FI97262C - Tulosignaalin kynnysarvon ylityksen virtaa säästävä ilmaisu - Google Patents

Description

97262

Tulosignaalin kynnysarvon ylityksen virtaa säästävä ilmaisu - Strömsnäl detek-tering av överskriden insignaltröskel

Keksinnön kohteena on menetelmä ja vertailupiiri tulosignaalin tason kynnysarvon 5 ylityksen ilmaisemiseksi virtaa säästävällä piirillä.

Matkapuhelimissa tunnettuna ongelmana ovat virtalähteiden eli akkujen rajallinen kapasiteetti ja niiden suhteellisen lyhyt käyttöaika latausten välillä. Kun pyrkimyksenä on pidentää matkapuhelimen käyttöaikaa akun latausten välillä, kytketään kaikki puhelimen piirit pois päältä kun niitä ei käytetä. Kuitenkin esimerkiksi puhe-10 limen virransyöttöpiirien eräät osat ovat jatkuvasti kytkettyinä akkuun, jolloin ny kyisissä laitteissa akusta kulkee jatkuva noin 400-500 μΑ purkausvirta. Lisäksi akusta purkautuu sen oma itsepurkausvirta, suuruudeltaan noin 100 μΑ. Kun akku-paketti on kiinni puhelimessa ja sen kapasiteetti on esim. 400 mAh, akkupaketti purkautuu noin 28 vuorokaudessa, vaikka puhelinta ei käytetä (400 mAh/(500 μΑ + 15 100 μΑ) = 667 h = 28 vrk).

Eräs virransyöttöpiirien osa on jännitekomparaattori, jolla on pystyttävä tulojännit-teen tarkkaan ilmaisuun eli jännitevertailuun. Tällöin analogisen tulonastan jännite on ilmaistava hyvin tarkkaan tietyn mikropiirin käynnistämiseksi, ja tällöin myös tulosignaalin ilmaisimen kynnysarvon on oltava tarkka. Laitteen ei tule toimia, jos 20 nastassa ei ole tätä tiettyä jännitettä, ja toisaalta laite on kytkettävä toimintaan heti kun tämä tietty jännite on saatavissa.

Tekniikan tason kyseeseen tulevia vertailupiirejä tarkastellaan esimerkin avulla oheisiin kuviin 1 ja 2 viitaten, joista kuva 1 esittää tulosignaalin tarkkaa ilmaisinrat-kaisua eli vertailupiiriä ja kuva 2 sen signaaleja tulosignaalin jännitetason funktiona. 25 Kuvassa 1 on komparaattori 1, joka vertaa tulosignaalia VIN tarkkaan referenssijän-nitteeseen VREF. Komparaattori 1 kytkee lähtöjännitteen VOUT päälle, kun tulo-jännite VIN ylittää referenssijännitteen VREF. Kuvassa 2 on tulosignaalin tarkan ilmaisinratkaisun signaaleja tulosignaalin jännitetason funktiona. Kuvassa tulojänni-tettä VIN on kuvattu käyrällä 2 ja lähtöjännitettä VOUT käyrällä 3. Komparaattori 1 30 kytkee lähtöjännitteen VOUT päälle, kun tulojännite VIN ylittää referenssijännitteen VREF.

Kun matkapuhelimessa on käytössä edellä selitetyn kaltainen ratkaisu jännitteen ilmaisemiseksi, on akun purkausvirta lisäksi aivan liian suuri litium-akulle. Litium-akun käyttäminen olisi mielenkiintoista, mutta tapauksesta riippuen sitä saa jatku- 97262 2 vasti purkaa enintään 10-100 μ A virralla. Tekniikan tason ratkaisuissa litium-akun käyttö ei ole mahdollista ilman kovokytkintä tai muuta vastaavaa kytkentää.

Keksinnön tavoitteena on nyt pienentää edellä selitettyä purkausvirtaa, ja tämän tehtävän toteuttamiseksi tutkitaan lähemmin edellä mainittua komparaattoripiiriä.

5 Tavoitteen saavuttamiseksi keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista, että tulosignaali ensin johdetaan ensimmäiselle vertailuelimelle, joka tuottaa lähtöönsä välilähtösignaalin vain kun tulosignaalin taso on karkean referenssijännitteen yläpuolella; välilähtösignaali kytkee päälle toisen vertailuelimen; ja tulosignaali johdetaan myös toiselle vertailuelimelle, joka tuottaa lähtöönsä ilmaisusignaalin vain 10 kun tulosignaalin taso on tarkan referenssijännitteen yläpuolella. Tällöin oletetaan, että tarkan referenssijännitteen absoluuttinen arvo on suurempi kuin karkean referenssijännitteen absoluuttinen arvo. Edullisessa tapauksessa välilähtösignaali myös kytkee päälle tarkan referenssijännitteen generaattorin.

Keksinnön mukaisen menetelmän toteuttava vertailupiiri toteutetaan edullisesti niin, 15 että ensimmäinen vertailuelin on transistorikytkin, jolloin karkea referenssijännite on transistorin kynnysjännite. Transistorikytkimenä voi olla NPN-transistori, jonka kynnysjännite on noin 0,7 V; tällöin transistorin virtapiiri mitoitetaan niin, että sen jännitelähteestä ottama virta on pieni, edullisesti suuruusluokkaa 100 μΑ, kun tulo-jännite on pienempi kuin karkea referenssijännite.

20 Keksinnön mukaisen ratkaisun etuna on, että laitteen virtalähteenä voidaan käyttää litium-akkua.

Keksinnön muita ominaisuuksia ja etuja ilmenee seuraavan suoritusesimerkin avulla, jota yksityiskohtaisesti selitetään oheiseen piirustukseen viitaten, jossa: kuvat 1 ja 2 esittävät jo edellä selitettyä tekniikan tasoa, 25 kuva 3 esittää tulosignaalin keksinnön mukaisen tarkan ilmaisinratkaisun lohkokaaviona, kuva 4 esittää kuvan 3 ilmaisimen signaaleja tulosignaalin jännitetason funktiona, ja kuva 5 esittää kuvan 3 ilmaisimen piirikaavion.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä tulosignaalin tason kynnysarvon ylitys ilmais-30 taan vertailuelimen ja siihen johdetun referenssijännitteen avulla. Menetelmää voidaan toteuttaa vaiheissa, jolloin kuvien 3 ja 4 merkintöjä avuksi käyttäen: tl 111:1 an 11 11-1«·· < 3 97262 a) tulosignaali VIN (5) johdetaan ensimmäiselle vertailuelimelle eli transistorille 4 (POWER DOWN), joka tuottaa lähtöönsä välilähtösignaalin PWD (6) vain kun tulosignaalin VIN (5) taso on karkean referenssijännitteen VREF1 yläpuolella; b) välilähtösignaali PWD (6) kytkee päälle toisen vertailuelimen 1 (COMPARA-5 TOR) ja tarkan referenssijännitteen VREF2 generaattorin (9, kuvassa 5); ja c) tulosignaali VIN (5) johdetaan myös toiselle vertailuelimelle 1, joka tuottaa lähtöönsä ilmaisusignaalin VOUT (7) vain kun tulosignaalin VIN (5) taso on tarkan referenssijännitteen VREF2 yläpuolella.

Tarkan referenssijännitteen VREF2 absoluuttinen arvo on suurempi kuin karkean re-10 ferenssijännitteen VREF1 absoluuttinen arvo, eli alan ammattilaisen ymmärtämällä tavalla jännitelogiikka voi olla positiivinen tai negatiivinen logiikka. Seuraavissa esimerkeissä lähdetään positiivisesta jännitelogiikasta, eli jännitteet ovat positiivisia vertailupiirin maahan eli nollaan verrattuna.

Kuvassa 3 on esitetty keksinnön mukainen tulosignaalin tarkka ilmaisinratkaisu kar-15 keana lohkokaaviona. Ratkaisu käsittää komparaattorin 1 sekä kytkimen 4. Laitteen ollessa levossa komparaattori 1 on kytketty pois päältä eikä täten kuluta virtaa akusta. Tulojännite ilmaistaan karkeasti kytkimen 4 avulla. Kun tulojännite VIN karkeassa ilmaisussa nousee kytkimen 4 vertailutason VREF1 yli, kytkimen 4 lähtö (PWD) kytkee komparaattorin 1 päälle, mikä sallii tarkan ilmaisun. Komparaattori 1 vertaa 20 tulosignaalia VIN tarkkaan referenssijännitteeseen VREF2. Komparaattori 1 kytkee lähtöjännitteen VOUT eli ilmaisutuloksen päälle, kun tulojännite VIN ylittää referenssijännitteen VREF2. Kytkin 4 on toteutettu siten, että se kuluttaa merkittävästi vähemmän tehoa kuin komparaattori 1.

Kuvassa 4 on esitetty keksinnön mukaisen tulosignaalin tarkan ilmaisinratkaisun 25 signaalit tulosignaalin jännitetason funktiona. Kuvassa tulojännitettä VIN on kuvattu käyrällä 5, kytkimen 4 lähtöjännitettä PWD on kuvattu käyrällä 6 ja lähtöjännitettä VOUT on kuvattu käyrällä 7. Kun kytkimen 4 lähtöjännite PWD (6) on ylhäällä, eli käytännöllisesti katsoen syöttöjännitteen VDD tasolla (ei esitetty kuvassa 3), komparaattori 1 on kytketty pois päältä. Kun tulojännite VIN nousee kytkimen 4 vertai-30 lutason VREF1 yli, kytkimen 4 lähtö 6 menee lähes nollaksi eli kytkin yhdistää lähtöpisteen vertailupiirin maahan. Tällöin komparaattori 1 kytketään maahan ja se voi ottaa virtaa käyttöjännitteestä VDD. Komparaattori 1 taas kytkee lähtöjännitteen VOUT (7) päälle, kun tulojännite VIN (5) ylittää referenssijännitteen VREF2.

Kuvassa 5 on esitetty keksinnön mukaisen tulosignaalin tarkan ilmaisinratkaisun eli 35 vertailupiirin kytkentäjärjestelyn piirikaavio. Vertailupiiri käsittää komparaattorin 8, 97262 4 referenssijännitegeneraattorm 9 (VOLTREF), transistorin 10, ylösvetovastuksen 11 (Rpullup) ja alasvetovastuksen 12 (Rpulldown). Piiriä syötetään käyttöjännitteestä VDD. Piirin lähtösignaalilla VOUT ohjataan matkapuhelimen muuta logiikkaa (ei esitetty). Transistori 10 on NPN-transistori, jolloin kynnysjännite on n. 0,7 V. Kyt-5 kimenä voi toimia myös n-kanava FET, jolloin kynnys on tyypistä riippuen n. 1-4 V. Komparaattori voi olla esimerkiksi operaatiovahvistin.

Kun tulojännite VIN on pienempi kuin NPN-transistorin 10 avausjännite eli kynnys-jännite VREF1, transistorin kollektorilla olevassa lähdössä vaikuttaa vastuksen 11 kautta käyttöjännite VDD. Tällöin komparaattori 8 ja referenssijännitegeneraattori 9 10 ovat pois päältä eivätkä täten kuluta merkittävästi virtaa akusta. Alasvetovastus 12 pitää taas logiikalle menevän lähtösignaalin VOUT alhaalla, jolloin tätäkään kautta akusta ei kulu merkittävästi virtaa ja ohjausjännite VOUT ei ole epämääräinen.

Kun NPN-transistorin 10 kannalle johdettu tulojännite VIN nousee kynnysjännitettä VREF1 suuremmaksi, transistori 10 kytkee välilähtösignaalilla PWD komparaattorin 15 8 sekä referenssijännitegeneraattorin 9 päälle. Tunnetulla tavalla tällaisen transisto rin kynnysjännite (VREF1) eli pienin kanta-emitterijännite johtavalla transistorilla on noin 0,7 V. Lähtösignaali PWD on nyt kytketty käytännöllisesti katsoen maihin transistorin 10 kautta, jolloin generaattori ja komparaattori myös on kytketty maihin. Komparaattori 8 vertaa tulosignaalia VIN referenssijännitegeneraattorin 9 antamaan 20 tarkkaan referenssijännitteeseen VREF2. Jos tulojännite VIN on alempi tai jos tulo-jännite VIN menee alemmaksi kuin referenssijännitegeneraattorm 9 antama refe-renssijännite VREF2, lähtöjännite VOUT pysyy alhaalla. Komparaattori 8 kytkee logiikalle menevän lähtöjännitteen VOUT päälle, kun tulojännite VIN ylittää referenssijännitegeneraattorin 9 antaman referenssijännitteen VREF.

25 Keksinnön mukaisen ratkaisun avulla akusta purkautuva virta saadaan pienenemään lähes pelkästään akun itsepurkausvirran suuruiseksi. Tällöin transistoriksi 10 voidaan valita sellainen transistorityyppi, jonka vuotovirrat ovat hyvin pienet. Samaten transistorin 10 virtapiiri voidaan nyt mitoittaa niin, että sen jännitelähteestä VDD ottama virta on pieni, edullisesti suuruusluokkaa 100 μΑ tai jopa sen alle, kun tulo-30 jännite VIN on pienempi kuin karkea referenssijännite VREF1. Käytännössä transistorin 10 läpi menee olematon virta (a nA).

Keksinnön mukaista ilmaisinratkaisua voidaan hyvin käyttää kannettavissa matka-puhelinlaitteissa. Jos nyt matkapuhelimessa taas käytetään jo alussa mainitun tyyppistä akkua, jonka kapasiteetti on 400 mAh, niin keksinnön mukaisen ratkaisun an- . s».1* nti \ t i h 5 97262 siosta akun purkautumisaika nousee 167 vuorokauteen (400 mAh/100 μ A = 4000 h = 167 vrk) eli lähes kuusinkertaiseksi tunnettuun tekniikkaan verrattuna.

Keksinnön mukaista ilmaisinratkaisua voidaan hyvin käyttää yhdessä litium-akkujen kanssa. Keksinnön mukainen ratkaisu helpottaa litium-akun käyttöä, koska akusta 5 purkautuva virta on niin pieni, ettei se vahingoita litium-akkua.

Alan ammattilainen ymmärtää, että edellä esitettyyn esimerkkiin voidaan tehdä muunnelmia ja muutoksia ja toisaalta voidaan käyttää vastaavia vaihtoehtoisia ratkaisuja, jotka edelleen pysyvät oheisten patenttivaatimusten suoja-alan puitteissa.

Edellä mainittiin jo, että tässä suoritusesimerkissä olevan positiivisen jännitelogii-10 kan sijasta sama tehtävä voitaisiin korvata negatiivisen jännitelogiikan piirillä, jolloin esim. NPN-transistorin sijasta on käytettävä PNP-transistoria. Tällainen PNP-transistori voidaan myös valita niin, että se täyttää edellä mainitut vaatimukset eli että sillä on pienet vuotovirrat ja kynnysjännite on samaa suuruusluokkaa kuin NPN-transistorilla.

15 Transistorit 10, operaatiovahvistimet 8 ja referenssijännitegeneraattori 9 voidaan edullisesti toteuttaa tähän tarkoitukseen erikseen suunniteltuna ASIC-piirinä (Application Specific Integrated Circuit, sovelluspiiri). Samaan piirin voidaan luonnollisesti integroida myös vastukset 11 ja 12.

Claims (10)

1. Menetelmä tulosignaalin tason kynnysarvon ylityksen ilmaisemiseksi vertai-luelimen ja siihen johdetun referenssijännitteen avulla, tunnettu vaiheista, joissa: a) tulosignaali johdetaan ensin ensimmäiselle vertailuelimelle, joka tuottaa lähtöönsä 5 välilähtösignaalin vain kun tulosignaalin taso on karkean referenssijännitteen yläpuolella; b) välilähtösignaali kytkee päälle toisen vertailuelimen; ja c) tulosignaali johdetaan myös toiselle vertailuelimelle, joka tuottaa lähtöönsä il-maisusignaalin vain kun tulosignaalin taso on tarkan referenssijännitteen yläpuolella, 10 jolloin tarkan referenssijännitteen absoluuttinen arvo on suurempi kuin karkean referenssijännitteen absoluuttinen arvo.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaiheessa b) välilähtösignaali kytkee päälle tarkan referenssijännitteen generaattorin.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukaisen menetelmän toteuttava vertailupiiri, tun-15 nettu siitä, että ensimmäinen vertailuelin on transistorikytkin, jolloin karkea refe- renssijännite on transistorin kynnysjännite.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen vertailupiiri, tunnettu siitä, että transistori-kytkimenä on NPN-transistori, jonka kynnysjännite on noin 0,7 V.

5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen vertailupiiri, tunnettu siitä, että kytkimenä on 20 n-kanava FET, jolloin kynnysjännite on 1-4 V.

6. Patenttivaatimuksen 3 tai 4 mukainen vertailupiiri, tunnettu siitä, että transistorin virtapiiri on mitoitettu niin, että sen jännitelähteestä ottama virta on pieni, edullisesti suuruusluokkaa 100 μΑ, kun tulojännite on pienempi kuin karkea refe-renssijännite.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen vertailupiiri, tunnettu siitä, että toinen vertailuelin on operaatiovahvistin.

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen vertailupiiri, tunnettu siitä, että vertailuelimet ja referenssijännitegeneraattori on toteutettu ASIC-piirinä.

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen vertailupiiri, tunnettu siitä, 30 että sen virtalähteenä on litium-akku.

9??f2

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukaisen vertailupiirin käyttö kannetta vassa laitteessa. 97262