DE10145656A1

DE10145656A1 - Komparator

Info

Publication number: DE10145656A1
Application number: DE2001145656
Authority: DE
Inventors: Walter Einfeldt
Original assignee: Philips Corporate Intellectual Property GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 2001-09-15
Filing date: 2001-09-15
Publication date: 2003-04-03
Also published as: EP1430601A2; JP2005503706A; WO2003026128A3; WO2003026128A2

Abstract

Um einen Komparator mit einem Referenzspannungseingang und einem Differenzspannungseingang sowie einem invertierenden Ausgang und einem nicht invertierenden Ausgang, wobei eine Schaltschwelle des Komparators durch eine obere Schwellenspannung und eine untere Schwellenspannung in Bezug auf die Referenzspannung vorgebbar ist, zu schaffen, der in einfacher Weise eine flexible Anpassung an verschiedene Anwendungen gestattet, ist vorgesehen, daß die obere Schwellenspannung (V_SO) und die untere Schwellenspannung (V_SU) unabhängig voneinander einstellbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Komparator mit einem Referenzspannungseingang und einem Differenzspannungseingang sowie einem invertierenden Ausgang und einem nicht invertierenden Ausgang, wobei eine Schaltschwelle des Komparators durch eine obere Schwellenspannung und eine untere Schwellenspannung in Bezug auf die Referenzspannung vorgebbar ist.
Komparatoren der gattungsgemäßen Art sind bekannt. Diese wirken als Differenzspannungswandler und werden bekanntermaßen dafür eingesetzt, analoge Spannungssignale in digitale Signale zu wandeln. Je nach Höhe einer, die Referenzspannung überlagernden Eingangsspannung schaltet der Komparator am Ausgang auf einen Spannungspegel HIGH oder einen Spannungspegel LOW. Die Referenzspannung bestimmt hierbei eine Schwellenspannung, bei deren Überschreiten der Ausgangszustand HIGH und bei deren Unterschreiten der Ausgangszustand LOW angenommen wird. Um eine Schaltgenauigkeit des Komparators zu erhöhen, ist bekannt, der Referenzspannung (Schwellenspannung) eine obere Schwellenspannung und eine untere Schwellenspannung vorzugeben. Die Differenz zwischen oberer Schwellenspannung und unterer Schwellenspannung bildet eine Hysterese des Komparators. Die obere Schwellenspannung und die untere Schwellenspannung führen dazu, daß zum Schalten in den Zustand HIGH die obere Schwellenspannung überschritten und zum Schalten in den Zustand LOW die untere Schwellenspannung unterschritten werden muß. Durch diese, von der oberen und unteren Schwellenspannung bestimmte Hysterese wird erreicht, daß das Eingangssignale überlagernde Störsignal keinen Einfluß auf den Schaltzustand des Komparators besitzt.
Mit einer Hysterese versehene Komparatoren sind beispielsweise aus der US-PS 5,617,050, US-PS 5,798,663, US-PS 5,610,545, US-PS 5,528,185 sowie US-PS 6,166,566 bekannt. Bei diesen bekannten Komparatoren wird jeweils eine konstante obere Schwellenspannung und konstante untere Schwellenspannung eingestellt, das heißt, eine Differenz zwischen oberer Schwellenspannung und Referenzspannung sowie Referenzspannung und unterer Schwellenspannung ist identisch.
Die Erfindung hat die Aufgabe, einen Komparator der gattungsgemäßen Art zu schaffen, der in einfacher Weise eine flexible Anpassung an verschiedene Anwendungen gestattet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Komparator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, daß die obere Schwellenspannung und die untere Schwellenspannung unabhängig voneinander einstellbar sind, wird vorteilhaft möglich, eine Differenz zwischen der oberen Schwellenspannung und der Referenzspannung sowie der Referenzspannung und der unteren Schwellenspannung unsymmetrisch einzustellen. Insbesondere ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung nunmehr möglich, die obere Schwellenspannung oder die untere Schwellenspannung identisch mit der Referenzspannung zu wählen und eine Hysterese somit nur für die untere Schwellenspannung oder für die obere Schwellenspannung auszulegen. Hierdurch ergeben sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Komparators, insbesondere bei Überschreiten oder Unterschreiten der Referenzspannung die Umschaltung auszulösen, während entweder im oberen Hysteresebereich oder unteren Hysteresebereich Eingangssignalschwankungen unterdrückbar sind.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist auch möglich, durch die unabhängig voneinander einstellbaren oberen und unteren Schwellenspannungen diese jeweils auf das Niveau der Referenzspannung einzustellen. Somit lassen sich Komparatoren erzielen, die wahlweise mit Hysterese, gegebenenfalls unsymmetrischer Hysterese, oder ohne Hysterese arbeiten. Je nach Anwendung kann somit eine optimale Kennlinie des Komparators eingestellt werden.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Einstellung der oberen Schwellenspannung und/oder der unteren Schwellenspannung durch Veränderung einer Kanalweite von zwischen dem invertierenden Ausgang und nicht invertierenden Ausgang des Komparators geschalteten P-Kanal-Transistoren bestimmt wird. Über eine Veränderung des Verhältnisses der Kanalweiten der P-Kanal-Transistoren zueinander läßt sich die Verstärkung des Komparators und somit die Hysterese des Komparators symmetrisch oder unsymmetrisch in einfacher Weise einstellen.
Ferner ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung möglich, die Kanalweiten der P-Kanal-Transistoren durch eine sogenannte metall-programmierbare Weite oder eine sogenannte elektrisch-programmierbare Weite einzustellen. Hierdurch wird mittels an sich bekannter Verfahren eine Einstellbarkeit der oberen Schwellenspannung und/oder der unteren Schwellenspannung unabhängig voneinander in einfacher Weise möglich.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines programmierbaren Komparators;
Fig. 2 und 3 mögliche Kennlinienverläufe des unsymmetrischen Komparators;
Fig. 4 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Komparators;
Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Komparators;
Fig. 6 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Komparators.
Fig. 1 zeigt in einem Blockschaltbild einen Komparator 100. An einem Eingang INN liegt eine Referenzspannung V_REF an. An einem weiteren Eingang INP liegt eine Spannung an, die sich aus einer Überlagerung der Referenzspannung V_REF und einer Differenzeingangsspannung V_IN ergibt. Die Referenzspannung V_REF ist konstant, so daß sich an einem Ausgang OUTP ein Spannungssignal HIGH ergibt, wenn die Differenzeingangsspannung V_IN positiv ist, und am Ausgang OUTP ein Spannungssignal LOW ergibt, wenn die Differenzeingangsspannung V_IN negativ ist. Am Ausgang OUTN liegen die jeweils invertierten Signale an. Aufbau und Wirkungsweise derartiger Komparatoren 100sind bekannt, so daß im Rahmen der Beschreibung hierauf nicht näher eingegangen wird.
Zwischen dem Eingang INP und dem Ausgang OUTP ist ein erstes Koppelglied 12 und zwischen dem Eingang INN und dem Ausgang OUTN ist ein zweites Koppelglied 14 geschaltet. Die Koppelglieder 12 und 14 dienen - in noch zu erläuternder Weise - der Programmierung einer Hysterese des Komparators 100. Das Koppelglied 12 dient hierbei der Einstellung einer oberen Schwellenspannung und das Koppelglied 14 der Einstellung einer unteren Schwellenspannung des Komparators 100. Die Differenz zwischen oberer Schwellenspannung und unterer Schwellenspannung entspricht der Hysterese des Komparators 100. Die obere Schwellenspannung kann hierbei größer/gleich der Referenzspannung V_REF sein und die untere Schwellenspannung kann kleiner/gleich der Referenzspannung V_REF sein.
Anhand der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Kennlinien wird die Funktion des Komparators 100 in zwei Ausführungsformen verdeutlicht. Über der Zeit t ist hier jeweils die Differenzeingangsspannung V_IN sowie das am Ausgang OUTP anliegende Spannungssignal HIGH und das anliegende Spannungssignal LOW dargestellt. Die Referenzspannung V_REF sowie die obere Schwellenspannung V_SO und die untere Schwellenspannung V_SU sind über der Zeit konstant. Die Differenz V_SO-V_SU entspricht der Hysterese 16. Gemäß den Kennlinien in Fig. 2 ist die Differenzeingangsspannung V_IN in dem Zeitraum t₀ bis t₁ kleiner als die obere Schwellenspannung V_SO, so daß am Ausgang OUTP das Spannungssignal LOW anliegt. Zum Zeitpunkt t₁ steigt die Differenzeingangsspannung V_IN über die obere Schwellenspannung V_SO, so daß der Komparator 100 auf das Spannungssignal HIGH am Ausgang OUTP umschaltet. Zum Zeitpunkt t₂, wenn die Differenzeingangsspannung V_IN unter die untere Schwellenspannung V_SU absinkt, schaltet der Komparator wieder auf das Spannungssignal LOW am Ausgang OUTP um. Es wird deutlich, daß ein analoges Eingangsspannungssignal in ein digitales Signal umgesetzt ist. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 ist die Hysterese 16 symmetrisch ausgebildet, das heißt, die Differenz zwischen oberer Schwellenspannung V_SO und Referenzspannung V_REF entspricht der Differenz zwischen der Referenzspannung V_REF und der unteren Schwellenspannung V_SU.
Im Gegensatz hierzu ist bei den in Fig. 3 gezeigten Kennlinien eine unsymmetrische Hysterese 16 des Komparators 100 programmiert. Die obere Schwellenspannung V_SO entspricht hier der Referenzspannung V_REF, so daß die Hysterese 16 der Differenz zwischen der Referenzspannung V_REF gleich oberer Schwellenspannung V_SO und der unteren Schwellenspannung V_SU entspricht. Entsprechend schaltet der Ausgang OUTP bzw. OUTN bei Überschreiten der oberen Schwellenspannung V_SO bzw. Unterschreiten der unteren Schwellenspannung V_SU in die Signalzustände HIGH bzw. LOW.
Diese in den Fig. 2 und 3 gezeigten Kennlinien dienen lediglich der beispielhaften Verdeutlichung. So sind auch andere, unsymmetrische Hysteresen 16 des Komparators 100 programmierbar. Beispielsweise kann die untere Schwellenspannung V_SU mit der Referenzspannung V_REF zusammenfallen, während die obere Schwellenspannung V_SO größer ist als die Referenzspannung V_REF. Ferner kann der Komparator 100 mit unterschiedlichen Spannungsdifferenzen zwischen der oberen Schwellenspannung V_SO und der Referenzspannung V_REF bzw. der Referenzspannung V_REF und der unteren Schwellenspannung V_SU ausgelegt sein.
Kern der Erfindung ist, den Komparator 100 mit seinen Koppelgliedern 12 und 14 so auszugestalten, daß die Hysterese 16 frei programmierbar, insbesondere unsymmetrisch programmierbar, ist; d. h., die obere Schwellenspannung V_SO und die untere Schwellenspannung V_SU können unabhängig voneinander eingestellt werden.
In den Fig. 4, 5 und 6 sind verschiedene Schaltungsanordnungen des Komparators 100 gezeigt, die die voneinander unabhängige Einstellung der oberen Schwellenspannung V_SO und der unteren Schwellenspannung V_SU gestatten.
Anhand der in Fig. 4 gezeigten Schaltungsanordnung 10 wird deutlich, daß über einen allgemein bekannten Standardaufbau des Komparators 100 mit den N-Kanal-Transistoren M1 und M4 sowie den P-Kanal-Transistoren M2 und M5 hinaus zusätzlich P-Kanal- Transistoren M3 und M6 eingebunden sind. Der P-Kanal-Transistor M6 realisiert das Koppelglied 12 und der P-Kanal-Transistor M3 das Koppelglied 14 (Fig. 1).
Alle P-Kanal-Transistoren M2, M3, M5 und M6 besitzen eine gleiche Kanallänge LP und alle N-Kanal-Transistoren M1 und M4 besitzen eine gleiche Kanallänge LN. Ferner besitzen die P-Kanal-Transistoren M2 und M5 eine gleiche Kanalweite WP und die N-Kanal- Transistoren M1 und M4 eine gleiche Kanalweite WN.
Hieraus wird deutlich, daß das Schaltverhalten der Schaltungsanordnung 10 ausschließlich über eine Wahl der Kanalweiten W6 des P-Kanal-Transistors M6 bzw. W3 des P-Kanal- Transistors M3 einstellbar ist. Hierbei gilt für die Weitenverhältnisse:

k3 = W3/WP und k6 = W6/WP.
Wird zunächst eine symmetrische Hysterese 16 angenommen, gilt:

k3 = k6 = k.
Hieraus ergibt sich für die Verstärkung des Komparators 100:
wobei βsqP und βsqN die Transkonduktanz-Parameter der P-Kanal- bzw. N-Kanal-Transistoren mit einem Verhältnis der Kanalabmessungen (Kanalweite zu Kanallänge) W/L = 1 ist. Hieraus ergibt sich, daß sich über den Faktor k die Verstärkung des Komparators 100 einstellen läßt. Gemäß der Schaltungsanordnung 10 in Fig. 4 gilt bei:
k < 1 - Komparator 100 mit endlicher Verstärkung;
k = 1 - Komparator 100 mit maximaler Verstärkung und
k > 1 - Komparator 100 mit symmetrischer Hysterese 16.
Es wird deutlich, daß durch Wahl der Weitenverhältnisse k3 bzw. k6 die Größe der Hysterese 16 und die Lage der oberen Schwellenspannung V_SO bzw. der unteren Schwellenspannung V_SU relativ zur Referenzspannung V_REF unabhängig voneinander eingestellt werden können.
Soll der Komparator 100 mit Hysterese 16 betrieben werden, dann ergibt sich die obere Schwellenspannung V_SO wie folgt:
Es wird deutlich, die obere Schwellenspannung V_SO ist positiv für k6 > 1 und Null für k6 = 1.
Analog ergibt sich für die untere Schwellenspannung V_SU:
Es wird deutlich, die untere Schwellenspannung V_SU ist negativ für k3 > 1 und Null für k3 = 1.
Anhand dieser Beziehungen läßt sich für die Hysterese 16 die Differenz V_SO-V_SU bestimmen, wobei gilt:
Diese Gleichungen gelten für die Annahme k3 ≥ 1 und k6 ≥ 1.
Anhand der oben genannten Beziehungen wird deutlich, daß sich in Abhängigkeit von den Weitenverhältnissen k3 und k6 Komparatoren 100 mit einer Hysterese 16 oder ohne Hysterese 16 realisieren lassen. Durch die voneinander unabhängige Einstellung der Weitenverhältnisse k3 ≥ 1 und k6 ≥ 1 lassen sich die obere Schwellenspannung V_SO und die untere Schwellenspannung V_SU unabhängig voneinander einstellen. Sind die Weitenverhältnisse k3 und k6 gleich groß, ergibt sich ein Komparator 100 mit symmetrischer Hysterese 16. Sind die Weitenverhältnisse k3 und k6 ungleich, ergibt sich eine unsymmetrische Hysterese 16 in Bezug auf die Referenzspannung V_REF.
Ferner wird möglich, durch Einstellen des Weitenverhältnisses k6 = 1 oder des Weitenverhältnisses k3 = 1 die obere Schwellenspannung V_SO oder die untere Schwellenspannung V_SU auf die Referenzspannung V_REF zu legen (vgl. hierzu auch Fig. 3).
Hierbei können die Weitenverhältnisse k3 und/oder k6 auch geringfügig größer als 1 eingestellt werden, zum Beispiel k3 und/oder k6 = 1,01, so daß sich eine Feineinstellung des Komparators 100 auf die Referenzspannung V_REF erzielen läßt.
Wird der Komparator 100 ohne Hysterese 16 eingestellt, d. h., die Weitenverhältnisse k3 und k6 sind gleich k, wobei k < 1, kann auf einfache Weise eine Verstärkung des Komparators 100 in weiten Bereichen eingestellt werden. Bei k3 = k6 = 1 ergibt sich die größtmögliche Verstärkung. Dies ist der Übergangspunkt zum Komparator 100 mit Hysterese 16. Für die obere Schwellenspannung V_SO und die untere Schwellenspannung V_SU ergibt sich gemäß der oben genannten Beziehungen - bei k3 = k6 = 1-0 Volt, das heißt, der Umschaltpunkt des Komparators 100 liegt auf der Referenzspannung V_REF. Die Hysterese 16 ist somit Null.
Die Einstellung der Weitenverhältnisse k3 und k6 zur Programmierung der Hysterese 16 läßt sich durch verschiedene Möglichkeiten erreichen. Zum einen besteht die Möglichkeit, bei Integration der Schaltungsanordnung 10 eine feste Kanalweite W3 des Transistors M3 und eine feste Kanalweite W6 des Transistors M6 vorzusehen.
Eine weitere Möglichkeit ergibt sich dadurch, durch Änderung einer Metallmaske der Transistoren M3 und M6 nach deren Integration in die Schaltungsanordnung 10 diese nachträglich an eine gewünschte Hysterese 16 anzupassen. Hierzu kann eine sogenannte metall-programmierbare Kanalweite der Transistoren M3 und M6 eingestellt werden.
Schließlich läßt sich durch eine elektrische Programmierung der integrierten Schaltungsanordnung 10 die Hysterese 16 dynamisch an unterschiedliche Anwendungsfälle des Komparators 100 anpassen. Diese sog. elektrisch-programmierbare Kanalweite der Transistoren M3 und M6 ist somit einstellbar. Sowohl die Einstellung metall-programmierbarer Kanalweiten als auch elektrisch-programmierbarer Kanalweiten sind allgemein bekannt, so daß im Rahmen der vorliegenden Beschreibung hierauf nicht näher eingegangen wird.
Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Schaltungsanordnung 10 gemäß Fig. 4. Bei der Schaltungsanordnung 10 gemäß Fig. 4 kann der Spannungspegel am Ausgang OUTP bzw. am invertierenden Ausgang OUTN im Zustand HIGH den Wert der Versorgungsspannung VDD annehmen. Jedoch ist im Schaltzustand LOW das Spannungspotential 0 Volt nicht erreichbar. Dies kann bei verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten des Komparators 100, insbesondere von nachfolgenden digitalen Schaltungen, wünschenswert sein. Gemäß Fig. 5 wird daher vorgeschlagen, den Ausgang OUTP mit einem weiteren P-Kanal-Transistor M7 zu verbinden, der mit einer weiteren Stromquelle I_BIAS2 verbunden ist. Hierdurch ergibt sich neben einer logischen Invertierung des Ausgangssignals OUTP in OUTN die Möglichkeit, das Spannungssignal LOW auf den Wert 0 Volt zu legen.
Schließlich ist in Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der Schaltungsanordnung 10 gezeigt, bei der die P-Kanal-Transistoren M3 und M6 jeweils in parallel geschaltete P-Kanal- Transistoren M3₁ und M3₂ bzw. M6₁ und M6₂ aufgeteilt sind. Der P-Kanal-Transistor M3₂ ist hierbei über ein Schaltmittel S3 mit der Versorgungsspannung VDD und der P-Kanal-Transistor M6₂ über ein Schaltmittel S6 mit der Versorgungsspannung VDD verbindbar. Hierdurch wird möglich, durch Ansteuerung der Schaltmittel S3 und/oder S6 die Kanalweite W3 bzw. W6 der Transistoren M3 bzw. M6 zu programmieren. Diese Programmierung ließe sich verfeinern, indem die P-Kanal-Transistoren M3 bzw. M6 in mehr als zwei parallel geschaltete P-Kanal-Transistoren aufgeteilt werden, von denen wenigstens zwei über entsprechende Schaltmittel S mit der Versorgungsspannung VDD verbindbar wären. Entsprechend einer Ansteuerung der Schaltmittel ergeben sich dann unterschiedliche Einstellmöglichkeiten der Hysterese 16, die wie erläutert auch unsymmetrisch sein kann. BEZUGSZEICHENLISTE 100 Komparator
10 Schaltungsanordnung
12 erstes Koppelglied
14 zweites Koppelglied
16 Hysterese
t Zeit
V_REF Referenzspannung
V_IN Differenzeingangsspannung
V_SU untere Schwellenspannung
V_SO obere Schwellenspannung
I_BIAS Stromquelle
VDD Versorgungsspannung
WP Kanalweite der P-Kanal-Transistoren
WN Kanalweite der N-Kanal-Transistoren
LP Kanallänge der P-Kanal-Transistoren
LN Kanallänge der N-Kanal-Transistoren
M1 N-Kanal-Transistor
M2 P-Kanal-Transistor
M3 P-Kanal-Transistor
M4 N-Kanal-Transistor
M5 P-Kanal-Transistor
M6 P-Kanal-Transistor
M3₁ P-Kanal-Transistor (aufgesplittet)
M3₂ P-Kanal-Transistor (aufgesplittet)
M6₁ P-Kanal-Transistor (aufgesplittet)
M6₂ P-Kanal-Transistor (aufgesplittet)
INP Eingang
INN Eingang
OUTP Ausgang
OUTN Ausgang
HIGH Signalzustand
LOW Signalzustand

Claims

1. Komparator mit einem Referenzspannungseingang und einem Differenzspannungseingang sowie einem invertierenden Ausgang und einem nicht invertierenden Ausgang, wobei eine Schaltschwelle des Komparators durch eine obere Schwellenspannung und eine untere Schwellenspannung in Bezug auf die Referenzspannung vorgebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Schwellenspannung (V_SO) und die untere Schwellenspannung (V_SU) unabhängig voneinander einstellbar sind.

2. Komparator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Schwellenspannung (V_SO) und/oder die untere Schwellenspannung (V_SU) der Referenzspannung (V_REF) entspricht.

3. Komparator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hysterese (16) des Komparators (100) unsymmetrisch ist.

4. Komparator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem invertierenden Ausgang (OUTN) und dem nicht invertierenden Ausgang (OUTP) P-Kanal-Transistoren (M3, M6) geschaltet sind, deren Kanalweite (W3, W6) einstellbar sind.

5. Komparator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalweiten (W3, W6) metall-programmierbar sind.

6. Komparator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalweiten (W3, W6) fest in eine integrierte Schaltungsanordnung (10) implementiert sind.

7. Komparator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalweiten (W3, W6) elektrisch-programmierbar sind.

8. Komparator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die P-Kanal-Transistoren (M3, M6) wenigstens zwei parallel geschaltete P-Kanal-Transistoren (M3₁, M3₂ bzw. M6₁, M6₂) umfassen, von denen wenigstens ein P-Kanal-Transistor (M3₂ bzw. M6₂) durch ein ansteuerbares Schaltmittel (S3, S6) zu- bzw. abschaltbar ist.

9. Komparator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge (OUTP und/oder OUTN) mit der Basis eines P-Kanal-Transistors (M7) verbunden sind, der von einer zusätzlichen Stromquelle (I_BIAS2) gespeist ist.