DE10048538B4

DE10048538B4 - Schnellschaltender Komparator mit Hysterese

Info

Publication number: DE10048538B4
Application number: DE10048538A
Authority: DE
Inventors: Derek Los Altos Bray
Original assignee: Infineon Technologies North America Corp
Current assignee: Vishay Infrared Components Inc
Priority date: 1999-10-21
Filing date: 2000-09-30
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2020-10-01
Also published as: GB2355608B; GB0024176D0; US6362467B1; DE10048538A1; GB2355608A; GB2355608A8

Abstract

Komparator, welcher enthält:
einen strombegrenzten Gainverstärker (20), der auf ein differentielles Eingangssignal (DIFF) anspricht, und der Eingänge zur Zuführung des Eingangssignals (DIFF) und aktive Lasteingänge (22, 24) aufweist;
eine auf den Gainverstärker (20) ansprechende Komparatorstufe (30); und
einen strombegrenzten Differential-Rückkopplungsverstärker (40), der auf die Komparatorstufe (30) anspricht und eine positive Rückkopplung (50, 52) auf die aktiven Lasteingänge (22, 24) des Gainverstärkers gibt.

Description

Hintergrund der Erfindung
Ein Komparator kann in einem Optokoppler-Treiberdetektor zum Abtasten des Ausgangs des Treibers verwendet werden. In einem Hochleistungskoppler darf der Komparator keine wesentliche Verzögerung hervorrufen.

Die EP 0 168 318 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung mit einem Rückkopplungsverstärker, dem über Eingangswiderstände ein Eingangssignal zugeführt ist. Dem Verstärker ist ein weiterer Verstärker nachgeschaltet, dessen Ausgangssignal einem Eingang eines Differenzverstärkers zugeführt ist, wobei dem anderen Eingang dieses Differenzverstärkers ein Referenzwert zugeführt ist. Ein Ausgangssignal dieses Differenzverstärkers ist über einen Widerstand an einen Eingang des Verstärkers und über Widerstände an den anderen Eingang des Verstärkers zurückgekoppelt.

Kurze Beschreibung der Figuren

1 ist ein grundlegendes Blockschaltbild eines Komparators;

2 ist ein Schaltbild einer Ausführungsform der in 1 gezeigten Komparatorschaltung;

3 ist eine Optokoppler-Detektorschaltung, welche die Komparatorschaltungen gemäß 1 und 2 verwenden kann; und

4 ist ein Wellenformdiagramm für die Schaltungen der 1 und 2.

Beschreibung der Erfindung

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen schnell schaltenden Komparator mit Hysterese und einen Detektor für eine Photodiode mit einem solchen Komparator zur Verfügung zu stellen.

Dieses Ziel wird durch einen Komparator gemäß Anspruch 1 und durch einen Detektor gemäß Anspruch 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein schnell schaltender Komparator mit Hysterese kann durch Treiben einer Nullhysterese-Komparatorstufe mit einem strombegrenzten Differentialgainverstärker und Rückkoppeln des Ausgangssignals der Komparatorstufe durch einen strombegrenzten Differentialverstärker zum Gainverstärker verwirklicht werden.

Ein Komparator 10 mit Hysterese kann ausgebildet werden, wie in l gezeigt. In dieser treibt ein strombegrenzter Differentialgainverstärker 20 mit Spannungskompression eine Komparatorstufe 30, die ihrerseits einen strombegrenzten Differentialschaltverstärker 40 treibt, der der Einfachheit halber auch als Rückkopplungsverstärker 40 bezeichnet werden kann. Die Ausgangssignale der letztgenannten Stufe werden als "positivseitig" und "negativseitig" aktive Lasteingangssignale 22 und 24 in den Gainverstärker 20 gegeben, indem eine Rückkopplungsschleife 50, 52 geschlossen wird. Das Ausgangssignal des Komparators 10 wird von den Ausgängen der Komparatorstufe 30 mit einem Differential-zu-single-ended-Konverter 60 mit einem single-ended Ausgang 62 abgeleitet.
Das Eingangssignal ist differentiell formatiert und wird auf die Eingänge des Gainverstärkers 20 gegeben. Das verstärkte und komprimierte Signal wird sodann auf die Komparatorstufe 30 gegeben, deren Ausgangssignal in ein single-ended Ausgangssignal durch den Konverter 60 umgewandelt wird. Bei einer Ausführungsform hat die Komparatorstufe 30 eine sehr hohe Verstärkung ohne Hysterese, und ihr Ausgangssignal ist daher in Abhängigkeit von den Eingangssignalen entweder hoch oder niedrig.
Für einen korrekten Betrieb des Komparators 10 ist die Rückkopplungsschleife positiv. In l sind die drei Stufen als nichtinvertierend dargestellt, es wird jedoch bemerkt, daß eine oder mehrere der Stufen das jeweilige Eingangssignal invertieren könnte, und die Verbindungen werden zweckmäßig so vorgenommen, daß eine positive Rückkopplung aufrechterhalten wird.
Es werde für den Augenblick eine Situation angenommen, bei der das Signal am positiven Eingang des Komparators 10 ist und daher der Gainverstärker 20 anfänglich niedriger ist als das Signal am negativen Eingang. In diesem Fall treibt das Ausgangssignal des Gainverstärkers 20 das Ausgangssignal der Komparatorstufe 30 und des Rückkopplungsverstärkers 40 auf einen niedrigen Wert (eine positiv-negative Klemmenbestimmung vorausgesetzt). Das Ausgangssignal des Rückkopplungsverstärkers 40 wird zu den aktiven Lasteingängen 22, 24 des Gainverstärkers 20 rückgekoppelt, indem die aktiven Lasten vorgespannt und der niedrige Zustand gestärkt wird.
Nun werde angenommen, daß das Signal am positiven Eingang des Gainverstärkers 20 oberhalb des Pegels des Signals am negativen Eingang zu schwingen beginnt, bis das positivseitige Signal größer ist als das negativseitige Signal. Wenn die Signaldifferenz die Wirkung der Vorspannung auf die aktiven Lasten im Gainverstärker 20 übersteigt, werden die Ausgangssignale des Verstärkers 20 gleich und zwingen die Ausgangssignale der Komparatorstufe 30, ihre Polarität zu wechseln. Die Ausgangssignale des Rückkopplungsverstärkers 40 schalten ihrerseits und liefern ein stärkendes Rückkopplungssignal auf den Gainverstärker 20.
Sodann beginnt das Signal am positiven Eingang des Gainverstärkers 20 zu fallen, bis es niedriger ist als der Pegel des Signals am negativen Eingang. Wenn die Signaldifferenz die Wirkung der Vorspannung auf den aktiven Lasten im Gainverstärker 20 übersteigt, werden die Ausgangssignale des Verstärkers 20 gleich und zwingen die Ausgangssignale der Komparatorstufe 30, wiederum ihre Polarität zu wechseln. Die Ausgangssignale des Rückkopplungsverstärkers 40 schalten ihrerseits und liefern ein stärkendes Rückkopplungssignal für die neuen Polaritäten des Gainverstärkers 20.
Eine Ausführungsform der Schaltung gemäß l ist in 2 gezeigt. Die drei Stufen der l, nämlich der Gainverstär ker 20, die Komparatorstufe 30 und der strombegrenzte Differentialschalt- oder Rückkopplungsverstärker 40 sind durch die Komponenten in den gestrichelten Linien angedeutet. Die erste Komponente, der Gainverstärker 20, enthält zwei Anordnungen Q1 und Q2, welche jeweils aktive Lasten Q3 bzw. Q4 treiben. Die Stromquelle I1 begrenzt den durch den Verstärker 20 fließenden Strom.
Die Komparatorstufe 30 enthält Anordnungen Q5 und Q6, die mit den aktiven Lasten Q7-Q8 und Q9-Q10 kreuzgekoppelt sind. Jedes der genannten Anordnungspaare (Q7-Q8 und Q9-Q10) wirkt als Stromspiegel. Nominell sind die Größen (d.h. Länge und Breite) aller der Anordnungen in den aktiven Lasten gleich und es entsteht keine Hysterese. Durch Änderung der Größe (d.h. Länge und Breite) einer der Anordnungen in einem Paar bezüglich der anderen kann ein Grad an Hysterese eingeführt werden. Die Stromquelle I2 gibt Strom auf die Komparatorstufe 30.
Schließlich hat der strombegrenzte Differentialverstärker 40 zwei Anordnungen Q11 und Q12 mit Lastwiderständen R1 und R2. Der Strom wird durch die Stromquelle I3 begrenzt. Der Grad an entstehender Hysterese ist die Größe des Stroms aus der Stromquelle I3 mal den Wert von R1 oder R2.
In der Schaltung der 2 sind die Anordnungen Ql, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q11 und Q12 als n-Kanalanordnungen gezeigt und Q7, Q8, Q9 und Q10 sind als p-Kanalanordnungen dargestellt. Es können auch andere Ausgestaltungen angewendet werden und andere Anordnungen (z.B. bipolare) könnten verwendet werden.
Die Comparatoren der 1 und 2 können in den Optokoppler-Detektoren angewendet werden, die in der US-Patentanmeldung Ser. No. 09/342 804, gerichtet auf einen Hochleistungs-Optokoppler-Detektor, eingereicht am 29. Juni 1999, beschrie ben sind, auf die hier Bezug genommen wird. Beispielsweise kann eine Abänderung der Schaltung der 3 dieser Anmeldung angewendet werden, welche in der vorliegenden 3 dargestellt ist, die den Transimpedanz-Verstärker 100, eine Verzögerungsschaltung 110 und einen Komparator 120 zeigt. Hier ist der Rückkopplungswiderstand aufgespaltet in R3 und R4, obwohl bemerkt werden soll, daß man das wahlweise auch nicht tun kann und die Schaltung der 3 der anderen Anmeldung direkt verwenden kann.
Ein Set von Wellenkopplungen für den Komparator, wenn er in der Schaltung der 3 verwendet wird, ist in 4 dargestellt. Die obere Wellenform A ist das positive Eingangssignal des Komparators 120, welches auch den Ausgangssignalen der Fotodiode und des Verstärkers 100 entspricht, und das verzögerte Signal am negativen Eingang des Komparators 120 ist die nächste Wellenform B. Die Differenz zwischen den beiden ist die dritte Wellenform C. Die Ausgangssignale der Komparatorstufe sind als Wellenform D dargestellt, und die strombegrenzten Ausgangssignale des Rückkopplungsverstärkers 40 entsprechen der Wellenform E.

Claims

Komparator, welcher enthält: einen strombegrenzten Gainverstärker (20), der auf ein differentielles Eingangssignal (DIFF) anspricht, und der Eingänge zur Zuführung des Eingangssignals (DIFF) und aktive Lasteingänge (22, 24) aufweist; eine auf den Gainverstärker (20) ansprechende Komparatorstufe (30); und einen strombegrenzten Differential-Rückkopplungsverstärker (40), der auf die Komparatorstufe (30) anspricht und eine positive Rückkopplung (50, 52) auf die aktiven Lasteingänge (22, 24) des Gainverstärkers gibt.
Komparator nach Anspruch 1, bei welchem der Gainverstärker (20) aktive Lasten enthält und die positive Rückkopplung die aktiven Lasten vorspannt.
Komparator nach Anspruch 1, bei welchem die Komparatorstufe (30) hohe Verstärkung ohne Hysterese aufweist.
Detektor für eine Fotodiode, welcher aufweist: – einen Strom-Spannungs-Konverter zum Umwandeln des Stromausgangssignals einer Fotodiode in eine Spannung; und – einen Spannungsänderungsdetektor, der auf den Strom-Spannungs-Konverter anspricht, um eine Änderung im Ausgangssignal der Fotodiode zu erfassen, wobei der Spannungsänderungsdetektor eine Einrichtung (110) zum Erhalten der Spannung vor einer Änderung im Ausgangssignal der Fotodiode aufweist; und – einen Komparator (120), der auf den Spannungsänderungsdetektor und die Einrichtung zum Erhalten der Spannung vor einer Änderung im Ausgangssignal der Fotodiode anspricht und der umfasst: – einen strombegrenzten Gainverstärker (20), der auf ein differentielles Eingangssignal (DIFF) anspricht, und der Eingänge zur Zuführung des Eingangssignals (DIFF) und aktive Lasteingänge (22, 24) aufweist; – eine auf den Gainverstärker (20) ansprechende Komparatorstufe (30); und – einen strombegrenzten Differential-Rückkopplungsverstärker (40), der auf die Komparatorstufe (30) anspricht und eine positive Rückkopplung (50, 52) auf die aktiven Lasteingänge (22, 24) des Gainverstärkers gibt.
Detektor nach Anspruch 4, bei welchem die Einrichtung (110) zum Erhalten der Spannung vor einer Änderung des Ausgangssignalsignals der Fotodiode eine Einrichtung zur Verzögerung der Änderung der Bezugsspannung am Komparator (120) um eine Zeitperiode aufweist.
Detektor nach Anspruch 5, bei welchem die Einrichtung zur Verzögerung der Änderung in der Bezugsspannung am Komparator (120) für eine Zeitperiode eine Verzögerungsleitung ist.
Detektor nach Anspruch 4, bei welchem der Strom-Spannungs-Konverter (100) ein Transimpedanz-Verstärker ist.
Detektor nach Anspruch 4, bei welche der Spannungsänderungsdetektor eine Einrichtung enthält, die auf das Ausgangssignal des Strom-Spannungs-Konverters anspricht, um eine dynamische Bezugsspannung zu erzeugen, sowie einen Komparator, der auf das Ausgangssignal des Strom-Spannungs-Konverters und die dynamische Bezugsspannung anspricht.
Detektor nach Anspruch 8, bei welchem die Einrichtung zur Erzeugung einer dynamischen Bezugsspannung einen Spannungsteiler zum Abgreifen eines Teils der Ausgangsspannung des Strom-Spannungs-Konverters sowie einen Kondensator zum Erhalten der abgegriffenen Spannung über eine Zeitperiode aufweist.
Detektor nach Anspruch 8, bei welchem die Einrichtung zur Erzeugung einer dynamischen Bezugsspannung eine Einrichtung zum Verzögern der Änderung in der Bezugsspannung am Komparator (120) über eine Zeitperiode aufweist.
Detektor nach Anspruch 10, bei welchem die Einrichtung zur Verzögerung der Änderung in der Bezugsspannung am Komparator (120) um eine Zeitperiode eine Verzögerungsleitung ist.