Аналого-цифровой преобразователь Советский патент 1982 года по МПК H03K13/02 

(S.) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к импульсной и вычислительной технике, в частности к микроэлектронным преобразователям зналог-код. Известен аналого-цифровой преобра3OBatejib (АЦП) информации с инжекционным питанием на совмещенных транзисторных структурах, содержащий источник опорного тока, соединенный выходом с элементом многоколлекторного опорного транзистора, входной многоколлекторный транзистор, эмиттер которого соединен с входной шиной, и триггеры-компараторы с непосредственными связями по числу разрядов преобразователя 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 |триггеры-компараторы старших разрядов могут не переключаться. Это является одним из основных недостатков данного АЦП. Кроме того, отсутствует возможность тактовой синхронизации анализируемой информации. Известен аналого-цифровой преобразователь, содержащий триггеры-компараторы с непосредственными связями по числу разрядов на п-р-п-транзисторах, входной двухколлекторный р-п-р-транзистор, эмиттер которого соединен с входной шиной, а каждый из коллекторов - с базой первого п-р-п-транзистора триггера-компаратора с непосредственными связями каждого разряда преобразователя, опорный многоколлекторный р-п-р-трайс зистор, эмиттер которого соединен с шиной опорного тока, двухколлекторный п-р-р-транзистор в каждом разряде, коллекторы которого соединены соответственно с базами п-р-п-транзисторов триггера-компаратора с непосредственными связями в каждом разряде, а эмиттер - с общей шиной 21 . 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-импуль ного (унитарного) кода: 111 .... 11 Число-импульсный код применяется в основном в аналого-цифровых преоб разователях для кодирования угла по ворота и скорости вращения вала. Он может быть полезен также в смешанных системах для выражения величины отдельных разрядов. Для работы АЦП с вычислительными устройствами, требу ющими для работы позиционной двоичной системы счисления, (двоичного ко да), необходимо применять дополнительные схемы по переводу унитарног кода с выходов АЦП в двоичный код. Необходимая разрядность АЦП при реализации требует определенного ко личества триггеров-компараторов, подсчитываемых по формуле ,гд N - необходимое количество триггеров-компараторов в АЦП для п разрядов, выбираемых для работы. Из данного равенства видно, что для реализации АЦП даже с небольшой разрядностью требуется большое коли чество триггеров-компараторов, возрастающих в два раза при переходе о разряда к разряду (от младшего и старшему). За счет этого схема АЦП сильно усложняется. К тому же при работе с вычислительными устройствами, в которых используется проста позиционная двоичная система счисления, требуется дополнительная схема по переводу кодов. Обычно дан ная схема выполняется в составе одного кристалла с АЦП, что приводит к увеличению размеров кристалла, снижению надежности преобразователя Цель изобретения - упрощение и повышение надежности преобразователя. Указанная цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразователь, содержащий триггеры-компараторы и с непосредственными сзязями 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 п-р-п-транзистора триггера-компаратора с непосредственными связями каждого разряда преобразователя, опорный многоколлекторный р-п-ртранзистор, эмиттер которого соединен с шиной опорного тока, двухколлекторный п-р-п-транзистор в каждом разряде, коллекторы которого соединены соответственно с базами п-р-п-транзисторов триггера-компаратора с непосредственными связями в каждом разряде, а эмиттер - с общей шиной, введены шины распределительных тактовых импульсов по числу , разрядов, каждая из которых соединена в каждом разряде с базой соответствующего двухколлекторного п-р-птранзистора, в каждый разряд К дополнительных р-п-р-транзисторов, где К - номер разряда, начиная со старшего разряда, а вторые п-р-п-транзисторы триггеров-компараторов с непосредственными связями в каждом разряде выполнены (A-K+I)-коллекторными, где А - число разрядов преобразователя, причем коллекторы дополнительных р-п-р-Транзисторов в каждом разряде объединены и соединены с базой второго п-р-п-транзистора триггеракомпаратора с непосредственными связями того же разряда, базы дополнительных р-п-р-транзисторов соединены с общей шиной, а эмиттеры - с соответствующими коллекторами опорного многоколлекторного р-п-р-транзистора, при этом дополнительные коллекторы вторых п-р-п транзисторов триггеров-компараторов с непосредственными связями в каждом разряде соединены с эмиттерами, соответствующих дополнительных р-п-р-транзисторов последующих разрядов. На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема четырехразр)ядного АЦП; на фиг.2 - временная диаграмма распределенных тактовых импульсов; на фиг.З топология предлагаемого АЦП. Преобразователь содержит многоколлекторный р-п-р-транзистор 1 аналогового сигнала, многоколлекторный p-n-р-транзистор 2 опорного тока; триггеры-компараторы , двухколлекторные л-р-п-транзисторы 11-1 триггеров-компараторов, дополнитель ные р-п-р-транзисторы 15-2, шины 25-28 распределительных тактовых импульсов. Каждый АЦП в статическом состоянии имеет следующие связи: транзисторы З-, 5-6; 7-8, 9-10 соединены в триггерную схему с непосредственными связями. Базы триггерных схем соединены с коллекторами двухколлекторных n-p-n-транзисторов 11-1 в следующе порядке: коллекторы 11 соединены с базами триггера-компаратора, коллекторы 12 соединены с базами 5триггера-компаратора, коллекторы 13 соединены с базами 7-8 триггера-ком паратора третьего разряда, коллекто ры 1 соединены с базами 9-10 триггера-компаратора. 1В свою.очередь базы двухколлекторных п-р-п-транзисторов 11-1 сое динены с шинами 25-28 распределенны импульсов соответственно. Базы п-р-п транзисторов 3, 6, 7 и 10 триггеров компараторов конструктивно совмещены с коллекторами многоколлекторного р-п-р-транзистора 1, эмиттер пос леднего соединен с источником входного аналогового сигнала. Базап-р-п транзистора Ц триггера-компаратора конструктивно совмещена с группой коллекторов от дополнительных р-п-р транзисторов 15-18, причем эмиттер транзистора 18 соединен с одним из введенных коллекторов п-р-п-транзис тора 9 триггера-компаратора, эмитте р-п-р-транзистора 17 соединен с одним из введенных коллекторов, в . п-р-п-транзистор 8 триггера-компаратора. Эмиттер р-п-р-транзистора 16 соединен с введенным коллектором в п-р-п-транзистор 5 триггера-компара тора. База п-р-п-транзистора 5 триггера-компаратора конструктивно совмещена с группой коллекторов от дополнительных р-п-р-транзисторов 1921, причем эмиттер транзистора 21 соединен со вторым введенным коллектором в п-р-п-транзистор 9 триггера-компаратора, эмиттер р-п-р-транзистора 20 соединен со вторым введенным коллектором в п-р-п-транзистор 8 триггера-компаратора. База п-р-п-транзистора 8 триггера-компаратора конструктивно совмещена с группой коллекторов от дополнительных р-п-р-транзисторов 22 и 23, причем эмиттер транзистора 23 соединен с третьим введенным коллектором в п-р-п-транзистор 9 триггеракомпаратора. База п-р-п-транзистора 9 триггера-компаратора конструктивно совмещена с коллектором р-п-р-транзистора 2i. Эмиттеры всех введенных р-п-ртранзисторов 15-2 конструктивно совмещены с коллекторами р-п-р-транзистора 2. Эмиттер последнего соединен с источником опорного тока. Все эмиттеры п-р-п-транзисторов конструктивно совмещены с базами п-р-п транзисторов и соединены с общей шиной нулевого потенциала. Устройство работает следующим образом. При отсутствии тактового питания и входного тока аналогового сигнала правые по схеме {фиг.1) п-р-п-транзисторы А,5,8,9 триггеров-компараторов насыщены, так как в их базы через дополнительные р-п-р-транзисторы 15-2 задается ток от р-п-р-транзистора 2, эмиттер последнего соединен с источником опорного тока. В насыщенных п-р-п-транзисторах триггеров-компараторов открываются вве-. денные в них коллекторы, через которые замыкаются на общую шину нулевого потенциала токи от р-п-р-транзисторов 16-18, 20, 21 и 23- Тогда в базы п-р-п-транзисторов , 5, В и 9 задаются опорные токи только от дополнительных р-п-р-транзисторов 15t 19, 22 и 2 соответственно. Последние поддерживают первые во включен ном состоянии, что обеспечивает на выходах всех разрядов АЦП нулевое состояние. Токи, задаваемые дополнительными р-п-р-транзисторами 15-2 за счет выполнения эмиттерных областей с различными геометрическими размерами, имеют следующие весовые коэффициенты токов: 2 I для транзисторов 15, 16 и 19; I для транзисторов 17 20 и 22; 8 I для транзисторов 18, 21, 23, 2. Из данных весовых токовых коэффициентов видно, что в разряде АЦП, выполненного на п-р-п-транзисторах . 3 и i, в базу k задается ток, равный 1 I от дополнительного р-п-ртранзистора 15 поддерживая триггеркомпаратор в нулевом состоянии по выходу. В базу п-р-п-транзистора 15 следующего разряда АЦП задается ток, равный 2 I от дополнительного р-п-ртранзистора 19, обеспечивая нулевое состояние по выходу в триггере-компараторе этого разряда. В базу п-р-п-транзистора 8 следу ющего разряда АЦП задается ток, рав ный Г от дополнительного р-п-ртранзистора 22 и поддерживает триггер-компаратор в нулевом состоянии по выходу. В базу п-р-п-транзистора 9 следующего старшего разряда АЦП задается ток, равный 8 1 от дополнитель ного р-п-р-транзистора 2, что поддерживает триггер-компаратор в нуле вом состоянии по выходу. Поэтому, при нулевом сигнале на входе АЦП, на выходах получаем код 0000. При увеличении тока аналогового сигнала на эмиттере транзистора 1 и сравнении его с опорными токами в разрядах АЦП необходимо исключить гистерезис триггеров-компараторов и увеличить точность сравнения аналогового и опорного токов. Для этого на базы двухколлекторных п-р-п-транзис торов 11-1 по шинам распределенных тактовых импульсов подаются короткие положительные импульсы. Данные импульсы последовательно от старшег разряда к младшему включают п-р-птранзисторы, начиная с 1 по 11. Открытые коллекторы любого из транзисторов замыкают токи от баз п-р-п-транзисторов, на которых выполнен триггер-компаратор на нулевой потенциал общей шины. Во время присутствия тактового импульса триг гер-компаратор находится в отключен ном неопре деленном состоянии и токи протекаемые от опорного и аналогово го сигналов, заряжают узловые базовые емкости транзисторов триггеровкомпараторов до различных значений. По окончании тактового импульса коллектора двухколлекторного п-р-птранзистора закрываются и на базах транзисторов триггеров-компараторов начинают повышаться потенциалы, на которые накладываются заряды от емкостей узловых баз транзисторов триггеров-компараторов и определя38ются 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-птранзисторов 3, 6, 7, 10 превышает 1 I, тогда по тактовому импульсу шины 15 данный аналоговый ток сравнивается в старшем разряде с опорным током, который равен 8 Г 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 itl и 2 I. И только в младшем разряде по тактовому импульсу от шины 28 за счет превышения тока базы п-р-п-транзистора 3 аналогового сигнала над опорным током базы п-р-п-транзистора k происходит переключение триггера-компаратора (по окончании тактового импульса). В результате чего п-р-птранзистор выключается, а п-р-птранзистор 3 включается. На выходе разряда можно фиксировать напряжение логической единицы (оно близко к напряжению на прямосмещенном р-п переходе и для кремния составляет 0,6-0,8 в). На выходе АЦП получаем код 1000. При увеличении входного аь алогового сигнала до значения, превышающего 21 и поступающего в базы п-р-п-транзисторов 3,6,7 и 10 триггеров-компараторов, можно с уверенностью сказать, что в двух старших разрядах при анализе опорного тока с аналоговым и а 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 триггер - компаратора этого разряда АЦП, где п-р-п-транзистор 6 включается, а п-р-п-транзистор 5 выключается. Коллекторы выключенного п-р-п-транзистора 5 закрываются и ранее протекаемый через введенный коллектор ток от эмиттера дополнительного р-п-р- i транзистора 16 на шину нулевого потенциала прекращается и начинает по ступать в базу п-р-п-транзистора k триггера-компаратора младшего разря да АЦП с весовым коэффициентом тока равного 2 I. Общий ток, поступаемый в базу п-р-п-транзистора,равен 3 I (от дополнительных р-п-р-транзисторов 15-1 Г;, 16-21)и после окончания тактового импульса от шины 28 младший разряд АЦП встает в свое исходное первоначальное состояние с нуле вой информацией по выходу, а на выходе АЦП устанавливается .код 0100, При увеличении входного аналогового тока до значения, превышающего 3 I и поступающего на базы 3 6 7 и 10 триггеров-компараторов, происходит сравнение аналогового тока с опорным. По тактовым импульсам от шин 2 и 26 в двух старших разрядах АЦП в силу опорных токов больших, чем ана логового, 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 кладшем разряде происходит сравнение аналогового и опорного токов, а после окончания тактового импульса происходит переключение триггеракомпаратора этого разряда АЦП в еди ничное состояние по выходу. Таким образом, на выходе АЦП получаем код 1100. При дальнейшем увеличении входного аналогового сигнала до значения, превышающего «1 и поступающего в базы п-р-п-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 это разряде триггера-компаратора происходит анализ аналогового тока с опорным, а после окончания тактовог импульса происходит сравнение и переключение триггера-компаратора в единичное состояние. Таким образом, п-р-п-транзистор 7 включается, а п-р-п-транзистор 8 выключается. Коллекторы выключенного п-р-птранзистора 8 закрываются и ранее протекаемые токи через введенные коллекторы данного транзистора от эмиттеров дополнительных р-п-р-транзисторов 17 и 20 на шину нулевого потенциала прекращаются и начинают поступать в базы п-р-п-транзисторов i| и 5 триггеров-компараторов, двух младших разряда АЦП с весовыми коэффициентами k I. Общий ток, поступаемый в базу п-р-п-транзистора 5 триггера-компаратора этого разряда АЦП, равен 6 I и по тактовому импульсу от шины 27 происходит переключение триггера-компаратора в нулевое состояние по выходу. Тогда п-р-п-транзистор 5 включается, а п-р-п-транзистор 6 выключается и через введенный открытый коллектор младшего разряда происходит замыкание тока от эмиттера дополнительного р-п-р-транзистора 16 на общую шину нулевого потенциала. Тем самым, ток в базу п-р-п-транзистора k триггера-компаратора младшего разряда АЦП задается с весовым коэффициентом 51 и по тактовому импульсу шины 28 происходит переключение триггера-компаратора в нулевое состояние по выходу. И на выходе АЦП устанавливается код 0010. Дальнейшее увеличение тока аналогового сигнала вызывает последовательное увеличение позиционной двоичной системы счисления 1111 Предлагаем |й АЦП предназначен для выполнения в составе интегральных схем с инжекционным питанием. Использование предлагаемого изобретения обеспечивает простоту иАготовления АЦП в одном кристалле со схемами интегральной инжекционной логики; высокую степень интеграции на кристалле; минимальное произведение 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 непосредственными 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 п-р-п-транзистора триггера-компаратора с непосредственными связями каждого разряда преобразователя, опорный многоколлекторный р-п-р-транзистор, эмиттер которого соединен с шиной опорного тока, двухколлекторный п-р-п-транзистор а каждом разряде, коллекторы которого соединены соответственно с базами п-р п-транзисторов триггера-компаратора с непосредственными связями в каждом разряде, а эмиттер - с общей шиной, отличающийся тем, чтр, с целью упрощения и повышения надежности преобразователя, в него введены шины распределительных тактовых импульсов по числу разрядов, каждая из которых соединена в каждом разряде с базой соответствующего двухколлекторного п-р-п-транзистора, в каждый разряд К дополнительных р-п-р-транзисторов, где К - номер разряда, начиная со старшего разряда, а вторые п-р-п-транзисторы триггеров-компараторов с непосредственными связями в каждом разряде выполнены А-К+1 коллекторными, где А число разрядов преобразователя, причем коллекторы дополнительных р-п-ртранзисторов в каждом разряде объединены и соединены с базой второго п-р-п-транзистора триггера-компаратора с непосредственными связями того же разряда, базы дополнительных .р-п-р-транзисторов соединены с общей шиной,, а эмиттеры - с соответствующими коллекторами опорного многоколлекторного р-п-р-транзистора, при этом дополнительные коллекторы вторых п-р-п-транзисторов триггеров компараторов с непосредственными связями в каждом разряде соединены с эмиттерами соответствующих дополнительных р-п-р-транзисторов последующих разрядов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

6 Г,

Are Г

n

TL

n

П

ni.2

9022 3

л

TL