Аналого-цифровой преобразователь

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз СоввтсинкСоцнапнстнчесиикРеспублик(н)902243 К АВТОРСКО МУ ЕЛЬСТВ 1) Дополнительное к авт. св 22) За я ален о 2 3 0 1. 80 (21) 2 87296 1/18-2с присоединением заявки М(23) Приоритет(5) Н 03 К 13/02 Вкударстванный камвте СССР ао делан язебрвтенкй и открытки(54) АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ статков сутству ниэдции Изобретение относится к импульсной и вычислительной технике, в частности к микроэлектронным преобразователям "аналог-код".Известен аналого-цифровой преобразователь (АЦП) информации с инжекци- ф онным питанием на совмещенных транзисторных структурах, содержащий источник опорного тока, соединенный выходом с элементом многоколлекторного опорного транзистора, входной мно 1 О гоколлекторный транзистор, эмиттер которого соединен с входной шиной, и триггеры-компараторы с непосредственными связями по числу разрядов преобразователя 11 .1В 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 неданного АЦП. Кроме того,возможность тактовой синханализируемой информации. Известен аналого-цифровой преобразователь, содержащий триггеры-компараторы с непосредственными связями по числу разрядов на 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-траи. 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 каждом90224 00000 100 , 00 110 , 00 15е111 . . . . 11Число-импульсный код применяется в основном в аналого-цифровых преобразователях для кодирования угла поворота и скорости вращения вала. Онзо может быть полезен также в смешанных системах для выражения величины отдельных разрядов. Для работы АЦП с вычислительными устройствами, требу 25 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 1=2" - 1, где Й - необходимое количество триггеров-компараторов в ЯЦП для и разря- З 5 дов, выбираемых для работы.Из данного равенства видно, что для реализации АЦП даже с небольшой разрядностью требуется большое количество триггеров-компараторов, воз В врастающих 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 вами, в которых используется простая позиционная двоичная система счисления, требуется дополнительная схема по переводу кодов. Обычно данная схема выполняется в составе од ного кристалла с АЦП, что приводит к увеличению размеров кристалла, снижению надежности преобразователя.Цель изобретения - упрощение и повышение надежности преобразова теля.Указанная цель достигается тем, что в аналого-цифровой преобразова 3разряде, 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 непоэиционную систему исчисления число-импульсного (унитарного) кода:1 О 3 4тель, содержащий триггеры-компараторы и с непосредственными сэязямипо числу разрядов на и-р-и-транзисторах, входной многоколлекторныйр-п-р-транзистор, эмиттер которогосоединен с входной шиной, а каждыйиз коллекторов - с базой первогои-р-и-транзистора триггера-компаратора с непосредственными связямикаждого разряда преобразователя,опорный многоколлекторный р-и-ртранзистор, эмиттер которого соединен с шиной опорного тока, двухколлекторный и-р-и-транзистор в каждом разряде, коллекторы которогосоединены соответственно с базамии-р-и -транзисторов триггера-компаратора с непосредственными связямив 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 и-р-итранзистора, в каждый разряд К дополнительных р-п-р-транзисторов, гдеК - 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 базойвторого и-р-и-транзистора триггеракомпаратора с непосредственными связями того же разряда, базы дот 1 олнительных р-и-р-транзисторов соединеныс общей шиной, а эмиттеры - с соответствующими коллекторами опорногомногоколлекторного р-п-р-транзистора,при этом дополнительные коллекторывторых и-р-и транзисторов триггеровкомпараторов с непосредственнымисвязями в каждом разряде соединены сэмиттерами. соответствующих дополнительных р-и-р-транзисторов последующих разрядовНа фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема четырехразрядного АЦП; на фиг,2 - временная диаграмма распределенных тактовых импульсов; на фиг. 3 - топология предлагаемого АЦП.Преобразователь содержит многоколлекторный р-и-р-транзистор 1 аналогового сигнала, многоколлекторный902243 10 15 25 30 40 45 50 55 р-п -р-транзистор 2 опорного тока; триггеры-компараторы 3- 10, двухколлекторные и-р-и-транзисторы 11- 14 триггеров-компараторов, дополнительные р-и-р-транзисторы 15-24, шины 25-28 распределительных тактовых импульсов.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. В свою очередь базы двухколлекторных п-р-и-транзисторов 11- 14 соединены с шинами 25-28 распределенных импульсов соответственно. Базы и-р-и- транзисторов 3, 6, 7 и 10 триггеровкомпараторов конструктивно совмещены с коллекторами многоколлекторного р-и-р-транзистора 1, змиттер последнего соединен с источником входного аналогового сигнала, База и-р-и- транзистора 4 триггера-компаратора конструктивно совмещена с группой коллекторов от дополнительных р-и-р" транзисторов 15- 18, причем змиттер 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 п-р-и-транзистора 5 триггера-компаратора конструктивно совмещена с группой коллекторов от дополнительных р-и-р-транзисторов 19- 21, 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-п-транзистора 8 триггера-компаратора конструктивно совмещена с группой коллекторов от дополнительных р-и-р-транзисторов 22 и 23, причем змиттер транзистора 23 соединен с третьим введенным коллектором в п-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-и-ртранзисторов 15-24 конструктивно совмещены с коллекторами р-и-р-транзистора 2. Эмиттер последнего соединен с источником опорного тока.Все эмиттеры и -р-и-транзисторов кон. структивно совмещены с базами и-р-и20 транзисторов и соединены с общейч шинои нулевого потенциала.Устройство работает следующим образом.При отсутствии тактового питания и входного тока аналогового сигнала правые по схеме (фиг. 1) и -р-п -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. Внасыщенных и-р-и -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, 2 1 и 23. Тогда в базы и-р-и -транзисторов 4 5 8 и 9задаются опорные токи только от дополнительных р-и -р-транзисторов 15,19, 22 и 24 соответственно. Последние поддерживают первые во включен"ном состоянии, что обеспечивает навыходах всех разрядов АЦП нулевоесостояние,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 1 для транзисторов 18, 21, 23, 24.Из данных весовых токовых коэффициентов видно, что в разряде АЦП, выполненного на п-р-и -транзисторах7 90223 и 4, в базу 4 задается ток, равный 1 1 от дополнительного р-и-ртранзистора 15, поддерживая триггеркомпаратор в нулевом состоянии повыходу. 5В базу и-р-и-транзистора 15 следующего разряда АЦП задается ток,равный 2 1 от дополнительного р-и-ртранзистора 19, обеспечивая нулевоесостояние по выходу в триггере-компараторе этого разряда.В базу и-р-и -транзистора 8 следующего разряда АЦП задается ток, равный 4 1 от дополнительного р-и-ртранзистора 22 и поддерживает триг-. 15гер-компаратор в нулевом состояниипо выходу,В базу и-р-и-транзистора 9 следующего старшего разряда АЦП задается ток, равный 8от дополнительного 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 25увеличении тока аналогового сигналана 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 набазы двухколлекторных и-р-и-транзисторов 11- 14 по шинам распределенныхтактовых импульсов подаются короткие положительные импульсы. Данныеимпульсы последовательно от старшегоразряда к младшему включают п-р-итранзисторы, начиная с 14 по 11.Открытые коллекторы любого изтранзисторов замыкают токи от Газл-р"п-транзисторов, на которых выполкан триггер-компаратор на нулевой потенциал общей шины. Во времяприсутствия тактового импульса триг" 45гер"компаратор находится в отключенном неопределенном состоянии и токи,протекаеиые от опорного и аналогового сигналов, заряжают узловые базовые емкости транзисторов триггеров 50компараторов до различных значений.По окончании тактового импульсаколлектора двухколлекторного и-р-итранзистора закрываются и на базахтранзисторов триггеров-компараторов55начинают повышаться потенциалы, накоторые накладываются заряды от емкостей узловых баз транзисторовтриггеров-компараторов и определяются 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-и- транзисторов 3, 6, 7, 10 превышает1 1, тогда по тактовому импульсу шины 15 данный аналоговый ток сравнивается в старшем разряде с опорным током, который равен 8и не изменяетего 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. 41 и 2 1И тольков 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 -и- транзистор 4 выключается, а и-р-и- транзистор 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 21 и поступающего в базы и-р"и-транзисторов 3,6, 7 и 1 Отриггеров-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 1 О 1 1 1 1 1 0 0 ОВ1 1 1 1 40 9 9ф транзистора 1 Ь 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 1. Общий ток, поступаемый в базу п-р-п-транзистора, равен 3 1 (от дополнительных р-и-р-транзисторов 15-1 1; 16-2 Ци 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 0 100. 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 1100.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-и- транзистора 8 закрываются и ранее 02243 10протекаемые токи через введенныеколлекторы данного транзистора отэмиттеров дополнительных р-и-р-транзисторов 17 и 20 на шину нулевого 5 потенциала прекращаются и начинаютпоступать в базы п-р-и-транзисторов4 и 5 триггеров-компараторов, двухмладших разряда АЦП с весовыми коэффициентами 4 1. Общий ток, поступае мый в базу и-р-и-транзистора 5 триг"гера-компаратора этого разряда АЦП,равен 6 1 и по тактовому импульсу отшины 27 происходит переключение триггера-компаратора в нулевое состоя ние по выходу. Тогда и-р-и-транзистор 5 включается, а и-р-и"транзистор6 выключается и через введенный открытый коллектор младшего разрядапроисходит замыкание тока от эмитте ра дополнительного р-и-р-транзистора16 на общую шину нулевого потенциала.Тем самым, ток в базу и-р-и-транзистора 4 триггера-компаратора младшегоразряда РЦП задается с весовым коэф Фициентом 5 1 и по тактовому импульсу шины 28 происходит переключениетриггера-компаратора в нулевое состояние по выходу. И на выходе АЦПустанавливается код 00 10.50 Дальнейшее увеличение тока аналогового сигнала вызывает последовательное увеличение позиционной двоичной системы счисления 1Предлагаемый АЦП предназначендля выполнения в составе интегральных схем с инжекционным питанием.45Использование предлагаемого изобретения обеспечивает простоту изготовления АЦП в одном кристалле сосхемами интегральной инжекционнойлогики; высокую степень интеграции 50:на кристалле; минимальное произведение потребляемой мощности на время переключения; изготовление потехнологии биполярных интегральныхсхем, что позволяет упростить схемуи повысить надежность АЦП.формула изобретения Аналого-цифровой преобразователь,содержащий триггеры-компараторы с не"9022посредственными 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-транэистор, эмиттер .которого О соединен с шиной опорного тока, двух коллекторный и-р-и-транзистор в каждом разряде, коллекторы которого соединены соответственно с базами и-р-и-транзисторов триггера-компара тора с непосредственными связями в каждом разряде, а эмиттер - с общей виной, отличающийся тем, что, с целью упрощения и повышения надежности преобразователя, в него 2 о введены шины распределительных тактовых импульсов по числу разрядов, каждая из которых соединена в каждом разряде с базой соответствующего двухколлекторного п-р-п-транзистора, 25 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 12геров-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 дополнительныхр-п-р-транзисторов соединены с общей шиной а эмиттеры - 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 экспертизе1Авторское свидетельство СССРИ 600729, кл. Н 03 К 13/20, 1976.2. Авторское свидетельство СССРпо заявке М 2647681, кл. Н 03 К 13/02,1978 (прототип).902243 9 фмг. гаэ 12419/70Пираж 953 Подписное Филиал ППП "Патент",г,Ужгород, ул.Проектна