Аналого-цифровой преобразователь

Аналого-цифровой преобразователь

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКО МУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Соввтснин

Социалистические респубпнн (и) 902243 (6l ) Дополнительное к авт. синд-ву (22) Заявлено 23. 01. 80 (21) 2872961/18-21 с присоединением заявки М (23) Приоритет(5! )М. Кл.

Н 03 К 13Л2

Говударстванныб кемнтет

CCCP

I но делан нзебретеннй н открытки

Опубликовано 30 ° 01 ° 82 Бюллетень Рй 4..

Дата опубликования описания 30.0 1. 82 (53) УДК 681. 325 (088. 8) (72) Автор изобретейия

И. И. Бычков (71) Заявитель (54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к импульсной и вычислительной технике, в частности к микроэлектронным преобразователям

"аналог- код".

Известен аналого-цифровой преобразователь (АЦП) информации с инжекционным питанием на совмещенных транзисторных структурах, содержащий источник опорного тока, соединенный выходом с элементом многоколлекторного опорного транзистора, входной мно!

О гоколлекторный транзистор, эмиттер которого соединен с входной шиной, и триггеры- компараторы с непосредст венными связями по числу разрядов преобразователя (11 .

1$

В данном аналого-цифровом преобразователе используются триггеры-компараторы с сильной положительной обратной связью, приводящей к большому .гистерезису переключения. Это явление приводит в свою очередь к тому, что

1триггеры-компараторы старших разрядов могут не переключаться. Это является одним из основных недостатков данного АЦП. Кроме того, отсутствует возможность тактовой синхронизации анализируемой информации. 1

Известен аналого-цифровой преобразователь, содержащий триггеры-компараторы с непосредственными связями по числу разрядов íà и-р-и-транзисторах, входной двухколлекторный р-п-р-транзистор, эмиттер которого соединен с входной шиной, а каждый из коллекторов - с базой первого и-р-и-транзистора триггера-компаратора с непосредственными связями каждого разряда преобразователя, опорный многоколлекторный р-п-р-тран. эистор, эмиттер которого соединен с шиной опорного тока, двухколлекторный и-р-р-транзистор в каждом разряде, коллекторы которого соединены соответственно с базами и-р-и-транзисторов триггера-компаратора с непосредственными связями в каждом

90224

000 ...... 00

100 ...... 00

ll0 ....., 00

Ф ° ° ° °

111 . . . . 11

Число-импульсный код применяется в основном в аналого-цифровых преобразователях для кодирования угла поворота и скорости вращения вала. Он зо может быть полезен также в смешанных системах для выражения величины отдельных разрядов. Для работы АЦП с вычислительными устройствами, требу25 ющими для работы позиционной двоичной системы счисления (двоичного кода), необходимо применять дополнительные схемы по переводу унитарного кода с выходов АЦП в двоичный код.

Необходимая разрядность АЦП при реализации требует определенного количества триггеров-компараторов, подсчитываемых по формуле N=2" - 1, где

Й вЂ” необходимое количество триггеров-компараторов в ЯЦП для и разря- М5 дов, выбираемых для работы.

Из данного равенства видно, что для реализации АЦП даже с небольшой разрядностью требуется большое количество триггеров-компараторов, воз- 46

Растающих в два раза при переходе от . разряда к разряду (от младшего и старшему). За счет этого схема АЦП сильно усложняется. К тому же при работе с вычислительными устройст- 45 вами, в которых используется простая позиционная двоичная система счисления, требуется дополнительная схема по переводу кодов. Обычно данная схема выполняется в составе од- 50 ного кристалла с АЦП, что приводит к увеличению размеров кристалла, снижению надежности преобразователя.

Цель изобретения - упрощение и повышение надежности преобразова- 55 теля.

Указанная цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразова3 разряде, а эмиттер - с общей шиной 121.

В данном АЦП при увеличении аналогового и опорных токов с последовательным переключением триггеровкомпараторов от разряда с меньшим опорным током до разряда с большим опорным током, получаем непозиционную систему исчисления. число-импульсного (унитарного) кода:

1О

3 4 тель, содержащий триггеры-компараторы и с непосредственными сэязями по числу разрядов на и-р-и-транзисторах, входной многоколлекторный р-п-р-транзистор, эмиттер которого соединен с входной шиной, а каждый из коллекторов - с базой первого и-р-и-транзистора триггера-компаратора с непосредственными связями каждого разряда преобразователя, опорный многоколлекторный р-и-ртранзистор, эмиттер которого соединен с шиной опорного тока, двухколлекторный и--р-и-транзистор в каждом разряде, коллекторы которого соединены соответственно с базами и-р-и -транзисторов триггера-компаратора с непосредственными связями в каждом разряде, а эмиттер - с об-. щей шиной, введены шины распределительных тактовых импульсов по числу, разрядов, каждая из которых соединена в каждом разряде с базой соответствующего двухколлекторного и-р-итранзистора, в каждый разряд К дополнительных р-п-р-транзисторов, где

К - номер разряда, начиная со старшего разряда, а вторые и-р-и-транзисторы. триггеров-компараторов с непосредственными связями в каждом разряде выполнены (А-К+1)-коллекторными, где А — число разрядов преобразователя, причем коллекторы дополнительных р-и-р-транзисторов в каждом разряде обьединены и соединены с базой второго и-р-и-транзистора триггеракомпаратора с непосредственными связями того же разряда, базы дотзолнительных р-и-р-транзисторов соединены с общей шиной, а эмиттеры - с соответствующими коллекторами опорного многоколлекторного р-ll р-транзистора, при этом дополнительные коллекторы вторых и-р-и транзисторов триггеровкомпараторов с непосредственными связями в каждом разряде соединены с эмиттерами. соответствующих дополнительных р-и-р-транзисторов последующих разрядов.

На фиг.l представлена принципиальная электрическая схема четырехразрядного АЦП; на фиг.2 - временная диаграмма распределенных тактовых импульсов; на фиг. ) — топология предлагаемоro АЦП.

Преобразователь содержит многоколлекторный р-и-р-транзистор 1 аналогового сигнала, многоколлекторный

902243

25

40

S0

55 р-п -р-транзистор 2 опорного тока; триггеры-компараторы 3-10, двухколлекторные и-р-и-транзисторы 11-14 триггеров- компараторов, дополнит ел ьные р-и-р-транзисторы 15-24, шины

25-28 распределительных тактовых импул ьсов.

Каждый АЦП в статическом состоянии имеет следующие связи: транзисторы 3-4, 5-6; 7 8 9-10 соединены в триггерную схему с непосредственными связями.

Базы триггерных схем соединены с коллекторами двухколлекторных и-р-и-транзисторов 11-14 в следующем порядке. коллекторы 11 соединены с базами 3-4 триггера- компаратора, коллекторы 12 соединены с базами 5-6 триггера-компаратора, коллекторы 13 соединены с базами 7-8 триггера-компаратора третьего разряда, коллекторы 14 соединены с базами 9- 10 триггера-компаратора.

1 г

В свою очередь базы двухколлекторных и-р-и-транзисторов 11- 14 соединены с шинами 25-28 распределенных импульсов соответственно. Базы и-р-итранзисторов 3, 6, 7 и 10 триггеровкомпараторов конструктивно совмещены с коллекторами многоколлекторного р-и-р-транзистора 1, эмиттер последнего соединен с источником входного аналогового сигнала, База и-р-итранзистора 4 триггера-компаратора конструктивно совмещена с группой коллекторов от дополнительных р-и-р" транзисторов 15- 18, причем эмиттер транзистора 18 соединен с одним иэ введенных коллекторов и-р-и --транзистора 9 триггера-компаратора, эмиттер р-и-р-транзистора 17 соединен с одним из введенных коллекторов в . и-р-и-транзистор 8 триггера-компаратора. Эмиттер р-и-р-транзистора 16 соединен с введенным коллектором в и-р-и-транзистор 5 триггера-компаратора. База и-р-и-транзистора 5 триггера-компаратора конструктивно совмещена с группой коллекторов от дополнительных р-и-р-транзисторов 1921, причем эмиттер транзистора 21 соединен со вторым введенным коллектором в и-р-и-транзистор 9 триггера-компаратора, эмиттер р-и-р-транзистора 20 соединен со вторым введенным коллектором в и-р-и-транзистор 8 триггера-компаратора.

База и-р-и-транзистора 8 триггера-компаратора конструктивно совмещена с группой коллекторов от дополнительных р-и-р-транзисторов 22 и 23, причем эмиттер транзистора 23 соединен с третьим введенным коллектором в и-р-п-транзистор 9 триггеракомпаратора. база и-р-и-транзистора 9 триггера-компаратора конструктивно совмещена с ксллектором р-и-р-транзистора 24.

Эмиттеры всех введенных р-è-р транзисторов 15-24 конструктивно совмещены с коллекторами р-и-р-транзистора 2. Эмиттер последнего соединен с источником опорного тока.

Все эмиттеры и -р-и-транзисторов кон1 структивно совмещены с базами и р-и

20 транзисторов и соединены с общей шинои нулевого потенциала.

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии тактового питания и входного тока аналогового сигнала правые по схеме (фиг. 1) и -р-и -транзисторы 4, 5, 8, 9 триггеров- компараторов насыщены, так как в их базы через дополнительные р-и -р-транзисторы 15-24 задается ток от р-и-р-транзистора 2, эмиттер последнего соединен с источником опорного тока. В насыщенных и-р-и-транзисторах триггеров- компараторов от крываются вве- . денные в них коллекторы, через которые замыкаются на общую шину нулевого потенциала токи от р-и-р-транзисторов 16-18, 20, 21 и 23. Тогда в базы и-р-и --транзисторов 4, 5, 8 и 9 задаются опорные токи только от дополнительных р-и -p-транзисторов 15, 19, 22 и 24 соответственно. Последние поддерживают первые во включен" ном состоянии, что обеспечивает на выходах всех разрядов АЦП нулевое состояние.

Токи, задаваемые дополнительными р-и-р-транзисторами 15-24 за счет выполнения эмиттерных областей с различными геометрическими размерами, имеют следующие весовые коэффициенты токов: 2 1 для транзисторов 15, 16 и 19; 4 1 для транзисторов 17, 20 и 22; 8 I для транзисторов 18, 21, 23. 24.

Из данных весовых токовых коэффициентов видно, что в разряде АЦП, выполненного на и-р-и -транзисторах

7 9022

3 и 4, в базу 4 задается ток, равный 1 I от дополнительного р-и-ртранзистора 15, поддерживая триггеркомпаратор в нулевом состоянии по выходу. S

В базу и-р-и-транзистора 15 следующего разряда АЦП задается ток, равный 2 1 от дополнительного р-и-ртранзистора 19, обеспечивая нулевое состояние по выходу в триггере-ком- 10 параторе этого разряда.

В базу и-р-и -транзистора 8 следующего разряда АЦП задается ток, равный 4 Г от дополнительного р-и-ртранзистора 22 и поддерживает триг-. гер-компаратор в нулевом состоянии по выходу.

В базу и-р-и-транзистора 9 следующего старшего разряда АЦП задается ток, равный 8 j от дополнитель- р0 ного р-и-р-транзистора 24, что поддерживает триггер-компаратор в нулевом состоянии по выходу. Поэтому, при нулевом сигнале на входе АЦП, на выходах получаем код 0000. При 25 увеличении тока аналогового сигнала на эмиттере транзистора 1 и сравнении его с опорными токами в разрядах АЦП необходимо исключить гистерезис триггеров-компараторов и уве- 50 личить точность сравнения аналогового и опорного токов. Для этого на базы двухколлекторных и-р-и-транзисторов 11- 14 по шинам распределенных тактовых импульсов подаются короткие положительные импульсы. Данные импульсы последовательно от старшего разряда к младшему включают и-р-итранзисторы, начиная с 14 по 11.

Открытые коллекторы любого из транзисторов замыкают токи от Газ и-р"п-транзисторов, на которых выполкан триггер-компаратор на нулевой потенциал общей шины. Во время присутствия тактового импульса триг" 45 гер"компаратор находится в отключен ном неопределенном состоянии и токи, протекаемые от опорного и аналогового сигналов, заряжают узловые базовые емкости транзисторов триггеров50 компараторов до различных значений.

По окончании тактового импульса коллектора двухколлекторного и-р-итранзистора закрываются и на базах транзисторов триггеров-компараторов

55 начинают повышаться потенциалы, на которые накладываются заряды от емкостей узловых баз транзисторов триггеров-компараторов и определя ются их состояния на пороге срабатывания.

Анализ и сравнение опорного и аналогового сигналов -всегда происходит последовательно от старшего разряда к младшему. Допустим, аналоговый входной ток на базах п-р-итранзисторов 3, 6, 7, 10 превышает

1 1, тогда по тактовому импульсу шины

15 данный аналоговый ток сравнивается в старшем разряде с опорным током, который равен 8 (и не изменяет его состояния. В двух более младших разрядах по тактовым импульсам от шин 26 и 27 тоже никаких изменений в выходной информации не происходит, так как весовые коэффициенты опорного тока в этих разрядах явно больше аналогового.

В этих разрядах опорный ток соответственно равен. 4I и 2 1. И только в младшем разряде по тактовому импульсу от шины 28 за счет превышения тока базы и-р-и-транзистора 3 аналогового сигнала над опорным током базы и-р-и -транзистора 4 происходит переключение триггера-компаратора (по окончании тактового импул ьса ) . В резул ьт ате чего и -р -итранзистор 4 выключается, а и-р-итранзистор 3 включается. На выходе разряда можно фиксировать напряжение логической единицы (оно близко к напряжению на прямосмещенном р-и переходе и для кремния составляет

0.6-0, 8 В), На выходе АЦП получаем код 1000.

При увеличении входного аналогового сигнала до значения, превышающего 2 и поступающего в базы и-р-и-транзисторов 3,6, 7 и 10 триггеров-компараторов, можно с уверенностью сказать, что в двух старших разрядах при анализе опорного тока с аналоговым и в силу больших опорных токов, данные разряды остаются в нулевых состояниях по выходу.

При появлении тактового импульса шины 27 в этом разряде происходит сравнение аналогового и опорного токов, а после окончания тактового импульса происходит переключение триггера-компаратора этого разряда АЦП, где и-р-и-транзистор 6 включается, а и-р-и-транзистор 5 выключается.

Коллекторы выключенного и-р-и-транзистора 5 закрываются и ранее протекаемый через введенный коллектор ток от эмиттера дополнительного р-и-р1 0 l

0 1 1

1 1 1

0 0 0

° ° ° °

1 1 1 1

9 9 транзистора 1Ь на шину нулевого потенциала прекращается и начинает поступать в базу и-р-и-транзистора 4 триггера-компаратора младшего разряда АЦП с весовым коэффициентом тока, равного 2 j. Общий ток, поступаемый в базу п-р-п-транзистора, равен 3 ? (от дополнительных р-и-р-транзисторов 15- 1 1; 16-2 Ц и после окончания тактового импульса от шины 28 младший разряд АЦП встает в свое исходное первоначальное состояние с нулевой информацией по выходу, а на выходе АЦП устанавливается .код 0100.

При увеличении входного аналогового тока до значения, превышающего 3 1 и поступающего на базы 3 6, 7 и 10 триггеров- компараторов, происходит сравнение аналогового тока с опорным. По тактовым импульсам от шин 25 и 26 в двух старших разрядах АЦП в силу опорных токов больших, чем аналогового, информация по выходам остается нулевая.

По тактовому импульсу шины 27 происходит подтверждение единичного состояния во втором младшем разряде

АЦП за счет аналогового тока, который больше опорного. При появлении тактового импульса шины 28 в младшем разряде происходит сравнение аналогового и опорного токов, а после окончания тактового импульса происходит переключение триггеракомпаратора этого разряда АЦП в единичное состояние по выходу. Таким образом, на выходе АЦП получаем код

»00.

При дальнейшем увеличении входного аналогового сигнала до значения, превйшающего 41 и поступающего в базы и-р-и-транзисторов 3, 6, 7 и 10 триггеров-компараторов в старшем разряде, происходит сравнение по тактовому импульсу шины 25 аналогового тока с опорным. В силу большего опорного тока триггер-компаратор остается в нулевом состоянии.

По тактовому импульсу шины 26 в этом разряде триггера-компаратора происходит анализ аналогового тока с опорным, а после окончания тактового импульса происходит сравнение и переключение триггера-компаратора в единичное состояние. Таким образом, и-р-и-транзистор 7 включается, а и-р-и-транзистор 8 выключается.

Коллекторы выключенного и-р-итранзистора 8 закрываются и ранее

02243 10 протекаемые токи через введенные коллекторы данного транзистора от змиттеров дополнительных р-и-р-транзисторов 17 и 20 на шину нулевого

5 потенциала прекращаются и начинают поступать в базы п-р-и-транзисторов

4 и 5 триггеров-компараторов. двух младших разряда АЦП с весовыми коэффициентами 4 1. Общий ток, поступае10 мый в базу и-р-и-транзистора 5 триг" гера-компаратора этого разряда АЦП, равен 6 T. и по тактовому импульсу от шины 27 происходит переключение триггера-компаратора в нулевое состоя15 ние по выходу. Тогда и-р-и-транзистор 5 включается, а и-р-n""транзистор

6 выключается и через введенный открытый коллектор младшего разряда происходит замыкание тока от эмитте20 ра дополнительного р-и --р-транзистора

16 на общую шину нулевого потенциала.

Тем самым, ток в базу и-р-и-транзистора 4 триггера-компаратора младшего разряда РЦП задается с весовым козф25 фициентом g $ и по тактовому импульсу шины 28 происходит переключение триггера-компаратора в нулевое состояние по выходу. И на выходе АЦП устанавливается код 00 10. з0 Дальнейшее увеличение тока аналогового сигнала вызывает последовательное увеличение позиционной двоичной системы счисления

Предлагаемый АЦП предназначен для выполнения в составе интегральных схем с инжекционным питанием.

Использование предлагаемого изобретения обеспечивает простоту изготовления АЦП в одном кристалле со схемами интегральной инжекционной логики; высокую степень интеграции

: на кристалле; минимальное произве дение потребляемой мощности на время переключения; изготовление по технологии биполярных интегральных схем, что позволяет упростить схему и повысить надежность АЦП. формула изобретения

Аналого-цифровой преобразователь, содержащий триггеры-компараторы с не"

9022 посредственными связями по числу разрядов на п-р-п-транзисторах, входной многоколлекторный р-п-р-транзистор, эмиттер которого соединен с входной шиной, а каждый из коллекторов - с базой первого и-р-и-транзистора триггера-компаратора с непосредственными связями каждого разряда преобразователя, опорный многоколлекторный р-п-р-транзистор, змиттер .которого 10 соединен с шиной опорного тока, двух коллекторный и-р-и-транзистор в каждом разряде, коллекторы которого соединены соответственно с базами

n-p-n-транзисторов триггера-компара- 15 тора с непосредственными связями в каждом разряде, а змиттер - с общей шиной, отличающийся тем, что, с целью упрощения и повышения надежности преобразователя, в него zo введены шины распределительных тактовых импульсов по числу разрядов, каждая из которых соединена в каждом разряде с базой соответствующего двухколлекторного n-p-n-транзистора, 2s в каждый разряд К дополнительных р-п-р-транзисторов, где К - номер разряда, начиная со старшего разряда, а вторые и-р-и-транзисторы триг-!

43 12 геров-компараторов с непосредственными связями в каждом раэрядс выполнены А-К+1 коллекторными, где А— число разрядов преобразователя, причем коллекторы дополнительных р-и--ртранзисторов в каждом разряде объединены и соединены с базой второго и-р-и-транзистора триггера-компаратора с непосредственными связями того же разряда. базы дополнительных..р-п-р-транзисторов соединены с общей шиной,, а змиттеры — с соответствующими коллекторами опорного многоколлекторного р-п-р-транзистора, при этом дополнительные коллекторы вторых и-р-и-транзисторов триггеров компараторов с непосредственными связями в каждом разряде соединены с эмиттерами соответствующих дополнительных р-и-р-транзисторов последующих разрядов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1 ° Авторское свидетельство СССР

tP 600729, кл. Н 03 K 13/20, 1976.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке У 2647681, кл. Н 03 K 13/02, 1978 (прототип).