JP5692705B2 - Comparator circuit - Google Patents

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Description

本発明は、従来技術に比較して高速でかつ低消費電力で動作可能なコンパレータ回路に関する。   The present invention relates to a comparator circuit that can operate at a higher speed and with lower power consumption than the prior art.

近年の研究において、LSI(Large Scaled Integrated circuit)の超低消費電力化を実現するためにMOS電界効果トランジスタ(以下、MOSトランジスタという。)のサブスレッショルド領域動作を利用したサブスレッショルドLSIが注目されている。しかし、これらの設計方法論は発展の初期段階にあるため超低消費電力回路の設計技術が強く求められている。そのようなLSIを実現するために、様々な研究が行われてきた(例えば、非特許文献1〜4参照。)。なお、本明細書において、スイッチ素子として用いるMOSトランジスタをスイッチトランジスタという。   In recent research, in order to realize ultra-low power consumption of LSI (Large Scaled Integrated circuit), sub-threshold LSI using sub-threshold region operation of MOS field-effect transistor (hereinafter referred to as MOS transistor) has been attracting attention. Yes. However, since these design methodologies are in the early stages of development, there is a strong demand for design techniques for ultra-low power consumption circuits. In order to realize such an LSI, various studies have been performed (for example, see Non-Patent Documents 1 to 4). In this specification, a MOS transistor used as a switch element is referred to as a switch transistor.

特開2002−311063号公報JP 2002-311063 A 米国特許第6922319号明細書US Pat. No. 6,922,319

Anantha P. Chandrakasan et al., "Next generation micro-power systems", Symposium VLSI Circuits Digest, pp. 2-5, June 2008.Anantha P. Chandrakasan et al., "Next generation micro-power systems", Symposium VLSI Circuits Digest, pp. 2-5, June 2008. Ken Ueno et al., “A 300-nW, 15-ppm/℃, 20-ppm/V CMOS voltage reference circuit consisting of subthreshold MOSFETs”, IEEE Journal of Solid-状態 Circuits, vol. 44, no.7, pp. 2047-2054, 2009.Ken Ueno et al., “A 300-nW, 15-ppm / ℃, 20-ppm / V CMOS voltage reference circuit consisting of subthreshold MOSFETs”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 44, no.7, pp 2047-2054, 2009. Tetsuya Hirose et al., "A nano-ampere current reference circuit and its temperature dependence control by using temperature characteristics of carrier mobilities", Proceedings of the 36th European Solid-state Circuits Conference, pp. 114-117, September 2010.Tetsuya Hirose et al., "A nano-ampere current reference circuit and its temperature dependence control by using temperature characteristics of carrier mobilities", Proceedings of the 36th European Solid-state Circuits Conference, pp. 114-117, September 2010. Tetsuya Hirose et al., "A CMOS Bandgap and Sub-Bandgap Voltage Reference Circuits for Nanowatt Power LSIs", IEEE Asian Solid-state Circuits Conference, pp. 77-80, November 2010.Tetsuya Hirose et al., "A CMOS Bandgap and Sub-Bandgap Voltage Reference Circuits for Nanowatt Power LSIs", IEEE Asian Solid-state Circuits Conference, pp. 77-80, November 2010. Marc Degrauwe et al., "Adaptive biasing CMOS amplifiers", IEEE Journal of Solid-state Circuits, vol. 17, pp. 522-528, June, 1982.Marc Degrauwe et al., "Adaptive biasing CMOS amplifiers", IEEE Journal of Solid-state Circuits, vol. 17, pp. 522-528, June, 1982. R. Jacob Baker et al., "CMOS Circuit Design, Layout, and Simulation", Second Edition, IEEE Press, 2004.R. Jacob Baker et al., "CMOS Circuit Design, Layout, and Simulation", Second Edition, IEEE Press, 2004. Hui Shao et al., "Low Energy Level Converter Design for Sub-VTH Logics", ASP-DAC 2009, pp. 107-108, 19-22, January 2009.Hui Shao et al., "Low Energy Level Converter Design for Sub-VTH Logics", ASP-DAC 2009, pp. 107-108, 19-22, January 2009.

コンパレータ回路は、LSIにおいて様々なアナログ・ディジタル信号の処理を行うための重要な要素回路である。コンパレータの電力を削減するための効果的な方法の一つとしてバイアス電流をマイクロアンペア以下まで削減することが挙げられる。しかし、従来技術に係るステージ型コンパレータにおいてバイアス電流をナノアンペアオーダーとした場合、入力電圧の比較や比較結果であるディジタル信号の出力に長時間が必要となる。よって、実際にはナノアンペアオーダーのバイアス電流でコンパレータを使用することはできない。   The comparator circuit is an important element circuit for processing various analog / digital signals in the LSI. One effective method for reducing the power of the comparator is to reduce the bias current to below microamperes. However, when the bias current is set to the nanoampere order in the stage type comparator according to the prior art, it takes a long time to compare the input voltages and output a digital signal as a comparison result. Therefore, in practice, a comparator cannot be used with a bias current in the order of nanoamperes.

CMOS増幅器のための適応バイアス技術が非特許文献5において紹介されている。この技術はOTA(Operational Transconductance Amplifier)設計において有用であるが、コンパレータ設計に適応する場合には消費電力が増加するため実用的とは言えない(例えば、非特許文献6参照。)。   Non-patent document 5 introduces an adaptive bias technique for a CMOS amplifier. This technique is useful in OTA (Operational Transconductance Amplifier) design, but it cannot be said that it is practical because it increases power consumption when applied to comparator design (see, for example, Non-Patent Document 6).

最近の研究では、低消費電力コンパレータの低速動作を改善するための適応バイアス電流発生回路を用いたコンパレータ回路が提案されている(例えば、特許文献1及び2参照。)。しかし、この回路においても高速かつ低消費電力という要求を満たすには不十分である。これは、この適応バイアス技術はコンパレータの動作速度を上げることができるが、必要以上の電流を発生するため、結果として消費電力が増加するためである。その上、複数の差動対が必要となることで回路規模が大きくなることも問題点である。   In recent research, a comparator circuit using an adaptive bias current generation circuit for improving the low-speed operation of the low power consumption comparator has been proposed (see, for example, Patent Documents 1 and 2). However, even this circuit is insufficient to satisfy the requirements of high speed and low power consumption. This is because the adaptive bias technique can increase the operation speed of the comparator, but generates more current than necessary, resulting in an increase in power consumption. In addition, the need for a plurality of differential pairs increases the circuit scale.

本発明の目的は以上の問題点を解決し、サブスレッショルド領域動作で動作するコンパレータ回路において、従来技術に比較して高速でかつ消費電力を低下させることができるコンパレータ回路を提供することにある。   An object of the present invention is to solve the above problems and to provide a comparator circuit that can operate at a subthreshold region operation and can reduce power consumption at a higher speed than in the prior art.

本発明に係るコンパレータ回路(1)は、
入力される2つの入力電圧(VINP,VINM)に応じて、第1及び第2のMOSトランジスタ(MP1,MP2)からなる入力差動対のいずれか1つのMOSトランジスタにおいて、当該1つのMOSトランジスタとスイッチトランジスタ(MSW1,又はMSW2)とを含むループ(L1,又はL2)により適応バイアス電流(IADP)を発生する入力差動対及び適応バイアス電流発生回路(12)と、
初期状態及び上記2つの入力電圧(V INP ,V INM )に応じて2つの出力電圧(V ,V )のラッチ論理を決定して上記スイッチトランジスタ(M SW1 ,又はM SW2 )を制御することで上記入力差動対及び適応バイアス電流発生回路(12)を制御するラッチ回路を備え、
上記ラッチ回路(13)は、上記2つの出力電圧(V ,V )のラッチ論理と上記2つの入力電圧(V INP ,V INM )とが互いに一致しない場合に上記適応バイアス電流(I ADP )を発生させるように上記入力差動対及び適応バイアス電流発生回路(12)を制御し、
上記ラッチ回路(13)は、上記適応バイアス電流(IADP)に対応する電流を検出してラッチ論理を変化させた後、上記スイッチトランジスタ(MSW1,又はMSW2)をオンからオフに切り換えることにより上記適応バイアス電流(I ADP を遮断するように上記入力差動対及び適応バイアス電流発生回路(12)を制御することを備えたことを特徴とする。

The comparator circuit (1) according to the present invention includes:
Depending on two input voltages (V INP , V INM ) input, in any one MOS transistor of the input differential pair composed of the first and second MOS transistors (M P1 , M P2 ), the 1 An input differential pair and an adaptive bias current generation circuit (12) for generating an adaptive bias current (I ADP ) by a loop (L1, or L2) including two MOS transistors and a switch transistor ( MSW1 or MSW2 );
The latch transistors of the two output voltages (V P , V M ) are determined according to the initial state and the two input voltages (V INP , V INM ) to control the switch transistor (M SW1 or M SW2 ). A latch circuit for controlling the input differential pair and the adaptive bias current generating circuit (12).
The latch circuit (13) generates the adaptive bias current (I ADP ) when the latch logic of the two output voltages (V P , V M ) and the two input voltages (V INP , V INM ) do not match each other. ) To control the input differential pair and the adaptive bias current generation circuit (12),
The latch circuit (13) detects the current corresponding to the adaptive bias current (I ADP ) and changes the latch logic, and then switches the switch transistor (M SW1 or M SW2 ) from on to off. To control the input differential pair and the adaptive bias current generation circuit (12) so as to cut off the adaptive bias current (I ADP ) .

上記コンパレータ回路(1)において、上記入力差動対及び適応バイアス電流発生回路(12)は第1及び第2のループ(L1,L2)を含み、
上記第1のループ(L1)は、上記第1のMOSトランジスタ(MP1)と、第1のスイッチトランジスタ(MSW1)と、第3及び第4のMOSトランジスタ(MN3,MN4)を含み上記第4のMOSトランジスタ(MN4)のアスペクト比が上記第3のMOSトランジスタ(MN3)のアスペクト比よりも大きくなるように構成された第1のカレントミラー回路(MN3,MN4)とが直列に接続されて構成され、
上記第2のループ(L2)は、上記第2のMOSトランジスタ(MP2)と、第2のスイッチトランジスタ(MSW2)と、第5及び第6のMOSトランジスタ(MN5,MN6)を含み上記第6のMOSトランジスタ(MN6)のアスペクト比が上記第5のMOSトランジスタ(MN5)のアスペクト比よりも大きくなるように構成された第2のカレントミラー回路(MN5,MN6)とが直列に接続されて構成され、
上記第1又は第2のカレントミラー回路(MN3,MN4;MN5,MN6)により上記適応バイアス電流(IADP)を発生することを特徴とする。
In the comparator circuit (1), the input differential pair and the adaptive bias current generation circuit (12) include first and second loops (L1, L2),
The first loop (L1) includes the first MOS transistor (M P1 ), the first switch transistor (M SW1 ), and the third and fourth MOS transistors (M N3 , M N4 ). A first current mirror circuit (M N3 , M N4 ) configured such that an aspect ratio of the fourth MOS transistor (M N4 ) is larger than an aspect ratio of the third MOS transistor (M N3 ); Are connected in series,
The second loop (L2) includes the second MOS transistor (M P2 ), the second switch transistor (M SW2 ), and the fifth and sixth MOS transistors (M N5 , M N6 ). A second current mirror circuit (M N5 , M N6 ) configured such that the aspect ratio of the sixth MOS transistor (M N6 ) is larger than the aspect ratio of the fifth MOS transistor (M N5 ); Are connected in series,
The adaptive bias current (I ADP ) is generated by the first or second current mirror circuit (M N3 , M N4 ; M N5 , M N6 ).

また、上記コンパレータ回路(1)において、
上記第3のMOSトランジスタ(MN3)は上記第1のMOSトランジスタ(MP1)に直列に接続され、
上記第5のMOSトランジスタ(MN5)は上記第2のMOSトランジスタ(MP2)に直列に接続され、
上記入力差動対及び適応バイアス電流発生回路(12)は、
上記第3のMOSトランジスタ(MN3)に流れる電流を検出して、第1及び第2のトランジスタ(MP1,MP2)からなる入力差動対(MP1,MP2の接続点)に電流を出力する第7のMOSトランジスタ(MP4)と、
上記第5のMOSトランジスタ(MN5)に流れる電流を検出して、第1及び第2のトランジスタ(MP1,MP2)からなる入力差動対(MP1,MP2の接続点)に電流を出力する第8のMOSトランジスタ(MP6)と、
上記第3のMOSトランジスタ(MN3)と並列に接続された第9のMOSトランジスタ(MN1)と、
上記第5のMOSトランジスタ(MN5)と並列に接続された第10のMOSトランジスタ(MN2)とをさらに備え、
上記第9のMOSトランジスタ(MN1)と上記第10のMOSトランジスタ(MN2)とがクロスゲート接続されて、上記2つの入力電圧(VINP,VINM)のうちのいずれかの入力電圧に対して、上記第1の検出電圧又は上記第2の検出電圧がヒステリシス特性を有する正帰還のヒステリシス回路を含むことを特徴とする。
In the comparator circuit (1),
The third MOS transistor (M N3 ) is connected in series to the first MOS transistor (M P1 ),
The fifth MOS transistor (M N5 ) is connected in series to the second MOS transistor (M P2 ),
The input differential pair and the adaptive bias current generation circuit (12)
By detecting the current flowing through the third MOS transistor (M N3), current to the first and second transistors (M P1, M P2) and an input differential pair (connecting point M P1, M P2) A seventh MOS transistor (M P4 ) that outputs
By detecting the current flowing through the fifth MOS transistor (M N5), current to the first and second transistors (M P1, M P2) and an input differential pair (connecting point M P1, M P2) An eighth MOS transistor (M P6 ) for outputting
A ninth MOS transistor (M N1 ) connected in parallel with the third MOS transistor (M N3 );
A tenth MOS transistor (M N2 ) connected in parallel with the fifth MOS transistor (M N5 );
The ninth MOS transistor (M N1 ) and the tenth MOS transistor (M N2 ) are cross-gate connected so that one of the two input voltages (V INP , V INM ) has an input voltage. On the other hand, the first detection voltage or the second detection voltage includes a positive feedback hysteresis circuit having hysteresis characteristics.

さらに、上記コンパレータ回路(1)において、上記入力差動対及び適応バイアス電流発生回路(12)は、上記2つの入力電圧(VINP,VINM)が互いに実質的に一致したとき、もしくは、上記第1と第2のスイッチトランジスタ(MSW1,MSW2)がともにオンとなったときに、上記第1及び第2のループ(L1,L2)に流れる電流を減少させる回路(MP9,MP10)をさらに備えたことを特徴とする。 Further, in the comparator circuit (1), the input differential pair and the adaptive bias current generation circuit (12) are configured so that the two input voltages (V INP and V INM ) substantially coincide with each other, or Circuits (M P9 , M P10 ) for reducing the current flowing in the first and second loops (L1, L2) when both the first and second switch transistors (M SW1 , M SW2 ) are turned on. ) Is further provided.

またさらに、上記コンパレータ回路(1)は、CMOS回路のみで構成されたことを特徴とする。   Still further, the comparator circuit (1) is composed of only a CMOS circuit.

またさらに、上記コンパレータ回路(1)は、上記ラッチ回路(13)の後段に接続され、上記ラッチ回路の出力電圧を緩衝増幅して出力するバッファ回路(2)をさらに備えたことを特徴とする。   The comparator circuit (1) further includes a buffer circuit (2) connected to the subsequent stage of the latch circuit (13) and buffering and amplifying the output voltage of the latch circuit. .

従って、本発明に係るコンパレータ回路によれば、サブスレッショルド領域動作で動作するコンパレータ回路において、従来技術に比較して高速でかつ消費電力を低下させることができるコンパレータ回路を提供することができる。   Therefore, according to the comparator circuit of the present invention, it is possible to provide a comparator circuit that can operate at a higher speed and reduce power consumption in a comparator circuit that operates in a subthreshold region operation.

本発明の一実施形態に係るコンパレータ回路1及びバッファ回路2を備えた回路の構成を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing a configuration of a circuit including a comparator circuit 1 and a buffer circuit 2 according to an embodiment of the present invention. 図1のコンパレータ回路1の動作例1を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram illustrating an operation example 1 of the comparator circuit 1 in FIG. 1. 図1のコンパレータ回路1の動作例2を示す回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram showing an operation example 2 of the comparator circuit 1 in FIG. 1. 図1のコンパレータ回路1の実施例(試作例)及び図8の従来例に係るコンパレータ回路の実験結果であって、(a)は入力周波数が10kHzであるときの入力参照電圧VIN+、実施例の出力電圧及び従来例の出力電圧を示す測定波形図であり、(b)は入力周波数が20kHzであるときの入力参照電圧VIN+、実施例の出力電圧及び従来例の出力電圧を示す測定波形図である。1 is an experimental result of the comparator circuit 1 according to the embodiment (prototype example) of FIG. 1 and the comparator circuit according to the conventional example of FIG. 8, where (a) shows the input reference voltage VIN + when the input frequency is 10 kHz, It is a measurement waveform diagram showing the output voltage and the output voltage of the conventional example, (b) is a measurement waveform diagram showing the input reference voltage VIN + when the input frequency is 20 kHz, the output voltage of the embodiment and the output voltage of the conventional example. is there. 実施例及び従来例に係るコンパレータ回路の実験結果であって、バイアス電流IREFに対する動作最大周波数fmaxを示すグラフである。It is an experimental result of the comparator circuit which concerns on an Example and a prior art example, Comprising: It is a graph which shows the operation | movement maximum frequency fmax with respect to bias current IREF . 実施例及び従来例に係るコンパレータ回路の実験結果であって、入力周波数に対する消費電流を示すグラフである。It is an experimental result of the comparator circuit which concerns on an Example and a prior art example, Comprising: It is a graph which shows the consumption current with respect to input frequency. 実施例及び従来例に係るコンパレータ回路の実験結果であって、入力周波数に対する出力パルスのデューティ比を示すグラフである。It is an experimental result of the comparator circuit which concerns on an Example and a prior art example, Comprising: It is a graph which shows the duty ratio of the output pulse with respect to input frequency. 従来例に係る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 the comparator circuit which concerns on a prior art example. 実施例に係るコンパレータ回路1の動作状態を示す表である。It is a table | surface which shows the operation state of the comparator circuit 1 which concerns on an Example. 実施例及び従来例に係るコンパレータ回路の性能諸元を示す表である。It is a table | surface which shows the performance specification of the comparator circuit which concerns on an Example and a prior art example.

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。   Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each following embodiment, the same code | symbol is attached | subjected about the same component.

図1は本発明の一実施形態に係るコンパレータ回路1及びバッファ回路2を備えた回路の構成を示す回路図である。本実施形態では、上述の従来技術の問題点を解決するために、サブスレッショルド領域動作で動作するコンパレータ回路において、入力差動対及び適応バイアス電流発生回路12を用いた高速かつ低消費電力を実現するコンパレータを提案する。提案するコンパレータ回路1は、電流発生のための2つの正帰還ループL1及びl2を使用し、ラッチ回路13を用いて出力電圧の論理の決定と、入力差動対及び適応バイアス電流発生回路12の電流制御を行うことを特徴としている。   FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a circuit including a comparator circuit 1 and a buffer circuit 2 according to an embodiment of the present invention. In the present embodiment, in order to solve the above-mentioned problems of the prior art, a high speed and low power consumption using the input differential pair and the adaptive bias current generation circuit 12 is realized in the comparator circuit operating in the subthreshold region operation. Propose a comparator to do. The proposed comparator circuit 1 uses two positive feedback loops L1 and L2 for current generation, uses the latch circuit 13 to determine the logic of the output voltage, and the input differential pair and the adaptive bias current generation circuit 12. It is characterized by performing current control.

図1において、本実施形態に係るコンパレータ回路1は、
(a)ナノアンペアオーダーの微小電流である基準バイアス電流(以下、バイアス電流という。)IREFを発生する電流源20と、バイアス電流IREFをモニタするMOSトランジスタMPB1とを備えたバイアス電流発生回路11(例えば、非特許文献3参照。)と、
(b)バイアス電流IREFから、カレントミラーによる電流発生回路14により発生される電流に基づいて動作する回路12であって、入力端子21,22を有する入力差動対回路(MOSトランジスタMPB2,MP1,MP2,MN3,MN5)と、ヒステリシス制御を有する適応バイアス電流発生回路(MOSトランジスタMP3,MP4,MP9,MSW1,MN1,MN4;MOSトランジスタMP5,MP6,MP10,MSW2,MN2,MN6)とを備えた入力差動対及び適応バイアス電流発生回路12と、(c)電流供給用MOSトランジスタMP7,MP8と、クロスカップル接続された4個のMOSトランジスタMN7〜MN10とを含み、入力差動対及び適応バイアス電流発生回路12に流れる適応バイアス電流IADPに基づいて、詳細後述するように、上記クロスカップル接続された4個のMOSトランジスタMN9,MN7,N10,MN8からなるラッチの内部論理を変化させるとともに、スイッチトランジスタMSW1及びMSW2をオン/オフ制御して適応バイアス電流IADPを制御するラッチ回路13とを備えて構成される。
In FIG. 1, the comparator circuit 1 according to the present embodiment is
(A) the reference bias current is a minute current of nano-amperes (hereinafter. Referred bias current) and a current source 20 for generating I REF, the bias current generator that includes a MOS transistor M PB1 monitoring the bias current I REF A circuit 11 (see, for example, Non-Patent Document 3);
(B) A circuit 12 that operates based on a current generated by a current generation circuit 14 using a current mirror from a bias current I REF , and includes an input differential pair circuit (MOS transistors M PB2 , M P1 , M P2 , M N3 , M N5 ) and an adaptive bias current generating circuit having hysteresis control (MOS transistors M P3 , M P4 , M P9 , MSW 1 , M N1 , M N4 ; MOS transistors M P5 , M N P6 , MP10 , MSW2 , MN2 , MN6 ) and an input differential pair and adaptive bias current generating circuit 12, and (c) current supply MOS transistors MP7 , MP8 are cross-coupled. and four MOS transistors and a M N7 ~M N10, input differential pair, and the adaptive bias current generating circuit Based on the adaptive bias current I ADP flowing to 2, as described in detail later, together with changing the cross-couple connected four MOS transistors M N9, M N7, M N10 , internal logic latch consisting of M N8 And a latch circuit 13 for controlling the adaptive bias current I ADP by controlling on / off of the switch transistors MSW1 and MSW2 .

なお、コンパレータ回路1の後段には、出力電流容量を増大させるために、クロスゲート接続されたMOSトランジスタQ1〜Q4と、ソース接地型増幅MOSトランジスタQ5,Q6と、出力端子23,24とを備えたバッファ回路2が設けられる。また、コンパレータ回路1及びバッファ回路2は、すべてpMOSトランジスタ及びnMOSトランジスタからなるCMOS回路で構成される。なお、コンパレータ回路1の待機時はサブスレッショルド領域で動作し、適応バイアス電流が発生する動作時には、大電流動作となるのでサブスレッショルド動作から強反転領域動作になる。後述するように、適応バイアス電流が生成され、論理反転が完了した後には、再びサブスレッショルド領域で動作する。   In the subsequent stage of the comparator circuit 1, in order to increase the output current capacity, cross-gate connected MOS transistors Q1 to Q4, common source amplification MOS transistors Q5 and Q6, and output terminals 23 and 24 are provided. A buffer circuit 2 is provided. Further, the comparator circuit 1 and the buffer circuit 2 are all constituted by CMOS circuits composed of pMOS transistors and nMOS transistors. Note that the comparator circuit 1 operates in the sub-threshold region during standby, and when the adaptive bias current is generated, a large current operation is performed, so that the sub-threshold operation is changed to a strong inversion region operation. As will be described later, after the adaptive bias current is generated and the logic inversion is completed, the operation is performed again in the subthreshold region.

本実施形態では、超低消費電力を実現するためにナノアンペア電流の微小電流を発生するバイアス電流発生回路(例えば、非特許文献3参照。)を使用する。ラッチ回路13は、その初期状態及び入力端子21,22に入力される入力電圧VINP,VINMの関係に応じて出力電圧VとVの論理を決定し、スイッチトランジスタスイッチMSW1、MSW2をオン/オフ制御することにより入力差動対及び適応バイアス電流発生回路12を制御する。 In this embodiment, a bias current generating circuit (see, for example, Non-Patent Document 3) that generates a minute current of nanoampere current is used in order to realize ultra-low power consumption. The latch circuit 13 determines the logic of the output voltages V P and V M according to the initial state and the relationship between the input voltages V INP and V INM input to the input terminals 21 and 22, and the switch transistor switches M SW1 and M SW The input differential pair and the adaptive bias current generation circuit 12 are controlled by ON / OFF control of SW2 .

入力差動対及び適応バイアス電流発生回路12は2つの正帰還ループL1とL2を含む。ループL1の経路はMOSトランジスタMP1−MN3−MN4−MSW1−MP3−MP4であり、ループL2の経路はMOSトランジスタMP2−MN5−MN6−MSW2−MP5−MP6である。両者のループL1,L2において、MOSトランジスタMN4のMOSトランジスタMN3に対するW/Lに関するアスペクト比をK(>1)倍とし、MOSトランジスタMN6のMOSトランジスタMN5に対するW/Lに関するアスペクト比をK(>1)倍とする。ここで、WはMOSトランジスタのゲート幅であり、LはMOSトランジスタのゲート長であり、Kはカレントミラー回路を構成する2つのMOSトランジスタのアクペクト比により決まる電流利得因子である。電流利得因子Kを1より大きくすることで、正帰還ループは適応バイアス電流IADPを発生する。入力差動対及び適応バイアス電流発生回路12は、入力端子21への入力電圧VINPと、入力端子22への入力電圧VINMに応じてループL1とループL2のどちらかに適応バイアス電流IADPを発生する。 The input differential pair and adaptive bias current generation circuit 12 includes two positive feedback loops L1 and L2. The path of the loop L1 is a MOS transistor MP1 - MN3 - MN4 - MSW1 - MP3 - MP4 , and the path of the loop L2 is a MOS transistor MP2 - MN5 - MN6 - SW2 - MP5- M. P6 . In the loop L1, L2 of the two, the aspect ratio K (> 1) is doubled about W / L for the MOS transistors M N3 of the MOS transistor M N4, the aspect ratio for W / L for the MOS transistors M N5 of the MOS transistor M N6 K (> 1) times. Here, W is the gate width of the MOS transistor, L is the gate length of the MOS transistor, and K is a current gain factor determined by the aspect ratio of the two MOS transistors constituting the current mirror circuit. By making the current gain factor K greater than 1, the positive feedback loop generates an adaptive bias current I ADP . The input differential pair and adaptive bias current generation circuit 12 has an adaptive bias current I ADP applied to either the loop L1 or the loop L2 according to the input voltage VINP to the input terminal 21 and the input voltage VINM to the input terminal 22. Is generated.

ラッチ回路13は、MOSトランジスタMP7、MP8を通して電流を受け取ることにより適応バイアス電流IADPを検出して、内部論理を変化させる。論理が決定した後、適応バイアス電流IADPは不要なので、ラッチ回路13の論理とスイッチングトランジスタMSW1、MSW2に応じて適応バイアス電流IADPを遮断する。 The latch circuit 13 detects the adaptive bias current I ADP by receiving the current through the MOS transistors M P7 and M P8 and changes the internal logic. After the logic has determined, since the adaptive bias current I ADP unnecessary to cut off the adaptive bias current I ADP according to the logic and switching transistor M SW1, M SW2 latch circuit 13.

次いで、コンパレータ回路1の動作原理について、図1、図2、図3及び図9を参照して以下詳細説明する。図2は図1のコンパレータ回路1の動作例1(図9の状態1及び2)を示す回路図であり、図3は図1のコンパレータ回路1の動作例2(図9の状態3及び4)を示す回路図である。また、図9は実施例に係るコンパレータ回路1の動作状態を示す表である。このコンパレータ回路1において、ラッチ回路13の論理が本実施形態に係るコンパレータ回路の動作の中で重要な役割を担うため、ラッチ回路13の論理による回路動作について以下説明する。   Next, the operation principle of the comparator circuit 1 will be described in detail below with reference to FIG. 1, FIG. 2, FIG. 3, and FIG. 2 is a circuit diagram showing an operation example 1 (states 1 and 2 in FIG. 9) of the comparator circuit 1 in FIG. 1, and FIG. 3 is an operation example 2 in the comparator circuit 1 in FIG. 1 (states 3 and 4 in FIG. 9). FIG. FIG. 9 is a table showing the operating state of the comparator circuit 1 according to the embodiment. Since the logic of the latch circuit 13 plays an important role in the operation of the comparator circuit according to this embodiment in the comparator circuit 1, the circuit operation based on the logic of the latch circuit 13 will be described below.

(1)状態1(図2):ラッチ論理が出力電圧V=Lレベル、出力電圧V=Hレベルであるときの回路動作は以下の通りである。
入力電圧VINPが入力電圧VINMより高いとき(VINP>VINM)、バイアス電流IREFのほとんどがMOSトランジスタMP1に流れる。それにより、適応バイアス電流IADPが正帰還ループL1で発生され、電流利得因子Kを有するカレントミラー回路(MOSトランジスタMN3,MN4)によって増幅される。すなわち、MOSトランジスタMN4に流れる電流はMOSトランジスタMN3に流れる電流のK倍になる。ここで発生された適応バイアス電流IADPはカレントミラー回路(MOSトランジスタMP3,MP7)によってコピーされ、すなわち、適応バイアス電流IADPはMOSトランジスタMP3で検出されてそれに対応した電流がMOSトランジスタMP7に流れることにより、出力電圧VをLレベルからHレベルに変化させる。これで、ラッチ回路13の内部論理は反転する。出力電圧Vの論理がHレベルからLレベルに反転すると、出力電圧VによりスイッチトランジスタMSW1はオフとなり、適応バイアス電流IADPは遮断され、状態3に移行する。
(1) State 1 (FIG. 2): The circuit operation when the latch logic is the output voltage V P = L level and the output voltage V M = H level is as follows.
When the input voltage V INP is higher than the input voltage V INM (V INP > V INM ), most of the bias current I REF flows through the MOS transistor MP 1 . Thereby, the adaptive bias current I ADP is generated in the positive feedback loop L1, and is amplified by the current mirror circuit (MOS transistors M N3 and M N4 ) having the current gain factor K. That is, the current flowing through the MOS transistor M N4 becomes K times the current flowing through the MOS transistor M N3. The adaptive bias current I ADP generated here is copied by the current mirror circuit (MOS transistors M P3 , M P7 ), that is, the adaptive bias current I ADP is detected by the MOS transistor MP 3 and the current corresponding thereto is the MOS transistor. by flowing through the M P7, to vary the output voltage V P from L level to H level. As a result, the internal logic of the latch circuit 13 is inverted. If the logic of the output voltage V M is inverted from H level to L level, the switch transistor M SW1 is turned off by the output voltage V M, the adaptive bias current I ADP is interrupted, the process proceeds to state 3.

(2)状態2(図2):ラッチ論理(V=Lレベル、V=Hレベル)であるときの回路動作は以下の通りである。
入力電圧VINPが入力電圧VINMより低いとき(VINP<VINM)、バイアス電流IREFのほとんどがMOSトランジスタMP2に流れる。しかし、出力電圧VはスイッチトランジスタMSW2をオフにしているため、ループL2は機能せず、適応バイアス電流IADPは発生されない。この場合、ラッチ回路13は内部論理を保持する。
(2) State 2 (FIG. 2): The circuit operation when the latch logic (V P = L level, V M = H level) is as follows.
When the input voltage V INP is lower than the input voltage V INM (V INP <V INM ), most of the bias current I REF flows through the MOS transistor MP2 . However, the output voltage V P because it has to turn off the switch transistor M SW2, loop L2 is not functional, the adaptive bias current I ADP is not generated. In this case, the latch circuit 13 holds the internal logic.

(3)状態3(図3)ラッチ論理:V=Hレベル、V=Lレベル)であるときの回路動作は以下の通りである。
入力電圧VINPが入力電圧VINMより高いとき(VINP>VINM)、バイアス電流IREFのほとんどがMOSトランジスタMP1に流れる。しかし、出力電圧VはスイッチトランジスタMSW1をオフにしているため、ループL1は機能せず、適応バイアス電流IADPは発生されない。この場合、ラッチ回路13は内部論理を保持する。
(3) The circuit operation in the state 3 (FIG. 3) latch logic: V P = H level, V M = L level is as follows.
When the input voltage V INP is higher than the input voltage V INM (V INP > V INM ), most of the bias current I REF flows through the MOS transistor MP 1 . However, the output voltage V M is because it turns off the switch transistors M SW1, loop L1 does not function, the adaptive bias current I ADP is not generated. In this case, the latch circuit 13 holds the internal logic.

(4)状態4(図3)ラッチ論理:V=Hレベル、V=Lレベル)であるときの回路動作は以下の通りである。
入力電圧VINPが入力電圧VINMより低いとき(VINP<VINM)、バイアス電流IREFのほとんどがMOSトランジスタMP2に流れる。それにより、適応バイアス電流IADPが正帰還ループL2で発生され、電流利得因子Kを有するカレントミラー回路(MOSトランジスタMP5,MP6)によって増幅される。すなわち、MOSトランジスタMN6に流れる電流はMOSトランジスタMN5に流れる電流のK倍になる。ここで発生された適応バイアス電流IADPはカレントミラー回路(MOSトランジスタMP5,MP8)によってコピーされ、すなわち、適応バイアス電流IADPはMOSトランジスタMP5で検出されてそれに対応した電流がMOSトランジスタMP8に流れることにより、出力電圧VをLレベルからHレベルに変化させる。これで、ラッチ回路13の内部論理は反転する。出力電圧Vの論理がHレベルからLレベルに反転すると、出力電圧VによりスイッチトランジスタMSW2はオフとなり、適応バイアス電流IADPは遮断され、状態2に移行する。
(4) The circuit operation in the state 4 (FIG. 3) latch logic: V P = H level, V M = L level is as follows.
When the input voltage V INP is lower than the input voltage V INM (V INP <V INM ), most of the bias current I REF flows through the MOS transistor MP2 . Thereby, the adaptive bias current I ADP is generated in the positive feedback loop L2, and is amplified by the current mirror circuit (MOS transistors M P5 and M P6 ) having the current gain factor K. That is, the current flowing through the MOS transistor M N6 becomes K times the current flowing in the MOS transistors M N5. The adaptive bias current I ADP generated here is copied by the current mirror circuit (MOS transistors M P5 , M P8 ), that is, the adaptive bias current I ADP is detected by the MOS transistor M P5 and the corresponding current is detected by the MOS transistor. by flowing through the M P8, to vary the output voltage V M from L level to H level. As a result, the internal logic of the latch circuit 13 is inverted. If the logic of the output voltage V P is inverted from H level to L level, the switching transistor M SW2 is turned off by the output voltage V P, the adaptive bias current I ADP is interrupted, the process proceeds to state 2.

図9から明らかなように、適応バイアス電流IADPはラッチ回路13の論理と入力電圧レベルが互いに一致しない場合(状態1、4)においてのみ発生される。そして、状態1は状態3に移行して定常状態となる一方、状態4は状態2に移行して定常状態となる。 As is apparent from FIG. 9, the adaptive bias current I ADP is generated only when the logic of the latch circuit 13 and the input voltage level do not match each other (states 1 and 4). Then, state 1 shifts to state 3 and becomes a steady state, while state 4 shifts to state 2 and becomes a steady state.

発生される適応バイアス電流IADPは次式のように表される。まず、ゲート電位の低い方のMOSトランジスタに流れる電流をαIREFとする。ここで、α(0.5<α<1)は入力電圧VINP,VINMに依存した比率となる。これにより、適応バイアス電流IADPは次式で表される。 The generated adaptive bias current I ADP is expressed as follows: First, let αI REF be the current flowing through the MOS transistor with the lower gate potential. Here, α (0.5 <α <1) is a ratio depending on the input voltages V INP and V INM . Thus, the adaptive bias current I ADP is expressed by the following equation.

Figure 0005692705
Figure 0005692705

ここで、Kを1より大きい値に設定すると、適応バイアス電流IADPを得ることができる。発生された適応バイアス電流IADPはラッチ回路13の内部論理を変化させて適応バイアス電流を遮断する。この方法によってコンパレータの高速かつ低消費電力動作を実現することができる。 Here, when K is set to a value larger than 1, the adaptive bias current I ADP can be obtained. The generated adaptive bias current I ADP changes the internal logic of the latch circuit 13 to cut off the adaptive bias current. By this method, high speed and low power consumption operation of the comparator can be realized.

次いで、入力差動対及び適応バイアス電流発生回路12が有するヒステリシス特性について以下に説明する。   Next, the hysteresis characteristics of the input differential pair and the adaptive bias current generation circuit 12 will be described below.

入力信号に重畳されるノイズの影響を抑え、mVオーダーの信号レベルの識別を行うために用いるヒステリシス回路について説明する。このヒステリシス回路はMOSトランジスタMN1とMN2の、クロスゲート接続による正帰還を用いて実現する。入力差動対回路を流れる電流IP1及びIP2は次式で表せる。ここで、電流IP1はMOSトランジスタMN1に流れ込む電流であり、IP2はMOSトランジスタMN2に流れ込む電流である。 A hysteresis circuit used for suppressing the influence of noise superimposed on the input signal and identifying the signal level in the mV order will be described. This hysteresis circuit is realized by using positive feedback of MOS transistors M N1 and M N2 by cross-gate connection. Currents I P1 and I P2 flowing through the input differential pair circuit can be expressed by the following equations. Here, the current I P1 is a current that flows into the MOS transistor MN1 , and I P2 is a current that flows into the MOS transistor MN2 .

Figure 0005692705
Figure 0005692705

ここで、gは入力差動対回路の相互コンダクタンス、ISSは入力差動対回路のソース電流である。また、β=β=βかつβ=β=βとする。β=W/L(i=1,2,3,5)であり、ここで、WはMOSトランジスタのゲート幅、LはMOSトランジスタのゲート長である。また、βはMOSトランジスタMN1のアスペクト比であり、βはMOSトランジスタMN2のアスペクト比であり、βはMOSトランジスタMN3のアスペクト比であり、βはMOSトランジスタMN5のアスペクト比である。 Here, g m the transconductance of the input differential pair circuit, the I SS is the source current of the input differential pair circuit. Also, β 3 = β 5 = β A and β 1 = β 2 = β B. β i = W / L (i = 1, 2, 3, 5), where W is the gate width of the MOS transistor and L is the gate length of the MOS transistor. Β 1 is the aspect ratio of the MOS transistor M N1 , β 2 is the aspect ratio of the MOS transistor M N2 , β 3 is the aspect ratio of the MOS transistor M N3 , and β 5 is the aspect ratio of the MOS transistor M N5 . Is the ratio.

ここで、入力電圧VINMが入力電圧VINPよりも十分に低い電圧から上昇し、MOSトランジスタMN3のゲート・ソース間電圧Vgs(MN3)がゼロに反転する場合を考える。初期状態では、MOSトランジスタMN3のゲート・ソース間電圧Vgs(MN3)は当該MOSトランジスタのしきい値電圧VTH近傍の電圧であり、他方のMOSトランジスタMN5のゲート・ソース間電圧Vgs(MN5)は0Vとなっている。ここで、MOSトランジスタMN3のゲート・ソース間電圧Vgs(MN3)がゼロに反転する条件は、(i)電流IP1によって誘起されるMOSトランジスタMN1の電流と、(ii)電流IP2によって誘起されるMOSトランジスタMN1の電流とが等しくなることである。すなわち、次式で表される。 Here, consider a case where the input voltage V INM rises from a voltage sufficiently lower than the input voltage V INP and the gate-source voltage V gs (M N3 ) of the MOS transistor M N3 is inverted to zero. In the initial state, MOS transistor M gate-source voltage V gs (M N3) of N3 is the threshold voltage V TH voltage in the vicinity of the MOS transistor, the other of the gate-source voltage V gs of the MOS transistor MN5 (M N5 ) is 0V. Here, the condition MOS transistor gate-source voltage V gs of M N3 to (M N3) is inverted to zero, the current of the MOS transistor M N1 induced by (i) current I P1, (ii) current I The current of the MOS transistor MN1 induced by P2 becomes equal. That is, it is expressed by the following formula.

Figure 0005692705
Figure 0005692705

一方、入力電圧VINMが入力電圧VINPよりも十分に高い電圧から低下し、MOSトランジスタMN5のゲート・ソース間電圧Vgs(MN5)がゼロに反転する場合を考える。初期状態では、MOSトランジスタMN5のゲート・ソース間電圧Vgs(MN5)は当該MOSトランジスタのしきい値電圧VTH近傍の電圧であり、MOSトランジスタMN5のゲート・ソース間電圧Vgs(MN5)は0Vとなっている。上記の場合と同様に、MOSトランジスタMN5のゲート・ソース間電圧Vgs(MN5)が反転する条件は、(i)電流IP2によって誘起されるMOSトランジスタMN2の電流と、(ii)電流IP1によって誘起されるMOSトランジスタMN2の電流とが等しくなることである。すなわち、次式で表される。 On the other hand, consider a case where the input voltage V INM drops from a voltage sufficiently higher than the input voltage V INP and the gate-source voltage V gs (M N5 ) of the MOS transistor M N5 is inverted to zero. In the initial state, MOS transistor gate-source voltage V gs of M N5 (M N5) is the threshold voltage V TH voltage in the vicinity of the MOS transistor, the MOS transistor gate-source voltage V gs of M N5 ( M N5 ) is 0V. As with the above, the conditions MOS transistor gate-source voltage V gs of M N5 (M N5) is reversed, and the current of the MOS transistor M N2 induced by (i) current I P2, (ii) it is that in which the current of the MOS transistor M N2 induced by the current I P1 equal. That is, it is expressed by the following formula.

Figure 0005692705
Figure 0005692705

従って、式(2)〜(4)より、スイッチングポイントの電圧VSPH、VSPLは次式で表される。 Therefore, from the expressions (2) to (4), the voltages V SPH and V SPL at the switching point are expressed by the following expressions.

Figure 0005692705
Figure 0005692705

Figure 0005692705
Figure 0005692705

上記式(5)から明らかなように、β=βの場合には、ヒステリシス特性は現れない。一方、β>βの場合には、コンパレータ回路1の入力差動対及び適応バイアス電流発生回路12においてヒステリシス特性が現れる。ヒステリシスは、MOSトランジスタMN1,MN2,MN3,MN5のトランジスタサイズを調整することで制御することができる。 As is clear from the above equation (5), no hysteresis characteristic appears when β A = β B. On the other hand, when β B > β A , a hysteresis characteristic appears in the input differential pair of the comparator circuit 1 and the adaptive bias current generation circuit 12. The hysteresis can be controlled by adjusting the transistor sizes of the MOS transistors M N1 , M N2 , M N3 , and M N5 .

次いで、消費電流の抑制について以下に説明する。   Next, suppression of current consumption will be described below.

上述したように、本実施形態に係るコンパレータ回路1は、適応バイアス電流発生技術とラッチ回路13とを用いることで高速かつ低消費電力動作を実現する。適応バイアス電流IADPはラッチ回路13の論理レベルと入力電圧レベルが互いに実質的に一致していないときのみ発生される。これにより、消費電流を最小限にすることができる。 As described above, the comparator circuit 1 according to the present embodiment realizes a high speed and low power consumption operation by using the adaptive bias current generation technique and the latch circuit 13. The adaptive bias current I ADP is generated only when the logic level of the latch circuit 13 and the input voltage level do not substantially match each other. Thereby, current consumption can be minimized.

しかし、両方の入力電圧が等しい場合(VINP=VINM)やスイッチトランジスタMSW1,MSW2をオン/オフするタイミングに違いが生じるような特別な状態(例えば、スイッチトランジスタMSW1,MSW2がともにオンとなる状態)においては両方の正帰還ループL1及びL2において消費電流が増加する。この状態では、バイアス電流IREFの半分が入力MOSトランジスタMP1とMP2に流れ、両方の正帰還ループL1,L2がアクティブになることで、適応バイアス電流IADPは両方の正帰還ループL1,L2において発生される。このような現象が生じた場合、回路の消費電流が増加してしまう問題点がある。 However, when both input voltages are equal (V INP = V INM ) or when the switch transistors M SW1 and M SW2 are turned on / off in a special state (for example, the switch transistors M SW1 and M SW2 are In a state in which both are turned on, the current consumption increases in both positive feedback loops L1 and L2. In this state, half of the bias current I REF flows to the input MOS transistors M P1 and M P2 , and both the positive feedback loops L 1 and L 2 become active, so that the adaptive bias current I ADP becomes both the positive feedback loops L 1 and L 2. Generated at L2. When such a phenomenon occurs, there is a problem that current consumption of the circuit increases.

この問題点を解決するために、図1に示すMOSトランジスタMP9、MP10を追加する。MOSトランジスタMP9のアスペクト比はMOSトランジスタMP5のアスペクト比のK’倍になるように設定し、MOSトランジスタMP10のアスペクト比はMOSトランジスタMP3のアスペクト比のK’倍になるように設定する。ここで、MOSトランジスタMP9、MP10はそれぞれMOSトランジスタMP5、MP3に流れる電流をモニタする。これらのトランジスタからなる2つのカレントミラー回路を用いることによって、両方の正帰還ループL1,L2の適応バイアス電流が同時に発生されるときにトランジスタMP3、MP5に流れる電流を減少させて削減することができる。これを以下に説明する。 In order to solve this problem, MOS transistors M P9 and M P10 shown in FIG. 1 are added. The aspect ratio of the MOS transistor M P9 is 'set to be doubled, the aspect ratio of the MOS transistor M P10 is K aspect ratio of the MOS transistor M P3' K aspect ratio of the MOS transistor M P5 set to be doubled To do. Here, MOS transistors M P9, M P10 monitors the current flowing through the MOS transistor M P5, M P3 respectively. By using two current mirror circuits composed of these transistors, the current flowing through the transistors M P3 and M P5 is reduced and reduced when the adaptive bias currents of both positive feedback loops L1 and L2 are generated simultaneously. Can do. This will be described below.

まず、入力トランジスタMP1とMP2と、MOSトランジスタMP3、MP5に流れる電流をそれぞれIREF/2とIとする。これにより、キルヒホッフの法則から次式を導くことができる。 First, currents flowing through the input transistors M P1 and M P2 and the MOS transistors M P3 and M P5 are I REF / 2 and I 1 , respectively. As a result, the following equation can be derived from Kirchhoff's law.

Figure 0005692705
Figure 0005692705

式(7)より、電流Iは次式で表される。 From the equation (7), the current I 1 is expressed by the following equation.

Figure 0005692705
Figure 0005692705

ここから、適応バイアス電流IADPは次式で表される。 From here, the adaptive bias current I ADP is expressed by the following equation.

Figure 0005692705
Figure 0005692705

このとき、K/(1+K’)を1以下になるように設計すると、式(4)は次式のように簡単化することができる。   At this time, if K / (1 + K ′) is designed to be 1 or less, Expression (4) can be simplified as the following expression.

Figure 0005692705
Figure 0005692705

式(10)より、同じ入力電圧MP1,MP2が入力差動対(MOSトランジスタMP1,MP2)に適応されたときやスイッチトランジスタMSW1,MSW2をオン/オフするタイミングに違いが生じた場合においても、適応バイアス電流IADPを抑制することができる。 From the equation (10), there is a difference in timing when the same input voltages M P1 and M P2 are applied to the input differential pair (MOS transistors M P1 and M P2 ) and the switch transistors M SW1 and M SW2 are turned on / off. Even when it occurs, the adaptive bias current I ADP can be suppressed.

以上のように構成されたコンパレータ回路(1)においては、以下の構成を有することを特徴としている。すなわち、コンパレータ回路(1)は、入力される2つの入力電圧(VINP,VINM)に応じて、第1及び第2のMOSトランジスタ(MP1,MP2)からなる入力差動対のいずれか1つのMOSトランジスタにおいて、当該1つのMOSトランジスタとスイッチトランジスタ(MSW1,又はMSW2)とを含むループ(L1,又はL2)により適応バイアス電流(IADP)を発生する入力差動対及び適応バイアス電流発生回路(12)と、上記適応バイアス電流(IADP)に対応する電流を検出してラッチ論理を変化させた後、上記スイッチトランジスタ(MSW1,又はMSW2)をオンからオフに切り換えることにより上記適応バイアス電流を遮断するラッチ回路(13)とを備えたことを特徴としている。 The comparator circuit (1) configured as described above is characterized by having the following configuration. In other words, the comparator circuit (1) has either one of the input differential pairs composed of the first and second MOS transistors (M P1 , M P2 ) according to the two input voltages (V INP , V INM ) inputted. In one MOS transistor, an input differential pair that generates an adaptive bias current (I ADP ) by a loop (L1, or L2) including the one MOS transistor and a switch transistor (M SW1 or M SW2 ) and adaptive After detecting a current corresponding to the bias current generation circuit (12) and the adaptive bias current (I ADP ) and changing the latch logic, the switch transistor (M SW1 or M SW2 ) is switched from on to off. And a latch circuit (13) for cutting off the adaptive bias current.

上記コンパレータ回路(1)において、上記入力差動対及び適応バイアス電流発生回路(12)は第1及び第2のループ(L1,L2)を含み、
上記第1のループ(L1)は、上記第1のMOSトランジスタ(MP1)と、第1のスイッチトランジスタ(MSW1)と、第3及び第4のMOSトランジスタ(MN3,MN4)を含み上記第4のMOSトランジスタ(MN4)のアスペクト比が上記第3のMOSトランジスタ(MN3)のアスペクト比よりも大きくなるように構成された第1のカレントミラー回路(MN3,MN4)とが直列に接続されて構成され、
上記第2のループ(L2)は、上記第2のMOSトランジスタ(MP2)と、第2のスイッチトランジスタ(MSW2)と、第5及び第6のMOSトランジスタ(MN5,MN6)を含み上記第6のMOSトランジスタ(MN6)のアスペクト比が上記第5のMOSトランジスタ(MN5)のアスペクト比よりも大きくなるように構成された第2のカレントミラー回路(MN5,MN6)とが直列に接続されて構成され、
上記第1又は第2のカレントミラー回路(MN3,MN4;MN5,MN6)により上記適応バイアス電流(IADP)を発生する。
In the comparator circuit (1), the input differential pair and the adaptive bias current generation circuit (12) include first and second loops (L1, L2),
The first loop (L1) includes the first MOS transistor (M P1 ), the first switch transistor (M SW1 ), and the third and fourth MOS transistors (M N3 , M N4 ). A first current mirror circuit (M N3 , M N4 ) configured such that an aspect ratio of the fourth MOS transistor (M N4 ) is larger than an aspect ratio of the third MOS transistor (M N3 ); Are connected in series,
The second loop (L2) includes the second MOS transistor (M P2 ), the second switch transistor (M SW2 ), and the fifth and sixth MOS transistors (M N5 , M N6 ). A second current mirror circuit (M N5 , M N6 ) configured such that the aspect ratio of the sixth MOS transistor (M N6 ) is larger than the aspect ratio of the fifth MOS transistor (M N5 ); Are connected in series,
The adaptive bias current (I ADP ) is generated by the first or second current mirror circuit (M N3 , M N4 ; M N5 , M N6 ).

また、上記コンパレータ回路(1)において、上記第3のMOSトランジスタ(MN3)は上記第1のMOSトランジスタ(MP1)に直列に接続され、上記第5のMOSトランジスタ(MN5)は上記第2のMOSトランジスタ(MP2)に直列に接続され、
上記入力差動対及び適応バイアス電流発生回路(12)は、
上記第3のMOSトランジスタ(MN3)に流れる電流を検出して、第1及び第2のトランジスタ(MP1,MP2)からなる入力差動対(MP1,MP2の接続点)に電流を出力する第7のMOSトランジスタ(MP4)と、
上記第5のMOSトランジスタ(MN5)に流れる電流を検出して、第1及び第2のトランジスタ(MP1,MP2)からなる入力差動対(MP1,MP2の接続点)に電流を出力する第8のMOSトランジスタ(MP6)と、
上記第3のMOSトランジスタ(MN3)と並列に接続された第9のMOSトランジスタ(MN1)と、
上記第5のMOSトランジスタ(MN5)と並列に接続された第10のMOSトランジスタ(MN2)とをさらに備え、
上記第9のMOSトランジスタ(MN1)と上記第10のMOSトランジスタ(MN2)とがクロスゲート接続されて、上記2つの入力電圧(VINP,VINM)のうちのいずれかの入力電圧に対して、上記第1の検出電圧又は上記第2の検出電圧がヒステリシス特性を有する正帰還のヒステリシス回路を含む。
In the comparator circuit (1), the third MOS transistor (M N3 ) is connected in series to the first MOS transistor (M P1 ), and the fifth MOS transistor (M N5 ) is connected to the first MOS transistor (M N5 ). Connected in series to two MOS transistors (M P2 ),
The input differential pair and the adaptive bias current generation circuit (12)
By detecting the current flowing through the third MOS transistor (M N3), current to the first and second transistors (M P1, M P2) and an input differential pair (connecting point M P1, M P2) A seventh MOS transistor (M P4 ) that outputs
By detecting the current flowing through the fifth MOS transistor (M N5), current to the first and second transistors (M P1, M P2) and an input differential pair (connecting point M P1, M P2) An eighth MOS transistor (M P6 ) for outputting
A ninth MOS transistor (M N1 ) connected in parallel with the third MOS transistor (M N3 );
A tenth MOS transistor (M N2 ) connected in parallel with the fifth MOS transistor (M N5 );
The ninth MOS transistor (M N1 ) and the tenth MOS transistor (M N2 ) are cross-gate connected so that one of the two input voltages (V INP , V INM ) has an input voltage. On the other hand, the first detection voltage or the second detection voltage includes a positive feedback hysteresis circuit having hysteresis characteristics.

さらに、上記コンパレータ回路(1)において、上記入力差動対及び適応バイアス電流発生回路(12)は、上記2つの入力電圧(VINP,VINM)が互いに実質的に一致したとき、もしくは、上記第1と第2のスイッチトランジスタ(MSW1,MSW2)がともにオンとなったときに、上記第1及び第2のループ(L1,L2)に流れる電流を減少させる回路(MP9,MP10)をさらに備える。 Further, in the comparator circuit (1), the input differential pair and the adaptive bias current generation circuit (12) are configured so that the two input voltages (V INP and V INM ) substantially coincide with each other, or Circuits (M P9 , M P10 ) for reducing the current flowing in the first and second loops (L1, L2) when both the first and second switch transistors (M SW1 , M SW2 ) are turned on. ).

図4は図1のコンパレータ回路1の実施例(試作例)及び図8の従来例に係るコンパレータ回路の実験結果であって、図4(a)は入力周波数が10kHzであるときの入力参照電圧VIN+、実施例の出力電圧及び従来例の出力電圧を示す測定波形図であり、図4(b)は入力周波数が20kHzであるときの入力参照電圧VIN+、実施例の出力電圧及び従来例の出力電圧を示す測定波形図である。図8は従来例に係るコンパレータ回路の構成を示す回路図である。   FIG. 4 is an experimental result of the comparator circuit 1 according to the embodiment (prototype example) of FIG. 1 and the conventional comparator circuit of FIG. 8, and FIG. 4 (a) is an input reference voltage when the input frequency is 10 kHz. FIG. 4B is a measurement waveform diagram showing VIN +, the output voltage of the embodiment, and the output voltage of the conventional example. FIG. 4B is an input reference voltage VIN + when the input frequency is 20 kHz, the output voltage of the embodiment, and the output of the conventional example. It is a measurement waveform diagram which shows a voltage. FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of a comparator circuit according to a conventional example.

本発明者らは、本発明の実施形態に係る図1のコンパレータ回路1を0.35μm、2−ポリ、4−メタル、スタンダードCMOSプロセスにより実施例(試作例)として試作した。比較のために従来例に係る2ステージ型コンパレータ回路も設計を行って試作した。実施例に係るコンパレータ回路1と、従来例に係る2ステージ型コンパレータの面積はそれぞれ3600μmと2700μmとなった。1:K:K’の比率は1:2:3となるように設計した。測定条件として、電源電圧Vdd、入力参照電圧、入力正弦波信号はそれぞれ3.0V、1.5V、1.5+0.05×sin2πfINtとした。 The inventors made a prototype of the comparator circuit 1 of FIG. 1 according to the embodiment of the present invention as an example (prototype example) by a 0.35 μm, 2-poly, 4-metal, standard CMOS process. For comparison, a two-stage comparator circuit according to a conventional example was also designed and manufactured as a prototype. A comparator circuit 1 according to the embodiment, the area of the two-stage type comparator according to the conventional example becomes 3600Myuemu 2 and 2700Myuemu 2, respectively. The ratio of 1: K: K ′ was designed to be 1: 2: 3. As measurement conditions, the power supply voltage Vdd, the input reference voltage, and the input sine wave signal were 3.0 V, 1.5 V, and 1.5 + 0.05 × sin 2πf IN t, respectively.

図4は図1のコンパレータ回路1の実施例(試作例)及び図8の従来例に係るコンパレータ回路の実験結果であって、図4(a)は入力周波数が10kHzであるときの入力参照電圧(VIN+)、実施例の出力電圧(prop.)及び従来例の出力電圧(conv.(2stage))を示す測定波形図であり、図4(b)は入力周波数が20kHzであるときの入力参照電圧(VIN+)、実施例の出力電圧(prop.)及び従来例の出力電圧(conv.(2stage))を示す測定波形図である。ここで、バイアス電流IREFは30nAとした。図4(a)から明らかなように、入力周波数が10kHzの条件において、両方のコンパレータ回路はともに正確に出力パルスを発生することができることを確認した。従来例に係る2ステージ型コンパレータ回路の出力電圧の立ち上がりは著しく遅れている。これはバイアス電流が30nAと少ないために、従来例に係る2ステージ型コンパレータにおいて、バイアス電流が出力電圧を充電することができないためである。一方、実施例に係るコンパレータ回路1では遅延を生じることなく動作している。また、図4(b)から明らかなように、入力周波数が20kHzの条件では、従来例に係る2ステージ型コンパレータ回路は正しく動作していない。これは、コンパレータ回路の遅延が入力正弦波の周期を超えたためである。しかし、この条件でも、実施例に係るコンパレータ回路1では正しく動作できることを確認した。 FIG. 4 is an experimental result of the comparator circuit 1 according to the embodiment (prototype example) of FIG. 1 and the conventional comparator circuit of FIG. 8, and FIG. 4 (a) is an input reference voltage when the input frequency is 10 kHz. (V iN +), the output voltage of the example (prop.) and a measured waveform diagram showing an output voltage (conv. (2stage)) of the conventional example, FIG. 4 (b) input when the input frequency is 20kHz It is a measured waveform diagram which shows a reference voltage (V IN + ), an output voltage (prop.) Of an example, and an output voltage (conv. (2 stage)) of a conventional example. Here, the bias current I REF was set to 30 nA. As is clear from FIG. 4A, it was confirmed that both comparator circuits can accurately generate output pulses under the condition of an input frequency of 10 kHz. The rise of the output voltage of the conventional two-stage comparator circuit is significantly delayed. This is because the bias current is as small as 30 nA, so that the bias current cannot charge the output voltage in the conventional two-stage comparator. On the other hand, the comparator circuit 1 according to the embodiment operates without causing a delay. As is clear from FIG. 4B, the two-stage comparator circuit according to the conventional example does not operate correctly under the condition where the input frequency is 20 kHz. This is because the delay of the comparator circuit exceeds the period of the input sine wave. However, it was confirmed that the comparator circuit 1 according to the example can operate correctly even under this condition.

図5は実施例及び従来例に係るコンパレータ回路の実験結果であって、バイアス電流IREFに対する動作最大周波数fmaxを示すグラフである。ここで、fmaxはコンパレータが出力パルスを発生できる最大の周波数である。図5から明らかなように、バイアス電流IREFが増加するにつれて、各コンパレータ回路の最大周波数fmaxも増加する結果となった。バイアス電流IREF=10nAにおける実施例及び従来例に係るコンパレータ回路の動作最大周波数fmaxはそれぞれ40kHzと5kHzである。実施例に係るコンパレータ回路1は従来例に係る2ステージ型コンパレータ回路と比べて8倍高速に動作することができる。また、バイアス電流IREF=10nAにおける実施例に係るコンパレータ回路1の待機電流は18.9nAであった。さらに、この図5から入力周波数を固定した場合に提案コンパレータは、より低いバイアス電流IREFで動作できることが示される。 FIG. 5 is a graph showing experimental results of the comparator circuit according to the example and the conventional example, and showing the maximum operating frequency f max with respect to the bias current I REF . Here, f max is the maximum frequency at which the comparator can generate an output pulse. As is apparent from FIG. 5, as the bias current I REF increases, the maximum frequency fmax of each comparator circuit also increases. The maximum operating frequency f max of the comparator circuit according to the example and the conventional example at the bias current I REF = 10 nA is 40 kHz and 5 kHz, respectively. The comparator circuit 1 according to the embodiment can operate 8 times faster than the two-stage comparator circuit according to the conventional example. Further, the standby current of the comparator circuit 1 according to the example at the bias current I REF = 10 nA was 18.9 nA. Further, FIG. 5 shows that the proposed comparator can operate with a lower bias current I REF when the input frequency is fixed.

図6は実施例及び従来例に係るコンパレータ回路の実験結果であって、入力周波数に対する消費電流を示すグラフである。ここで、実施例に係るコンパレータ回路1と従来例に係るコンパレータ回路のバイアス電流IREFはそれぞれ33nAと50nAとした。バイアス電流IREFは入力周波数10kHzにおいて各コンパレータ回路の消費電流が同じになるように設定した。この状態で、両方のコンパレータ回路の消費電流は151nAとなった。入力周波数が低下すると、実施例に係るコンパレータ回路の消費電流は従来例に係る2ステージ型コンパレータ回路の消費電流よりも低くなった。 FIG. 6 is a graph showing experimental results of the comparator circuit according to the example and the conventional example, and showing the current consumption with respect to the input frequency. Here, the bias currents I REF of the comparator circuit 1 according to the example and the comparator circuit according to the conventional example are set to 33 nA and 50 nA, respectively. The bias current I REF was set so that the consumption current of each comparator circuit was the same at an input frequency of 10 kHz. In this state, the current consumption of both comparator circuits was 151 nA. When the input frequency is lowered, the current consumption of the comparator circuit according to the embodiment is lower than the current consumption of the two-stage comparator circuit according to the conventional example.

図7は実施例及び従来例に係るコンパレータ回路の実験結果であって、入力周波数に対する出力パルスのデューティ比を示すグラフである。図7は図6と同じ入力周波数領域でのコンパレータ回路の出力パルスのデューティ比を示す。図7から明らかなように、実施例に係るコンパレータ回路1のデューティ比はほぼ50%となった。しかし、従来例に係る2ステージ型コンパレータは入力周波数が高くなるにつれてデューティ比が減少する。バイアス電流が出力を充電できないため、入力周波数が高くなるにつれて出力の立ち上がりが遅れる。この結果は図4の結果と一致する。   FIG. 7 is a graph showing experimental results of the comparator circuit according to the example and the conventional example, and showing the duty ratio of the output pulse with respect to the input frequency. FIG. 7 shows the duty ratio of the output pulse of the comparator circuit in the same input frequency region as FIG. As is apparent from FIG. 7, the duty ratio of the comparator circuit 1 according to the example is almost 50%. However, the duty ratio of the two-stage comparator according to the conventional example decreases as the input frequency increases. Since the bias current cannot charge the output, the rise of the output is delayed as the input frequency increases. This result is consistent with the result of FIG.

図10は実施例及び従来例に係るコンパレータ回路の性能諸元を示す表である。これより、実施例に係るコンパレータ回路1は高速かつ低消費電力での動作を実現できることを確認した。このコンパレータ回路1は低消費電力LSI用途として、とても有用である。   FIG. 10 is a table showing performance specifications of the comparator circuit according to the example and the conventional example. From this, it was confirmed that the comparator circuit 1 according to the example can realize the operation with high speed and low power consumption. This comparator circuit 1 is very useful for low power consumption LSI applications.

以上説明したように、本発明の実施形態において、入力差動対及び適応バイアス電流発生回路12を用いた超低消費電力コンパレータ回路1を提案した。入力差動対及び適応バイアス電流発生回路12は動作電流を発生し、ラッチ回路13が入力差動対及び適応バイアス電流発生回路12の動作を制御することで消費電力を抑えることができる。入力信号レベルとラッチ回路13の論理が互いに一致しない場合のみ、入力差動対及び適応バイアス電流発生回路12とラッチ回路13が動作するため、実施例に係るコンパレータ回路は高速かつ低消費電力を実現することができる。測定結果より、このコンパレータ回路1が高速かつ低消費電力で動作することを確認した。待機電流はバイアス電流10nAのとき18.9nAとなり、消費電力は入力周波数1kHz、電源電圧3Vにおいて88.5nWとなった。   As described above, in the embodiment of the present invention, the ultra-low power consumption comparator circuit 1 using the input differential pair and the adaptive bias current generation circuit 12 has been proposed. The input differential pair and the adaptive bias current generation circuit 12 generate an operating current, and the latch circuit 13 controls the operations of the input differential pair and the adaptive bias current generation circuit 12 so that power consumption can be suppressed. Only when the input signal level and the logic of the latch circuit 13 do not match each other, the input differential pair and the adaptive bias current generation circuit 12 and the latch circuit 13 operate. Therefore, the comparator circuit according to the embodiment realizes high speed and low power consumption. can do. From the measurement results, it was confirmed that the comparator circuit 1 operates at high speed and low power consumption. The standby current was 18.9 nA when the bias current was 10 nA, and the power consumption was 88.5 nW at an input frequency of 1 kHz and a power supply voltage of 3 V.

以上詳述したように、従来技術に比較して高速でかつ消費電力を低下させることができるコンパレータ回路を提供することができる。   As described above in detail, it is possible to provide a comparator circuit capable of reducing power consumption at a higher speed than in the prior art.

1…コントロール回路、
2…バッファ回路、
11…バイアス電流発生回路、
12…入力差動対及び適応バイアス電流発生回路、
13…ラッチ回路、
14…カレントミラーによる電流発生回路、
20…基準電流源、
21,22…入力端子、
23,24…出力端子、
P1〜MP10,MPB1,MPB2,Q1〜Q4…pチャンネルMOSトランジスタ、
N1〜MN10,MSW1,MSW2,Q5,Q6…nチャンネルMOSトランジスタ。
1 ... Control circuit,
2 ... Buffer circuit,
11: Bias current generation circuit,
12: Input differential pair and adaptive bias current generation circuit,
13 ... Latch circuit,
14 ... Current generation circuit using current mirror,
20: Reference current source,
21, 22 ... input terminals,
23, 24 ... output terminals,
M P1 to M P10 , M PB1 , M PB2 , Q1 to Q4... P channel MOS transistor,
M N1 to M N10 , M SW1 , M SW2 , Q5, Q6... N channel MOS transistor.

Claims (6)

入力される2つの入力電圧に応じて、第1及び第2のMOSトランジスタからなる入力差動対のいずれか1つのMOSトランジスタにおいて、当該1つのMOSトランジスタとスイッチトランジスタとを含むループにより適応バイアス電流を発生する入力差動対及び適応バイアス電流発生回路と、
初期状態及び上記2つの入力電圧に応じて2つの出力電圧のラッチ論理を決定して上記スイッチトランジスタを制御することで上記入力差動対及び適応バイアス電流発生回路を制御するラッチ回路を備え、
上記ラッチ回路は、上記2つの出力電圧のラッチ論理と上記2つの入力電圧とが互いに一致しない場合に上記適応バイアス電流を発生させるように上記入力差動対及び適応バイアス電流発生回路を制御し、
上記ラッチ回路は、上記適応バイアス電流に対応する電流を検出してラッチ論理を変化させた後、上記スイッチトランジスタをオンからオフに切り換えることにより上記適応バイアス電流を遮断するように上記入力差動対及び適応バイアス電流発生回路を制御することを特徴とするコンパレータ回路。
In accordance with the two input voltages input, in any one MOS transistor of the input differential pair composed of the first and second MOS transistors, an adaptive bias current is generated by a loop including the one MOS transistor and the switch transistor. An input differential pair and an adaptive bias current generation circuit for generating
A latch circuit for controlling the input differential pair and the adaptive bias current generation circuit by determining latch logic of two output voltages according to an initial state and the two input voltages and controlling the switch transistor;
The latch circuit controls the input differential pair and the adaptive bias current generation circuit to generate the adaptive bias current when the latch logic of the two output voltages and the two input voltages do not match each other,
The latch circuit detects a current corresponding to the adaptive bias current, changes a latch logic, and then switches the switch transistor from on to off so as to cut off the adaptive bias current . And a comparator circuit for controlling an adaptive bias current generating circuit.
上記入力差動対及び適応バイアス電流発生回路は第1及び第2のループを含み、
上記第1のループは、上記第1のMOSトランジスタと、第1のスイッチトランジスタと、第3及び第4のMOSトランジスタを含み上記第4のMOSトランジスタのアスペクト比が上記第3のMOSトランジスタのアスペクト比よりも大きくなるように構成された第1のカレントミラー回路とが直列に接続されて構成され、
上記第2のループは、上記第2のMOSトランジスタと、第2のスイッチトランジスタと、第5及び第6のMOSトランジスタを含み上記第6のMOSトランジスタのアスペクト比が上記第5のMOSトランジスタのアスペクト比よりも大きくなるように構成された第2のカレントミラー回路とが直列に接続されて構成され、
上記第1又は第2のカレントミラー回路により上記適応バイアス電流を発生することを特徴とする請求項1記載のコンパレータ回路。
The input differential pair and the adaptive bias current generation circuit include first and second loops,
The first loop includes the first MOS transistor, the first switch transistor, and third and fourth MOS transistors, and the aspect ratio of the fourth MOS transistor is the aspect ratio of the third MOS transistor. A first current mirror circuit configured to be larger than the ratio is connected in series;
The second loop includes the second MOS transistor, the second switch transistor, and the fifth and sixth MOS transistors, and the aspect ratio of the sixth MOS transistor is the aspect ratio of the fifth MOS transistor. A second current mirror circuit configured to be greater than the ratio is connected in series,
2. The comparator circuit according to claim 1, wherein the adaptive bias current is generated by the first or second current mirror circuit.
上記第3のMOSトランジスタは上記第1のMOSトランジスタに直列に接続され、
上記第5のMOSトランジスタは上記第2のMOSトランジスタに直列に接続され、
上記入力差動対及び適応バイアス電流発生回路は、
上記第3のMOSトランジスタに流れる電流を検出して、第1及び第2のトランジスタからなる入力差動対に電流を出力する第7のMOSトランジスタと、
上記第5のMOSトランジスタに流れる電流を検出して、第1及び第2のトランジスタからなる入力差動対に電流を出力する第8のMOSトランジスタと、
上記第3のMOSトランジスタと並列に接続された第9のMOSトランジスタと、
上記第5のMOSトランジスタと並列に接続された第10のMOSトランジスタとをさらに備え、
上記第9のMOSトランジスタと上記第10のMOSトランジスタとがクロスゲート接続されて、上記2つの入力電圧のうちのいずれかの入力電圧に対して、上記第1の検出電圧又は上記第2の検出電圧がヒステリシス特性を有する正帰還のヒステリシス回路を含むことを特徴とする請求項2記載のコンパレータ回路。
The third MOS transistor is connected in series to the first MOS transistor,
The fifth MOS transistor is connected in series to the second MOS transistor,
The input differential pair and the adaptive bias current generation circuit are:
A seventh MOS transistor that detects a current flowing through the third MOS transistor and outputs a current to an input differential pair including the first and second transistors;
An eighth MOS transistor that detects a current flowing through the fifth MOS transistor and outputs a current to an input differential pair including the first and second transistors;
A ninth MOS transistor connected in parallel with the third MOS transistor;
A tenth MOS transistor connected in parallel with the fifth MOS transistor;
The ninth MOS transistor and the tenth MOS transistor are cross-gate connected, and the first detection voltage or the second detection voltage is detected with respect to one of the two input voltages. 3. The comparator circuit according to claim 2, wherein the voltage includes a positive feedback hysteresis circuit having a hysteresis characteristic.
上記入力差動対及び適応バイアス電流発生回路は、上記2つの入力電圧が互いに実質的に一致したとき、もしくは、上記第1と第2のスイッチトランジスタがともにオンとなったときに、上記第1及び第2のループに流れる電流を減少させる回路をさらに備えたことを特徴とする請求項2又は3記載のコンパレータ回路。   The input differential pair and the adaptive bias current generation circuit are configured such that when the two input voltages substantially coincide with each other, or when both the first and second switch transistors are turned on, 4. The comparator circuit according to claim 2, further comprising a circuit for reducing a current flowing through the second loop. 上記コンパレータ回路は、CMOS回路のみで構成されたことを特徴とする請求項1乃至4のうちのいずれか1つに記載のコンパレータ回路。   5. The comparator circuit according to claim 1, wherein the comparator circuit includes only a CMOS circuit. 6. 上記ラッチ回路の後段に接続され、上記ラッチ回路の出力電圧を緩衝増幅して出力するバッファ回路をさらに備えたことを特徴とする請求項1乃至5のうちのいずれか1つに記載のコンパレータ回路。   6. The comparator circuit according to claim 1, further comprising a buffer circuit connected to a subsequent stage of the latch circuit and buffering and amplifying the output voltage of the latch circuit. .
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