ITMI991990A1

ITMI991990A1 - Stadio d'uscita per circuiti comparatori ad alta velocita'

Info

Publication number: ITMI991990A1
Application number: IT1999MI001990A
Authority: IT
Inventors: Giovanni Galli
Original assignee: St Microelectronics Srl
Priority date: 1999-09-24
Filing date: 1999-09-24
Publication date: 2001-03-24
Also published as: US20020008251A1; ITMI991990A0; US6552584B2; IT1313719B1

Description

DESCRIZIONE

Campo di applicazione

Nel suo aspetto più generale, la presente invenzione si riferisce ad uno stadio d’uscita per circuiti comparatori ad alta velocità.

Ad esempio, Io stadio d’uscita secondo l’invenzione può trovare campo di applicazione in circuiti integrati comprendenti almeno un regolatore di tensione ed un comparatore per pilotare un carico elettrico.

Più in particolare l’invenzione riguarda uno stadio d’uscita per un circuito elettronico integrato, in particolare per un circuito di pilotaggio di un carico elettrico avente almeno una componente capacitiva, del tipo comprendente un primo componente di pull-up ed un secondo componente di pull-down collegati in serie tra loro tra un primo riferimento di tensione di alimentazione ed un secondo riferimento di tensione.

Com’è ben noto, in un circuito integrato di pilotaggio di carichi elettrici sono presenti un regolatore ed un comparatore per pilotare un transistore di potenza esterno al circuito integrato, ad esempio un power MOS. La funzione del comparatore è quella di definire la soglia di intervento del circuito integrato di pilotaggio.

In sostanza, il regolatore di tensione fornisce un’alimentazione regolata al carico elettrico esterno attraverso il transistore di potenza che viene abilitato dal comparatore. Il comparatore è collegato in uscita al terminale di comando del transistore di potenza; il transistore viene acceso se la tensione di alimentazione principale supera un predeterminato valore di soglia stabilito dal comparatore.

Il comparatore deve pilotare con molta velocità il transistore di potenza per evitare la possibile generazione di impulsi spuri, cosiddetti “glitches” durante la fase di transitorio in cui il controllo dell’uscita passa dal regolatore di tensione al transistore di potenza.

Arte nota

Nella qui allegata figura 1 è mostrata una vista schematica di un circuito integrato regolatore-comparatore realizzato secondo l’arte nota.

La velocità dell’intero circuito dipende prevalentemente dalla velocità del comparatore e, in particolare, dai ritardi introdotti dai vari stadi del comparatore. Il ritardo introdotto dallo stadio finale del comparatore è normalmente quello di rilevanza maggiore. Tuttavia, anche l’intensità della corrente di carica della capacità interna Cg del transistore di potenza ha rilevanza per determinare il ritardo dello stadio finale.

Inoltre, occorre considerare il fatto che il transistore di potenza è un dispositivo esterno ed il terminale di collegamento tra il circuito integrato di pilotaggio e tale transistore dev’essere dotato di una protezione contro cortocircuiti accidentali. Tutto ciò appesantisce la struttura circuitale degli stadi d’uscita dei comparatori.

Per avere un comparatore comprendente uno stadio finale veloce nel caricare un carico capacitivo, ad esempio la capacità intrinseca del transistore di potenza, occorrerebbe massimizzare la corrente di pilotaggio di tale capacità.

Facendo riferimento alla vista schematica di figura 2, si può ricavare che la tensione Ve ai capi di detta capacità è data dalla seguente relazione:

cui si ricava che il

periodo T di carica è dato da:

T = Ve * (C/I) (2) ;Se però la corrente di carica va massimizzata per ridurre il ritardo legato al pilotaggio del carico elettrico esterno, tale corrente andrebbe nel contempo limitata per evitare la possibile distruzione dello stadio finale del comparatore in caso di cortocircuiti accidentali verso i riferimenti di tensione dello stadio d’uscita, la massa GND o l’alimentazione Vcc. ;Come già detto in precedenza, gli stadi finali dei comparatori sono normalmente dotati di porzioni circuitali di protezione contro i cortocircuiti. ;In figura 3 è mostrato un esempio schematico di uno stadio finale di tipo bipolare con relativa porzione circuitale di protezione. II dispositivo di protezione comprende una coppia di resistenze RI, R2 di sensing inserite a cavallo del terminale di collegamento al transistore di potenza. Ciascuna resistenza collega i terminali di ingresso di un rispettivo amplificatore collegato tra il collettore e la base di ciascun transistore bipolare dello stadio d’uscita. ;In questo schema circuitale quando la corrente su carico capacitivo Cg supera un predeterminato valore, il dispositivo di protezione interviene limitando il valore della corrente stessa. Lo stadio finale viene dimensionato per sopportare comunque il passaggio della massima corrente di cortocircuito, in quanto il dispositivo di protezione prowederà a limitare tale corrente massima. ;Questa soluzione presenta però alcuni inconvenienti qui di seguito evidenziati: ;occorre incorporare un dispositivo di protezione nello stadio finale; ;occorre dimensionare lo stadio finale per sopportare la corrente di cortocircuito; ;- le resistenze RI, R2 riducono il valore della costante di tempo per il pilotaggio del terminale di comando del transistore di potenza; ;nel caso di carichi statici d’uscita la dinamica del circuito viene penalizzata dalla presenza delle resistenze di sensing. ;Nella figura 4 è mostrato schematicamente un ulteriore esempio di realizzazione di uno stadio finale a transistori MOS. Per questo stadio il dispositivo di protezione può essere omesso in quanto è possibile dimensionare i transistori dello stadio in modo tale che possano sopportare le correnti cortocircuito. ;Tuttavia, anche questa soluzione presenta degli inconvenienti. ;II dimensionamento dello stadio finale comporta costi ed oneri aggiuntivi sia in fase di progettazione, sia in fase di realizzazione. ;Occorre inoltre dimensionare in modo opportuno gli stadi di prepilotaggio dello stadio finale in funzione del carico capacitivo dello stadio finale stesso e della tempistica di intervento. ;II problema tecnico che sta alla base della presente invenzione è quello di escogitare un nuovo stadio d’uscita, per un comparatore di un circuito integrato di pilotaggio, avente caratteristiche strutturali e funzionali tali da consentire di velocizzare l’azione dello stadio finale minimizzando inoltre l'area circuitale occupata dallo stadio stesso e superando gli inconvenienti evidenziati con riferimento alla tecnica nota. ;Un ulteriore scopo dell’invenzione è quello di mettere a disposizione una metodologia di pilotaggio applicabile a stadi finali di qualsivoglia composizione, vale a dire con componenti bipolari, MOS o misti. ;Un altro scopo dell’invenzione è quello di escogitare uno stadio finale avente caratteristiche strutturali e funzionali tali da garantire una minore occupazione di area circuitale a parità di velocità di intervento rispetto alle soluzioni della tecnica nota. ;Sommario dell' invenzione ;L'idea di soluzione che sta alla base della presente invenzione è quella di scorporare il controllo statico da quello dinamico per lo stadio finale del comparatore. ;Più in particolare, l’invenzione prevede un doppio pilotaggio, statico e dinamico, se lo stadio finale è di tipo bipolare; se invece lo stadio finale è di tipo MOS, il carico capacitivo viene direttamente pilotato in modo statico o in modo dinamico. ;Per i circuiti in tecnologia mista, ad esempio un componente bipolare ed un componente di tipo MOS, ciascun componente viene pilotato in modo indipendente a seconda che si trovi in condizioni di carico statico o dinamico. In sostanza, allo stadio finale secondo l’invenzione viene richiesto di fornire grandi quantità di corrente solo durante le fasi di commutazione. ;Sulla base di questa idea di soluzione il problema tecnico è risolto da uno stadio d’uscita del tipo precedentemente indicato e definito dalla parte caratterizzante della rivendicazione 1 e seguenti. ;Il problema tecnico è risolto altresì da un metodo di pilotaggio di un carico elettrico capacitivo definito dalla rivendicazione 10. ;Le caratteristiche ed i vantaggi dello stadio d’uscita e del relativo metodo di pilotaggio secondo l’invenzione risulteranno dalla descrizione, fatta qui di seguito, di un loro esempio di realizzazione dato a titolo indicativo e non limitativo con riferimento ai disegni allegati. ;Breve descrizione dei disegni ;In tali disegni: ;la figura 1 mostra una vista una vista schematica di un circuito integrato regolatore-comparatore realizzato secondo l’arte nota; ;la figura 2 mostra una vista schematica di uno stadio d’uscita di un comparatore collegato ad un carico capacitivo; ;la figura 3 mostra una vista schematica di uno stadio d’uscita in tecnologia bipolare realizzato in accordo con l’arte nota; ;la figura 4 mostra una vista schematica di uno stadio d’uscita in tecnologia MOS realizzato in accordo con l’arte nota; ;la figura 5 mostra una vista schematica di uno stadio d’uscita secondo la presente invenzione; ;la figura 6 mostra una vista schematica di una variante di realizzazione dello stadio d’uscita secondo l’invenzione; ;la figura 7 mostra una vista schematica di un’ulteriore variante di realizzazione dello stadio d’uscita secondo l’invenzione; ;la figura 8 mostra una vista schematica di un particolare dello stadio finale secondo l’invenzione; ;la figura 9 mostra un esempio di realizzazione del particolare di figura 8; ;le figure da 10 a 13 mostrano rispettive viste schematiche di esempi di realizzazione dello stadio finale secondo l’invenzione; ;- le figure 14 e 15 mostrano rispettive viste schematiche di circuiti equivalenti dello stadio finale delle figure 10-13 in condizioni dinamiche e statiche. ;Descrizione dettagliata ;Con riferimento a tali figure, ed in particolare all'esempio di figura 5, con 1 è globalmente e schematicamente indicato uno stadio finale d’uscita per un comparatore incorporato in un circuito elettronico 2. ;Il circuito elettronico 2 può essere un circuito di pilotaggio per un carico elettrico 3 esterno, ad esempio un carico capacitivo. Più in particolare, tale carico capacitivo è identificabile in una capacità intrinseca Cg di un transistore di potenza inserito tra il circuito elettronico 2 di pilotaggio ed un carico elettrico esterno, non rappresentato in quanto convenzionale. ;Il circuito elettronico 2 comprende almeno un regolatore 5 di tensione ed un comparatore 6. Lo stadio finale 1 secondo l’invenzione è lo stadio d’uscita del comparatore 6; tuttavia, nulla vieta che lo stadio finale 1 seconda l’invenzione possa essere applicato anche ad altra tipologia di circuiti integrati. ;Lo stadio 1 comprende un primo componente 7 di pull-up ed un secondo componente 8 di pull-down. I componenti 7 ed 8 sono collegati in serie tra loro tra un primo riferimento di tensione Vcc di alimentazione ed un secondo riferimento di tensione, ad esempio una massa GND. ;Le rispettive uscita dei componenti 7 ed 8 sono collegate ad un terminale 9 d'uscita del circuito elettronico 2 integrato. II terminale 9 è collegato esternamente al circuito 2 al terminale di comando di un transistore di potenza, ad esempio un transistore di tipo Power MOS. ;Vantaggiosamente, secondo l’invenzione, al componente 7 di pull-up è associato uno stadio 1 1 di pilotaggio, detto driver, di tipo dinamico mentre al componente 8 di pull-down è associato un corrispondente stadio 12 di pilotaggio o driver di tipo dinamico. ;Un ulteriore stadio 13 di pilotaggio di tipo statico é previsto in comune entrambi i componenti 7 ed 8 di pull-up e pull-down dello stadio finale 1. ;Allo stadio finale 1 è richiesto di fornire correnti elevate solo durante le commutazioni. Non è invece necessario fornire correnti elevate in condizioni statiche, ad esempio durante un cortocircuito. ;Nella figura 5 si fa riferimento ad un comparatore 6 con uno stadio d'uscita 1 comprendente componenti bipolari. Tale stadio viene pilotato secondo l’invenzione tramite un driver 13 statico e due driver 11, 12 di tipo dinamico, uno per il componente di pull-up ed uno per il componente di pull-down. ;Nella figura 6 è mostrato un secondo esempio di comparatore 6 con uno stadio 1 d'uscita comprendente componenti 7, 8 di tipo MOS. In questa variante di realizzazione il carico capacitivo Cg è pilotato direttamente tramite un componente 7 pull-up di tipo statico ed un componente 11 pull-up di tipo dinamico. Inoltre, è previsto un componente 8 di pull-down di tipo statico ed un ulteriore componente 12 pull-down di tipo dinamico. E’ previsto inoltre un dispositivo di pilotaggio 13 statico collegato in uscita allo stadio finale. ;In sostanza, quando lo stadio finale comprende transistori MOS, i dispositivo di pilotaggio di tipo dinamico sono connessi direttamente a pilotare il carico capacitivo Cg. ;La figura 7 mostra un’altra variante di realizzazione di comparatore 6 con stadio d'uscita realizzato in tecnologia mista BiCMOS dove il componente 7 di pull-up è di tipo bipolare e presenta un pilotaggio statico ed uno dinamico; mentre il componente 8 di pull-down è di di tipo MOS ed è formato da una porzione statica e da una porzione dinamica. ;Il pilotaggio di tipo statico è da intendere nel senso che, una volta avvenuta una commutazione di stato da parte del comparatore 6, il pilotaggio permane in uno stato di riposo fino a quando non avviene una successiva commutazione del comparatore. Il principio è identico sia se si tratti di pilotaggio dello stadio finale, ad esempio nel caso con stadio d'uscita bipolare, sia che si tratti di pilotaggio diretto del carico capacitivo Cg, ad esempio nel caso dello stadio d'uscita MOS. ;II pilotaggio di tipo dinamico è da intendere nel senso che solo sul fronte di commutazione del comparatore, o di salita o di discesa, si esplica un’azione di pilotaggio per un predeterminato intervallo di tempo T. ;Il principio è identico sia se si tratti di pilotaggio dello stadio finale, ad esempio nel caso con stadio d'uscita bipolare, sia che si tratti di pilotaggio diretto del carico capacitivo Cg, ad esempio nel caso dello stadio d'uscita MOS. ;Con questa metodologia si può pilotare il carico capacitivo Cg all'atto della commutazione del comparatore 6 sia con il contributo statico sia con quello dinamico. L'azione combinata dei due contributi determina la velocità dello stadio finale del comparatore nel modificare lo stato del carico capacitivo Cg. A regime l'azione di tipo dinamico è nulla; pertanto, in di cortocircuito dell'uscita a regime, lo stadio finale di tipo bipolare viene pilotato soltanto da una componente statica di valore limitato e tale che la corrente di cortocircuito risulti intrinsecamente limitata. ;Lo stadio finale di tipo MOS è operativo solo nella parte statica ed è dimensionato in modo tale da sopportare il cortocircuito. ;Poiché il carico è di tipo capacitivo, in condizioni statiche il comparatore 6 potrà avere al massimo un piccolo Leakage dovuto al condensatore o a limitati carichi resistivi verso i rispettivi riferimenti di tensione. Di conseguenza, la sezione dello stadio finale del comparatore può essere resa molto piccola ed il limite inferiore è dato dal massimo carico statico da sopportare. ;In tal modo, un piccolo stadio finale con componenti bipolari viene pilotato staticamente per dare una limitata corrente di cortocircuito (è una sorta di autoprotezione) la quale coincide con il massimo carico statico pilotabile. In condizioni dinamiche, invece, al pilotaggio statico si somma quello dinamico dimensionato per garantire l'elevata velocità di pilotaggio desiderata sul carico capacitivo. Si può quindi utilizzare uno stadio piuttosto piccolo in termini di area circuitale occupata, ad esempio uno stadio bipolare d'uscita autolimitato in continua, vale a dire con una protezione ai cortocircuiti dell'uscita, e con una corrente d'uscita molto piu' elevata in fase di commutazione. In effetti, è proprio durante le fasi di commutazione che cui serve avere una maggiore portanza di corrente e riducendo il periodo di funzionamento di un transistore bipolare aumenta la corrente massima da esso sopportabile senza fallimenti. ;Questa soluzione è dunque molto più vantaggiosa rispetto al caso di uno stadio finale con un bipolare pilotato solo staticamente, che dovrebbe quindi essere sovradimensionato e corredato da una specifica protezione contro i cortocircuiti. ;Nel caso di stadio finale di tipo MOS, come mostrato in figura 6, la parte dinamica deve avere una resistenza intrinseca RoSon piccola per dare velocità al sistema e può essere dimensionata ai minimi termini previsti dalla tecnologia. La parte statica può invece avere una resistenza intrinseca RDSon maggiore rispetto alla precedente e può essere dimensionata in modo opportuno per sopportare staticamente una modesta corrente. ;Il vantaggio sta nel fatto che invece di utilizzare secondo l’arte nota un unico transistore MOS pilotato staticamente e di grandi dimensioni per sopportare staticamente una corrente di cortocircuito dovuta ad una resistenza intrinseca RDSon di un certo valore, la stessa RoSon resistenza intrinseca viene ottenuta come somma di due transistori MOS di pull-up e pull-down dei quali quelo di dimensioni maggiori (per la componente dinamica) viene realizzato con una lunghezza di canale minima e con conseguente risparmio di area circuitale. ;In figura 8 è mostrato a blocchi schematici un esempio di realizzazione di un dispositivo di pilotaggio 11, 12 o driver dimamico. La figura 9 mostra una possibile soluzione circuitale dello stesso driver. ;Il dispositivo 11 o 12 è destinato a pilotare uno stadio successivo solo all'atto di una commutazione del comparatore 6 e per un intervallo di tempo predeterminato To. Una possibile implementazione prevede la trasformazione del fronte di commutazione in un impulso mediante un derivatore 17 collegato a monte di un attuatore 18 che può essere collegato a pilotare lo stadio 1 finale o direttamente il carico capacitivo a seconda delle situazioni rappresentate nelle figure 5, 6 e 7. ;Il derivatore 17 può essere realizzato tramite una semplice cella RC, mentre l'attuatore 18 può essere un transistore, MOS o bipolare. Consideriamo ad esempio la necessità di dover cambiare lo stato dei carico capacitivo Cg in un tempo non superiore a 100 ns. Ne consegue che To < 100 nS e poiché: ;To = f(x, VTH) (3) ;Con VTH pari alla soglia di intervento dell'attuatore 18 e τ pari costante di tempo del derivatore 17 ;In prima approssimazione per avere una stima della cella derivatrice posso pensare che: ;τ ≡ C*R < 100 nS (4)

il che significa, ad esempio con valori reali di C = 5pF ne consegue per R un valore di 20Kohm

Da ciò si può dedurre che il piccolo ingombro introdotto dalla cella derivatrice, tra l'altro tanto più piccola quanto più veloce si desidera il sistema. L'attuatore è inoltre un transistore MOS o bipolare di area minima.

Nelle figure da 10 a 13 sono mostrati rispettivi possibili schemi circuitali completi della soluzione secondo l’invenzione nelle sue possibili varianti.

Ad esempio, in figura 10 è mostrato uno stadio finale con un componente 7 di pull-up bipolare NPN ed un componente 8 di pull-down di tipo MOS N-Channel.

In figura I l e mostrato invece uno stadio finale con pull-up a transistore MOS P-Channel e pull-down a transistore MOS N-Channel.

In figura 12 è illustrato uno stadio finale con pull-up MOS N-Channel e pull-down di tipo MOS N-Channel. Infine, in figura 13 è mostrato uno stadio finale bipolare con pull-up di tipo NPN e pull-down di tipo NPN.

Consideriamo a titolo di esempio esplicativo il caso in cui la parte di pull-up dello stadio finale sia un bipolare NPN pilotato con un attuatore dinamico di tipo MOS e con un attuatore statico sempre di tipo MOS, e con una commutazione del comparatore che comporta un’azione di carica del carico capacitivo Cg. In queste condizioni si può analizzare il comportamento circuitale del comparatore 6 sia dal punto di vista dinamico, sia dal punto di vista statico.

Le figure 14 e 15 ci aiutano a comprendere le due distinte situazioni. Dinamicamente la corrente sul carico è data dalla seguente relazione:

staticamente, invece, poiché il pilotaggio dinamico è nullo si ha che la resistenza RDSon din tende ad un valore infinito e la corrente sul carico è data da:

Poiché ovviamente la corrente dinamica è maggiore di quella statica, cioè:

Pertanto II stat dev’essere maggiore del massimo carico statico e minore della massima corrente non distruttiva dello stadio finale 1 del comparatore 6.

Da cui ne consegue che

All’atto della commutazione del comparatore si ottiene una corrente di pilotaggio del carico capacitivo di valore sufficientemente elevato da garantire una buona velocità di commutazione.

A pari velocità di commutazione, lo stadio secondo l’invenzione occupa un’area circuitale inferiore rispetto alle soluzioni proposte dalla tecnica nota.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Stadio (1) di uscita per un circuito elettronico (2) integrato, in particolare per un circuito di pilotaggio di un carico elettrico (3) avente almeno una componente capacitiva (Cg), del tipo comprendente un primo componente (7) di pull-up ed un secondo componente (8) di pull-down collegati in serie tra loro tra un primo riferimento di tensione (Vcc) di alimentazione ed un secondo riferimento di tensione (GND), caratterizzato dal fatto di comprendere un dispositivo di pilotaggio dinamico (11, 12) ed un distinto dispositivo di pilotaggio statico (13) per ciascun componente (7, 8) di detto stadio (1).
2. Stadio (1) d’uscita secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto detto dispositivo di pilotaggio statico (13) è in comune per il primo (7) componente di pull-up e per il secondo componente (8) di pull-down di detto stadio.
3. Stadio (1) d’uscita secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti componenti (7, 8) dello stadio finale sono entrambi di tipo MOS e che ciascun dispositivo di pilotaggio dinamico (11, 12) è connesso direttamente a pilotare detto carico elettrico capacitivo.
4. Stadio (1) d’uscita secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il pilotaggio dinamico avviene su un qualunque fronte di commutazione del comparatore (6) e per un predeterminato intervallo di tempo (T).
5. Stadio (1) d’uscita secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti componenti (7, 8) dello stadio finale sono uno di tipo bipolare con relativi dispositivi di pilotaggio statico (13) e dinamico (11) ed uno di tipo MOS al quale è associato un rispettivo dispositivo di pilotaggio (12) dinamico connesso direttamente al carico capacitivo.
6. Stadio (1) d’uscita secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo di pilotaggio (11, 12) dinamico comprende un derivatore (17) e un attuatore (18) collegati in cascata.
7. Stadio (1) d’uscita secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detto derivatore (17) è un circuito RC.
8. Stadio (1) d’uscita secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detto attuatore (18) è un transistore.
9. Stadio (1) d’uscita secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti componenti (7, 8) dello stadio finale sono entrambi di tipo bipolare e che ciascun dispositivo di pilotaggio dinamico (11, 12) ha un’uscita collegata a pilotare un corrispondente componente bipolare ed il dispositivo di pilotaggio statico (13) ha uscita collegata a ciascun componente (7, 8) bipolare.
10. Metodo di pilotaggio di un carico elettrico (3) avente almeno una componente capacitiva (Cg) tramite un circuito elettronico (2) di pilotaggio includente uno stadio (1) finale comprendente un primo componente (7) di pull-up ed un secondo componente (8) di pull-down collegati in serie tra loro tra un primo riferimento di tensione (Vcc) di alimentazione ed un secondo riferimento di tensione (GND), caratterizzato dal fatto prevede un doppio pilotaggio, statico e dinamico, di detto stadio (1) finale o di detto carico capacitivo (Cg) a seconda che lo stadio finale sia di tipo bipolare, di tipo MOS o di tipo misto.
11. Metodo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che ciascun componente (7, 8) di detto stadio (1) finale viene pilotato in modo indipendente a seconda che si trovi in condizioni di carico (Cg) statico o dinamico.