CN102025352B - 一种迟滞电压比较器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种迟滞电压比较器，其包括开环比较电路，它还包括与开环比较电路相反馈连接以产生迟滞的阈值产生电路，所述的阈值产生电路包括增加在开环比较电路中的MOS开关管和电流源，通过输出电平来控制开关管的开启和关断，从而形成内部正反馈通路，进而形成具有一定迟滞宽度，且宽度可调的比较器。由于电流源的电流大小可调，从而使得迟滞宽度可调节，电路具有较大的使用灵活性。

Description

一种迟滞电压比较器

技术领域

本发明涉及一种半导体集成电路技术领域，涉及一种实现迟滞功能的新型电压比较器电路。

背景技术

在实际使用中，由于电源电压的变化、电阻值的偏差、运算放大器的温漂，电压比较器的输出常常出错。必须重新调整电位器改变阈值电压，才能使比较器重新正常工作，输出符合要求的控制信号。迟滞是比较器的一种性质，其输入阈值是输入(输出)电平的函数。当输入经过阈值时输出会改变，同时输入阈值也会随之降低，所以在比较器的输出又一次改变状态之前输入必须回到上一阈值。

目前较为流行的迟滞比较器有以下几种：

①外部正反馈结构的比较器如图1所示。该比较器主要是通过外接电阻构成正反馈形式来实现迟滞功能的比较器，在理想情况下Vin+其转折点为

$V_{\mathrm{th}+}=\left(\frac{R_1}{R_1+R_2}\right)V_{\mathrm{OH}}+\left(\frac{R_1}{R_1+R_2}\right)V_{\mathrm{in}}----\left(1\right)$

$V_{\mathrm{th}}-=\left(\frac{R_1}{R_1+R_2}\right)V_{\mathrm{OL}}+\left(\frac{R_1}{R_1+R_2}\right)V_{\mathrm{in}}----\left(2\right)$

其中VOH和VOL分别为比较器最大和最小输出电压，但该式成立的条件是V1和Vin+相等，这在直流电平中应用是没有问题的。但当Vin+、Vin-传输速率较高时，对该运放的要求也会提高，要想保证V1和Vin+相等，则需运放在高频下仍具有较高的增益，即需要运放具有很高的增益带宽积，而这在很多情况下是很难达到的，因此使其应用范围受到很大限制。

②内部正反馈迟滞比较器，其经典电路为Allen书上的高增益开环迟滞比较器，电路如图2所示。

当Vin+大于Vin-时，电流I20大部分从M20流过，流过M21的电流只是极少的一部分，甚至没有，此时输出信号Vo2为高电平。当Vin+减小Vin-增加时，流过M21和M24的电流逐渐增加，当流过M21、M24的电流与流过M20、M22的电流相等时，Vo2电平发生翻转。由于此时M22、M23的栅电容向地释放电荷需要一定的时间，因此电平转换需要一定的时间来完成。当输入信号频率较高时，需要较大的尾电流I20来实现快的翻转速率，因此该电路要维持较高转换速率需要较大的功耗来完成，同时如果要调节迟滞宽度则需要改变MOS管宽长比，因此限制了其应用范围。

发明内容

本发明目的是提供一种迟滞宽度可调节的电压比较器。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种迟滞电压比较器，其包括开环比较电路，它还包括与所述的开环比较电路相反馈连接以产生迟滞的阈值产生电路，所述的阈值产生电路包括增加在开环比较电路中的MOS开关管和电流源，通过输出电平来控制开关管的开启和关断，从而形成内部正反馈通路，进而形成具有一定迟滞宽度，且宽度可调的比较器。

进一步地，所述的开环比较电路输出端设置一组反相器，反相器的输出信号控制开关管的开启和关断。

电流源输出与开环比较电路的输入级相电连接，通过将电流源I注入到输入级MOS管的漏区，使得流过输入级MOS管的电流增大，导致输入信号在达到转折点时不发生电平翻转，而在高于或低于该转折点时电平才能翻转，从而产生迟滞。

在根据上述技术方案所优化实施的方式中，所述的开环比较电路包括与电压正负输入端相电连接的第一输入MOS管和第二输入MOS管、与第一输入MOS管相连接用于为第一输入MOS管提供电流的第一负载MOS管、与第二输入MOS管相连接用于为第二输入MOS管提供电流的第二负载MOS管、连接在第一负载MOS管与地之间用于形成通路的第三负载MOS管以及连接在第二负载MOS管与地之间用于形成通路的第四负载MOS管，所述的阈值产生电路包括分别与第一输入MOS管和第二输入MOS管相对称连接的第一开关管和第二开关管、电流大小可调节的第一电流源以及与开环比较电路输出端依次相连接的第一反相器和第二反相器，所述的第一反相器的输出端与第一开关管相连接以控制第一开关管的导通与截止；所述的第二反相器的输出端与第二开关管相连接以控制第二开关管的导通与截止，通过控制第一开关管与第二开关管的导通与截止使得第一电流源电流注入到第一输入MOS管或第二输入MOS管中，以产生迟滞。

所述的第一输入MOS管、第二输入MOS管、第三负载MOS管以及第四负载MOS管为NMOS管，所述的第一负载MOS管、第二负载MOS管、第一开关管以及第二开关管为PMOS管，所述第一输入MOS管栅极与电压正输入端相连接，第二输入MOS管栅极与电压负输入端相连接，第一输入MOS管漏极与第一开关管漏极相电连接，第二输入MOS管漏极与第二开关管漏极相电连接，第一输入MOS管源极与第二输入MOS管源极通过大小可调节的第二电流源接地；第一开关管源极、第二开关管源极与第一电流源共同连接，且第一反相器的输出端与第一开关管栅极相连接，第二反相器的输出端与第二开关管栅极相连接。

所述的第一电流源以及第二电流源由一偏置电流源分流而成。

所述的第一电流源由两镜像连接的第一分流PMOS管构成，所述的第二电流源由两镜像连接的第二分流MOS管构成。

所述的迟滞电压比较器，其特征在于：所述的第一负载MOS管和第二负载MOS管分别为两相镜像连接的PMOS管，且对应的两PMOS管的宽长比相等。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下优点：本发明通过在开环比较电路增加MOS开关管以及电流源，通过输出电平来控制开关管的导通和截止，从而使得电流随着电压正负输入端电压的变化注入到开环比较电路中，这样就构成一个正反馈通路，从而产生迟滞。又由于电流源的电流大小可调，从而使得迟滞宽度可调节，电路具有较大的使用灵活性。

附图说明

附图1为现有外部正反馈迟滞比较器电路；

附图2为现有内部正反馈迟滞比较器电路图；

附图3为本发明迟滞比较器结构框图；

附图4为根据本发明技术方案所优化实施的迟滞比较器电路结构图；

附图5为本发明迟滞比较器在不同电流下迟滞宽度仿真图；

具体实施方式

下面结合附图，对本发明优选的具体实施例进行说明：

如图3所示的迟滞电压比较器，其由开环比较电路、与开环比较电路相反馈连接的阈值产生电路组成，所述的开环比较电路包括与栅极电压正输入端V1+相电连接的第一输入NMOS管M1、栅极与电压负输入端V1-相电连接的第二输入NMOS管M2、与第一输入NMOS管M1的漏极相电连接的由两镜像PMOS管M6和M7组成的第一负载MOS管、与第二输入NMOS管M2的漏极相电连接的同样由两镜像PMOS管M8和M9组成的第二负载MOS管、分别与第一负载MOS管和第二负载MOS管相电连接的且镜像设置的第三负载MOS管M10和第四负载MOS管M11，且第一输入MOS管M1的源极与第二输入MOS管的源极相连接后再与一大小可调节的第二电流源I0连接，第二电流源I0的另一端接地。

所述的阈值产生电路包括漏极与第一输入MOS管的漏极相电连接的第一开关管M3、漏极与第二输入MOS管的漏极相电连接的第二开关管M4、与第一开关管源极以及第二开关管源极相连接的第一电流源I5、输出端与第一开关管M3栅极相电连接的第一反相器IV1、输出端与第二开关管M4栅极相电连接的第二反相器IV2，所述的第一开关管M3以及第二开关管M4均为PMOS管。

所述的第一电流源I5以及第二电流源I0可由一偏置电流I分流而成，图4给出了具体实施电路，第一电流源I5由NMOS管M5以及与其相镜像连接的NMOS管M12组成，同时，NMOS管M12还与两镜像连接的PMOS管M13和M1；第二电流源I0由两镜像连接的NMOS管M0和M15组成。

下面将对该电路的具体工作原理进行详细的分析。

V1+和V1-分别为信号的输入端，当V1+信号远大于V1-时，I0电流主要从M1流过，流过M2的电流很小甚至没有，因此I₁＞I₂，设定(W/L)₆＝(W/L)₇、(W/L)₁₀＝(W/L)₁₁、(W/L)₈＝(W/L)₉，所以，I₆＝I₁₁＞I₈＝I₉，所以V2点为低电平，IV2输出高电平，VOUT1输出低电平，此时M4导通、M3截止，电流I₅通过M4注入到M2的漏极。当V1+逐渐降低，流过M2中的电流逐渐增大，流过M1中电流逐渐减少，此时M4仍导通，电流I5仍通过M4注入M2的漏极中，当V1+降低到一定程度后，此时流过M1的电流小于流过M2的电流，I₆＝I₁₁＜I₈＝I₉，V2输出高电平，IV2输出低电平，VOUT1输出高电平，输出发生翻转。在发生翻转时我们有如下关系式：

流过M1的电流和流过M2的电流之和为M10中电流即：

I₁+I₂＝I₀            (3)

由于(W/L)₁₄＝(W/L)₁₃，(W/L)₁₂＝(W/L)₁₅所以有I₁₄＝I₅

同理(W/L)₁₅＝(W/L)₁₀，有I₁₅＝I₀

又因为有如下式子：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{14}+I_{15}=I\\ I_4+I_8=I_2\end{array}\right.---\left(4\right)$

由3、4式可以推导出：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_5+I_1=I_2\\ I_1+I_2=I_0\\ I_0+I_5=I\end{array}\right.---\left(5\right)$

进而我们可以得到电平发生转折时

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1+I_5=\frac{I}{2}\\ I_2=\frac{I}{2}\end{array}\right.---\left(6\right)$

M1、M2工作在饱和区，所以有如下关系式

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{GS}1}=\sqrt{\frac{2I_1}{{\mathrm{\β}}_1}}+V_{t1}\\ V_{\mathrm{GS}2}=\sqrt{\frac{2I_2}{{\mathrm{\β}}_2}}+V_{t2}\end{array}\right.---\left(7\right)$

则迟滞宽度为

$V_{\mathrm{GS}1}-V_{\mathrm{GS}2}=\sqrt{\frac{2I_1}{{\mathrm{\β}}_1}}-\sqrt{\frac{2I_2}{{\mathrm{\β}}_2}}---\left(8\right)$

由于

$I=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_n\mathrm{Cox}(W/L){(V_{\mathrm{GS}}-\mathrm{Vth})}^2---\left(9\right)$

β＝μ_nCox(W/L)                (10)

令 $\frac{I_{14}}{I_{15}}=\frac{I_5}{I_0}=\frac{{(W/L)}_{14}}{{(W/L)}_{15}}=K---\left(11\right)$

由于 $\left\{\begin{array}{c}{I}_1=I_0-I_2\\ I_0+I_5=I\end{array}\right.---\left(12\right)$

所以可推导出

$I_0-I_5=\frac{I(1-K)}{1+K}---\left(13\right)$

所以推出迟滞宽度

$H_1=V_{\mathrm{GS}1}-V_{\mathrm{GS}2}=\sqrt{\frac{2I_1}{{\mathrm{\β}}_1}}-\sqrt{\frac{2I_2}{{\mathrm{\β}}_2}}=\sqrt{\frac{I_0-I_5}{{\mathrm{\μ}}_n\mathrm{Cox}{(W/L)}_1}}-\sqrt{\frac{I}{{\mathrm{\μ}}_n\mathrm{Cox}{(W/L)}_2}}$

$=\sqrt{\frac{I}{{\mathrm{\μ}}_n\mathrm{Cox}}}(\sqrt{\frac{1-K}{(1+K){(W/L)}_1}}-\sqrt{\frac{1}{{(W/L)}_2}})---\left(14\right)$

若电路中所有管子的长l均相等上式可化简为：

$H_1=\sqrt{\frac{I}{{\mathrm{\μ}}_n\mathrm{Cox}}}(\sqrt{\frac{W_{15}-W_{14}}{(W_{15}+W_{14})W_1}}-\sqrt{\frac{1}{W_2}})---\left(15\right)$

根据对称性，我们可知总的迟滞宽度为2H1。

图5所示的为偏置电流I不同时迟滞宽度的仿真图形，从图中可以看出，当偏置电流为50uA时的迟滞宽度大于电流为20uA时的迟滞宽度。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种迟滞电压比较器，其包括开环比较电路，其特征在于：它还包括与所述的开环比较电路相反馈连接以产生迟滞的阈值产生电路，所述的阈值产生电路包括增加在开环比较电路中的MOS开关管和电流源，通过输出电平来控制开关管的开启和关断，从而形成内部正反馈通路，进而形成具有一定迟滞宽度，且宽度可调的比较器，所述的开环比较电路输出端设置一组反相器，反相器的输出信号控制开关管的开启和关断，所述的开环比较电路包括与电压正负输入端相电连接的第一输入MOS管和第二输入MOS管、与第一输入MOS管相连接用于为第一输入MOS管提供电流的第一负载MOS管、与第二输入MOS管相连接用于为第二输入MOS管提供电流的第二负载MOS管、连接在第一负载MOS管与地之间用于形成通路的第三负载MOS管以及连接在第二负载MOS管与地之间用于形成通路的第四负载MOS管，所述的阈值产生电路包括分别与第一输入MOS管和第二输入MOS管相对称连接的第一开关管和第二开关管、电流大小可调节的第一电流源以及与开环比较电路输出端依次相连接的第一反相器和第二反相器，所述的第一反相器的输出端与第一开关管相连接以控制第一开关管的导通与截止；所述的第二反相器的输出端与第二开关管相连接以控制第二开关管的导通与截止，通过控制第一开关管与第二开关管的导通与截止使得第一电流源电流注入到第一输入MOS管或第二输入MOS管中，以产生迟滞。

2.根据权利要求1所述的一种迟滞比较器，其特征在于：电流源输出与开环比较电路的输入级相电连接，通过将电流源注入到输入级MOS管的漏区，使得流过输入级MOS管的电流增大，导致输入信号在达到转折点时不发生电平翻转，而在高于或低于该转折点时电平才能翻转，从而产生迟滞。

3.根据权利要求1所述的迟滞电压比较器，其特征在于：所述的第一输入MOS管、第二输入MOS管、第三负载MOS管以及第四负载MOS管为NMOS管，所述的第一负载MOS管、第二负载MOS管、第一开关管以及第二开关管为PMOS管，所述第一输入MOS管栅极与电压正输入端相连接，第二输入MOS管栅极与电压负输入端相连接，第一输入MOS管漏极与第一开关管漏极相电连接，第二输入MOS管漏极与第二开关管漏极相电连接，第一输入MOS管源极与第二输入MOS管源极通过大小可调节的第二电流源接地；第一开关管源极、第二开关管源极与第一电流源共同连接，且第一反相器的输出端与第一开关管栅极相连接，第二反相器的输出端与第二开关管栅极相连接。

4.根据权利要求3所述的迟滞电压比较器，其特征在于：所述的第一电流源以及第二电流源由一偏置电流源分流而成。

5.根据权利要求4所述的迟滞电压比较器，其特征在于：所述的第一电流源由两镜像连接的第一分流PMOS管构成，所述的第二电流源由两镜像连接的第二分流MOS管构成。

6.根据权利要求1所述的迟滞电压比较器，其特征在于：所述的迟滞电压比较器，其特征在于：所述的第一负载MOS管和第二负载MOS管分别为两相镜像连接的PMOS管，且对应的两PMOS管的宽长比相等。

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