DE60216410T2

DE60216410T2 - Mittelwertbildende Verstärkermatrix

Info

Publication number: DE60216410T2
Application number: DE60216410T
Authority: DE
Inventors: Peter Cornelis Simeon Scholtens
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2002-01-30
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2022-06-21
Also published as: US20030141999A1; JP3920162B2; DE20209812U1; DE60216410D1; KR20030065270A; US6624778B2; JP2003243984A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Analog-Digital-Wandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiger Analog-Digital-Wandler ist aus: "A 6b 500MSample/s ADC for a Hard Disk Drive Read Channel", von Tamba, Y, ISSCC'99, Seiten 324-325 bekannt und umfasst ein Mittelwertbildendes Netzwerk zum reduzieren der Offsets der Verstärker. Das Anwenden aber von Mittelwertbestimmung wird eine Belastung herbeiführen, die von der Lage des Verstärkers in der Anordnung abhängig ist. Mittels des Mittelwertbildenden Netzwerkes wird eine Verschiebung in dem Nulldurchgang eingeführt, und wird mit einem idealen Netzwerk verglichen, wobei die Verstärkerschaltungen nicht unter Offsetfehlern leiden. Durch die Endlichkeit der Anordnung von Verstärkerschaltungen, ist der Nulldurchgang nicht linear in Richtung der äußeren Schaltungen der Analog-Digital-Wandleranordnung. Um eine unendliche Anordnung zu ähneln umfasst das beschriebene Netzwerk eine Reihe "Dummy" Verstärker. Durch Verwendung nur einer Reihe der innersten Verstärker werden Grenzeffekte Unterdrückt.
Bei dieser bekannten Lösung ist es klar, dass eine Beendigung effektiver sein wird, wenn immer mehr Dummy-Verstärker an beiden Seiten der Anordnung verwendet werden, weil eine Steigerung der Anzahl Verstärker eine unendliche Anordnung ähnlicher ist. So wird beispielsweise eine Anzahl von 6 Überbereichsverstärker im Falle einer Analog-Digital-Wandleranordnung mit 16 Analog-Digital-Verstärkern, und es werden beispielsweise 18 Überbereichsverstärker im Falle einer 63 Verstärkeranordnung verwendet.
Die oben genannte beschriebene Ausführungsform weist den Nachteil auf, dass die Linearität nicht völlig wiederhergestellt wird, sondern nur bis an eine Grenze angenähert wird, wobei für eine bessere Linearität immer mehr Dummy-Verstärker eingeführt werden. Nebst einer unbefriedigenden Linearität sind auch die Leistungsaufnahme und die Eingangskapazität dieser Ausführungsform ziemlich unvorteilhaft.
Ein Analog-Digital-Wandler ist ebenfalls aus einem Artikel: "A 2,5 Volt 6 bit 600MS/s Flash ADC in 0,25 μm CMOS" von dem Erfinder P. Scholtens, veröffentlicht in "ESSCIRC 2000", Seiten 196-199, 19. September 2000 (EPO Bezugszeichen XP009021594) bekannt. Diese Veröffentlichung beschreibt ein Abschlussnetzwerk mit Abschlussimpedanzen an den Grenzen, verbunden nach Erde und mit Speiseverbindungen.
Dieser Analog-Digital-Wandler kann Grenzeffekte nicht für alle analogen Eingangsspannungswerte effektuieren.
Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das oben genannte Problem zu vermeiden und einen verbesserten Analog-Digitalwandler zu schaffen, der verbesserte Linearitätseigenschaften hat und wenige Leistungsaufnahme aufweist.
Nach der vorliegenden Erfindung ist der Analog-Digital-Wandler der oben genannten Art gekennzeichnet durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1.
Mit anderen Worten, eine Abschlussschaltung weicht in wenigstens einem der zusammensetzenden Bestandteilen von den Verstärkungsschaltungen der Anordnung ab. Das heißt, die Verstärkungs- und/oder Impedanzcharakteristik der genannten Abschlussschaltung weicht von der im Allgemeinen einheitlichen Verstärkungs- und/oder Impedanzcharakteristik der Verstärkungsschaltungen der Anordnung ab; und/oder eine Spannungsdifferenz zwischen der genannten Abschlussbezugsspannung und einer Bezugsspannung, die von einer Außen-Verstärkungsschaltung empfangen worden ist, weicht von einer Spannungsdifferenz zwischen Bezugsspannungen zweier benachbarter Verstärkungsschaltungen in der Anordnung ab; und/oder eine Abschlussmittelwertbestimmungsimpedanz von Mittelwertbestimmungsimpedanzen, die in der genannten Anordnung verwendet werden, abweicht.
Im weiteren Text wird der Ausdruck "abweichend" oder "weicht ab" benutzt im Gegensatz zu dem Ausdruck "im Allgemeinen einheitlich" in dem obenstehenden Kontext. Der Analog-Digitalwandler nach der vorliegenden Erfindung ist besonders vorteilhaft da er eine Abschlussschaltung mit einer minimalen Anzahl Bauteile bietet, denselben Entwurf hat wie die Verstärkungsschaltungen der genannten Anordnung, wodurch auf diese Weise die Notwendigkeit fortfällt, dass aufwendige, langsame und/oder leistungsschluckende zusätzliche Schaltungsanordnungen verwendet werden, während gleichzeitig Randeffekte rigoros eliminiert werden können, dies im Gegensatz zu den bekannten Abschlussnetzwerken, die vornehmlich eine weniger rigorose Kompensation der genannten Randeffekte beabsichtigen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weichen die Verstärkungs- und/oder Impedanzcharakteristiken der genannten Abschlussschaltung und/oder die Abschlussbezugsspannung und/oder die Abschlussmittelwertbestimmungsimpedanz des genannten Abschlussnetzwerkes abweichen, so dass Ströme durch jede Mittelwertbestimmungsimpedanz zwischen benachbarten Ausgangsspannungsklemmen der genannten Anordnung im Allgemeinen in der Größe einander gleich sind. Auf diese Weise kann nach der vorliegenden Erfindung ein Anschluss des Analog-Digitalwandlers vorgesehen werden, wobei Linearität der Anordnung optimal wiederhergestellt wird. Der Nulldurchgang der Abschlussverstärkungsschaltung wird stark verschoben und deswegen nicht üblich, zugunsten der wiederhergestellten Lage des Nulldurchgangs von Verstärkern in der Anordnung. Eine derartige Neudefinition der Randabschlussschaltung stellt nicht nur die Linearität am Rande her, sondern vermeidet auch Fortpflanzung einer Unbalance zwischen Verstärkern.
Bei einer Ausführungsform weist die vorliegende Erfindung das Kennzeichen auf, dass eine Spannungsdifferenz zwischen der genannten Abschlussbezugsspannung und einer Bezugsspannung, die von einer Außenverstärkungsschaltung empfangen worden ist, größer ist im Vergleich zu dem im Allgemeinen einheitlichen Zwischenraum zwischer jedes Bezugsspannung, empfangen von den genannten Verstärkungsschaltungen, wobei die Verstärkungs- und die Impedanzcharakteristiken der genannten Abschlussschaltung und der Abschlussmittelwertbestimmungsimpedanz nicht abweichend sind.
Insbesondere in einer bevorzugten Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung ist in einer Anordnung mit Verstärkerschaltungen mit einer Ausgangsimpedanz von R1 und gekoppelt durch Mittelwertbestimmungsimpedanzen mit einem Wert von R2, die Spannungsdifferenz vorzugsweise ein Faktor
größer im Vergleich zudem genannten einheitlichen Zwischenraum. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform kann ebenfalls eine Ausgangsklemme mit der Abschlussschaltung gekoppelt werden, da die Spannungsdifferenz an dem Mittelwertbestimmungswiderstand im Allgemeinen den Differenzen der Mittelwertbestimmungswiderstände des restlichen Teils der Verstärkungsschaltungen entspricht. Diese Modifikation bietet einen besonderen Vorteil, dass überhaupt keine Dummy-Schaltung erforderlich ist, die aktiv ist um Linearitätseigenschaften wiederherzustellen.
In noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist in einer Anordnung mit Verstärkerschaltungen mit einer Ausgangsimpedanz gleich R1 und durch Mittelwertbestimmungsimpedanzen mit einem Wert gleich R2 gekoppelt, die Abschlussmittelwertbestimmungsimpedanz gleich R2 – R1, wobei die Verstärkungs- und die Impedanzcharakteristiken der genannten Abschlussschaltung und der Abschlussbezugsspannung nicht abwei chend sind. Auch hier kann, da die Mittelwertbestimmungsimpedanz nicht geändert wird, eine Ausgangsklemme auch mit der Abschlussschaltung gekoppelt sein.
In noch einer weiteren Ausführungsform, wobei R1 > R2 ist, kann in einer Anordnung mit Verstärkerschaltungen mit einer Ausgangsimpedanz gleich R1 und durch Mittelwertbestimmungsimpedanzen mit einem Wert gleich R2 die Abschlussmittelwertbestimmungsimpedanz durch eine aktive Schaltungsanordnung geschaffen werden, wobei die Verstärkungs- und Impedanzcharakteristiken der genannten Abschlussschaltung und der Abschlussbezugsspannung nicht abweichend sind. Durch eine derartige aktive Schaltungsanordnung kann eine effektive negative Impedanz geschaffen werden, damit der Abschluss nach der vorliegenden Erfindung erzielt wird.
Insbesondere in dem Fall, wo R1 > R2 ist, kann das Abschlussnetzwerk eine Anzahl Abschlussschaltungen umfassen, wobei wenigstens zwei Ausgangsspannungsklemmen von zwei benachbarten Abschlussschaltungen kurzgeschlossen werden. Deswegen wird, nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung durch Kurzschluss der äußeren Ausgangsspannungsklemmen die Linearität der inneren Ausgangsspannungsklemmen wiederhergestellt.
Insbesondere umfasst das Abschlussnetzwerk zwei Abschlussschaltungen, die Ausgangsspannungsklemmen aufweisen, die kurzgeschlossen sind, wobei die Verstärkungsschaltungen weiterhin eine gleichmäßig verteilte bezogene Spannung empfangen und mit der Eingangsspannung verbunden sind, wobei die Ausgangsspannungsklemmen der genannten Verstärkungsschaltungen durch eine Abschlussmittelwertbestimmungsimpedanz mit einer Ausgangsspannungsklemme einer Außenverstärkungsschaltung der genannten Anordnung gekoppelt ist, wobei die Abschlussmittelwertbestimmungsimpedanz der nachfolgenden Gleichung entspricht:
wobei die Verstärkungs- und die Impedanzcharakteristiken der genannten Abschlussschaltung und die Abschlussbezugsspannungen nicht abweichen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren nach Anspruch 10.
Nach dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung dürfte es einleuchten, dass, sogar wenn ein erster Berechnungsschritt einen Entwurf liefert, bei dem nicht physikalische Eigenschaften der Abschlussmittelwertimpedanz erforderlich sind, eine derartige Anforderung durch "Opferung" einer Außenverstärkungsschaltung der Anordnung erfüllt werden kann, die dadurch ein Teil des Netzwerkes wird; und das Neuberechnen der entworfenen Abschlussimpedanzen der nächsten benachbarten Abschlussschaltung. Auf diese Art und Weise wird die erforderliche Abschlussmittelwertbestimmungsschaltung positiver werden und nach Wiederholung der oben genannten Schritte kann eine positiv bemessene Abschlussmittelwertbestimmungsimpedanz zum Korrigieren der Anordnung nach der vorliegenden Erfindung berechnet werden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Analog-Digitalwandlers nach dem Stand der Technik,
2 eine gleichwertige Schaltungsanordnung für geringe Signale eines Analog-Digitalwandlers nach der vorliegenden Erfindung,
3 eine erste Ausführungsform eines Analog-Digitalwandlers nach der vorliegenden Erfindung,
4 eine zweite Ausführungsform eines Analog-Digitalwandlers nach der vorliegenden Erfindung,
5 eine dritte Ausführungsform eines Analog-Digitalwandlers nach der vorliegenden Erfindung, und
6 eine vierte Ausführungsform eines Analog-Digitalwandlers nach der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Analog-Digitalwandlers 1 nach dem Stand der Technik. In der Zeichnung ist nur eine untere Hälfte der Anordnung 1 dargestellt, abgeschlossen durch die Linie I-I. Der Analog-Digitalwandler 1 wird beispielsweise in magnetischen oder optischen Speichersystemen verwendet. Durch die Schwellenspannungs-Fehlanpassung werden die Verstärker 2 an einem Offset leiden, wenn keine Maßnahmen getroffen werden. Um aber von der maximalen Bandbreite der angewandten Technologie profitieren zu können haben die Verstärker 2 keine herkömmliche Offset-Korrektur. Die dargestellte Topologie ist eine "Flash-ADC": eine Anordnung 1 aus Verstärkern 2, die je einen etwas anderen Bezugseingangsspannungspegel empfangen. Zum Reduzieren des Einflusses des Offsets der Anordnung paralleler Verstärker 2 werden Ausgangsspannungsklemmen 3 jeder Verstärkungsschaltung 2 über ein Mittelwertbestimmungsnetzwerk 4 mit Widerständen 5 mit Ausgangsspannungsklemmen 3 benachbarter Verstärkungsschal tungen 2 gekoppelt. Die Verstärkungsschaltungen 2 umfassen weiterhin wenigstens eine Eingangsspannungsklemme 6 und eine Bezugsspannungsklemme 7 zum Verstärkern einer zwischen den genannten Klemmen 6, 7 empfangenen Spannungsdifferenz. Es ist ein Eingangsspannungsnetzwerk 8 vorhanden zum Zuführen einer analogen Eingangsspannung zu jeder Eingangsspannungsklemme 6 jeder Verstärkungsschaltung 2; ein Bezugsspannungsnetzwerk 9 umfasst eine Reihe von Bezugsimpedanzen 10 einer im Allgemeinen einheitlichen Größe zum Erzeugen von Bezugsspannungen mit einem im Allgemeinen einheitlichen Zwischenraum für jede Bezugsspannungsklemme 7 der genannten Verstärkungsschaltungen 2. Die Anordnung 1 umfasst weiterhin ein Ausgangsspannungsnetzwerk 11 zum Liefern einer Ausgangsspannung, die an Ausgangsspannungsklemmen 3 empfangen wird mit Hilfe von beispielsweise Verstärkern oder Quellenfolgern 12.
Der Analog-Digitalwandler nach dem Stand der Technik ist als eine Anordnung im Allgemeinen einheitlicher Verstärkungsschaltungen 2 mit im Wesentlichen identischen Verstärkungs- und Impedanzcharakteristiken. In einer derartigen Anordnung 1 wird durch das Mittelwertbestimmungsnetzwerk 4 aus Widerständen 5 eine Verschiebung in dem Nulldurchgang eingeführt, dies im Vergleich zu einem idealen Netzwerk, wobei die Verstärkungsschaltungen nicht an Offset-Fehlern leiden. Durch die Endlichkeit der Anordnung 1 der Verstärkungsschaltungen 2 ist der Nulldurchgang in Richtung der äußeren Schaltungen der Analog-Digitalwandleranordnung 1 nicht linear. Um einer unendlichen Anordnung ähnlich zu sehen, umfasst das Abschlussnetzwerk nach dem Stand der Technik eine Reihe "Dummy"-Verstärker 13, die nicht mit dem Ausgangsspannungsnetzwerk 11 gekoppelt sind. Auf diese Art und Weise werden nur die inneren Verstärkungsschaltungen 2, die relativ optimale Linearitätseigenschaften haben, benutzt.
Das bekannte Abschlussnetzwerk wird auf diese Weise durch äußere Verstärkerschaltungen 13 der Anordnung 1 gebildet. Diese äußeren Schaltungsanordnungen 13 haben eine im Allgemeinen ähnliche Struktur wie die Verstärkerschaltungen der Anordnung, sind aber nicht mit dem Ausgangsnetzwerk gekoppelt.
Im Gegensatz dazu ist in 2 eine gleichwertige Schaltungsanordnung für geringe Signale einer Anordnung 14 nach der vorliegenden Erfindung dargestellt, die einen im Allgemeinen identischen Entwurf hat wie die Anordnung 1, d. h. mit Verstärkungsschaltungen 2 mit im Allgemeinen einheitlichen Verstärkungs- und Impedanzcharakteristiken, und weiterhin mit einem Eingangsspannungsnetzwerk 8, einem Bezugsspannungsnetzwerk 9, einem Mittelwertbestimmungsnetzwerk 4, einem Ausgangsspannungsnetzwerk 11 zum Liefern verstärkter Spannungsdifferenzen von jeder Verstärkerschaltung der genannten Anzahl Verstärkerschaltungen 2.
In der Annäherung für geringe Signale werden die Verstärker als eine Spannungsquelle 15 und einer Ausgangsimpedanz 16 modelliert. Die Anordnung 14 nach der vorliegenden Erfindung umfasst eine modifizierte äußere Verstärkungsschaltung oder Abschlussschaltung 17, d. h. eine Schaltungsanordnung, die gegenüber den Verstärkungsschaltungen 2 innerhalb der Anordnung 1 abweichend bemessen ist. Dies ist in 2 durch punktiert dargestellte elektronische Bauteile angegeben, welche die genannte Abschlussschaltung 17, insbesondere eine Abschlussverstärkungsschaltung 17 mit abweichenden Verstärkungs- und/oder Impedanzcharakteristiken; eine abweichende Bezugsimpedanz 18 und/oder eine abweichende Abschlussmittelwertbestimmungsimpedanz 19 bilden.
Durch den Entwurf einer Abschlussschaltung nach der vorliegenden Erfindung wird ein elektrischer Strom in der Ausgangsspannungsklemme der äußeren Verstärkungsschaltungen der Anordnung für die endgültige Größe der Anordnung 14 korrigiert. Insbesondere werden nach der vorliegenden Erfindung die Verstärkungs- und/oder Impedanzcharakteristiken der genannten Schaltungsanordnung 17 und/oder die Abschlussbezugsspannung 18 und/oder die Abschlussmittelwertbestimmungsimpedanz 19 des genannten Abschlussnetzwerkes derart abweichen, dass Ströme durch jede Mittelwertbestimmungsimpedanz 5, 19 zwischen benachbarten Ausgangsspannungsklemmen der genannten Anordnung 14 im Allgemeinen die gleiche Größe haben.
Eine Teilschaltungsanalyse für eine Verstärkungsschaltung n in der Mitte der Anordnung 1 ergibt die nachfolgende Gleichung (siehe 2): ΔUref·Au = R1(In – In+1) + R2In + R1(In – In–1) (1)
In dieser Gleichung stellt ΔU_ref eine potentielle Differenz zwischen aufeinander folgenden Bezugsspannungsabgriffen dar, A_u stellt die Verstärkung der Verstärkungsschaltung dar, R₁ stellt eine im Allgemeinen identische Ausgangsimpedanz der genannten Verstärkungsschaltungen das und R₂ stellt eine im Allgemeinen identische Mittelwertbestimmungsimpedanz zwischen den Ausgangsklemmen der genannten Verstärkungsschaltungen dar. Die Teilschaltungsströme der Schaltungsanordnungen n – 1, n und n + 1 werden durch I_n–1, I_n bzw. I_n+1 dargestellt.
In dem Fall, wo die Schaltungsanordnung einer unendlich langen Folge von Verstärkern und Widerständen in beiden Richtungen ähnlich ist, ist der Strom jedes Hilfsschaltung gleich dem Strom der beiden benachbarten Hilfsschaltungen: In–1 ≈ In ≈ In+1 (n = 1, 2, ...) (2)
Aus dieser Gleichung folgt, dass der Strom durch R₂ (in 2 das Bezugszeichen 5) der nachfolgenden Gleichung entspricht:
Für eine Verstärkungsschaltung 17 aber, die an den äußeren Enden der Anordnung 14 liegt, gilt die nachfolgende Gleichung: ΔUref·Au = R1(I1 – I2) + R'2I1 + R'1I1 (4)
In der Gleichung (4) stellen die Werte R'₂ R'₁ die Mittelwertbestimmungsimpedanz und die Ausgangsimpedanz der äußeren Verstärkungsschaltung 17 dar. Aus dieser Gleichung (4) folgt, dass der Strom durch R'₂ der nachfolgenden Gleichung entspricht:
Aus der Gleichung (5) folgt also, dass durch Änderung der Verstärkungscharakteristiken (ausgedrückt als ΔU_ref·A_u) und/oder der Impedanzen R'₂ (19) und R'₁(16) der Strom I₁ durch Abweichung der Verstärkungs- und/oder Impedanzcharakteristiken, der Abschlussbezugsspannung, und/oder der Abschlussmittelwertbestimmungsimpedanz 19 geändert werden kann zum Erzeugen eines Stroms in der genannten Ausgangsspannungsklemme der genannten äußeren Verstärkungsschaltung 17 der genannten Anordnung 14 derart, dass dieser erzeugte Strom dem Strom I₂(I_n), der durch den restlichen Teil der Verstärkungsschaltungen 2 fließt, entspricht, wodurch auf diese Weise die endgültige Größe der Anordnung 14 korrigiert wird.
Es sei bemerkt, dass durch eine geeignete Änderung der oben genannten elektronischen Bauteile der Mittelwertbestimmungswiderstand R'₂(19) ungeändert gelassen werden kann und im Allgemeinen den anderen Mittelwertbestimmungswiderständen R₂ entsprechen kann. In dem Fall kann eine Ausgangsklemme 121 mit der äußeren Verstärkungsschaltung 17 gekoppelt werden, da nicht nur der Strom in der genannten Schaltungsanordnung 17 im Allgemeinen nach wie vor den Strömen I₂(I_n) entspricht, die durch den restlichen Teil der Verstärkungsschaltungen 2 fließen, aber auch die Spannungsdifferenz an dem Mittelwertbestimmungswiderstand R'₂ ist im Allgemeinen gleich den Differenzen der Mittelwertbestimmungswiderstände R₂ des restlichen Teils der Verstärkungsschaltungen 2. Diese Modifikation bietet den speziellen Vorteil, dass überhaupt keine Dummy-Schaltung aktiv zu sein braucht um die Linearitätseigenschaften wiederherzustellen.
Als erste Ausführungsform zeigt 3 ein Beispiel eines Analog-Digitalwandlers 20 nach der vorliegenden Erfindung, wobei eine Spannungsdifferenz an einem äußeren Abschlussbezugswiderstand 18 großer ist als im Vergleich der Bezugsspannungen an den anderen Bezugswiderständen 10. Die äußere Impedanz 16 der Schaltungsanordnung 17 und die Mittelwertbestimmungsimpedanz 19 sind nicht abweichend, und sind deswegen gleich R₁ bzw. R₂. Eine Ausgangsklemme 121 ist mit der Schaltungsanordnung 17 gekoppelt. Die in den Gleichungen (1–5) durch A_u bezeichneten Verstärkungscharakteristiken der genannten äußeren Schaltungsanordnung 17 sind ebenfalls gegenüber den Verstärkungscharakteristiken der inneren Schaltungsanordnungen 2 ungeändert. Insbesondere ist die Gleichung (4) für die Abschlussschaltung 17 nun: ΔU'ref·Au = R1(I1 – I2) + R2I1 + R1I1 (6)
Die Linearität wird wiederhergestellt, wenn I₁ = I₂ und I₂R₂ = ΔU_ref·A_u ist. Daraus folgt, dass:
Eine weitere Ausführungsform ist in den 4 und 5 dargestellt. Dabei ergibt, ausgehend von der Gleichung (4), eine Einstellung von I₁ = I₂ und ΔU_ref·A_u = R₂I₂: R'1 + R'2 = R2 (7)
Hieraus folgt, dass die Gleichung (7) eine Bedingung für eine äußere Abschlussschaltung 17 ist, dass sie einen gleichen Teilschaltungsstrom hat wie die inneren Schaltungsanordnungen 2.
In 4 ist ein Analog-Digitalwandler nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, und zwar mit einer modifizierten Abschlussschaltung 17, wobei die Gleichung (7) dadurch erfüllt wird, dass R'₁ gleich Null gemacht wird; und dass R'₂ = R₂ ist. Diese Bedingung ermöglicht es, dass eine Ausgangsklemme 121 mit der Schaltungsanordnung 17 gekoppelt wird. Folglich zeigt dadurch, dass die Anforderung gilt, dass die äußere Abschlussschaltung 17 eine Null-Ausgangsimpedanz hat und weiterhin, dass die Verstärkungscharakteristiken der genannten Abschlussschaltung 17, die Ab schlussbezugsspannung und die Abschlussmittelwertbestimmungsimpedanz 19 gegenüber den inneren Schaltungsanordnungen 2 ungeändert bleiben, die Anordnung 21 die verbesserten Linearitätseigenschaften nach der vorliegenden Erfindung.
In 5 ist noch eine andere Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. In der Anordnung 22 sind die Verstärkungs- und Impedanzcharakteristiken der Abschlussschaltung 17 und die Abschlussbezugsspannung gegenüber den Verstärkungsschaltungen 2 relativ ungeändert. Die Mittelwertbestimmungsimpedanz 19 ist nun aber gleich R₂ – R₁, wenn vorausgesetzt wird, dass R₂ > R₁ ist.
6 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, wobei die Ausgangsimpedanz 16 R₁ größer ist als die Mittelwertbestimmungsimpedanz R₂, und folglich ist R₂ – R₁ < 0.
Die in 5 vorgeschlagene Lösung gilt nicht für diesen Fall, da der modifizierte Abschlussmittelwertbestimmungswiderstand 19 nicht einen negativen Wert haben kann. Die in 6 vorgeschlagene Lösung löst dieses Problem dadurch aber, dass der Mittelwertbestimmungswiderstand 19 auf Null gesetzt wird, d. h. dass die Ausgangsspannungsklemmen zweier äußeren Schaltungen 17, 23, die aneinander grenzen, kurzgeschlossen werden. Auf diese Art und Weise ergibt ein Abschlussnetzwerk 24, wobei die Ausgangsklemmen 3 der Abschlussschaltungen 17, 23 kurzgeschlossen sind, die nachfolgenden Teilschaltungsgleichungen für die Abschlussschaltungen 17 und 23 (bezeichnet durch die tief gestellten Ziffern 1 bzw. 2):
Die Linearität erfordert, dass I₂ – I_n = 0 ist und dass ΔU_ref·A_u = R₂I₂, ist; eine Lösung für R'₂ ergibt eine Abschlussimpedanz, gleich
wobei die Verstärkungs- und die Impedanzcharakteristiken der genannten Abschlussschaltung und die Abschlussbezugsspannungen nicht abweichend sind.
Es hat sich herausgestellt, dass auf diese Art und Weise der erforderliche negative Abschlusswiderstand durch einen zusätzlichen Verstärker geschaffen wird. Wenn der Wert für den erforderlichen Abschlussmittelwertbestimmungswiderstand R'₂ mit einem Wert
dennoch einen negativen Ausschlag gibt, das Verfahren des Kurzschlie ßens wiederholt werden kann, und folglich, wenn die Größe negativ ist, wird die Ausgangsspannungsklemme der genannten Abschlussschaltung 23 kurzgeschlossen, die Ausgangsspannungsklemme 3 der nächsten angrenzenden Schaltungsanordnung 25 (gleichwertig zu der Einstellung r'₂ auf Null); und das Berechnen einer Größe der nächsten Abschlussimpedanz 26, die eine nächste Ausgangsspannungsklemme der genannten Abschlussschaltung 26 mit einer nächsten Ausgangsspannungsklemme einer Verstärkungsschaltung, grenzend an die genannte Abschlussschaltung 25, koppelt. Je nach dem aktuellen Wert von R'₂ (d. h. wenn R'₂ dem Wert von R₂ entspricht), kann eine Ausgangsklemme 121 mit der Schaltungsanordnung 17 gekoppelt werden (in der Zeichnung durch gestrichelte Linien dargestellt).

Claims

Analog-Digitalwandler, der die nachfolgenden Elemente umfasst: – eine Anzahl Verstärkungsschaltungen (2) mit im Allgemeinen einheitlichen Verstärkungs- und Impedanzcharakteristiken, wobei jede Schaltungsanordnung die nachfolgenden Elemente umfasst: – eine Eingangsspannungsklemme (6); – eine Bezugsspannungsklemme (7); und – eine Ausgangsspannungsklemme (3); wobei der Analog-Digital-Wandler weiterhin die nachfolgenden Elemente umfasst: – ein Eingangsspannungsnetzwerk (8), das jeder Eingangsspannungsklemme (6) der genannten Verstärkungsschaltungen (2) eine analoge Eingangsspannung zuführt; – ein Bezugsspannungsnetzwerk (10), das jeder Bezugsspannungsklemme (7) der genannten Verstärkungsschaltungen (2) Bezugsspannungen mit einem im Allgemeinen einheitlichen Zwischenraum zuführt, wobei eine relative funktionelle Lage jeder Verstärkungsschaltung (2) durch die Größe einer empfangenen Bezugsspannung bestimmt wird; – ein Mittelwertbestimmungsnetzwerk (5), das aus im Allgemeinen identischen Mittelwertbestimmungsimpedanzen (5) besteht, die Ausgangsspannungsklemmen (3) aneinander grenzender Verstärkungsschaltungen (2) koppeln; – ein Ausgangsspannungsnetzwerk (12) zum Liefern verstärkter Spannungsdifferenzen von jeder Verstärkungsschaltung der genannten Anzahl Verstärkungsschaltungen (2); und gekennzeichnet durch – ein Abschlussnetzwerk (13, 5), das eine Abschlussschaltung (13) und eine Abschlussmittelwertbestimmungsimpedanz (5) aufweist, wobei die genannte Abschlussschaltung (13) die analoge Eingangsspannung sowie eine Abschlussbezugsspannung empfängt und die genannte Abschlussschaltung (13) eine Ausgangsspannungsklemme aufweist, zum Erzeugen einer Ausgangsspannung, und zwar abhängig von einer Differenz der analogen Eingangsspannung und der Abschlussbezugsspannung, wobei die Ausgangsspannungsklemme über die genannte Mittelwertbestimmungsimpedanz (5) mit einer Ausgangsspannungsklemme (3) einer äußeren Verstärkungsschaltung (2) der genannten Anordnung gekoppelt ist, wobei die Verstärkungs- und/oder Impedanzcharakteristiken der genannten Abschlussschaltung (13) und/oder die Abschlussbezugsspannung und/oder die Abschlussmittelwertbestimmungsimpedanz (5) abweichend sind zum Erzeugen eines Stroms in der genannten Ausgangsspannungsklemme der genannten äußeren Verstärkungsschaltung (2) der genannten Anordnung, die für die schlussendlichen Größe der Anordnung korrigiert wird.
Analog-Digitalwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungs- und/oder Impedanzcharakteristik der genannten Abschlussschaltung (13) und/oder die Abschlussbezugsspannung und/oder die Abschlussmittelwertbestimmungsimpedanz (5) des genannten Abschlussnetzwerkes abweichend sind, so dass Ströme durch jede Mittelwertbestimmungsimpedanz zwischen benachbarten Ausgangsspannungsklemmen der genannten Anordnung im Allgemeinen in der Größe einander gleich sind.
Analog-Digitalwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsdifferenz zwischen der genannten Abschlussbezugsspannung und einer Bezugsspannung, die von einer Außenverstärkungsschaltung empfangen worden ist, größer ist im Vergleich zu dem im Allgemeinen einheitlichen Zwischenraum zwischen jeder Bezugsspannung, empfangen von den genannten Verstärkungsschaltungen, wobei die Verstärkungs- und die Impedanzcharakteristiken der genannten Abschlussschaltung und der Abschlussmittelwertbestimmungsimpedanz nicht abweichend sind.
Analog-Digitalwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Anordnung mit Verstärkerschaltungen mit einer Ausgangsimpedanz von R1 und durch Mittelwertbestimmungsimpedanzen mit einem Wert R2 gekoppelt, die Spannungsdifferenz um einen Faktor
größer ist im Vergleich zu dem genannten einheitlichen Zwischenraum.
Analog-Digitalwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Anordnung mit Verstärkungsschaltungen mit einer Ausgangsimpedanz R1 und durch Mittelwertbestimmungsimpedanzen mit einem Wert R2 gekoppelt, die Abschlussmittelwertbestimmungsimpedanz R2 – R1 entspricht, wobei die Verstärkungs- und Impedanz charakteristiken der genannten Abschlussschaltung und der Abschlussbezugsspannung nicht abweichend sind.
Analog-Digitalwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Anordnung mit Verstärkerschaltungen mit einer Ausgangsimpedanz von R1 und durch Mittelwertbestimmungsimpedanzen mit einem Wert R2 gekoppelt, wobei R1 > R2 ist, die Abschlussmittelwertbestimmungsimpedanz durch eine aktive Schaltungsanordnung geschaffen wird, wobei die Verstärkungs- und Impedanzcharakteristiken der genannten Abschlussschaltung und der Abschlussbezugsspannung nicht abweichend sind.
Analog-Digitalwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschlussnetzwerk eine Anzahl Abschlussschaltungen umfasst, wobei wenigstens zwei Ausgangsspannungsklemmen zweier angrenzender Abschlussschaltungen kurzgeschlossen werden.
Analog-Digitalwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschlussnetzwerk zwei Abschlussschaltungen mit kurzgeschlossenen Ausgangsspannungsklemmen umfasst, wobei die Verstärkungsschaltungen weiterhin eine gleichmäßige verteilte Bezugsspannung empfangen und mit der Eingangsspannung verbunden sind, wobei die Ausgangsspannungsklemmen der genannten Verstärkungsschaltungen durch eine Abschlussmittelwertbestimmungsimpedanz mit einer Ausgangsspannungsklemme einer äußeren Verstärkungsschaltung der genannten Anordnung gekoppelt ist, wobei die Abschlussmittelwertbestimmungsimpedanz dem Wert
entspricht, wobei die Verstärkungs- und Impedanzcharakteristiken der genannten Abschlussschaltung und der Abschlussbezugsspannungen nicht abweichend sind.
Verfahren zum Entwerfen eines Analog-Digitalwandlers nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Verstärkungs- und Impedanzcharakteristiken der genannten Abschlussschaltung (13) und der Abschlussbezugsspannung im Allgemeinen in der Größe einheitlich sind, in einer Anordnung mit Verstärkerschaltungen mit einer Ausgangsimpedanz von R1 und durch Mittelwertbestimmungsimpedanzen mit einem Wert von R2 gekoppelt, wobei R1 > R2 ist, wobei das Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschrit te umfasst: – das Kurzschließen zweier Ausgangsspannungsklemmen zweier benachbarter Abschlussschaltungen in dem Abschlussnetzwerk; und wobei das Verfahren weiterhin das Wiederholen der nachfolgenden Schritte umfasst: – das Berechnen einer Größe einer ersten Abschlussimpedanz, die eine Ausgangsspannungsklemme der genannten Abschlussschaltungen mit einer ersten Ausgangsspannungsklemme einer Verstärkungsschaltung, grenzend an die genannte Abschlussschaltung, koppelt, so dass ein Strom durch jede Mittelwertbestimmungsimpedanz zwischen benachbarten Ausgangsspannungsklemmen der genannten Anordnung im Allgemeinen in der Größe im Allgemeinen gleich ist; und – wenn diese berechnete Größe negativ ist, das Kurzschließen der genannten Ausgangsspannungsklemme der genannten Abschlussschaltung mit der genannten ersten Ausgangsspannungsklemme und das Berechnen einer Größe einer nächsten Abschlussimpedanz, die eine Ausgangsspannungsklemme der genannten Abschlussschaltung mit einer nächsten Ausgangsspannungsklemme einer Verstärkungsschaltung, grenzend an die genannte Abschlussschaltung, koppelt.