JP2004260464A - Voltage comparator - Google Patents
Voltage comparator Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004260464A JP2004260464A JP2003048001A JP2003048001A JP2004260464A JP 2004260464 A JP2004260464 A JP 2004260464A JP 2003048001 A JP2003048001 A JP 2003048001A JP 2003048001 A JP2003048001 A JP 2003048001A JP 2004260464 A JP2004260464 A JP 2004260464A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- mis transistor
- voltage
- source
- period
- drain region
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はA/D変換器等で用いられる電圧比較器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体プロセスの微細化の進展により、システムの1チップへの統合と信号処理速度の高速化とが進んでいる。これに伴って、システムのフロントエンドやバックエンドにおいてアナログ信号とディジタル信号との相互変換を担うフィルタ、A/D変換器およびD/A変換器などにおいても、信号処理の高速化、扱う信号の広帯域化が重要となっている。とりわけA/D変換器においては、その主要な構成要素である電圧比較器の動作の高速化が重要となっている。
【0003】
以下に、従来の電圧比較器について説明する。
【0004】
図3は、従来の電圧比較器の構成を示す回路図である。
【0005】
同図に示すように、従来の電圧比較器は、ソースに接地電圧VSSが供給され、定電流源として機能するようにゲートにバイアス電圧Vb1が印加されたNチャネル型MOSトランジスタ101と、ソースがNチャネル型MOSトランジスタ101のドレインに共通に接続され、ゲートにそれぞれ比較対象となる第1入力電圧Vinp及び第2入力電圧Vinnが入力され、VinpとVinnの差動電圧を差動電流に変換増幅するためのNチャネル型MOSトランジスタ102およびNチャネル型MOSトランジスタ103と、ソースがNチャネル型MOSトランジスタ102のドレインに接続され、ゲートに第1の制御電圧Vc1が入力されるNチャネル型MOSトランジスタ104と、ソースがNチャネル型MOSトランジスタ103のドレインに接続され、ゲートに第1の制御電圧Vc1が入力されるNチャネル型MOSトランジスタ105と、ソースがNチャネル型MOSトランジスタ102のドレインに接続され、ゲートに第1の制御電圧Vc1の相補(逆相)信号である第2の制御電圧Vc2が入力されるNチャネル型MOSトランジスタ110と、ソースがNチャネル型MOSトランジスタ103のドレインに接続され、ゲートに第2の制御電圧Vc2が入力されるNチャネル型MOSトランジスタ111と、ソースがNチャネル型MOSトランジスタ110のドレインに接続されたNチャネル型MOSトランジスタ107と、ソースがNチャネル型MOSトランジスタ111のドレインに接続され、且つドレインがNチャネル型MOSトランジスタ107のゲートに、ゲートがNチャネル型MOSトランジスタ107のドレインにそれぞれ接続されたNチャネル型MOSトランジスタ106と、一端がNチャネル型MOSトランジスタ104及びNチャネル型MOSトランジスタ107のドレインに接続され、他端に電源電圧VDDが印加される抵抗素子108と、一端がNチャネル型MOSトランジスタ105及びNチャネル型MOSトランジスタ106のドレインに接続され、他端に電源電圧VDDが印加される抵抗素子109とを備えている。ここで、抵抗素子108と抵抗素子109の抵抗値は同一である。また、Nチャネル型MOSトランジスタ102はNチャネル型MOSトランジスタ104,110とそれぞれカスコード接続を構成しており、Nチャネル型MOSトランジスタ103はNチャネル型MOSトランジスタ105,111とそれぞれカスコード接続を構成している。なお、本明細書中で「逆相」とは、信号の極性および変化が逆であることを意味し、「同相」とは、信号の極性および変化が同一であることを意味するものとする。
【0006】
従来の電圧比較器において、Nチャネル型MOSトランジスタ104のドレインと抵抗素子108の間の接続点をノードAとすると、このノードAは第2出力電圧Voutnを出力する第2出力部、Nチャネル型MOSトランジスタ107のドレイン及びNチャネル型MOSトランジスタ106のゲートにそれぞれ接続されている。これと同様に、Nチャネル型MOSトランジスタ105のドレインと抵抗素子109の間の接続点をノードBとすると、このノードBは第1出力電圧Voutpを出力する第1出力部、Nチャネル型MOSトランジスタ106のドレイン及びNチャネル型MOSトランジスタ107のゲートにそれぞれ接続されている。
【0007】
また、Nチャネル型MOSトランジスタ110とNチャネル型MOSトランジスタ107との間の接続点とNチャネル型MOSトランジスタ111とNチャネル型MOSトランジスタ106との間の接続点とは互いに接続されており、この接続部分を以後ノードCと呼ぶ。
【0008】
また、Nチャネル型MOSトランジスタ102、Nチャネル型MOSトランジスタ104およびNチャネル型MOSトランジスタ110の共通接続点をノードDと呼び、Nチャネル型MOSトランジスタ103、Nチャネル型MOSトランジスタ105およびNチャネル型MOSトランジスタ111の共通接続点をノードEと呼ぶこととする。
【0009】
以上のように構成された電圧比較器の動作について、以下では図を用いて説明する。
【0010】
図4(a)は、従来の電圧比較器における第1の制御電圧Vc1および第2の制御電圧Vc2の状態遷移と、Nチャネル型MOSトランジスタ104、105、110、111のオン/オフ状態を示す動作タイミング図である。また、図4(b)は、第1入力電圧Vinpおよび第2入力電圧Vinnの変化を示すタイミング図であり、図4(c)は、第1出力電圧Voutpおよび第2出力電圧Voutnの変化と、ノードCの電圧(ノード電圧Vc)、ノードDの電圧(ノード電圧Vd)及びノードEの電圧(ノード電圧Ve)の変化とを示すタイミング図である。図4(c)で示される各ノードでの電圧変化は、図4(b)に示す入力電圧の変化に対応している。
【0011】
図4(a)に示すように、第1の制御電圧Vc1と第2の制御電圧Vc2とは互いに逆相のクロック信号であって、制御電圧VcがVDDで制御電圧VSSのときには電圧比較器は「比較モード」となり、制御電圧VcがVSSで制御電圧VDDのときには電圧比較器は「ラッチモード」となる。ラッチモードと比較モードは所定の時間間隔で交互に繰り返される。A/Dコンバータにおいては、複数個の電圧比較器が並列に並べられる。各従来の電圧比較器は、2つの入力電圧の差を増幅する。そして、電圧比較器からの出力電圧は後段に配置されたダイナミック型ラッチ回路により”0”または”1”のディジタル信号レベルに変換される。なお、ここで電圧比較器を直接ディジタル回路に接続しないのは、低電位側の出力電圧がディジタル回路の低電位側の論理レベルであるVSS(接地電圧)よりも高いためである。
【0012】
図3および図4を参照して、従来の電圧比較器のより詳細な回路動作を以下に説明する。
【0013】
まず、「比較モード」においては、Nチャネル型MOSトランジスタ104、105は共にオン状態となり、Nチャネル型MOSトランジスタ110、111は共にオフ状態となる。従って、電流源であるNチャネル型MOSトランジスタ101により生じた電流は、抵抗素子108、109を流れた後、Nチャネル型MOSトランジスタ104、102あるいはNチャネル型MOSトランジスタ105、103を介してノードA―ノードD間とノードB―ノードE間にそれぞれ流れる。この際に、Nチャネル型MOSトランジスタ106、107を介しては定常的には流れない。すなわち、「比較モード」においては、Nチャネル型MOSトランジスタ101、102、103、104、105と、抵抗素子108、109とで差動増幅回路が構成され、第1入力電圧Vinpと第2入力電圧Vinnとの電圧差が所定の割合で差動増幅され、第1出力電圧Voutp、第2出力電圧Voutnとがそれぞれ出力されることとなる。このとき、ノードCは、第1出力電圧Voutpまたは第2出力電圧Voutnのうち何れかが「比較モード」の間に到達した最大の電圧から、Nチャネル型MOSトランジスタ106またはNチャネル型MOSトランジスタ107のしきい値電圧だけ低い電圧値を上限として充電される。そのため、ノードCにおける電圧値はノードD、Eの電圧値より高電圧になる。
【0014】
次に、「ラッチモード」においては、Nチャネル型MOSトランジスタ104、105は共にオフ状態であり、Nチャネル型MOSトランジスタ110、111は共にオン状態となる。従って、ノードA−ノードD間及びノードB−ノードE間にはNチャネル型MOSトランジスタ104、105を介した電流は流れず、Nチャネル型MOSトランジスタ106,107、110、111及びノードCを介した電流パスが形成される。
【0015】
図4(c)に示すように、「比較モード」から「ラッチモード」に状態が遷移する直前の「比較モード」において、例えば入力電圧の大小関係がVinp>Vinnのとき、これらの入力電圧は所定の割合で差動増幅されて出力電圧もVoutp>Voutnとなっている。
【0016】
次いで、「ラッチモード」に切り替わって、Nチャネル型MOSトランジスタ110、111がオフ状態からオン状態に遷移すると、ノードD及びノードEにかかる電圧より高電圧となっていたノードCの電圧が低下して、Nチャネル型MOSトランジスタ106、107もオン状態に遷移する。このとき、VoutpはNチャネル型MOSトランジスタ107のゲート電圧となり、VoutnはNチャネル型MOSトランジスタ106のゲート電圧となるので、Nチャネル型MOSトランジスタ107のドレイン電流は、Nチャネル型MOSトランジスタ106のドレイン電流より大きくなる。従って、Nチャネル型MOSトランジスタ107のドレイン電圧である第2出力電圧Voutnは一層減少し、一方Nチャネル型MOSトランジスタ107のドレイン電圧である第1出力電圧Voutpを一層増加する。つまり、Voutpの増加がVoutnの減少を促し、逆にVoutnの減少がVoutpの増加を促すという相互作用(正帰還、またはラッチ)により、Voutp=VDD、Voutn=VDD−I×Rに収束していく。ここでIは電流源となるNチャネル型MOSトランジスタ101を流れる電流の電流値で、Rは抵抗素子108および抵抗素子109の抵抗値である。
【0017】
なお、「ラッチモード」の開始直前でVinp<Vinnとなっている場合は、全く逆の動作によりVoutp=VDD−I×R、Voutn=VDDに収束していく。すなわち、Nチャネル型MOSトランジスタ106、107は「ラッチモード」開始時のVoutpとVoutnの電圧差をI×Rの値まで増幅する正帰還増幅器として機能する。
【0018】
以上のように、従来の電圧比較器は、比較モードで第1入力電圧Vinpと第2入力電圧Vinnの差動増幅を行い、比較モードに続くラッチモードで差動増幅電圧の電圧差をさらに拡大させてVDDまたはVDD−I・Rの何れかの電圧を出力電圧Voutp、Voutnとして出力するという電圧比較動作を行う。
【0019】
【非特許文献1】
ルディ・J・ファン・デ・プラッセ(Rudy J.Van De Plassche),An 8−bit 100−MHz Full−Nyquist Analog−to−Digital Converter,IEEE JOURNAL OF SOLID−STATE CIRCUITS,Vol.23,No.6,December 1988,p.1340
【非特許文献2】
G.W.ベネス(G.W.Venes),An 80−MHz, 80−mW, 8−b CMOS Folding A/D Converter with Distributed Track−andHold Preprocessing,IEEE JOURNAL OF SOLID−STATE CIRCUITS,Vol.31,No.12,December 1996,p.1852
【0020】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の電圧比較器において、第2の制御電圧Vc2がVSSからVDDに変化して「比較モード」から「ラッチモード」へ切り替わり、Nチャネル型MOSトランジスタ110、111が共にオフ状態からオン状態に遷移する際に、第2の制御電圧Vc2の電圧変化がNチャネル型MOSトランジスタ110、111の寄生容量を介してノードCに伝達され、ノードCの電圧を過渡的に高電位側に押し上げる。このため、従来の電圧比較器では、Nチャネル型MOSトランジスタ106、107がオフ状態からオン状態へ遷移して正帰還動作(ラッチ動作)を開始するまでに時間を要してしまっていた。例えば、図4(c)に示すように、ラッチモード1の終了時の出力電圧の電圧差がI×Rの値に達していなかった。
【0021】
また、「ラッチモード」から「比較モード」への遷移時において、第2の制御電圧Vc2がVDDからVSSに変化して、Nチャネル型MOSトランジスタ110、111がオン状態からオフ状態に遷移する際に、第2の制御電圧Vc2の電圧変化がNチャネル型MOSトランジスタ110、111の寄生容量を介してノードCに伝達され、電圧を過渡的に低電位側に引き下げる。そのため、従来の電圧比較器においては、差動増幅動作の開始後も、Nチャネル型MOSトランジスタ106、107がオン状態となってノードCに電流が流れ続け、差動入力電圧に対する差動増幅結果に誤差電圧が発生し、結果として誤比較してしまう可能性があった。
【0022】
以下に、これらの現象について、図4(b)、(c)を参照しながらもう少し説明する。
【0023】
まず、「比較モード1」の終わりにおいて、入力電圧Vinp、Vinnの電圧差がサブ〜1mV程度で、この電圧比較器の入力電圧差としてほぼ最小である場合、第1出力電圧Voutp、第2出力電圧Voutnは、共にVDD−IR/2をコモンモード電圧として、入力電圧を所定の割合だけ増幅した電圧値となる。
【0024】
また、ノード電圧Vcは、VDDからNチャネル型MOSトランジスタ106、107のしきい値電圧を減じた電圧近傍の電圧値を上限とした電圧値となる。I×Rは通常0.3〜0.5V程度に設定される。I×Rを0.5Vとした場合、電源電圧VDDを3.0Vとすると、VDD−I×Rは2.5Vとなり、ノード電圧Vc、Vd、Veの各々は、理想的にはVDDからNチャネル型MOSトランジスタ104、105、106、107のそれぞれのゲート−ソース間電圧Vgsの約1V程度を減じた電圧、すなわち2.0V程度が上限となる。
【0025】
次いで、「比較モード1」から「ラッチモード1」に遷移すると、第1の制御電圧Vc1がVDDからVSSに変化して、Nチャネル型MOSトランジスタ104、105が共にオン状態からオフ状態に遷移し、第2の制御電圧Vc2がVSSからVDDに変化して、Nチャネル型MOSトランジスタ110、111が共にオフ状態からオン状態に遷移する。続いて、Nチャネル型MOSトランジスタ110、111がオン状態になると、ノードCはノードD及びノードEと導通するため、ラッチモード期間中にノード電圧Vc、Vd、Veはほぼ同電圧となる。
【0026】
従来の電圧比較器においては、比較モードからラッチモードに切り替わる際に、第2の制御電圧Vc2の変化がNチャネル型MOSトランジスタ110、111の寄生容量を介してノードCに伝達されて、ノード電圧Vcが高電位側に押し上げられる、という現象が生じる。このため、ラッチモード開始直後のノード電圧VcがNチャネル型MOSトランジスタ106、107をオフ状態とするに足る電圧である場合には、正帰還増幅は開始されなくなる。この間にノードA、ノードBには抵抗素子108、109を介して電圧が印加されるので、Voutp、Voutnの電圧値は上昇していく。
【0027】
その後、電流源として機能しているNチャネル型MOSトランジスタ101を流れる電流によってノード電圧Vc、Vd、Veの電圧が低下することで、Nチャネル型MOSトランジスタ106、107は漸くオン状態となって正帰還動作が開始される(図4(c)のα点)。そして、VoutpおよびVoutnは正帰還増幅されてそれぞれVDD、VDD−I×Rに収束していく。
【0028】
このように、従来の電圧比較器においては、ラッチモードへの切り替わり時から実際に正帰還動作が開始されるまでに時間を要するという不具合が見られた。また、従来の電圧比較器では、正帰還動作の開始が遅れるために、ラッチモードの終了時において、第1出力電圧Voutpと第2出力電圧Voutnとの電圧差がI×Rに達しない場合があった。このため、従来の電圧比較器においては、電圧比較器の後段に接続されたダイナミック型ラッチ回路を介して比較結果をディジタル信号レベルに変換する際に、該ダイナミック型ラッチ回路における信号レベルの変換が正常に行われず、誤比較が発生する確率が高くなるおそれがあった。
【0029】
次に、「ラッチモード1」から「比較モード2」に遷移すると、第1の制御電圧Vc1がVSSからVDDに変化することによりNチャネル型MOSトランジスタ104、105がオフ状態からオン状態に遷移し、第2の制御電圧Vc2がVDDからVSSに変化することによりNチャネル型MOSトランジスタ110、111がオン状態からオフ状態に遷移して、入力電圧を差動増幅する差動増幅器として機能する。
【0030】
図4(b)に示すように入力電圧Vinp、Vinnの入力電圧差が差動増幅のダイナミックレンジ以上の大きさである場合には(Vinn>Vinp)、出力電圧Voutp、Voutnは本モードの終わりにはそれぞれVDD−I×R、VDDに収束する。このとき、ノード電圧Vc、Vd、Veは「比較モード1」の説明で述べたとおりの電圧値に収束する。なお、過渡的な電圧応答のメカニズムについては後述する。
【0031】
「比較モード2」から「ラッチモード2」に遷移すると、第1出力電圧Voutp、第2出力電圧Voutnおよびノード電圧Vc、d、eは「ラッチモード1」の説明で述べたとおりのメカニズムにより過渡的電圧変化の後、所定の電圧値に収束して、第1出力電圧Voutpおよび第2出力電圧Voutnは、それぞれVDD−I×R、VDDとなる。なお、「ラッチモード2」では「比較モード2」の終了時での出力電圧の差がほぼI×Rであったので、「ラッチモード1」とは違い、第1出力電圧VoutpはVDD−R×Iに、第2出力電圧VoutnはVDDに、それぞれ収束する。
【0032】
次に、「ラッチモード2」から「比較モード3」に遷移すると、Nチャネル型MOSトランジスタ110、111がオフ状態になっていき、Nチャネル型MOSトランジスタ104、105が十分にオン状態となるまでの過渡的期間において、電圧比較器における電源電圧VDDと接地電圧VSS間の電流パスが細くなる。すると、第1出力電圧Voutp、第2出力電圧Voutnおよびノード電圧VcはVDDを供給する電源線からの電荷流入より高電位側に遷移し、ノード電圧Vd、Veは電流源として機能するNチャネル型MOSトランジスタ101によって電荷を引き抜かれて低電位側に遷移する。
【0033】
続いて、Nチャネル型MOSトランジスタ104、105が十分にオン状態になるとノードA−ノードD間とノードB−ノードE間が共に導通状態となって、ノード電圧Vd、Veは高電位側に、ノード電圧Vcは低電圧側に遷移する。この後に、従来の電圧比較器は、漸く差動増幅器として機能し始める。
【0034】
このように、従来の電圧比較器においては、2つの入力電圧の電圧差が「比較モード1」と同様に微小である場合、本来の差動増幅結果に収束するまでに多くの時間を要していた。そのため、図4(b)に示すように、差動増幅動作の開始に比べて「比較モード」の時間が十分長くなければ、第1出力電圧Voutp、第2出力電圧Voutnは本来の差動増幅結果に収束しきれないままに次の「ラッチモード3」に遷移し、その結果誤比較してしまうことがあった(図2(c)のβ点参照)。
【0035】
さらに、従来の電圧比較器においては、第2の制御電圧Vc2がVDDからVSSに変化して、Nチャネル型MOSトランジスタ110、111がオン状態からオフ状態に遷移する際に、第2の制御電圧Vc2の電圧変化がNチャネル型MOSトランジスタ110、111の寄生容量を介してノードCに伝達される。すると、ノードCの電圧は比較モード3に切り替わった直後に過渡的に低電位側に引き下げられ、差動増幅動作の開始後も、Nチャネル型MOSトランジスタ106、107がオン状態となってノードCに向かって電流が流れ続ける(図4(c)のγ点)。そのため、次のラッチモードの開始までにNチャネル型MOSトランジスタ106、107の各ゲート−ソース間電圧がしきい値電圧近傍とならない場合には、出力電圧Voutp、Voutnに誤差電圧が発生し、後段のディジタル化処理において誤比較が発生するおそれが生じていた。
【0036】
本発明は上記従来の電圧比較器における課題を解決するもので、比較モードからラッチモードへの遷移時において、誤比較が生じにくく、且つ高速動作が可能な電圧比較器を提供することを目的とする。
【0037】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の電圧比較器は、共に差動対を形成する第1導電型の第1のMISトランジスタおよび第2のMISトランジスタと、上記第1のMISトランジスタおよび第2のMISトランジスタにそれぞれ接続された第1の抵抗素子および第2の抵抗素子とを有し、差動入力電圧を受けて差動電圧を生成するための差動増幅回路と、第1のソース・ドレイン領域が上記第1のMISトランジスタに接続され、第2のソース・ドレイン領域が上記第1の抵抗素子に接続された第1導電型の第3のMISトランジスタと、第1のソース・ドレイン領域が上記第2のMISトランジスタに、ゲートが上記第3のMISトランジスタの第2のソース・ドレイン領域に、第2のソース・ドレイン領域が上記第3のMISトランジスタのゲートおよび第2の抵抗素子にそれぞれ接続された第1導電型の第4のMISトランジスタとを有し、上記第3のMISトランジスタ及び上記第4のMISトランジスタの第1のソース・ドレイン領域が共通接続され、上記差動電圧を正帰還増幅またはラッチするためのラッチ回路と、上記第1のMISトランジスタと上記第1の抵抗素子との間に介設され、第1の信号によって第1の期間に導通状態となり、第2の期間に非導通状態となるよう制御される第1導電型の第1のスイッチ用MISトランジスタと、上記第2のMISトランジスタと上記第2の抵抗素子との間に介設され、上記第1の信号によって上記第1の期間に導通状態となり、上記第2の期間に非導通状態となるよう制御される第1導電型の第2のスイッチ用MISトランジスタと、上記第1のMISトランジスタと上記第3のMISトランジスタとの間に介設され、上記第1の信号とは逆相の第2の信号によって上記第2の期間に導通状態となり、上記第1の期間に非導通状態となるよう制御される第1導電型の第3のスイッチ用MISトランジスタと、上記第2のMISトランジスタと上記第4のMISトランジスタとの間に介設され、上記第2の制御信号によって上記第2の期間に導通状態となり、上記第1の期間に非導通状態となるよう制御される第1導電型の第4のスイッチ用MISトランジスタと、上記第1の期間から上記第2の期間への遷移時または上記第2の期間から上記第1の期間への遷移時に、上記第3のMISトランジスタおよび上記第4のMISトランジスタの第1のソース・ドレイン領域の電圧を上記第2の信号の電圧変化とは逆の極性に変化させるための第1の電圧制御手段とを備えている。
【0038】
この構成により、差動入力電圧の差動増幅が行われる第1の期間から差動電圧の正帰還増幅またはラッチが行われる第2の期間への遷移時、または第2の期間から第1の期間への遷移時に、第3および第4のスイッチ用MISトランジスタを介して上記第3のMISトランジスタおよび上記第4のMISトランジスタの第1のソース・ドレイン領域に伝達される第2の信号の電圧変化の影響を抑えることができる。従って、本発明の第1の電圧比較器においては、第1の期間から第2の期間への遷移時には正帰還またはラッチ動作の開始が、第2の期間から第1の期間への遷移時には差動増幅動作の開始が、それぞれ速やかに行われるので、誤比較の発生が抑制されるとともに、従来の比較器に比べて高速動作が可能となる。
【0039】
上記第1の電圧制御手段は、一端が上記第3のMISトランジスタおよび上記第4のMISトランジスタの第1のソース・ドレイン領域に接続され、他端に上記第2の信号とは逆相の第3の信号が印加された第1の容量素子であることにより、第1の期間から第2の期間への遷移時および第2の期間から第1の期間への遷移時には第2の信号とは逆相である第3の信号が、第1の容量素子を介して上記第3のMISトランジスタおよび上記第4のMISトランジスタの第1のソース・ドレイン領域に伝達される。その結果、第2の信号による電圧変動は抑制され、誤比較の発生が抑制されると共に高速動作が可能となる。
【0040】
上記第1の期間中に、上記第3のMISトランジスタおよび上記第4のMISトランジスタのゲート−第1のソース・ドレイン領域間の電圧を、ほぼ上記第3のMISトランジスタおよび上記第4のMISトランジスタのしきい値電圧に設定するための第2の電圧制御手段をさらに備えていることにより、第3および第4のMISトランジスタが第1の期間の開始後に「深いオフ状態」になる場合でも、第2の期間の開始前にゲート−第1のソース・ドレイン領域間の電圧をしきい値近傍に設定することができるようになるので、第1の期間から第2の期間への遷移時に正帰還またはラッチ動作の開始を迅速に行なうことが可能となる。
【0041】
上記第2の電圧制御手段は、第1の電流源と、第1のソース・ドレイン領域が上記第1の電流源に接続され、第2のソース・ドレイン領域およびゲートに第1の電源が接続された第1導電型の第5のMISトランジスタと、上記第3のMISトランジスタおよび上記第4のMISトランジスタの第1のソース・ドレイン領域と上記第1の電流源または上記第5のMISトランジスタの間に設けられ、上記第1の期間には導通状態となり、上記第2の期間には非導通状態となるよう制御された第1のスイッチとを有していることにより、第5のMISトランジスタの第1のソース・ドレイン領域のしきい値を調節すれば第1の期間に第3および第4のMISトランジスタの第1のソース・ドレイン領域の電位を所望の値に設定することが可能になる。
【0042】
上記第2の電圧制御手段は、一端が上記第1のスイッチと上記第5のMISトランジスタに接続され、他端に第2の電源が接続される第2の容量素子をさらに備えていることにより、第1の期間中に第3および第4のMISトランジスタの第1のソース・ドレイン領域をより確実に所定の電位に設定することができる。
【0043】
本発明の第2の電圧比較器は、上記第3のMISトランジスタの第2のソース・ドレイン領域と上記第4のMISトランジスタの第2のソース・ドレイン領域との間に介設された第2導電型の第6のMISトランジスタと、一端に上記第2の信号と同相の第4の信号が印加され、他端が上記第6のMISトランジスタのゲートに接続された第3の容量素子と、一端に第1の電源が接続され、他端が上記第6のMISトランジスタのゲートに接続された第3の抵抗素子とを有し、上記第1の期間中に一時的に上記第6のMISトランジスタを導通させるように制御するための第3の電圧制御手段とをさらに備えている。
【0044】
これにより、第1の期間において、差動入力電圧の電圧差が微小である場合でも、従来の電圧比較器に比べて迅速に本来の差動増幅値に収束させることができる。このため、本発明の第1の電圧比較器では、従来に比べて第2の期間における誤比較の発生確率を低減させることが可能になっている。
【0045】
上記第3の電圧制御手段は、一端が上記第6のMISトランジスタのゲートに接続され、他端が第2の電源に接続された第2導電型の第7のMISトランジスタと、第1のソース・ドレイン領域に第1の電源が接続され、ゲートおよび第2のソース・ドレイン領域が上記第7のMISトランジスタのゲートに接続された第2導電型の第8のMISトランジスタと、上記第7のMISトランジスタのゲートと上記第8のMISトランジスタのゲートおよび第2のソース・ドレイン領域とに接続された第3の電流源とをさらに有していることにより、第7のMISトランジスタのゲート電圧が例えば電源電圧(第1の電源電圧)以上になることを防ぐことができるので、動作の信頼性を向上させることができる。
【0046】
本発明の第2の電圧比較器は、共に差動対を形成する第1導電型の第1のMISトランジスタおよび第2のMISトランジスタと、上記第1のMISトランジスタおよび第2のMISトランジスタにそれぞれ接続された第1の抵抗素子および第2の抵抗素子とを有し、差動入力電圧を受けて差動電圧を生成するための差動増幅回路と、第1のソース・ドレイン領域が上記第1のMISトランジスタに接続され、第2のソース・ドレイン領域が上記第1の抵抗素子に接続された第1導電型の第3のMISトランジスタと、第1のソース・ドレイン領域が上記第2のMISトランジスタに、ゲートが上記第3のMISトランジスタの第2のソース・ドレイン領域に、第2のソース・ドレイン領域が上記第3のMISトランジスタのゲートおよび第2の抵抗素子にそれぞれ接続された第1導電型の第4のMISトランジスタとを有し、上記第3のMISトランジスタ及び上記第4のMISトランジスタの第1のソース・ドレイン領域が共通接続され、上記差動電圧を正帰還増幅またはラッチするためのラッチ回路と、上記第1のMISトランジスタと上記第1の抵抗素子との間に介設され、第1の信号によって第1の期間に導通状態となり、第2の期間に非導通状態となるよう制御される第1導電型の第1のスイッチ用MISトランジスタと、上記第2のMISトランジスタと上記第2の抵抗素子との間に介設され、上記第1の信号によって上記第1の期間に導通状態となり、上記第2の期間に非導通状態となるよう制御される第1導電型の第2のスイッチ用MISトランジスタと、上記第1のMISトランジスタと上記第3のMISトランジスタとの間に介設され、上記第1の信号とは逆相の第2の信号によって上記第2の期間に導通状態となり、上記第1の期間に非導通状態となるよう制御される第1導電型の第3のスイッチ用MISトランジスタと、上記第2のMISトランジスタと上記第4のMISトランジスタとの間に介設され、上記第2の制御信号によって上記第2の期間に導通状態となり、上記第1の期間に非導通状態となるよう制御される第1導電型の第4のスイッチ用MISトランジスタと、上記第3のMISトランジスタの第2のソース・ドレイン領域と上記第4のMISトランジスタの第2のソース・ドレイン領域との間に介設された第2導電型の第5のMISトランジスタと、一端に上記第2の信号と同相の第3の信号が印加され、他端が上記第5のMISトランジスタのゲートに接続された容量素子と、一端に第1の電源が接続され、他端が上記第5のMISトランジスタのゲートに接続された第3の抵抗素子とを有し、上記第1の期間中に一時的に上記第5のMISトランジスタを導通させるように制御するための電圧制御手段とを備えている。
【0047】
これにより、第1の期間において、差動入力電圧の電圧差が微小である場合や入力電圧が微小な場合でも、従来の電圧比較器に比べて迅速に本来の差動増幅値に収束させることができる。このため、本発明の第2の電圧比較器では、従来に比べて第2の期間における誤比較の発生確率を低減させることが可能になっている。
【0048】
上記電圧制御手段は、一端が上記第5のMISトランジスタのゲートに接続され、他端が第2の電源に接続された第2導電型の第6のMISトランジスタと、第1のソース・ドレイン領域が第1の電源に接続され、ゲートおよび第2のソース・ドレイン領域が上記第6のMISトランジスタのゲートに接続された第2導電型の第7のMISトランジスタと、上記第6のMISトランジスタのゲートと上記第7のMISトランジスタのゲートおよび第2のソース・ドレイン領域とに接続された第1の電流源とをさらに有していることにより、第5のMISトランジスタのゲート電圧が電源電圧(第1の電源電圧)以上になることを防ぐことができるので、動作の信頼性を向上させることができる。
【0049】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【0050】
(本発明の実施形態)
図1は、本発明の実施形態に係る電圧比較器の構成を示す回路図である。本実施形態の電圧比較器は、差動増幅回路と正帰還動作を行なうラッチ回路とが組み合わされ、電源電圧(第1の電源電圧)VDDを供給する電源線と接地電圧(第2の電源電圧)VSSを供給する接地線との間に設けられた従来の電圧比較器に、キャパシタあるいはトランジスタを付加した構成を有している。
【0051】
図1に示すように、本実施形態の電圧比較器は、ソースに接地電圧VSSが供給され、定電流源として機能するようにゲートにバイアス電圧Vb1が印加されたNチャネル型の電流供給用MOSトランジスタ1と、ソースが電流供給用MOSトランジスタ1のドレインに共通に接続され、ゲートにそれぞれ比較対象となる第1入力電圧Vinp及び第2入力電圧Vinnが入力され、VinpとVinnの差動入力電圧を差動電流に変換増幅するためのNチャネル型の第1のMOSトランジスタ2およびNチャネル型の第2のMOSトランジスタ3と、ソースが第1のMOSトランジスタ2のドレインに接続され、ゲートに第1の制御電圧Vc1が入力されるNチャネル型の第1のスイッチ用MOSトランジスタ4と、ソースが第2のMOSトランジスタ3のドレインに接続され、ゲートに第1の制御電圧Vc1が入力されるNチャネル型の第2のスイッチ用MOSトランジスタ5と、ソースが第1のMOSトランジスタ2のドレインに接続され、ゲートに第1の制御電圧Vc1の相補(逆相)信号である第2の制御電圧Vc2が入力されるNチャネル型の第3のスイッチ用MOSトランジスタ10と、ソースが第2のMOSトランジスタ3のドレインに接続され、ゲートに第2の制御電圧Vc2が入力されるNチャネル型の第4のスイッチ用MOSトランジスタ11と、ソースが第3のスイッチ用MOSトランジスタ10のドレインに接続されたNチャネル型の第3のMOSトランジスタ7と、ソースが第4のスイッチ用MOSトランジスタ11のドレインに接続され、且つドレインが第3のMOSトランジスタ7のゲートに、ゲートが第3のMOSトランジスタ7のドレインにそれぞれ接続されたNチャネル型の第4のMOSトランジスタ6と、一端が第1のスイッチ用MOSトランジスタ4及び第3のMOSトランジスタ7のドレインに接続され、他端に電源電圧VDDが印加される第1の抵抗素子8と、一端が第2のスイッチ用MOSトランジスタ5及び第4のMOSトランジスタ6のドレインに接続され、他端に電源電圧VDDが印加される第2の抵抗素子9とを備えている。本実施形態の電圧比較器において、第1のスイッチ用MOSトランジスタ4及び第2のスイッチ用MOSトランジスタ5と、第3のスイッチ用MOSトランジスタ10及び第4のスイッチ用MOSトランジスタ11とは、それぞれ比較モードにおける差動増幅動作とラッチモードにおける正帰還動作(またはラッチ動作)とを切り替えるためのスイッチとして機能する。
【0052】
また、第1のスイッチ用MOSトランジスタ4のドレインと第1の抵抗素子8の間の接続点をノードAとすると、このノードAは第2出力電圧Voutnを出力する第2出力部、第3のMOSトランジスタ7のドレイン及び第4のMOSトランジスタ6のゲートにそれぞれ接続されている。これと同様に、第2のスイッチ用MOSトランジスタ5のドレインと第2の抵抗素子9の間の接続点をノードBとすると、このノードBは第1出力電圧Voutpを出力する第1出力部、第4のMOSトランジスタ6のドレイン及び第3のMOSトランジスタ7のゲートにそれぞれ接続されている。
【0053】
また、第3のスイッチ用MOSトランジスタ10と第3のMOSトランジスタ7との間の接続点と第4のスイッチ用MOSトランジスタ11と第4のMOSトランジスタ6との間の接続点とは互いに接続されており、この接続部分を以後ノードCと呼ぶ。
【0054】
また、第1のMOSトランジスタ2、第1のスイッチ用MOSトランジスタ4および第3のスイッチ用MOSトランジスタ10の共通接続点をノードDと呼び、第2のMOSトランジスタ3、第2のスイッチ用MOSトランジスタ5および第4のスイッチ用MOSトランジスタ11の共通接続点をノードEと呼ぶこととする。
【0055】
以上では従来の電圧比較器と同様の構成部分について説明したが、以下では本発明の電圧比較器の特徴部分について説明する。
【0056】
まず、本実施形態の電圧比較器は、ラッチモードの開始直後におけるノードCの電位上昇を抑えるための第1の電圧制御手段と、比較モード期間中にノードCの電位を所定値に近づけるための第2の電圧制御手段と、第3のMOSトランジスタ7のドレインと第4のMOSトランジスタ6のドレインとの間に介設されたPチャネル型の接続用MOSトランジスタ19と、接続用MOSトランジスタ19のゲート電極に接続された第3の容量素子18を有し、且つ接続用MOSトランジスタ19をラッチモードから比較モードへの遷移後所定の期間オン状態に制御するための第3の電圧制御手段とを備えている。ここで、「比較モード」(第1の期間)と「ラッチモード」(第2の期間)の定義は従来と同じであり、Vc1=VDDでVc2=VSSの期間が「比較モード」、Vc1=VSSでVc2=VDDの期間が「ラッチモード」とする(図2(a)参照)。
【0057】
本実施形態の電圧比較器において、第1の電圧制御手段は、一方の電極に第1の制御電圧Vc1が印加され、他方の電極がノードCに接続された第1の容量素子12である。
【0058】
また、第2の電圧制御手段は、第1のソース・ドレイン領域がノードCに接続され、且つゲート電極に第2の制御電圧Vc2が印加されるPチャネル型の第5のMOSトランジスタ16と、接地線に接続された第1の電流源13と、ソースが第1の電流源13及び第5のMOSトランジスタ16の第2のソース・ドレイン領域に接続され、ドレインが電源線に接続され、且つドレインとゲート電極とが互いに接続されたNチャネル型の第6のMOSトランジスタ14と、第2のソース・ドレイン領域と接地線との間に介設された第2の容量素子15とを有している。ここで、第6のMOSトランジスタ14のソースをノードFとする。
【0059】
また、第3の電圧制御手段は、接続用MOSトランジスタ19と電源線との間に介設された第3の抵抗素子17と、第3の抵抗素子17と接続用MOSトランジスタ19のゲート電極との接続点であるノードGに一端が接続され、他端に第2の制御電圧Vc2が印加される第3の容量素子18と、ノードGと接地線との間に介設されたPチャネル型の第7のMOSトランジスタ20と、接地線に接続された第2の電流源21と、ソースが電源線に、ドレインが第2の電流源21及びゲート電極にそれぞれ接続され、第7のMOSトランジスタ20とゲート電極同士が接続されたPチャネル型の第8のMOSトランジスタ22とを有している。
【0060】
以上のように構成された本実施形態の電圧比較器の動作を以下に説明する。
【0061】
図2(a)は、本実施形態の電圧比較器における第1の制御電圧Vc1および第2の制御電圧Vc2の状態遷移と、第1〜第4のスイッチ用MOSトランジスタのオン/オフ状態を示す動作タイミング図である。また、図2(b)は、本実施形態の電圧比較器における第1入力電圧Vinpおよび第2入力電圧Vinnの変化を示すタイミング図であり、図2(c)は、第1出力電圧Voutpおよび第2出力電圧Voutnの変化、ノードCの電圧(ノード電圧Vc)、ノードDの電圧(ノード電圧Vd)及びノードEの電圧(ノード電圧Ve)の変化、およびノードFの電圧(ノード電圧Vf)を示すタイミング図である。図2(a),(b)に示すように、本実施形態の電圧比較器で用いられる第1の制御電圧Vc1と第2の制御電圧Vc2は従来の電圧比較器と同一である。
【0062】
また、本実施形態の電圧比較器は、ラッチモード開始時の入力電圧Vinp、Vinnの大小関係に応じて、ラッチモードの期間中に出力電圧Voutp、VoutnとしてVDDとVDD−I×Rのいずれかを出力する。ここでは、本実施形態の電圧比較器の入力電圧条件が、図4(b)に示す入力電圧Vinp、Vinnと同一である場合における各ノードの電圧応答を、従来の電圧比較器と比較しながら説明する。
【0063】
まず、「比較モード1」の期間の終わりにおいて、第1入力電圧Vinpと第2入力電圧Vinnとの電圧差がサブ〜1mV程度で、本電圧比較器の入力電圧差としてほぼ最小レベルである場合、出力電圧Voutp、Voutnは、VDD−IR/2をコモンモード電圧として、各入力電圧が所定の割合だけ増幅された電圧値となる。ノード電圧Vcは、VDDから第4のMOSトランジスタ6および第3のMOSトランジスタ7のしきい値電圧であるVtを減じた電圧近傍の電圧値を上限とする電圧値となる。I×Rの値は、一般的に0.3〜0.5V程度に設定される。ここで、I×Rの値を0.5Vとした場合、電源電圧VDDを3.0Vとすると、VDD−I×Rの値は2.5V、ノード電圧Vcは、VDDから第4のMOSトランジスタ6および第3のMOSトランジスタ7のゲート−ソース間電圧である約1V程度を減じた電圧、すなわち2.0V程度が上限となる。同様に、VdおよびVeは、共に電源電圧VDDから第1のスイッチ用MOSトランジスタ4および第2のスイッチ用MOSトランジスタ5のゲート−ソース間電圧である約1V程度を減じた2.0V程度になっている。
【0064】
次に、「比較モード1」から「ラッチモード1」に遷移すると、第1の制御電圧Vc1がVDDからVSSに変化するのに伴って、第1のスイッチ用MOSトランジスタ4および第2のスイッチ用MOSトランジスタ5がオン状態からオフ状態に遷移する。これと同時に、第2の制御電圧Vc2がVSSからVDDに変化するのに伴って、第3のスイッチ用MOSトランジスタ10および第4のスイッチ用MOSトランジスタ11がオフ状態からオン状態に遷移する。
【0065】
従来の電圧比較器では、「比較モード1」から「ラッチモード1」への過渡状態において、第3のスイッチ用MOSトランジスタ10および第4のスイッチ用MOSトランジスタ11の寄生容量を介して第2の制御電圧Vc2の電圧変化がノードCに伝達されるため、ノード電圧Vcが一時的に高電位側に押し上げられる(図4(c)参照)。
【0066】
これに対し、図2(c)に示すように、本実施形態の電圧比較器では、第1の容量素子12が設けられていることにより、第2の制御電圧Vc2とは逆極性に変化する第1の制御電圧Vc1の電圧変化がノードCに伝達されて、ノードCの電圧Vcが低電位側に押し下げられる。この後、第3のスイッチ用MOSトランジスタ10および第4のスイッチ用MOSトランジスタ11が共に状態になると、ノードCはノードD、Eと導通状態となり、ノード電圧Vc、VdおよびVeは互いにほぼ同電圧となる。
【0067】
このように、本実施形態の電圧比較器では、第1の容量素子12を設けたことにより、比較モードからラッチモードへの遷移時にノード電圧Vcの上昇を抑えられるので、ラッチモードにおいて第4のMOSトランジスタ6および第3のMOSトランジスタ7が速やかにオン状態になる(図2(c)に示す点δ)。このため、本実施形態の電圧比較器は、従来の電圧比較器に比べて、素早く正帰還動作を開始することができる(図2(e)の点ε)。その結果、第1出力電圧Voutpと第2出力電圧Voutnとは正帰還増幅されて、それぞれVDD、VDD−I×Rに速やかに収束する。従って、本実施形態の電圧比較器によれば、ラッチモード1の期間中に出力電圧の差をより確実且つ迅速にI×Rに収束させることができるので、誤比較の発生確率を抑制することができる。特に、2つの入力電圧の差が小さい場合にも有効であるので、従来よりも高精度の電圧比較を可能にすることができる。また、従来よりも短時間で出力電圧を収束させることができるので、第1の制御電圧Vc1および第2の制御電圧Vc2のクロック周波数を上げて、動作を高速化することも可能となる。
【0068】
次に、「ラッチモード1」から「比較モード2」に遷移する際には、第3のスイッチ用MOSトランジスタ10および第4のスイッチ用MOSトランジスタ11が共にオフ状態となっていき、第1のスイッチ用MOSトランジスタ4および第2のスイッチ用MOSトランジスタ5が十分にオン状態となっていない過渡的期間が存在する。この過渡的期間では、電圧比較器におけるVDDとVSS間の電流パスが細くなり、第1出力電圧Voutp、第2出力電圧Voutnおよびノード電圧Vcは電源線からの電荷流入より高電位側に遷移する。また、ノード電圧VdおよびVeは、電流供給用MOSトランジスタ1によって電荷を引き抜かれ低電位側に遷移する。
【0069】
本実施形態の電圧比較器では、比較モードの開始直後において、第1の制御電圧Vc1のVSSからVDDへの電圧変化が第1の容量素子12を介して伝達されるため、ノード電圧Vcは高電位側に押し上げられる。そのため、第4のMOSトランジスタ6および第3のMOSトランジスタ7は瞬時にオフ状態となり、ノードCへ向かって充電電流が流れなくなるので、第1出力電圧Voutpおよび第2出力電圧Voutnに誤差が発生しにくくなり、誤比較の発生が抑制される。
【0070】
その後、第1のスイッチ用MOSトランジスタ4および第2のスイッチ用MOSトランジスタ5が完全にオン状態になると共に、第3のスイッチ用MOSトランジスタ10および第4のスイッチ用MOSトランジスタ11が十分にオフ状態になると、電圧比較器は、入力電圧を差動増幅する差動増幅器として機能する。
【0071】
図2(b)に示すようにVinp、Vinnの入力電圧差が差動増幅のダイナミックレンジ(例えば100mV以上200mV程度以下)以上の大きさであるとすると(Vinn>Vinp)、第1出力電圧Voutpおよび第2出力電圧Voutnは、本モードの終わりにそれぞれVDD−I×R、VDDに収束する。
【0072】
また、ノード電圧VdおよびVeは「比較モード1」の説明で述べたとおりの電圧値に収束する。また、ノード電圧Vcも所定の期間後、「比較モード1」で説明した電圧値に収束する。
【0073】
本実施形態の電圧比較器では、第1の容量素子12に加えて第2の制御手段を備えている。このため、「比較モード2」の開始直後に上昇したノード電圧Vcは、「比較モード2」の間にノード電圧Vcは、ほぼノードFの電圧(ノード電圧Vf)まで下げられる。これは、次のような機構による。
【0074】
図2(c)に示すように、ノード電圧Vfは、電源電圧VDDから第6のMOSトランジスタ14のしきい値電圧近傍の電圧値を減じた電圧値であり、第2の容量素子15によってほぼ一定値に保持されている。比較モードに入り、第2の制御電圧Vc2がVDDからVSSに変化して、第5のMOSトランジスタ16がオフ状態からオン状態となる。そのため、ノード電圧Vcは、比較モードの終了までにノード電圧Vfにほぼ収束する(図2(c)の点ζ)。
【0075】
このように、本実施形態の電圧比較器では、第1の容量素子12を備えていることで比較モードにおける誤比較を抑制できる。これに加え、本実施形態の電圧比較器は第2の電圧制御手段を備えているので、「ラッチモード」に遷移するまでに、ノード電圧Vcの上昇を抑えることができ、「ラッチモード」への遷移後に迅速に正帰還動作を開始することが可能になっている。この際の第6のMOSトランジスタ14のしきい値は、第3のMOSトランジスタ7及び第4のMOSトランジスタ6のしきい値近傍に設定するのが好ましい。
【0076】
なお、第2の電圧制御手段が第2の容量素子15を有していない場合でもノード電圧Vcの上昇を抑えることは可能であるが、第2の容量素子15が設けられることによってノード電圧Vcはより安定化される。
【0077】
次に、「比較モード2」から「ラッチモード2」に遷移すると、Voutn、Voutp、およびノード電圧Vc、Vd、Veは、「ラッチモード1」の説明で述べたとおりの動作により過渡的電圧変化の後、所定の電圧値に収束する。この際の第1出力電圧Voutpおよび第2出力電圧Voutnは、それぞれVDD−I×R、VDDとなる。
【0078】
次に、「ラッチモード2」から「比較モード3」に遷移する際にも、ノード電圧Vc、Vd、Veは「ラッチモード1」から「比較モード2」の場合と同様に変化する。ここでも、電圧比較器が第1の容量素子を備えていることで、比較モードにおける誤比較を抑制できる。また、第2の電圧制御手段によって、「ラッチモード3」に遷移するまでに、ノード電圧Vcの上昇が抑えられている。
【0079】
ところで、「比較モード3」の開始時には、第1入力電圧Vinpと第2入力電圧Vinpとの差が電圧比較器にとって最小レベルになっている。このような場合、出力電圧Voutp、Voutnは、VDD−IR/2をコモンモード電圧として、入力電圧Vinp、Vinnがそれぞれ所定の割合だけ増幅された電圧値となる。この際に、図2(c)、図4(c)に示すように、本実施形態の電圧比較器は、接続用MOSトランジスタ19および第3の電圧制御手段を備えているので、従来の電圧比較器に比べて出力電圧が収束するまでの所要時間が短縮されている。これは、以下の理由による。
【0080】
「ラッチモード2」から「比較モード3」へ遷移する直前において、接続用MOSトランジスタ19は、そのゲート電圧(ノード電圧Vg)が、第3の抵抗素子17を介して電源電圧VDDに設定されているため、オフ状態となっている。
【0081】
次いで、「ラッチモード2」から「比較モード3」に遷移すると、第2の制御電圧Vc2のVDDからVSSへの電圧変化が第3の容量素子18を介して伝達されて、ノード電圧VgはVDDから過渡的に低電位側に押し下げられる。このとき、接続用MOSトランジスタ19は、比較モードへの遷移時から、ゲート−ソース間電圧(ここではVg−Voutn)がしきい値電圧以下となっている期間中オン状態になる。すると、ノードAとノードBとが導通状態となるので、第1出力電圧Voutpと第2出力電圧Voutnとは互いに等しい電圧に向かって収束していく(図2(c)の点η)。この間に電圧比較器の差動増幅機能も作動し始める。また、ゲート−ソース間電圧がしきい値を超えた時点で接続用MOSトランジスタ19はオフとなるので、「比較モード3」の終了時までには確実に、第1入力電圧Vinpと第2入力電圧Vinnとが差動増幅された状態の第1出力電圧Voutpおよび第2出力電圧Voutnがそれぞれ出力されるようになる。
【0082】
また、本実施形態の電圧比較器において、比較モードからラッチモードへの遷移時に、第2制御電圧Vc2がVSSからVDDに変化するため、遷移前に電源電圧VDDに設定されているノード電圧Vgは過渡的に電源電圧VDDより高電位側に押し上げられる。しかし、ノード電圧VgがVDDを超えると、第7のMOSトランジスタ20を通して電荷が引き抜かれるので、ノード電圧Vgの上昇は抑えられる。従って、ノード電圧Vgが半導体装置の絶対最大定格を超えるような高電圧になることはなく、電圧比較器の信頼性は向上している。
【0083】
このように、本実施形態の電圧比較器は、第2の制御電圧が印加された第3の容量素子18を備えていることにより、入力電圧の差が微小である場合にも、従来の電圧比較器に比べて迅速に本来の差動増幅値に収束させることができるので、ラッチモードでの誤比較の発生確率を低減させることができる。言い換えれば、比較モードに入る前の入力電圧の大小や履歴(ヒステリシス)によらず誤比較を抑制することができる。また、比較モードにおける出力電圧の収束が速やかに行われるので、第1の制御電圧Vc1および第2の制御電圧Vc2の周波数を上げて動作速度を向上させることもできる。
【0084】
なお、ここで説明した第3の電圧制御手段は、単独で用いても誤比較の抑制効果が期待できるが、第1の電圧制御手段および第2の電圧制御手段と組み合わせることで、より正確な電圧比較が可能となる。
【0085】
以上のように、本実施形態の電圧比較器を用いれば、従来よりも精度の高い電圧比較が行えるようになる。
【0086】
なお、本実施形態の電圧比較器においては、第1の容量素子12と第2の電圧制御手段とを組み合わせて用いたが、第2の電圧制御手段単独でも誤比較の発生を抑制することができる。この場合には、ノード電圧Vfが、(VDD−IR/2)から第3のMOSトランジスタ7及び第4のMOSトランジスタ6のしきい値電圧を減じた値となるように第6のMOSトランジスタ14のしきい値を設定することが好ましい。これにより、第1の容量素子12を設けた場合と同様に、ラッチモード開始時におけるノード電圧Vcの上昇を抑えることができるので、入力電圧の差が微小であってもラッチモードでの誤比較の発生を抑制することができる。
【0087】
また、本実施形態の説明では電圧比較器に用いられるトランジスタがすべてMOSトランジスタである例を示したが、この代わりにMISトランジスタを用いてもよい。また、バイポーラトランジスタを用いることもできる。
【0088】
なお、本実施形態の電圧比較器を構成するMOSトランジスタの導電型を全て逆にしても同様に動作させることができる。その場合、Vc1がVDDの時がラッチモード、VSSの時が比較モードとなる。
【0089】
なお、本実施形態の電圧比較器において、第5のMOSトランジスタ16は、第1の制御電圧Vc1によって制御されるNチャネル型MOSトランジスタであってもよいが、第2の制御電圧Vc2によって制御されたPチャネル型MOSトランジスタである方が、ノード電圧Vcが上昇する際に確実に動作させることができるので、より好ましい。
【0090】
【発明の効果】
以上のように本発明の電圧比較器は、入力電圧を差動増幅する差動増幅回路と差動増幅された入力電圧を正帰還またはラッチするラッチ回路と、差動増幅動作と正帰還動作とを切り替えるための第1のスイッチ用MOSトランジスタ、第2のスイッチ用MOSトランジスタ、第3のスイッチ用MOSトランジスタおよび第4のスイッチ用MOSトランジスタと、第3のスイッチ用MOSトランジスタおよび第4のスイッチ用MOSトランジスタと正帰還回路との間のノードCに接続された第1の電圧制御手段と、ノードCに接続された第2の電圧制御手段と、差動増幅動作の開始時に一時的に2つの出力部同士を導通させる第3の電圧制御手段とを備えている。第1の電圧制御手段および第2の電圧制御手段によって、正帰還動作の開始時にノードCの電位上昇を抑えられると共に次の正帰還動作の開始前にノードCの電位を所定値に設定することができるので、誤比較の発生を抑制し、高速動作を可能にすることができる。また、第3の電圧制御手段により、差動増幅動作時に出力電圧を迅速に本来の差動増幅値に収束させることができるので、誤比較の発生を低減し、高速動作を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る電圧比較器の構成を示す回路図である。
【図2】(a)は、本発明の実施形態に係る電圧比較器における第1の制御電圧Vc1および第2の制御電圧Vc2の状態遷移と、各スイッチ用MOSトランジスタのオン/オフ状態を示す動作タイミング図である。また、(b)は、本電圧比較器における第1入力電圧Vinpおよび第2入力電圧Vinnの変化を示すタイミング図であり、(c)は、第1出力電圧Voutpおよび第2出力電圧Voutnの変化、および各ノード電圧の変化を示すタイミング図である。
【図3】従来の電圧比較器の構成を示す回路図である。
【図4】(a)は、従来の電圧比較器における第1の制御電圧Vc1および第2の制御電圧Vc2の状態遷移と、各MOSトランジスタのオン/オフ状態を示す動作タイミング図である。また、(b)は、第1入力電圧Vinpおよび第2入力電圧Vinnの変化を示すタイミング図であり、(c)は、第1出力電圧Voutpおよび第2出力電圧Voutnの変化と、各ノード電圧の変化とを示すタイミング図である。
【符号の説明】
1 電流供給用MOSトランジスタ
2 第1のMOSトランジスタ
3 第2のMOSトランジスタ
4 第1のスイッチ用MOSトランジスタ
5 第2のスイッチ用MOSトランジスタ
6 第4のMOSトランジスタ
7 第3のMOSトランジスタ
8 第1の抵抗素子
9 第2の抵抗素子
10 第3のスイッチ用MOSトランジスタ
11 第4のスイッチ用MOSトランジスタ
12 第1の容量素子
13 第1の電流源
14 第6のMOSトランジスタ
15 第2の容量素子
16 第5のMOSトランジスタ
17 第3の抵抗素子
18 第3の容量素子
19 接続用MOSトランジスタ
20 第7のMOSトランジスタ
21 第2の電流源
22 第8のMOSトランジスタ
Va,Vb,Vc,Vd,Ve,Vf,Vg ノード電圧[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a voltage comparator used in an A / D converter and the like.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with progress in miniaturization of semiconductor processes, integration of a system into one chip and an increase in signal processing speed have been progressing. Along with this, filters for A / D converters, D / A converters, etc., which perform mutual conversion between analog signals and digital signals at the front end and back end of the system, also increase the speed of signal processing and the handling of signals to be handled. Wide band is important. In particular, in an A / D converter, it is important to speed up the operation of a voltage comparator which is a main component thereof.
[0003]
Hereinafter, a conventional voltage comparator will be described.
[0004]
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of a conventional voltage comparator.
[0005]
As shown in the figure, the conventional voltage comparator has a source connected to the ground voltage V. SS And an N-
[0006]
In the conventional voltage comparator, assuming that a connection point between the drain of the N-
[0007]
A connection point between the N-
[0008]
A common connection point between the N-
[0009]
The operation of the voltage comparator configured as described above will be described below with reference to the drawings.
[0010]
FIG. 4A shows the state transition of the first control voltage Vc1 and the second control voltage Vc2 in the conventional voltage comparator and the on / off states of the N-
[0011]
As shown in FIG. 4A, the first control voltage Vc1 and the second control voltage Vc2 are clock signals having phases opposite to each other, and the control voltage Vc is Vc. DD Control voltage V SS , The voltage comparator enters the “comparison mode” and the control voltage Vc SS Control voltage V DD , The voltage comparator is in the “latch mode”. The latch mode and the comparison mode are alternately repeated at predetermined time intervals. In the A / D converter, a plurality of voltage comparators are arranged in parallel. Each conventional voltage comparator amplifies the difference between two input voltages. Then, the output voltage from the voltage comparator is converted to a digital signal level of “0” or “1” by a dynamic latch circuit arranged at a subsequent stage. Here, the reason why the voltage comparator is not directly connected to the digital circuit is that the output voltage on the low potential side is the logical level V on the low potential side of the digital circuit. SS (Ground voltage).
[0012]
A more detailed circuit operation of the conventional voltage comparator will be described below with reference to FIGS.
[0013]
First, in the “comparison mode”, the N-
[0014]
Next, in the “latch mode”, both the N-
[0015]
As shown in FIG. 4C, in the “comparison mode” immediately before the state transitions from the “comparison mode” to the “latch mode”, for example, when the magnitude relation of the input voltages is Vinp> Vinn, these input voltages are The output voltage is differentially amplified at a predetermined ratio, and the output voltage also satisfies Voutp> Voutn.
[0016]
Next, the mode is switched to the “latch mode”, and when the N-
[0017]
If Vinp <Vinn immediately before the start of the “latch mode”, Voutp = V DD −I × R, Voutn = V DD It converges to. That is, the N-channel MOS transistors 106 and 107 function as positive feedback amplifiers that amplify the voltage difference between Voutp and Voutn at the start of the “latch mode” to a value of I × R.
[0018]
As described above, the conventional voltage comparator performs the differential amplification of the first input voltage Vinp and the second input voltage Vinn in the comparison mode, and further expands the voltage difference between the differential amplification voltages in the latch mode following the comparison mode. Let me V DD Or V DD A voltage comparison operation of outputting any one of -IR as the output voltages Voutp and Voutn is performed.
[0019]
[Non-patent document 1]
Rudy J. Van De Placeche, An 8-bit 100-MHz Full-Nyquist Analog-to-Digital Converter, IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CURTI. 23, no. 6, December 1988, p. 1340
[Non-patent document 2]
G. FIG. W. Benes (GW Venes), An 80-MHz, 80-mW, 8-b CMOS Folding A / D Converter with Distributed Track-and Hold Preprocessing, IEEE JOURNAL OF SOLID. 31, No. 12, December 1996, p. 1852
[0020]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional voltage comparator, the second control voltage Vc2 is V SS To V DD When the N-
[0021]
Further, at the time of transition from the “latch mode” to the “comparison mode”, the second control voltage Vc2 is DD To V SS When the N-
[0022]
Hereinafter, these phenomena will be described a little more with reference to FIGS. 4 (b) and 4 (c).
[0023]
First, at the end of the "
[0024]
The node voltage Vc is V DD And the upper limit is a voltage value near the voltage obtained by subtracting the threshold voltages of the N-channel MOS transistors 106 and 107 from the above. I × R is usually set to about 0.3 to 0.5V. When I × R is 0.5 V, the power supply voltage V DD Is 3.0V, V DD −I × R is 2.5 V, and each of the node voltages Vc, Vd, and Ve is ideally V DD A voltage obtained by subtracting about 1 V from the gate-source voltage Vgs of each of the N-
[0025]
Next, when the state transits from the “
[0026]
In the conventional voltage comparator, when switching from the comparison mode to the latch mode, the change in the second control voltage Vc2 is transmitted to the node C via the parasitic capacitance of the N-
[0027]
Thereafter, the voltages of the node voltages Vc, Vd, and Ve are reduced by the current flowing through the N-
[0028]
As described above, the conventional voltage comparator has a disadvantage that it takes time from the time of switching to the latch mode to the time when the positive feedback operation is actually started. Further, in the conventional voltage comparator, since the start of the positive feedback operation is delayed, the voltage difference between the first output voltage Voutp and the second output voltage Voutn may not reach I × R at the end of the latch mode. there were. For this reason, in the conventional voltage comparator, when the comparison result is converted into a digital signal level through a dynamic latch circuit connected downstream of the voltage comparator, the conversion of the signal level in the dynamic latch circuit is performed. There is a possibility that the normal comparison is not performed and the probability of occurrence of erroneous comparison increases.
[0029]
Next, when the state transits from the “
[0030]
As shown in FIG. 4B, when the input voltage difference between the input voltages Vinp and Vinn is larger than the dynamic range of the differential amplification (Vinn> Vinp), the output voltages Voutp and Voutn are at the end of this mode. Has V DD -Converge to IxR, VDD. At this time, the node voltages Vc, Vd, and Ve converge to the voltage values as described in the description of the “
[0031]
When the state transits from the “
[0032]
Next, when the mode transits from the “
[0033]
Subsequently, when the N-
[0034]
As described above, in the conventional voltage comparator, when the voltage difference between the two input voltages is as small as in the “
[0035]
Further, in the conventional voltage comparator, the second control voltage Vc2 is V DD To V SS When the N-
[0036]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-described problems of the conventional voltage comparator, and to provide a voltage comparator which is unlikely to cause erroneous comparison and can operate at high speed when transitioning from a comparison mode to a latch mode. I do.
[0037]
[Means for Solving the Problems]
The first voltage comparator of the present invention includes a first MIS transistor and a second MIS transistor of a first conductivity type, both of which form a differential pair, and the first MIS transistor and the second MIS transistor, respectively. A differential amplifier circuit having a first resistance element and a second resistance element connected thereto and configured to receive a differential input voltage and generate a differential voltage; A third MIS transistor of a first conductivity type connected to the first MIS transistor and a second source / drain region connected to the first resistance element; and a first source / drain region connected to the second MIS transistor. The MIS transistor has a gate at the second source / drain region of the third MIS transistor, and a second source / drain region at the gate and the third terminal of the third MIS transistor. And a fourth MIS transistor of the first conductivity type respectively connected to the first and second resistance elements. The first source / drain regions of the third MIS transistor and the fourth MIS transistor are commonly connected, and A latch circuit for positive feedback amplification or latching of a differential voltage is provided between the first MIS transistor and the first resistance element, and is turned on in a first period by a first signal. A first conduction type first MIS transistor for switching, which is controlled to be in a non-conducting state during a second period, and the second MIS transistor and the second resistance element, A second MIS transistor for a first conductivity type, which is controlled by the first signal to be conductive during the first period and non-conductive during the second period; One MIS transistor and the third MIS transistor are interposed between the first MIS transistor and the third MIS transistor. The second MIS transistor is in a conductive state in the second period by a second signal having a phase opposite to that of the first signal. A third switch MIS transistor of a first conductivity type controlled to be in a non-conductive state, and a second control signal interposed between the second MIS transistor and the fourth MIS transistor; A fourth conductive MIS transistor of a first conductivity type, which is turned on during the second period and is turned off during the first period, and During the transition to the period or during the transition from the second period to the first period, the voltage of the first source / drain region of the third MIS transistor and the fourth MIS transistor is increased First voltage control means for changing the polarity of the second signal to a polarity opposite to that of the second signal is provided.
[0038]
With this configuration, at the time of transition from the first period in which differential amplification of the differential input voltage is performed to the second period in which positive feedback amplification or latching of the differential voltage is performed, or from the second period to the first period During the transition to the period, the voltage of the second signal transmitted to the first source / drain regions of the third MIS transistor and the fourth MIS transistor via the third and fourth switching MIS transistors The effect of the change can be suppressed. Therefore, in the first voltage comparator of the present invention, the positive feedback or the start of the latch operation is started at the transition from the first period to the second period, and the difference is started at the transition from the second period to the first period. Since the start of the dynamic amplification operation is performed promptly, occurrence of erroneous comparison is suppressed, and high-speed operation becomes possible as compared with the conventional comparator.
[0039]
The first voltage control means has one end connected to the first source / drain region of the third MIS transistor and the fourth MIS transistor, and the other end connected to the other end of the first MIS transistor having a phase opposite to that of the second signal. 3 is the first capacitor to which the signal of No. 3 is applied, so that at the time of transition from the first period to the second period and at the time of transition from the second period to the first period, the second signal is The third signal having the opposite phase is transmitted to the first source / drain regions of the third MIS transistor and the fourth MIS transistor via the first capacitor. As a result, voltage fluctuations due to the second signal are suppressed, erroneous comparison is suppressed, and high-speed operation is enabled.
[0040]
During the first period, the voltage between the gate and the first source / drain region of the third MIS transistor and the fourth MIS transistor is substantially changed by the third MIS transistor and the fourth MIS transistor. The second voltage control means for setting the threshold voltage of the third and fourth MIS transistors to a "deep off state" after the start of the first period. Before the start of the second period, the voltage between the gate and the first source / drain region can be set close to the threshold value, so that a positive voltage is applied during the transition from the first period to the second period. The feedback or latch operation can be started quickly.
[0041]
The second voltage control means includes a first current source, a first source / drain region connected to the first current source, and a second power source connected to the second source / drain region and the gate. The fifth MIS transistor of the first conductivity type, the first source / drain regions of the third MIS transistor and the fourth MIS transistor, and the first current source or the fifth MIS transistor. A first switch which is provided between the first switch and the first switch and is controlled to be in a conductive state in the first period and to be in a non-conductive state in the second period. By adjusting the threshold value of the first source / drain region, the potential of the first source / drain region of the third and fourth MIS transistors can be set to a desired value during the first period. That.
[0042]
The second voltage control means further includes a second capacitive element having one end connected to the first switch and the fifth MIS transistor and the other end connected to a second power supply. In the first period, the first source / drain regions of the third and fourth MIS transistors can be more reliably set to the predetermined potential.
[0043]
The second voltage comparator according to the present invention includes a second voltage comparator provided between the second source / drain region of the third MIS transistor and the second source / drain region of the fourth MIS transistor. A sixth MIS transistor of a conductivity type, a third capacitor having one end to which a fourth signal having the same phase as the second signal is applied, and the other end connected to the gate of the sixth MIS transistor; A third resistor connected to one end of the first power supply and the other end connected to the gate of the sixth MIS transistor; and temporarily connecting the sixth MIS transistor during the first period. Third voltage control means for controlling the transistor to conduct.
[0044]
Thereby, even when the voltage difference between the differential input voltages is very small in the first period, it is possible to quickly converge to the original differential amplification value as compared with the conventional voltage comparator. Therefore, in the first voltage comparator of the present invention, it is possible to reduce the probability of occurrence of erroneous comparison in the second period as compared with the related art.
[0045]
The third voltage control means includes a seventh MIS transistor of a second conductivity type, one end of which is connected to the gate of the sixth MIS transistor and the other end of which is connected to a second power supply; An eighth MIS transistor of a second conductivity type, wherein a first power supply is connected to the drain region, and a gate and a second source / drain region are connected to the gate of the seventh MIS transistor; By further including a third current source connected to the gate of the MIS transistor, the gate of the eighth MIS transistor, and the second source / drain region, the gate voltage of the seventh MIS transistor can be reduced. For example, it is possible to prevent the power supply voltage from being equal to or higher than the power supply voltage (first power supply voltage), so that the reliability of operation can be improved.
[0046]
A second voltage comparator according to the present invention includes a first MIS transistor and a second MIS transistor of a first conductivity type, both of which form a differential pair, and the first MIS transistor and the second MIS transistor, respectively. A differential amplifier circuit having a first resistance element and a second resistance element connected thereto and configured to receive a differential input voltage and generate a differential voltage; A third MIS transistor of a first conductivity type connected to the first MIS transistor and a second source / drain region connected to the first resistance element; and a first source / drain region connected to the second MIS transistor. The MIS transistor has a gate at the second source / drain region of the third MIS transistor, and a second source / drain region at the gate and the third terminal of the third MIS transistor. And a fourth MIS transistor of the first conductivity type respectively connected to the first and second resistance elements. The first source / drain regions of the third MIS transistor and the fourth MIS transistor are commonly connected, and A latch circuit for positive feedback amplification or latching of a differential voltage is provided between the first MIS transistor and the first resistance element, and is turned on in a first period by a first signal. A first conduction type first MIS transistor for switching, which is controlled to be in a non-conducting state during a second period, and the second MIS transistor and the second resistance element, A second MIS transistor for a first conductivity type, which is controlled by the first signal to be conductive during the first period and non-conductive during the second period; One MIS transistor and the third MIS transistor are interposed between the first MIS transistor and the third MIS transistor. The second MIS transistor is in a conductive state in the second period by a second signal having a phase opposite to that of the first signal. A third switch MIS transistor of a first conductivity type controlled to be in a non-conductive state, and a second control signal interposed between the second MIS transistor and the fourth MIS transistor; A fourth conductive MIS transistor of a first conductivity type controlled to be conductive during the second period and nonconductive during the first period, and a second MIS transistor of the third MIS transistor. A fifth MIS transistor of the second conductivity type interposed between the source / drain region and the second source / drain region of the fourth MIS transistor; The third signal of the phase is applied, the other end is connected to the capacitive element connected to the gate of the fifth MIS transistor, the other end is connected to the first power supply, and the other end is connected to the gate of the fifth MIS transistor. And a voltage control means for controlling the fifth MIS transistor to temporarily conduct during the first period.
[0047]
As a result, even in the case where the voltage difference between the differential input voltages is small or the input voltage is small in the first period, it is possible to quickly converge to the original differential amplification value as compared with the conventional voltage comparator. Can be. Therefore, in the second voltage comparator of the present invention, it is possible to reduce the probability of occurrence of an erroneous comparison in the second period as compared with the related art.
[0048]
The voltage control means includes a sixth MIS transistor of a second conductivity type having one end connected to the gate of the fifth MIS transistor and the other end connected to a second power supply, and a first source / drain region. Are connected to the first power supply, and a seventh MIS transistor of the second conductivity type, the gate and the second source / drain region of which are connected to the gate of the sixth MIS transistor; Since the semiconductor device further has a gate and a first current source connected to the gate of the seventh MIS transistor and the second source / drain region, the gate voltage of the fifth MIS transistor is reduced to the power supply voltage ( (First power supply voltage) or more, so that the operation reliability can be improved.
[0049]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0050]
(Embodiment of the present invention)
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of the voltage comparator according to the embodiment of the present invention. The voltage comparator according to the present embodiment includes a combination of a differential amplifier circuit and a latch circuit that performs a positive feedback operation, and a power supply voltage (first power supply voltage) V DD Power supply line and ground voltage (second power supply voltage) V SS And a conventional voltage comparator provided between the power supply and a ground line for supplying a capacitor or a transistor.
[0051]
As shown in FIG. 1, the voltage comparator of the present embodiment has a ground voltage V SS And an N-channel type current
[0052]
When a connection point between the drain of the first switching MOS transistor 4 and the
[0053]
A connection point between the third
[0054]
A common connection point of the
[0055]
In the above, the components similar to those of the conventional voltage comparator have been described. Hereinafter, the characteristic portions of the voltage comparator of the present invention will be described.
[0056]
First, the voltage comparator according to the present embodiment includes first voltage control means for suppressing a rise in the potential of the node C immediately after the start of the latch mode, and a voltage control means for bringing the potential of the node C close to a predetermined value during the comparison mode. A second voltage control means, a P-channel type
[0057]
In the voltage comparator according to the present embodiment, the first voltage control means is the
[0058]
The second voltage control means includes: a fifth P-
[0059]
Further, the third voltage control means includes a
[0060]
The operation of the thus configured voltage comparator of the present embodiment will be described below.
[0061]
FIG. 2A shows the state transition of the first control voltage Vc1 and the second control voltage Vc2 in the voltage comparator of the present embodiment, and the ON / OFF states of the first to fourth switching MOS transistors. It is an operation timing chart. FIG. 2B is a timing chart showing changes in the first input voltage Vinp and the second input voltage Vinn in the voltage comparator according to the present embodiment, and FIG. 2C is a timing chart showing the change in the first output voltage Voutp. Changes in the second output voltage Voutn, changes in the voltage of the node C (node voltage Vc), changes in the voltage of the node D (node voltage Vd) and the voltage of the node E (node voltage Ve), and the voltage of the node F (node voltage Vf) FIG. As shown in FIGS. 2A and 2B, the first control voltage Vc1 and the second control voltage Vc2 used in the voltage comparator of the present embodiment are the same as those of the conventional voltage comparator.
[0062]
Further, the voltage comparator according to the present embodiment outputs Voutp and Voutn as Voutp and Voutn during the latch mode according to the magnitude relationship between the input voltages Vinp and Vinn at the start of the latch mode. DD And V DD -Output any of I × R. Here, the voltage response of each node when the input voltage condition of the voltage comparator of the present embodiment is the same as the input voltages Vinp and Vinn shown in FIG. 4B is compared with the conventional voltage comparator. explain.
[0063]
First, at the end of the period of the "
[0064]
Next, when transitioning from “
[0065]
In the conventional voltage comparator, in the transition state from “
[0066]
On the other hand, as shown in FIG. 2C, in the voltage comparator of the present embodiment, the
[0067]
As described above, in the voltage comparator according to the present embodiment, the provision of the
[0068]
Next, when transitioning from “
[0069]
In the voltage comparator of the present embodiment, immediately after the start of the comparison mode, the voltage of the first control voltage Vc1 SS To V DD Is transmitted via the
[0070]
Thereafter, the first switching MOS transistor 4 and the second
[0071]
As shown in FIG. 2B, if the input voltage difference between Vinp and Vinn is larger than the dynamic range of differential amplification (for example, 100 mV or more and 200 mV or less) (Vinn> Vinp), the first output voltage Voutp is used. And the second output voltage Voutn at the end of this mode, respectively. DD −I × R, V DD Converges to
[0072]
Further, node voltages Vd and Ve converge to the voltage values as described in the description of “
[0073]
The voltage comparator according to the present embodiment includes second control means in addition to the
[0074]
As shown in FIG. 2C, the node voltage Vf is equal to the power supply voltage V DD And a voltage value obtained by subtracting a voltage value near the threshold voltage of the
[0075]
As described above, in the voltage comparator of the present embodiment, erroneous comparison in the comparison mode can be suppressed by including the
[0076]
Note that, even when the second voltage control means does not have the
[0077]
Next, when transitioning from “
[0078]
Next, when transitioning from “
[0079]
By the way, at the start of the “comparison mode 3”, the difference between the first input voltage Vinp and the second input voltage Vinp is at the minimum level for the voltage comparator. In such a case, the output voltages Voutp and Voutn DD With −IR / 2 as the common mode voltage, the input voltages Vinp and Vinn have respective voltage values amplified by a predetermined ratio. At this time, as shown in FIGS. 2C and 4C, the voltage comparator according to the present embodiment includes the
[0080]
Immediately before the transition from the “
[0081]
Next, when a transition is made from “
[0082]
Further, in the voltage comparator of the present embodiment, at the time of transition from the comparison mode to the latch mode, the second control voltage Vc2 is set to V SS To V DD Before the transition, the power supply voltage V DD Node voltage Vg transiently changes to power supply voltage V DD Pushed to higher potential side. However, when the node voltage Vg is V DD Is exceeded, the charge is extracted through the
[0083]
As described above, since the voltage comparator of the present embodiment includes the third
[0084]
Note that the third voltage control means described here can be expected to have an effect of suppressing erroneous comparisons when used alone, but by combining it with the first voltage control means and the second voltage control means, a more accurate Voltage comparison becomes possible.
[0085]
As described above, the use of the voltage comparator according to the present embodiment makes it possible to perform voltage comparison with higher accuracy than before.
[0086]
In the voltage comparator of the present embodiment, the
[0087]
Further, in the description of the present embodiment, an example has been described in which all the transistors used in the voltage comparator are MOS transistors, but an MIS transistor may be used instead. Further, a bipolar transistor can also be used.
[0088]
The same operation can be performed even if the conductivity types of the MOS transistors constituting the voltage comparator of the present embodiment are all reversed. In that case, Vc1 becomes V DD At the time of latch mode, V SS Is the comparison mode.
[0089]
In the voltage comparator according to the present embodiment, the
[0090]
【The invention's effect】
As described above, the voltage comparator of the present invention includes a differential amplifier circuit that differentially amplifies an input voltage, a latch circuit that positively feedbacks or latches the differentially amplified input voltage, a differential amplification operation and a positive feedback operation. Switching MOS transistor, second switching MOS transistor, third switching MOS transistor and fourth switching MOS transistor, and third switching MOS transistor and fourth switching MOS transistor A first voltage control means connected to a node C between the MOS transistor and the positive feedback circuit; a second voltage control means connected to the node C; And third voltage control means for electrically connecting the output units. The first voltage control means and the second voltage control means can suppress an increase in the potential of the node C at the start of the positive feedback operation and set the potential of the node C to a predetermined value before the start of the next positive feedback operation. Therefore, occurrence of erroneous comparison can be suppressed, and high-speed operation can be performed. Further, the output voltage can be quickly converged to the original differential amplification value during the differential amplification operation by the third voltage control means, so that the occurrence of erroneous comparison is reduced and high-speed operation is enabled. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a voltage comparator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2A shows a state transition of a first control voltage Vc1 and a second control voltage Vc2 in a voltage comparator according to an embodiment of the present invention, and shows ON / OFF states of each switching MOS transistor. It is an operation timing chart. FIG. 3B is a timing chart showing changes in the first input voltage Vinp and the second input voltage Vinn in the voltage comparator, and FIG. 3C is a timing chart showing changes in the first output voltage Voutp and the second output voltage Voutn. FIG. 5 is a timing chart showing changes in node voltages.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of a conventional voltage comparator.
FIG. 4A is an operation timing chart showing a state transition of a first control voltage Vc1 and a second control voltage Vc2 in a conventional voltage comparator and an ON / OFF state of each MOS transistor. FIG. 4B is a timing chart showing changes in the first input voltage Vinp and the second input voltage Vinn, and FIG. 4C is a timing chart showing changes in the first output voltage Voutp and the second output voltage Voutn and the respective node voltages. FIG. 4 is a timing chart showing changes in
[Explanation of symbols]
1 Current supply MOS transistor
2 First MOS transistor
3 Second MOS transistor
4 First switching MOS transistor
5. Second switching MOS transistor
6 Fourth MOS transistor
7. Third MOS transistor
8 First resistive element
9 Second resistive element
10. Third MOS transistor for switch
11 Fourth switching MOS transistor
12 First capacitive element
13 First current source
14 Sixth MOS transistor
15 Second capacitive element
16 Fifth MOS transistor
17 Third resistive element
18 Third capacitive element
19 MOS transistor for connection
20 Seventh MOS transistor
21 Second current source
22 Eighth MOS Transistor
Va, Vb, Vc, Vd, Ve, Vf, Vg Node voltage
Claims (9)
第1のソース・ドレイン領域が上記第1のMISトランジスタに接続され、第2のソース・ドレイン領域が上記第1の抵抗素子に接続された第1導電型の第3のMISトランジスタと、第1のソース・ドレイン領域が上記第2のMISトランジスタに、ゲートが上記第3のMISトランジスタの第2のソース・ドレイン領域に、第2のソース・ドレイン領域が上記第3のMISトランジスタのゲートおよび第2の抵抗素子にそれぞれ接続された第1導電型の第4のMISトランジスタとを有し、上記第3のMISトランジスタ及び上記第4のMISトランジスタの第1のソース・ドレイン領域が共通接続され、上記差動電圧を正帰還増幅またはラッチするためのラッチ回路と、
上記第1のMISトランジスタと上記第1の抵抗素子との間に介設され、第1の信号によって第1の期間に導通状態となり、第2の期間に非導通状態となるよう制御される第1導電型の第1のスイッチ用MISトランジスタと、
上記第2のMISトランジスタと上記第2の抵抗素子との間に介設され、上記第1の信号によって上記第1の期間に導通状態となり、上記第2の期間に非導通状態となるよう制御される第1導電型の第2のスイッチ用MISトランジスタと、
上記第1のMISトランジスタと上記第3のMISトランジスタとの間に介設され、上記第1の信号とは逆相の第2の信号によって上記第2の期間に導通状態となり、上記第1の期間に非導通状態となるよう制御される第1導電型の第3のスイッチ用MISトランジスタと、
上記第2のMISトランジスタと上記第4のMISトランジスタとの間に介設され、上記第2の制御信号によって上記第2の期間に導通状態となり、上記第1の期間に非導通状態となるよう制御される第1導電型の第4のスイッチ用MISトランジスタと、
上記第1の期間から上記第2の期間への遷移時または上記第2の期間から上記第1の期間への遷移時に、上記第3のMISトランジスタおよび上記第4のMISトランジスタの第1のソース・ドレイン領域の電圧を上記第2の信号の電圧変化とは逆の極性に変化させるための第1の電圧制御手段と
を備えている電圧比較器。A first MIS transistor and a second MIS transistor of a first conductivity type, both forming a differential pair, and a first resistive element and a second MIS transistor connected to the first MIS transistor and the second MIS transistor, respectively. And a differential amplifier circuit for receiving the differential input voltage and generating a differential voltage,
A first MIS transistor of a first conductivity type having a first source / drain region connected to the first MIS transistor and a second source / drain region connected to the first resistance element; The source / drain region of the third MIS transistor has a source / drain region, the gate of the third MIS transistor has a second source / drain region, and the second source / drain region has a gate and a third terminal of the third MIS transistor. And a fourth MIS transistor of a first conductivity type respectively connected to the second resistance element, wherein the first source / drain regions of the third MIS transistor and the fourth MIS transistor are commonly connected, A latch circuit for amplifying or latching the differential voltage with positive feedback;
A first signal is interposed between the first MIS transistor and the first resistance element, and is controlled to be conductive in a first period and non-conductive in a second period by a first signal. A first MIS transistor for a switch of one conductivity type;
The first signal is provided between the second MIS transistor and the second resistance element, and is controlled by the first signal so as to be conductive during the first period and non-conductive during the second period. A first-conductivity-type second switch MIS transistor,
The second MIS transistor is interposed between the first MIS transistor and the third MIS transistor, and is turned on in the second period by a second signal having a phase opposite to the first signal. A first-conduction-type third switch MIS transistor that is controlled to be in a non-conductive state during the period;
The second control signal is interposed between the second MIS transistor and the fourth MIS transistor, and is turned on in the second period by the second control signal, and is turned off in the first period. A fourth switch type MIS transistor of a first conductivity type to be controlled;
The first source of the third MIS transistor and the fourth MIS transistor at the time of transition from the first period to the second period or at the time of transition from the second period to the first period. A voltage comparator comprising first voltage control means for changing the voltage of the drain region to a polarity opposite to the voltage change of the second signal.
上記第1の電圧制御手段は、一端が上記第3のMISトランジスタおよび上記第4のMISトランジスタの第1のソース・ドレイン領域に接続され、他端に上記第2の信号とは逆相の第3の信号が印加された第1の容量素子である、電圧比較器。The voltage comparator according to claim 1,
The first voltage control means has one end connected to the first source / drain region of the third MIS transistor and the fourth MIS transistor, and the other end connected to the other end of the first MIS transistor having a phase opposite to that of the second signal. A voltage comparator, which is a first capacitive element to which the signal of No. 3 is applied.
上記第1の期間中に、上記第3のMISトランジスタおよび上記第4のMISトランジスタのゲート−第1のソース・ドレイン領域間の電圧を、ほぼ上記第3のMISトランジスタおよび上記第4のMISトランジスタのしきい値電圧に設定するための第2の電圧制御手段をさらに備えている電圧比較器。The voltage comparator according to claim 2,
During the first period, the voltage between the gate and the first source / drain region of the third MIS transistor and the fourth MIS transistor is substantially changed by the third MIS transistor and the fourth MIS transistor. A voltage comparator further comprising a second voltage control means for setting the threshold voltage of the second comparator.
上記第2の電圧制御手段は、
第1の電流源と、
第1のソース・ドレイン領域が上記第1の電流源に接続され、第2のソース・ドレイン領域およびゲートに第1の電源が接続された第1導電型の第5のMISトランジスタと、
上記第3のMISトランジスタおよび上記第4のMISトランジスタの第1のソース・ドレイン領域と上記第1の電流源または上記第5のMISトランジスタの間に設けられ、上記第1の期間には導通状態となり、上記第2の期間には非導通状態となるよう制御された第1のスイッチと
を有している、電圧比較器。The voltage comparator according to claim 3,
The second voltage control means includes:
A first current source;
A fifth MIS transistor of a first conductivity type having a first source / drain region connected to the first current source and a second power source connected to the second source / drain region and a gate;
The first MIS transistor is provided between the first source / drain region of the third MIS transistor and the fourth MIS transistor and the first current source or the fifth MIS transistor, and is in a conductive state during the first period. And a first switch controlled to be non-conductive during the second period.
上記第2の電圧制御手段は、
一端が上記第1のスイッチと上記第5のMISトランジスタに接続され、他端が第2の電源に接続されている第2の容量素子をさらに備えている、電圧比較器。The voltage comparator according to claim 4,
The second voltage control means includes:
A voltage comparator, further comprising a second capacitive element having one end connected to the first switch and the fifth MIS transistor and the other end connected to a second power supply.
上記第3のMISトランジスタの第2のソース・ドレイン領域と上記第4のMISトランジスタの第2のソース・ドレイン領域との間に介設された第2導電型の第6のMISトランジスタと、
一端に上記第2の信号と同相の第4の信号が印加され、他端が上記第6のMISトランジスタのゲートに接続された第3の容量素子と、一端に第1の電源が接続され、他端が上記第6のMISトランジスタのゲートに接続された第3の抵抗素子とを有し、上記第1の期間中に一時的に上記第6のMISトランジスタを導通させるように制御するための第3の電圧制御手段と
をさらに備えている電圧比較器。The voltage comparator according to any one of claims 1 to 5,
A sixth MIS transistor of a second conductivity type interposed between a second source / drain region of the third MIS transistor and a second source / drain region of the fourth MIS transistor;
A fourth signal having the same phase as the second signal is applied to one end, a third capacitive element having the other end connected to the gate of the sixth MIS transistor, and a first power supply connected to one end. A third resistance element having the other end connected to the gate of the sixth MIS transistor; and a control circuit for temporarily controlling the sixth MIS transistor to be conductive during the first period. A voltage comparator further comprising third voltage control means.
上記第3の電圧制御手段は、
一端が上記第6のMISトランジスタのゲートに接続され、他端に第2の電源が接続された第2導電型の第7のMISトランジスタと、
第1のソース・ドレイン領域に第1の電源が接続され、ゲートおよび第2のソース・ドレイン領域が上記第7のMISトランジスタのゲートに接続された第2導電型の第8のMISトランジスタと、
上記第7のMISトランジスタのゲートと上記第8のMISトランジスタのゲートおよび第2のソース・ドレイン領域とに接続された第3の電流源と
をさらに有している、電圧比較器。The voltage comparator according to claim 6,
The third voltage control means includes:
A seventh MIS transistor of a second conductivity type, one end of which is connected to the gate of the sixth MIS transistor and the other end of which is connected to a second power supply;
An eighth MIS transistor of a second conductivity type having a first power supply connected to the first source / drain region, and a gate and a second source / drain region connected to the gate of the seventh MIS transistor;
A voltage comparator, further comprising a third current source connected to a gate of the seventh MIS transistor, a gate of the eighth MIS transistor, and a second source / drain region.
第1のソース・ドレイン領域が上記第1のMISトランジスタに接続され、第2のソース・ドレイン領域が上記第1の抵抗素子に接続された第1導電型の第3のMISトランジスタと、第1のソース・ドレイン領域が上記第2のMISトランジスタに、ゲートが上記第3のMISトランジスタの第2のソース・ドレイン領域に、第2のソース・ドレイン領域が上記第3のMISトランジスタのゲートおよび第2の抵抗素子にそれぞれ接続された第1導電型の第4のMISトランジスタとを有し、上記第3のMISトランジスタ及び上記第4のMISトランジスタの第1のソース・ドレイン領域が共通接続され、上記差動電圧を正帰還増幅またはラッチするためのラッチ回路と、
上記第1のMISトランジスタと上記第1の抵抗素子との間に介設され、第1の信号によって第1の期間に導通状態となり、第2の期間に非導通状態となるよう制御される第1導電型の第1のスイッチ用MISトランジスタと、
上記第2のMISトランジスタと上記第2の抵抗素子との間に介設され、上記第1の信号によって上記第1の期間に導通状態となり、上記第2の期間に非導通状態となるよう制御される第1導電型の第2のスイッチ用MISトランジスタと、
上記第1のMISトランジスタと上記第3のMISトランジスタとの間に介設され、上記第1の信号とは逆相の第2の信号によって上記第2の期間に導通状態となり、上記第1の期間に非導通状態となるよう制御される第1導電型の第3のスイッチ用MISトランジスタと、
上記第2のMISトランジスタと上記第4のMISトランジスタとの間に介設され、上記第2の制御信号によって上記第2の期間に導通状態となり、上記第1の期間に非導通状態となるよう制御される第1導電型の第4のスイッチ用MISトランジスタと、
上記第3のMISトランジスタの第2のソース・ドレイン領域と上記第4のMISトランジスタの第2のソース・ドレイン領域との間に介設された第2導電型の第5のMISトランジスタと、
一端に上記第2の信号と同相の第3の信号が印加され、他端が上記第5のMISトランジスタのゲートに接続された容量素子と、一端に第1の電源が接続され、他端が上記第5のMISトランジスタのゲートに接続された第3の抵抗素子とを有し、上記第1の期間中に一時的に上記第5のMISトランジスタを導通させるように制御するための電圧制御手段と
を備えている電圧比較器。A first MIS transistor and a second MIS transistor of a first conductivity type, both forming a differential pair, and a first resistive element and a second MIS transistor connected to the first MIS transistor and the second MIS transistor, respectively. And a differential amplifier circuit for receiving the differential input voltage and generating a differential voltage,
A first MIS transistor of a first conductivity type having a first source / drain region connected to the first MIS transistor and a second source / drain region connected to the first resistance element; The source / drain region of the third MIS transistor has a source / drain region, the gate of the third MIS transistor has a second source / drain region, and the second source / drain region has a gate and a third terminal of the third MIS transistor. And a fourth MIS transistor of a first conductivity type respectively connected to the second resistance element, wherein the first source / drain regions of the third MIS transistor and the fourth MIS transistor are commonly connected, A latch circuit for amplifying or latching the differential voltage with positive feedback;
A first signal is interposed between the first MIS transistor and the first resistance element, and is controlled to be conductive in a first period and non-conductive in a second period by a first signal. A first MIS transistor for a switch of one conductivity type;
The first signal is provided between the second MIS transistor and the second resistance element, and is controlled by the first signal so as to be conductive during the first period and non-conductive during the second period. A first-conductivity-type second switch MIS transistor,
The second MIS transistor is interposed between the first MIS transistor and the third MIS transistor, and is turned on in the second period by a second signal having a phase opposite to the first signal. A first-conduction-type third switch MIS transistor that is controlled to be in a non-conductive state during the period;
The second control signal is interposed between the second MIS transistor and the fourth MIS transistor, and is turned on in the second period by the second control signal, and is turned off in the first period. A fourth switch type MIS transistor of a first conductivity type to be controlled;
A fifth MIS transistor of a second conductivity type interposed between a second source / drain region of the third MIS transistor and a second source / drain region of the fourth MIS transistor;
A third signal having the same phase as the second signal is applied to one end, the other end is connected to a capacitive element connected to the gate of the fifth MIS transistor, one end is connected to a first power supply, and the other end is connected to the other end. A third resistance element connected to the gate of the fifth MIS transistor; and a voltage control means for controlling the fifth MIS transistor to be conductive temporarily during the first period. And a voltage comparator.
上記電圧制御手段は、
一端が上記第5のMISトランジスタのゲートに接続され、他端に第2の電源が接続された第2導電型の第6のMISトランジスタと、
第1のソース・ドレイン領域に第1の電源が接続され、ゲートおよび第2のソース・ドレイン領域が上記第6のMISトランジスタのゲートに接続された第2導電型の第7のMISトランジスタと、
上記第6のMISトランジスタのゲートと上記第7のMISトランジスタのゲートおよび第2のソース・ドレイン領域とに接続された第1の電流源と
をさらに有している、電圧比較器。The voltage comparator according to claim 8, wherein
The voltage control means includes:
A sixth MIS transistor of a second conductivity type having one end connected to the gate of the fifth MIS transistor and the other end connected to a second power supply;
A seventh MIS transistor of a second conductivity type, a first power supply connected to the first source / drain region, and a gate and a second source / drain region connected to the gate of the sixth MIS transistor;
A voltage comparator, further comprising a first current source connected to a gate of the sixth MIS transistor, a gate of the seventh MIS transistor, and a second source / drain region.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003048001A JP2004260464A (en) | 2003-02-25 | 2003-02-25 | Voltage comparator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003048001A JP2004260464A (en) | 2003-02-25 | 2003-02-25 | Voltage comparator |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004260464A true JP2004260464A (en) | 2004-09-16 |
Family
ID=33114089
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003048001A Pending JP2004260464A (en) | 2003-02-25 | 2003-02-25 | Voltage comparator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2004260464A (en) |
-
2003
- 2003-02-25 JP JP2003048001A patent/JP2004260464A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8130130B2 (en) | Comparison circuit and analog-to-digital conversion device | |
US8049653B2 (en) | Amplifier and analog/digital converter | |
US8174317B2 (en) | Fully-differential amplifier circuit | |
JP4324202B2 (en) | A / D converter | |
US20080246543A1 (en) | Common mode feedback for large output swing and low differential error | |
CN107046411B (en) | Switched capacitor circuit | |
EP1380101A2 (en) | A switched-capacitor, common-mode feedback circuit for a differential amplifier without tail current | |
JP5085656B2 (en) | Signal conditioning circuit, comparator including such a conditioning circuit, and successive approximation converter including such a circuit | |
US7394309B1 (en) | Balanced offset compensation circuit | |
US8570095B1 (en) | Offset-compensated active load and method | |
KR100312576B1 (en) | Chopper type voltage comparing circuit capable of correctly determining output polarity, and voltage comparing method | |
JP2009232184A (en) | Semiconductor integrated circuit | |
JP6711691B2 (en) | OP amplifier and electronic circuit | |
US8362831B2 (en) | Reference voltage buffer and method thereof | |
US20170063361A1 (en) | High-Speed Clocked Comparators | |
CN115118237A (en) | Fully differential operational amplifier and fully differential operational amplifier circuit | |
US8471630B2 (en) | Fast settling reference voltage buffer and method thereof | |
US20120286986A1 (en) | A/d conversion circuit | |
US20100283535A1 (en) | System and Method for a Reference Generator | |
JP2004194066A (en) | Amplifier circuit, comparison circuit and a/d converter circuit | |
JP2005268895A (en) | Switching circuit | |
JP2006287305A (en) | Voltage comparator | |
US7821305B1 (en) | Dual voltage buffer with current reuse | |
KR101092699B1 (en) | Dynamically-biased starved inverters and low-power delta sigma modulators implemented thereof | |
CN111800101A (en) | Conversion boost circuit for operational amplifier |