JP2010050590A - Comparator circuit - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a comparator circuit reducing influence of an offset voltage generated by the difference of a threshold voltage of an MOS transistor, and high in comparison accuracy. <P>SOLUTION: In a calibration mode in which each switch is turned on, output voltages on a positive side and a negative side in an output part 5 are stored in a first capacitor Ca and a second capacitor Cb, respectively. When each switch is switched to an off-state, and this comparator circuit moves to a comparison mode, the respective voltages stored in the capacitors Ca and Cb are applied to gates of a first MOS transistor M6 and a second MOS transistor M7, and preparation of a latch operation using a compensation voltage as a reference is completed. A current latch circuit 2 determines whether to output HIGH or LOW by amplifying the difference between an input voltage and a reference voltage. In the output part 5, a voltage difference in accordance with HIGH or LOW is generated, and a current in response thereto flows. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、コンパレータ回路において、とくに、MOSトランジスタの製造偏差に伴う閾値電圧のばらつきによって発生するオフセット電圧の影響を軽減させる電流ラッチ回路に関する。   The present invention relates to a comparator circuit, and more particularly to a current latch circuit that reduces an influence of an offset voltage generated by a variation in threshold voltage due to a manufacturing deviation of a MOS transistor.

コンパレータ回路は、A−Dコンバータ、携帯機器、デジタルカメラ等の用途で幅広く利用されており、入力された音や光の強度に応じた電圧と基準の電圧とを比較して大小を判定し、「1」または「0」の論理値として出力する回路である。
このような用途の中では、判定速度の高速化や僅かな電位差をまで判定できるコンパレータ回路の高精度化が必要とされている。
The comparator circuit is widely used in applications such as A-D converters, portable devices, digital cameras, etc., and compares the voltage according to the input sound or light intensity with the reference voltage to determine the magnitude, This circuit outputs a logical value of “1” or “0”.
In such applications, it is necessary to increase the determination speed and to increase the accuracy of the comparator circuit that can determine even a slight potential difference.

コンパレータ回路は、主としてMOSトランジスタやキャパシタを組み合わせて構成されている。MOSトランジスタは、所定の電圧を与えられると電流を流す性質があり、このときの電圧を閾値電圧とされている。
ところで、MOSトランジスタにおける電流と電圧の関係は、そのチャネル長、チャネル幅の比に依存する性質を持つ。MOSトランジスタは、製造時における意図しない寸法のずれが少なからず発生して生産される。このようなMOSトランジスタの製造偏差は、それぞれの閾値電圧にばらつきを与えることになる。
The comparator circuit is mainly configured by combining MOS transistors and capacitors. The MOS transistor has a property of flowing a current when given a predetermined voltage, and the voltage at this time is set as a threshold voltage.
By the way, the relationship between current and voltage in a MOS transistor has a property that depends on the ratio of channel length and channel width. MOS transistors are produced with a considerable amount of unintended dimensional deviation during manufacturing. Such a manufacturing deviation of the MOS transistor causes variations in the respective threshold voltages.

MOSトランジスタの閾値電圧のばらつきは、オフセット電圧をコンパレータ回路内に発生させる。このコンパレータ回路内におけるオフセット電圧は、入力電圧と参照電圧を比較するときにおいて精度を悪化させる問題がある。
つまり、コンパレータ回路の入力における閾値電圧の僅かな差は、出力部において増幅されるため比較精度が悪化する問題がある。そのため、素子ばらつきの影響を受けにくいコンパレータ回路が必要とされている。
The variation in the threshold voltage of the MOS transistor generates an offset voltage in the comparator circuit. The offset voltage in the comparator circuit has a problem of degrading accuracy when comparing the input voltage with the reference voltage.
In other words, a slight difference in threshold voltage at the input of the comparator circuit is amplified at the output unit, so that there is a problem that the comparison accuracy deteriorates. Therefore, there is a need for a comparator circuit that is less susceptible to element variations.

そこで、オフセット電圧によるコンパレータ回路の精度悪化を改善するために、スイッチと容量素子からなるオフセットキャンセル機能を備えた差動型コンパレータが知られている(特許文献1参照)。
特許文献1に記載された差動型コンパレータは、光電変換信号を入力する際にスイッチを閉じて、MOSトランジスタの閾値電圧を基準とする光電変換信号の電圧を容量素子および信号容量素子に蓄積することで、閾値電圧や寄生容量などをキャンセルして信号の比較を行っている。
特開2006−20171号公報
Therefore, in order to improve the accuracy deterioration of the comparator circuit due to the offset voltage, a differential comparator having an offset cancel function including a switch and a capacitive element is known (see Patent Document 1).
The differential comparator described in Patent Document 1 closes a switch when inputting a photoelectric conversion signal, and accumulates the voltage of the photoelectric conversion signal based on the threshold voltage of the MOS transistor in the capacitor element and the signal capacitor element. Thus, the signal comparison is performed by canceling the threshold voltage, parasitic capacitance, and the like.
JP 2006-20171 A

ところで、コンパレータ回路におけるキャリブレーションモードのときは、オフセット電流を0に調整することができる。そのため、比較する信号を電圧から電流に変更すると、オフセット電圧による影響を軽減して比較できる可能性がある。
しかしながら、特許文献1に記載された差動型コンパレータは、電流信号による処理に対する回路構成は設けられていないため、電流による比較を行うことができない。
By the way, in the calibration mode in the comparator circuit, the offset current can be adjusted to zero. Therefore, if the signal to be compared is changed from voltage to current, there is a possibility that the influence of the offset voltage can be reduced and comparison can be made.
However, since the differential comparator described in Patent Document 1 is not provided with a circuit configuration for processing by a current signal, comparison by current cannot be performed.

本発明は、オフセット電圧の影響を軽減させるために入力した電圧比較結果を電流差として出力して、比較精度の高いコンパレータ回路を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a comparator circuit with high comparison accuracy by outputting a voltage comparison result input in order to reduce the influence of an offset voltage as a current difference.

この発明にかかるコンパレータ回路は、電圧を入力する入力部と、基準電圧を入力する基準電圧入力部と、電圧および電流を出力する出力部と、からなる差動増幅回路と、互いのゲート端子とドレイン端子をたすきがけに接続した第1のトランジスタおよび第2のトランジスタと、前記出力部のプラス側の電圧を記憶する第1のキャパシタと、前記出力部のマイナス側の電圧を記憶する第2のキャパシタと、キャリブレーションモードと比較モードを切り替えるスイッチとを有し、前記第1のトランジスタのゲートは、前記第2のキャパシタを介して第2のトランジスタのドレインに接続され、前記第2のトランジスタのゲートは、前記第1のキャパシタを介して前記第1のトランジスタのドレインに接続され、かつ、前記スイッチの一端は、固定電圧に接続され、前記スイッチの他端は、前記第1のトランジスタおよび前記第2のトランジスタのそれぞれのゲートに接続される電流ラッチ回路とを、備えることを特徴としている(請求項1)。   A comparator circuit according to the present invention includes a differential amplifier circuit including an input unit that inputs a voltage, a reference voltage input unit that inputs a reference voltage, an output unit that outputs a voltage and a current, and a gate terminal of each other A first transistor and a second transistor having drain terminals connected to each other, a first capacitor for storing a positive voltage of the output unit, and a second capacitor for storing a negative voltage of the output unit A capacitor and a switch for switching between a calibration mode and a comparison mode, wherein the gate of the first transistor is connected to the drain of the second transistor via the second capacitor, The gate is connected to the drain of the first transistor through the first capacitor, and one end of the switch is Is connected to a fixed voltage, the other end of the switch is characterized in that the current latch circuit connected to the gates of the first transistor and the second transistor comprises (Claim 1).

したがって本発明のコンパレータ回路では、第1のキャパシタおよび第2のキャパシタに前記出力部におけるオフセット電圧を記憶させ、前記第1のトランジスタおよび第2のトランジスタのゲートに記憶した電圧を印加することで、補正電圧が行われる。   Therefore, in the comparator circuit of the present invention, the first capacitor and the second capacitor store the offset voltage in the output unit, and the voltages stored in the gates of the first transistor and the second transistor are applied, A correction voltage is performed.

ここで、第1のキャパシタおよび第2のキャパシタによるオフセット電圧の記憶は、スイッチがオンであるキャリブレーションモードのときに第1および第2のトランジスタのゲートに固定電圧を供給して行い、電圧補正は、スイッチがオフである比較モードのときに第1のキャパシタまたは前記第2のキャパシタに記憶した電圧をそれぞれのトランジスタのゲートに供給させて行わせる(請求項2)。   Here, storage of the offset voltage by the first capacitor and the second capacitor is performed by supplying a fixed voltage to the gates of the first and second transistors in the calibration mode in which the switch is on, and voltage correction is performed. In the comparison mode in which the switch is off, the voltage stored in the first capacitor or the second capacitor is supplied to the gates of the respective transistors (claim 2).

このように、第1のトランジスタおよび第2のトランジスタのゲートに印加される電圧を変更することで、前記キャパシタによるオフセット電圧の記憶と補正電圧を行うことができる。   In this manner, by storing the voltage applied to the gates of the first transistor and the second transistor, the offset voltage can be stored and the correction voltage can be performed by the capacitor.

さらに本発明のコンパレータ回路の差動増幅回路は、出力部におけるオフセット電流を除去する出力電流オフセット除去機能を有することを特徴としている(請求項3)。   Furthermore, the differential amplifier circuit of the comparator circuit of the present invention is characterized by having an output current offset removal function for removing the offset current in the output section.

出力電流オフセット機能は、キャリブレーションモードにおいてオフセット電流が除去されるような構成であればよい。   The output current offset function may be configured so that the offset current is removed in the calibration mode.

以上のように本発明によれば、比較する信号を電圧から電流に変換して行い、オフセット電圧の影響を軽減するため、コンパレータ回路の比較精度を向上させることができる。さらに、本コンパレータ回路は、キャパシタをラッチ回路に備えたことによって微小な電流差にのみ応答する回路、すなわち、電圧信号を電流信号に変換する簡便な回路構成であるため、回路の集積化に優れ、高機能化を図ることができる。   As described above, according to the present invention, since the signal to be compared is converted from voltage to current and the influence of the offset voltage is reduced, the comparison accuracy of the comparator circuit can be improved. In addition, this comparator circuit is a circuit that responds only to a small current difference by providing a capacitor in the latch circuit, that is, a simple circuit configuration that converts a voltage signal into a current signal, and thus is excellent in circuit integration. , High functionality can be achieved.

以下、本発明のコンパレータ回路について図面を参照して説明する。
図1は、本発明のコンパレータ回路の構成を示す回路図である。
本コンパレータ回路は、入力された信号を比較して出力する差動増幅回路1と出力状態を保持する電流ラッチ回路2から構成されている。
Hereinafter, a comparator circuit of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a comparator circuit of the present invention.
This comparator circuit includes a differential amplifier circuit 1 that compares and outputs input signals, and a current latch circuit 2 that holds an output state.

差動増幅回路1は、比較する電圧を入力する入力部3(以下、入力部3において入力された電圧をVin+とする)、基準電圧を入力する基準電圧入力部4(以下、基準電圧をVin-とする)、比較結果を出力する出力部5(以下、出力部5におけるプラス側の電圧および電流をVout+、Iout+、マイナス側の電圧および電流をVout-、Iout-、とする)、MOSトランジスタM1、M2、M3、M4、M5、スイッチSW1およびSW2、キャパシタC1から成る。
なお、各スイッチには、CMOS(Complementary MOS)など、入力部3には、NMOS(Nチャネル型MOS)などを用いることができる。
The differential amplifier circuit 1 includes an input unit 3 for inputting a voltage to be compared (hereinafter referred to as V in + voltage input at the input unit 3), the reference voltage input unit 4 for inputting a reference voltage (hereinafter, the reference voltage V in −), and the output unit 5 that outputs the comparison result (hereinafter, the positive side voltage and current in the output unit 5 are V out +, I out +, and the negative side voltage and current are V out −, I out- ), and MOS transistors M1, M2, M3, M4, and M5, switches SW1 and SW2, and a capacitor C1.
Each switch can be a CMOS (Complementary MOS) or the like, and the input unit 3 can be an NMOS (N-channel MOS) or the like.

MOSトランジスタM5は、本コンパレータ回路に電圧を供給しており、ゲートにバイアス電圧(Vbias)が接続され、ドレインにはMOSトランジスタM1およびM2のソースに接続されている。
MOSトランジスタM1は、ゲートに入力部3が接続され、ドレインには、プラス側の出力部5および、MOSトランジスタM3のソースが接続されている。
MOSトランジスタM2は、ゲートに基準電圧入力部4が接続され、ドレインには、マイナス側の出力部5および、MOSトランジスタM4のソースが接続されている。
The MOS transistor M5 supplies a voltage to this comparator circuit, the gate is connected to a bias voltage (Vbias), and the drain is connected to the sources of the MOS transistors M1 and M2.
In the MOS transistor M1, the input unit 3 is connected to the gate, and the plus side output unit 5 and the source of the MOS transistor M3 are connected to the drain.
In the MOS transistor M2, the reference voltage input unit 4 is connected to the gate, and the negative output unit 5 and the source of the MOS transistor M4 are connected to the drain.

キャパシタC1の両端は、MOSトランジスタM3およびM4のゲートに接続されており、MOSトランジスタM3およびM4における電圧差を記憶する。また、MOSトランジスタM3とキャパシタC1との間には、スイッチSW1の一端が接続されており、同様にしてMOSトランジスタM4とキャパシタC1の間にスイッチSW2の一端が接続されている。
スイッチSW1の他端は、MOSトランジスタM3のソースに接続されている。
スイッチSW2の他端は、MOSトランジスタM4のソースに接続されている。
Both ends of the capacitor C1 are connected to the gates of the MOS transistors M3 and M4, and store the voltage difference between the MOS transistors M3 and M4. Further, one end of the switch SW1 is connected between the MOS transistor M3 and the capacitor C1, and similarly, one end of the switch SW2 is connected between the MOS transistor M4 and the capacitor C1.
The other end of the switch SW1 is connected to the source of the MOS transistor M3.
The other end of the switch SW2 is connected to the source of the MOS transistor M4.

これに対して電流ラッチ回路2は、第1のキャパシタCaおよび第2のキャパシタCb、第1のMOSトランジスタM6、第2のMOSトランジスタM7、第3のMOSトランジスタM8、スイッチSW3およびSW4から構成されている。   In contrast, the current latch circuit 2 includes a first capacitor Ca and a second capacitor Cb, a first MOS transistor M6, a second MOS transistor M7, a third MOS transistor M8, and switches SW3 and SW4. ing.

第1のキャパシタCaは、差動増幅回路1のプラス側の出力電圧を記憶するもので、一端が出力部5のプラス側に接続されると共に第1のMOSトランジスタM6のドレインに接続され、他端が、第2のMOSトランジスタM7のゲートに接続されている。
第2のキャパシタCbは、差動増幅回路1のマイナス側の出力電圧を記憶し、第2のMOSトランジスタM7のドレインに接続され、他端は、第1のMOSトランジスタM6のゲートに接続されている。
第1のキャパシタCaから第2のMOSトランジスタM7のゲートへの配線と第2のキャパシタCbと第1のMOSトランジスタM6のゲートへの配線はたすきがけにして接続されている。
The first capacitor Ca stores the output voltage on the plus side of the differential amplifier circuit 1 and has one end connected to the plus side of the output unit 5 and the drain of the first MOS transistor M6. The end is connected to the gate of the second MOS transistor M7.
The second capacitor Cb stores the negative output voltage of the differential amplifier circuit 1 and is connected to the drain of the second MOS transistor M7, and the other end is connected to the gate of the first MOS transistor M6. Yes.
The wiring from the first capacitor Ca to the gate of the second MOS transistor M7 and the wiring from the second capacitor Cb to the gate of the first MOS transistor M6 are connected to each other.

第1のMOSトランジスタM6は、ドレインが前述した如く、第1のキャパシタCaと出力部5のプラス側とに接続され、ソースが、第3のMOSトランジスタM8のドレインに接続されている。
第2のMOSトランジスタM7は、ドレインが前述した如く第2のキャパシタCbと出力部5のマイナス側とに接続され、ソースが、第3のMOSトランジスタM8のドレインに接続されている。
第3のMOSトランジスタM8は、ゲートに接続されたラッチクロック信号に基づいて、ソースに接続された定電圧を電流ラッチ回路2に供給する。
スイッチSW3は、第1のMOSトランジスタM6のゲートに接続され、他端はバイアス電圧(Vbias)に接続されている。
スイッチSW4は、第2のMOSトランジスタM7のゲートに接続され、他端は、バイアス電圧(Vbias)に接続されている。
なお、本コンパレータ回路のモードと各スイッチの関係は、スイッチSW1〜SW4がオン(通電)に切り替わることでキャリブレーションモードに移行し、オフ(非通電)に切り替わることで入力電圧を比較する比較モードに移行する。
As described above, the drain of the first MOS transistor M6 is connected to the first capacitor Ca and the positive side of the output unit 5, and the source is connected to the drain of the third MOS transistor M8.
As described above, the drain of the second MOS transistor M7 is connected to the second capacitor Cb and the negative side of the output unit 5, and the source is connected to the drain of the third MOS transistor M8.
The third MOS transistor M8 supplies the constant voltage connected to the source to the current latch circuit 2 based on the latch clock signal connected to the gate.
The switch SW3 is connected to the gate of the first MOS transistor M6, and the other end is connected to the bias voltage (Vbias).
The switch SW4 is connected to the gate of the second MOS transistor M7, and the other end is connected to the bias voltage (Vbias).
The comparison between the mode of this comparator circuit and each switch is a comparison mode in which the switches SW1 to SW4 are switched on (energized) to shift to the calibration mode and are switched off (non-energized) to compare the input voltages. Migrate to

本コンパレータ回路は、入力部3に与えられた電圧を第1のキャパシタCaおよび第2のキャパシタCbに記憶させることで、どのような入力電圧Vin+であっても、微小な電流差にのみ応答する回路である。
つまり、本コンパレータ回路は、電圧比較結果を電流差として出力するトランスコンダクタンス回路を差増増幅回路1として設けており、各キャパシタの電圧記憶機能を利用して、オフセット電圧の影響を受けずに比較精度を向上させることができる。
This comparator circuit, by storing the voltage applied to the input portion 3 in the first capacitor Ca and a second capacitor Cb, whatever the input voltage V in +, only a minute current difference It is a circuit that responds.
In other words, this comparator circuit is provided with a transconductance circuit that outputs the voltage comparison result as a current difference as the differential amplifier circuit 1 and uses the voltage storage function of each capacitor for comparison without being affected by the offset voltage. Accuracy can be improved.

本コンパレータ回路の構成は以上となるが、続いて動作について説明する。
本コンパレータ回路の動作は、大きく3段階に分けられる。1段階目は、キャパシタによるオフセット電圧の記憶、2段階目は入力された入力電圧と基準電圧の比較、3段階目は、HIGHまたはLOWの出力判定を行うことである。
Although the configuration of the comparator circuit is as described above, the operation will be described.
The operation of this comparator circuit is roughly divided into three stages. The first stage is to store the offset voltage by the capacitor, the second stage is to compare the inputted input voltage with the reference voltage, and the third stage is to make an output judgment of HIGH or LOW.

まず、1段階目のキャパシタによるオフセット電圧の記憶について説明する。
キャリブレーションモードにおいて、電流ラッチ回路2のMOSトランジスタM6およびM7のゲートにはバイアス電圧(Vbias)が供給される。
このとき、スイッチSW1およびSW2よりも同時かあるいは僅かに早くスイッチSW3およびSW4をオンにすると、リーク電流がMOSトランジスタM6およびM7のソース−ドレイン間に流れる。これに伴い差動増幅回路1の出力部5における電流は、リーク電流が等しく二分された値が出力される。
out+=Iout-=Ileak/2 (1)
First, the storage of the offset voltage by the first stage capacitor will be described.
In the calibration mode, a bias voltage (Vbias) is supplied to the gates of the MOS transistors M6 and M7 of the current latch circuit 2.
At this time, when the switches SW3 and SW4 are turned on simultaneously or slightly earlier than the switches SW1 and SW2, a leak current flows between the source and drain of the MOS transistors M6 and M7. As a result, the current at the output section 5 of the differential amplifier circuit 1 is a value obtained by equally dividing the leakage current into two.
I out + = I out - = I leak / 2 (1)

つまり差動増幅回路1では、MOSトランジスタM1におけるドレイン-ソース間は、MOSトランジスタM3におけるドレイン-ソース間に流れる電流にリーク電流の半分を加えた電流が流れる。同様に、MOSトランジスタM2におけるドレイン-ソース間は、MOSトランジスタM4におけるドレイン-ソース間に流れる電流にリーク電流の半分を加えた電流が流れる。
DS1=IDS3+Ileak/2 (2)
DS2=IDS4+Ileak/2 (3)
(ここで、IDSnは、MOSトランジスタMnにおけるドレイン−ソース間の電流を表す。)
That is, in the differential amplifier circuit 1, a current obtained by adding half of the leakage current to the current flowing between the drain and source in the MOS transistor M3 flows between the drain and source in the MOS transistor M1. Similarly, a current obtained by adding half of the leakage current to the current flowing between the drain and source in the MOS transistor M4 flows between the drain and source in the MOS transistor M2.
I DS1 = I DS3 + I leak / 2 (2)
I DS2 = I DS4 + I leak / 2 (3)
(Here, I DSn represents the drain-source current in the MOS transistor Mn.)

したがって、差動増幅回路1におけるプラス側の出力電流は、IDS1−IDS3で表されるため
out+=Ileak/2
である。
また同様に、マイナス側の出力電流は、IDS2−IDS4で表されるため、
out-=Ileak/2
である。
Therefore, since the output current on the plus side in the differential amplifier circuit 1 is expressed by I DS1 −I DS3 , I out + = I leak / 2
It is.
Similarly, the negative output current is expressed as I DS2 −I DS4 .
I out- = I leak / 2
It is.

このように、キャリブレーションモードでは、MOSトランジスタの閾値電圧に基づくオフセット電流をゼロにすることができる(出力電流オフセット除去機能)。
このような出力部5における出力電流が等しいとき、出力電圧Voutは、オフセット電圧の影響によりプラス側とマイナス側の値が異なる。
out+≠Vout- (6)
電流ラッチ回路2の第1のキャパシタCaおよび第2のキャパシタCbは、このときのプラス側の出力電圧Vout+とマイナス側の出力電圧Vout-をそれぞれ記憶する。
Thus, in the calibration mode, the offset current based on the threshold voltage of the MOS transistor can be made zero (output current offset removal function).
When the output currents in the output unit 5 are the same, the output voltage Vout differs between the positive side and the negative side due to the influence of the offset voltage.
V out + ≠ V out- (6)
The first capacitor Ca and the second capacitor Cb of the current latch circuit 2 store the positive-side output voltage V out + and the negative-side output voltage V out − at this time, respectively.

次に、本コンパレータ回路に入力された電圧信号と基準電圧の比較について説明する。
コンパレータ回路は、スイッチSW1からSW4の各々にオフ信号を送信してオンからオフに切り替えることによって、キャリブレーションモードから比較モードに移行する。
はじめにスイッチSW3およびSW4がオフになると、キャパシタCaおよびCbに記憶した電圧は、MOSトランジスタM6およびM7のゲートに印加される。このとき、先ほど記憶したプラス側の出力電圧Vout+は第1のMOSトランジスタM7のゲートへ、マイナス側の出力電圧Vout-は第2のMOSトランジスタM6のゲートへ印加される。
Next, a comparison between the voltage signal input to the comparator circuit and the reference voltage will be described.
The comparator circuit shifts from the calibration mode to the comparison mode by transmitting an off signal to each of the switches SW1 to SW4 and switching from on to off.
First, when the switches SW3 and SW4 are turned off, the voltages stored in the capacitors Ca and Cb are applied to the gates of the MOS transistors M6 and M7. At this time, the positive output voltage V out + stored earlier is applied to the gate of the first MOS transistor M7, and the negative output voltage V out − is applied to the gate of the second MOS transistor M6.

このように、出力部5のマイナス側の電圧を第1のMOSトランジスタM6のゲートに印加し、その一方で、出力部5のプラス側の電圧を第2のMOSトランジスタM7のゲートに印加することで、補正電圧を基準としたラッチ動作の準備ができる。   In this way, the negative voltage of the output unit 5 is applied to the gate of the first MOS transistor M6, while the positive voltage of the output unit 5 is applied to the gate of the second MOS transistor M7. Thus, the latch operation based on the correction voltage can be prepared.

また、すべてのスイッチがオフである比較モードでは、入力部3の入力電圧Vin+には比較する電圧が印加され、MOSトランジスタM1のゲート電圧が変化する。同時に(1)式の関係が成立しなくなり、出力部5における出力電流の値が変化することになる。 In the comparison mode in which all the switches are off, a voltage to be compared is applied to the input voltage V in + of the input unit 3, and the gate voltage of the MOS transistor M1 changes. At the same time, the relationship of the expression (1) is not established, and the value of the output current in the output unit 5 changes.

出力電流の変化は、第1のMOSトランジスタM6および第2のMOSトランジスタM7のドレイン電位および各々交差するゲート電位の変化によりもたらされた出力部5の電圧変化に基づいて生じる。ここで、電流ラッチ回路2から差動増幅回路1に出力される電流は、オフセット電圧補正された電流が流れる。   The change in the output current occurs based on the voltage change in the output unit 5 caused by the change in the drain potential of the first MOS transistor M6 and the second MOS transistor M7 and the gate potential that intersects each other. Here, the current output from the current latch circuit 2 to the differential amplifier circuit 1 is a current whose offset voltage is corrected.

次に、電流ラッチ回路2におけるHIGHまたはLOWの出力について説明する。
電流ラッチ回路2は、比較モードにおける出力電圧について、たすきがけに接続されたトランジスタM6およびM7による正帰還により、入力電圧と基準電圧の電圧差を増幅させてHIGHまたはLOWの出力を判定する。
このときのHIGHまたはLOWの判定は、プラス側の電圧よりもマイナス側の電圧が大きい場合(Vout+<Vout-)をHIGHとし、プラス側の電圧をマイナス側の電圧よりも大きい場合(Vout+>Vout-)をLOWとする。
第3のMOSトランジスタM8のゲートに接続されたラッチクロック信号により、MOSトランジスタM6およびM7のソース端子に電圧が供給されると、増幅された電圧がHIGHまたはLOWに応じてプラス側の出力電圧Vout+、マイナス側の出力電圧Vout-に現われる。
Next, a HIGH or LOW output in the current latch circuit 2 will be described.
The current latch circuit 2 determines the output of HIGH or LOW by amplifying the voltage difference between the input voltage and the reference voltage by positive feedback by the transistors M6 and M7 connected to each other for the output voltage in the comparison mode.
The determination of HIGH or LOW at this time is when the negative voltage is higher than the positive voltage (V out + <V out −), and the positive voltage is higher than the negative voltage ( Let V out +> V out −) be LOW.
When a voltage is supplied to the source terminals of the MOS transistors M6 and M7 by the latch clock signal connected to the gate of the third MOS transistor M8, the amplified voltage is output to the positive output voltage V according to HIGH or LOW. out +, the negative side of the output voltage V out - to appear.

図2は、以上で説明した本コンパレータ回路のスイッチの動作と電流ラッチ回路2の動作を示すタイムチャートである。
本タイムチャートは、上位にスイッチの動作、下位にラッチクロック信号の動作を示しており、各信号の凹凸は、立ち上がりにおいてオンを示し、立下りでオフを示す。
FIG. 2 is a time chart showing the operation of the switches of the comparator circuit and the operation of the current latch circuit 2 described above.
This time chart shows the operation of the switch at the upper level and the operation of the latch clock signal at the lower level. The unevenness of each signal indicates ON at the rising edge and OFF at the falling edge.

各スイッチは、測定を開始して1.0μs後にキャリブレーションモードの信号を受信すると、オフからオンに切り替える。上述のとおり、キャリブレーションモードにおいてスイッチがオンされると、キャパシタCaおよびCbにオフセット電圧が記憶される。
測定開始から2.0μs後において、それぞれのキャパシタにおけるオフセット電圧の記憶が完了すると、各スイッチは、オンからオフに切り替えられ、比較モードに移行する。
その後、3.0μsまでの比較モードにおいては、電圧信号から電流信号へ変換が行われている。既に説明したように、2.5μs後においては、入力部3に入力電圧が印加される。電流ラッチ回路2は、比較モードが完了すると、ラッチクロック信号に基づいてHIGHまたはLOWの信号を出力する。
Each switch switches from OFF to ON when a calibration mode signal is received 1.0 μs after the start of measurement. As described above, when the switch is turned on in the calibration mode, the offset voltage is stored in the capacitors Ca and Cb.
When the storage of the offset voltage in each capacitor is completed after 2.0 μs from the start of measurement, each switch is switched from on to off and shifts to the comparison mode.
Thereafter, in the comparison mode up to 3.0 μs, conversion from a voltage signal to a current signal is performed. As already described, an input voltage is applied to the input unit 3 after 2.5 μs. When the comparison mode is completed, the current latch circuit 2 outputs a HIGH or LOW signal based on the latch clock signal.

以上の動作によって、本コンパレータ回路の動作が実行されるが、続いて、本コンパレータ回路における比較精度、すなわち、電流ラッチ回路2のLOWとHIGHの判定精度について説明をする。
本コンパレータ回路における精度の検証は、シミュレーションによって行った。シミュレーションは、入力電圧Vin+にオフセット電圧として100[mV]を加え、LOWを判定する最大の入力電圧Vin+の値とHIGHを判定する最小の入力電圧Vin+の値を求めた。
具体的には、低電位側から電圧を上昇させて測定し、電流ラッチ回路2がLOWを判定する最大電圧を求め、また一方では、高電位側から電圧を低下させて測定し、電流ラッチ回路2がHIGHを判定する最小電圧を求めた。
なお、基準電圧Vin-には、2.5[V]を印加させてシミュレーションを行った。
The operation of this comparator circuit is executed by the above operation. Next, the comparison accuracy in this comparator circuit, that is, the determination accuracy of LOW and HIGH of the current latch circuit 2 will be described.
The accuracy of this comparator circuit was verified by simulation. Simulation, the 100 [mV] was added as an offset voltage to the input voltage V in +, determining the minimum of the input voltage V in + the value of the determined maximum input voltage V in + value and HIGH determining LOW.
Specifically, the voltage is increased from the low potential side and measured, and the current latch circuit 2 obtains the maximum voltage for determining LOW, and on the other hand, the voltage is decreased from the high potential side and measured. 2 determined the minimum voltage for determining HIGH.
The simulation was performed by applying 2.5 [V] to the reference voltage V in −.

まず、電流ラッチ回路2によるLOWの判定について説明する。
シミュレーションによる電流ラッチ回路2のLOWを判定する最大の入力電圧は、2.5050[V]であった。
図3は、この電圧における入力波形と出力波形の関係を示した図である。図3(a)は、入力電圧Vin+=2.5050[V]における入力電圧波形である。また図3(b)は、入力電圧Vin+=2.5050[V]における出力電圧波形である。
First, the determination of LOW by the current latch circuit 2 will be described.
The maximum input voltage for determining LOW of the current latch circuit 2 by simulation was 2.5050 [V].
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the input waveform and the output waveform at this voltage. FIG. 3A shows an input voltage waveform at the input voltage V in + = 2.050 [V]. FIG. 3B shows an output voltage waveform at the input voltage V in + = 2.050 [V].

入力部3の入力電圧Vin+は、図3(a)の2.5μsにおいて、2.5000[V]から2.5050[V]に増加している。この電圧の増加は、2.0μsにおいて、入力部3の入力電圧Vin+に比較電圧が印加されたことを示している。
また、図3(b)では、2.0μs以前において、プラス側とマイナス側の出力電圧には、差が生じている。この電圧差がオフセット電圧であり、プラス側とマイナス側の電圧をそれぞれキャパシタCaおよびCbに記憶される。
さらに、ラッチクロック信号が発生した3.0μs以降では、プラス側の出力電圧は、マイナス側の出力電力よりも大きく、その差は、約1.3[V]である。
入力部3の入力電圧Vin+と基準電圧入力部4の基準電圧Vin-の差は、5.0[mV]であったが、出力部5におけるプラス側とマイナス側の出力電圧の差は、1.3000[V]であるため、電流ラッチ回路2の正帰還により電圧が増幅されて出力されていることがわかる。
The input voltage V in + of the input unit 3 increases from 2.5000 [V] to 2.5050 [V] in 2.5 μs in FIG. This increase in voltage indicates that the comparison voltage is applied to the input voltage V in + of the input unit 3 at 2.0 μs.
In FIG. 3B, there is a difference between the positive and negative output voltages before 2.0 μs. This voltage difference is the offset voltage, and the positive and negative voltages are stored in the capacitors Ca and Cb, respectively.
Further, after 3.0 μs when the latch clock signal is generated, the plus side output voltage is larger than the minus side output power, and the difference is about 1.3 [V].
The difference between the input voltage V in + of the input unit 3 and the reference voltage V in − of the reference voltage input unit 4 was 5.0 [mV], but the difference between the positive and negative output voltages in the output unit 5 Is 1.3000 [V], it can be seen that the voltage is amplified and output by the positive feedback of the current latch circuit 2.

続いて、電流ラッチ回路2がHIGHを判定する最小の入力電圧は、2.5095[V]であった。
図4は、この電圧における入力波形と出力波形の関係を示した図である。図4(a)は、入力電圧Vin+=2.5095[V]における入力電圧波形である。また図4(b)は、入力電圧Vin+=2.5095[V]における出力電圧波形である。
Subsequently, the minimum input voltage with which the current latch circuit 2 determines HIGH is 2.5095 [V].
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the input waveform and the output waveform at this voltage. FIG. 4A shows an input voltage waveform at the input voltage V in + = 2.5095 [V]. FIG. 4B shows an output voltage waveform at the input voltage V in + = 2.05095 [V].

低電位側の測定と同様の理由により、図4(a)では、2.5μs以降において、入力電圧Vin+は、2.5000[V]から2.5095[V]に増加している。
さらに図4(b)では、入力時には9.5[mV]の差であったが、出力時には、3.5000[V]に増幅されて出力されている。
また、低電位側とは異なり、出力部5における電圧は、プラス側の出力Vout+よりもマイナス側の出力Vout-を大きくして出力されている。
For the same reason as the measurement on the low potential side, in FIG. 4A, the input voltage V in + increases from 2.5000 [V] to 2.50995 [V] after 2.5 μs.
Further, in FIG. 4B, the difference is 9.5 [mV] at the time of input, but is amplified to 3.5000 [V] at the time of output.
Further, unlike the low potential side, the voltage at the output unit 5 is output with the negative side output V out − larger than the positive side output V out +.

続いて、電流ラッチ回路2がLOWを判定した最大の電圧とHIGHを判定した最小電圧における出力電流について説明する。
図5(a)は、入力電圧Vin+=2.5050[V]における出力電流波形である。図5(b)は、入力電圧Vin+=2.5095[V]における出力電流波形である。
Subsequently, the output current at the maximum voltage at which the current latch circuit 2 determines LOW and the minimum voltage at which HIGH is determined will be described.
FIG. 5A shows an output current waveform at the input voltage V in + = 2.050 [V]. FIG. 5B shows an output current waveform at the input voltage V in + = 2.5095 [V].

図5(a)、(b)ともに3.0μsの時点でラッチクロック信号を受信している。それ以前では、オフセット電流の差Iout+−Iout-が0であることが確認できる。
ラッチクロック信号受信後は、低電位側の測定においてはプラス側の出力電流Iout+に電流が流れ、高電位側の測定においてはマイナス側の出力電流Iout-に電流が流れていることが確認できる。
In both FIGS. 5A and 5B, the latch clock signal is received at 3.0 μs. Before that, it can be confirmed that the offset current difference I out + −I out − is zero.
After receiving the latch clock signal, current flows in the positive output current I out + in the low potential side measurement, and current flows in the negative output current I out − in the high potential side measurement. I can confirm.

図3および図4の結果より、本コンパレータ回路は、入力電圧が2.5050[V]以下ではLOWを出力し、入力電圧が2.5095[V]以上ではHIGHを出力する。したがって、その判定範囲を表すと次式になる。
in+<2.5050、2.5095<Vin+
本コンパレータは、2.5095[V]から2.505[V]における範囲についてはHIGHまたはLOWの判定をすることができない。この4.5[mV]の範囲については、入力電圧と基準電圧の差が小さい値であるため、有限の利得では、これを増幅して判定することができない。
3 and 4, the comparator circuit outputs LOW when the input voltage is 2.5050 [V] or less, and outputs HIGH when the input voltage is 2.05095 [V] or more. Therefore, the determination range is expressed by the following equation.
V in + <2.5050, 2.5095 <V in +
This comparator cannot determine HIGH or LOW for the range from 2.5095 [V] to 2.505 [V]. In the range of 4.5 [mV], since the difference between the input voltage and the reference voltage is a small value, it cannot be determined by amplifying this with a finite gain.

このように、本コンパレータ回路は、与えたオフセット電圧100[mV]に対して、判定不能範囲が4.5[mV]である。したがって、コンパレータに用いるMOSトランジスタの閾値電圧が大きく異なる場合においても、比較精度の向上を図ることができる。   Thus, this comparator circuit has a non-determinable range of 4.5 [mV] with respect to the applied offset voltage 100 [mV]. Therefore, even when the threshold voltages of the MOS transistors used for the comparator are greatly different, the comparison accuracy can be improved.

本コンパレータ回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of this comparator circuit. 本コンパレータ回路のスイッチの動作とラッチの動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation | movement of the switch of this comparator circuit, and the operation | movement of a latch. 図3(a)は、入力電圧Vin+=2.5050[V]における入力電圧波形である。図3(b)は、入力電圧Vin+=2.5050[V]における出力電圧波形である。FIG. 3A shows an input voltage waveform at the input voltage V in + = 2.050 [V]. FIG. 3B shows an output voltage waveform at the input voltage V in + = 2.050 [V]. 図4(a)は、入力電圧Vin+=2.5095[V]における入力電圧波形である。図4(b)は、入力電圧Vin+=2.5095[V]における出力電圧波形である。FIG. 4A shows an input voltage waveform at the input voltage V in + = 2.5095 [V]. FIG. 4B shows an output voltage waveform at the input voltage V in + = 2.5095 [V]. 図5(a)は、入力電圧Vin+=2.5050[V]における出力電流波形である。図5(b)は、入力電圧Vin+=2.5095[V]における出力電流波形である。FIG. 5A shows an output current waveform at the input voltage V in + = 2.050 [V]. FIG. 5B shows an output current waveform at the input voltage V in + = 2.5095 [V].

符号の説明Explanation of symbols

1・・・差動増幅回路、2・・・電流ラッチ回路、3・・・入力部、4・・・基準電圧入力部、5・・・出力部、M1〜M5・・・MOSトランジスタ、M6・・・第1のトランジスタ、M7・・・第2のトランジスタ、M8・・・第3のトランジスタ、C1・・・キャパシタ、Ca・・・第1のキャパシタ、Cb・・・第2のキャパシタ、SW1〜SW4・・・スイッチ   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Differential amplifier circuit, 2 ... Current latch circuit, 3 ... Input part, 4 ... Reference voltage input part, 5 ... Output part, M1-M5 ... MOS transistor, M6 ... first transistor, M7 ... second transistor, M8 ... third transistor, C1 ... capacitor, Ca ... first capacitor, Cb ... second capacitor, SW1-SW4 ... switch

Claims (3)

電圧を入力する入力部と、基準電圧を入力する基準電圧入力部と、電圧および電流を出力する出力部と、からなる差動増幅回路と、
互いのゲート端子とドレイン端子をたすきがけに接続した第1のトランジスタおよび第2のトランジスタと、前記出力部のプラス側の電圧を記憶する第1のキャパシタと、前記出力部のマイナス側の電圧を記憶する第2のキャパシタと、キャリブレーションモードと比較モードを切り替えるスイッチとを有し、前記第1のトランジスタのゲートは、前記第2のキャパシタを介して第2のトランジスタのドレインに接続され、前記第2のトランジスタのゲートは、前記第1のキャパシタを介して前記第1のトランジスタのドレインに接続され、かつ、前記スイッチの一端は、固定電圧に接続され、前記スイッチの他端は、前記第1のトランジスタおよび前記第2のトランジスタのそれぞれのゲートに接続される電流ラッチ回路とを、
備えることを特徴とするコンパレータ回路。
A differential amplifier circuit comprising: an input unit for inputting voltage; a reference voltage input unit for inputting reference voltage; and an output unit for outputting voltage and current;
A first transistor and a second transistor, each having a gate terminal and a drain terminal connected to each other, a first capacitor for storing a positive voltage of the output unit, and a negative voltage of the output unit. A second capacitor for storing, and a switch for switching between a calibration mode and a comparison mode, wherein the gate of the first transistor is connected to the drain of the second transistor via the second capacitor; The gate of the second transistor is connected to the drain of the first transistor via the first capacitor, and one end of the switch is connected to a fixed voltage, and the other end of the switch is connected to the first transistor. Current latch circuits connected to respective gates of one transistor and the second transistor;
A comparator circuit comprising:
前記キャリブレーションモードにおいては、前記スイッチをオンにして前記第1および第2のトランジスタのゲートに固定電圧を供給すると共に、前記第1のキャパシタおよび前記第2のキャパシタに、前記出力部のプラス側とマイナス側の電圧を記憶させ、
また、前記比較モードにおいては、前記スイッチをオフにして前記第2のキャパシタから記憶した電圧を前記第1のトランジスタのゲートに供給すると共に、前記第1のキャパシタから記憶した電圧を前記第2のトランジスタのゲートに供給することを特徴とする請求項1に記載のコンパレータ回路。
In the calibration mode, the switch is turned on to supply a fixed voltage to the gates of the first and second transistors, and to the first capacitor and the second capacitor, the positive side of the output unit And memorize the negative voltage,
In the comparison mode, the voltage stored from the second capacitor is supplied to the gate of the first transistor by turning off the switch, and the voltage stored from the first capacitor is supplied to the second capacitor. The comparator circuit according to claim 1, wherein the comparator circuit is supplied to a gate of the transistor.
前記差動増幅回路は、前記出力部におけるオフセット電流を除去する出力電流オフセット除去機能を有することを特徴とした請求項1に記載のコンパレータ回路。   The comparator circuit according to claim 1, wherein the differential amplifier circuit has an output current offset removal function for removing an offset current in the output unit.
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