DE2944657C2

DE2944657C2 - Komparatorschaltung

Info

Publication number: DE2944657C2
Application number: DE19792944657
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr.-Ing. Fleischer; Hartmut 7410 Reutlingen Seiler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1979-11-06
Filing date: 1979-11-06
Publication date: 1985-02-14
Also published as: FR2468915A1; DE2944657A1; GB2062996A; JPS5675722A

Description

Komparatorschaltung zu Finden, die einen Stromkomparator mit interner Erzeugung einer Schalthysterese darstellt

Vorteile der Erfindung

Gelöst wird die Aufgabe durch die erfmdungsgemäße Komparatorschaltung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs. Sie hat den Vorteil, daß die zur Erzeugung der Hysterese benötigte Signalrückf 2hrung vollständig innerhalb der Komparatorschaltung liegt, so daß die Eingänge nicht berührt werden. Beide Eingänge bleiben daher hochohmig und frei beschaltbar. Die Komparatorschaltpunkte sind hier bestimmt durch einmalig konstruktiv festgelegte Differenzen zwischen Eingangs- und Referenzsignal und folgen dem Referenzsigna! im Abstand dieser festgelegten, konstanten Differenz. Dadurch ist der Betrieb mit variabler Referenz und die Unterdrückung von Gleichtaktspannungen möglich.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Komparatorschaltung möglich.

Besonders vorteilhaft ist die mit den wenigen benötigten Bauelementen erzielbare hohe Genauigkeit und die Unabhängigkeit von den Batteriespannungen, mit der sowohl die Größe des Hysteresebereiches als auch dessen Lage in Bezug zum Referenzsignal eingestellt werden können. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß die Auskopplung des Ausgangssignals so möglich ist, daß sie ohne Rückwirkung auf die Lage der Schaltpunkte bleibt. Weiterhin ist die erfindungsgemäße Komparatorschaltung besonders gut für eine monolithische Integration geeignet.

Zeichnung

Ausführungsbcispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

F i g. 1 bis 3 schaltungsmäßige Ausgestaltungen der Komparatorschaltung. In

F i g. 4 und 5 sind zusätzlich zwei schaltungsmäßige Ausgestaltungen einer Auskoppelschaltung dargestellt. F i g. 6 zeigt eine Ausführung in der alle Transistorfunktionen der Fig.5 durch die zu ihnen komplementären Transistorfunkticnen ersetzt sind.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

F i g. 1 zeigt in einem Stromkomparator das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Lösung. Die Komparatorschaltung umfaßt einen als Stromspiegel 1 geschalteten Differenzverstärker. Dabei ist die Basis eines Transistors 2 in Diodenschaltung mit dessen eigenem Kollektor und mit der Basis eines weiteren Transistors 3 verbunden. Dieser Knotenpunkt ist der Eingangsanschluß des Stromspiegels 1 und der Kollektor des Transistors 3 ist der Ausgangsanschluß des Stromspiegels 1. Die Emitter der Transistoren 2,3 sind beide direkt auf Masse 4 geschaltet, können aber auch zum Ausgleich restlicher Strom-Unsymmetrien über Symmetriewiderstände mit Masse 4 verbunden werden. Ein Schalter 5, der von der am Kollektor des Transistors 3 abgenommenen Ausgangsspannung U, gesteuert wird, ist mit der Basis der Transistoren 2, 3, dem Eingang des Stromspiegels 2 vprbunden. Weiterhin ist der Schalter an einen Stromgenerator 6 geschaltet, der einen Strom Ins erzeugt Dem Eingang des Stromspiegels 2 wird ein Eingangsstrom I_c und dem Ausgang des Stromspiegels 1 ein Referenzstrom Iref zugeführt. Weiterhin ist ein Stromgenerator 7 vorgesehen, der einen Strom Iho in den Eingang des Stromspiegels 1 einspeist

Die Wirkungsweise der Schaltung aus F i g. 1 ist folgende: Werden zunächst die Ströme Iho und Ins aus der Betrachtung herausgelassen, dann geht die Ausgangsspannung des aus den gleichartigen Transistoren 2, 3 bestehenden Stromspiegels 1 vom //-Zustand (High-Zustand, hohe Ausgangsspannung) in den L-Zustand (Low-Zustand, niedrige Ausgangsspannung) über, wenn der Eingangsstrom l_e die Größe des Referenzstromes I_Kr erreicht oder übersteigt. Wird über den von der Ausgangsspannung gesteuerten Schalter 5 der Strom Ihs in der Weise hinzugefügt, daß er auf den Eingang des Stromspiegels 1 gelangt, wenn die Ausgangsspannung im L-Zustand ist und der Strom Ins nicht auf Eingang des Stromspiegels gelangt, wenn die Ausgangsspannung im //-Zustand ist, so weist der Komparator eine Schalthysterese auf. Mit dem konstanten Strom Iho, der direkt auf den Eingang des Stromspiegels I gelangt, ist es möglich, die Lage des durch den Strom Ins hervorgerufenen Hysteresebereiches im Bezug zum Referenzsstrom zu verschieben. Der Ausgang des Komparators schaltet unter den angegebenen Bedingungen vom //-Zustand in den L-Zustand, wenn der Eingangsstrom auf den Wert der Differenz aus Referenzstrom und Strom Iho angestiegen ist und schaltet umgekehrt vom L-Zustand in dem //-Zustand, wenn der Eingangsstrom auf den Wert der Differenz aus dem Referenzstrom und der Summe von Iho und Ihs abgefallen ist. Beide Schaltpunkte verschieben sich also mit Iho nach Betrag und Richtung in gleicher Weise, während die Größe des Hysteresebereiches nur von Ihs abhängt.

In F i g. 2 ist eine schaltungsmäßige Ausgestaltung des Schalters 5 mit den oben beschriebenen Schaltfunktionen in Form eines emittergekoppelten Transistorpaares 8,9 dargestellt. 1st die Ausgangsspannung im L-Zustand, so übernimmt der Tranistor 8 den Strom Ihs und leitet ihn auf den Eingang des Stromspiegels 1. Ist die Ausgangsspannung im //-Zustand, so übernimmt der Transistor 9 den Strom //«und leitet ihn nach Masse 4 ab.

Fig. 3 zeigt eine schaltungsmäßige Ausgestaltung eines Spannungskomparators, in der gleichzeitig eine für integrierte Schaltungen vorteilhafte Ausführung für die verschiedenen benötigten Stromgeneratoren gezeigt ist. Dazu ist ein lateraler Transistor 12 vorgesehen, der aus jedem seiner Teilkollektoren einen zum Strom im Bezugs-Teilkollektor 17 proportionalen Strom konstruktiv einstellbarer Größe zur Verfugung stellt. Der Emitter des Transistors 12 ist mit der auf Batteriespannung liegenden Leitung 13 verbunden. Der Teilkollektor 14 des Transistors 12 liefert den Summenstrom /, für ein emittergekoppeltes Eingangstransistorpaar 10, 11 und ist mit den Emittern dieses Transistorpaares 10,11 verbunden. Der Kollektor des Transistors 10 ist mit dem Ausgang des Stromspiegels 1 und der Kollektor des Transistors 11 mit dem Eingang des Stromspiegels 1 verbunden. An der Basis des Transistors 11 liegt die Eingangsspannung, während an der Basis des Transistors 10 die Referenzspannung des Komparators liegt. De. Teilkollektor 15 des lateralen Transistors 12 ist mit den Emittern des emittergekoppelten Transistorspaares 8,9 verbunden. Die Kollektorströme des emittergekoppelten Eingangstransistorpaares 10, 11 entsprechen dem in F i g. 2 dargestellten Referenzstrom l,_cr und dem

Eingangsstrom /_t- Für die beiden Schaltpunkte gilt, daß die Ausgangsspannung des Komparator vom H-Zustand in den ^-Zustand übergeht, wenn die Eingangsspannung auf den Wert der Referenzspannung abgefallen ist und vom /.-Zustand in den Η-Zustand zurückgeht, wenn die Eingangsspannung wieder auf den Wert der Summe aus Referenzspannung und Hysteresespannung angestiegen ist. Die Hysteresespannung ist eine logarithmische Funktion des Stromquotienten I_q/I_Hs, welcher durch das Verhältnis der Randlängen der Teilkollektoren 14 und 15 des lateralen Transistors 12 unveränderlich festgelegt ist. Daher ist die Hysteresespannung unabhängig von der Batteriespannung. Der Hysteresebereich vom Betrage der Hysteresespannung liegt in dem Schaltungsbeispiel nach F i g. 3 einseitig oberhalb der Referenzspannung, kann aber entsprechend Fig. 1 durch Hinzufügen eines weiteren Stromes Iho, der aus einem weiteren, nicht dargestellten Teilkollektor des lateralen Transistors 12 gewonnen werden könnte, verschoben werden. Dabei wäre der Teilkollektor direkt mit dem Eingang des Stromspiegels zu verbinden. Die Verschiebung des Hysteresebereiches wäre ebenfalls unabhängig von der Batteriespannung.

Eine weitere Möglichkeit der Beeinflussung des Hysteresebereiches und seiner Lage im Bezug zur Referenzgröße besteht in der Stromdichtebeeinflussung in den Emittern der Transistoren 2 und 3 des Stromspiegels 1. Das geschieht in der Weise, daß die Transistoren 2,3 unterschiedliche Emitterflächen erhalten können.

Um für sehr kleine Hysteresespannungen die Randlänge des Teilkollektors 15 des lateralen Transistors 12 im Interesse der Schaltpunktgenauigkeit nicht zu klein machen zu müssen, werden die Kollektoren des emittergekoppelten Transistorpaares in Teilkollektoren unterteilt und nur ein Teilkollektor des Transistors 8 wird mit dem Eingang des Stromspiegels 1 verbunden, so daß nur der über diesen Teilkollektor fließende Teilstrom von Ins hystereseerzeugend wirkt. Alle weiteren Teilkollektoren des emittergekoppelten Transistorpaares 8,9 sind mit Masse 4 verbunden. Durch die bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele ist es möglich, besonders die Schaltpunkte bei kleinen Hysteresebereichen genau einzustellen. Größere Hysteresebereiche können über entsprechende Spannungsabfälle an Emitterwiderständen, die in die Emitterzweige des emittergekoppelten Eingangstransistorpaares 10,11 geschaltet werden können, erzeugt werden.

Da in dem beschriebenen Komparator immer ein Stromvergleich durchgeführt wird, reagiert ein solcher Komparator mit einer Verschiebung der Schaltpunkte, wenn beim Auskoppeln des Ausgangssignals am Kollektor des Transistors 3 des Stromspiegels 1 ein Strom entnommen wird. Deshalb sollte bei höheren Anforderungen an die Genauigkeit der Schaltpunkte der Auskoppelstrom am Kollektor des Transistors 3 so gering wie möglich sein. Dieses wird durch eine Auskoppelschaltung, wie sie in F i g. 4 dargestellt ist, gewährleistet Ein zusätzlich vorgesehener Auskoppel-Stromspiegel 23 mit den Transistoren 19,20 wird über einen Emitterfolger 21 angesteuert Der Kollektor des Emitterfolgers 21 ist an die Plusleitung 13 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors 20 des Auskoppel-Stromspiegels 23 ist mit einem weiteren Teilkollektor des lateralen Transistors 12 verbunden. Der Ausgangsspannungshub ist in diesem beschriebenen Ausführungsbeispiel nicht mehr auf etwa die Referenzspannung beschränkt sondern umfaßt den maximal möglichen Bereich in der Größe der Batteriespannung. Die Schaltung verhindert außerdem, daß der Transistor 10 des emittergekoppelten Eingangs-Transistorpaares in Sättigung gelien kann, verbessert also gleichzeitig die Eingangseigenschaften des Komparators an der Basis des Transistors 10. In einem vereinfachten Ausführungsbeispiel kann der als Eingangsdiode geschaltete Transistor 19 des Auskoppelstromspiegels 23 weggelassen werden, so daß die Auskoppelschaltung einen Darlington-Eingang aufweist.

Der laterale Transistor 12 weist in F i g. 4 einen weiteren Kollektor 18 auf, der mit dem Eingang des Stromspiegels 1 verbunden ist und den Strom /ho liefert.

In dem in F i g. 5 dargestellten Ausführungsbeispiei ist der Kollektor des Transistors 9 des emittergekoppelten Transistorpaares mit dem Eingang des Auskoppel-Stromspiegels 23 verbunden. Damit wird die Tatsache ausgenutzt, daß die Information des Ausgangssignais bereits voll in den beiden verschiedenen Wegen des Hysteresestroms Ins enthalten ist. Im Umschaltpunkt des Hysteresestroms vom Transistor 9 auf den Transistör 8 und umgekehrt wechselt auch das Ausgangssignal vom //-Zustand in den L-Zustand und umgekehrt. Es wird der bisher unbenutzt nach Masse 4 abgeführte Kollektorstrom des Transistors 9 in den Auskoppel-Stromspiegel 23 eingespeist. Da der Hysteresestrom Ihs mit dem der Auskoppel-Stromspiegel angesteuert wird, sehr klein sein kann, ist es vorteilhaft, mit dem Auskoppel-Stromspiegel 23 gleichzeitig eine Stromübersetzung vorzunehmen. Dazu werden die Transistoren 19 und 20 mit unterschiedlichen Emitterflächen versehen. Ein als Diode geschalteter Transistor 22 ist einerseits mit dem Kollektor des Transistors 10 des emittergekoppelten Transistorpaares 10, 11 und andererseits mit dem Eingang des Auskoppel-Stromspiegels 23 so verbunden, daß die Spannung am Kollektor des Transistors 10 gegen Masse 4 auf die Größe der Spannung an zwei Dioden begrenzt bleibt. Diese Maßnahme verhindert die Sättigung des Transistors 10 des emittergekoppelten Eingangs-Transistorpaares 10, 11. Da die Diode 22 erst zu einem Zeitpunkt schaltet, in dem der eigentliche Komparatorschaltpunkt bereits überschritten wird, wird die Genauigkeit des Schaltpunktes nicht beeinflußt. In vereinfachter Ausführung kann der Transistor 19 des Auskoppel-Stromspiegels 23 weggelassen werden.

Die beschriebenen Schaltungsbeispiele der Komparatorschaltung lassen sich auch mit dualen Transistoren realisieren. Die Stromquellen, die in den beschriebenen Beispielen durch Kollektorteilung des lateralen Transistors 12 erstellt wurden, werden dann durch eine entsprechende Anzahl kleinster Emitterflächen einzelner npn-Transistoren ausgeführt. Umgekehrt kann dann durch Kollektorteilung das hergestellt werden, was in den beschriebenen Ausführungsbeispielen durch unterschiedliche Emitterflächen realisiert wurde. Ein dem Ausführungsbeispiei aus F i g. 5 entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in F i g. 6 gezeigt, wobei die sich einander entsprechenden Teile mit gleichen Bezugsziffern mit einem hochgestellten Strich bezeichnet sind.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2

durch gekennzeichnet, daß die Auskoppelschaltung

Patentansprüche: als Auskoppel-Stromspiegel (23) ausgebildet ist, der

über einen Trennverstärker, vorzugsweise ein Emit-

1 KomDaratorschaltung mit einem als Stromspie- terfolger (21), angesteuert wird.

gel (1) geschalteten Stromkomparator, mit einer Ein- 5 10. Komparatorschaltung nach Anspruch 8 oder 9,

gangsdiode (2) und wenigsgens einem Ausgangs- dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (5) als

transistor (3), dadurch gekennzeichnet, emittergekoppeltes Transistorpaar (8,9) ausgebildet

daß der durch die Eingangsdiode (2) fließende Strom ist, wobei mindestens ein Teilstrom des zweiten

(Ie) mit dem durch den Kollektor des Ausgangstran- Transistors (9) auf den Eingang der Auskoppelschal-

sistors (3) fließenden Strom (l_rC(\ verglichen wird, io tung geführt wird.

wobei die Kollektorspannung (U₃) des Ausgangs- 11. Komparatorschaltung nach Anspruchs da-

transistors (3) das Vergleichsergebnis darstellt und durch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Strom-

daß zur Erzeugung einer Schalthysterese über einen spiegeis (1), vorzugsweise über eine Diode oder ei-

von der Kollektorspannung des Ausgangstransistors nen als Diode geschalteten Transistor (23), mn dem

gesteuerten Schalter (5) ein zusätzlicher Stromfluß is Eingang des Auskoppel-Stromspiegels (23) in Ver-

(Ihs) durch die Eingangsdiode (2) des Stromspiegels bindung steht

(5) zur Veiänderung der Schaltschwellen des Strom- 12. Komparatorschaltung nach einem der Ansprü-

komparators erzeugt wird. ehe 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenig-

2 Komparatorschaltung nach Anspruch 1, da- stens ein Transistor (19,20) der Auskoppelschaltung durch gekennzeichnet, daß zur Verschiebung der 20 zum Zweck der Stromübersetzung unterschiedliche Lage des Hysteresebereiches ein additiver Strom- Geometrien aufweist.

fluß (Iho) durch die Eingangsdiode (2) des Strom-

spiegels(l) erzeugt wird.

3. Komparatorschaltung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (5) als 25

emittergekoppeltes Transistorpaar (8,9) ausgebildet Stand der Technik
ist, wobei der Kollektor des ersten Transistors (8)

und die Basis des zweiten Transistors (9) des emitter- Die Erfindung geht aus von einer Komparatorschal-

gekoppelten Transistorpaares (8, 9) mit dem Ein- tung i.ach der Gattung des Hauptanspruchs,

gang des Stromspiegels (1) in Verbindung steht und 30 Als einfache Komparatorschaltungen zum Vergleich

die Basis des ersten Transistors (8) mit dem Ausgang analoger Eingangsgrößen, z. B. elektrischer Spannun-

des Stromspiegels (1) in Verbindung steht. gen oder Ströme, werden häufig Differenzverstärker

4 Komparatorschaltung nach Anspruch 3, da- mit genügend hoher Verstärkung benutzt, die eine digi-

durch gekennzeichnet, daß mindestens ein Transi- tale Ausgangsgröße abgeben. Übersteigt die Eingangs-

stor (8) des emittergekoppelten Transistorpaares (8, 35 spannung LU des Differenzverstärkers dessen Bezugs-

9) durch konstruktive Maßnahmen den durch ihn spannung ι/«* dann wechselt der Ausgangspegel. In ei-

fließenden Strom unterteilt und daß nur Teilströme nem gewissen Übergangsbereich, der um so kleiner ist.

des mindestens einen Transistors (8) auf den Eingang je größer die Verstärkung des Differenzverstärkers ist.

des Stromspiegels (1) gelangen. existieren jedoch indifferente Ausgangszustände, die

5. Komparatorschaltung nach einem der Ansprü- 40 weder dem Zustand L noch dem Zustand H zugeordnet ehe 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beein- werden können. Damit die Ausgengsgröße nicht zwiflussung des Hysteresenbereichs über die Strom- sehen d'om L-Zustand und dem Η-Zustand hin und herübersetzung des Stromspiegels die Transistoren (2, schaltet, muß ein Hysteresebereich vorgesehen werden, 3) des Stromspiegels (1) unterschiedliche Geome- der den indifferenten Bereich überdeckt. Der Hysteretrien aufweisen. ⁴⁵ sebereich wird dadurch ei reicht, daß die Komparator-

6. Komparatorschaltung nach einem der Ansprü- schaltung in der Nähe des Umschaltpunktes (Eingangsche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein emitter- spannung = Bezugsspannung) mit einer Mitkopplung gekoppeltes Eingangstransistorpaar (10, 11) vorge- ausgestattet wird. Der Hysteresebereich und die Schaltsehen ist, wobei der Kollektor des einen Transistors punkte werden durch die Art der Mitkopplung des Aus-(11) mit dem Eingang des Stromspiegels (1) und der 50 gangs auf den Eingang festgelegt. Das ist etwa aus der Kollektor des anderen Transistors (10) mit dem Aus- DE-OS 28 26 126 bekannt.

gang des Stromspiegels (1) in Verbindung steht und Aus der DE-OS 28 56 376 ist weiterhin ein Stromdaß an der Basis des einen Transistors (11) des emit- komparator bekannt, bei dem der Ausgangsstrom einer tergekoppelten Eingangstransistorpaares (10,11) ei- Stromsignalquelle mit dem Ausgangsstrom einer Refene Eingangsspannung (l_e) und an der Basis des ande- 55 renzsignalquelle, insbesondere einer Konstantstromren Transistors (10) eine Referenzspannung (LVc/) quelle, verglichen wird. Hierfür werden beide Ausliegt. gangsströme an der Basis eines Ausgangstransistors ad-

7. Komparatorschaltung nach Anspruch 6, da- diert, so daß bei positiver Stromdifferenz der Ausgangsdurch gekennzeichnet, daß in den zu den Emittern transistor schaltet. Dieser Komparator weist jedoch keides emittergekoppelten Eingangstransistorpaares to ne Hysterese auf.

(10, 11) führende Leitungen Emitterwiderstände Aus der DE-OS 28 44 737 ist eine Anordnung zum

vorgesehen sind. Vergleichen von Signalen, ein Spannungskomparator.

8. Komparatorschaltung nach einem der Ansprü- bekannt,die ebenfalls kein Hysterese aufweist.

ehe 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur rück- Die GB-PS 14 53 038 zeigt einen Komparatorschaltwirkungsfreien Auskoppelung des Ausgangssignals 65 kreis mit Hysterese, bei dem die Hystereseschwellen

des Stromkomparators eine Auskoppelschaltung von außen eingestellt werden,

vorgesehen ist. Aus dem Stand der Technik nicht bekannt ist die der

9. Komparatorschaltung nach Ansprüche, da- Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, nümlich eine