DE102018209052B4 - Comparator circuit - Google Patents

Comparator circuit Download PDF

Info

Publication number
DE102018209052B4
DE102018209052B4 DE102018209052.1A DE102018209052A DE102018209052B4 DE 102018209052 B4 DE102018209052 B4 DE 102018209052B4 DE 102018209052 A DE102018209052 A DE 102018209052A DE 102018209052 B4 DE102018209052 B4 DE 102018209052B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
comparator circuit
voltage
current
input stage
input
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102018209052.1A
Other languages
German (de)
Other versions
DE102018209052A1 (en
Inventor
Carsten Hermann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102018209052.1A priority Critical patent/DE102018209052B4/en
Priority to PCT/EP2019/064513 priority patent/WO2019234037A1/en
Publication of DE102018209052A1 publication Critical patent/DE102018209052A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102018209052B4 publication Critical patent/DE102018209052B4/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K5/00Manipulating of pulses not covered by one of the other main groups of this subclass
    • H03K5/22Circuits having more than one input and one output for comparing pulses or pulse trains with each other according to input signal characteristics, e.g. slope, integral
    • H03K5/24Circuits having more than one input and one output for comparing pulses or pulse trains with each other according to input signal characteristics, e.g. slope, integral the characteristic being amplitude
    • H03K5/2472Circuits having more than one input and one output for comparing pulses or pulse trains with each other according to input signal characteristics, e.g. slope, integral the characteristic being amplitude using field effect transistors
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K5/00Manipulating of pulses not covered by one of the other main groups of this subclass
    • H03K5/22Circuits having more than one input and one output for comparing pulses or pulse trains with each other according to input signal characteristics, e.g. slope, integral
    • H03K5/24Circuits having more than one input and one output for comparing pulses or pulse trains with each other according to input signal characteristics, e.g. slope, integral the characteristic being amplitude
    • H03K5/2472Circuits having more than one input and one output for comparing pulses or pulse trains with each other according to input signal characteristics, e.g. slope, integral the characteristic being amplitude using field effect transistors
    • H03K5/2481Circuits having more than one input and one output for comparing pulses or pulse trains with each other according to input signal characteristics, e.g. slope, integral the characteristic being amplitude using field effect transistors with at least one differential stage
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/0038Circuits for comparing several input signals and for indicating the result of this comparison, e.g. equal, different, greater, smaller (comparing pulses or pulse trains according to amplitude)
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/165Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values
    • G01R19/16533Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application
    • G01R19/16538Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application in AC or DC supplies
    • G01R19/16552Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application in AC or DC supplies in I.C. power supplies
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/165Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values
    • G01R19/16566Circuits and arrangements for comparing voltage or current with one or several thresholds and for indicating the result not covered by subgroups G01R19/16504, G01R19/16528, G01R19/16533
    • G01R19/16571Circuits and arrangements for comparing voltage or current with one or several thresholds and for indicating the result not covered by subgroups G01R19/16504, G01R19/16528, G01R19/16533 comparing AC or DC current with one threshold, e.g. load current, over-current, surge current or fault current
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/165Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values
    • G01R19/16566Circuits and arrangements for comparing voltage or current with one or several thresholds and for indicating the result not covered by subgroups G01R19/16504, G01R19/16528, G01R19/16533
    • G01R19/16576Circuits and arrangements for comparing voltage or current with one or several thresholds and for indicating the result not covered by subgroups G01R19/16504, G01R19/16528, G01R19/16533 comparing DC or AC voltage with one threshold

Abstract

Komparatorschaltung (1), die eine Eingangsstufe für eine erste Spannung und für eine zweite Spannung aufweist und die zum Vergleichen der ersten Spannung und der zweiten Spannung eingerichtet ist, und die dafür eingerichtet ist, basierend auf der ersten Spannung und der zweiten Spannung einen Differenzstrom zu erzeugen, dessen Verlauf einer mathematischen Funktion folgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Komparatorschaltung (1) dafür eingerichtet ist, dass der Differenzstrom bei einer steigenden Differenzeingangsspannung im Wesentlichen einen exponentiellen Verlauf aufweist, wobei die Eingangsstufe einen oder mehrere Eingangsstufentransistoren (M1-M4) aufweist, denen jeweils ein Pegelschieber, der einen oder mehrere Pegelschiebertransistoren (M5-M8) aufweist, vorgeschaltet ist und die Pegelschiebertransistoren (M5-M8) jeweils eine größere Fläche aufweisen als die jeweils zugeordneten Eingangsstufentransistoren (M1-M4), wobei in der Komparatorschaltung (1) ein Stromspiegel vorgesehen ist, der dafür eingerichtet ist, einen Stromfluss in dem einen oder den mehreren Pegelschiebern festzulegen und der Stromspiegel dafür eingerichtet ist, einen Stromfluss für die Eingangsstufe festzulegen und vorzugsweise für die Eingangsstufe eine Hysterese zu realisieren.Comparator circuit (1) which has an input stage for a first voltage and for a second voltage and which is configured to compare the first voltage and the second voltage and which is configured to apply a differential current based on the first voltage and the second voltage generate, the course of which follows a mathematical function, characterized in that the comparator circuit (1) is set up so that the differential current essentially has an exponential course when the differential input voltage rises, the input stage having one or more input stage transistors (M1-M4), each of which is preceded by a level shifter, which has one or more level shifter transistors (M5-M8), and the level shifter transistors (M5-M8) each have a larger area than the respectively assigned input stage transistors (M1-M4), with the comparator circuit (1) a current mirror is provided , which is set up to set a current flow in the one or more level shifters and the current mirror is set up to set a current flow for the input stage and preferably to implement a hysteresis for the input stage.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Komparatorschaltung, die eine Eingangsstufe für eine erste Spannung und für eine zweite Spannung aufweist und die zum Vergleichen der ersten Spannung und der zweiten Spannung eingerichtet ist, und die dafür eingerichtet ist, basierend auf der ersten Spannung und der zweiten Spannung einen Differenzstrom zu erzeugen, dessen Verlauf einer mathematischen Funktion folgt.The present invention relates to a comparator circuit which has an input stage for a first voltage and for a second voltage and which is configured to compare the first voltage and the second voltage, and which is configured to use one based on the first voltage and the second voltage Generate differential current, the course of which follows a mathematical function.

Die vorliegende Erfindung betrifft weiter eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung, die eine solche Komparatorschaltung aufweist.The present invention further relates to an application-specific integrated circuit having such a comparator circuit.

Die vorliegende Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Vergleichen eines ersten Stroms und eines zweiten Stroms mittels einer Komparatorschaltung, wobei das Verfahren einen Schritt eines Erzeugens eines Differenzstroms in der Komparatorschaltung umfasst.The present invention further relates to a method for comparing a first current and a second current by means of a comparator circuit, the method comprising a step of generating a differential current in the comparator circuit.

Stand der TechnikState of the art

Komparatorschaltungen, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen und Verfahren der eingangs genannten Art sind aus der analogen Schaltungstechnik grundsätzlich bekannt, um die erste Spannung und die zweite Spannung miteinander zu vergleichen. Ein Resultat dieses Spannungsvergleiches ist ein digitales Signal an einem Ausgang der Komparatorschaltung, das anzeigt, welche der beiden Spannungen größer beziehungsweise kleiner ist.Comparator circuits, application-specific integrated circuits and methods of the type mentioned at the beginning are known in principle from analog circuit technology in order to compare the first voltage and the second voltage with one another. A result of this voltage comparison is a digital signal at an output of the comparator circuit, which indicates which of the two voltages is higher or lower.

Die Komparatorschaltung kann beispielsweise in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung, auch ASIC genannt, verwendet werden, um interne Betriebsspannungen mit einem Referenzwert zu vergleichen.The comparator circuit can be used, for example, in an application-specific integrated circuit, also called ASIC, in order to compare internal operating voltages with a reference value.

Aus dem Stand der Technik sind Komparatorschaltungen bekannt, bei denen je ein Eingangsspannungssignal der ersten Spannung und der zweiten Spannung auf einen Differenzverstärker der Komparatorschaltung geführt wird. Der Differenzverstärker ist dafür eingerichtet, eine Differenz ΔU zwischen den beiden Eingangsspannungssignalen, Differenzeingangsspannung genannt, in einen Differenzstrom ΔI umzuwandeln. Die bekannte Komparatorschaltung weist zudem beispielsweise mindestens einen Stromspiegel und einen Schmitt-Trigger auf. Der Differenzstrom kann mithilfe der Stromspiegel wieder in eine Spannung und von dem Schmitt-Trigger in ein digitales Ausgangssignal der Komparatorschaltung umgewandelt werden, das an dem Ausgang der Komparatorschaltung bereitgestellt wird.Comparator circuits are known from the prior art, in which an input voltage signal each of the first voltage and the second voltage is fed to a differential amplifier of the comparator circuit. The differential amplifier is set up to convert a difference ΔU between the two input voltage signals, called differential input voltage, into a differential current ΔI. The known comparator circuit also has, for example, at least one current mirror and a Schmitt trigger. The differential current can be converted back into a voltage with the aid of the current mirror and converted by the Schmitt trigger into a digital output signal of the comparator circuit, which is provided at the output of the comparator circuit.

Herkömmliche Differenzeingangsstufen erzeugen einen Differenzstrom, der dem Verlauf der Tangens-Hyperbolicus-Funktion folgt. Der maximale Differenzstrom ist damit von der sie speisenden und maßgeblich die Gesamtstromaufnahme der Komparatorschaltung bestimmenden Stromquelle begrenzt.Conventional differential input stages generate a differential current that follows the course of the hyperbolic tangent function. The maximum differential current is thus limited by the current source that feeds it and that largely determines the total current consumption of the comparator circuit.

Charakteristisch für die Komparatorschaltung ist ihre Umschaltzeit tpd (engl. propagation delay time), die benötigt wird, um ihren Ausgang bei einem Polaritätswechsel der Differenzeingangsspannung von einem logischen LOWbeziehungsweise HIGH-Pegel auf dessen komplementären Wert umzuschalten. Diese Zeit hängt davon ab, wie schnell eine parasitäre Kapazität Cpar an einem gewissen Knoten der Komparatorschaltung umgeladen werden kann und um welchen Spannungswert sie umgeladen werden muss, sodass der Schmitt-Trigger umschaltet.A characteristic of the comparator circuit is its switching time t pd (propagation delay time), which is required to switch its output from a logical LOW or HIGH level to its complementary value when the polarity of the differential input voltage changes. This time depends on how quickly a parasitic capacitance Cpar can be recharged at a certain node of the comparator circuit and by what voltage value it has to be recharged so that the Schmitt trigger switches.

Je größer die Differenzeingangsspannung ΔU ist, desto schneller kann der Knoten von der positiven zur negativen Betriebsspannung (oder umgekehrt) umgeladen werden und desto schneller findet der Umschaltvorgang statt. In klassischen Architekturen, in denen die beiden Eingangsspannungssignale, also die erste Spannung und die zweite Spannung, auf den Differenzverstärker geführt werden, sättigt dieser Effekt jedoch temperaturabhängig bei ΔU ≈ 3 × nkT/q ≈ 100mV (bei Raumtemperatur).The greater the differential input voltage .DELTA.U, the faster the node can be recharged from the positive to the negative operating voltage (or vice versa) and the faster the switching process takes place. In classical architectures, in which the two input voltage signals, i.e. the first voltage and the second voltage, are fed to the differential amplifier, this effect saturates, depending on the temperature, at ΔU ≈ 3 × nkT / q ≈ 100 mV (at room temperature).

Aufgrund von Bauteile-Toleranzen liegt der Umschaltpunkt der Komparatorschaltung nicht genau bei UP = UN, sodass sich in der realen Schaltung ein HIGH-Pegel am Ausgang des Schmitt-Triggers bei UP > UN + Uoffs und ein LOW-Pegel bei UP < UN + Uoffs ergibt, wobei Uoffs die Offset-Spannung ist. Uoffs liegt typischerweise im Mikro- beziehungsweise Milli-Volt-Bereich. Die Offset-Spannung einer Komparatorschaltung ist daher eine weitere wichtige charakteristische Größe. Sie ist umso kleiner, je besser das Matching der verwendeten Bauelemente (beispielsweise das des Differenzeingangspaares und das der Stromspiegel) ist. In manchen bekannten Komparatorschaltungen ist die Offset-Spannung Uoffs um so kleiner, je besser das Matching von Eingangsstufentransistoren und das von Stromspiegeltransistoren sind.Due to component tolerances, the switching point of the comparator circuit is not exactly at U P = U N , so that in the real circuit there is a HIGH level at the output of the Schmitt trigger when U P > U N + U offs and a LOW level U P <U N + U offs results, where U offs is the offset voltage. U offs is typically in the micro or milli-volt range. The offset voltage of a comparator circuit is therefore another important characteristic variable. It is smaller, the better the matching of the components used (for example that of the differential input pair and that of the current mirror). In some known comparator circuits, the offset voltage U offs is smaller, the better the matching of input stage transistors and that of current mirror transistors.

Das Matching dieser Bauelemente ist umso besser und der Offset der Komparatorschaltung ist umso kleiner, je größer die Eingangsstufentransistoren und die Stromspiegeltransistoren sind. Je größer diese Bauelemente sind, desto größer sind jedoch auch die parasitären Transistorkapazitäten, insbesondere die parasitäre Kapazität Cpar an dem gewissen Knoten, und damit verbunden auch eine höhere Umschaltzeit der Komparatorschaltung.The matching of these components is better and the offset of the comparator circuit is smaller, the larger the input stage transistors and the current mirror transistors are. The larger these components are, however, the larger the parasitic transistor capacitances, in particular the parasitic capacitance Cpar at the certain node, and, associated therewith, also a longer switching time of the comparator circuit.

In der klassischen analogen Schaltungstechnik gibt es diverse Architekturen für Komparatorschaltungen, deren Eingangsstufe mit einem Differenzeingangspaar realisiert ist und deren maximaler Differenzstrom zum Umladen der parasitären Transistorkapazitäten von der Stromstärke der sie speisenden Stromquelle limitiert ist.In classic analog circuit technology, there are various architectures for comparator circuits whose input stage is implemented with a differential input pair and whose maximum differential current for reloading the parasitic transistor capacitances is limited by the current strength of the current source feeding them.

Wird anstelle einer symmetrischen Komparatorschaltung eine Architektur analog zu einem bekannten Miller-OTA (engl.: operational transconductance amplifier, Operationsverstärker) gewählt, muss der Knoten nur bis zur Schwellspannung Uth eines gewissen Transistors des Miller-OTA umgeladen werden. Der gewisse Transistor lädt den Knoten und damit den Eingang des Schmitt-Triggers bei UP > UN mit einem Strom um. Entsprechend kann sich für diese Architektur bei geeigneter Dimensionierung im Vergleich zur symmetrischen Komparatorschaltung eine kürzere Umschaltzeit tpd,lh von einem LOW- auf einen HIGH-Pegel ergeben. Beim Umschalten vom HIGH- auf den LOW-Pegel muss eine erste Stromquelle des Miller-OTA den Knoten von der positiven Betriebsspannung UVDD zur negativen Betriebsspannung hin entladen. Sie bestimmt damit (zusammen mit einem weiteren Strom) wesentlich die Umschaltzeit tpd.hl von einem HIGH- auf einen LOW-Pegel und die Stromaufnahme der Komparatorschaltung.If, instead of a symmetrical comparator circuit, an architecture analogous to a known Miller OTA (operational transconductance amplifier) is selected, the node only needs to reach the threshold voltage U th of a certain transistor of the Miller-OTA are reloaded. The certain transistor charges the node and thus the input of the Schmitt trigger with a current when U P > U N. Correspondingly, with suitable dimensioning, this architecture can result in a shorter switchover time t pd, lh from a LOW to a HIGH level compared to the symmetrical comparator circuit. When switching from HIGH to LOW level, a first power source of the Miller-OTA must remove the node from the positive operating voltage U VDD discharged towards the negative operating voltage. It thus (together with a further current) essentially determines the switching time t pd.hl from a HIGH to a LOW level and the current consumption of the comparator circuit.

Das Dokument US 2009/0 140 808 A1 beschreibt einen Verstärkungsregelkreis.The document US 2009/0 140 808 A1 describes a gain control loop.

Das Dokument US 6 710 654 B2 offenbart einen Operationsverstärker für Anwendungen mit hoher Geschwindigkeit.The document US 6,710,654 B2 discloses an operational amplifier for high speed applications.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird eine Komparatorschaltung zur Verfügung gestellt, die eine Eingangsstufe für eine erste Spannung und für eine zweite Spannung aufweist und die zum Vergleichen der ersten Spannung und der zweiten Spannung eingerichtet ist, und die dafür eingerichtet ist, basierend auf der ersten Spannung und der zweiten Spannung einen Differenzstrom zu erzeugen, dessen Verlauf einer mathematischen Funktion folgt, wobei die Komparatorschaltung dafür eingerichtet ist, dass der Differenzstrom bei einer steigenden Differenzeingangsspannung im Wesentlichen einen exponentiellen Verlauf aufweist.According to the invention, a comparator circuit is provided which has an input stage for a first voltage and for a second voltage and which is set up for comparing the first voltage and the second voltage, and which is set up for this based on the first voltage and the second voltage to generate a differential current, the profile of which follows a mathematical function, the comparator circuit being set up so that the differential current has an essentially exponential profile when the differential input voltage rises.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die erfindungsgemäße Komparatorschaltung hat den Vorteil, dass die Komparatorschaltung bei gleichem Offset und gleichem Versorgungsstrom eine um etwa eine Größenordnung geringere Umschaltzeit als eine symmetrische Komparatorschaltung hat. Je größer die Eingangsspannungsdifferenz zwischen der ersten Spannung und der zweiten Spannung ist, desto kürzer kann die Umschaltzeit gegenüber bekannten klassischen Architekturen sein, deren Eingangsstufe mit einer Differenzeingangsstufe realisiert ist. Vorteilhaft ist zudem, dass die erfindungsgemäße Komparatorschaltung die gleiche Stromaufnahme wie klassische Architekturen besitzen kann. Die hier vorgeschlagene Komparatorschaltung ist klassischen Ansätzen überlegen, in denen schnelle Umschaltzeiten bei geringem Stromverbrauch gefordert werden.The comparator circuit according to the invention has the advantage that, with the same offset and the same supply current, the comparator circuit has a switching time that is approximately an order of magnitude shorter than a symmetrical comparator circuit. The greater the input voltage difference between the first voltage and the second voltage, the shorter the switching time can be compared to known classical architectures whose input stage is implemented with a differential input stage. It is also advantageous that the comparator circuit according to the invention can have the same current consumption as classic architectures. The comparator circuit proposed here is superior to classical approaches in which fast switching times with low power consumption are required.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.Advantageous developments of the invention are given in the subclaims and described in the description.

Die Komparatorschaltung ist vorzugsweise dafür eingerichtet, dass der Differenzstrom bei steigender Differenzeingangsspannung einer Sinus-Hyperbolicus-Funktion folgt. So kann auf vorteilhafte Weise ein im Wesentlichen exponentieller Verlauf des Differenzstroms bei steigender Differenzeingangsspannung erreicht werden. Ausführungsformen der Erfindung sind dafür eingerichtet, insbesondere bei einer Gesamtstromaufnahme von ca. 1 µA, Umschaltzeiten kleiner als 100 ns, besonders vorzugsweise kleiner als 70 ns zu realisieren. Eine besonders bevorzugte erreichbare Umschaltzeit beträgt etwa 60 ns.The comparator circuit is preferably set up so that the differential current follows a hyperbolic sine function when the differential input voltage increases. In this way, an essentially exponential profile of the differential current can be achieved in an advantageous manner with an increasing differential input voltage. Embodiments of the invention are designed to implement switching times of less than 100 ns, particularly preferably less than 70 ns, in particular with a total current consumption of approx. 1 μA. A particularly preferred switching time that can be achieved is approximately 60 ns.

Bevorzugt ist, dass die Eingangsstufe einen oder mehrere Eingangsstufentransistoren aufweist, denen jeweils ein Pegelschieber, der einen oder mehrere Pegelschiebertransistoren aufweist, vorgeschaltet ist. Vorzugsweise umfasst die Eingangsstufe vier Eingangsstufentransistoren. Vorzugsweise umfasst die Komparatorschaltung entsprechend vier Pegelschiebertransistoren. Die Anzahl der Pegelschiebertransistoren entspricht also vorzugsweise genau der Anzahl an Eingangsstufentransistoren. Vorzugsweise sind zwei Pegelschiebertransistoren N-Kanal-Transistoren. Vorzugsweise sind zwei Pegelschiebertransistoren P-Kanal-Transistoren.It is preferred that the input stage has one or more input stage transistors, each of which is preceded by a level shifter, which has one or more level shifter transistors. The input stage preferably comprises four input stage transistors. Preferably, the Comparator circuit corresponding to four level shift transistors. The number of level shift transistors thus preferably corresponds exactly to the number of input stage transistors. Preferably, two level shift transistors are N-channel transistors. Preferably, two level shift transistors are P-channel transistors.

In manchen Ausführungsformen weisen die Pegelschiebertransistoren jeweils eine größere Fläche auf als die jeweils zugeordneten Eingangsstufentransistoren. So kann ein besseres Matching und damit auch ein geringer Offset erreicht werden. Ein Verhältnis einer Weite W zu einer Länge L eines Pegelschiebertransistors kann vorzugsweise von einem Verhältnis einer Weite W zu einer Länge L eines Eingangsstufentransistors verschieden sein.In some embodiments, the level shift transistors each have a larger area than the respectively assigned input stage transistors. Better matching and thus also a lower offset can be achieved in this way. A ratio of a width W to a length L of a level shifter transistor may preferably be different from a ratio of a width W to a length L of an input stage transistor.

Bevorzugt ist, dass in der Komparatorschaltung ein Stromspiegel vorgesehen ist. Vorzugsweise ist der Stromspiegel dafür eingerichtet, einen Stromfluss in dem einen oder den mehreren Pegelschiebern festzulegen. Der Stromspiegel umfasst vorzugsweise einen oder mehrere Stromspiegeltransistoren. Der Stromspiegel ist vorzugsweise den Pegelschiebern vorgeschaltet.It is preferred that a current mirror is provided in the comparator circuit. The current mirror is preferably set up to define a current flow in the one or more level shifters. The current mirror preferably comprises one or more current mirror transistors. The current mirror is preferably connected upstream of the level shifter.

Vorzugsweise ist der Stromspiegel dafür eingerichtet, einen Stromfluss in der Eingangsstufe festzulegen. Der Stromspiegel ist vorzugsweise der Eingangsstufe vorgeschaltet. In einigen Ausführungsformen ist der Stromspiegel dafür eingerichtet, für die Eingangsstufe eine Hysterese zu realisieren. Vorzugsweise ist dafür in der Komparatorschaltung ein Koeffizient δ > 1 vorgesehen, besonders vorzugsweise ein Koeffizient δ zwischen 1 und 1,5. Besonders bevorzugte Koeffizienten δ sind 1,1 oder 1,2. Vorzugsweise weist ein Stromspiegeltransistor zu diesem Zweck eine größere Weite als ein Referenztransistor der Komparatorschaltung auf. Dann wechselt ein Ausgang der Komparatorschaltung vorzugsweise erst bei einer Eingangsspannung von UP > UN + Uhys mit Uhys > 0 von LOW auf HIGH und/oder erst bei einer Eingangsspannung von UP < UN - Uhys von HIGH auf LOW. Die Hysteresespannung Uhys liegt abhängig vom Koeffizienten δ vorzugsweise im Bereich zwischen 1 und 100 mV, besonders vorzugsweise zwischen 1 und 70 mV, nochmals bevorzugt zwischen 1 und 30 mV, nochmals bevorzugt zwischen 1 und 10 mV. In manchen Ausführungsformen ist jedoch δ = 1, sodass der Stromspiegel keine Hysterese realisiert.The current mirror is preferably set up to define a current flow in the input stage. The current mirror is preferably connected upstream of the input stage. In some embodiments, the current mirror is set up to implement a hysteresis for the input stage. For this purpose, a coefficient δ> 1 is preferably provided in the comparator circuit, particularly preferably a coefficient δ between 1 and 1.5. Particularly preferred coefficients δ are 1.1 or 1.2. For this purpose, a current mirror transistor preferably has a larger width than a reference transistor of the comparator circuit. An output of the comparator circuit then preferably changes from LOW to HIGH only when the input voltage is U P > U N + U hys with U hys> 0 and / or from HIGH to LOW only when the input voltage is U P <U N - U hys. Depending on the coefficient δ, the hysteresis voltage U hys is preferably in the range between 1 and 100 mV, particularly preferably between 1 and 70 mV, again preferably between 1 and 30 mV, again preferably between 1 and 10 mV. In some embodiments, however, δ = 1, so that the current mirror does not implement any hysteresis.

Manche Ausführungsformen sehen vor, dass der Eingangsstufe eine Verstärkerstufe nachgeschaltet ist, die dafür eingerichtet ist, für einen Umladevorgang einen Umladestrom bereitzustellen, der größer ist, als ein durch die Verstärkerstufe benötigter Strom nach dem Umladevorgang. Vorzugsweise umfasst die Verstärkerstufe einen oder mehrere Verstärkerstufentransistoren. Vorzugsweise umfasst die Verstärkerstufe einen Schmitt-Trigger, dessen Eingang mit einem Knoten, der in dem Umladevorgang umzuladen ist, verbunden ist. Die Komparatorschaltung ist vorzugsweise dafür eingerichtet, für eine kurze Zeit des Umladevorgangs einen sehr hohen Strom bereitzustellen, nach dem Umladevorgang jedoch nur einen vergleichsweise geringen Strom zu benötigen. So kann das Umladen des Knotens, der umzuladen ist, sehr schnell erfolgen.Some embodiments provide that the input stage is followed by an amplifier stage which is set up to provide a recharging current for a recharging process that is greater than a current required by the amplifier stage after the recharging process. The amplifier stage preferably comprises one or more amplifier stage transistors. The amplifier stage preferably comprises a Schmitt trigger, the input of which is connected to a node that is to be reloaded in the reloading process. The comparator circuit is preferably set up to provide a very high current for a short time of the recharging process, but to require only a comparatively low current after the recharging process. This means that the node that is to be reloaded can be reloaded very quickly.

Bevorzugt ist, dass die Komparatorschaltung dafür eingerichtet ist, den Knoten der Komparatorschaltung im Wesentlichen instantan zu einer negativen Betriebsspannung hin umzuladen. Besonders bevorzugt ist, dass die Komparatorschaltung, insbesondere die Verstärkerstufe, dafür eingerichtet ist, den Knoten der Komparatorschaltung im Wesentlichen instantan zu der negativen Betriebsspannung hin zu entladen, sobald eine Spannung am Knoten um die Schwellspannung eines Transistors der Komparatorschaltung kleiner als eine positive Betriebsspannung ist. Ein Vorteil der hier vorgeschlagenen Ausführungsform ist, dass der Knoten vollständig und nahezu schlagartig zur negativen Betriebsspannung hin entladen werden kann, sobald die Knotenspannung an dem Knoten um die Schwellspannung des Transistors kleiner als die positive Betriebsspannung UVDD ist. Somit kann mit Vorteil nahe dem Umschaltpunkt UP - UN ≈ ±Uhys in dem vorzugsweise dem zu entladenden Knoten nachgeschalteten Schmitt-Trigger kein statischer Querstrom fließen, wie es bei der symmetrischen Komparatorschaltung beziehungsweise der Architektur analog zu dem Miller-OTA der Fall ist.It is preferred that the comparator circuit is set up to reload the node of the comparator circuit essentially instantaneously to a negative operating voltage. It is particularly preferred that the comparator circuit, in particular the amplifier stage, is set up to discharge the node of the comparator circuit essentially instantaneously to the negative operating voltage as soon as a voltage at the node is less than a positive operating voltage by the threshold voltage of a transistor of the comparator circuit. One advantage of the embodiment proposed here is that the node can be completely and almost suddenly discharged to the negative operating voltage as soon as the node voltage at the node is less than the positive operating voltage by the threshold voltage of the transistor U VDD is. This means that no static cross current can advantageously flow near the switchover point U P - U N ≈ ± U hys in the Schmitt trigger, which is preferably connected downstream of the node to be discharged, as is the case with the symmetrical comparator circuit or the architecture analogous to the Miller OTA .

Vorzugsweise ist die Komparatorschaltung dafür eingerichtet, eine Mitkopplung zu erzeugen, die die Umladung des Knotens verstärkt, sobald eine weitere Spannung an einem weiteren Knoten der Komparatorschaltung größer als eine weitere Schwellspannung eines weiteren Transistors der Komparatorschaltung ist. So kann der Knoten sozusagen lawinenartig in sehr kurzer Zeit entladen werden. Der weitere Knoten ist vorzugsweise dem Knoten vorgeschaltet. Dem Knoten und dem weiteren Knoten ist vorzugsweise ein Transistor zwischengeschaltet.The comparator circuit is preferably set up to generate positive feedback that amplifies the charge reversal of the node as soon as a further voltage at a further node of the comparator circuit is greater than a further threshold voltage of a further transistor in the comparator circuit. In this way, the knot can be discharged in a very short time, like an avalanche, so to speak. The further node is preferably connected upstream of the node. A transistor is preferably interposed between the node and the further node.

Bevorzugt ist, dass die Komparatorschaltung einen oder mehrere Flip-Flops aufweist, die dafür eingerichtet sind, Signale zur Ansteuerung der Eingangsstufe zu generieren und/oder Signale zu generieren, aus denen ein Ausgangssignal der Komparatorschaltung ableitbar ist. Ein Flip-Flop (auch Flipflop), kann auch als bistabile Kippstufe oder bistabiles Kippglied bezeichnet werden. Der Flip-Flop ist eine elektronische Schaltung und kann zwei stabile Zustände einnehmen. Auf diese Weise kann der Flip-Flop über eine unbegrenzte Zeit eine Datenmenge von einem Bit speichern. Bevorzugt ist, dass zu diesem Zweck zwei Flip-Flops in der Komparatorschaltung vorgesehen sind. Bevorzugte Flip-Flops sind RS-Flip-Flops. So kann auf zuverlässige Weise die Eingangsstufe, insbesondere deren Eingangsstufentransistoren, angesteuert und/oder das Ausgangssignal abgeleitet werden. Vorzugsweise weist einer der Flip-Flops den Ausgang der Komparatorschaltung auf oder ist direkt mit dem Ausgang der Komparatorschaltung verbunden. Vorzugsweise ist mindestens einer der Flip-Flops eingangsseitig mit einem Ausgang des Schmitt-Triggers elektrisch verbunden. Besonders vorzugsweise ist ein Eingang jedes Flip-Flops mit dem Ausgang des Schmitt-Triggers verbunden. Vorzugsweise ist der Ausgang des Schmitt-Triggers elektrisch mit einem Clock-Eingang mindestens eines der Flip-Flops verbunden.It is preferred that the comparator circuit has one or more flip-flops which are set up to generate signals for controlling the input stage and / or to generate signals from which an output signal of the comparator circuit can be derived. A flip-flop (also known as flip-flop) can also be referred to as a bistable trigger stage or a bistable trigger element. The flip-flop is an electronic circuit and can assume two stable states. In this way, the flip-flop can store an amount of data of one bit for an unlimited time. It is preferred that two flip-flops are provided in the comparator circuit for this purpose. Preferred flip-flops are RS flip-flops. In this way, the input stage, in particular its input stage transistors, can be controlled and / or the output signal derived in a reliable manner. One of the flip-flops preferably has the output of the comparator circuit or is directly connected to the output of the comparator circuit. At least one of the flip-flops is preferably electrically connected on the input side to an output of the Schmitt trigger. One input of each flip-flop is particularly preferably connected to the output of the Schmitt trigger. The output of the Schmitt trigger is preferably electrically connected to a clock input of at least one of the flip-flops.

Erfindungsgemäß wird weiter eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung zur Verfügung gestellt, die die vorgenannte Komparatorschaltung aufweist.According to the invention, an application-specific integrated circuit is also made available which has the aforementioned comparator circuit.

Bei gleichem Offset und gleicher Stromaufnahme kann der ASIC bekannten klassischen Architekturen mit einer Differenzeingangsstufe bezüglich der Umschaltzeit somit überlegen sein. Weiter ergeben sich für die anwendungsspezifische integrierte Schaltung die bezüglich der Komparatorschaltung beschriebenen Ausführungsmöglichkeiten und deren Vorteile.With the same offset and the same current consumption, the ASIC can therefore be superior to known classical architectures with a differential input stage with regard to the switchover time. For the application-specific integrated circuit, there are also the possible embodiments described with regard to the comparator circuit and their advantages.

In einer bevorzugten anwendungsspezifischen integrierten Schaltung ist der Komparator als Unter- und/oder Überspannungs-Komparator im Standby-Betrieb der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung eingerichtet. Die hier vorgeschlagene Komparatorschaltung eignet sich insbesondere für Low-Power Anwendungen. Die Komparatorschaltung ist deshalb vorzugsweise als Unterbeziehungsweise Überspannungs-Komparator im Standby-Betrieb eines ASIC vorgesehen. Die Komparatorschaltung kann in Ausführungsformen dazu verwendet werden, die internen Betriebsspannungen des ASIC mit einem Referenzwert zu vergleichen.In a preferred application-specific integrated circuit, the comparator is set up as an undervoltage and / or overvoltage comparator in the standby mode of the application-specific integrated circuit. The comparator circuit proposed here is particularly suitable for low-power applications. The comparator circuit is therefore preferably provided as an undervoltage or overvoltage comparator in the standby mode of an ASIC. In embodiments, the comparator circuit can be used to compare the internal operating voltages of the ASIC with a reference value.

Erfindungsgemäß wird weiter ein Verfahren zum Vergleichen eines ersten Stroms und eines zweiten Stroms mittels einer Komparatorschaltung zur Verfügung gestellt, wobei das Verfahren einen Schritt eines Erzeugens eines Differenzstroms der Komparatorschaltung umfasst und der Differenzstrom bei einer steigenden Differenzeingangsspannung im Wesentlichen einen exponentiellen Verlauf aufweist.According to the invention, a method for comparing a first current and a second current by means of a comparator circuit is also provided, the method comprising a step of generating a differential current of the comparator circuit and the differential current essentially having an exponential profile when the differential input voltage rises.

Bei gleichem Offset und gleicher Stromaufnahme kann das erfindungsgemäße Verfahren bekannten Verfahren, die klassische Architekturen mit einer Differenzeingangsstufe verwenden, bezüglich der Umschaltzeit somit überlegen sein. Bevorzugte Verfahrensschritte und ihre Vorteile ergeben sich aus den beschriebenen möglichen Ausführungsformen der Komparatorschaltung.With the same offset and the same current consumption, the method according to the invention can thus be superior to known methods that use classic architectures with a differential input stage with regard to the switchover time. Preferred method steps and their advantages result from the described possible embodiments of the comparator circuit.

FigurenlisteFigure list

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine klassische symmetrische Komparatorschaltung nach dem Stand der Technik;
  • 2 eine klassische Komparatorschaltung mit einer Architektur analog zu einem Miller-OTA nach dem Stand der Technik;
  • 3 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Komparatorschaltung;
  • 4 ein Diagramm, dass in Abhängigkeit von der Differenzeingangsspannung einen Differenzstrom der Ausführungsform der Komparatorschaltung aus 3 gegenüber einem Differenzstrom gemäß dem Stand der Technik vergleichend darstellt;
  • 5 ein Timing-Diagramm eines Umschaltvorgangs der Komparatorschaltung aus 3;
  • 6 eine schematische Darstellung der Generation von digitalen Signalen in der Ausführungsform aus 3; und
  • 7 einen Aufbau eines RS-Flip-Flops in der Ausführungsform aus 3.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description. Show it:
  • 1 a classic symmetrical comparator circuit according to the prior art;
  • 2 a classic comparator circuit with an architecture analogous to a Miller OTA according to the prior art;
  • 3 an embodiment of the comparator circuit according to the invention;
  • 4th a diagram that, depending on the differential input voltage, a differential current of the embodiment of the comparator circuit 3 represents a comparison with a differential current according to the prior art;
  • 5 a timing diagram of a switching operation of the comparator circuit 3 ;
  • 6th Fig. 3 is a schematic representation of the generation of digital signals in the embodiment 3 ; and
  • 7th shows a structure of an RS flip-flop in the embodiment 3 .

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der 1 ist zur Erläuterung eine klassische symmetrische Komparatorschaltung 1 nach dem Stand der Technik gezeigt. Sowohl in 1 wie auch in den nachfolgenden weiteren Schaltbildern sind an den Schaltungen Ströme I und Spannungen U mit Pfeilen veranschaulicht, um die Verständlichkeit in Zusammenschau mit der Beschreibung zu erhöhen.In the 1 is a classic symmetrical comparator circuit for explanation 1 shown according to the prior art. As well in 1 As well as in the following other circuit diagrams, currents I and voltages U are illustrated with arrows on the circuits in order to increase clarity in conjunction with the description.

In der gezeigten klassischen Komparatorschaltung 1 aus 1 werden zwei Eingangsspannungssignale, also eine erste Spannung und eine zweite Spannung, über entsprechende Eingänge P und N auf einen Differenzverstärker geführt. Der Differenzverstärker wandelt die Eingangsspannungsdifferenz in einen Differenzstrom um. Der Differenzstrom wird mittels Stromspiegeln wieder in eine Spannung umgewandelt. Ein Schmitt-Trigger SMT1 wandelt die Spannung anschließend in ein digitales Ausgangssignal für einen Ausgang A um. In der klassischen Komparatorschaltung 1 in 1 sind die verwendeten Transistoren M1 - M8 MOS-Transistoren. Die Komparatorschaltung 1 kann aber auch mit Bipolar-Transistoren aufgebaut werden.In the classic comparator circuit shown 1 the end 1 two input voltage signals, i.e. a first voltage and a second voltage, are generated via corresponding inputs P. and N fed to a differential amplifier. The differential amplifier converts the input voltage difference into a differential current. The differential current is converted back into a voltage by means of current mirrors. A Schmitt trigger SMT1 then converts the voltage into a digital output signal for output A. In the classic comparator circuit 1 in 1 are the transistors used M 1 - M 8 MOS transistors. The comparator circuit 1 but can also be constructed with bipolar transistors.

Die Differenzeingangsspannung ΔU = UP - UN wird, genauer gesagt, in der Schaltung in 1 an die Eingänge P und N angelegt und von dem Differenzeingangspaar, bestehend aus den beiden Eingangstransistoren M1 und M2 , in einen Differenzstrom ΔI = IDS2 - IDS1 umgewandelt. Der Strom IDS1 wird über einen ersten Stromspiegel, der hier aus den Stromspiegeltransistoren M3 und M4 besteht, und einen zweiten Stromspiegel, der hier aus den Stromspiegeltransistoren M7 und M8 besteht, von einem Knoten K1 zur negativen Betriebsspannung (Masse) abgeführt. Der Strom IDS2 wird über einen dritten Stromspiegel, der aus den Stromspiegeltransistoren M5 und M6 besteht, auf den Knoten K1 geführt. Entsprechend der Differenzeingangsspannung ΔU und der differentiellen Ausgangswiderstände der Stromspiegeltransistoren M6 und M8 ruft der Differenzstrom ΔI am Knoten K1 eine Spannung hervor, die um so näher an einer positiven Betriebsspannung UVDD liegt, je größer UP gegenüber UN ist, beziehungsweise die umso näher an der negativen Betriebsspannung (Masse) liegt, je kleiner UP gegenüber UN ist. Die Spannung am Knoten K1 wird von dem Schmitt-Trigger SMT1 in ein digitalen HIGH- beziehungsweise LOW-Pegel umgewandelt und am Ausgang A zur Verfügung gestellt, wenn UP > UN beziehungsweise UP < UN ist.The differential input voltage ΔU = U P - U N is, more precisely, in the circuit in 1 to the entrances P. and N applied and from the differential input pair, consisting of the two input transistors M 1 and M 2 , converted into a differential current ΔI = I DS2 - I DS1 . The current I DS1 is via a first current mirror, which here consists of the current mirror transistors M 3 and M 4 consists, and a second current mirror, which here consists of the current mirror transistors M 7 and M 8 consists of a knot K1 dissipated to the negative operating voltage (ground). The current I DS2 is via a third current mirror, which is made up of the current mirror transistors M 5 and M 6 insists on the knot K1 guided. Corresponding to the differential input voltage ΔU and the differential output resistances of the current mirror transistors M 6 and M 8 calls the differential current ΔI at the node K1 a voltage emerges that is all the closer to a positive operating voltage U VDD lies, the larger U P opposite to U N is, or the closer it is to the negative operating voltage (ground), the smaller U P opposite to U N is. The tension at the knot K1 is from the Schmitt trigger SMT 1 converted into a digital HIGH or LOW level and made available at output A if U P > U N or U P <U N.

Die Eingangstransistoren M1 und M2 des Differenzeingangspaares in 1 können in schwacher Inversion (weak-inversion, sub-threshold region) arbeiten. Dann ergibt sich der Differenzstrom (Source und Bulk von M1 und M2 jeweils miteinander verbunden) zu ΔI = IDS2 - IDS1 mit I SD1 ,2 = I DS0 × ( W/L ) × exp [ ( U GS1 ,2 U th ) / ( nkT/q ) ] ,

Figure DE102018209052B4_0001
wobei IDS0 × (W/L) der Drain-Source-Strom ist, wenn die Gate- Source-Spannung UGS1 beziehungsweise UGS2 gleich der Schwellspannung Uth der Eingangstransistoren M1 und M2 ist (UGS1,2 = Uth). W ist die Weite und L ist die Länge der Transistoren M1 und M2 . n (≈ 1,2 ... 1,5) ist eine Technologie-Konstante. Mit U P U N = Δ U = U GS2 U GS1
Figure DE102018209052B4_0002
ergibt sich I DS2 /I DS1 = exp [ Δ U / ( nkT/q ) ]
Figure DE102018209052B4_0003
und durch Auflösen nach IDS1 beziehungsweise IDS2 und Einsetzen in IDS1 + IDS2 = 2 × IB erhält man I DS1 ,2 = 2 × I B × { 1 + exp [ ± Δ U / ( nkT/q ) ] } 1 .
Figure DE102018209052B4_0004
The input transistors M 1 and M 2 of the differential input pair in 1 can work in weak inversion (sub-threshold region). Then there is the differential current (source and bulk of M 1 and M 2 connected to each other) to ΔI = I DS2 - I DS1 with I. SD1 , 2 = I. DS0 × ( W / L ) × exp [ ( U GS1 , 2 - U th ) / ( nkT / q ) ] ,
Figure DE102018209052B4_0001
where I DS0 × (W / L) is the drain-source current when the gate-source voltage U GS1 respectively U GS2 equal to the threshold voltage U th of the input transistors M 1 and M 2 is (U GS1,2 = U th ). W is the width and L is the length of the transistors M 1 and M 2 . n (≈ 1.2 ... 1.5) is a technology constant. With U P. - U N = Δ U = U GS2 - U GS1
Figure DE102018209052B4_0002
surrendered I. DS2 / I DS1 = exp [ Δ U / ( nkT / q ) ]
Figure DE102018209052B4_0003
and by dissolving after I DS1 respectively I DS2 and inserting I DS1 + I DS2 = 2 × I B is obtained I. DS1 , 2 = 2 × I. B. × { 1 + exp [ ± Δ U / ( nkT / q ) ] } - 1 .
Figure DE102018209052B4_0004

Daraus erhält man mit ΔI = IDS2 - IDS1 und mithilfe der Vereinfachungen 2 / [1 + exp(-x)] = 1 + tanh(x/2) und tanh(-x/2) = -tanh(x/2) Δ I = 2 × IB × tanh [ Δ U / ( 2nkT/q ) ] .

Figure DE102018209052B4_0005
From this one obtains with ΔI = I DS2 - I DS1 and with the aid of the simplifications 2 / [1 + exp (-x)] = 1 + tanh (x / 2) and tanh (-x / 2) = -tanh (x / 2 ) Δ I. = 2 × IB × tanh [ Δ U / ( 2nkT / q ) ] .
Figure DE102018209052B4_0005

Der Differenzstrom, der durch die klassische symmetrische Komparatorschaltung 1 erzeugt wird, folgt also gemäß Gleichung (1) einer Tangens-Hyperbolicus-Funktion.The differential current generated by the classic symmetrical comparator circuit 1 is generated, thus follows a hyperbolic tangent function according to equation (1).

Charakteristisch für Komparatorschaltungen sind, wie bereits eingangs erläutert, ihre jeweiligen Umschaltzeiten tpd (propagation delay time), die benötigt werden, um ihren Ausgang bei einem Polaritätswechsel der Differenzeingangsspannung von einem logischen LOW- beziehungsweise HIGH-Pegel auf dessen komplementären Wert umzuschalten. Diese Zeit hängt davon ab, wie schnell die parasitäre Kapazität Cpar am Knoten K1, die sich aus den Transistorkapazitäten (insbesondere der Drain-Bulk- und der Drain-Gate-Kapazitäten der Stromspiegeltransistoren M6 und M8 ) und der Eingangskapazität des Schmitt-Triggers SMT1 ergibt, umgeladen werden kann und um welchen Spannungswert sie umgeladen werden muss, sodass der Schmitt-Trigger SMT1 umschaltet. As already explained at the beginning, comparator circuits are characterized by their respective switching times t pd (propagation delay time), which are required to switch their output from a logical LOW or HIGH level to its complementary value when the polarity of the differential input voltage changes. This time depends on how fast the parasitic capacitance Cpar is at the node K1 that result from the transistor capacitances (in particular the drain-bulk and drain-gate Capacities of the current mirror transistors M 6 and M 8 ) and the input capacitance of the Schmitt trigger SMT 1 results, can be reloaded and the voltage value by which it must be reloaded, so that the Schmitt trigger SMT 1 switches.

Entsprechend Gleichung (1) kann der Knoten K1 mit der parasitären Kapazität Cpar mit maximal dem Strom 2 × IB, den die Stromquelle, Stromspiegeltransistor M6 , liefern beziehungsweise die Stromsenke, Stromspiegeltransistor M8 abführen kann, umgeladen werden. Unter Vernachlässigung der Umschaltzeit des Schmitt-Triggers SMT1 und der Annahme, dass der Ausgang A des Schmitt-Triggers SMT1 bei Überschreiten der Eingangsspannung von 2/3 × UVDD von einem LOWauf einen HIGH-Pegel schaltet und bei Unterschreiten der Eingangsspannung von 1/3 × UVDD von einem HIGH- auf einen LOW-Pegel schaltet, ergeben sich für den Komparator Umschaltzeiten tpd.lh und tpd.hl vom LOW- zum HIGH-Pegel beziehungsweise vom HIGH- zum LOW-Pegel von t pd .lh = t pd .hl C par × 2 / 3 × U VDD / { 2 × I B × tanh [ Δ U / ( 2nkT/q ) ] } .

Figure DE102018209052B4_0006
According to equation (1), the node K1 with the parasitic capacitance Cpar with a maximum of the current 2 × I B , which the current source, current mirror transistor M 6 , deliver or the current sink, current mirror transistor M 8 can be discharged, reloaded. Neglecting the switching time of the Schmitt trigger SMT 1 and the assumption that the output A of the Schmitt trigger SMT 1 switches from a LOW to a HIGH level when the input voltage exceeds 2/3 × U VDD and switches from a HIGH to a LOW level when the input voltage falls below 1/3 × U VDD , resulting in switching times t pd for the comparator .lh and t pd.hl from LOW to HIGH level or from HIGH to LOW level from t pd .lh = t pd .hl C. par × 2 / 3 × U VDD / { 2 × I. B. × tanh [ Δ U / ( 2nkT / q ) ] } .
Figure DE102018209052B4_0006

Je größer die Differenzeingangsspannung ΔU ist, desto schneller kann der Knoten K1 von der positiven zur negativen Betriebsspannung (oder umgekehrt) umgeladen werden und desto schneller findet der Umschaltvorgang statt.The greater the differential input voltage ΔU, the faster the node can K1 from the positive to the negative operating voltage (or vice versa) and the faster the switching process takes place.

Entsprechend Gleichung (2) sättigt dieser Effekt in klassischen Architekturen wie der in 1 gezeigten, in denen die beiden Eingangsspannungssignale auf einen Differenzverstärker geführt werden, jedoch temperaturabhängig bei ΔU ≈ 3 × nkT/q ≈ 100mV (bei Raumtemperatur).According to equation (2), this effect saturates in classical architectures such as that in 1 in which the two input voltage signals are fed to a differential amplifier, but temperature-dependent at ΔU ≈ 3 × nkT / q ≈ 100mV (at room temperature).

Aufgrund von Bauteile-Toleranzen liegt der Umschaltpunkt der Komparatorschaltung 1 in 1 nicht genau bei UP = UN, sodass sich in der realen Schaltung ein HIGH-Pegel am Ausgang des Schmitt-Triggers bei UP > UN + Uoffs und ein LOW-Pegel bei UP < UN + Uoffs ergibt, wobei Uoffs die Offset-Spannung ist.The switching point of the comparator circuit is due to component tolerances 1 in 1 not exactly at U P = U N , so that in the real circuit there is a HIGH level at the output of the Schmitt trigger at U P > U N + U offs and a LOW level at U P <U N + U offs , where U offs is the offset voltage.

Die Offset-Spannung einer Komparatorschaltung 1 ist daher, wie bereits erwähnt, eine weitere wichtige charakteristische Größe. Sie ist umso kleiner, je besser das Matching der verwendeten Bauelemente (beispielsweise das des Differenzeingangspaares und das der Stromspiegel) ist. Im Falle der symmetrischen Komparatorschaltung 1 in 1 ist die Offset-Spannung Uoffs um so kleiner, je besser das Matching der Eingangstransistoren M1 und M2 und das der drei Stromspiegel, die entsprechend aus den Stromspiegeltransistoren M3 und M4 beziehungsweise M5 und M6 beziehungsweise M7 und M8 bestehen, ist. Das Matching dieser Bauelemente ist umso besser und der Offset der Komparatorschaltung ist umso kleiner, je größer die Transistoren M1 bis M8 sind. Je größer diese Bauelemente sind, desto größer sind jedoch auch die parasitären Transistor-Kapazitäten, insbesondere die parasitäre Kapazität Cpar am Knoten K1, und damit verbunden auch eine höhere Umschaltzeit der Komparatorschaltung 1 gemäß dem Stand der Technik.The offset voltage of a comparator circuit 1 is therefore, as already mentioned, another important characteristic variable. It is smaller, the better the matching of the components used (for example that of the differential input pair and that of the current mirror). In the case of the symmetrical comparator circuit 1 in 1 the offset voltage U offs is the smaller, the better the matching of the input transistors M 1 and M 2 and that of the three current mirrors, correspondingly from the current mirror transistors M 3 and M 4 respectively M 5 and M 6 respectively M 7 and M 8 exist is. The matching of these components is better and the offset of the comparator circuit is smaller, the larger the transistors M 1 until M 8 are. However, the larger these components are, the larger the parasitic transistor capacitances, in particular the parasitic capacitance Cpar at the node K1 , and, associated with this, a longer switching time of the comparator circuit 1 according to the state of the art.

In der klassischen analogen Schaltungstechnik gibt es diverse Architekturen für Komparatorschaltungen 1, deren Eingangsstufe mit einem Differenzeingangspaar realisiert ist und deren maximaler Differenzstrom zum Umladen der parasitären Transistorkapazitäten von der Stromstärke 2 × IB der sie speisenden Stromquelle limitiert ist.There are various architectures for comparator circuits in classic analog circuit technology 1 whose input stage is implemented with a differential input pair and whose maximum differential current for recharging the parasitic transistor capacitances is limited by the current intensity 2 × I B of the current source feeding it.

Statt der symmetrischen Komparatorschaltung 1 aus 1 kann gemäß Stand der Technik eine Architektur analog zu einem Miller-OTA gewählt werden, die in 2 veranschaulicht ist.Instead of the symmetrical comparator circuit 1 the end 1 According to the state of the art, an architecture analogous to a Miller OTA can be selected, which is described in 2 is illustrated.

In der in 2 gezeigten Komparatorschaltung 1 muss der Knoten K1 nur bis zur Schwellspannung Uth des Transistors M5 umgeladen werden. Der Transistor M5 lädt den Knoten K1 in 2 und damit den Eingang des Schmitt-Triggers bei UP > UN mit dem Strom IDS5 = IDSO × (W/L) × exp[(UGS5 -Uth) / (nkT/q)] - IB2 um. Entsprechend kann sich für diese in 2 gezeigte Architektur bei geeigneter Dimensionierung im Vergleich zur symmetrischen Komparatorschaltung 1 aus 1 eine kürzere Umschaltzeit tpd.lh von einem LOW- auf einen HIGH-Pegel ergeben. Beim Umschalten vom HIGH- auf den LOW-Pegel muss die Stromquelle IB2 den Knoten K1 in 2 von der positiven Betriebsspannung UVDD zur negativen Betriebsspannung hin entladen. Sie bestimmt damit (zusammen mit der Stromquelle IB1 ) wesentlich die Umschaltzeit tpd.hl von einem HIGH- auf einen LOW-Pegel und die Stromaufnahme der Komparatorschaltung 1.In the in 2 comparator circuit shown 1 must be the knot K1 only up to the threshold voltage U th of the transistor M 5 be reloaded. The transistor M 5 loads the node K1 in 2 and thus the input of the Schmitt trigger at U P > U N with the current I DS5 = I DSO × (W / L) × exp [(U GS5 -Uth) / (nkT / q)] - I B2 . Correspondingly, this in 2 Architecture shown with suitable dimensioning in comparison to the symmetrical comparator circuit 1 the end 1 result in a shorter switchover time t pd.lh from a LOW to a HIGH level. When switching from HIGH to LOW level, the current source I B2 must be the node K1 in 2 from the positive operating voltage U VDD discharged towards the negative operating voltage. It determines with it (together with the power source I B1 ) essentially the switching time t pd.hl from a HIGH to a LOW level and the current consumption of the comparator circuit 1 .

3 zeigt nun eine Ausführungsform gemäß der Erfindung. Der in 3 gezeigte Schaltplan dient als beispielhafte Anleitung zur Verschaltung von Bauteilen gemäß der Ausführungsform der Erfindung. 3 now shows an embodiment according to the invention. The in 3 The circuit diagram shown serves as an exemplary guide for interconnecting components according to the embodiment of the invention.

Die in 3 gezeigte erfindungsgemäße Komparatorschaltung 1 weist eine Eingangsstufe für eine erste Spannung und für eine zweite Spannung auf. Die Komparatorschaltung 1 ist weiter zum Vergleichen der ersten Spannung und der zweiten Spannung eingerichtet. Die Komparatorschaltung 1 ist dafür eingerichtet, basierend auf der ersten Spannung und der zweiten Spannung einen Differenzstrom zu erzeugen, dessen Verlauf einer mathematischen Funktion folgt. Letztlich ist die Komparatorschaltung 1 dafür eingerichtet, unter Verwendung des Differenzstroms zu bestimmen, welche der ersten Spannung und der zweiten Spannung größer beziehungsweise kleiner ist und dieses Ergebnis an einem Ausgang auszugeben. Die erfindungsgemäße Komparatorschaltung 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung 2, einem ASIC, enthalten. Die Komparatorschaltung 1 kann, genauer gesagt, als Unter- und Überspannungs-Komparator im Standby-Betrieb der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung 2 eingerichtet sein.In the 3 Comparator circuit according to the invention shown 1 has an input stage for a first voltage and for a second voltage. The comparator circuit 1 is further configured to compare the first voltage and the second voltage. The comparator circuit 1 is set up to generate a differential current based on the first voltage and the second voltage, the course of which follows a mathematical function. Ultimately is the comparator circuit 1 set up to use the differential current to determine which of the first voltage and the second voltage is greater or less and to output this result at an output. The comparator circuit according to the invention 1 is in this embodiment in an application-specific integrated circuit 2 , an ASIC. The comparator circuit 1 can, more precisely, as an undervoltage and overvoltage comparator in the standby mode of the application-specific integrated circuit 2 be set up.

In der Komparatorschaltung 1 aus 3 umfasst die Eingangsstufe vier Eingangsstufentransistoren M1 bis M4 . Ein Spannungseingang N ist der ersten Spannung zugeordnet. Ein Spannungseingang P ist der zweiten Spannung zugeordnet. Jedem Eingangsstufentransistor M1 bis M4 ist ein entsprechender Pegelschiebertransistor M5 bis M8 vorgeschaltet.In the comparator circuit 1 the end 3 the input stage comprises four input stage transistors M 1 until M 4 . A voltage input N is assigned to the first voltage. A voltage input P. is assigned to the second voltage. Each input stage transistor M 1 until M 4 is a corresponding level shift transistor M5 until M8 upstream.

Anders ausgedrückt weist also wie in 3 gezeigt die Eingangsstufe mehrere Eingangsstufentransistoren auf, denen jeweils ein Pegelschieber, der einen Pegelschiebertransistor aufweist, vorgeschaltet ist. Der Pegelschiebertransistor M5 ist dem Eingangsstufentransistor M1 vorgeschaltet. Der Pegelschiebertransistor M7 ist dem Eingangsstufentransistor M2 vorgeschaltet. Der Pegelschiebertransistor M6 ist dem Eingangsstufentransistor M3 vorgeschaltet. Der Pegelschiebertransistor M8 ist dem Eingangsstufentransistor M4 vorgeschaltet. Die Komparatorschaltung 1 ist dafür ausgelegt, dass der Eingangsstufentransistor M1 und der Eingangsstufentransistor M4 von einem Strom I1 durchflossen werden können. Die Komparatorschaltung 1 ist dafür ausgelegt, dass der Eingangsstufentransistor M2 und der Eingangsstufentransistor M3 von einem Strom I2 durchflossen werden können. In other words, as in 3 The input stage shown has a plurality of input stage transistors, each of which is preceded by a level shifter, which has a level shifter transistor. The level shifter transistor M 5 is the input stage transistor M 1 upstream. The level shifter transistor M 7 is the input stage transistor M 2 upstream. The level shifter transistor M 6 is the input stage transistor M 3 upstream. The level shifter transistor M 8 is the input stage transistor M 4 upstream. The comparator circuit 1 is designed so that the input stage transistor M 1 and the input stage transistor M 4 can be traversed by a current I 1. The comparator circuit 1 is designed so that the input stage transistor M 2 and the input stage transistor M 3 can be traversed by a current I 2.

Die Komparatorschaltung 1 weist einen Stromspiegel auf. Der Stromspiegel weist mehrere Stromspiegeltransistoren M9 bis M13 auf, die sowohl einen Stromfluss in den Pegelschiebern als auch einen Stromfluss in der Eingangsstufe festlegen.The comparator circuit 1 has a current mirror. The current mirror has several current mirror transistors M 9 until M 13 which define both a current flow in the level shifter and a current flow in the input stage.

Die Pegelschiebertransistoren können mit Vorteil jeweils eine größere Fläche aufweisen als die jeweils zugeordneten Eingangsstufentransistoren. Genauer gesagt können die Pegelschiebertransistoren M6 bis M8 der Pegelschieber zugunsten eines besseren Matchings und damit auch zugunsten eines geringen Offsets eine größere Fläche aufweisen als die Eingangsstufentransistoren M1 bis M4 der Eingangsstufe. Das Verhältnis von Weite W zu Länge L der Pegelschiebertransistoren kann ein anderes als das der Eingangsstufentransistoren sein. Berücksichtigt wird dies auch in 3 mithilfe der Koeffizienten α und β. Die Koeffizienten α und β skalieren die Weiten W und die Längen L der Transistoren. Für den Eingangsstufentransistor M1 gilt beispielhaft das Verhältnis α·Wn/Ln. Für den Eingangsstufentransistor M2 gilt beispielhaft das Verhältnis α·Wn/Ln. Für den Eingangsstufentransistor M3 gilt beispielhaft das Verhältnis α·Wp/Lp. Für den Eingangsstufentransistor M4 gilt beispielhaft das Verhältnis α·Wp/Lp. Für den Pegelschiebertransistor M5 gilt beispielhaft das Verhältnis (β·Wn/ β·Ln). Für den Pegelschiebertransistor M6 gilt beispielhaft das Verhältnis (β·Wp/ β·Lp). Für den Pegelschiebertransistor M7 gilt beispielhaft das Verhältnis (ß·Wn/ β·Ln). Für den Pegelschiebertransistor M8 gilt beispielhaft das Verhältnis (β·Wp/ β·Lp).The level shift transistors can advantageously each have a larger area than the respectively assigned input stage transistors. More specifically, the level shift transistors M 6 until M 8 the level shifter have a larger area than the input stage transistors in favor of better matching and thus also in favor of a low offset M 1 until M 4 the entrance level. The ratio of the width W to the length L of the level shift transistors can be different from that of the input stage transistors. This is also taken into account in 3 using the coefficients α and β. The coefficients α and β scale the widths W and the lengths L of the transistors. For the input stage transistor M 1 For example, the ratio α · W n / L n applies. For the input stage transistor M 2 For example, the ratio α · W n / L n applies. For the input stage transistor M 3 For example, the ratio α · W p / L p applies. For the input stage transistor M 4 For example, the ratio α · W p / L p applies. For the level shifter transistor M 5 For example, the ratio (β · W n / β · L n ) applies. For the level shifter transistor M 6 For example, the ratio (β · W p / β · L p ) applies. For the level shifter transistor M 7 For example, the ratio (ß · W n / β · L n ) applies. For the level shifter transistor M 8 For example, the ratio (β · W p / β · L p ) applies.

Für die Eingangsstufentransistoren der Eingangsstufe ergeben sich, wie an der Schaltung in 3 mit Pfeilen veranschaulicht, die Maschengleichungen Δ U = U P U N = U GS1 + U SG4 U GS5 U SG6

Figure DE102018209052B4_0007
und Δ U = U P U N = U GS 7 + U SG8 U GS2 U SG3 .
Figure DE102018209052B4_0008
Für ΔU = 0V gelten U GS1 = U SG2 = U GS5 = U SG7 = U GSn
Figure DE102018209052B4_0009
beziehungsweise U GS3 = U SG4 = U GS6 = U SG8 = U SGp .
Figure DE102018209052B4_0010
For the input stage transistors of the input stage, as in the circuit in FIG 3 illustrated with arrows, the mesh equations Δ U = U P. - U N = U GS1 + U SG4 - U GS5 - U SG6
Figure DE102018209052B4_0007
and Δ U = U P. - U N = U GS 7th + U SG8 - U GS2 - U SG3 .
Figure DE102018209052B4_0008
For ΔU = 0V apply U GS1 = U SG2 = U GS5 = U SG7 = U GSn
Figure DE102018209052B4_0009
respectively U GS3 = U SG4 = U GS6 = U SG8 = U SGp .
Figure DE102018209052B4_0010

Es ergeben sich für die vom Strom IB durchflossenen N-Kanal-Pegelschiebertransistoren M5 und M7 beziehungsweise P-Kanal-Pegelschiebertransistoren M6 und M8 I B = I DS0n × ( W n / L n ) × exp [ ( U GSn U thn ) / ( nkT / q ) ]

Figure DE102018209052B4_0011
beziehungsweise (3) I B = I SD0p × ( W p / L p ) × exp [ ( U GSp U thp ) / ( nkT / q ) ] .
Figure DE102018209052B4_0012
This results for the N-channel level shifter transistors through which the current I B flows M 5 and M 7 or P-channel level shifter transistors M 6 and M 8 I. B. = I. DS0n × ( W. n / L. n ) × exp [ ( U GSn - U thn ) / ( nkT / q ) ]
Figure DE102018209052B4_0011
respectively (3) I. B. = I. SD0p × ( W. p / L. p ) × exp [ ( U GSp - U thp ) / ( nkT / q ) ] .
Figure DE102018209052B4_0012

Für die von Strom I1 durchflossenen Eingangstransistoren M1 und M4 teilt sich die Differenzeingangsspannung ΔU auf in eine zusätzliche Gate-Source-Spannung ΔUGSn und eine zusätzliche Source-Gate-Spannung ΔUSGp mit Δ U = Δ U GSn + Δ U SGp ,

Figure DE102018209052B4_0013
sodass sich die Gate-Source- beziehungsweise die Source-Gate-Spannung dieser Transistoren zu UGS1 = UGSN + ΔUGSn beziehungsweise USG4 = USGp + ΔUSGp ergeben. Es gilt: I 1 = I DS0n × ( α W n / L n ) × exp [ ( U GSn U thn + Δ U GSn ) / ( nkT / q ) ]
Figure DE102018209052B4_0014
beziehungsweise (6) I 1 = I DS0p × ( α W p / L p ) × exp [ ( U GSp U thp + Δ U SGp ) / ( nkT / q ) ] .
Figure DE102018209052B4_0015
For the input transistors through which current I 1 flows M 1 and M 4 the differential input voltage ΔU is divided into an additional gate-source voltage ΔU GSn and an additional source-gate voltage Δ USGp Δ U = Δ U GSn + Δ U SGp ,
Figure DE102018209052B4_0013
so that the gate-source or source-gate voltage of these transistors results in U GS1 = U GSN + ΔU GSn or U SG4 = U SGp + Δ USGp . The following applies: I. 1 = I. DS0n × ( α W. n / L. n ) × exp [ ( U GSn - U thn + Δ U GSn ) / ( nkT / q ) ]
Figure DE102018209052B4_0014
respectively (6) I. 1 = I. DS0p × ( α W. p / L. p ) × exp [ ( U GSp - U thp + Δ U SGp ) / ( nkT / q ) ] .
Figure DE102018209052B4_0015

Auflösen von (6) und (7) nach ΔUGSn beziehungsweise ΔUSGp und einsetzen in (5) ergibt Δ U = ( nkT/q ) × In { I 1 / [ I DS0n × ( α W n /L n ) ] } ( U GSn U thn ) + ( nkT/q ) × In { I 1 / [ I SD0p × ( α W p /L p ) ] } ( U GSp U thp )

Figure DE102018209052B4_0016
Solving (6) and (7) for Δ UGSn or Δ USGp and inserting into (5) gives Δ U = ( nkT / q ) × In { I. 1 / [ I. DS0n × ( α W. n / L n ) ] } - ( U GSn - U thn ) + ( nkT / q ) × In { I. 1 / [ I. SD0p × ( α W. p / L p ) ] } - ( U GSp - U thp )
Figure DE102018209052B4_0016

Auflösen von (8) nach I1 ergibt mithilfe von (3) und (4) I 1 = α × I B × exp [ Δ U / ( 2nkT/q ) ] .

Figure DE102018209052B4_0017
Solving (8) for I 1 yields with the help of (3) and (4) I. 1 = α × I. B. × exp [ Δ U / ( 2nkT / q ) ] .
Figure DE102018209052B4_0017

Analog erhält man für die von Strom I2 durchflossenen Eingangstransistoren M2 und M3 I 2 = α × I B × exp [ Δ U / ( 2nkT/q ) ]

Figure DE102018209052B4_0018
Analogously, one obtains for the input transistors through which current I 2 flows M 2 and M 3 I. 2 = α × I. B. × exp [ - Δ U / ( 2nkT / q ) ]
Figure DE102018209052B4_0018

Die Ströme I1 und I2 werden im Ausführungsbeispiel der Erfindung nach 3 über die als Schalter arbeitenden NMOS-Transistoren M16 bis M19 und den Stromspiegel aus M20 und M21 auf den Knoten K1 geführt. Mithilfe des Koeffizienten δ (siehe auch 3) mit δ > 1 (zum Beispiel δ = 1.1 oder δ = 1.2) wird für die Eingangsstufe der Komparatorschaltung 1 eine Hysterese realisiert. Zu diesem Zweck weist in diesem Ausführungsbeispiel der Stromspiegeltransistor M21 des Stromspiegels, der aus den Stromspiegeltransistoren M20 und M21 besteht, eine etwas größere Weite als der Referenztransistor M20 auf. Für den Stromspiegeltransistor M20 gilt das Verhältnis Breite zu Länge Ws/Ls. Für den Stromspiegeltransistor M21 gilt das Verhältnis Breite zu Länge δ · WS/LS. Das führt dazu, dass der Ausgang A der erfindungsgemäßen Ausführungsform der Komparatorschaltung 1 erst bei einer Eingangsspannung von UP > UN + Uhys mit Uhys > 0 von LOW auf HIGH und erst bei einer Eingangsspannung von UP < UN - Uhys von HIGH auf LOW wechselt. Die Spannung Uhys liegt abhängig vom Koeffizienten δ im Bereich einiger 1 bis 10 mV.The currents I 1 and I 2 are in the embodiment of the invention 3 via the NMOS transistors working as switches M 16 until M 19 and the current mirror off M 20 and M 21 on the knot K1 guided. With the help of the coefficient δ (see also 3 ) with δ> 1 (for example δ = 1.1 or δ = 1.2) is used for the input stage of the comparator circuit 1 realized a hysteresis. For this purpose, in this exemplary embodiment, the current mirror transistor M 21 the current mirror from the current mirror transistors M 20 and M 21 exists, a slightly larger width than the reference transistor M 20 on. For the current mirror transistor M 20 the ratio width to length Ws / Ls applies. For the current mirror transistor M 21 the ratio width to length δ · W S / L S applies. This leads to the output A of the embodiment according to the invention of the comparator circuit 1 only with an input voltage of U P > U N + U hys with U hys > 0 from LOW to HIGH and only with an input voltage of U P <U N - U hys changes from HIGH to LOW. The voltage U hys is in the range of a few 1 to 10 mV, depending on the coefficient δ.

Im Folgenden werden negierte digitale Signale mit einem vorangestellten Schrägstrich gekennzeichnet. In den Figuren, insbesondere in 3, werden die negierten digitalen Signale hingegen durch eine Überstreichung gekennzeichnet.In the following, negated digital signals are marked with a preceding slash. In the figures, especially in 3 , on the other hand, the negated digital signals are marked by an overline.

Beispielsweise ist das negierte digitale Signal des weiter unten beschriebenen digitalen Signals Z das digitale Signal /Z. Wenn Z = HIGH beziehungsweise Z = LOW ist, ist /Z = LOW beziehungsweise /Z = HIGH. Mutatis mutandis gilt gleiches für die digitalen Signale Q und S.For example, the negated digital signal of the digital signal Z described below is the digital signal / Z. If Z = HIGH or Z = LOW, / Z = LOW or / Z = HIGH. Mutatis mutandis, the same applies to the digital signals Q and S.

Das Gate von M14 ist mit Q elektrisch verbunden. Das Gate von M15 ist mit /Q elektrisch verbunden. Die Gates von M16 und M19 sind jeweils mit /Z elektrisch verbunden. Die Gates von M17 und M18 sind jeweils mit Z elektrisch verbunden. Das Gate von M30 ist mit S elektrisch verbunden. Die Gates von M23 , M26 , M29 und M31 sind jeweils mit /S elektrisch verbunden. Ein Ausgang eines Schmitt-Triggers SMT1 ist mit S und /S elektrisch verbunden. Dem Ausgang des Schmitt-Triggers SMT1 und S ist ein Nicht-Gatter I1 zwischengeschaltet.The gate of M 14 is electrically connected to Q. The gate of M 15 is electrically connected to / Q. The gates of M 16 and M 19 are each electrically connected with / Z. The gates of M 17 and M 18 are each electrically connected to Z. The gate of M 30 is electrically connected to S. The gates of M 23 , M 26 , M 29 and M 31 are each electrically connected to / S. An output of a Schmitt trigger SMT 1 is electrically connected to S and / S. The output of the Schmitt trigger SMT 1 and S a non-gate I 1 is interposed.

Ist das digitale Signal Z = LOW (beziehungsweise /Z = HIGH), sind die Schalter M16 und M19 geschlossen. Die Schalter M17 und M18 sind offen, der Strom I1 fließt über M19 zum Knoten K1 und der Strom δ × I2 fließt über den Stromspiegeltransistor M21 des Stromspiegels aus M20 und M21 vom Knoten K1 nach Masse. Dies wird durch den Strom I2 hervorgerufen, der über M16 durch den Referenztransistor M20 des Stromspiegels, der aus den Stromspiegeltransistoren M20 und M21 besteht, fließt. Der Knoten K1 wird dann für ΔU = UP - UN > Uhys von dem sich am Knoten K1 ergebenden Differenzstrom I1 - δ × I2 > 0 innerhalb der Zeit tpd.in nach oben gezogen, was in 5 veranschaulicht ist.If the digital signal Z = LOW (or / Z = HIGH), the switches are M 16 and M 19 closed. The switches M 17 and M 18 are open, the current I 1 overflows M 19 to the knot K1 and the current δ × I 2 flows through the current mirror transistor M 21 of the current mirror M 20 and M 21 from the knot K1 according to mass. This is caused by the current I 2 , which over M 16 through the reference transistor M 20 the current mirror from the current mirror transistors M 20 and M 21 exists, flows. The knot K1 is then for ΔU = U P - U N > U hys of the one at the node K1 resulting differential current I 1 - δ × I 2 > 0 is pulled up within the time t pd.in, which is shown in 5 is illustrated.

Ist das digitale Signal Z = HIGH (beziehungsweise /Z = LOW), sind die Schalter M17 und M18 geschlossen. Die Schalter M16 und M19 sind offen, der Strom I2 fließt über M18 zum Knoten K1 und der Strom δ × I1 fließt über den Stromspiegeltransistor M21 des Stromspiegels, der aus den Stromspiegeltransistoren M20 und M21 besteht, zum Knoten K1 nach Masse. Dies wird durch den Strom I1 hervorgerufen, der über M17 durch den Referenztransistor M20 des Stromspiegels, der aus den Stromspiegeltransistoren M20 und M21 besteht, fließt. Der Knoten K1 wird dann für ΔU = UP - UN < Uhys von dem sich am Knoten K1 ergebenden Differenzstrom I2 - δ × I1 > 0 innerhalb der Zeit tpd.in nach oben gezogen.If the digital signal Z = HIGH (or / Z = LOW), the switches are M 17 and M 18 closed. The switches M 16 and M 19 are open, the current I 2 overflows M 18 to the knot K1 and the current δ × I 1 flows through the current mirror transistor M 21 the current mirror from the current mirror transistors M 20 and M 21 exists, to the knot K1 according to mass. This is caused by the current I 1 , which is over M 17 through the reference transistor M 20 the current mirror from the current mirror transistors M 20 and M 21 exists, flows. The knot K1 is then for ΔU = U P - U N <U hys from the one at the node K1 resulting differential current I 2 - δ × I 1 > 0 within the time t pd.in pulled up.

Aus (9) und (10) und δ = 1, was bedeutet, dass keine Hysterese hervorgerufen wird, ergibt sich für den Differenzstrom Δ I = I 1 I 2 = α × I B × { exp [ Δ U/ ( 2nkT/q ) ] exp [ Δ U / ( 2nkT/q ) ] } .

Figure DE102018209052B4_0019
From (9) and (10) and δ = 1, which means that no hysteresis is caused, results for the differential current Δ I. = I. 1 - I. 2 = α × I. B. × { exp [ Δ U / ( 2nkT / q ) ] - exp [ - Δ U / ( 2nkT / q ) ] } .
Figure DE102018209052B4_0019

Mit (ex- e-x) / 2 = sinh(x) folgt aus (11) Δ I = I1 I2 = 2 α × IB × sinh [ Δ U/ ( 2nkT/q ) ] .

Figure DE102018209052B4_0020
With (e x - e -x ) / 2 = sinh (x) it follows from (11) Δ I. = I1 - I2 = 2 α × IB × sinh [ Δ U / ( 2nkT / q ) ] .
Figure DE102018209052B4_0020

Die Komparatorschaltung 1 ist also dafür eingerichtet, dass der Differenzstrom bei steigender Differenzeingangsspannung einer Sinus-Hyperbolicus-Funktion folgt.The comparator circuit 1 is set up so that the differential current follows a hyperbolic sine function with increasing differential input voltage.

4 zeigt den Verlauf des Differenzstromes ΔI normiert auf 2 × IB für eine klassische Eingangsstufe (gestrichelte Kurve) mit einem Differenzeingangspaar und die hier vorgeschlagene und im Ausführungsbeispiel aus 3 realisierten Eingangsstufe mit α=1 (durchgezogene Kurve) entsprechend den Gleichungen (1) beziehungsweise (12). Die hier erfindungsgemäß vorgeschlagene Eingangsstufe erzeugt bereits bei kleiner Eingangsspannungsdifferenz ΔU einen großen Differenzstrom ΔI. Die Komparatorschaltung 1 ist, wie in 4 veranschaulicht, dafür eingerichtet, dass der Differenzstrom bei einer steigenden Differenzeingangsspannung, also der Spannungsdifferenz zwischen der ersten Spannung und der zweiten Spannung, im Wesentlichen einen exponentiellen Verlauf aufweist. Somit wird ein Verfahren zum Vergleichen eines ersten Stroms und eines zweiten Stroms mittels einer Komparatorschaltung 1 ermöglicht, das Verfahren einen Schritt eines Erzeugens eines Differenzstroms in der Komparatorschaltung 1 umfasst, wobei der Differenzstrom bei einer steigenden Differenzeingangsspannung im Wesentlichen einen exponentiellen Verlauf aufweist. Der Differenzstrom ΔI der erfindungsgemäßen Komparatorschaltung 1 folgt dabei ersichtlich, wie bereits erwähnt, der Sinus-Hyperbolicus-Funktion. Der Differenzstrom ΔI der erfindungsgemäßen Komparatorschaltung folgt in dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel genauer gesagt der Gleichung ΔI = 2α × IB × sinh[ΔU / (2nkT/q)], wie in 4 veranschaulicht, also gemäß der oben hergeleiteten Gleichung (12). 4th shows the course of the differential current ΔI normalized to 2 × IB for a classic input stage (dashed curve) with a differential input pair and the one proposed here and in the exemplary embodiment 3 realized input stage with α = 1 (solid curve) according to equations (1) or (12). The input stage proposed here according to the invention generates a large differential current ΔI even with a small input voltage difference ΔU. The comparator circuit 1 is like in 4th illustrated, set up so that the differential current with an increasing differential input voltage, that is to say the voltage difference between the first voltage and the second voltage, has an essentially exponential profile. A method for comparing a first current and a second current by means of a comparator circuit is thus disclosed 1 enables the method to include a step of generating a differential current in the comparator circuit 1 comprises, wherein the differential current has an exponential curve with an increasing differential input voltage essentially. The differential current ΔI of the comparator circuit according to the invention 1 follows, as already mentioned, the hyperbolic sine function. The differential current ΔI of the comparator circuit according to the invention follows in the in 3 shown embodiment more precisely the equation ΔI = 2α × IB × sinh [ΔU / (2nkT / q)], as in 4th illustrated, that is, according to equation (12) derived above.

Weil der Strom I1 beziehungsweise I2, der entsprechend Gleichung (9) beziehungsweise (10) im Gegensatz zu einer klassischen Eingangsstufe, die aus dem Stand der Technik bekannt ist, ein Vielfaches von IB sein kann, wird nach dem Umschaltvorgang von den Stromquelle M11 beziehungsweise M12 auf den Wert α × γ × IB begrenzt. Dazu wird der als Schalter arbeitende PMOS-Transistor M14 beziehungsweise M15 mit Q = HIGH beziehungsweise /Q = HIGH geöffnet. So ist die Stromaufnahme der hier vorgeschlagenen Eingangsstufe bei gleichem Wert für den Strom IB und α = 1 mit der Stromaufnahme einer klassischen Eingangsstufe, die aus dem Stand der Technik bekannt ist, vergleichbar. Für die Koeffizienten γ und δ muss gelten: γ × δ > 1. In der Praxis haben sich Werte von γ × δ = 1,1 oder γ × δ = 1,2 bewährt. Größere Werte sind möglich, aber ohne Vorteil, denn es muss nur sichergestellt werden, dass für ΔU > Uhys beziehungsweise ΔU < Uhys die Ungleichung δ × I1 > I2 beziehungsweise δ × I2 > I1 nach dem Umschaltvorgang erfüllt bleiben und der Umladungsknoten von dem Stromspiegeltransistor M21 des Stromspiegels aus M20 und M21 unten gehalten werden kann, bis sich die Eingangsbedingungen zu ΔU < Uhys beziehungsweise ΔU > Uhys ändern.Because the current I 1 or I 2 , which corresponds to equation (9) or (10), in contrast to a classic input stage, which is known from the prior art, can be a multiple of I B , after the switching process from the current source M 11 or M 12 limited to the value α × γ × I B. The PMOS transistor, which works as a switch, is used for this purpose M 14 respectively M 15 opened with Q = HIGH or / Q = HIGH. The current consumption of the input stage proposed here is comparable with the current consumption of a classic input stage, which is known from the prior art, with the same value for the current I B and α = 1. The following must apply to the coefficients γ and δ: γ × δ> 1. In practice, values of γ × δ = 1.1 or γ × δ = 1.2 have proven effective. Larger values are possible, but without advantage, because it only has to be ensured that for ΔU> U hys or ΔU <U hys the inequality δ × I 1 > I 2 or δ × I 2 > I 1 remains true after the switching process and the charge transfer node from the current mirror transistor M 21 of the current mirror M 20 and M 21 can be held down until the input conditions change to ΔU <U hys or ΔU> U hys .

Die beispielhafte Komparatorschaltung aus 3 weist eine Verstärkerstufe auf. Die Verstärkerstufe ist der Eingangsstufe nachgeschaltet. Die Verstärkerstufe ist dafür eingerichtet, für einen Umladevorgang einen Umladestrom bereitzustellen, der größer ist, als ein durch die Verstärkerstufe benötigter Strom nach dem Umladevorgang. Für die nun folgende Betrachtung sei neben 3 auch auf das Timing-Diagramm in 5 verwiesen. In dem Timing-Diagramm in 5 sind die Signalverläufe der Spannungen UP , UN , U1 und U2 sowie die der Verläufe von digitalen Signalen S, Z und Q für einen Umschaltvorgang von ΔU = UP - UN < 0 hin zu ΔU = UP - UN > 0 und zurück zu ΔU = UP - UN < 0 unter Vernachlässigung des Offsets und ohne Hysterese dargestellt.The exemplary comparator circuit from 3 has an amplifier stage. The amplifier stage is connected downstream of the input stage. The amplifier stage is set up to provide a recharging current for a recharging process which is greater than a current required by the amplifier stage after the recharging process. For the consideration that now follows, let 3 also on the timing diagram in 5 referenced. In the timing diagram in 5 are the waveforms of the voltages U P , U N , U 1 and U 2 as well as the curves of digital signals S, Z and Q for a switching process from ΔU = U P - U N <0 to ΔU = U P - U N > 0 and back to ΔU = U P - U N <0, neglecting them of the offset and without hysteresis.

Wie in 3 gezeigt ist, ist ein Knoten K1 mit einem Gate eines Verstärkerstufentransistors M22 der nachfolgenden Verstärkerstufe elektrisch verbunden. Zu Beginn dieser Betrachtung sei ein digitales Signal S = LOW (beziehungsweise /S = HIGH), sodass der Source-Anschluß des Transistors M22 über den als Schalter arbeitenden Transistor M23 mit der negativen Betriebsspannung (Masse) verbunden ist. Ist die Spannung U1 am Knoten K1 größer als die Schwellspannung Uth des Transistors M22 und ist dadurch der Strom, den M22 abführen kann, größer als der Strom, den die Stromquelle M24 liefern kann, so zieht M22 den Knoten K2 nach unten.As in 3 shown is a knot K1 with a gate of an amplifier stage transistor M 22 electrically connected to the subsequent amplifier stage. At the beginning of this consideration, a digital signal S = LOW (or / S = HIGH), so that the source connection of the transistor M 22 via the transistor working as a switch M 23 is connected to the negative operating voltage (ground). Is the tension U 1 at the knot K1 greater than the threshold voltage U th of the transistor M 22 and is thereby the stream that M 22 can dissipate greater than the current that the power source M 24 can deliver, so pulls M 22 the knot K2 downward.

Sobald die Spannung U2 am Knoten K2 um die Schwellspannung von M25 kleiner als die positive Betriebsspannung UVDD ist, beginnt M25 ebenfalls, Strom zu führen. Weil S = LOW (beziehungsweise /S = HIGH) ist, ist auch der als Schalter arbeitende Transistor M26 geschlossen und der Source-Anschluss des Transistors M27 des Stromspiegels aus M27 und M28 ist mit Masse verbunden und zieht so mit dem gespiegelten Strom zusätzlich zu dem Transistor M22 den Knoten K2 nach unten. Je weiter der Knoten K2 auf diese Weise nach unten gezogen wird, desto größer wird der zusätzliche Strom, mit dem M25 den Knoten K2 über den Stromspiegel aus M27 und M28 weiter nach unten zieht. Es entsteht eine Mitkopplung, die den Knoten K2 lawinenartig in sehr kurzer Zeit, im Wesentlichen instantan, (tpd.amp, siehe 5) nach unten zieht, sobald die Spannung U1 am Knoten K1 größer als die Schwellspannung Uth des Transistors M22 ist.As soon as the tension U 2 at the knot K2 around the threshold voltage of M 25 less than the positive operating voltage U VDD is, begins M 25 also to carry electricity. Because S = LOW (or / S = HIGH), the transistor working as a switch is also M 26 closed and the source connection of the transistor M 27 of the current mirror M 27 and M 28 is connected to ground and thus draws with the mirrored current in addition to the transistor M 22 the knot K2 downward. The wider the knot K2 pulled down in this way, the greater the additional current with which M 25 the knot K2 via the current mirror M 27 and M 28 pulls further down. There is a positive feedback that creates the knot K2 like an avalanche in a very short time, essentially instantaneously, (t pd.amp , see 5 ) pulls down as soon as the tension U 1 at the knot K1 greater than the threshold voltage U th of the transistor M 22 is.

Die Komparatorschaltung 1, genauer gesagt, deren Verstärkerstufe, ist also dafür eingerichtet, den Knoten K2 der Komparatorschaltung 1 im Wesentlichen instantan zu einer negativen Betriebsspannung hin umzuladen, sobald eine Spannung am Knoten K2 um die Schwellspannung des Transistors M25 der Komparatorschaltung 1 kleiner als eine positive Betriebsspannung ist. Außerdem ist die Komparatorschaltung 1 dafür eingerichtet, eine Mitkopplung zu erzeugen, die die Umladung des Knotens K2 verstärkt, sobald eine weitere Spannung an dem weiteren Knoten K1 der Komparatorschaltung 1 größer als die weitere Schwellspannung des weiteren Transistors M22 der Komparatorschaltung 1 ist.The comparator circuit 1 , more precisely, its amplifier stage, is set up for the node K2 the comparator circuit 1 essentially instantaneously reloading to a negative operating voltage as soon as a voltage at the node K2 around the threshold voltage of the transistor M 25 the comparator circuit 1 is less than a positive operating voltage. Also is the comparator circuit 1 set up to generate a positive feedback that reloads the node K2 amplified as soon as there is further tension on the further node K1 the comparator circuit 1 greater than the further threshold voltage of the further transistor M 22 the comparator circuit 1 is.

Die Stromquelle M24 ist im Ausführungsbeispiel so dimensioniert, dass sie maximal den Strom IB liefern kann. In anderen Ausführungsbeispielen, die nicht gezeigt sind, ist die Stromquelle M24 so dimensioniert, dass sie nur einen Bruchteil des Stroms IB liefern kann. Sie kann sehr schwach ausgelegt werden, da sie den Knoten K2 niemals zur positiven Betriebsspannung hin umladen muss, sondern lediglich dafür benötigt wird, den Knoten K2 „sanft“ oben zu halten.The power source M 24 is dimensioned in the exemplary embodiment so that it can deliver a maximum of the current I B. In other embodiments that are not shown, the power source is M 24 dimensioned so that it can only deliver a fraction of the current I B. It can be interpreted very weakly because it is the knot K2 never has to reload to the positive operating voltage, but only required for this, the node K2 To hold up "gently".

Der Knoten K2 ist mit dem Eingang des Schmitt-Triggers SMT1 verbunden. Sobald die Spannung U2 am Knoten K2 die untere Schaltschwelle des Schmitt-Triggers USMT.L unterschreitet, schaltet der Ausgang des Schmitt-Triggers SMT1 mit einer kleinen Verzögerung (tpd.smt.hl) von einem HIGH- auf einen LOW-Pegel um. Entsprechend wird das digitale Signal S = HIGH (beziehungsweise /S = LOW). Die Komparatorschaltung 1 ist so eingerichtet, dass infolgedessen die Schalter M23 und M26 geöffnet werden. So können M22 und M27 den Knoten K2 nicht mehr auf Masse ziehen und der Knoten K2 wird über den als Schalter arbeitenden Transistor M29 sehr schnell zur positiven Betriebsspannung UVDD gezogen. Zusätzlich wird über den Schalter M30 der Eingangsstufe der Umladungsknoten auf Masse gezogen. Außerdem wird das Gate des Stromspiegels aus M20 und M21 über den Schalter M31 zur positiven Betriebsspannung UVDD gezogen. Sobald die Spannung U2 am Knoten K2 nun die obere Schaltschwelle USMT.H des Schmitt-Triggers überschreitet (tdc, siehe 5), schaltet sein Ausgang mit einer kleinen Verzögerung (tpd.smt.lh) wieder von einem LOW- auf einen HIGH-Pegel um. Entsprechend wird das digitale Signal S = LOW (/S = HIGH) und die Verstärkerstufe befindet sich wieder am Ausgangspunkt der Betrachtung.The knot K2 is with the input of the Schmitt trigger SMT 1 tied together. As soon as the tension U 2 at the knot K2 the lower switching threshold of the Schmitt trigger U SMT.L the output of the Schmitt trigger switches SMT 1 with a small delay (t pd.smt.hl) from a HIGH to a LOW level. Accordingly, the digital signal S = HIGH (or / S = LOW). The comparator circuit 1 is set up so that, as a result, the switches M 23 and M 26 be opened. So can M 22 and M 27 the knot K2 no longer pull on ground and the knot K2 is via the transistor working as a switch M 29 very quickly to the positive operating voltage U VDD drawn. In addition, the switch M 30 the Input stage of the transhipment node pulled to ground. Also, the gate of the current mirror will turn off M 20 and M 21 over the switch M 31 to the positive operating voltage U VDD drawn. As soon as the tension U 2 at the knot K2 now the upper switching threshold U SMT.H of the Schmitt trigger exceeds (t dc , see 5 ), its output switches back from a LOW to a HIGH level with a short delay (t pd.smt.lh). Accordingly, the digital signal S = LOW (/ S = HIGH) and the amplifier stage is again at the starting point of the observation.

Ein Vorteil der hier vorgeschlagenen Verstärkerstufe ist, dass der Knoten K1 im Gegensatz zu der Verstärkerstufe der Komparatorschaltung 1 mit einer Architektur analog zu einem Miller-OTA aus 2 sowohl für einen Umschaltvorgang von einem LOW- auf einen HIGH-Pegel als auch für einen Umschaltvorgang von einem HIGH- auf einen LOW-Pegel des Komparatorausgangs A nur um eine Schwellspannung Uth umgeladen werden muss. Dabei kann die Stromquelle (im Ausführungsbeispiel aus 3 Transistor M24 ) ohne Nachteil sehr schwach ausgelegt sein, während sich die Stromquelle der klassischen Architektur (Transistor M5 in 2) bei zu schwacher Auslegung nachteilig auf die Umschaltzeit und bei zu starker Auslegung nachteilig auf die Stromaufnahme der Komparatorschaltung 1 auswirkt, wie voranstehend erläutert.One advantage of the amplifier stage proposed here is that the node K1 in contrast to the amplifier stage of the comparator circuit 1 with an architecture analogous to a Miller OTA 2 both for a switchover process from a LOW to a HIGH level and for a switchover process from a HIGH to a LOW level of the comparator output A by only one threshold voltage U th must be reloaded. The power source (in the exemplary embodiment from 3 transistor M 24 ) can be designed very weakly without disadvantage, while the current source of the classical architecture (transistor M 5 in 2 ) if the design is too weak, this is disadvantageous for the switching time and if the design is too strong, it is disadvantageous for the power consumption of the comparator circuit 1 as explained above.

Ein weiterer Vorteil der hier vorgeschlagenen Verstärkerstufe ist, dass die Verstärkerstufe so eingerichtet ist, dass der Knoten K2 aufgrund des oben beschriebenen lawinenartigen Effektes im Wesentlichen vollständig und im Wesentlichen schlagartig zur negativen Betriebsspannung hin entladen wird, sobald die Spannung U2 am Knoten K2 einmal um die Schwellspannung von M25 kleiner als die positive Betriebsspannung UVDD ist. Somit kann nahe dem Umschaltpunkt, der als UP - UN ≈ ±Uhys definiert ist, in dem Schmitt-Trigger SMT1 , der dem Knoten K2 nachgeschaltet ist, kein statischer Querstrom fließen, wie es beim symmetrischen Komparator nach 1 beziehungsweise der Architektur analog zu einem Miller-OTA entsprechend 2 der Fall ist.Another advantage of the amplifier stage proposed here is that the amplifier stage is set up so that the node K2 due to the avalanche-like effect described above, it is essentially completely and essentially suddenly discharged to the negative operating voltage as soon as the voltage is reached U 2 at the knot K2 once by the threshold voltage of M 25 less than the positive operating voltage U VDD is. Thus, near the switching point, which is defined as U P - U N ≈ ± U hys , in the Schmitt trigger SMT 1 that the knot K2 is connected downstream, no static cross current flow, as is the case with the symmetrical comparator 1 or the architecture analogous to a Miller OTA accordingly 2 the case is.

Die Umschaltzeit der hier vorgeschlagenen Komparatorschaltung 1 ergibt sich daher im Wesentlichen aus der Zeit, die erforderlich ist, die parasitäre Kapazität Cpar am Knoten K1, die sich aus den Transistorkapazitäten zusammensetzt, auf die Schwellspannung Uth von M22 umzuladen: t pd C par × U th / { 2 α × I B × sinh [ Δ U/ ( 2nkT/q ) ] } .

Figure DE102018209052B4_0021
The switching time of the comparator circuit proposed here 1 The parasitic capacitance Cpar at the node therefore essentially results from the time that is required K1 , which is composed of the transistor capacitances, to the threshold voltage U th from M 22 reload: t pd C. par × U th / { 2 α × I. B. × sinh [ Δ U / ( 2nkT / q ) ] } .
Figure DE102018209052B4_0021

Zur parasitären Kapazität Cpar liefern insbesondere die Drain-Bulk- und die Drain-Gate-Kapazitäten der Transistoren M3 beziehungsweise M4 und M21 einen Beitrag. Die Miller-Kapazität von M22 , die Gate-Source-Kapazität von M22 und die Kapazitäten der Schalter M18 , M19 und M30 sind vergleichsweise klein, da diese Transistoren minimale Abmessungen aufweisen können.In particular, the drain-bulk and drain-gate capacitances of the transistors provide the parasitic capacitance Cpar M 3 respectively M 4 and M 21 a contribution. The Miller capacity of M 22 , the gate-source capacitance of M 22 and the capacities of the switches M 18 , M 19 and M 30 are comparatively small, since these transistors can have minimal dimensions.

Vorzugsweise sind durch die beispielhafte Komparatorschaltung 1 aus 3 Umschaltzeiten kleiner als 100 ns, besonders vorzugsweise kleiner als 70 ns realisierbar. Eine bevorzugt erreichbare Umschaltzeit beträgt etwa 60 ns. Beispielsweise sind bei einer Gesamtstromaufnahme der erfindungsgemäßen Komparatorschaltung 1 von ca. 1 µA (IB = 250 nA), einer Offsetspannung von ca. 3 mV (1-σ) und ΔU ≈ 3 × nkT/q ≈ 100 mV (bei Raumtemperatur) in der Simulation Umschaltzeiten von ca. 60 ns realisierbar. Bei höherem Versorgungsstrom sind kürzere Umschaltzeiten möglich. Bei gleichem Versorgungsstrom und gleichem Offset ist, wie oben beschrieben, vergleichsweise eine um etwa eine Größenordnung geringere Umschaltzeit als beim symmetrischen Komparator möglich.Preferably by the exemplary comparator circuit 1 the end 3 Switching times of less than 100 ns, particularly preferably less than 70 ns, can be implemented. A switching time that can preferably be achieved is approximately 60 ns. For example, with a total current consumption of the comparator circuit according to the invention 1 of approx. 1 µA (IB = 250 nA), an offset voltage of approx. 3 mV (1-σ) and ΔU ≈ 3 × nkT / q ≈ 100 mV (at room temperature), switching times of approx. 60 ns can be achieved in the simulation. With a higher supply current, shorter switching times are possible. With the same supply current and the same offset, as described above, a switching time that is approximately one order of magnitude shorter is possible than with the symmetrical comparator.

Im Folgenden wird ein solcher Umschaltvorgang der Komparatorschaltung 1 genauer beschrieben. Die Komparatorschaltung 1 weist mehrere Flip-Flops auf, die dafür eingerichtet sind, Signale zur Ansteuerung der Eingangsstufe zu generieren und Signale zu generieren, aus denen ein Ausgangssignal der Komparatorschaltung 1 ableitbar ist. Die Ausführungsform aus 3 sieht zwei solcher Flip-Flops FF1, FF2 vor. Die Signale Z und /Z, die die Schalter M16 - M19 der Eingangsstufe ansteuern, sowie die Signale Q und /Q, aus denen das Ausgangssignal A der Komparatorschaltung 1 abgeleitet wird, werden in der Ausführungsform gemäß 3 von einem ersten Flip-Flop FF1 und einem zweiten Flip-Flop FF2 generiert, die in 6 schematisch dargestellt sind, um die Signale zur Ansteuerung der Eingangsstufe zu generieren und um die Signale zu generieren, aus denen ein Ausgangssignal der Komparatorschaltung ableitbar ist. Der erste Flip-Flop FF1 und der zweite Flip-Flop FF2 sind jeweils als RS-Flip-Flop ausgeführt. In 6 ist zudem ein Buffer B1 gezeigt. Der Buffer B1 ist dem zweiten Flip-Flop FF2 und dem Ausgang A der Komparatorschaltung 1 zwischengeschaltet. In 6 gilt immer A = Q. Da A der Ausgang des Komparators ist und die Lastkapazität, die den Ausgang A belastet, in der Regel unbekannt ist, trennt der Buffer B1 , auch Puffer genannt, das interne Signal Q von dem kapazitiv belasteten Ausgang A, sodass eine Lastkapazität am Ausgang A der Komparatorschaltung 1 keinen Einfluss auf das interne Signal Q haben kann.Such a switching operation of the comparator circuit is described below 1 described in more detail. The comparator circuit 1 has several flip-flops which are set up to generate signals for controlling the input stage and to generate signals from which an output signal of the comparator circuit 1 can be derived. The embodiment from 3 sees two such flip-flops FF1 , FF2 before. The signals Z and / Z that the switches M 16 - M 19 control the input stage, as well as the signals Q and / Q, from which the output signal A of the comparator circuit 1 are derived in the embodiment according to 3 from a first flip-flop FF1 and a second flip-flop FF2 generated in 6th are shown schematically in order to generate the signals for controlling the input stage and in order to generate the signals from which an output signal of the comparator circuit can be derived. The first flip-flop FF1 and the second flip-flop FF2 are each designed as an RS flip-flop. In 6th is also a buffer B 1 shown. The buffer B 1 is the second flip-flop FF2 and the output A of the comparator circuit 1 interposed. In 6th A = Q always applies. Since A is the output of the comparator and the load capacity that loads output A is usually unknown, the buffer is disconnected B 1 , also called buffer, the internal signal Q from the capacitively loaded output A, so that a load capacitance at the output A of the comparator circuit 1 cannot have any influence on the internal Q signal.

Den Aufbau des RS-Flip-Flops, der in der Komparatorschaltung nach 3 beispielhaft vorgesehen ist, zeigt 7.The structure of the RS flip-flop, which is shown in the comparator circuit according to 3 is provided by way of example, shows 7th .

Ein Set-Eingang S des ersten Flip-Flops FF1 ist mit dem digitalen Signal /Q verbunden. Ein Reset-Eingang R des ersten Flip-Flops FF1 ist mit dem digitalen Signal Q verbunden. Ein Clock-Eingang C des ersten Flip-Flops FF1 ist mit dem digitalen Signal S verbunden. Ein Ausgang Q des ersten Flip-Flops FF1 generiert das digitale Signal Z. Ein Ausgang /Q des ersten Flip-Flops FF1 generiert das digitale Signal /Z. Während S = HIGH (beziehungsweise /S = LOW) führt Q = LOW beziehungsweise Q = HIGH zu Z = HIGH beziehungsweise Z = LOW.A set input S of the first flip-flop FF1 is connected to the digital signal / Q. A reset input R of the first flip-flop FF1 is connected to the digital signal Q. A clock input C of the first flip-flop FF1 is connected to the digital signal S. An output Q of the first flip-flop FF1 generates the digital signal Z. An output / Q of the first flip-flop FF1 generates the digital signal / Z. While S = HIGH (or / S = LOW), Q = LOW or Q = HIGH leads to Z = HIGH or Z = LOW.

Ein Set-Eingang S des zweiten Flip-Flops FF2 ist mit dem digitalen Signal Z verbunden. Ein Reset-Eingang R des zweiten Flip-Flops FF2 ist mit dem digitalen Signal /Z verbunden. Ein Clock-Eingang C des zweiten Flip-Flops FF2 ist mit dem digitalen Signal /S verbunden. Ein Ausgang Q des zweiten Flip-Flops FF2 generiert das digitale Signal Q. Ein Ausgang /Q des zweiten Flip-Flops generiert das digitale Signal /Q. Während S = LOW (beziehungsweise /S = HIGH) führt Z = HIGH zu Q = HIGH. Während S = LOW (beziehungsweise /S = HIGH) führt Z = LOW zu Q = LOW. Dem Ausgang Q des zweiten Flip-Flops FF2 und dem Ausgang A der Komparatorschaltung 1 ist der Buffer B1 zwischengeschaltet, wie in 6 gezeigt ist.A set input S of the second flip-flop FF2 is connected to the digital signal Z. A reset input R of the second flip-flop FF2 is connected to the digital signal / Z. A clock input C of the second flip-flop FF2 is connected to the digital signal / S. An output Q of the second flip-flop FF2 generates the digital signal Q. An output / Q of the second flip-flop generates the digital signal / Q. While S = LOW (or / S = HIGH), Z = HIGH leads to Q = HIGH. While S = LOW (or / S = HIGH), Z = LOW leads to Q = LOW. The output Q of the second flip-flop FF2 and the output A of the comparator circuit 1 is the buffer B1 interposed, as in 6th is shown.

7 veranschaulicht im Detail die interne logische Verschaltung des ersten Flip-Flops FF1 und des zweiten Flip-Flops FF2 des Ausführungsbeispiels der Erfindung. Es sind für jeden Flip-Flop FF1, FF2 vier NAND-Gatter vorgesehen, die taktpegelgesteuert sind, nämlich ein erstes NAND-Gatter X1, ein zweites NAND-Gatter X2 , ein drittes NAND-Gatter X3 und ein viertes NAND-Gatter X4 . Zwischen den Signal-Ausgang /Q und das dritte NAND-Gatter X3 ist ein erstes Nicht-Gatter X5 geschaltet. Zwischen den Signal-Ausgang Q und das NAND-Gatter X3 ist das erste Nicht-Gatter X5 und ein zweites Nicht-Gatter X6 geschaltet. Genauer gesagt, ist der Set-Eingang S mit einem A-Eingang des ersten NAND-Gatters X1 verbunden. Der Reset-Eingang R ist mit einem B-Eingang des zweiten NAND-Gatters X2 verbunden. Der Clock-Eingang C ist sowohl mit einem B-Eingang des ersten NAND-Gatters X1 als auch mit einem A-Eingang des zweiten NAND-Gatters X2 verbunden. Ein Y-Ausgang des ersten NAND-Gatters X1 ist mit einem A-Eingang des dritten NAND-Gatters X3 verbunden. Ein Y-Ausgang des zweiten NAND-Gatters X2 ist mit einem B-Eingang des vierten NAND-Gatters X4 verbunden. Ein Y-Ausgang des vierten NAND-Gatters X4 ist mit einem B-Eingang des dritten NAND-Gatters X3 verbunden. Ein Y-Ausgang des dritten NAND-Gatters X3 ist sowohl mit einem A-Eingang des ersten Nicht-Gatters X5 als auch mit einem A-Eingang des vierten NAND-Gatters X4 verbunden. Ein Y-Ausgang des ersten Nicht-Gatters X5 ist sowohl mit einem A-Eingang des zweiten Nicht-Gatters X6 als auch mit dem Ausgang /Q verbunden. Ein Y-Ausgang des zweiten Nicht-Gatters X6 ist mit dem Ausgang Q verbunden. 7th illustrates in detail the internal logic interconnection of the first flip-flop FF1 and the second flip-flop FF2 of the embodiment of the invention. There are for every flip-flop FF1 , FF2 four NAND gates are provided which are clock level controlled, namely a first NAND gate X 1, a second NAND gate X 2 , a third NAND gate X 3 and a fourth NAND gate X 4 . Between the signal output / Q and the third NAND gate X 3 is a first non-gate X 5 switched. Between the signal output Q and the NAND gate X 3 is the first non-gate X 5 and a second non-gate X 6 switched. More precisely, the set input S is connected to an A input of the first NAND gate X 1 tied together. The reset input R is connected to a B input of the second NAND gate X 2 tied together. The clock input C is connected to a B input of the first NAND gate X 1 as well as with an A input of the second NAND gate X 2 tied together. A Y output of the first NAND gate X 1 is connected to an A input of the third NAND gate X 3 tied together. A Y output of the second NAND gate X 2 is connected to a B input of the fourth NAND gate X 4 tied together. A Y output of the fourth NAND gate X 4 is with a B input of the third NAND gate X 3 tied together. A Y output of the third NAND gate X 3 is both with an A input of the first non-gate X 5 as well as with an A input of the fourth NAND gate X 4 tied together. A Y output of the first non-gate X 5 is both with an A input of the second non-gate X 6 as well as connected to the output / Q. A Y output of the second non-gate X 6 is connected to the Q output.

Es wird also voranstehend eine Komparatorschaltung 1 beschrieben, die eine Eingangsstufe für eine erste Spannung und für eine zweite Spannung aufweist und die zum Vergleichen der ersten Spannung und der zweiten Spannung eingerichtet ist, und die dafür eingerichtet ist, basierend auf der ersten Spannung und der zweiten Spannung einen Differenzstrom zu erzeugen, dessen Verlauf einer mathematischen Funktion folgt, wobei die Komparatorschaltung 1 dafür eingerichtet ist, dass der Differenzstrom bei einer steigenden Differenzeingangsspannung im Wesentlichen einen exponentiellen Verlauf aufweist.So it becomes a comparator circuit above 1 which has an input stage for a first voltage and for a second voltage and which is set up to compare the first voltage and the second voltage, and which is set up to generate a differential current based on the first voltage and the second voltage Course of a mathematical function follows, the comparator circuit 1 it is set up so that the differential current has an essentially exponential profile when the differential input voltage rises.

Weiter wird, wie voranstehend beschrieben, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung 2 vorgeschlagen, die eine solche Komparatorschaltung 1 aufweist.As described above, there is also an application-specific integrated circuit 2 proposed such a comparator circuit 1 having.

Weiter wird, wie voranstehend beschrieben, ein Verfahren zum Vergleichen eines ersten Stroms und eines zweiten Stroms mittels einer Komparatorschaltung 1 vorgeschlagen, wobei das Verfahren einen Schritt eines Erzeugens eines Differenzstroms in der Komparatorschaltung 1 umfasst und der Differenzstrom bei einer steigenden Differenzeingangsspannung im Wesentlichen einen exponentiellen Verlauf aufweist.As described above, there is also a method for comparing a first current and a second current by means of a comparator circuit 1 proposed, the method comprising a step of generating a differential current in the comparator circuit 1 and the differential current essentially has an exponential profile when the differential input voltage rises.

Claims (8)

Komparatorschaltung (1), die eine Eingangsstufe für eine erste Spannung und für eine zweite Spannung aufweist und die zum Vergleichen der ersten Spannung und der zweiten Spannung eingerichtet ist, und die dafür eingerichtet ist, basierend auf der ersten Spannung und der zweiten Spannung einen Differenzstrom zu erzeugen, dessen Verlauf einer mathematischen Funktion folgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Komparatorschaltung (1) dafür eingerichtet ist, dass der Differenzstrom bei einer steigenden Differenzeingangsspannung im Wesentlichen einen exponentiellen Verlauf aufweist, wobei die Eingangsstufe einen oder mehrere Eingangsstufentransistoren (M1-M4) aufweist, denen jeweils ein Pegelschieber, der einen oder mehrere Pegelschiebertransistoren (M5-M8) aufweist, vorgeschaltet ist und die Pegelschiebertransistoren (M5-M8) jeweils eine größere Fläche aufweisen als die jeweils zugeordneten Eingangsstufentransistoren (M1-M4), wobei in der Komparatorschaltung (1) ein Stromspiegel vorgesehen ist, der dafür eingerichtet ist, einen Stromfluss in dem einen oder den mehreren Pegelschiebern festzulegen und der Stromspiegel dafür eingerichtet ist, einen Stromfluss für die Eingangsstufe festzulegen und vorzugsweise für die Eingangsstufe eine Hysterese zu realisieren.Comparator circuit (1) which has an input stage for a first voltage and for a second voltage and which is configured to compare the first voltage and the second voltage and which is configured to apply a differential current based on the first voltage and the second voltage generate, the course of which follows a mathematical function, characterized in that the comparator circuit (1) is set up so that the differential current with an increasing Differential input voltage essentially has an exponential curve, the input stage having one or more input stage transistors (M 1 -M 4 ), each of which is preceded by a level shifter, which has one or more level shifter transistors (M 5 -M 8 ), and the level shifter transistors (M 5 -M 8 ) each have a larger area than the respectively assigned input stage transistors (M 1 -M 4 ), a current mirror being provided in the comparator circuit (1) which is set up to define a current flow in the one or more level shifters and the current mirror is set up to define a current flow for the input stage and preferably to implement a hysteresis for the input stage. Komparatorschaltung (1) nach Anspruch 1, wobei die Komparatorschaltung (1) dafür eingerichtet ist, dass der Differenzstrom bei steigender Differenzeingangsspannung einer Sinus-Hyperbolicus-Funktion folgt.Comparator circuit (1) according to Claim 1 , wherein the comparator circuit (1) is set up so that the differential current follows a hyperbolic sine function when the differential input voltage increases. Komparatorschaltung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Eingangsstufe eine Verstärkerstufe nachgeschaltet ist, die dafür eingerichtet ist, für einen Umladevorgang einen Umladestrom bereitzustellen, der größer ist als ein durch die Verstärkerstufe benötigter Strom nach dem Umladevorgang.Comparator circuit (1) according to one of the preceding claims, wherein the input stage is followed by an amplifier stage which is set up to provide a recharge current for a recharging process that is greater than a current required by the amplifier stage after the recharging process. Komparatorschaltung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Komparatorschaltung (1) dafür eingerichtet ist, einen Knoten (K2) der Komparatorschaltung (1) im Wesentlichen instantan zu einer negativen Betriebsspannung hin umzuladen, sobald eine Spannung am Knoten (K2) um die Schwellspannung eines Transistors (M25) der Komparatorschaltung (1) kleiner als eine positive Betriebsspannung ist.Comparator circuit (1) according to any one of the preceding claims, wherein the comparator circuit (1) is set up to reload a node (K2) of the comparator circuit (1) essentially instantaneously to a negative operating voltage as soon as a voltage at the node (K2) around the The threshold voltage of a transistor (M 25 ) of the comparator circuit (1) is less than a positive operating voltage. Komparatorschaltung (1) nach Anspruch 4, wobei die Komparatorschaltung (1) dafür eingerichtet ist, eine Mitkopplung zu erzeugen, die die Umladung des Knotens (K2) verstärkt, sobald eine weitere Spannung an einem weiteren Knoten (K1) der Komparatorschaltung (1) größer als eine weitere Schwellspannung eines weiteren Transistors (M22) der Komparatorschaltung (1) ist.Comparator circuit (1) according to Claim 4 , the comparator circuit (1) being set up to generate positive feedback that amplifies the charge reversal of the node (K2) as soon as a further voltage at a further node (K1) of the comparator circuit (1) is greater than a further threshold voltage of another transistor (M 22 ) of the comparator circuit (1). Komparatorschaltung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Komparatorschaltung (1) einen oder mehrere Flip-Flops (FF1, FF2) aufweist, die dafür eingerichtet sind, Signale zur Ansteuerung der Eingangsstufe zu generieren und/oder Signale zu generieren, aus denen ein Ausgangssignal der Komparatorschaltung (1) ableitbar ist.Comparator circuit (1) according to one of the preceding claims, wherein the comparator circuit (1) has one or more flip-flops (FF1, FF2) which are set up to generate signals for controlling the input stage and / or to generate signals from which an output signal of the comparator circuit (1) can be derived. Anwendungsspezifische integrierte Schaltung (2), die eine Komparatorschaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist.Application-specific integrated circuit (2) which has a comparator circuit (1) according to one of the Claims 1 until 6th having. Anwendungsspezifische integrierte Schaltung (2) nach Anspruch 7, wobei die Komparatorschaltung (1) als Unter- und/oder Überspannungs-Komparator im Standby-Betrieb der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (2) eingerichtet ist.Application-specific integrated circuit (2) according to Claim 7 , wherein the comparator circuit (1) is set up as an under- and / or over-voltage comparator in the standby mode of the application-specific integrated circuit (2).
DE102018209052.1A 2018-06-07 2018-06-07 Comparator circuit Active DE102018209052B4 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018209052.1A DE102018209052B4 (en) 2018-06-07 2018-06-07 Comparator circuit
PCT/EP2019/064513 WO2019234037A1 (en) 2018-06-07 2019-06-04 Comparator circuit

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018209052.1A DE102018209052B4 (en) 2018-06-07 2018-06-07 Comparator circuit

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102018209052A1 DE102018209052A1 (en) 2019-12-12
DE102018209052B4 true DE102018209052B4 (en) 2021-10-21

Family

ID=66810788

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102018209052.1A Active DE102018209052B4 (en) 2018-06-07 2018-06-07 Comparator circuit

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102018209052B4 (en)
WO (1) WO2019234037A1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6710654B2 (en) 2001-11-15 2004-03-23 Texas Instruments Incorporated Bipolar class AB folded cascode operational amplifier for high-speed applications
US20090140808A1 (en) 2007-11-29 2009-06-04 Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute Company Limited Gain control circuit

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6710654B2 (en) 2001-11-15 2004-03-23 Texas Instruments Incorporated Bipolar class AB folded cascode operational amplifier for high-speed applications
US20090140808A1 (en) 2007-11-29 2009-06-04 Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute Company Limited Gain control circuit

Also Published As

Publication number Publication date
WO2019234037A1 (en) 2019-12-12
DE102018209052A1 (en) 2019-12-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE19855602C2 (en) Buffer that uses a dynamic threshold voltage MOS transistor
DE3342336C2 (en) Interface circuit
DE60105932T2 (en) VOLTAGE-LIMITING PRELOAD CIRCUIT FOR REDUCING DEGRADATION EFFECTS IN MOS CASCODE CIRCUITS
DE60104826T2 (en) VOLTAGE-CONTROLLED RINGOSCILLATOR WITH HIGH NOISE REDUCTION
DE102004012239A1 (en) Circuit for transforming a signal in a differential mode into an unbalanced signal with reduced power consumption in the standby state
DE3740571A1 (en) CIRCUIT ARRANGEMENT FOR OPERATING RESET OF INTEGRATED LOGICAL CIRCUITS IN MOS TECHNOLOGY
DE102005005290A1 (en) Constant current source device with two depletion mode MOS transistors
DE19537203A1 (en) Sense amplifier
DE102019209071A1 (en) Voltage generator
DE19952698A1 (en) Sense amplifier
DE10005044B4 (en) High-speed current mirror circuit and method
DE2510604A1 (en) INTEGRATED DIGITAL CIRCUIT
DE102015002501B3 (en) Slew rate and inrush current controller
WO2005088837A1 (en) Pulse-generator circuit and circuit arrangement
DE102017205781A1 (en) Circuit and method for a level shifter without static current
DE102009047197B4 (en) Apparatus for providing a substantially constant current in response to a voltage variation
DE102018209052B4 (en) Comparator circuit
DE3323446A1 (en) INPUT SIGNAL LEVEL CONVERTER FOR A MOS DIGITAL CIRCUIT
DE2919569C2 (en) Inverter buffer circuit
DE2929383A1 (en) CIRCUIT FOR THE VOLTAGE LEVEL CONVERSION AND RELATED METHOD
DE2165162C3 (en) CMOS semiconductor arrangement as an exclusive NOR circuit
DE102017202091B4 (en) High precision voltage reference circuit and method therefor
EP0730214A2 (en) Current mirror in MOS technology with adjustable cascade stages
DE2413147C3 (en) Pulse shaper
DE3721221C2 (en) Low distortion distortion voltage amplifier circuit for resistive loads

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final