JP3257290B2 - コンパレータ及び差動増幅器 - Google Patents

コンパレータ及び差動増幅器

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、複数の差動増幅器を直
列接続して構成されるコンパレータ、及び、これに使用
する差動増幅器に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に高ゲインのコンパレータを構成す
る場合、差動増幅器を多段接続する方式が用いられる。
従来、この方式を用いる場合には、図5に示すように、
差動増幅器1a,1b間にはコンデンサCを介在して接
続していた。これは、前段の差動増幅器1aのオフセッ
ト電圧を結合容量で吸収し後段の差動増幅器1bに悪影
響を及ぼさないようにして全体として低オフセット電圧
を実現するためである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、容量プロセス
を持たない一般的なプロセスでコンデンサ(容量)Cを
形成した場合には、コンデンサ(容量)Cの電極とウエ
ハとの間に浮遊容量C0ができるため、大きなゲインロ
スが発生したり、高域が減衰する等の問題があった。
【0004】そこで、本発明は差動増幅器間を直結し、
しかも、オフセット電圧を抑えることができるコンパレ
ータ及び、これに使用する差動増幅器を提供することを
課題とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
の本発明は、複数の差動増幅器を直列接続して構成され
るコンパレータにおいて、前記差動増幅器を、一対の差
動用トランジスタと、この各差動用トランジスタにそれ
ぞれ接続された一対のアクティブ負荷用トランジスタ
と、この各アクティブ負荷用トランジスタのドレイン・
ソース端子間の差電圧をそれぞれ保持し、且つ、この保
持した差電圧を前記各アクティブ負荷用トランジスタに
制御電圧としてそれぞれ供給できる一対の電圧保持手段
と、前記一対の差動用トランジスタの各制御電圧として
同一電圧を供給する場合と、前記一対の差動用トランジ
スタの一方の制御電圧として入力電圧を、他方の制御電
圧として基準電圧をそれぞれ供給する場合とを切り換え
できる制御電圧切換手段とを備え、リセットモード時に
は前記制御電圧切換手段が前記一対の差動用トランジス
タの制御電圧として共に同一電圧を供給し、前記一対の
電圧保持手段が前記一対のアクティブ負荷用トランジス
タのドレイン・ソース端子間に現れる差電圧を保持し、
比較モード時には前記制御電圧切換手段が前記一対の差
動用トランジスタの制御電圧として入力電圧と基準電圧
をそれぞれ供給し、前記一対の電圧保持手段が保持した
各差電圧を前記一対のアクティブ負荷用トランジスタに
制御電圧としてそれぞれ供給するよう構成したことを特
徴とするコンパレータであり、上記構成の差動増幅器で
ある。
【0006】
【作用】リセットモード時には一対の差動用トランジス
タに制御電圧として同一電圧が供給され、一対の差動用
トランジスタのしきい値ゲート電圧やコンダクタンスの
ばらつき等によってオフセット電圧が存在すると、この
オフセット電圧が一対の電圧保持手段に保持され、比較
モード時にはこのオフセット電圧がアクティブ負荷用ト
ランジスタの制御電圧とされるため、リセットモード時
のバイアス条件が比較モード時に利用され、オフセット
電圧を抑制するよう動作する。
【0007】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。図1から図4には本発明の一実施例が示されてい
る。図1(a)にはコンパレータの回路ブロック図が示
されている。図1(a)において、コンパレータは複数
の差動増幅器1が直列接続され、各差動増幅器1間はコ
ンデンサを介在することなく直結されている。
【0008】図1(b)には前記差動増幅器1の回路図
が示されている。図1(b)において、一対の差動用ト
ランジスタQ1,Q2の各ソース端子は共に電流源2に
接続され、一方の差動用トランジスタQ1のベース端子
は下記する第1開閉スイッチSW1を介して入力端子T
1に接続されている。この入力端子T1には被比較電圧で
ある入力電圧が導かれている。他方の差動用トランジス
タQ2のベース端子は基準電圧源Eに接続されている。
【0009】この一対の差動用トランジスタQ1,Q2
のドレイン端子より差動出力が得られ、この各ドレイン
端子側には一対のアクティブ負荷用トランジスタQ3,
Q4がそれぞれ接続されている。この一対のアクティブ
負荷用トランジスタQ3,Q4には一対の電圧保持手段
3がそれぞれ設けられている。
【0010】各電圧保持手段3は、アクティブ負荷用ト
ランジスタQ3,Q4のソース・ゲート端子間に介在さ
れたコンデンサC1,C2と、アクティブ負荷用トラン
ジスタQ3,Q4のゲート・ドレイン端子間に介在され
た第3又は第4開閉スイッチSW3,SW4とを備え、
第3及び第4開閉スイッチSW3,SW4は図示しない
制御部によって制御される。
【0011】制御電圧切換手段4は、入力端子T1と一
方の差動用トランジスタQ1のベース端子との間に介在
された第1開閉スイッチSW1と、一対の差動用トラン
ジスタQ1,Q2のベース端子間に介在された第2開閉
スイッチSW2とを備え、第1及び第2開閉スイッチS
W1,SW2は図示しない制御部によって制御される。
【0012】制御部は、図2に示すように、リセットモ
ード時には第1開閉スイッチSW1を開状態に、第2〜
第4開閉スイッチSW2〜SW4を閉状態に制御し、
又、比較モード時にはこれと逆に第1開閉スイッチSW
1を閉状態に、第2〜第4開閉スイッチSW2〜SW4
を開状態にそれぞれ制御する。
【0013】次に、上記構成の作用を説明する。図3
(a)にはリセットモード時、即ち、SW1が開、SW
2〜SW4が閉の時の等価回路図が示されている。
中、gmn及びgonはトランジスタQ1、Q2の相互
コンダクタンス及び出力コンダクタンス、gmpおよび
gopはトランジスタQ1、Q2の相互コンダクタンス
及び出力コンダクタンスである。図3(a)において、
オフセット電圧が発生する要因として差動用トランジス
タQ1および差動用トランジスタQ2のしきい値ゲート
電圧のばらつき、あるいはコンダクダンスのばらつき等
があげられるが、等価回路上ではこのばらつきを入力電
圧△V、−△Vに置き換えて取り扱っている。この入力
電圧によってS点を流れる電流は、gmn≫gonで
あることにより i=gmn・△V である。この時の出力電圧変化量を求めるため等価回路
を、図3(b)のように書き換える。図3(b)はトラ
ンジスタQ2、Q4側の等価回路を示し、トランジスタ
Q1、Q3側の等価回路を省略している。S点の電圧が
変化しないと仮定すれば、等価回路上では接地と見なせ
る。また、トランジスタQ4においてゲート電圧VG=
ドレイン電圧VDであるから、図3(b)においてA−
B間を短絡したのと同じことになり、トランジスタQ
2、Q4ドレインD側の出力端子に、01=−i/(gmp+gop+gon)=−gmn/(gmp+gop+g on)・△V の電圧変化が生じる。同様に、トランジスタQ1、Q3
ドレインD側の出力端子に、 XV 01 =i/(gmp+gop+gon)=gmn/(gmp+gop+go n)・△V の電圧変化が生じる。
【0014】従って、差動増幅器1の2入力端子(トラ
ンジスタQ1、Q2のゲートG側)をスイッチSW2で
短絡した状態でも入力オフセット電圧の影響が2出力端
子(トランジスタ(Q1、Q3)、(Q2、Q3)のド
レインD側)にXV 01 、V01、として現れ、コンデンサ
C1およびコンデンサC2に保存されることになる。そ
して、リセットモード時にコンデンサC1及びコンデン
サC2に保存された電荷は、比較モードにおいてもその
まま保存される。このことを考慮した上で、比較モード
において2出力端子が同電圧となる入力条件を求めれば
比較モードにおけるオフセット電圧が算出できる。
【0015】図4(a)には比較モード時、即ち、SW
1が閉、SW2〜SW4が開の時の等価回路図が示され
ている。図4について、上記リセットモードにおいてコ
ンデンサC1およびコンデンサC2に保存された電荷は
比較モードでもそのまま保存されるので2入力端子の電
位差がなければ、比較モードの2出力端子の出力電位
は、リセットモード時の出力電位V01、XV01のままで
ある。そこで2入力端子に上記電圧変化△Vと異なる極
性の外部電圧Voffを与え、2出力端子の出力電位が
0=XV0となる条件を求める。その結果得られるVo
ffが比較モードにおけるオフセット電圧になる。
【0016】リセットモードと同様にS点の電位が変化
しないと仮定すれば、図4(a)を図4(b)のように
書き換えることができる。ただし、図4(b)はトラン
ジスタQ2、Q4側の等価回路を示し、トランジスタQ
1、Q3側の等価回路を省略している。比較モードにお
いてスイッチSW3、SW4は開放状態であるから、
ランジスタQ3、Q4の各コンダクタンスgmpは無視
できることになり出力電位V02、XV02は、
【0017】
【数1】
【0018】であるから、V02=XV02となるVoff
を求めると、
【0019】
【数2】
【0020】である。したがって、差動増幅器1のオフ
セット電圧△VがVoffに抑圧される。この出力電圧
を直接次段の差動増幅器1に与えるため伝送ロスのない
コンパレータが実現される。
【0021】尚、上記実施例ではトランジスタQ1〜Q
4をモス型FETにて構成したため、コンデンサC1,
C2がアクティブ負荷用トランジスタQ3,Q4のドレ
イン・ソース端子間の差電位を保持するよう構成した
が、他の種類のトランジスタではコレクタ・エミッタ端
子間の差電位を保持するよう構成する。
【0022】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、複数
の差動増幅器を直列接続して構成されるコンパレータに
おいて、前記差動増幅器が、一対の差動用トランジスタ
と、この各差動用トランジスタにそれぞれ接続された一
対のアクティブ負荷用トランジスタと、この各アクティ
ブ負荷用トランジスタのドレイン・ソース端子間の差電
圧をそれぞれ保持し、且つ、この保持した差電圧を前記
各アクティブ負荷用トランジスタに制御電圧としてそれ
ぞれ供給できる一対の電圧保持手段と、前記一対の差動
用トランジスタの各制御電圧として同一電圧を供給する
場合と、前記一対の差動用トランジスタの一方の制御電
圧として入力電圧を、他方の制御電圧として基準電圧を
それぞれ供給する場合とを切り換えできる制御電圧切換
手段とを備えるよう構成したので、リセットモード時の
バイアス条件を比較モード時に利用することによりオフ
セット電圧を抑えることができる。オフセット電圧を抑
えることができるので差動増幅器間を直結できるため、
信号の伝送ロスがなくなりコンパレータ全体として高ゲ
インが得られる、差動増幅器の出力負荷が小さくなり高
域の減衰を抑えられる、コンデンサ(結合容量)が不要
な分だけセル面積が抑えられる、容量プロセス等を必要
とせず一般的なロジックプロセスで実現できることから
製造コストが安くなる、等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は、コンパレータの回路ブロック図、
(b)は差動増幅器の回路図(実施例)。
【図2】各開閉スイッチの状態を示す図(実施例)。
【図3】(a),(b)はそれぞれリセットモード時の
等価回路図(実施例)。
【図4】(a),(b)はそれぞれ比較モード時の等価
回路図(実施例)。
【図5】コンパレータの回路ブロック図(従来例)。
【符号の説明】
1…差動増幅器 3…電圧保持手段 4…制御電圧切換手段 Q1,Q2…差動用トランジスタ Q3,Q4…アクティブ負荷用トランジスタ C1,C2…コンデンサ SW1…第1開閉スイッチ SW2…第2開閉スイッチ SW3…第3開閉スイッチ SW4…第4開閉スイッチ T1…入力端子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03K 5/08 H03F 3/45

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数の差動増幅器を直列接続して構成さ
    れるコンパレータにおいて、 前記差動増幅器を、一対の差動用トランジスタと、この
    各差動用トランジスタにそれぞれ接続された一対のアク
    ティブ負荷用トランジスタと、この各アクティブ負荷用
    トランジスタのドレイン・ソース端子間の差電圧をそれ
    ぞれ保持し、且つ、この保持した差電圧を前記各アクテ
    ィブ負荷用トランジスタに制御電圧としてそれぞれ供給
    できる一対の電圧保持手段と、前記一対の差動用トラン
    ジスタの各制御電圧として同一電圧を供給する場合と、
    前記一対の差動用トランジスタの一方の制御電圧として
    入力電圧を、他方の制御電圧として基準電圧をそれぞれ
    供給する場合とを切り換えできる制御電圧切換手段とを
    備え、リセットモード時には前記制御電圧切換手段が前
    記一対の差動用トランジスタの制御電圧として共に同一
    電圧を供給し、前記一対の電圧保持手段が前記一対のア
    クティブ負荷用トランジスタのドレイン・ソース端子間
    に現れる差電圧を保持し、比較モード時には前記制御電
    圧切換手段が前記一対の差動用トランジスタの制御電圧
    として入力電圧と基準電圧をそれぞれ供給し、前記一対
    の電圧保持手段が保持した各差電圧を前記一対のアクテ
    ィブ負荷用トランジスタに制御電圧としてそれぞれ供給
    するよう構成したことを特徴とするコンパレータ。
  2. 【請求項2】 前記一対の電圧保持手段は、前記各アク
    ティブ負荷用トランジスタのソース・ゲート端子間に介
    在された各コンデンサと、前記各アクティブ負荷用トラ
    ンジスタのゲート・ドレイン端子間に介在された各開閉
    スイッチとを備え、リセットモード時には前記各開閉ス
    イッチを閉状態とし、比較モード時には前記開閉スイッ
    チを開状態としたことを特徴とする請求項1に記載のコ
    ンパレータ。
  3. 【請求項3】 前記制御電圧切換手段は、入力電圧が導
    かれる入力端子と一方の差動用トランジスタのベース端
    子との間に介在された第1開閉スイッチと、基準電圧が
    導かれた他方の差動用トランジスタのベース端子と一方
    の差動用トランジスタのベース端子との間に介在された
    第2開閉スイッチとを備え、リセットモード時には前記
    第1開閉スイッチを開状態で、且つ、前記第2開閉スイ
    ッチを閉状態とし、比較モード時には前記第1開閉スイ
    ッチを閉状態で、且つ、前記第2開閉スイッチを開状態
    としたことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の
    コンパレータ。
  4. 【請求項4】 一対の差動用トランジスタと、この各差
    動用トランジスタにそれぞれ接続された一対のアクティ
    ブ負荷用トランジスタと、この各アクティブ負荷用トラ
    ンジスタのドレイン・ソース端子間の差電圧をそれぞ保
    持し、且つ、この保持した差電圧を前記各アクティブ負
    荷用トランジスタに制御電圧としてそれぞれ供給できる
    一対の電圧保持手段と、前記一対の差動用トランジスタ
    の各制御電圧として同一電圧を供給する場合と、前記一
    対の差動用トランジスタの一方の制御電圧として入力電
    圧を、他方の制御電圧として基準電圧をそれぞれ供給す
    る場合とを切り換えできる制御電圧切換手段とを備え、
    リセットモード時には前記制御電圧切換手段が前記一対
    の差動用トランジスタの制御電圧として共に同一電圧を
    供給し、前記一対の電圧保持手段が前記一対のアクティ
    ブ負荷用トランジスタのドレイン・ソース端子間に現れ
    る差電圧を保持し、比較モード時には前記制御電圧切換
    手段が前記一対の差動用トランジスタの制御電圧として
    入力電圧と基準電圧をそれぞれ供給し、前記一対の電圧
    保持手段が保持した各差電圧を前記一対のアクティブ負
    荷用トランジスタに制御電圧としてそれぞれ供給するよ
    う構成したことを特徴とする差動増幅器。
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