DE69030427T2 - Elektronische Komparatorschaltung - Google Patents

Elektronische Komparatorschaltung

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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf eine Komparatorschaltung eines Typs, der zu denen ähnlich ist, die in der EP-A-0 284 092 offenbart sind, mit einer Eingangsdifferenzstufe, einer Kaskoden-Anordnung und einem Stromspiegel, um das Komparatorausgangssignal zu schaffen. Weitere schaltungen mit einer Kaskodenstufe sind aus der EP-A-0 333 864 und aus der EP-A- 332 499 bekannt.
  • Wie es bekannt ist, werden Komparatorbauelemente häufig in einer Vielzahl von elektronischen Überwachungs- und Steuerschaltungen verwendet, um den Moment einzustellen, zu dem ein Signal mit einer beliebigen signalform einen gegebenen Referenzpegel erreichen wird.
  • Ein weiterer bekannter Typ eines Komparators kann einen operationsverstärker an dem nicht-invertierenden Eingang desselben umfassen, an dem eine zu vergleichende Signalform angelegt wird, wobei ein vorbestimmter Referenz- oder Schwellenspannungswert Vs an dem invertierenden Eingang beibehalten wird.
  • Bekannt sind Komparatorschaltungen, die beispielsweise in bipolarer Technologie implementiert sind. Diese sind durch eine hohe Genauigkeit, eine hohe Spannungsverstärkung und einen sogenannten "Offset"-Spannungsabfall gekennzeichnet (Offset = Versatz), welcher speziell niedrig ist.
  • Solche Schaltungen bieten sich dazu an, daß ihre Ausgänge schnittstellenmäßig mit entweder Logikschaltungen in der bipolaren Technologie oder Logikschaltungen vom CMOS-Typ schnittstellenmäßig verbunden werden.
  • Obwohl ein Komparator unter bestimmten Aspekten günstig ist, erfährt diese Komparatorart eine beträchtliche Verzögerung der Signalausbreitung zwischen dem Eingang und dem Ausgang aufgrund der Anwesenheit von sogenannten "sättigenden" Schaltungsstrukturen.
  • Meistens sind lange Verzögerungen der Signalausbreitung unakzeptabel, da sie weitere Verzögerungen von Logikschaltungen stromflußmäßig hinter dem Komparator, die bereits mit demselben verwandt sind, hinzufügen würden.
  • Um diese Nachteile zu umgehen könnten Komparatoren verwendet werden, welche sogenannte "nicht-sättigende" Schaltungsstrukturen umfassen, wobei solche Strukturen beispielsweise Schottky-Dioden zwischen den Basen und den Kollektoren bestimmter Transistoren verwenden würden. Ebenfalls würden hohe Vorspannungsströme erforderlich sein.
  • Um solche Strukturen zu schaffen, würden jedoch die herkömmlichen Herstellungsverfahren für integrierte Schaltungen in bipolarer Technologie durch zusätzliche komplexe und kostenintensive Verarbeitungsschritte (z. B. eine Dreifachmetallisierung) beschwert werden.
  • Das technische Problem, das dieser Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, eine elektronische Komparatorschaltung zu schaffen, welche in ihrer Schaltphase speziell schnell ist, und welche solche strukturellen und funktionellen Charakteristika aufweist, um mit Logikschaltungen des CMOS-Typs koppelbar zu sein, während ein niedriges Stromziehen sichergestellt wird, und während die Nachteile überwunden werden, mit denen der Stand der Technik zu tun hatte.
  • Dieses Problem wird durch eine Komparatorschaltung, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, gelöst.
  • Die Merkmale und Vorteile einer Schaltung gemäß der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels derselben offensichtlich werden, das aus Darstellungsgründen und nicht als Begrenzung bezugnehmend auf die beigefügte Zeichnung gegeben wird.
  • Die Zeichnung zeigt als Fig. 1 derselben ein Verdrahtungsdiagramm einer elektronischen Komparatorschaltung gemäß der Erfindung.
  • Bezugnehmend auf die Zeichnung ist bei 1 allgemein und schematisch der Schaltungsaufbau des erfindungsgemäßen Komparators gezeigt.
  • Der Komparator 1 umfaßt einen ersten Differenzstufenschaltungsabschnitt 2, der aus einem Differenztransistorenpaar T2 und T3 des pnp-Typs besteht, deren jeweilige Emitter miteinander und mit einem positiven Versorgungspol Vc über eine Vorspannungsstromquelle I2 verbunden sind.
  • Die jeweiligen Basen B2 und B3 der Transistoren T2, T3 sind wiederum mit dem positiven Pol Vc über jeweilige Vorspannungsstromquellen I1 und I3 verbunden.
  • Die Kollektoren C2, C3 des Differenztransistorpaars T2 und T3 bilden jeweilige Ausgänge des Eingangsabschnitts 2.
  • Die Stufe 2 weist einen Signaleingang IN (IN = EIN) und einen Schwelleneingang S auf, wobei jedem ein entsprechender Transistor T1, T4 des pnp-Typs zugeordnet ist, wobei jeder Transistor in einer Emitterfolgerkonfiguration zwischen der Stufe 2 und der Masse geschaltet ist.
  • Diese Transistoren T1, T4 bilden sogenannte Puffer, um die Eingangsimpedanz der Stufe 2 zu erhöhen. Ihre jeweiligen Basen B1, B4 fallen mit den Eingängen IN und S zusammen. Die Emitter E1 und E4 sind jeweils mit der Basis B2 und mit der Basis B3 des Differenzpaars T2, T3 verbunden. Ihre jeweiligen Kollektoren C1, C4 sind mit Masse verbunden.
  • Auf vorteilhafte Weise ist der Ausgang der Zelle 2 des Komparators 1 mit einer Ausgangsstufe 3 verbunden, die in der CMOS-Technologie gebildet ist und ein Paar von n-Kanal-MOS- Transistoren M1 und M2 aufweist, deren jeweilige Gates G1, G2 miteinander verbunden sind.
  • Die MOS-Transistoren M1, M2 sind in einer sogenannten "Kaskoden"-Konfiguration mit der bipolaren Stufe 2 verbunden, wobei ihre jeweiligen Source-Elektroden S1, S2 mit den Kollektoren C2 bzw. C3 jedes entsprechenden Transistors T2, T3 verbunden sind.
  • Ferner ist eine stromspiegelschaltung 4 vorgesehen, die aus einem Paar von p-Kanal-MOS-Transistoren M3, M4 besteht und zwischen den Versorgungspol Vc und die Stufe 3 geschaltet ist. Insbesondere ist der Transistor M3 in einer Diodenkonfiguration, wobei die jeweiligen Source-Elektroden S3, S4 beider Transistoren M3 und M4 mit dem Pol Vc verbunden sind, während ihre jeweiligen Drain-Elektroden D3, D4 mit den entsprechenden Drain-Elektroden D1, D2 des ersten Transistorpaars M1, M2 in der Stufe 3 verbunden sind.
  • Das Drain D2 des Transistors M2 bildet ferner einen Ausgangsanschluß OUT (OUT = AUS) für den Komparator 1. Eine Vorspannungsstromquelle oder ein Generator 14 ist ferner vorgesehen, welcher zwischen den Pol Vc und die Gates G1 und G2 der Stufe 3 geschaltet ist.
  • Der Schaltungsaufbau des Komparators 1 und der Ausgangsstufe 3 wird durch ein zweites Paar von Transistoren M5, M6 des MOS-Typs vervollständigt, wobei jeder als eine Stromquelle zwischen einen entsprechenden Kollektor C2, C3 der Stufe 2 und Masse eingefügt ist. Insbesondere sind die jeweiligen Gates G5, G6 der Transistoren M5, M6 miteinander verbunden. Die Source-Elektroden sind mit Masse verbunden, und die Drain-Elektroden sind mit dem Kollektor C2 bzw. mit dem Kollektor C3 verbunden.
  • Ferner ist ein weiterer Transistor M7 vom MOS-Typ vorgesehen, welcher in einer Diodenkonfiguration geschaltet ist, wobei das Gate G7 mit dem Drain D7 zwischen dem Gate G2 des Transistors M2 und Masse über einen Widerstand R verbunden ist.
  • Ferner ist das Gate G7 des zuletzt erwähnten Transistors M7 direkt mit den Gates G5, G6 des zweiten Paars von Transistoren M5, M6 verbunden.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Wert der Stromquelle 14 ausgewählt, um einem entsprechenden Stromwert I zu entsprechen. Zusätzlich hat die Stromquelle 12 einen Wert von 21, wobei der Strom ID durch jeden der Transistoren M5 und M6 einen Wert von 3 I hat.
  • Die Vorspannungsstromquellen 11, 12 haben den gleichen Wert.
  • Bezugnehmend auf einen Startzustand unter stationären Bedingungen, d. h. wobei die jeweiligen Spannungswerte Vin und Vs auf den Eingangsanschlüssen 1 und 5 gleich sind, wird der Strom, der durch jeden der Transistoren T2, T3 in der Stufe 2 fließt, dem Wert I entsprechen. Folglich fließt durch jeden der Transistoren M1 und M2 in der Ausgangsstufe 3 ein Strom von 2 I.
  • Es kann gezeigt werden, daß der Arbeitspunkt der Schaltung allein von dem Wert des Stroms 1 und dem Widerstand R zusätzlich zu dem Dimensionsverhältnis W/L der Breite zu der Länge der MOS-Transistorkanäle abhängt.
  • Die Schwellenspannung der Transistoren M1 und M2 der Stufe 3 entspricht der des Transistors M7.
  • Wenn andererseits die Spannungspegel auf den Eingängen der Differenzstufe 2 voneinander unterschiedlich sind, und wenn die Stufe selbst vollständig unsymmetrisch ist, kann angenommen werden, daß der Transistor T3 vollstndig leitet, wohingegen der Transistor T2 im Cut-Off-Bereich ist.
  • In dieser Situation würde der Strom, der durch den Transistor T3 fließt, gleich 2 I sein, und der höchste erreichbare Spannungswert auf dem Kollektor C3 würde durch das Produkt von R x I gegeben sein.
  • Durch Anordnen, daß dieser Spannungswert beispielsweise gleich 0,4 Volt ist, und durch Auswählen der Werte von I und R kann somit verhindert werden, daß die Transistoren T2 und T3 gesättigt werden, wodurch der Komparator 1 während der Schaltphase einzigartig schnell gemacht wird.
  • Um Variationen des Basis-Emitter-Spannungsabfalls der Transistoren T2, T3 mit der Temperatur zuzulassen, kann der Wert des Stroms 1 proportional zu diesem Spannungsabfall gemacht werden.
  • Durch eine geeignete Auswahl des Werts des Stroms I und des Verhältnisses W/L können die Transistoren in der Stufe 3 dimensioniert werden, um eine niedrigste Spannung zwischen dem Kollektor C3 des Transistors T3 und der Masse gleich Null zu haben.
  • In diesem Fall würde der Minimalwert der Spannung auf dem Ausgangsanschluß OUT (OUT = AUS) ebenfalls Null sein.
  • Wo dagegen der Strom, der durch den Transistor M1 fließt, viel höher als der durch den Transistor M2 ist, wird der Spannungswert an dem Ausgang OUT praktisch der gleiche wie der der Versorgungsspannung Vc sein.
  • Es folgt, daß der breite Bereich der Ausgangsspannung den Komparator 1 dafür geeignet macht, sowohl Bipolarschaltungen als auch Schaltungen des MOS-Typs zu treiben.
  • Die Komparatorschaltung 1 dieser Erfindung kombiniert die Vorteile, die durch Schaltungen geliefert werden, die in bipolarer und der MOS-Technologie implementiert sind.
  • Die Schaltung zeigte eine gute Verstärkung und einen niedrigen Eingangs-Offset-Spannungsabfall. Ferner stellte sie sich als sehr schnell während der Schaltphase aufgrund der Abwesenheit von bipolaren Transistoren, die in Sättigung betrieben werden, heraus, wodurch ein gleichzeitiger niedriger Stromzug erreicht wird.

Claims (2)

1. Elektronische Komparatorschaltung mit einer Eingangsstufe (2), die mit einem Differenzpaar von Bipolartransistoren (T2, T3) versehen ist, deren Emitter-Anschlüsse mit einem ersten Leistungsversorgungspol (VC) über eine Stromquelle (I&sub2;) verbunden sind, deren Basis-Anschlüsse (B2, B3) mit jeweiligen Eingängen (IN, S) der Komparatorschaltung verbunden sind, und deren Kollektor-Anschlüsse mit einem zweiten Versorgungspol (Masse) über jeweils einen eines Paars von MOS-Transistoren (M5, M6) verbunden sind, deren Gate-Anschlüsse (G5, G6) gemeinsam sind, deren Source-Anschlüsse mit dem zweiten Leistungsversorgungspol (Masse) verbunden sind, und deren Drain-Anschlüsse jeweils mit einem jeweiligen der Kollektor-Anschlüsse (C2, C3) verbunden sind,
mit einem zusätzlichen Paar von MOS-Transistoren (M1, M2), die mit dem Differenzpaar (T2, T3) in einer Kaskodenkonfiguration verbunden sind, deren Source-Anschlüsse (S1, S2) mit jeweiligen Kollektor-Anschlüssen (C2, C3) der Bipolartransistoren (T2, T3) verbunden sind, deren Gate-Anschlüsse (G1, G2) gemeinsam sind, und deren Drain-Anschlüsse (D1, D4) mit dem ersten Versorgungspol (VC) über eine Stromspiegelschaltung (M3, M4) verbunden sind, wobei einer (D2) der Drain- Anschlüsse des zusätzlichen Paars (M1, M2) mit einem Ausgangsanschluß (OUT) des Komparators verbunden ist;
mit einem weiteren MOS-Transistor (M7), der in einer Diodenkonfiguration verbunden ist, wobei sein Source- Anschluß mit dem zweiten Leistungsversorgungspol (Masse) verbunden ist, und sein Gate-Anschluß und sein Drain-Anschluß gemeinsam mit den gemeinsamen Gate-Anschlüssen des Paars von MOS-Transistoren (M5, M6) verbunden sind, und über einen Widerstand (R) mit den gemeinsamen Gate-Anschlüssen (G1, G2) des zusätzlichen Paars von MOS-Transistoren (M1, M2) und mit einem Ende einer Vorspannungsstromquelle (14) verbunden sind, welche ein anderes Ende umfaßt, das mit dem ersten Leistungsversorgungspol (VC) verbunden ist,
wobei die Werte der Stromquelle (I&sub2;), der Vorspannungsstromquelle (14), des Widerstands (R) und die Dimensionsverhältnisse (W/L) der MOS-Transistoren ausgewählt sind, um zu verhindern, daß die Bipolartransistoren (T2, T3) in Sättigung geraten.
2. Elektronische Komparatorschaltung gemäß Anspruch 1, welche ein weiteres Paar von Bipolartransistoren (T1, T4) aufweist, die in einer Emitterfolger-Konfiguration mit dem Paar von Bipolartransistoren (T2, T3) verbunden sind, wobei ihre Basis-Anschlüsse die Eingänge (IN, S) der Komparatorschaltung sind.
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