DE69931121T2 - Spannungsvergleicher - Google Patents

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DE69931121T2
DE69931121T2 DE69931121T DE69931121T DE69931121T2 DE 69931121 T2 DE69931121 T2 DE 69931121T2 DE 69931121 T DE69931121 T DE 69931121T DE 69931121 T DE69931121 T DE 69931121T DE 69931121 T2 DE69931121 T2 DE 69931121T2
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c/o Nippon Telegraph & Tel Corp Yasuyuki Matsuya
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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  • Measurement Of Current Or Voltage (AREA)
  • Manipulation Of Pulses (AREA)

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungskomparator zum Vergleichen einer Referenzspannung mit einer Vergleichsspannung unter Verwendung von Feldeffekttransistoren.
  • Herkömmlicherweise wurde als Spannungskomparator zum Vergleichen einer Referenzspannung mit einer Vergleichsspannung unter Verwendung von Feldeffekttransistoren (FETs) ein Spannungskomparator vom positiven Rückkopplungstyp wie in 7 gezeigt vorgeschlagen (z.B. das japanische Patent mit der Veröffentlichungsnummer 7-154216). Mit Bezug auf 7 ist ein Spannungskomparator 201 aus PMOS(P-Kanal-Metalloxid-Halbleiter)-Feldeffekttransistoren T52 bis T56, NMOS(N-Kanal-Metalloxid-Halbleiter)-Feldeffekttransistor T51 und Invertern I51 bis I54 aufgebaut. Die PMOS- und NMOS-Feldeffekttransistoren werden im Folgenden einfach als "Transistoren" bezeichnet, solange nicht anders angegeben.
  • Der Inverter I51 ist aus einem NMOS-Transistor T61 und einem PMOS-Transistor T62 gebildet. Der Inverter I52 ist aus einem NMOS-Transistor T71 und einem PMOS-Transistor T72 gebildet.
  • Der Stromversorgungsanschluss des Inverters I51 ist mit dem des Inverters I52 verbunden. Der Transistor T51 ist zwischen dem Verbindungspunkt dieser Stromversorgungsanschlüsse und einem Stromversorgungsanschluss 215 einer Stromversorgungsspannung VDD geschaltet. Der Masseanschluss des Inverters I51 ist mit dem des Inverters I52 verbunden. Der Transistor T56 ist zwischen dem Verbindungspunkt dieser Masseanschlüsse und einem Masseanschluss 216 einer Massespannung GND geschaltet.
  • Der Ausgangsanschluss des Inverters I51 ist mit einem Eingangsanschluss A des Inverters I52 verbunden. Der Ausgangsanschluss des Inverters I52 ist mit einem Eingangsanschluss B des Inverters I51 verbunden. Die Inverter I51 und I52 bilden eine positive Rückkopplungsschaltung. Der Ausgangsanschluss des Inverters 152 korrespondiert mit einem Ausgangsanschluss Vout des Spannungskomparators 201 vom positiven Rückkopplungstyp.
  • Die Transistoren T52 und T53 sind in Reihe zwischen dem Eingangsanschluss A des Inverters I52 und dem Masseanschluss 216 geschaltet. Der Gate-Anschluss des Transistors T52 korrespondiert mit einem Eingangsanschluss 211 einer Vergleichsspannung Vin.
  • Die Transistoren T54 und T55 sind zwischen dem Eingangsanschluss B des Inverters I51 und dem Masseanschluss 216 geschaltet. Der Gate-Anschluss des Transistors T54 korrespondiert mit einem Eingangsanschluss 212 einer Referenzspannung Vref.
  • Der Eingang des Inverters I53 ist mit dem Eingangsanschluss A des Inverters I52 verbunden. Der Ausgang des Inverters I53 ist mit dem Gate-Anschluss des Transistors T53 verbunden. Der Eingang des Inverters I54 ist mit dem Eingangsanschluss B des Inverters I51 verbunden. Der Ausgang des Inverters I54 ist mit dem Gate-Anschluss des Transistors T55 verbunden.
  • In dem Spannungskomparator 201 mit einer solchen Schaltungsanordnung werden zuerst komplementäre Steuersignale CLp und CLn gesteuert, um die Transistoren T51 bzw. T56 auszuschalten. Es fließt kein Strom zu den Transistoren T61, T62, T71 und T72, und die Eingangsanschlüsse A und B befinden sich im schwebenden Zustand. Im Vergleichsbetrieb werden Potentiale zum Einschalten der Transistoren T52 und T54 an die Vergleichsspannung Vin und die Referenzspannung Vref angelegt. Aus diesem Grund werden die Eingangsanschlüsse A und B über die Transistoren T52, T53, T54 und T55 auf die Massespannung GND entladen.
  • Als nächstes werden die komplementären Steuersignale CLp und CLn gesteuert, um die Transistoren T51 bzw. T56 einzuschalten. Ein Strom fließt zu den Transistoren T61, T62, T71 und T72, und die Inverter I51 und I52 werden in betriebsfähigen Zustand gesetzt. Dies bildet den positiven Rückkopplungsweg der positiven Rückkopplungsschaltung umfassend die Inverter I51 und I52.
  • Unmittelbar nachdem der positive Rückkopplungsweg gebildet ist, befinden sich die beiden Eingangsanschlüsse A und B auf dem Massepotential GND. Von den Eingangsanschlüssen A und B wird einer mit einem höheren EIN-Widerstand für den Transistor T52 oder T54 auf das Stromversorgungspotential VDD eingestellt, und der andere mit einem niedrigeren EIN-Widerstand wird auf das Massepotential GND eingestellt. Wenn die Transistoren T52 und T54 NMOS-Transistoren sind, wie in 7 gezeigt, ist der EIN-Widerstand umgekehrt proportional zur Gatespannung. Die Größenbeziehung zwischen den EIN-Widerständen ist äquivalent zu der zwischen der Vergleichsspannung Vin und der Referenzspannung Vref. Daher können die Vergleichsspannung Vin und die Referenzspannung Vref miteinander verglichen werden.
  • Wenn aufgrund des vorherigen Vergleichsvorgangs Potentiale an den Eingangsanschlüssen A und B verbleiben, weist die Vergleichsspannung Vin oder die Referenzspannung Vref, die für den nächsten Spannungsvergleich eingegeben wird, einen Fehler auf, und ein präziser Spannungsvergleich ist unmöglich. Um dies zu verhindern, wenn ein Spannungsvergleich kontinuierlich durchgeführt werden soll, schaltet der Spannungskomparator 201 die Transistoren T51 und T56 durch Steuern der Steuersignale CLp und CLn aus, um die Eingangsanschlüsse A und B ausreichend auf das Massepotential GND zu entladen, und startet dann den nächsten Spannungsvergleich.
  • In diesem Fall werden, wenn die Transistoren T51 und T56 ausgeschaltet werden, in den Leitungskapazitäten der Eingangsanschlüsse A und B gespeicherte Ladungen über die Transistoren T52, T53, T54 und T55 entfernt. Die EIN-Widerstände der Transistoren T52 und T54 ändern sich jedoch abhängig von den Werten der Vergleichsspannung Vin und der Referenzspannung Vref. Wenn die EIN-Widerstände bis zu einem gewissen Ausmaß hoch sind, ist eine lange Zeit erforderlich, um die Potentiale an den Eingangsanschlüssen A und B auf das Massepotential GND zu reduzieren, um den nächsten Vergleichsvorgang vorzubereiten. Daher kann der Vergleichsvorgang nicht bei hoher Geschwindigkeit wiederholt werden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um das obige Problem zu lösen, und es ist ihre Aufgabe, einen Spannungskomparator bereitzustellen, der in der Lage ist, eine Referenzspannung und eine Vergleichsspannung in kurzen Zeitintervallen kontinuierlich zu vergleichen.
  • Um das obige Ziel zu erreichen, ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Spannungskomparator vorgesehen, umfassend eine positive Rückkopplungsschaltung mit ersten und zweiten Invertern, von denen jeder einen Eingangsanschluss aufweist, der mit einem Ausgangsanschluss des anderen Inverters verbunden ist, wobei die positive Rückkopplungsschaltung ein Potential eines Eingangsanschlusses des ersten Inverters mit einem Potential eines Eingangsanschlusses des zweiten Inverters vergleicht und das Vergleichsergebnis von einem Ausgangsanschluss des zweiten Inverters ausgibt, eine erste Eingangsschaltung zum Anlegen des ersten Potentials, das einer Eingangsvergleichsspannung entspricht, an den Eingangsanschluss des zweiten Inverters, eine zweite Eingangsschaltung zum Anlegen des zweiten Potentials, das einer Eingangsreferenzspannung entspricht, an den Eingangsanschluss des ersten Inverters, eine Steuerschaltung, die zwischen einem Stromversorgungsanschluss der positiven Rückkopplungsschaltung und einem Stromversorgungsanschluss geschaltet ist, wobei die Steuerschaltung eine Stromversorgungsspannung an die positive Rückkopplungsschaltung anlegt, wenn ein Eingangssteuersignal eine Vergleichsvorgangsperiode wiedergibt, um einen Spannungsvergleichsvorgang zum Vergleichen des ersten Potentials mit dem zweiten Potential durch die positive Rückkopplungsschaltung auszuführen, und das Anlegen der Stromversorgungsspannung beendet, um einen Ausgangszustand einzustellen, wenn das Steuersignal eine Initialisierungsperiode wiedergibt, eine erste Rücksetzschaltung, die zwischen dem Eingangsanschluss des zweiten Inverters und einem Masseanschluss eingefügt ist, um das erste Potential auf ein Massepotential zu reduzieren, wenn das Steuersignal die Initialisierungsperiode wiedergibt, und eine zweite Rücksetzschaltung, die zwischen dem Eingangsanschluss des ersten Inverters und dem Masseanschluss eingefügt ist, um das zweite Potential auf das Massepotential zu reduzieren, wenn das Steuersignal die Initialisierungsperiode wiedergibt, wobei die erste Eingangsschaltung einen zweiten MOSFET und einen dritten MOSFET aufweist, die in Reihe zwischen dem Eingangsanschluss des zweiten Inverters und dem Masseanschluss geschaltet sind, und die Vergleichsspannung an einen Gate-Anschluss des zweiten MOSFET angelegt wird,
    die zweite Eingangsschaltung einen vierten MOSFET und einen fünften MOSFET aufweist, die in Reihe zwischen dem Eingangsanschluss des ersten Inverters und dem Masseanschluss geschaltet sind, und die Referenzspannung an einen Gate-Anschluss des vierten MOSFET angelegt wird, und
    der dritte MOSFET und der fünfte MOSFET eingerichtet sind, sich in einem eingeschalteten Zustand zu befinden, wenn das Steuersignal auf den Stromversorgungsspannungspegel gesteuert wird, der die Initialisierungsperiode wiedergibt.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Schaltungsdiagramm, das einen Spannungskomparator 101 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 2 ist ein Zeitdiagramm, dass den Betrieb des Spannungskomparators 101 zeigt;
  • 3 ist ein Wellenformdiagramm, das den Entladevorgang eines Potentials Vb zeigt;
  • 4 ist ein Schaltungsdiagramm, das einen Spannungskomparator 102 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 5 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb des Spannungskomparators 102 zeigt;
  • 6 ist ein Schaltungsdiagramm, das einen Spannungskomparator 103 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
  • 7 ist ein Schaltungsdiagramm, das einen herkömmlichen Spannungskomparator 201 zeigt.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
  • 1 zeigt einen Spannungskomparator 101 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Spannungskomparator 101 vom positiven Rückkopplungstyp ist aus einem PMOS-Feldeffekttransistor T1, einem Inverter I1 (erster Inverter) und einem Inverter I2 (zweiter Inverter), NMOS-Feldeffekttransistoren T2 bis T7 und einem Inverter I3 (dritter Inverter) und einem Inverter I4 (vierter Inverter) aufgebaut. Der PMOS-Feldeffekttransistor (PMOSFET) und der NMOS-Feldeffekttransistor (NMOSFET) werden im Folgenden einfach als "Transistoren" bezeichnet, solange nicht anders angegeben.
  • Der Inverter I1 umfasst einen PMOS-Feldeffekttransistor T11 und einen NMOS-Feldeffekttransistor T12. Der Inverter I2 umfasst einen PMOS-Feldeffekttransistor T21 und einen NMOS-Feldeffekttransistor T22. Der Ausgangsanschluss des Inverters I1 ist mit einem Eingangsanschluss A des Inverters I2 verbunden. Der Ausgangsanschluss des Inverters I2 ist mit einem Eingangsanschluss B des Inverters I1 verbunden. Diese Inverter I1 und I2 bilden eine positive Rückkopplungsschaltung 122.
  • Der Stromversorgungsanschluss des Inverters I1 ist mit dem des Inverters I2 verbunden. Der Transistor T1 ist in Reihe zwischen dem Verbindungspunkt der Stromversorgungsanschlüsse und einem Verbindungsanschluss 115 (Stromversorgungsanschluss) einer Stromversorgungsspannung VDD geschaltet. Ein Eingangsanschluss 114 eines Steuersignals TC ist mit dem Gate-Anschluss des Transistors T1 verbunden. Der Transistor T1 bildet eine Steuerschaltung 121 zum Steuern der Stromversorgung an die Inverter I1 und I2.
  • Der Masseanschluss des Inverters I1 ist mit dem des Inverters I2 verbunden. Der Verbindungspunkt der Masseanschlüsse ist mit einem Verbindungsanschluss 116 (Masseanschluss) eines Massepotentials GND verbunden.
  • Der Eingangsanschluss A des Inverters I2 (Ausgangsanschluss des Inverters I1) ist mit der Senke des Transistors T2 verbunden. Der Gate-Anschluss des Transistors T2 ist mit einem Eingangsanschluss 111 einer Vergleichsspannung Vin verbunden. Die Quelle des Transistors T2 ist mit der Senke des Transistors T3 verbunden. Die Quelle des Transistors T3 ist mit dem Verbindungsanschluss 116 des Massepotentials GND verbunden. Der Eingangsanschluss des Inverters I3 ist mit dem Eingangsanschluss A des Inverters I2 verbunden. Der Ausgangsanschluss des Inverters I3 ist mit dem Gate-Anschluss des Transistors T3 verbunden.
  • Der Eingangsanschluss B des Inverters I1 (Ausgangsanschluss des Inverters I2) ist mit der Senke des Transistors T4 verbunden. Der Gate-Anschluss des Transistors T4 ist mit einem Eingangsanschluss 112 einer Referenzspannung Vref verbunden. Die Quelle des Transistors T4 ist mit der Senke des Transistors T5 verbunden. Die Quelle des Transistors T5 ist mit dem Verbindungsanschluss 116 des Massepotentials GND verbunden. Der Eingangsanschluss des Inverters I4 ist mit dem Eingangsanschluss B des Inverters I1 verbunden. Der Ausgangsanschluss des Inverters I4 ist mit dem Gate-Anschluss des Transistors T5 verbunden.
  • Die Transistoren T2 und T3 und der Inverter I3 bilden eine Eingangsschaltung 123 (erste Eingangsschaltung) auf der Seite der Vergleichsspannung Vin. Die Transistoren T4 und T5 und der Inverter I4 bilden eine Eingangsschaltung 124 (zweite Eingangsschaltung) auf der Seite der Referenzspannung Vref.
  • Der Eingangsanschluss B des Inverters I1 (Ausgangsanschluss des Inverters I2) ist mit einem Ausgangsanschluss 113 eines Ausgangs Vout des Spannungskomparators 101 verbunden.
  • Der Transistor 6 ist zwischen dem Eingangsanschluss A des Inverters I2 und dem Verbindungsanschluss 116 des Massepotentials GND geschaltet. Der Transistor T7 ist zwischen dem Eingangsanschluss B des Inverters I1 und dem Massepotential GND geschaltet. Die Gate-Anschlüsse der Transistoren T6 und T7 sind mit dem Eingangsanschluss 114 des Steuersignals TC verbunden.
  • Der Transistor T6 bildet eine Rücksetzschaltung 125 (erste Rücksetzschaltung). Der Transistor T7 bildet eine Rücksetzschaltung 126 (zweite Rücksetzschaltung) Als nächstes wird der Betrieb des Spannungskomparators 101 mit Bezug auf 2 beschrieben. 2 zeigt den Betrieb des Spannungskomparators 101.
  • Zur Zeit t1, wenn das Steuersignal TC auf den Pegel der Stromversorgungsspannung VDD gesteuert wird, um die Initialisierungsperiode zu beginnen, wird der Transistor T1 ausgeschaltet, und die Transistoren T6 und T7 werden eingeschaltet. Die Eingangsanschlüsse A und B der Inverter I2 und I1 werden über die Transistoren T6 und T7 entladen, und die Potentiale Va und Vb dieser Eingangsanschlüsse werden zum Massepotential GND.
  • Da die Eingangsanschlüsse A und B der Inverter I2 und I1 das Massepotential GND sind, werden die Ausgangssignale von den Invertern I3 und I4 auf den Pegel der Stromversorgungsspannung VDD eingestellt, um die Transistoren T3 und T5 einzuschalten.
  • Im Vergleichsbetrieb werden Potentiale zum Einschalten der Transistoren T2 und T4 als Vergleichsspannung Vin und Referenzspannung Vref angelegt. Da der Transistor T1 AUS ist, fließt kein Strom an den Spannungskomparator 101, und der Spannungskomparator 101 ist nicht in Betrieb. Dieser Zustand ist der Ausgangszustand.
  • Zur Zeit t2, wenn das Steuersignal TC auf den Pegel des Massepotentials GND gesteuert wird, um die Vergleichsbetriebsperiode zu beginnen, wird der Transistor T1 eingeschaltet, und die Transistoren T6 und T7 werden ausgeschaltet. Strom fließt an die Transistoren T11, T21, T12 und T22. Die Inverter I1 und I2 arbeiten, um den positiven Rückkopplungsweg der positiven Rückkopplungsschaltung zu bilden.
  • Zu dieser Zeit fließt der Strom durch den Weg der Stromversorgungsspannung VDD → Transistor T1 → T11 → T2 → T3 → Massepotential GND und den Weg der Stromversorgungsspannung VDD → Transistor T1 → T21 → T4 → T5 → Massepotential GND, so dass die Potentiale Va und Vb der Eingangsanschlüsse A und B ansteigen.
  • Die Transistoren T2 und T4 weisen abhängig von der Differenz zwischen der Vergleichsspannung Vin und der Referenzspannung Vref unterschiedliche EIN-Widerstände auf. Aus diesem Grund wird eines der Potentiale Va und Vb, das einen höheren EIN-Widerstand aufweist, hoch.
  • Wie in 2 gezeigt, ist zum Beispiel der EIN-Widerstand des Transistors T4 höher als der des Transistors T2, wenn Vergleichsspannung Vin > Referenzspannung Vref und das Potential Vb ist höher als das Potential Va.
  • Da die Inverter I1 und I2 die Beziehung der positiven Rückkopplung aufweisen, wird die kleine Potentialdifferenz zwischen den Eingangsanschlüssen A und B verstärkt. Wenn die Differenz zwischen den Potentialen Va und Vb bis zu einem gewissen Grad groß wird, d.h. zur Zeit t3, arbeitet der positive Rückkopplungsweg, um eines der Potentiale Va und Vb auf den Pegel der Stromversorgungsspannung VDD und das andere auf den Pegel des Massepotentials GND einzustellen.
  • Für einen der Eingangsanschlüsse A und B, der das Potential Va oder Vb gleich der Stromversorgungsspannung VDD aufweist, wird der Weg der Stromversorgungsspannung VDD → Transistor T1 → T21 → T4 → T5 → Massepotential GND oder der Weg der Stromversorgungsspannung VDD → Transistor T1 → T11 → T2 → T3 → Massepotential GND gebildet. Da sich der Ausgang von dem Inverter I3 oder I4 auf der gleichen Seite wie der des Potentials Va oder Vb gleich der Stromversorgungsspannung VDD auf dem Massepotential GND befindet, wird der Transistor T3 oder T4 ausgeschaltet, und der Gleichstrom, der auf dem Weg fließt, wird abgeschaltet.
  • Mit Bezug auf 2 wird die Differenz zwischen den Potentialen Va und Vb zur Zeit t3 zu einem gewissen Grad groß. Diese Potentialdifferenz wird verstärkt, um das niedrigere Potential Va auf das Massepotential GND und das höhere Potential Vb auf das Stromversorgungspotential VDD einzustellen.
  • Das Potential Va wird der Ausgang Vout von dem Spannungskomparator 101, und die Stromversorgungsspannung VDD, die die Vergleichsspannung Vin > Referenzspannung Vref wiedergibt, wird von dem Ausgangsanschluss 113 ausgegeben.
  • In Übereinstimmung mit dem Spannungskomparator 101 werden der Vergleichsspannungseingangsanschluss Vin und der Ausgangsanschluss A durch den Transistor T2 getrennt, und der Referenzspannungseingangsanschluss Vref und der Ausgangsanschluss B werden durch den Transistor T4 getrennt. Daher können Kickbackgeräusche, die in dem Spannungskomparator vom positiven Rückkopplungstyp erzeugt werden, vermieden werden. Zusätzlich können ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb und ein niedriger Stromverbrauch gleichzeitig realisiert werden.
  • Um einen neuen Spannungsvergleichsvorgang auszuführen, wird danach zur Zeit t4 das Steuersignal TC gesteuert, um den gesamen Spannungskomparator 101 in den Ausgangszustand zu setzen.
  • Zur Zeit t4 wird der Transistor T1 ausgeschaltet, um die Stromversorgung an die Inverter I1 und I2 zu stoppen, wenn sich das Steuersignal TC an der Stromversorgungsspannung VDD befindet. Die Eingangsanschlüsse Va und Vb befinden sich im schwebenden Zustand.
  • Wenn sich das Steuersignal TC jedoch auf die Stromversorgungsspannung VDD ändert, werden die Transistoren T6 und T7 eingeschaltet, so dass die Potentiale Va und Vb über die Transistoren T6 und T7 auf das Massepotential GND reduziert werden.
  • Da die ausreichend hohe Stromversorgungsspannung VDD als Steuersignal TC an die Gate-Anschlüsse der Transistoren T6 und T7 angelegt wird, weisen die Transistoren T6 und T7 normalerweise ausreichend niedrigere EIN-Widerstände auf als die der Transistoren T2 und T4 mit Gate-Anschlüssen, an die die Vergleichsspannung Vin und die Referenzspannung Vref niedriger als die Stromversorgungsspannung VDD angelegt werden.
  • Verglichen mit einem Fall, in dem die Potentiale Va und Vb über die Transistoren T2 und T4 reduziert werden, können die Potentiale Va und Vb über die Transistoren T6 und T7 in kurzer Zeit verlässlich auf das Massepotential GND reduziert werden.
  • 3 zeigt den Entladevorgang des Potentials Vb. Eine Wellenform 3l zeigt eine Änderung im Potential Vb, wenn der Anschluss durch Anwenden der vorliegenden Erfindung über den Transistor T7 entladen wird. Ein Wellenform 32 zeigt eine Änderung im Potential Vb, wenn der Anschluss über den Transistor T7 (7) wie im Stand der Technik entladen wird.
  • Wie aus 3 ersichtlich ist, wird das Potential Vb in der herkömmlichen Wellenform 32 mit großer Verzögerung (in diesem Beispiel etwa 2 ns) von der führenden Flanke des Steuersignals TC auf das Massepotential GND reduziert. Gemäß der Wellenform 31 der vorliegenden Erfindung wird das Potential Vb jedoch mit geringer Verzögerung (in diesem Beispiel etwa 0,5 ns) von der führenden Flanke des Steuersignals TC auf das Massepotential GND reduziert.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Zeit, nachdem das Steuersignal TC gestiegen ist, bis die Potentiale Va und Vb auf den Pegel des Massepotentials GND reduziert werden, d.h. die für die Vorbereitung des nächsten Spannungsvergleichsvorgangs benötigte Zeit, stark verkürzt werden, und der Spannungsvergleichsvorgang kann in einem sehr kurzen Zeitintervall wiederholt durchgeführt werden.
  • In dieser Ausführungsform kann der P-Kanal-MOSFET T1 durch einen N-Kanal-MOSFET ersetzt werden, und die N-Kanal-MOSFETs T2 bis T7 können durch P-Kanal-MOSFETs ersetzt werden.
  • Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 4 beschrieben.
  • 4 zeigt einen Spannungskomparator 102 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dem Spannungskomparator 101 gemäß der ersten Ausführungsform (1) werden die Transistoren T2 und T4 immer ausgeschaltet, wenn die Referenzspannung Vref und die Eingangsspannung Vin gleich oder niedriger als die Schwellenspannung Vth sind. Daher können eine Referenzspannung Vref und eine Eingangsspannung Vin zwischen dem Pegel des Massepotentials GND zur Schwellenspannung Vth nicht verglichen werden.
  • Der Spannungskomparator 102 dieser Ausführungsform unterscheidet sich in den folgenden Punkten von dem Spannungskomparator 101 der ersten Ausführungsform. Ein kapazitives Element C1 ist zwischen der Quelle eines Transistors T2 und dem Gate-Anschluss eines Transistors T3 eingefügt, der Inverter I3 wird weggelassen, und der Gate-Anschluss des Transistors T3 ist mit einem Verbindungsanschluss 114 eines Steuersignals TC verbunden. Zusätzlich ist ein kapazitives Element C2 zwischen der Quelle eines Transistors T4 und dem Gate-Anschluss eines Transistors T5 eingefügt, der Inverter I4 wird weggelassen, und der Gate-Anschluss des Transistors T5 ist mit dem Verbindungsanschluss 114 des Steuersignals TC verbunden.
  • Die Transistoren T2 und T3 und das kapazitive Element C1 bilden eine Eingangsschaltung 123A (erste Eingangsschaltung) auf einer Seite der Vergleichsspannung Vin. Die Transistoren T4 und T5 und das kapazitive Element C2 bilden eine Eingangsschaltung 124A (zweite Eingangsschaltung) auf einer Seite der Referenzspannung Vref.
  • Als nächstes wird der Betrieb des Spannungskomparators 102 mit Bezug auf 5 beschrieben. 5 zeigt den Betrieb des Spannungskomparators 102.
  • Zur Zeit T1, wenn das Steuersignal auf einen Pegel der Stromversorgungsspannung VDD gesteuert wird, um die Initialisierungsperiode zu beginnen, wird der Transistor T1 ausgeschaltet, und die Transistoren T6 und T7 werden eingeschaltet. Die Potentiale Va und Vb der Eingangsanschlüsse A und B der Inverter I2 und I1 werden über die Transistoren T6 und T7 auf ein Massepotential GND reduziert.
  • Da sich das Steuersignal TC auf der Stromversorgungsspannung VDD befindet, werden die Transistoren T3 und T5 eingeschaltet. Ein Potential Vc eines Verbindungspunktes C zwischen dem Transistor T2 und dem kapazitiven Element C1 und ein Potential Vd eines Verbindungspunktes D zwischen dem Transistor T4 und dem kapazitiven Element C2 befinden sich auf dem Pegel des Massepotentials GND. Daher werden Änderungen, die der Stromversorgungsspannung VDD entsprechen, über die kapazitiven Elemente C1 und C2 gespeichert.
  • In dem Vergleichsbetrieb werden Potentiale zum Einschalten der Transistoren T2 und T4 als Vergleichsspannung Vin bzw. Referenzspannung Vref angelegt. Da der Transistor T1 AUS ist, fließt kein Strom an den Spannungskomparator 102, und der Spannungskomparator 102 ist nicht in Betrieb. Dieser Zustand ist der Ausgangszustand.
  • Zur Zeit t2, wenn das Steuersignal TC auf den Pegel des Massepotentials GND gesteuert wird, um die Vergleichsbetriebsperiode zu beginnen, wird der Transistor T1 eingeschaltet, und die Transistoren T6 und T7 werden ausgeschaltet.
  • Strom fließt zu den Transistoren T11, T21, T12 und T22. Die Inverter I1 und I2 arbeiten, um den positiven Rückkopplungsweg der positiven Rückkopplungsschaltung zu bilden.
  • Zu dieser Zeit werden die Transistoren T3 und T5 ausgeschaltet. Die Potentiale Vc und Vd auf dem Pegel des Massepotentials GND im Ausgangszustand werden durch die Bootstrapfunktion der kapazitiven Elemente C1 und C2 zeitweise auf den Pegel-VDD reduziert, weil sich das Steuersignal TC an dem Pegel des Massepotentials GND befindet.
  • In dem Transistor T3 wird das Potential des Anschlusses auf der Seite des Verbindungspunktes C niedriger als das des Anschlusses auf der Seite des Massepotentials GND, und der Anschluss der Seite des Verbindungspunktes C dient als Quelle. Aus diesem Grund wird zwischen dem Verbindungspunkt C und dem Substrat einen Vorwärts-p-n-Übergang gebildet. Das Potential Vc des Verbindungspunktes C wird über den p-n-Übergang auf eine Vorwärts-EIN-Spannung Vth des PN-Übergangs reduziert. Der Transistor T5 arbeitet auf die gleiche Weise, und die Potentiale Vc und Vd werden bei – Vth gehalten.
  • Die Potentiale der Verbindungspunkte C und D, d.h. die Quellenpotentiale der Transistoren T2 und T4 sind – Vth. Aus diesem Grund werden die Transistoren T2 und T4 eingeschaltet, wenn sich die Gatepotentiale fast auf dem Pegel des Massepotentials GND befinden.
  • Selbst wenn die Vergleichsspannung Vin und die Referenzspannung Vref nahe dem Pegel des Massepotentials GND eingegeben werden, fließt der Strom zu dem Weg der Stromversorgungsspannung VDD → Transistor T1 → T11 → T2 → kapazitives Element C1 (-Vth) und dem Weg der Stromversorgungsspannung VDD → Transistor T1 → T21 → T4 → kapazitives Element C2 (-Vth), und die Potentiale Va und Vb der Eingangsanschlüsse A und B steigen.
  • Die Transistoren T2 und T4 weisen abhängig von der Differenz zwischen der Vergleichsspannung Vin und der Referenzspannung Vref unterschiedliche EIN-Widerstände auf. Aus diesem Grund wird eines der Potentiale Va und Vb, das einen höheren EIN-Widerstand aufweist, hoch.
  • Wie in 5 gezeigt, ist zum Beispiel der EIN-Widerstand des Transistors T4 höher als der des Transistors T2, wenn Vergleichsspannung Vin > Referenzspannung Vref, und das Potential Vb ist höher als das Potential Va.
  • Da die Inverter I1 und I2 die Beziehung der positiven Rückkopplung aufweisen, wird die kleine Potentialdifferenz zwischen den Eingangsanschlüssen A und B verstärkt. Wenn die Differenz zwischen den Potentialen Va und Vb bis zu einem gewissen Grad groß wird, d.h. zur Zeit t3, arbeitet der positive Rückkopplungsweg, um eines der Potentiale Va und Vb auf den Pegel der Stromversorgungsspannung VDD und das andere auf den Pegel des Massepotentials GND einzustellen.
  • Für einen der Eingangsanschlüsse A und B, der das Potential Va oder Vb gleich der Stromversorgungsspannung VDD aufweist, wird der Weg der Stromversorgungsspannung VDD → Transistor T1 → T21 → T4 → kapazitives Element C1 oder der Weg der Stromversorgungsspannung VDD → Transistor T1 → T11 → T2 → kapazitives Element C2 gebildet. Wenn der Verbindungspunkt C oder der Verbindungspunkt D mit dem Pegel der Stromversorgungsspannung VDD geladen wird, fließt der Ladestrom jedoch nicht.
  • Mit Bezug auf 5 wird die Differenz zwischen den Potentialen Va und Vb zur Zeit t3 zu einem gewissen Grad groß. Diese Potentialdifferenz wird verstärkt, um das niedrigere Potential Va auf das Massepotential GND und das höhere Potential Vb auf das Stromversorgungspotential VDD einzustellen.
  • Das Potential Vb ist ein Ausgang Vout des Spannungskomparators 102, und der Pegel der Stromversorgungsspannung VDD, die die Vergleichsspannung Vin > Referenzspannung Vref wiedergibt, wird von einem Ausgangsanschluss 113 ausgegeben.
  • In Übereinstimmung mit dem Spannungskomparator 102 werden der Vergleichsspannungseingangsanschluss Vin und der Ausgangsanschluss A durch den Transistor T2 getrennt, und der Referenzspannungseingangsanschluss Vref und der Ausgangsanschluss B werden durch den Transistor T4 getrennt. Daher können Kickbackgeräusche, die in dem Spannungskomparator vom positiven Rückkopplungstyp erzeugt werden, vermieden werden. Zusätzlich können ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb und ein niedriger Stromverbrauch gleichzeitig realisiert werden.
  • Um einen neuen Spannungsvergleichsvorgang durchzuführen, wird danach zur Zeit t4 das Steuersignal TC gesteuert, um den gesamten Spannungskomparator 102 in den Ausgangszustand zu setzen.
  • Wenn sich das Steuersignal TC zur Zeit t4 auf der Stromversorgungsspannung VDD befindet, werden die Transistoren T3 und T5 eingeschaltet, und die Potentiale Vc und Vd der Verbindungspunkte C und D werden auf den Pegel des Massepotentials GND gesetzt.
  • Zusätzlich wird der Transistor T1 ausgeschaltet, um die Stromzufuhr an die Inverter I1 und I2 zu beenden. Die Eingangsanschlüsse Va und Vb befinden sich im schwebenden Zustand.
  • Wenn sich das Steuersignal TC jedoch auf die Stromversorgungsspannung VDD ändert, werden die Transistoren T6 und T7 eingeschaltet, so dass die Potentiale Va und Vb über die Transistoren T6 und T7 auf das Massepotential GND reduziert werden.
  • Da die ausreichend hohe Stromversorgungsspannung VDD als Steuersignal TC an die Gate-Anschlüsse der Transistoren T6 und T7 angelegt wird, weisen die Transistoren T6 und T7 normalerweise ausreichend niedrigere EIN-Widerstände auf als die der Transistoren T2 und T4 mit Gate-Anschlüssen, an die die Vergleichsspannung Vin und die Referenzspannung Vref niedriger als die Stromversorgungsspannung VDD, z.B. nahe dem Pegel des Massepotentials GND, angelegt werden.
  • Verglichen mit einem Fall, in dem die Potentiale Va und Vb über die Transistoren T2 und T4 reduziert werden, können die Potentiale Va und Vb über die Transistoren T6 und T7 in kurzer Zeit verlässlich auf das Massepotential GND reduziert werden.
  • Gemäß einer zweiten Ausführungsform kann der Spannungsvergleichsvorgang wie in der ersten Ausführungsform in einem sehr kurzen Zeitintervall wiederholt werden. Zusätzlich können die Spannungen, selbst wenn die Vergleichsspannung Vin oder die Referenzspannung Vref gleich oder niedriger als die Schwellenspannung Vth des NMOSFET ist, präzise verglichen werden, was zu einer großen Erhöhung des dynamischen Bereichs des Spannungskomparators führt. Als Spannungskomparator 102 kann ein dynamischer Bereich sichergestellt werden, der doppelt so groß oder mehr wie der einer herkömmlichen Schaltung ist, insbesondere wenn ein Spannungskomparator durch den existierenden CMOS-Prozess gebildet wird, der eine Schwellenspannung von etwa 0,5 V aufweist und bei einer Stromversorgungsspannung von 1 V oder weniger arbeitet.
  • Anders als in der ersten Ausführungsform kann nur eine der Eingangsschaltungen 123A und 124A dieser Ausführungsform verwendet werden, wie erforderlich. Wenn diese Anordnung auf den in 7 gezeigten herkömmlichen Spannungskomparator 201 angewendet wird, können Spannungen präzise verglichen werden, selbst wenn die Vergleichsspannung Vin oder die Referenzspannung Vref gleich der oder niedriger als die Schwellenspannung Vth des NMOSFET ist, und der dynamische Bereich des Spannungskomparators kann stark erhöht werden.
  • Als nächstes wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 6 beschrieben.
  • 6 zeigt einen Spannungskomparator 103 gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dem Spannungskomparator 102 der zweiten Ausführungsform (4) sind die kapazitiven Elemente C1 und C2 zwischen den Verbindungspunkten C bzw. D und dem Steuersignal TC eingefügt.
  • In der dritten Ausführungsform sind anstelle der kapazitiven Elemente C 1 und C2 kapazitive Elemente C3 und C4 eingefügt, und eine durch Inverter I5 und I6 aufgebaute Pufferschaltung 143 wird verwendet, um die kapazitiven Elemente C3 und C4 anzutreiben.
  • Der Eingang des Inverters I5 ist mit einem Verbindungsanschluss 114 eines Steuersignals TC verbunden. Der Ausgang des Inverters I5 ist mit dem Eingang des Inverters I6 verbunden. Der Ausgang des Inverters I6 ist mit einem Anschluss jedes der kapazitiven Elemente C3 und C4 verbunden. Der andere Anschluss jedes der kapazitiven Elemente C3 und C4 ist mit einem entsprechenden der Verbindungspunkte C und D verbunden.
  • Die Transistoren T2 und T3, das kapazitive Element C3 und die Pufferschaltung 143 bilden eine Eingangsschaltung 123B (erste Eingangsschaltung) auf der Seite der Vergleichsspannung Vin. Die Transistoren T4 und T5, das kapazitive Element C4 und die Pufferschaltung bilden eine Eingangsschaltung 124 (zweite Eingangsschaltung) auf der Seite der Referenzspannung Vref. Wie in dem Spannungskomparator 102 gemäß der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform wird ein Signal in Phase mit dem Steuersignal TC an die kapazitiven Elemente C3 und C4 angelegt, und der gleiche Betrieb wie in 5 wird ausgeführt.
  • Daher können die Spannungen wie in der zweiten Ausführungsform präzise verglichen werden, selbst wenn die Vergleichsspannung Vin oder die Referenzspannung Vref gleich der oder niedriger als die Schwellenspannung Vth des NMOSFET ist, und der dynamische Bereich des Spannungskomparators kann stark erhöht werden. Zusätzlich sind die kapazitiven Elemente C3 und C4 durch die Inverter I5 und I6 von dem Eingangsanschluss 114 des Steuersignals TC getrennt. Aus diesem Grund kann die Eingangslast, von dem Steuersignalanschluss TC gesehen, in dem Spannungskomparator 103 der dritten Ausführungsform reduziert werden, die kapazitiven Elemente C3 und C4 können bei niedriger Impedanz angetrieben werden, und ein präziser Hochgeschwindigkeits-Vergleichsbetrieb kann realisiert werden.
  • Anders als in der ersten Ausführungsform kann nur eine der Eingangsschaltungen 123A und 124A dieser Ausführungsform verwendet werden, wie erforderlich. Wenn diese Anordnung auf den in 7 gezeigten herkömmlichen Spannungskomparator 201 angewendet wird, kann der dynamische Bereich des Spannungskomparators stark erhöht werden, und ein präziser Hochgeschwindigkeits-Vergleichsbetrieb kann realisiert werden, wie oben beschrieben.
  • Wie oben beschrieben wurde, wird gemäß der vorliegenden Erfindung die erste Rücksetzschaltung zwischen dem Masseanschluss und dem Eingangsanschluss des zweiten Inverters eingefügt, die die positive Rückkopplungsschaltung bilden, und die zweite Rücksetzschaltung wird zwischen dem Masseanschluss und dem Eingangsanschluss des ersten Inverters eingefügt, die die positive Rücksetzschaltung bilden. Wenn das Steuersignal die Initialisierungsperiode wiedergibt, werden die ersten und zweiten Rücksetzschaltungen betrieben, um das erste Potential des Eingangsanschlusses des zweiten Inverters und das zweite Potential des Einganganschlusses des ersten Inverters auf das Massepotential zu reduzieren. Mit dieser Anordnung kann die Zeit, nachdem die Initialisierungsperiode beginnt, bis die ersten und zweiten Potentiale auf das Massepotential reduziert werden, d.h. die Zeit, die erforderlich ist, um den nächsten Spannungsvergleichsbetrieb vorzubereiten, stark verkürzt werden. Daher kann der Spannungsvergleichsbetrieb wiederholt in sehr kurzen Zeitintervallen durchgeführt werden.

Claims (6)

  1. Spannungskomparator, umfassend: eine positive Rückkopplungsschaltung (122) mit ersten und zweiten Invertern (I1, I2), von denen jeder einen Eingangsanschluss aufweist, der mit einem Ausgangsanschluss des anderen Inverters verbunden ist, wobei die positive Rückkopplungsschaltung ein Potential (Vb) eines Eingangsanschlusses (B) des ersten Inverters (I1) mit einem Potential (Va) eines Eingangsanschlusses (A) des zweiten Inverters (I2) vergleicht und das Vergleichsergebnis von einem Ausgangsanschluss (113) des zweiten Inverters ausgibt; eine erste Eingangsschaltung (123) zum Anlegen des ersten Potentials (Va), das einer Eingangsvergleichsspannung (Vin) entspricht, an den Eingangsanschluss des zweiten Inverters; eine zweite Eingangsschaltung (124) zum Anlegen des zweiten Potentials (Vb), das einer Eingangsreferenzspannung (Vref) entspricht, an den Eingangsanschluss des ersten Inverters; eine Steuerschaltung (121), die zwischen einem Stromversorgungsanschluss der positiven Rückkopplungsschaltung und einem Stromversorgungsanschluss (115) geschaltet ist, wobei die Steuerschaltung eine Stromversorgungsspannung (VDD) an die positive Rückkopplungsschaltung anlegt, wenn ein Eingangssteuersignal (TC) eine Vergleichsvorgangsperiode wiedergibt, um einen Spannungsvergleichsvorgangsschritt zum Vergleichen des ersten Potentials mit dem zweiten Potential durch die positive Rückkopplungsschaltung auszuführen, und das Anlegen der Stromversorgungsspannung beendet, um einen Ausgangszustand einzustellen, wenn das Steuersignal eine Initialisierungsperiode wiedergibt; eine erste Rücksetzschaltung (125), die zwischen dem Eingangsanschluss des zweiten Inverters und einem Masseanschluss (116) eingefügt ist, um das erste Potential auf ein Massepotential (GND) zu reduzieren, wenn das Steuersignal die Initialisierungsperiode wiedergibt; und eine zweite Rücksetzschaltung (126), die zwischen dem Eingangsanschluss des ersten Inverters und dem Masseanschluss eingefügt ist, um das zweite Potential auf das Massepotential zu reduzieren, wenn das Steuersignal die Initialisierungsperiode wiedergibt, wobei die erste Eingangsschaltung (123) einen zweiten MOSFET (T2) und einen dritten MOSFET (T3) aufweist, die in Reihe zwischen dem Eingangsanschluss des zweiten Inverters und dem Masseanschluss geschaltet sind, die Vergleichsspannung an einen Gate-Anschluss des zweiten MOSFET angelegt wird, die zweite Eingangsschaltung (124) einen vierten MOSFET (T4) und einen fünften MOSFET (T5) aufweist, die in Reihe zwischen dem Eingangsanschluss des ersten Inverters und dem Masseanschluss geschaltet sind, die Referenzspannung an einen Gate-Anschluss des vierten MOSFET angelegt wird, und der dritte MOSFET (T3) und der fünfte MOSFET (T5) eingerichtet sind, sich in einem eingeschalteten Zustand zu befinden, wenn das Steuersignal (TC) auf den Stromversorgungsspannungs(VDD)-Pegel gesteuert wird, der die Initialisierungsperiode wiedergibt.
  2. Komparator nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung zwischen der positiven Rückkopplungsschaltung und dem Stromversorgungsanschluss geschaltet ist und einen ersten MOSFET (T1) mit einem Gate-Anschluss aufweist, dem das Steuersignal zugeführt wird.
  3. Komparator nach Anspruch 1, wobei die erste Rücksetzschaltung zwischen dem Eingangsanschluss des zweiten Inverters und dem Masseanschluss geschaltet ist und einen MOSFET (T6) mit einem Gate-Anschluss aufweist, dem das Steuersignal zugeführt wird, und die zweite Rücksetzschaltung zwischen dem Eingangsanschluss des ersten Inverters und dem Masseanschluss geschaltet ist und einen MOSFET (T7) mit einem Gate-Anschluss aufweist, dem das Steuersignal (TC) zugeführt wird.
  4. Komparator nach Anspruch 1, wobei die erste Eingangsschaltung einen dritten Inverter (I3) mit einem Eingang aufweist, der mit dem Eingangsanschluss des zweiten Inverters verbunden ist, ein Ausgang des dritten Inverters mit einem Gate-Anschluss des dritten MOSFET verbunden ist, die zweite Eingangsschaltung einen vierten Inverter (I4) mit einem Eingang aufweist, der mit dem Eingangsanschluss des ersten Inverters verbunden ist, und ein Ausgang des vierten Inverters mit einem Gate-Anschluss des fünften MOSFET verbunden ist.
  5. Komparator nach Anspruch 1, wobei die erste Eingangsschaltung ein erstes kapazitives Element (C1) aufweist, das zwischen einem Verbindungspunkt (C) der zweiten und dritten MOSFETs und einem Gate-Anschluss des dritten MOSFET geschaltet ist, die zweite Eingangsschaltung ein zweites kapazitives Element (C2) aufweist, das zwischen einem Verbindungspunkt (D) der vierten und fünften MOSFETs und einem Gate-Anschluss des fünften MOSFET geschaltet ist, und das Steuersignal (TC) dem Gate-Anschluss des dritten MOSFET und dem Gate-Anschluss des fünften MOSFET zugeführt wird.
  6. Komparator nach Anspruch 1, wobei die erste Eingangsschaltung eine Pufferschaltung (143) mit einem Eingang, dem das Steuersignal (TC) zugeführt wird, und ein drittes kapazitives Element (C3), das zwischen einem Verbindungspunkt (C) der zweiten und dritten MOSFETs und einem Ausgang der Pufferschaltung geschaltet ist, aufweist, die zweite Eingangsschaltung ein viertes kapazitives Element (C4) aufweist, das zwischen einem Verbindungspunkt (D) der vierten und fünften MOSFETs und einem Ausgang der Pufferschaltung geschaltet ist, und das Steuersignal (TC) dem Gate-Anschluss des dritten MOSFET und dem Gate-Anschluss des fünften MOSFET zugeführt wird.
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