DE102008050003A1 - Parallel analog-to-digital converter, has input contacts connected with emitter terminals of respective transistors, and comparator circuit formed to impart negative and positive control current to respective emitter terminals - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen parallelen Analog-Digital-Umsetzer (A/D-Umsetzer), umfassend eine Vielzahl von Komparatoren, die ausgebildet sind, eine an zwei Eingangskontakten abfallende differentielle Spannung mit einer jeweiligen Schwellenspannung zu vergleichen und ein jeweiliges, vom Vergleichsergebnis abhängiges, digitales Ausgangssignal zu erzeugen und einem Dekodierer des Analog-Digital-Umsetzers zuzuführen.The The present invention relates to a parallel analog-to-digital converter (A / D converter) comprising a plurality of comparators formed are a differential voltage dropping across two input contacts to compare with a respective threshold voltage and a respective, from the comparison result dependent, digital output signal to generate and supply to a decoder of the analog-to-digital converter.
Parallele
A/D-Umsetzer der oben genannten Art werden üblicherweise
mit differentiellen Signalen, insbesondere für Takt und
Eingangssignal ausgeführt. Hierfür gibt es zwei
Hauptgruppen von bekannten Lösungen:
Die erste Gruppe,
beispielsweise im Dokument
The first group, for example in the document
Die Verwendung von Widerstandsnetzwerken zur Quantifizierung des Eingangssignals bringt jedoch den großen Nachteil mit sich, dass die Widerstände zusammen mit ihren jeweiligen parasitären Kapazitäten ohmisch-kapazitive Tiefpässe bilden, die die maximale Bandbreite des Eingangssignals begrenzen. Damit ist die Signalverarbeitungsgeschwindigkeit (auch als Abtastrate bezeichnet) des A/D-Umsetzers ebenfalls begrenzt, nämlich auf einige Giga-Samples/Sekunde (GS/s), wie etwa 1,5 GS/s. Gerade aktuelle Anwendungen digitaler Signalverarbeitung für sehr schnelle Signale, z. B. in der Lichtleittechnik, erfordern jedoch eine extrem hohe Signalverarbeitungsgeschwindigkeit bei hoher Signalbandbreite, z. B. 56 GS/s bei 28 GHz.The Use of resistor networks to quantify the input signal However, it brings the big disadvantage that the resistors together with their respective parasitic capacities ohmic-capacitive Low passes form the maximum bandwidth of the input signal limit. This is the signal processing speed (also also referred to as the sampling rate) of the A / D converter, namely to a few giga-samples / second (GS / s), such as 1.5 GS / s. Especially current applications of digital signal processing for very fast signals, eg. B. in the light control technology, however, require an extremely high signal processing speed at high signal bandwidth, z. B. 56 GS / s at 28 GHz.
Die zweite bekannte Gruppe von parallelen A/D-Umsetzern stellt allen Komparatoren dasselbe Eingangssignal zur Verfügung. Das hat den Vorteil, dass keine ohmisch-kapazitiven Tiefpässe die Signalbandbreite begrenzen. Um das Eingangssignal quantifizieren zu können, müssen die Schaltschwellen der Komparatoren bei jeweils unterschiedlichen Spannungen liegen. Im Idealfall sind die Schaltschwellen jeweils um die gleiche Spannungsdifferenz DeltaV zueinander verschoben. Damit sich die Schaltschwelle eines Komparators um DeltaV gegenüber dem symmetrischen Nullpunkt verschiebt, muss dieser eine interne Asymmetrie am Eingang aufweisen. Bei üblichen Ausführungen der Eingangsschaltungen von Komparatoren werden diesbezüglich zwei Ansätze verfolgt.The second known group of parallel A / D converters represents all Comparators the same input signal available. The has the advantage that no ohmic-capacitive low passes limit the signal bandwidth. To quantify the input signal To be able to, the switching thresholds of the comparators must lie at different voltages. Ideally the switching thresholds in each case by the same voltage difference DeltaV shifted to each other. So that the switching threshold of a comparator shifts by DeltaV versus symmetric zero, this must have an internal asymmetry at the input. At usual Embodiments of the input circuits of comparators are pursued two approaches in this regard.
Bei dem ersten Ansatz werden die Eingangstransistoren verschieden groß ausgeführt. Durch unterschiedlich große Querschnittsflächen der Transistoren führen die Transistoren nur dann den betragsmäßig selben Strom, wenn die Differenz ihrer jeweiligen Steuerspannungen ungleich Null ist. Diese Differenz der Steuerspannungen ist dann die Schwellenspannung des Komparators.at In the first approach, the input transistors are made different sizes. By different sized cross-sectional areas the transistors only carry the transistors in the amount same current when the difference of their respective control voltages is not equal to zero. This difference of the control voltages is then the threshold voltage of the comparator.
Bei
dem zweiten Ansatz wird ein zusätzlicher, jeweils pro Komparator
unterschiedlich großer, Steuerstrom Ishift eingeprägt,
wie in
In
Der Nachteil dieser zweiten Gruppe von A/D-Umsetzern ist, dass sie bei der geforderten Verarbeitungsgeschwindigkeit nicht die geforderte Auflösung liefern können, nämlich nur eine Auflösung von ca. 3 Bit bei 40 GS/s und 4 Bit bei 28 GS/s, obgleich mindestens 8 Bit bei 56 GS/s wünschenswert sind.Of the Disadvantage of this second group of A / D-Umsetzern is that they at the required processing speed is not the required one Can provide resolution, namely only a resolution of about 3 bits at 40 GS / s and 4 bits at 28 GS / s, although at least 8 bits at 56 GS / s desirable are.
Darum ist es ein der Erfindung zugrunde liegendes technisches Problem, einen parallelen (A/D)-Umsetzer der eingangs genannten Art vorzuschlagen, der eine verbesserte Auflösung bei möglichst hoher Signalverarbeitungsgeschwindigkeit, insbesondere im Bereich über 10 GS/s, aufweist.Therefore, it is a technical problem underlying the invention, a parallel (A / D) circumference compositor of the type mentioned, which has an improved resolution at the highest possible signal processing speed, in particular in the range above 10 GS / s.
Das technische Problem wird gelöst für einen parallelen (A/D)-Umsetzer der eingangs genannten Art dadurch, dass bei einem jeweiligen Komparator ein erster der zwei Eingangskontakte über einen Eingangswiderstand mit einem ersten Signalanschluss eines ersten Transistors verbunden ist, und ein zweiter der zwei Eingangskontakte über einen Eingangswiderstand mit einem ersten Signalanschluss eines zweiten Transistors verbunden ist.The technical problem is solved for a parallel (A / D) converter of the type mentioned in that at a respective comparator, a first of the two input contacts an input resistor having a first signal terminal of a connected to the first transistor, and a second of the two input contacts an input resistor having a first signal terminal of a second transistor is connected.
Weiterhin liegt an einem jeweiligen Steueranschluss des ersten und des zweiten Transistors eine zeitlich konstante Vorspannung an.Farther is located at a respective control terminal of the first and the second Transistors to a constant time bias.
Schließlich ist der jeweilige Komparator des erfindungsgemäßen A/D-Umsetzers ausgebildet, am ersten Signalanschluss des ersten Transistors einen ersten Steuerstrom und am ersten Signalanschluss des zweiten Transistors einen zweiten Steuerstrom einzuprägen, wobei der erste und der zweite Steuerstrom einander entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen.After all is the respective comparator of the invention A / D converter formed at the first signal terminal of the first Transistor, a first control current and the first signal terminal impress the second transistor on a second control current, wherein the first and second control currents are opposite to each other Have sign.
Der
Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass der Nachteil
der bekannten Schaltung aus
- Vth:
- Temperaturspannung
- k:
- Boltzmannkonstante
- q:
- Elementarladung
- T:
- Temperatur in Kelvin
- J:
- Stromdichte
- Vth :
- thermal stress
- k:
- Boltzmann constant
- q:
- elementary charge
- T:
- Temperature in Kelvin
- J:
- current density
Damit verschiebt sich die Schaltschwelle nur bei vergleichsweise großen Änderungen des Stromes bzw. der Transistorfläche; z. B. bei Raumtemperatur (ca. T = 300 K) nur um ca. DeltaV = 27 mV, wenn der Strom (Ibias + Ishift)/Ibias sich bereits relativ um den Faktor e (ca. 2,7) verändert. Eine Vergrößerung der Transistorstromdichte J bzw. eine Vergrö ßerung der Transistorquerschnittsfläche A reduziert bekannter Weise die Schaltgeschwindigkeit eines Transistors.Thus, the switching threshold shifts only at comparatively large changes in the current or the transistor area; z. B. at room temperature (about T = 300 K) only by about DeltaV = 27 mV, when the current (I bias + I shift ) / I bias is already relatively changed by the factor e (about 2.7). An increase in the transistor current density J or an increase in the size of the transistor cross-sectional area A is known to reduce the switching speed of a transistor.
Da
der nutzbare Strombereich durch die gewünschte maximale
Geschwindigkeit vom Transistor vorgegeben ist, kann man nicht gleichzeitig
maximale Geschwindigkeit und einen Eingangsspannungsbereich größer
als ca. +/– 20 mV erreichen. Andererseits gibt es eine
untere Grenze für die Auflösung des Komparators;
besonders bei sehr hohen Geschwindigkeiten über 10 GS/s
sind kaum weniger als etwa 4 mV Auflösungsgrenze zu erreichen,
so dass ein Eingangsspannungsbereich von etwa +/– 20 mV
nur etwa 10 Auflösungsstufen von 4 mV entspricht. Damit
sind sehr schnelle A/D-Umsetzer mit Komparatoren, die eine Schaltung
nach
Die Erfindung hat demgegenüber den Vorteil, dass die Verschiebung der Schaltschwelle um DeltaV mit Hilfe eines Steuerstroms nun eine lineare statt eine logarithmische Funktion des Steuerstroms ist. Damit kann ein wesentlich größerer, nämlich unbegrenzter Auflösungsbereich erzielt werden, ohne dass die Transistoren außerhalb des optimalen Arbeitsbereiches arbeiten müssen. So können bei gleichzeitiger Ausnutzung der maximalen Transistorgeschwindigkeit auch parallele A/D-Umsetzer mit Auflösungen von z. B. 5–8 Bit oder sogar mehr aufgebaut werden.The In contrast, the invention has the advantage that the displacement the switching threshold around DeltaV with the help of a control current now one is linear instead of a logarithmic function of the control stream. This can be a much larger, namely unlimited resolution range can be achieved without that the transistors outside the optimal working range have to work. So can at the same time Exploit the maximum transistor speed also parallel A / D converter with resolutions of z. Eg 5-8 bits or even more.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Die zusätzlichen Merkmale der Ausführungsbeispiele können zur Bildung zusätzlicher Ausführungsformen mit einander kombiniert werden, soweit sie nicht als Alternativen zu einander beschrieben sind.Hereinafter, embodiments of the invention will be described. The additional features of the embodiments may be combined to form additional embodiments with each other as far as they are not described as alternatives to each other.
Selbstverständlich können die Transistoren des erfindungsgemäßen A/D-Umsetzers sowohl Bipolartransistoren als auch Feldeffekttransistoren sein. Beide Transistortypen bringen in der erfindungsgemäßen Verschaltung dieselben prinzipiellen Vorteile für den A/D-Umsetzer. Der erste Signalanschluss ist dann der Emitter- bzw. Sourceanschluss, der zweite Signalanschluss der Kollektor- bzw. Drainanschluss und der Steueranschluss der Basis- bzw. Gateanschluss.Of course can the transistors of the invention A / D converter both bipolar transistors and field effect transistors be. Both transistor types bring in the inventive Interconnection the same principal advantages for the A / D converter. The first signal terminal is then the emitter or source terminal, the second signal terminal of the collector or drain terminal and the control terminal is the base or gate terminal.
Die zeitlich konstanten Vorspannungen der beiden Transistoren weisen in einem Ausführungsbeispiel denselben Betrag auf. Dies ist sehr vorteilhaft, da bei gleichen Transistoren die Schwellenspannungen der jeweiligen Komparatoren unabhängig von dem Betrag der Vorspannung sind.The have time constant bias voltages of the two transistors in one embodiment, the same amount. This is very advantageous because the threshold voltages for the same transistors the respective comparators regardless of the amount of Preload are.
Bei weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen A/D-Umsetzers weisen der erste Steuerstrom und der zweite Steuerstrom denselben Betrag auf. Der Betrag der Schwellenspannung eines jeweiligen Komparators ist dann eine Funktion von nur zwei Variablen, nämlich des Steuerstroms und des Emitterwiderstands. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Stromquellen, die die Steuerströme bereitstellen, identisch aufgebaut sein können.at further embodiments of the invention A / D converter have the first control current and the second control current the same amount. The magnitude of the threshold voltage of a respective comparator is then a function of only two variables, viz the control current and the emitter resistance. Another advantage lies in the fact that the power sources that control the currents can be provided identically.
Sinnvollerweise sind die jeweiligen Komparatoren ausgebildet, jeweils Steuerströme unterschiedlichen Betrags einzuprägen, damit sie jeweils unterschiedliche Schaltschwel len aufweisen. Vorteilhafterweise unterscheiden sich die Steuerströme zweier benachbarter Komparatoren dabei jeweils um denselben Betrag, so dass der A/D-Umsetzer ein lineares Verhalten aufweist.Logically, the respective comparators are formed, respectively control currents different amount so that they each have different Schaltschwel len. Advantageously different the control currents of two adjacent comparators in each case by the same amount, so that the A / D converter a has linear behavior.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen A/D-Umsetzers sind die ersten Signalanschlüsse des ersten und zweiten Transistors über jeweils eine Konstantstromquelle mit einem Masseanschluss verbunden. Bei einer derartigen Schaltung für den Komparator mit verschiebbarer Schaltschwelle enthält der Vorverstärker eine doppelt ausgeführte Kaskodeschaltung statt einer Differenzstufe. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist daher, dass die Verwendung einer Kaskodeschaltung durch ihre an sich bekannte Wirkung einer Eliminierung des Millereffektes ermöglicht, dass der erfindungsgemäße A/D-Umsetzer eine wesentlich größere Bandbreite aufweist als ein bekannter A/D-Umsetzer, der eine Differenzstufe verwendet.at an embodiment of the invention A / D converter are the first signal connections of the first and second transistor via a respective constant current source connected to a ground connection. In such a circuit for the comparator with movable switching threshold the preamplifier a double cascode circuit instead of a differential level. Another advantage of the invention is therefore, that the use of a cascode circuit by their an known effect of elimination of the Miller effect allows that the inventive A / D converter a significant has greater bandwidth than a known one A / D converter using a differential stage.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen A/D-Umsetzers sind ein zweiter Signalanschluss des ersten Transistors und ein zweiter Signalanschluss des zweiten Transistors einem Zwischenspeichermittel zugeführt. Das Zwischenspeichermittel ist beispielsweise als D-Flipflop ausgeführt. Bekanntermaßen ist ein D-Flipflop ein taktflankengesteuertes Flipflop, dass bei aktiver Taktflanke den logischen Zustand des Eingangs speichert und seinen Wert in Folge auf einem üblicherweise mit Q bezeichneten Ausgang ausgibt. Liegt keine aktive Taktflanke an, erfolgt keine Übernahme des Eingangswertes.In a further embodiment of the invention A / D converter is a second signal terminal of the first transistor and a second signal terminal of the second transistor is a latching means fed. The buffering means is for example designed as a D flip-flop. As is known a D flip flop a clock edge triggered flip flop that when active Clock edge stores the logic state of the input and its Value in a row on a usually with Q designated Output outputs. If there is no active clock edge, no transfer takes place of the input value.
Bevorzugt umfassen die jeweiligen Komparatoren zwei Verstärker-Transistoren, wobei der erste Eingangskontakt mit einem Steueranschluss eines ersten Verstärker-Transistors verbunden ist und der zweite Eingangskontakt mit einem Steueranschluss eines zweiten Verstärker-Transistors verbunden ist; und ein erster Signalanschluss des ersten Verstärker-Transistors über einen Widerstand mit einem ersten Signalanschluss des ersten Transistors verbunden ist und ein erster Signalanschluss des zweiten Verstärker-Transistors über einen Widerstand mit einem ersten Signalanschluss des zweiten Transistors verbunden ist.Prefers the respective comparators comprise two amplifier transistors, wherein the first input contact with a control terminal of a first amplifier transistor is connected and the second input contact with a control terminal of a second amplifier transistor connected is; and a first signal terminal of the first amplifier transistor via a resistor having a first signal terminal of the first transistor is connected and a first signal terminal of the second amplifier transistor via a resistor having a first signal terminal of the second transistor connected is.
Dies hat den Vorteil, dass die Eingangsquelle auch bei der Parallelschaltung vieler Komparatoren nur gering belastet wird.This has the advantage that the input source also in parallel connection many comparators is only slightly loaded.
Weitere Vorteile der Erfindung werden bei der folgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele anhand der Figuren erläutert. Darin zeigenFurther Advantages of the invention will become apparent in the following description of some Embodiments explained with reference to the figures. Show in it
Die
Komparatorschaltung
Der
Eingangskontakt DN ist über den Widerstand
In
der bis hier beschriebenen Komparatorschaltung beträgt
die Schaltschwelle DeltaV noch 0 V. Zur Verschiebung der Schaltschwelle
werden in der Komparatorschaltung
Die
Verschiebung der Schaltschwelle um DeltaV ist aufgrund dieser Verschaltungsart
eine lineare (und keine logarithmische) Funktion von Ishift:
Damit kann für den erfindungsgemäßen A/D-Umsetzer ein wesentlich größerer, nämlich unbegrenzter Auflösungsbereich erzielt werden, ohne dass die Transistoren außerhalb des optimalen Arbeitsbereiches arbeiten müssen.In order to can for the A / D converter according to the invention a much larger, namely unlimited range of resolution be achieved without the transistors outside of the optimal working area.
Das
verstärkte differentielle Eingangssignal wird über
die Kollektoranschlüsse
Die
oben beschriebene Schaltung
Der
gesamte Komparator
Die
Eingangskontakte DN und DP des Komparators
Zur
Verbesserung der Gleichtaktunterdrückung sind die Emitteranschlüsse
Die
differentielle Ausgangsspannung an den Emitteranschlüssen
Gegenüber
der Schaltung aus
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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2008
- 2008-09-30 DE DE200810050003 patent/DE102008050003B4/en active Active
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
R020 | Patent grant now final |
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