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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf integrierte Schaltungsvorrichtungen
und insbesondere auf Komparatorschaltungen, die bei integrierten
Schaltungsvorrichtungen verwendet werden.
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Integrierte
Schaltungsvorrichtungen (IC = integrated circuit) verwenden Komparatorschaltungen für eine Vielfalt
von Zwecken. Als ein Beispiel kann eine IC-Vorrichtung, wie beispielsweise
eine Dynamischer-Direktzugriffsspeicher-Vorrichtung (DRAM-Vorrichtung; DRAM
= dynamic random access memory) eine Komparatorschaltung verwenden,
um den Zustand eines Eingangssignals (z. B. eines internen Steuersignals)
durch ein Vergleichen des Spannungspegels des Eingangsspannungssignals
gegen ein Referenzspannungssignal zu bestimmen. Eine derartige Komparatorschaltung
ist gewöhnlich
unter Verwendung eines Differenzverstärkers implementiert, der ein
Ausgangssignal durch ein Verstärken
der Differenz zwischen dem Eingangssignal und dem Referenzspannungssignal
erzeugt.
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1A stellt ein Beispiel einer
herkömmlichen
Komparatorschaltung 100A dar, die eine Differenzverstärkerschaltung
verwendet, um ein Ausgangssignal VOUT zu
erzeugen, das den Zustand eines Eingangssignals VIN relativ
zu einer Referenzspannung VREF angibt. Der
Differenzverstärker
umfasst eine Anordnung von PMOS-Lasttransistoren (MPA und MPB) und
NMOS-Eingangstransistoren (MNA und MNB). Der Differenzverstärker erzeugt das
Eintakt-Ausgangssignal VOUT, das eine Verstärkung der
Differenz zwischen VREF und VIN darstellt.
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Falls
in Betrieb der Spannungspegel von VREF größer als
der Spannungspegel von VIN ist, ist der
durch MNA fließende Strom
(IA) größer als
der durch MNB fließende
Strom (IB) und somit ist das Potential an
dem Ausgangsknoten B hoch. Falls jedoch der Spannungspegel von VREF geringer als VIN ist,
ist der durch MNA fließende
Strom (IA) geringer als der durch MNB fließende Strom
(IB) und somit ist das Potential an dem
Ausgangsknoten B niedrig. Leider leidet bei dieser Anordnung der
Differenzverstärker
unter einem konstanten Stromverbrauch (IREF)
ungeachtet des Zustands des Eingangssignals VIN.
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1B stellt ein Beispiel eines
anderen Typs einer herkömmlichen
Komparatorschaltung 100B dar, die eine Differenzverstärkerschaltung
mit PMOS-Eingangstransistoren (MPA und MPB) verwendet. Falls bei
dieser Anordnung der Spannungspegel von VREF geringer
als der Spannungspegel von VIN ist, ist
der durch MPA fließende
Strom (IA) größer als der durch MPB fließende Strom
(IB) und ist somit das Potential bei dem
Ausgangsknoten B hoch. Falls der Spannungspegel von VREF größer als
VIN ist, ist der durch MPA fließende Strom
(IA) geringer als der durch MPB fließende Strom
(IB) und ist somit das Potential bei dem
Ausgangsknoten B niedrig. Leider leidet auch der Differenzverstärker bei
dieser Anordnung unter einem konstanten Stromverbrauch (IREF) von einer Komparatorschaltung 110B ungeachtet des
Zustands des Eingangssignals VIN.
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Dieser
konstante Stromverbrauch macht ein Verwenden dieser Typen von Komparatoren
bei Anwendungen problematisch, die einen minimalen Leistungsverbrauch
erfordern, wie beispielsweise bei DRAM-Vorrichtungen, die bei tragbarer
Elektronik verwendet werden, wie beispielsweise Laptop-Computern, Mobiltelefonen
und Personaldigitalassistenten (PDAs; PDA = personal digital assistant).
Folglich gibt es einen Bedarf nach einer Komparatorschaltung mit
einem reduzierten Stromverbrauch.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Komparatorschaltung,
eine Oszillatorschaltung und eine Speichervorrichtung mit verbesserten
Charakteristika zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Komparatorschaltung gemäß Anspruch 1, eine Oszillatorschaltung
gemäß Anspruch
10 und eine Speichervorrichtung gemäß Anspruch 17 gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung sieht allgemein Komparatorschaltungen mit
einem reduzierten Stromverbrauch und andere Schaltungen, die dieselben
verwenden, vor.
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Ein
Ausführungsbeispiel
sieht eine Komparatorschaltung vor, die allgemein eine Stromquelle, einen
Differenzverstärker
und einen Schalttransistor umfasst. Der Differenzverstärker stellt
ein Ausgangsspannungssignal bereit, das einen Spannungspegel eines
Eingangsspannungssignals, das an einen ersten Eingangstransistor
angelegt ist, relativ zu einem Referenzspannungssignal angibt, das
an einen zweiten Eingangstransistor angelegt ist, wobei der erste und
der zweite Eingangstransistor bei einem gemeinsamen Knoten gekoppelt
sind. Der Schalttransistor ist positioniert, um den Fluss von Strom
zwischen der Stromquelle und dem gemeinsamen Knoten ansprechend
auf ein Schaltspannungssignal zu verhindern, das an den Schalttransistor
angelegt ist, wobei das Schaltspannungssignal von dem Eingangsspannungssignal
abgeleitet ist.
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Ein
anderes Ausführungsbeispiel
sieht eine Oszillatorschaltung vor, die allgemein einen Kondensator,
der eine erste Spannung aufgrund einer gespeicherten Ladung aufweist,
eine erste Stromquelle, um den Kondensator zu laden, und eine Komparatorschaltung
zum Bereitstellen eines Ausgangsspannungssignals umfasst, das die
Kondensatorspannung, die an einen ersten Eingangstransistor angelegt
ist, relativ zu einem Referenzspannungssignal angibt, die an einen
zweiten Eingangstransistor angelegt ist, wobei der erste und der
zweite Eingangstransistor bei einem gemeinsamen Knoten gekoppelt sind.
Ein Schalttransistor ist positioniert, um den Fluss von Strom zwischen
einer zweiten Stromquelle und dem gemeinsamen Knoten ansprechend
auf ein Schaltspannungssignal zu verhindern, das an den Schalttransistor
angelegt ist, wobei das Schaltspannungssignal von der Kondensatorspannung
abgeleitet ist. Ein Vorladungstransistor ist positioniert, um den
Kondensator ansprechend auf ein Vorladungssignal zu entladen, das
von dem Ausgangsspannungssignal abgeleitet ist.
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Ein
anderes Ausführungsbeispiel
sieht eine Speichervorrichtung vor, die allgemein eine Mehrzahl von
Speicherzellen, eine Schaltungsanordnung zum Auffrischen der Speicherzellen
ansprechend auf ein gepulstes Auffrischsignal und eine Oszillatorschaltung
zum Erzeugen des gepulsten Hochfrequenzsignals umfasst. Die Oszillatorschaltung
umfasst allgemein einen Kondensator, der eine Spannung aufgrund
einer gespeicherten Ladung aufweist, eine erste Stromquelle, um
den Kondensator zu laden, eine Komparatorschaltung zum Bereitstellen
eines Ausgangsspannungssignals, das die Kondensatorspannung, die
an einen ersten Eingangstransistor angelegt ist, relativ zu einem
Referenzspannungssignal angibt, das an einen zweiten Eingangstransistor
angelegt ist, wobei der erste und der zweite Eingangstransistor
bei einem gemeinsamen Knoten gekoppelt sind. Ein Schalttransistor
ist positioniert, um den Fluss von Strom zwischen einer zweiten
Stromquelle und dem gemeinsamen Knoten ansprechend auf ein Schaltspannungssignal
zu verhindern, das an den Schalttransistor angelegt ist, wobei das
Schaltspannungssignal von der Kondensatorspannung abgeleitet ist.
Die Oszillatorschaltung umfasst ferner einen Pulsgenerator zum Erzeugen
des gepulsten Auffrischsignals ansprechend auf eine Veränderung
bei dem Ausgangsspannungssignal und einen Vorladungstransistor,
der positioniert ist, um den Kondensator ansprechend auf ein Vorladungssignal
zu entladen, das von dem Ausgangsspannungssignal abgeleitet ist.
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Damit
die oben dargelegten Merkmale der vorliegenden Erfindung detailliert
verstanden werden können,
kann eine speziellere Beschreibung der Erfindung, die oben kurz
zusammengefasst ist, durch Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele erhalten werden,
von denen einige in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt sind. Es ist jedoch zu beachten, dass die
beigefügten
Zeichnungen lediglich typische Ausführungsbeispiele dieser Erfindung
darstellen und deshalb nicht als den Schutzbereich derselben begrenzend
zu betrachten sind, da die Erfindung andere gleich wirksame Ausführungsbeispiele
zulassen kann.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1A und 1B exemplarische
Komparatorschaltungen gemäß dem Stand
der Technik;
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2A–2C exemplarische
Komparatorschaltungen gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung;
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3A und 3B exemplarische
Zeitdiagramme entsprechend der Komparatorschaltung von 2A bzw. 2B gemäß Ausführungsbeispielen der
vorliegenden Erfindung;
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4 eine
Dynamischer-Direktzugriffsspeicher-Vorrichtung (DRAM-Vorrichtung),
die eine exemplarische Oszillatorschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung verwendet; und
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5 ein
exemplarisches Zeitdiagramm entsprechend der Oszillatorschaltung
von 4.
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Die
vorliegende Erfindung sieht allgemein eine Komparatorschaltung mit
einem reduzierten Stromverbrauch relativ zu herkömmlichen Komparatorschaltungen
vor. Wie vorhergehend beschrieben, verbrauchen herkömmliche
Komparatorschaltun gen, die Differenzverstärker verwenden, einen Strom
ungeachtet des Spannungspegels des Eingangssignals. Im Gegensatz
dazu können
Komparatorschaltungen gemäß der vorliegenden
Erfindung einen Stromverbrauch durch ein Verhindern eines Stromflusses über einen
Schalttransistor ansprechend auf den Spannungspegel des Eingangssignals
reduzieren.
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Bei
einigen Ausführungsbeispielen
kann der Schalttransistor den Fluss eines Stroms in einem Stromweg
zwischen einem gemeinsamen Knoten von Eingangstransistoren und einer
Stromquelle verhindern, wenn der Spannungspegel des Eingangssignals
einen Schwellenpegel unterschreitet (oder überschreitet). Wie es unten
detaillierter beschrieben wird, können derartige Komparatorschaltungen
als Bausteine bei einer Vielfalt von Schaltungen verwendet werden,
wie beispielsweise Oszillatorschaltungen. Derartige Oszillatorschaltungen
können
in DRAM-Vorrichtungen beispielsweise verwendet werden, um ein periodisches
Signal für
eine Verwendung bei selbstauffrischenden DRAM-Speicherzellen zu erzeugen,
während
ein Stromverbrauch während Selbstauffrischoperationen
reduziert ist.
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Eine exemplarische
Komparatorschaltung
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2A stellt
eine Komparatorschaltung 200A dar, die eine Differenzverstärkerschaltung
und einen NMOS-Schalttransistor MND verwendet, gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die Komparatorschaltung 200A ist
konfiguriert, um ein Ausgangssignal VOUT zu
erzeugen, das den Spannungspegel eines Eingangssignals VIN relativ zu einem Referenzspannungspegel
VREF angibt.
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Durch
ein Positionieren des Schalttransistors MND in einem Stromweg zwischen
einem gemeinsamen Knoten A der Eingangstransistoren MNA und MNB
und einer Stromquelle 210A kann jedoch ein Stromverbrauch
der Komparatorschaltung 200A reduziert werden. Durch ein
Anlegen des Eingangsspannungs signals VIN an
das Gate des Schalttransistors MND z. B., wie es dargestellt ist,
fließt
ein Strom in dem Stromweg nur, wenn VIN die
Schaltschwellenspannung (VT–N) des Schalttransistors
MND, typischerweise 0,4 V bis 0,5 V, überschreitet. Während VIN unter VT–N ist,
gibt es somit keinen Stromverbrauch bei dem Komparator 200A (wobei
Leckströme
ignoriert werden).
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Ein
Betrieb der Komparatorschaltung 200A kann mit Bezug auf 3A beschrieben
werden, die ein Zeitdiagramm von VOUT und
des Stromflusses durch den Stromweg (IA +
IB) über
VIN ist. Wie es dargestellt ist, ist VOUT anfänglich
hoch, ist VIN anfänglich niedrig und ist VREF über
dem Schwellenspannungspegel des Schalttransistors MND gesetzt. Während VIN unter der Schwellenspannung von VND ist, gibt es keinen Stromverbrauch (d.
h. IA + IB = 0).
Wenn sich VIN einmal über VT–N erhöht, wird
der Schalttransistor MND eingeschaltet und ein Stromfluss durch
den Stromweg erhöht
sich auf IREF.
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Während der
Stromfluss durch den Stromweg im Wesentlichen konstant bleiben sollte,
während
MND eingeschaltet ist, ist, solange VIN unter VREF liegt, der Stromfluss durch MNA (IA) größer als der
Stromfluss durch MNB (IB) und VOUT bleibt
hoch. Wenn jedoch VIN einmal über VREF ansteigt, ist der Stromfluss durch MNB
größer als
der Stromfluss durch MNA und VOUT geht zu
niedrig über.
Wenn sich VIN unter VREF und
weiter unter VT–N verringert, kehrt, wie
es dargestellt ist, VOUT zu hoch zurück und der Stromfluss
kehrt wieder zu Null zurück.
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2B stellt
eine Komparatorschaltung 200B dar, die in einem Betrieb
der Komparatorschaltung 200A ähnlich ist, aber eine Differenzverstärkerschaltung
und einen PMOS-Schalttransistor
MPD verwendet. Wie es dargestellt ist, kann der MPD zwischen einer
Stromquelle 210B und den PMOS-Eingangstransistoren MPA und MPB positioniert
sein, wobei VIN an das Gate von MPD angelegt
ist. Somit kann eine Stromentnahme der Komparatorschaltung 200B reduziert
sein, wenn VIN über der Schwellenspannung von
MPD (VT–P)
liegt.
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Ein
Betrieb der Komparatorschaltung 200B kann mit Bezug auf
das folgende Zeitdiagramm, das in 3B gezeigt
ist, beschrieben werden. Wie es dargestellt ist, ist VIN anfänglich hoch,
ist VOUT anfänglich niedrig und ist VREF über
VT–P gesetzt.
Während VIN über
VT–P bleibt,
gibt es keinen Stromverbrauch (d. h. IA +
IB = 0). Wenn VIN einmal
unter VT–P fällt, wird
der Schalttransistor MPD eingeschaltet und ein Stromfluss erhöht sich
auf IREF. Wenn VIN zu
dieser Zeit unter VREF ist, wird ferner
der Stromfluss durch MPA (IA) größer als
der Stromfluss durch MPB (IB) und somit geht
das Potential bei einem Ausgangsknoten B zu hoch über. Wie
es dargestellt ist, kehrt, wenn sich VIN über VT–P und
VREF erhöht,
der Stromfluss erneut zu Null zurück und kann VOUT zu
niedrig übergehen.
Bei diesem Szenario überschreitet
IB IA eventuell
niemals, wenn VIN bereits unter VREF ist, wenn MPD eingeschaltet ist. Um somit
die erwünschten
Anfangsbedingungen von VIN und VOUT zu erhalten, können Vorladungstransistoren
MPC und MNC verwendet werden, um VIN und
VOUT auf VSS bzw. GND zu initialisieren.
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Ob
eine Komparatorschaltung mit einem NMOS-Schalttransistor (200A)
oder einem PMOS-Schalttransistor (200B) verwendet wird,
kann von einer speziellen Anwendung abhängen. Mit anderen Worten können Anwendungen,
bei denen VIN wahrscheinlich die meiste
Zeit niedrig (unter VT–N) ist, größere Stromeinsparungen
mit einem NMOS-Schalttransistor erreichen, während Anwendungen, bei denen
VIN wahrscheinlich die meiste Zeit hoch
(über VT–P)
ist, größere Stromeinsparungen
mit einem PMOS-Schalttransistor erreichen können. Bei einigen Anwendungen,
die eine Mehrzahl von Eingangsspannungssignalen verwenden, kann
eine Kombination von Komparatorschaltungen, die sowohl NMOS- als
auch PMOS-Schalttransistoren
verwenden, verwendet werden.
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Bei
einigen Ausführungsbeispielen
kann das Eingangssignal VIN auf einen erwünschten
Wert vorgeladen sein, der in der Verhinderung eines Stromflusses
resultieren kann. Wie es z. B. in 2A dargestellt
ist, kann VIN über einen NMOS-Vorladungstransistor
MNC während
einer hohen Periode eines Vorladungssignals (PRE) zu Masse vorgeladen
werden, wobei MND ausgeschaltet wird. VIN kann
dann auf eine bestimmte Spannung, gerade über VREF,
wie beispielsweise 1 V, erhöht
werden. Bis VIN VT–N erreicht,
ist MND ausgeschaltet und verbraucht der Differenzverstärker somit
keinen Strom. Um eine ähnliche
Wirkung in 2B zu erreichen, kann VIN während
einer niedrigen Periode eines Vorladungssignals bPRE über einen
PMOS-Vorladungstransistor MPC zu einer Leistungsversorgungsspannung
(VSS) vorgeladen werden, wobei MPD ausgeschaltet
wird. Wie es dargestellt ist, können
auch Ausgangssignale VOUT z. B. unter Verwendung
von Komplementärtransistoren
und Signalen zu diesen vorgeladen werden, die verwendet werden,
um VIN vorzuladen.
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Bei
einigen Ausführungsbeispielen
kann, anstelle VIN direkt an den Schalttransistor
(z. B. MPD oder MPN) anzulegen, eine Schaltspannung von VIN abgeleitet werden, die eine größere Steuerung
des Schaltpunkts liefern kann. Wie es z. B. in 2C dargestellt
ist, kann eine Spannungserzeugungsschaltung, wie beispielsweise
ein Spannungsteiler 320, verwendet werden, um eine Schaltspannung,
die an den Schalttransistor MND angelegt werden soll, als eine Funktion
von VIN zu erzeugen. Die Werte von Widerständen R1
und R2 des Spannungsteilers 320 können ausgewählt sein, um wirksam zu bewirken, dass
MND den Strom bei einem erwünschten
höheren
Spannungspegel von VIN ausschaltet, als
wenn VIN an das Gate von NMD direkt angelegt
wäre.
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Eine exemplarische
Oszillatorschaltung
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Komparatorschaltungen,
wie beispielsweise dieselben, die in 2A–2C dargestellt
sind, können
bei einem Reduzieren von Strom bei Anwendungen besonders wirksam
sein, bei denen sich VIN langsam erhöht oder
verringert und eine relativ niedrige Frequenzoszillation aufweist,
da der Stromverbrauch bei derartigen Anwendungen die meiste Zeit ausgeschaltet
sein kann. Eine derartige Anwendung besteht darin, einen Stromverbrauch
bei einer Oszillatorschaltung zu reduzieren, wie beispielsweise
dem in 4 gezeigten Selbstauffrischoszillator 400,
der verwendet wird, um Selbstauffrischanforderungssignale zu erzeugen.
Wie es dargestellt ist, kann eine Auffrischsteuerschaltungsanordnung 402 die
Auffrischanforderungssignale empfangen und ansprechend darauf eine
Zeile von Speicherzellen 404 auffrischen. Die Auffrischsteuerschaltungsanordnung kann
irgendeine geeignete Schaltungsanordnung umfassen, wie beispielsweise
einen Zeilenadresszähler
(RAC; RAC = row address counter), der konfiguriert ist, um einen
Zählwert
bei jeder Auffrischanforderung zu inkrementieren, und eine Zeilenadressdecodiererschaltungsanordnung,
um eine Adresse einer Zeile von Speicherzellen 404, die
aufgefrischt werden sollen, basierend auf einem Zähler zu
erzeugen.
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Die
Oszillatorschaltung 410 kann mit gleichzeitiger Bezugnahme
auf 4 und das entsprechende, in 5 gezeigte
Zeitdiagramm beschrieben werden, das die Beziehung zwischen VIN, VOUT, REFRESH_REQUEST-
(Auffrischanforderungs-) und PRECHARGE- (Vorladungs-) Signalen darstellt. Während das
Zeitdiagramm der Zeitsteuerung der Komparatorschaltungen 200A und 200C entspricht, die
NMOS-Schalttransistoren verwenden, ist klar, dass Komparatorschaltungen,
die PMOS-Schalttransistoren
(und/oder Vorladungstransistoren) verwenden, ebenfalls verwendet
werden könnten.
Wie es dargestellt ist, ist VOUT anfänglich hoch
und ist VIN niedrig, was bewirkt, dass MND
ausgeschaltet wird, wobei ein Stromfluss des Komparators (IC = 0) abgeschnitten wird.
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Zu
einer Zeit t = 0 wird ein Schalter 403 (z. B. gesteuert
durch ein Selbstauffrischfreigabesignal) geschlossen, wobei bewirkt
wird, dass ein Stromfluss IS von einer Stromquelle 404 einen
Kondensator C lädt,
dessen gespeicherte Ladung in dem Spannungssignal VIN resultiert.
Folglich beginnt VIN mit einer Rate zu steigen,
die durch die Größe von C
und den Strom IS bestimmt ist. Wie es in 5 dargestellt ist,
schaltet sich MND ein und steigt IC auf
IREF (von einer Stromquelle 413),
wenn VIN einmal über VT–N ansteigt.
Wenn VIN einmal über VREF ansteigt,
geht VOUT zu niedrig über, wobei bewirkt wird, dass
ein Pulsgenerator 412 einen REFRESH_REQUEST-Puls erzeugt.
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Wie
es in 5 dargestellt ist, kann das REFRESH_REQUEST-Signal über eine
Verzögerungsschaltung 414 (die
eine Verzögerungsperiode TD aufweist) zu einem Vorladungstransistor
MNC rückgekoppelt
werden, um VIN auf Masse vorzuladen (wobei
der Kondensator C entladen wird), wobei wiederum bewirkt wird, dass
IC fällt
und VOUT steigt. Wenn sich der Kondensator
C lädt
und VIN ansteigt, wiederholt sich dieser
Zyklus periodisch, wobei REFRESH_REQUEST-Pulse bewirkt werden, die durch
die Auffrischperiode TRP voneinander beabstandet
sind. Die Auffrischperiode TRP kann somit durch
ein Steuern der Rate, mit der VIN ansteigt
(z. B. über
C und IS), und die ausgewählten Werte
für VREF und die Verzögerungsperiode TD gesteuert
werden.
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Schlussfolgerung
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Die
Oszillatorschaltung 410 stellt nur eine spezielle, aber
nicht einschränkende
Anwendung für eine
Komparatorschaltung mit einem reduzierten Stromverbrauch dar. Fachleute
auf dem Gebiet erkennen, dass derartige Komparatorschaltungen bei einer
Vielfalt von Vorrichtungen verwendet werden können, die von einem reduzierten
Stromverbrauch profitieren könnten,
wie beispielsweise unterschiedliche Typen eines Speichers, von Prozessoren
oder Logikvorrichtungen eines anderen Typs.
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Während das
Vorhergehende auf Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung gerichtet ist, können andere und weitere Ausführungsbeispiele der
Erfindung entwickelt werden, ohne von dem grundlegenden Schutzbereich
derselben abzuweichen, und der Schutzbereich derselben ist durch
die folgenden Ansprüche
definiert.