JP2007266798A - 比較回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】 入力信号の変化速度に起因するオフセット電圧の発生を防止することが可能な比較回路を実現する。
【解決手段】 差動入出力の比較回路において、制御信号に基づき印加された差動の入力信号の極性を反転させて出力する第1の極性反転回路と、この第1の極性反転回路の差動の出力がそれぞれ印加される差動比較器と、制御信号に基づき差動比較器の差動出力の極性を反転させて差動の出力信号として出力する第2の極性反転回路と、第1及び第2の極性反転回路に差動比較器の入力部を構成するトランジスタの熱時定数よりも短い周期でランダムに極性を反転させる制御信号を供給する演算制御手段とを設ける。
【選択図】 図1

Description

本発明は、差動入出力の比較回路に関し、特に入力信号の変化速度に起因するオフセット電圧の発生を防止することが可能な比較回路に関する。
従来の比較回路に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
特開平01−157606号公報 特開平06−013854号公報 特開平10−079651号公報 特開2000−236238号公報
図4は従来の比較回路の一例を示す回路図である。図4において1,2,6,9及び12は抵抗、3,4,5,7,8,10及び11はトランジスタ、100及び101は差動の入力信号、102はバイアス電圧信号、103及び104は差動の出力信号である。
また、1,2,3,4,5及び6は差動回路を、7,8,9,10,11及び12は2つのエミッタフォロワ回路から成る出力段回路をそれぞれ構成している。
さらに、入力信号101は入力信号100の反転信号、出力信号104は出力信号103の反転信号である。
入力信号100及び101はトランジスタ3及び4のベースにそれぞれ印加される。また、トランジスタ3のコレクタは抵抗1の一端及びトランジスタ10のベースにそれぞれ接続され、トランジスタ4のコレクタは抵抗2の一端及びトランジスタ7のベースにそれぞれ接続される。
トランジスタ3のエミッタはトランジスタ4のエミッタ及びトランジスタ5のコレクタにそれぞれ接続され、トランジスタ5のエミッタは抵抗6の一端に接続される。
トランジスタ7のエミッタからは出力信号103が出力されると共にトランジスタ7のエミッタはトランジスタ8のコレクタに接続され、トランジスタ8のエミッタは抵抗9の一端に接続される。
また、トランジスタ10のエミッタからは出力信号104が出力されると共にトランジスタ10のエミッタはトランジスタ11のコレクタに接続され、トランジスタ11のエミッタは抵抗12の一端に接続される。
最後に、バイアス電圧信号102はトランジスタ5,8及び11のベースにそれぞれ印加され、正電圧源”VCC”が抵抗1及び2の他端、トランジスタ7及び10のコレクタにそれぞれ印加され、負電圧源”VEE”が抵抗6,9及び12の他端にそれぞれ印加される。
ここで、図4に示す従来例の動作を説明する。トランジスタ5及び抵抗6は、トランジスタ5のベースに印加されるバイアス電圧と抵抗6の抵抗値によって一意に決定される電流を出力する定電流源として動作する。
すなわち、バイアス電圧を”Vbias”、トランジスタ5のベース・エミッタ間電圧を”Vbe5”、抵抗6の抵抗値を”R6”とした場合、定電流”I1”は、
I1=(Vbias−Vbe5−VEE)/R6 (1)
となる。
そして、トランジスタ3及び4は差動回路を構成しているので入力される差動の入力信号100及び101の信号レベルによって前述の定電流”I1”を切り替えるように動作する。
もし、入力信号100がハイレベル(反転信号である入力信号101はローレベル)であれば、トランジスタ3が”ON”、トランジスタ4が”OFF”になる。
このため、抵抗1の抵抗値を”R1”とすれば、トランジスタ3のコレクタの電圧は、抵抗1に電流”I1”が流れることにより、”VCC−R1・I1”となる。
この電圧がトランジスタ10及び11と抵抗12で構成されるエミッタフォロワ回路を介して出力信号104(反転信号)として出力されるので、その電圧値を”V104”、トランジスタ10のベース・エミッタ間電圧を”Vbe10”とすれば、
V104=VCC−R1・I1−Vbe10 (2)
となる。また、式(2)の電圧値はローレベルになる。
一方、トランジスタ4のコレクタの電圧は、抵抗2に電流が流れないので、”VCC”のままとなる。
この電圧がトランジスタ7及び8と抵抗9で構成されるエミッタフォロワ回路を介して出力信号103(非反転信号)として出力されるので、その電圧値を”V103”、トランジスタ7のベース・エミッタ間電圧を”Vbe7”とすれば、
V103=VCC−Vbe7 (3)
となる。また、式(3)の電圧値はハイレベルになる。
同様に、もし、入力信号100がローレベル(反転信号である入力信号101はハイレベル)であれば、トランジスタ3が”OFF”、トランジスタ4が”ON”になると共に、出力信号103(非反転信号)及び出力信号104(反転信号)の出力はそれぞれローレベルの電圧値及びハイレベルの電圧値となる。
この結果、差動の入力信号が印加される差動回路の差動の出力を出力段回路を介して出力することにより、差動入出力の比較回路を実現することができる。
しかし、図4に示すような従来例では、入力信号の変化速度に起因してオフセット電圧が発生してしまうといった問題点があった。図5は比較回路の入力部のトランジスタの動作を説明する説明図である。
入力信号100の電圧値が入力信号101の電圧値よりも十分小さい場合、トランジスタ3が”OFF”、トランジスタ4が”ON”になり、定電流”I1”は全てトランジスタ4を流れることになる。
ここで、トランジスタ3及び4の消費電力を”Pw3”及び”Pw4”、トランジスタ3及び4の熱抵抗を”θ”、トランジスタ4における電力消費による温度上昇を”ΔT4”とした場合、
ΔT4=Pw4・θ[°C] (4)
となる。
一方、トランジスタ3には電流が流れず電力消費(Pw3=0)がないので、トランジスタ3における電力消費による温度上昇を”ΔT3”とした場合、
ΔT3=Pw3・θ=0[°C] (5)
となる。
このような状態で、図5に示すように、トランジスタ3及び4の熱時定数”τ”よりも十分短い時間で、トランジスタ3及び4に流れる電流が等しくなるように入力信号100及び101の電圧値が変化した場合を想定する。
この場合、図5に示すようにトランジスタ3及び4には均等に電流”I1/2”が流れるので、両者の消費電力はほぼ同じなる(Pw3≒Pw4)。但し、入力信号100及び101の電圧値の変化が熱時定数”τ”よりも短い時間で変化するため、トランジスタ3及び4において温度の変化が生じることがない。
このため、トランジスタ3及び4のベース・エミッタ間電圧”Vbe”の温度係数を”−2mV/°C”とした場合、トランジスタ3及び4に均等に電流”I1/2”が流れていたとしても、トランジスタ3及び4のベース・エミッタ間電圧の間には”−2・Pw4・θ[mV]”なる電圧差が生じることになる。
さらに、トランジスタ3及び4に均等に電流”I1/2”が流れている場合、出力電圧103及び104の電圧値は等しくなるので、前述の電圧差”−2・Pw4・θ[mV]”がオフセット電圧として生じてしまうことになる。
これに対して、式(4)及び式(5)を満たすような状態で、図5に示すように、トランジスタ3及び4の熱時定数”τ”よりも十分長い時間で、トランジスタ3及び4に流れる電流が等しくなるように入力信号100及び101の電圧値が変化した場合を想定する。
この場合、入力信号100及び101の電圧値の変化がトランジスタ3及び4の熱時定数”τ”よりも十分長い時間で変化するため、図4に示すようにトランジスタ3及び4に均等に電流”I1/2”が流れて両者の消費電力はほぼ同じなる(Pw3≒Pw4)時点では、トランジスタ3及び4においても温度の変化が生じて両者の温度変化はほぼ等しく(ΔT3≒ΔT4)なる。
このため、トランジスタ3及び4のベース・エミッタ間電圧の間には前述のような電圧差が生じることはなく、オフセット電圧も発生しないことになる。言い換えれば、入力信号の変化速度に起因してオフセット電圧が発生してしまうことになる。
従って本発明が解決しようとする課題は、入力信号の変化速度に起因するオフセット電圧の発生を防止することが可能な比較回路を実現することにある。
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項1記載の発明は、
差動入出力の比較回路において、
制御信号に基づき印加された差動の入力信号の極性を反転させて出力する第1の極性反転回路と、この第1の極性反転回路の差動の出力がそれぞれ印加される差動比較器と、前記制御信号に基づき前記差動比較器の差動出力の極性を反転させて差動の出力信号として出力する第2の極性反転回路と、前記第1及び第2の極性反転回路に前記差動比較器の入力部を構成するトランジスタの熱時定数よりも短い周期でランダムに極性を反転させる前記制御信号を供給する演算制御手段とを備えたことにより、入力信号の変化速度に起因するオフセット電圧の発生を防止することが可能になる。
請求項2記載の発明は、
差動入出力の比較回路において、
制御信号に基づき印加された差動の入力信号の極性を反転させて出力する第1の極性反転回路と、この第1の極性反転回路の差動の出力がそれぞれ印加される差動比較器と、前記制御信号に基づき前記差動比較器の差動出力の極性を反転させて差動の出力信号として出力する第2の極性反転回路と、前記第1及び第2の極性反転回路に前記差動比較器の入力部を構成するトランジスタの熱時定数よりも短い周期でランダムに極性を反転させる前記制御信号を供給する信号発生手段とを備えたことにより、入力信号の変化速度に起因するオフセット電圧の発生を防止することが可能になる。
請求項3記載の発明は、
請求項1若しくは請求項2記載の発明である比較回路において、
前記演算制御手段若しくは前記信号発生手段が、
前記制御信号によって前記第1及び第2の極性反転回路の極性反転の状態を同じにして動作させることにより、入力信号の変化速度に起因するオフセット電圧の発生を防止することが可能になる。
請求項4記載の発明は、
請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の発明である比較回路において、
前記第1の極性反転回路が、
前記差動の入力信号の一方の信号が一方の入力端子に前記差動の入力信号の他方の信号が他方の入力端子にそれぞれ印加され、選択された信号を出力する第1の切り替えスイッチと、前記差動の入力信号の他方の信号が一方の入力端子に前記差動の入力信号の一方の信号が他方の入力端子にそれぞれ印加され、選択された信号を出力する第2の切り替えスイッチとから構成され、前記制御信号に基づき前記第1及び第2の切り替えスイッチがそれぞれ一方の入力端子若しくは他方の入力端子を選択することにより、入力信号の変化速度に起因するオフセット電圧の発生を防止することが可能になる。
請求項5記載の発明は、
請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の発明である比較回路において、
前記第2の極性反転回路が、
前記差動比較器の一方の出力が一方の入力端子に前記差動比較器の他方の出力が他方の入力端子にそれぞれ印加され、選択された信号を出力する第1の切り替えスイッチと、前記差動比較器の他方の出力が一方の入力端子に前記差動比較器の一方の出力が他方の入力端子にそれぞれ印加され、選択された信号を出力する第2の切り替えスイッチとから構成され、前記制御信号に基づき前記第1及び第2の切り替えスイッチがそれぞれ一方の入力端子若しくは他方の入力端子を選択することにより、入力信号の変化速度に起因するオフセット電圧の発生を防止することが可能になる。
本発明によれば次のような効果がある。
請求項1,2,3,4及び請求項5の発明によれば、差動比較器の入力側と出力側とに極性反転回路をそれぞれ設け、2つの極性反転回路の極性反転の状態を同じにして、差動比較器の入力部を構成するトランジスタの熱時定数よりも短い周期でランダムに極性を反転させることにより、入力信号の変化速度に起因するオフセット電圧の発生を防止することが可能になる。
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図1は本発明に係る比較回路の一実施例を示す回路図である。
図1において、13及び15は制御信号に基づき入力される差動信号の極性を反転させて出力する極性反転回路、14は入出力が差動である差動比較器、16はCPU(Central Processing Unit)等の極性反転回路13及び15を制御する演算制御手段、105及び106は差動の入力信号、107及び108は差動の出力信号、109は制御信号である。また、差動比較器14の具体的な構成は図4に示す従来例と同様の構成である。
さらに、図1中”IP01”,”IP02”,”IP03”及び”IP04”は極性反転回路13の第1、第2、第3及び第4の入力端子、図1中”OP01”及び”OP02”は極性反転回路13の第1及び第2の出力端子である。
また、図1中”IP11”,”IP12”,”IP13”及び”IP14”は極性反転回路15の第1、第2、第3及び第4の入力端子、図1中”OP11”及び”OP12”は極性反転回路15の第1及び第2の出力端子である。
入力信号105は極性反転回路13の第1及び第4の入力端子に印加され、入力信号106は極性反転回路13の第2及び第3の入力端子に印加される。また、極性反転回路13の第1及び第2の出力端子は差動比較器14の非反転入力端子及び反転入力端子にそれぞれ接続される。
そして、差動比較器14の非反転出力は極性反転回路15の第1及び第4の入力端子にそれぞれ接続され、差動比較器14の反転出力は極性反転回路15の第2及び第3の入力端子にそれぞれ接続される。
さらに、極性反転回路13の第1及び第2の出力端子からは差動の出力信号107及び108が出力され、演算制御手段16からの制御信号109は極性反転回路13及び15の制御入力端子にそれぞれ接続される。
ここで、図1に示す実施例の動作を図2及び図3を用いて説明する。図2は極性反転回路13及び15の構成の具体例を示す説明図、図3は制御信号109の一例を示す説明図である。
図2において105,106,107,108,109,”IP01”,”IP02”,”IP03”,”IP04”,”IP11”,”IP12”,”IP13”,”IP14”,”OP01”,”OP02”,”OP11”及び”OP12”は図1と同一符号を付してある。
入力信号105は、図2中”IP01”及び”IP04”に示す極性反転回路13の第1及び第4の入力端子に接続され、図2中”SW21”に示す切り替えスイッチの一方の入力端子と、図2中”SW22”に示す切り替えスイッチの一方の入力端子にそれぞれ接続される。
また、入力信号106は、図2中”IP02”及び”IP03”に示す極性反転回路13の第2及び第3の入力端子に接続され、図2中”SW21”に示す切り替えスイッチの他方の入力端子と、図2中”SW22”に示す切り替えスイッチの他方の入力端子にそれぞれ接続される。
そして、図2中”SW21”及び”SW22”に示す切り替えスイッチの出力端子は、図2中”OP01”及び”OP02”に示す極性反転回路13の第1及び第2の出力端子にそれぞれ接続される。
さらに、制御信号109に基づき図2中”SW21”及び”SW22”に示す切り替えスイッチの切り替え動作が制御される。
一方、極性反転回路15においても極性反転回路13と同様に接続関係を有し、制御信号109に基づき図2中”SW21”及び”SW22”に示す切り替えスイッチの切り替え動作が制御される。
また、制御信号109は図3中”CS31”に示すようにランダム信号であり、図3中”T1”、”T2”、”T3”及び”T4”等に示す全ての期間は、差動比較器14の入力部を構成するトランジスタ3及び4の熱時定数”τ”よりも短い周期で切り替わる。
例えば、制御信号109がハイレベルの場合に、図2中”SW21”及び”SW22”に示す切り替えスイッチは、極性反転回路13(或いは、極性反転回路15)の第1及び第3の入力端子を選択(極性非反転状態と呼ぶ。)し、制御信号109がローレベルの場合に、図2中”SW21”及び”SW22”に示す切り替えスイッチは、極性反転回路13(或いは、極性反転回路15)の第2及び第4の入力端子を選択(極性反転状態と呼ぶ。)するものとする。
制御信号109がハイレベルの場合、言い換えれば、2つの極性反転回路13及び15が極性非反転状態である場合、入力信号105は図1中”OP01”に示す極性反転回路13の第1の出力端子から出力され、差動比較器14の非反転入力端子に印加される。差動比較器14の非反転出力は図1中”OP11”に示す極性反転回路15の第1の出力端子から出力信号107として出力される。
同様に、入力信号106は図1中”OP02”に示す極性反転回路13の第2の出力端子から出力され、差動比較器14の反転入力端子に印加される。差動比較器14の反転出力は図1中”OP12”に示す極性反転回路15の第2の出力端子から出力信号108として出力される。
一方、制御信号109がローレベルの場合、言い換えれば、2つの極性反転回路13及び15が極性反転状態である場合、入力信号105は極性が反転されて図1中”OP02”に示す極性反転回路13の第2の出力端子から出力され、差動比較器14の反転入力端子に印加される。差動比較器14の反転出力は極性が更に反転されて図1中”OP11”に示す極性反転回路15の第1の出力端子から出力信号107として出力される。
同様に、入力信号106は極性が反転されて図1中”OP01”に示す極性反転回路13の第1の出力端子から出力され、差動比較器14の非反転入力端子に印加される。差動比較器14の非反転出力は極性が更に反転されて図1中”OP12”に示す極性反転回路15の第2の出力端子から出力信号108として出力される。
すなわち、極性反転回路13及び15において、差動比較器の入力側と出力側とで極性反転の状態を同じにすることにより、極性反転回路13及び15が制御信号109によってランダムに切り替わったとしても、差動の入力信号105及び106と差動の出力信号107及び108の相互関係は変化しない、言い換えれば、差動の出力信号は極性反転の状態に関わりなく同じ出力結果となる。
このような状態では、差動比較器14の入力の極性がランダムに反転されるため、差動比較器14への差動入力信号の電圧の時間平均は”0”になる。このため、差動比較器14の入力部を構成するトランジスタ3及び4の平均消費電力は等しくなる。
一方、極性の反転は差動比較器14の入力部を構成するトランジスタ3及び4の熱時定数”τ”よりも短い周期で行われるため、トランジスタ3及び4の温度は極性の反転によっては変化せず(温度変化が追従できない)、差動比較器14の入力部を構成するトランジスタ3及び4の平均消費電力によって温度上昇は決定される。
ここで、差動比較器14の入力部を構成するトランジスタ3及び4の均消費電力は前述のように等しいので、差動比較器14の入力部を構成するトランジスタ3及び4の温度上昇も等しくなり、入力信号の変化速度に起因するオフセット電圧も発生しないことになる。
この結果、差動比較器14の入力側と出力側とに極性反転回路をそれぞれ設け、2つの極性反転回路の極性反転の状態を同じにして、差動比較器14の入力部を構成するトランジスタ3及び4の熱時定数”τ”よりも短い周期でランダムに極性を反転させることにより、入力信号の変化速度に起因するオフセット電圧の発生を防止することが可能になる。
なお、図1に示す実施例の説明に際しては、極性反転回路として2つの切り替えスイッチから構成される極性反転回路を例示しているが、勿論、これに限定されるわけではく、排他的論理和回路を用いることによっても極性反転回路は実現可能である。
すなわち、排他的論理和回路の一方の入力端子に一方の入力信号を印加し、他方の入力端子に制御信号109を印加すれば、制御信号109がローレベルであれば、排他的論理和回路の出力は入力信号の極性に一致し、制御信号109がハイレベルであれば、排他的論理和回路の出力は入力信号の極性が反転した信号になる。
また、図1に示す実施例の説明に際しては、極性反転回路13及び15の制御手段としてCPU等の演算制御手段を例示しているが、勿論、差動比較器14の入力部を構成するトランジスタ3及び4の熱時定数”τ”よりも短い周期で切り替わるランダム信号を発生させることができる信号発生手段であっても構わない。
本発明に係る比較回路の一実施例を示す回路図である。 極性反転回路の構成の具体例を示す説明図である。 制御信号の一例を示す説明図である。 従来の比較回路の一例を示す回路図である。 比較回路の入力部のトランジスタの動作を説明する説明図である。
符号の説明
1,2,6,9,12 抵抗
3,4,5,7,8,10,11 トランジスタ
13,15 極性反転回路
14 差動比較器
16 演算制御手段
100,101,105,106 入力信号
102 バイアス電圧信号
103,104,107,108 出力信号
109 制御信号

Claims (5)

  1. 差動入出力の比較回路において、
    制御信号に基づき印加された差動の入力信号の極性を反転させて出力する第1の極性反転回路と、
    この第1の極性反転回路の差動の出力がそれぞれ印加される差動比較器と、
    前記制御信号に基づき前記差動比較器の差動出力の極性を反転させて差動の出力信号として出力する第2の極性反転回路と、
    前記第1及び第2の極性反転回路に前記差動比較器の入力部を構成するトランジスタの熱時定数よりも短い周期でランダムに極性を反転させる前記制御信号を供給する演算制御手段と
    を備えたことを特徴とする比較回路。
  2. 差動入出力の比較回路において、
    制御信号に基づき印加された差動の入力信号の極性を反転させて出力する第1の極性反転回路と、
    この第1の極性反転回路の差動の出力がそれぞれ印加される差動比較器と、
    前記制御信号に基づき前記差動比較器の差動出力の極性を反転させて差動の出力信号として出力する第2の極性反転回路と、
    前記第1及び第2の極性反転回路に前記差動比較器の入力部を構成するトランジスタの熱時定数よりも短い周期でランダムに極性を反転させる前記制御信号を供給する信号発生手段と
    を備えたことを特徴とする比較回路。
  3. 前記演算制御手段若しくは前記信号発生手段が、
    前記制御信号によって前記第1及び第2の極性反転回路の極性反転の状態を同じにして動作させることを特徴とする
    請求項1若しくは請求項2記載の比較回路。
  4. 前記第1の極性反転回路が、
    前記差動の入力信号の一方の信号が一方の入力端子に前記差動の入力信号の他方の信号が他方の入力端子にそれぞれ印加され、選択された信号を出力する第1の切り替えスイッチと、
    前記差動の入力信号の他方の信号が一方の入力端子に前記差動の入力信号の一方の信号が他方の入力端子にそれぞれ印加され、選択された信号を出力する第2の切り替えスイッチとから構成され、
    前記制御信号に基づき前記第1及び第2の切り替えスイッチがそれぞれ一方の入力端子若しくは他方の入力端子を選択することを特徴とする
    請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の比較回路。
  5. 前記第2の極性反転回路が、
    前記差動比較器の一方の出力が一方の入力端子に前記差動比較器の他方の出力が他方の入力端子にそれぞれ印加され、選択された信号を出力する第1の切り替えスイッチと、
    前記差動比較器の他方の出力が一方の入力端子に前記差動比較器の一方の出力が他方の入力端子にそれぞれ印加され、選択された信号を出力する第2の切り替えスイッチとから構成され、
    前記制御信号に基づき前記第1及び第2の切り替えスイッチがそれぞれ一方の入力端子若しくは他方の入力端子を選択することを特徴とする
    請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の比較回路。
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