JP2004235832A - Comparator - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アナログ信号の電圧と基準信号の電圧とを比較して、その比較結果を出力するコンパレータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図4は、従来のコンパレータの一例の構成回路図である。同図に示すコンパレータ42は、アナログ信号VINの電圧と基準信号VREFの電圧とを比較し、その比較結果VOUTを出力するチョッパ型のものであり、コンパレータ容量44と、3つのスイッチ46,48,50と、インバータ52とを備えている。
【0003】
ここで、スイッチ46は、アナログ信号VINの入力端子と内部ノードAとの間に接続され、スイッチ48は、基準信号VREFの入力端子と内部ノードAとの間に接続されている。また、コンパレータ容量44は、内部ノードAと内部ノードBとの間に接続されている。インバータ52は、内部ノードBと比較結果VOUTの出力端子との間に接続され、スイッチ50はインバータ52の入力端子と出力端子との間に接続されている。
【0004】
チョッパ型のコンパレータには、アナログ信号VINの電圧をコンパレータ容量にサンプリングする期間と、コンパレータ容量にサンプリングされたアナログ信号VINの電圧と基準信号VREFの電圧とを比較(コンペア)する期間がある。
【0005】
チョッパ型コンパレータ42では、まず、サンプリング期間において、スイッチ46,50がオン、スイッチ48がオフする。この時、インバータ52の両端はスイッチ50を介してショートされるので、その両端の電圧は、インバータ52の論理閾値電圧Vswとなる。また、コンパレータ容量44には、その両端にアナログ信号VINの電圧とインバータ52の閾値電圧Vswが印加されるので、コンパレータ容量44の内部ノードA側の電圧はVIN−Vswとなる。
【0006】
次に、コンペア期間になると、スイッチ46,50がオフ、スイッチ48がオンする。この時、コンパレータ容量44の内部ノードA側の端子には基準信号VREFの電圧が印加され、アナログ信号VINの電圧から基準信号VREFの電圧への印加電圧の変化量VIN−VREFに応じて、コンパレータ容量44の内部ノードB側の端子すなわちインバータ52の入力端子の電圧は、VIN−VREF+Vswとなる。
【0007】
この電圧は、インバータ52により反転増幅され、比較結果VOUTとして出力される。すなわち、アナログ信号VINの電圧が基準信号VREFの電圧よりも高い場合(VREF<VIN)、コンパレータ容量44の他方の端子の電圧は、インバータ52の論理閾値値電圧Vswよりも低くなる。この電圧はインバータ52により反転され、比較結果VOUTはローレベルとなる。これとは逆に低い(VREF>VIN)場合、比較結果VOUTはハイレベルとなる。
【0008】
ところで、チョッパ型のコンパレータでは、図5に示すように、アナログ信号VINが高速で変化する時、コンパレータ容量44、スイッチ50およびインバータ52を介して変位電流I=C*dV/dtが流れる。この変位電流が流れると、インバータ52の入力端子の電圧が閾値電圧VswからΔVだけ上昇する。この変化は、アナログ信号VINの遷移速度によって変わるので、それが比較結果VOUTに誤差として検出されることになる。
【0009】
チョッパ型のコンパレータ42をADコンバータ(アナログデジタル変換器)等に用いる場合、高精度を維持するために、ΔVを数mV程度以下に抑える必要がある。これを達成するためには、インバータ52の駆動能力を大きくして、ΔVが小さくてもインバータ52が大きな電流を流すことができるようにしなければならない。しかし、この場合、インバータ52を介して大きな貫通電流が流れ、消費電力が増加するという問題があった。
【0010】
このような問題点を解決するための1つの手段として、特許文献1に記載の電圧比較器が提案されている。
【0011】
図6は、特許文献1に開示の電圧比較器の構成回路図である。同図に示す電圧比較器54の詳細は特許文献1に詳細に説明されているので、ここではその繰り返しの説明は省略する。以下、簡単に説明すると、電圧比較器54では、サンプリング期間において、スイッチ60,66,68,74がオン、その他のスイッチがオフする。この時、コンパレー容量56,58には、アナログ信号VINとグランド、基準信号VREFとグランドとの間でそれぞれ電荷が蓄えられる。
【0012】
また、コンペア期間には、スイッチ62,64,70,72がオン、その他のスイッチがオフし、参照用のインバータ76と出力用のインバータ78との間に2つのコンパレータ容量56,58が互いに逆極性で並列に接続される。これにより、参照用のインバータ76の閾値電圧を基準として、2つのコンパレータ容量56,58に蓄積された電荷に基づく差電圧が算出され、両者の比較結果VOUTが出力用のインバータ78から出力される。
【0013】
特許文献1の電圧比較器54では、図4および図5に示すコンパレータ42の場合と同様に、図7に示すように、サンプリング期間にコンパレータ容量56に変位電流I=C*dV/dtが流れる。しかし、特許文献1の電圧比較器54は、図4および図5に示すコンパレータ42の場合とは異なり、変位電流が流れるパスにインバータが存在しないため、精度を上げるためにインバータの駆動能力を大きくする必要がないという利点がある。
【0014】
しかしながら、特許文献1の電圧比較器54には、出力用のインバータ78の閾値電圧を設定するための参照用のインバータ76が必要である。従って、参照用のインバータ76の閾値電圧は、出力用のインバータ78の閾値電圧と高精度に整合性がとれている必要がある。このため、両者の閾値電圧が少しでもずれているとそれがコンパレータの比較結果VOUTの誤差として現れるが、両者の閾値電圧を精度よく合わせることは非常に難しいという問題がある。
【0015】
また、特許文献1の電圧比較器54では、出力用のインバータ78に流れる電流に加えて、参照用のインバータ76においても常に貫通電流が流れているため、消費電力が増加するという問題もある。
【0016】
【特許文献1】
特開平6−273457号公報
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、前記従来技術に基づく問題点を解消し、高周波のアナログ信号が入力される場合であっても、低消費電力で、誤差の少ない高精度な比較結果を得ることができるコンパレータを提供することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、同一容量値の第1および第2のコンパレータ容量と、任意の容量値の第3のコンパレータ容量と、アナログ信号と基準信号との比較結果を出力するインバータと、これら第1、第2および第3のコンパレータ容量ならびにインバータの間を接続する複数のスイッチとを備え、
前記複数のスイッチは、サンプリング期間には、前記アナログ信号とグランドとの間に前記第1のコンパレータ容量を接続し、前記基準信号とグランドとの間に前記第2のコンパレータ容量を接続し、前記インバータの入力端子と出力端子とをショートして当該インバータの出力端子とグランドとの間に前記第3のコンパレータ容量を接続するように設定され、コンペア期間には、前記第1および第2のコンパレータ容量を逆極性に並列に接続し、当該並列に接続された第1および第2のコンパレータ容量の一方の端子とグランドとの間に前記第3のコンパレータ容量を接続し、前記並列に接続された第1および第2のコンパレータ容量の他方の端子を前記インバータの入力端子に接続するように設定されることを特徴とするコンパレータを提供するものである。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明のコンパレータを詳細に説明する。
【0020】
図1は、本発明のコンパレータの一実施形態の構成回路図である。同図に示すコンパレータ10は、入力されるアナログ信号VINの電圧と基準信号VREFの電圧とを比較して、その比較結果VOUTを出力するものであり、同一の容量値を持つ2つのコンパレータ容量12,14と、任意の容量値を持つコンパレータ容量16と、11個のスイッチ18,20,22,24,26,28,30,32,34,36,38と、出力用のインバータ40とを備えている。
【0021】
ここで、スイッチ18は、基準信号VREFが入力される入力端子と内部ノードCとの間に接続され、スイッチ20は、内部ノードCと内部ノードAとの間に接続されている。また、スイッチ22は、グランドと内部ノードDとの間に接続され、スイッチ24は、内部ノードDと内部ノードBとの間に接続されている。コンパレータ容量12は、内部ノードCと内部ノードDとの間に接続されている。
【0022】
同様に、スイッチ30は、アナログ信号VINが入力される入力端子と内部ノードFとの間に接続され、スイッチ32は、内部ノードFと内部ノードBとの間に接続されている。また、スイッチ26は、グランドと内部ノードEとの間に接続され、スイッチ28は、内部ノードEと内部ノードAとの間に接続されている。コンパレータ容量14は、内部ノードFと内部ノードEとの間に接続されている。
【0023】
また、インバータ40は、内部ノードAと比較結果VOUTが出力される出力端子との間に接続され、スイッチ38は、インバータ40の入力端子と出力端子との間に接続されている。スイッチ34は、内部ノードAと内部ノードGとの間に接続され、スイッチ36は、内部ノードBと内部ノードGとの間に接続されている。コンパレータ容量16は、内部ノードGとグランドとの間に接続されている。
【0024】
コンパレータ10では、サンプリング期間において、図2に示すように、スイッチ18,22,26,30,34,38がオン、その他のスイッチ20,24,28,32,36がオフする。
【0025】
この時、コンパレータ容量12は、スイッチ18,22を介して基準信号VREFとグランドとの間に接続される。従って、基準信号VREFの電圧をVref、コンパレータ容量12の容量値をCとすると、コンパレータ容量12には、Q1=C*Vrefの電荷が充電される。
【0026】
同様に、コンパレータ容量14は、スイッチ30,26を介してアナログ信号VINとグランドとの間に接続される。従って、アナログ信号VINの電圧をVin、コンパレータ容量14の容量値を同様にCとすると、コンパレータ容量14には、Q2=C*Vinの電荷が充電される。
【0027】
コンパレータ容量16は、スイッチ34を介してインバータ40の入力端子とグランドとの間に接続される。また、インバータ40の入力端子と出力端子との間はスイッチ38を介してショートされるため、その両端の電圧は、インバータ40の論理閾値電圧Vswとなる。従って、コンパレータ容量16の容量値をCswとすると、コンパレータ容量16には、Q3=Csw*Vswの電荷が充電される。
【0028】
なお、図2の枠内には、サンプリング期間のコンパレータ10の状態が概念的に示されている。
【0029】
次に、コンペア期間になると、コンパレータ10では、図3に示すように、スイッチ20,24,28,32,36がオン、その他のスイッチ18,22,26,30,34,38がオフする。
【0030】
この時、コンパレータ容量12は、スイッチ20,24を介して内部ノードAと内部ノードBとの間に接続され、コンパレータ容量14は、スイッチ32,28を介して内部ノードBと内部ノードAとの間に接続される。すなわち、コンパレータ容量12とコンパレータ容量14とは、内部ノードAと内部ノードBとの間に逆極性に並列に接続される。
【0031】
コンパレータ容量16は、スイッチ36を介して内部ノードBとグランドとの間に接続される。また、スイッチ38がオフし、インバータ40によって内部ノードAの状態が反転出力される。
【0032】
なお、図3の枠内には、コンペア期間のコンパレータ10の状態が概念的に示されている。
【0033】
サンプリング期間が終了した後、コンペア期間に入る時、図3に示す内部ノードA、Bは共にフローティング状態である。すなわち、これらの内部ノードA、Bへの電荷の出入りはないため、コンパレータ容量12,14およびコンパレータ容量16に蓄えられている電荷量は保存される。
【0034】
従って、内部ノードBの電圧Vbは、Vb=Vswとなる。また、内部ノードAの電圧Vaは以下のようにして求めることができる。すなわち、コンパレータ容量12,14に充電された電荷の差分は、Q1−Q2=C*(Vref−Vin)=2C*(Va−Vb)となる。従って、Va=(1/2)*(Vref−Vin)+Vb=(1/2)*(Vref−Vin)+Vswとなる。
【0035】
内部ノードAの電圧Vaは、インバータ40により反転増幅され、比較結果VOUTとして出力される。すなわち、アナログ信号VINの電圧が基準信号VREFの電圧よりも高い場合(VREF<VIN)、内部ノードAの電圧Vaは、その論理閾値値電圧Vswよりも低くなる。従って、比較結果VOUTはハイレベルとなる。これとは逆に低い(VREF>VIN)場合、比較結果VOUTはローレベルとなる。
【0036】
コンパレータ10では、サンプリング期間に変位電流が流れてインバータ40の入力端子の電圧が変動するということがないので、アナログ信号に高周波が入力される場合であっても、高精度にアナログ信号と基準信号との比較を行うことができ、入力信号帯域を増大させることができる。また、精度を維持するためにインバータ40の駆動能力を上げる必要もないため、その分、低消費電力化を実現することができる。
【0037】
また、図6に示す特許文献1の電圧比較器54と比べて参照用のインバータ76が不要であるため、その分の貫通電流がなく、電圧比較器54よりもさらに低消費電力化を実現することができる。また、参照用インバータ76と出力用インバータ78の閾値のずれによる影響もないため、電圧比較器54よりも比較結果の精度を向上させることができる。
【0038】
なお、VINとVREFを入れ換えて、VINをコンパレータ容量12側、VREFをコンパレータ容量14側に接続してもよい。この場合、比較結果の極性は反転される。
【0039】
本発明は、基本的に以上のようなものである。
以上、本発明のコンパレータについて詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
【0040】
【発明の効果】
以上詳細に説明した様に、本発明のコンパレータによれば、サンプリング期間に変位電流が流れないので、アナログ信号に高周波が入力される場合であっても、高精度にアナログ信号と基準信号との比較を行うことができ、入力信号帯域を増大させることができる。また、精度を維持するためにインバータの駆動能力を上げる必要もないため、その分、低消費電力化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のコンパレータの一実施形態の構成回路図である。
【図2】図1に示すコンパレータのサンプリング期間の状態を表す構成回路図である。
【図3】図1に示すコンパレータのコンペア期間の状態を表す構成回路図である。
【図4】従来のコンパレータの一例の構成回路図である。
【図5】図4に示すコンパレータのサンプリング期間の状態を表す構成回路図である。
【図6】従来のコンパレータの別の例の構成回路図である。
【図7】図6に示すコンパレータのサンプリング期間の状態を表す構成回路図である。
【符号の説明】
10,42 コンパレータ
12,14,16,44,56,58 コンパレータ容量
18,20,22,24,26,28,30,32,34,36,38,46,48,50,60,62,64,66,68,70,72,74 スイッチ
40,52,76,78 インバータ
54 電圧比較器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a comparator that compares a voltage of an analog signal with a voltage of a reference signal and outputs a result of the comparison.
[0002]
[Prior art]
FIG. 4 is a configuration circuit diagram of an example of a conventional comparator. The
[0003]
Here, the
[0004]
The chopper-type comparator has a period during which the voltage of the analog signal VIN is sampled by the comparator capacitance, and a period during which the voltage of the analog signal VIN sampled by the comparator capacitance is compared (compared) with the voltage of the reference signal VREF.
[0005]
In the
[0006]
Next, in the compare period, the
[0007]
This voltage is inverted and amplified by the
[0008]
In the chopper type comparator, as shown in FIG. 5, when the analog signal VIN changes at high speed, a displacement current I = C * dV / dt flows through the
[0009]
When the
[0010]
As one means for solving such a problem, a voltage comparator described in Patent Document 1 has been proposed.
[0011]
FIG. 6 is a configuration circuit diagram of the voltage comparator disclosed in Patent Document 1. Since the details of the
[0012]
During the compare period, the
[0013]
In the
[0014]
However, the
[0015]
Further, in the
[0016]
[Patent Document 1]
JP-A-6-273457
[Problems to be solved by the invention]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above-described problems of the related art, and to obtain a high-precision comparison result with low power consumption and little error even when a high-frequency analog signal is input. Is to provide.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention outputs first and second comparator capacitors having the same capacitance value, a third comparator capacitor having an arbitrary capacitance value, and a comparison result between an analog signal and a reference signal. An inverter, and a plurality of switches connecting between the first, second, and third comparator capacitors and the inverter;
The plurality of switches, during a sampling period, connect the first comparator capacitance between the analog signal and ground, connect the second comparator capacitance between the reference signal and ground, The input terminal and the output terminal of the inverter are short-circuited to connect the third comparator capacitor between the output terminal of the inverter and the ground. During the compare period, the first and second comparators are connected. Capacitors are connected in parallel with opposite polarities, the third comparator capacitor is connected between one terminal of the first and second comparator capacitors connected in parallel and ground, and the capacitors are connected in parallel. A comparator configured to connect the other terminal of the first and second comparator capacitors to an input terminal of the inverter. It is intended to provide.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the comparator of the present invention will be described in detail based on a preferred embodiment shown in the accompanying drawings.
[0020]
FIG. 1 is a configuration circuit diagram of an embodiment of a comparator according to the present invention. The
[0021]
Here, the
[0022]
Similarly, switch 30 is connected between an input terminal to which analog signal VIN is input and internal node F, and switch 32 is connected between internal node F and internal node B. The
[0023]
The
[0024]
In the
[0025]
At this time, the
[0026]
Similarly, the
[0027]
The
[0028]
The state of the
[0029]
Next, in the compare period, as shown in FIG. 3, in the
[0030]
At this time, the
[0031]
The
[0032]
Note that the state of the
[0033]
When the compare period starts after the end of the sampling period, the internal nodes A and B shown in FIG. 3 are both in a floating state. That is, since charges do not flow into and out of the internal nodes A and B, the charge amounts stored in the
[0034]
Therefore, the voltage Vb of the internal node B is Vb = Vsw. The voltage Va of the internal node A can be obtained as follows. That is, the difference between the charges charged in the
[0035]
The voltage Va of the internal node A is inverted and amplified by the
[0036]
In the
[0037]
Further, since the
[0038]
Note that VIN and VREF may be interchanged, and VIN may be connected to the
[0039]
The present invention is basically as described above.
As described above, the comparator according to the present invention has been described in detail. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and changes may be made without departing from the gist of the present invention.
[0040]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the comparator of the present invention, since no displacement current flows during the sampling period, even when a high frequency is input to the analog signal, the analog signal and the reference signal can be accurately determined. A comparison can be made and the input signal bandwidth can be increased. Further, since it is not necessary to increase the driving capability of the inverter in order to maintain accuracy, power consumption can be reduced accordingly.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration circuit diagram of an embodiment of a comparator according to the present invention.
FIG. 2 is a configuration circuit diagram showing a state of a comparator shown in FIG. 1 during a sampling period.
FIG. 3 is a configuration circuit diagram illustrating a state of a comparator during a compare period shown in FIG. 1;
FIG. 4 is a configuration circuit diagram of an example of a conventional comparator.
FIG. 5 is a configuration circuit diagram illustrating a state of a sampling period of the comparator illustrated in FIG. 4;
FIG. 6 is a configuration circuit diagram of another example of a conventional comparator.
7 is a configuration circuit diagram illustrating a state of a comparator during a sampling period illustrated in FIG. 6;
[Explanation of symbols]
10,42
Claims (1)
前記複数のスイッチは、サンプリング期間には、前記アナログ信号とグランドとの間に前記第1のコンパレータ容量を接続し、前記基準信号とグランドとの間に前記第2のコンパレータ容量を接続し、前記インバータの入力端子と出力端子とをショートして当該インバータの出力端子とグランドとの間に前記第3のコンパレータ容量を接続するように設定され、コンペア期間には、前記第1および第2のコンパレータ容量を逆極性に並列に接続し、当該並列に接続された第1および第2のコンパレータ容量の一方の端子とグランドとの間に前記第3のコンパレータ容量を接続し、前記並列に接続された第1および第2のコンパレータ容量の他方の端子を前記インバータの入力端子に接続するように設定されることを特徴とするコンパレータ。A first and a second comparator capacitance having the same capacitance value, a third comparator capacitance having an arbitrary capacitance value, and an inverter for outputting a comparison result between an analog signal and a reference signal; A plurality of switches connecting between the comparator capacity and the inverter,
The plurality of switches, during a sampling period, connect the first comparator capacitance between the analog signal and ground, connect the second comparator capacitance between the reference signal and ground, The input terminal and the output terminal of the inverter are short-circuited to connect the third comparator capacitor between the output terminal of the inverter and the ground. During the compare period, the first and second comparators are connected. Capacitors are connected in parallel with opposite polarities, the third comparator capacitor is connected between one terminal of the first and second comparator capacitors connected in parallel and ground, and the capacitors are connected in parallel. A comparator set to connect the other terminals of the first and second comparator capacitors to an input terminal of the inverter.
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