CN102075168A - 一种迟滞比较器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度高稳定迟滞比较器电路，其中100为放大器电路，Vin为放大器的输入端，放大器输出信号经101输出到阈值产生电路200中，用以控制阈值产生电路。Vth+、Vth-为阈值输入端，200根据选择产生阈值电压经102传输给放大器100进行比较器。其中放大器采用轨对轨(rail-to-rail)结构，可以实现从电源(VCC)到地(GND)全范围内比较；阈值产生电路由二选一传输门构成，外部输入阈值电平。该比较器具有很高的电源稳定性、不易受外界温度变化的影响。

Description

一种迟滞比较器

技术领域

本发明属于半导体集成电路技术领域，特别涉及一种迟滞比较器电路。

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，电压比较器的输出就常常出错。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。因此我们需要引进不受电源电压、外界温度变化的影响，具有一定迟滞宽度的阈值稳定可调的比较器。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。尤其是当输入达到阈值时输出会改变，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，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，但该比较器对运放性能要求很高，且不能根据需要调节。

②内部正反馈迟滞比较器主要为高增益开环迟滞比较器。但该比较器迟滞宽度不能灵活调节，应用范围有限。

③施密特触发器结构的迟滞比较器，该电路可以通过改变Vth1-、Vth1+偏置电压的大小来灵活调节电路的迟滞宽度，电路的迟滞宽度简单、灵活可调，但是该比较器受工艺参数、电源电压和温度的影响很大，精度不高，实用性不强。

由于迟滞比较器的应用越来越广，结构也越来越多，目前国内有关迟滞比较器的专利也比较多，有专门应用于低电源电压的比较器，有阈值自动调节的迟滞比较器。但其结构均受工艺条件限制，在不同的工艺条件下，对电路的影响较大，应用范围受到限制。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有的比较器存在受工艺参数、电源电压和温度的影响很大，精度不高，实用性不强的缺点，提供一种高精度高稳定迟滞比较器，该比较器具有结构简单，不易受工艺条件、外部温度和电源电压等影响，具有很好的应用价值等特点。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种迟滞比较器，包括放大器和阈值产生电路，其特征在于：

放大器采用轨对轨(rail-to-rail)结构，该结构的输入级采用一个跨导变换器，保证输入级跨导为一恒定的量，其信号的共模电压范围为电源(VCC)至地(GND)，放大器的输出信号用于控制阈值产生电路；

阈值产生电路是由二选一传输门构成，外部输入阈值电平，经二选一传输门输出到放大器的负端进行比较；

阈值电平的选择是通过放大器输出端电平的高低来控制，放大器输出端电压控制二选一传输门。

放大器输出端设置一组反向器，实现输出电平的翻转。

本发明的优点：

由于阈值产生电路和运放所采取的结构，使得该比较器具有很高的电源稳定性、不易受外界温度变化的影响，可以实现从电源(VCC)到地(GND)全范围内比较。该比较器具有精度高，阈值和迟滞宽度可以根据需要灵活调节。

附图说明：

图1是本发明的迟滞比较器电路结构框图；

图2是本发明的迟滞比较器电路图；

图3是本发明的迟滞比较器共模输入范围示意图；

图4是本发明的迟滞比较器精度随温度变化示意图；

图5是本发明的迟滞比较器精度随电源电压变化示意图。

具体实施方式：

该比较器可分放大器和阈值产生电路两个部分。图1为该比较器的结构框图，其中100为放大器电路，Vin为放大器的输入端。放大器经101输出到阈值产生电路200中，用以控制阈值产生电路。Vth+、Vth-为阈值输入端，阈值产生电路200根据选择产生的阈值电压经102传输给放大器100进行比较。电路结构如图2所示，信号从Vin输入，经过比较器比较，从Vout1输出，通过Vout1电平的高低，实现控制二选一传输门TG1、TG2的作用，使得Vth+或Vth-经传输门输出到M1的栅极实现与Vin比较，并从Vout端输出。

下面将对该电路的具体工作原理进行详细的分析。

(1)该比较器采用轨对轨rail-to-rail结构，该结构的输入级采用一个跨导变换器，保证输入级跨导为一恒定的量，其信号的共模输入电压范围可从电源(VCC)到地(GND)，在很宽的输入电压范围内，放大器都是灵敏的，并能以相同的增益放大不同的信号。比较器工作在强反型区时，跨导gm为

$\mathrm{gm}=\sqrt{2{\mathrm{\μ}}_n\mathrm{Cox}{\left(\frac{W}{L}\right)}_n{I}_{\mathrm{dn}}}+\sqrt{{2\mathrm{\μ}}_p\mathrm{Cox}{\left(\frac{W}{L}\right)}_p{I}_{\mathrm{dp}}}---\left(1\right)$

为了跨导恒定，常使

并要求μ_n(W/L)n＝μ_p(W/L)_p。本发明采用反馈环路控制方法来控制差分互补输入对的尾电流以达到在共模输入电压范围内(1)式跨导恒定。这种方法也称为“4I/I法则”。具体的电路如图2所示：令

$\frac{{(W/L)}_{M13}}{{(W/L)}_{M4}}=3\frac{{(W/L)}_{M12}}{{(W/L)}_{M9}}=4\frac{{(W/L)}_{M10}}{{(W/L)}_{M11}}=3\frac{{(W/L)}_{M19}}{{(W/L)}_{M11}}=4---\left(2\right)$

电路工作原理如下：

1、当共模输入电压较高时，电路中M1、M2、M3、M4导通，而M5、M6、M7、M8截止，PMOS差分输入对的尾电流M12不能对其提供电流，电流镜M13、M14亦是一样。此时M3、M4导通，在A点可看作4I和3I的代数求和过程，但此代数运算后的电流不会给M1、M2输入对加入额外的尾电流，尾电流大小仍为4I，保证了

2、当共模输入电压较低时，同样的方法可分析出提供给差分互补输入对M3，M4的尾电流也是4I，同样地保证了

3、当共模输入电压处于中间值时，电路中M1-M8均导通处于工作状态，M7、M8在M9和M13之间就形成一个通路，相当于两点电流在B点进行代数运算，则差分互补输入对中M1、M2的尾电流只有一倍I；M3～M4的尾电流也为一倍的I，这就保证了

4、图3为该电路的共模输入范围仿真图形，从图中可以看出该放大器的共模输入范围为电源(VCC)到地(GND)，因此该比较器能实现从电源(VCC)到地(GND)的全范围比较。

5、继续分析该电路，在图2中，Vin端对应的电压从最小值变大时，起初Vin的电压较低，故Vout1处为低电平，Vout1信号经INV1和INV2整形后，到达二选一传输门，选择Vth-端的电压信号达到M1输入端，此时Vout输出为低电平。随着Vin端电压的继续上升，当Vout1到达INV1的转折点处时，控制二选一传输门使阈值输出为Vth+，比较器发生翻转，输出Vout为高电平信号。

当Vin端对应的电压从电源电压变小时，起初Vin端的电压较高，故Vout1处为高电平，从而二选一传输门选择Vth+端的电压信号到达M1输入端，此时Vout输出为高电平。随着Vin端电压的继续下降，当Vout1到达INV1的转折点处时，控制二选一传输门使阈值输出为Vth-，比较器发生翻转，输出Vout为低电平信号。

通过以上分析可知，欲实现所需的正、负阈值电平只要将相应的电压接到Vth+、Vth-处即可。为了使Vth+和Vth-随温度变化较小，可以用基准电压分压来实现。

(2)温度变化对两种结构的影响

分析温度变化对图2所示的电路的影响，令Vth+＝3V、Vth-＝2V、VCC＝5V，在不同的温度下对Vin进行直流扫描可得到图4中所示的仿真结果。从仿真结果可以看到，在-45℃到125℃的温度范围内，阈值电压及迟滞宽度基本上没有变化。

(3)电源电压对两种结构的影响

分析电源电压对图2所示的电路的影响，令Vth+＝3V、Vth-＝2V、TEMP＝25℃，在不同的电源电压VCC下对Vin端进行直流扫描可得到图5所示的结果。从仿真结果可以看到，在不同的电源电压下，电路的阈值电压及迟滞宽度几乎不变，阈值电压分别保持3和2V，迟滞宽度也固定在1V左右。可见电源电压对该电路所产生的正负阈值电压和迟滞宽度影响非常小。

该比较器具有很高的电源稳定性、不易受外界温度变化的影响，可以实现从电源(VCC)到地(GND)全范围内比较。该比较器具有精度高，阈值和迟滞宽度可以根据需要灵活调节。由于具有以上诸多优点，所以该比较器可广泛应用于报警电路、自动控制电路、测量技术、也可用于V/F变换电路、ADC/DAC电路、高速采样电路、电源电压检测电路、振荡器及压控振荡器电路、过零检测电路等。具有很高的应用价值和灵活性。

Claims (2)

1.一种迟滞比较器，包括放大器和阈值产生电路，其特征在于：

放大器采用轨对轨(rail-to-rail)结构，该结构的输入级采用一个跨导变换器，保证输入级跨导为一恒定的量，其信号的共模电压范围为电源(VCC)至地(GND)，放大器的输出信号用于控制阈值产生电路；

阈值产生电路是由二选一传输门构成，外部输入阈值电平，经二选一传输门输出到放大器的负端进行比较；

阈值电平的选择是通过放大器输出端电平的高低来控制，放大器输出端电压控制二选一传输门。

2.根据权利要求1所述的一种迟滞比较器，其特征在于放大器输出端设置一组反向器，实现输出电平的翻转。

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