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Komparator vom Zerhackertyp
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BESCHREIBUNG Die Erfindung bezieht sich auf einen Komparator vom
Zerhackertyp nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Fig. 1 ist ein Diagramm, das die Anordnung eines Beispiels eines herkömmlichen
Komparators vom Zerhackertyp zeigt. Zunächst wird die Anordnung dieses Komparators
beschrieben. In der Figur umfaßt der Komparator einen Eingangsschaltkreis 1, einen
CMOS-Inverter 2, einen mit dem Eingang und dem Ausgang des Inverters verbundenen
Schalter 3, einen Kondensator 4 für die kapazitive Kopplung des Eingangsschaltkreises
1 mit dem CMOS-Inverter 2, und eine Ausgangsklemme 9. Insbesondere beinhaltet der
Eingangsschaltkreis 1 die Schalter 5 und 6.
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Der Schalter 5 ist mit seiner einen Kontaktklemme zur Versorgung mit
einer Eingangsspannung V. mit einer Eingangsklemme in 100 und mit seiner anderen
Kontaktklemme mit dem Kondensator 4 verbunden. Der Schalter 6 ist mit seiner einen
Kontaktklemme zur Versorgung mit einer Referenzspannung Vref mit einer Eingangsklemme
200 und mit der anderen Kontaktklemme mit dem Kondensator 4 verbunden. Die Schalter
3, 5 und 6 sind alle von der Form eines Halbleiter-Schaltelementes, etwa eines MOS-Feldeffekttransistors
(im folgenden kurz als MOSFET bezeichnet). An die Gate-Klemmen 51 und 52 des Schalters
5 werden die Taktsignale 0 bzw. i angelegt. Auf gleiche Weise werden an die Gate-Klemmen
61 und 62 des Schalters 6 und an die Gate-Klemmen 31 und 32 des Schalters 3 die
Taktsignale 6 bzw. 0 angelegt. Das Öffnen und Schließen der Schalter 3, 5 und 6
ist steuerbar durch die Taktsignale 0 und i. Weiterhin öffnen und schließen der
Schalter 5 und die Schalter 3 und 6
komplementär. Der CMOS-Inverter
2 ist zusammengesetzt aus einem p-Kanal-MOSFET (im folgenden kurz als p-MOSFET bezeichnet)
7 und einem n-Kanal-MOSFET (im folgenden kurz als n-MOSFET bezeichnet) 8. Der p-MOSFET
7 ist mit seiner einen Kontaktelektrode zur Versorgung mit einer Spannung VDD mit
einer Versorgungsklemme 14 und mit der anderen Kontaktelektrode mit einer Kontaktelektrode
des n-MOSFET 8 verbunden.
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Die andere Kontaktelektrode des n-MOSFET 8 liegt auf Masse.
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Die entsprechenden Gate-Elektroden des n- und p-MOSFETs 7 und 8 sind
gemeinsam mit dem Kondensator 4 verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen der anderen
Kontaktelektrode des n-MOSFETs 7 und einer Kontaktelektrode des p-MOSFETs 8 ist
mit einer Ausgangsklemme 9 verbunden. Der Schalter 3 ist mit seiner einen Kontaktklemme
mit dem Kondensator 4 und mit der anderen Kontaktklemme mit der Ausgangsklemme 9
verbunden.
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Weiterhin ist der oben genannte herkömmliche Komparator vom Zerhackertyp
z.B. in ANDREW G. F. DINGWALL, "Monolithic Expandable 6 Bit 20 MHz CMOS/SOS A/D
Converter," IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, Band SC-14, Nr. 6, Dezember 1978,
Seiten 926-932 veröffentlicht.
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Nun wird die Arbeitsweise dieses Komparators vom Zerhackertyp beschrieben.
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Fig. 2 ist eine die Eingangs- und Ausgangseigenschaften des CMOS-Inverters
2 zeigende graphische Darstellung. Die Kurve a der graphischen Darstellung gibt
die Beziehung zwischen der Eingangsspannung (horizontale Achse) des CMOS-Inverters
2 und dessen Ausgangsspannung (vertikale Achse) an.
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Zunächst sind, als Antwort auf die Taktsignale 0 und i, die Schalter
3 und 6 geschlossen und der Schalter 5 geöffnet. Der Schalter 3 dient zur Stabilisierung
der Vorspannung zwischen Eingang und Ausgang des CMOS-Inverters 2 im Anfangszustand.
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In dem erwähnten Nebenschlußzustand sind die Eingangs- und Ausgangsspannungen
des CMOS-Inverters 2 gleich. Deshalb ist die Vorspannung zwischen dem Eingang und
dem Ausgang des CMOS-Inverters 2 im Anfangszustand die Spannung Vb im Punkt d, dem
Schnittpunkt zwischen der Kurve a und der unterbrochenen Linie b, welche um 450
geneigt ist in Bezug auf die horizontale und vertikale Achse in Fig. 2. In diesem
Nebenschlußzustand ist der Kondensator 4 mit der über den Schalter 6 angelegten
Referenzspannung Vref abzüglich der Vorspannung Vb geladen.
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Bezüglich des Anfangszustandes sind, wenn die Taktsignale 0 und 6
umgekehrt werden, die Schalter 6 und 3 geöffnet, und der Schalter 5 ist geschlossen,
woraufhin die Meßphase der Eingangsspannung Vin beginnt. Während dieser Meßphase
wird, in falls die Eingangsspannung Vin höher als die Referenzspannung in Vref ist,
über den Kondensator 4 die Eingangsspannung am CMOS-Inverter 2 höher als die Spannung
Vb im Punkt d, wodurch die Ausgangsspannung in Fig. 2 sich vom Punkt d aus 0 nähert.
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Umgekehrt wird, falls die Eingangsspannung V. niedriger als in die
Referenzspannung Vref ist, über den Kondensator 4 die Eingangsspannung am CMOS-Inverter
2 niedriger als die Spannung Vb am Punkt d, wodurch die Ausgangsspannung des CMOS-Inverters
2 in Fig. 2 sich vom Punkt d aus VDD nähert. Auf diese Weise wird in Übereinstimmung
mit der Höhe der Eingangsspannung V. ein definierter logischer Zustand festgelegt.
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in Der herkömmliche Komparator vom Zerhackertyp ist auf die oben
beschriebene Weise gestaltet. Insbesondere benutzt ein Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandler
zum Zwecke des Vergleichs von Eingangssignalhöhen eine parallele Kombination einer
Anzahl solcher Komparatoren vom Zerhackertyp.
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Bei dem auf die oben beschriebene Weise gestalteten Komparator vom
Zerhackertyp nehmen jedoch die Eingangs- und Ausgangs-
spannungen
des CMOS-Inverters 2 im Anfangszustand, wenn der Schalter 3 geschlossen ist, um
den CMOS-Inverter 2 zwischen seinem Eingang und seinem Ausgang zu umgehen, den bei
Punkt d gezeigten Wert Vb an, so daßdie beiden den CMOS-Inverter 2 bildenden p-
und n-MOSFETs 7 und 8 in den EIN-Zustand geschaltet werden. Die Kurve c in Fig.
2 gibt den Durchlaßstrom (vertikale Achse) an, der vom p-MOSFET 7 zum n-MOSFET 8
fließt, in Abhängigkeit von der Eingangsspannung des CMOS-Inverters 2. In dem Eingang-Ausgang-Nebenschlußzustand
nimmt der Durchlaßstrom, wie bei Punkt d in Fig. 2 gezeigt, ein Maximum an. Daher
ist es in einem Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandler, der eine Anzahl von solchen Komparatoren
vom Zerhackertyp benutzt, ein Mißstand gewesen, daß die Stromaufnahme im Anfangszustand,
d.h. in der Nebenschlußphase, sehr hoch ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Komparator vom Zerhackertyp zu
schaffen, der in der Lage ist, ein Anwachsen der Stromaufnahme im Anfangszustand
zu verhindern.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung der oben beschriebenen
Art mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruches 1.
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Die Erfindung ist so gestaltet, daß im Anfangszustand vor dem Beginn
des Vergleichsvorganges das Laden des Kondensators und das Vorspannen des Inverters
bewirkt wird durch eine Nullabgleichungs-Stromquelle und die Stromquelle zum Inverter
durch einen Schalter abgeschaltet wird.
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Entsprechend der Erfindung ist es möglich, einen Durchlaßstrom, der
durch den Inverter im Anfangszustand fließt, zu vermeiden, da das Laden eines Kondensators
und das Vorspannen eines Inverters geleistet wird durch eine Nullabgleichungs-Stromquelle
und da der Versorgungsstrom für den Inverter im Anfangszustand vor dem Beginn des
Vergleichsvorganges abgeschaltet wird, und insbesondereineinem Schaltkreis wie einem
A/D-Wandler, der eine parellele Kombination einer Anzahl von Komparatoren vom Zerhackertyp
verwendet, ist es möglich, die Stromaufnahme in großem Ausmaß zu vermindern.
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Diese und weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben
sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den
Figuren zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm, das die Anordnung eines herkömmlichen Komparators
vom Zerhackertyp zeigt; Fig. 2 eine graphische Darstellung, die die Eingangs-und
Ausgangseigenschaften eines in Fig. 1 gezeigten CMOS-Inverters zeigt; und Fig. 3
ein Diagramm, das die Anordnung eines der Ausführungsform dieser Erfindung entsprechenden
Komparators vom Zerhackertyp zeigt.
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Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Anordnung eines der Ausführungsform
der Erfindung entsprechenden Komparators vom Zerhackertyp zeigt. In der Beschreibung
dieser Ausführung wird eine wiederholte Beschreibung der Teile, welche dem Stand
der Technik entsprechen, weggelassen. Zunächst wird die Anordnung der Vorrichtung
beschrieben. In der Figur umfaßt dieser Komparator vom Zerhackertyp einen Eingangsschalter
1, einen getakteten CMOS-Inverter 20, einen Nullabgleichungs-Versorgungsschaltkreis
30, einen Kondensator zur kapazitiven Kopplung des Eingangsschaltkreises 1 mit dem
getakteten CMOS-Inverter 20 und des Nullabgleichungs-Versorgungsschaltkreises 30,
und eine Ausgangsklemme 9. Der getaktete CMOS-Inverter 20 umfaßt p- und n-MOSFETs
10 und 11, welche als Schalter fungieren, und p- und n-MOSFETs 7 und 8, welche den
CMOS-Inverter 20 bilden. Der p-MOSFET 10 ist zwischengeschaltet zwischen eine Versorgungsklemme
14 und den p-MOSFET 7. Der n-MOSFET 11 ist zwischengeschaltet zwischen Masse und
den n-MOSFET 8. Die Gate-Elektroden der p- und n-MOSFETs 10 und 11 werden mit Taktsignalen
0 bzw. 0 versorgt. Das Öffnen und Schließen des p-MOSFETs 10 (im folgenden als Schalter
10 bezeichnet) und des n-MOSFETs 11 (im folgenden als Schalter 11 bezeichnet) ist
durch die Taktsignale gesteuert. Die Stromversorgung
des getakteten
CMOS-Inverters 20 ist gesteuert durch diese Schalter 10 und 11. Der Nullabgleichungs-Versorgungsschaltkreis
30 umfaßt eine Nullabgleichungs-Stromquelle, welche die Spannung Vb im Punkt d in
Fig. 2 erzeugt, und einen Schalter 13, welcher die Spannung Vb zu dem Kondensator
4 und dem getakteten CMOS-Inverter 20 überträgt. Die Taktsignale X und g werden
an die Gate-Klemmen 131 bzw. 132 des Schalters 13 angelegt. Das Öffnen und Schließen
des Schalters 13 ist steuerbar durch die Taktsignale. Der Schalter 13 wird komplementär
zum Schalter 5 geöffnet und geschlossen.
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Nun wird die Funktion des Komparators beschrieben. Zunächst sind,
als Antwort auf die Taktsignale 0 und i, die Schalter 6 und 13 geschlossen und die
Schalter 5, 10 und 11 geöffnet.
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Der Schalter 13 dient dazu, eine Seite des Kondensators 4 bezüglich
der Eingangsklemme des getakteten CMOS-Inverters 20 vorzuspannen auf Vb im Punkt
d in Fig. 2. In diesem Anfangszustand schalten die Schalter 10 und 11 den Durchlaßstrom
in den getakteten CMOS-Inverter 20 im Punkt d in Fig. 2 ab. In diesem Zustand ist
der Kondensator 4 geladen mit einer Spannung (Vref - Vb).
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In dem Anfangszustand werden, wenn die Taktsignale 0 und umgekehrt
werden, die Schalter 5, 10 und 11 geschlossen, und die Meßphase der Eingangsspannung
V. wird begonnen. Während in dieser Meßphase führen die Schalter 10 und 11 dem getakteten
CMOS-Inverter 20 Strom zu, um den letzteren zur Durchführung des üblichen Invertier-Betriebs
zu veranlassen.
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Deshalb wird in der Meßphase der gleiche Betrieb wie im herkömmlichen
Komparator vom Zerhackertyp durchgeführt.
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In der obigen Ausführung sind der Inverter und die Schalter zusammengesetzt
aus MOSFETs; sie können jedoch aus anderen Halbleiter-Elementen wie etwa Bipolar-Transistoren
zusammengesetzt sein.
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Weiterhin wird ein getakteter CMOS-Inverter benutzt, aber solange
die Stromquelle für den Inverter gesteuert werden kann durch Taktsignale, können
auch andere Arten von Invertern als der in Fig. 3 gezeigte benutzt werden. Zum Beispiel
kann ein getakteter Inverter verwendet werden, welcher nur einen der beiden Schalter
10 und 11 hat, oder es ist möglich, einen getakteten Inverter zu verwenden, der
einen Schalter aufweist, der zwischen den Ausgang des aus den p- und n-MOSFETs 7
und 8 zusammengesetzten Inverters und der Ausgangsklemme 9 zwischengeschaltet ist,
um das Öffnen und Schließen des Inverters zu steuern.