb eingefügt ist, so fließt durch die Transistoren dieser Kaskode¬ stufe der gleiche Strom wie durch die Transistoren Ta bzw. Tb, so daß dieser Effekt an beiden Endanschlußklemmen der Wider¬ standsreihenschaltungen aus den Widerständen Ria, R2a,...,Rka und evtl. ROa bzw. aus den Widerständen Rlb, R2b,...,Rkb und evtl. ROb auf, so daß die dadurch bedingte Nichtlinearität weitgehend unterdrückt wird.
Eine solche erfindungsgemäße Schaltung belastet die Eingangssi- gnalquelle erheblich geringer als bekannte Schaltungsanordnungen, Die Eingangskapazität ist wesentlich geringer und viel linearer als bei bekannten Schaltungsanordnungen. Außerdem ist eine Ver¬ stärkung des Analogsignales möglich. Es kann auch zusätzlich ein Analogsignalverstärker vorgeschaltet werden, ohne daß dessen Gleichspannungsoffset die Qualität der Analog-Digital-Umsetzung beeinflussen würde.
In einer besonders günstigen Ausgestaltungsform ist, wie in Figur 3 gezeigt, zwischen dem Kollektoranschluß des ersten Transistor Ta und die erste Referenzspannungserzeugung Ria, R2a, ... ein fünfter Transistor T2a geschaltet sowie zwischen dem Kollektoranschluß des zweiten Transistors Tb und die zweite Referenzspannungserzeugung Rlb, R2b, ... ein sechster Transi¬ stor T2b geschaltet, wobei der Basisanschluß des fünften Tran- sistors und der Basisanschluß des sechsten Transistors mit ei¬ nem weiteren Referenzpotential VR2 beaufschlagt sind. Durch diese zusätzliche Kaskodestufe wird die Eingangskapazität der Differenzverstärkerschaltung, gebildet aus dem ersten und dem zweiten Transistor Ta und Tb, herabgesetzt. Dadurch ist die Schaltung auch noch für Analogsignale mit höherer Frequenz ge¬ eignet.
Die durch die Eingangsbasisströme der Komparatorschaltung ent¬ stehenden unerwünschten Effekte bezüglich der Eingangsanalog¬ spannung zeigen bei erfindungsgemäßen "Schaltungen ein lineares Verhalten, bei Schaltungen nach dem Stande der Technik zeigen sie ein quadratisches Verhalten entlang dem Komparatorarray.
Als Komparatoren Kl, K2, ., Kk können beliebige Komparatoren mit symmetrischem Eingang verwendet werden, beispielsweise sol¬ che, wie sie in dem Artikel "A 6-Bit/200- Hz Füll Nyquist A/D Converter" von Zojer, Petschacher und Luschnig, IEEE Journal of Solid-state Circuits, vol. sc-20, No. 3, June 1985 Seiten 780 bis 786, insbesondere auf Seite 782 in Figur 4 gezeigt sind.
Eine Besonderheit erfindungsgemäßer Schaltungsanordnungen ist unter anderem darin zu sehen, daß zwei Referenzspannungen in Abhängigkeit von einem Analogsignal relativ zueinander verän¬ dert werden.