JPS603249B2 - 低消費電力の相補型比較器/インバータ回路 - Google Patents

低消費電力の相補型比較器/インバータ回路

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JPS603249B2
JPS603249B2 JP53034003A JP3400378A JPS603249B2 JP S603249 B2 JPS603249 B2 JP S603249B2 JP 53034003 A JP53034003 A JP 53034003A JP 3400378 A JP3400378 A JP 3400378A JP S603249 B2 JPS603249 B2 JP S603249B2
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voltage
node
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differential amplifier
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ロバ−ト・ラツセル・ビユ−トラ−
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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K5/00Manipulating of pulses not covered by one of the other main groups of this subclass
    • H03K5/22Circuits having more than one input and one output for comparing pulses or pulse trains with each other according to input signal characteristics, e.g. slope, integral
    • H03K5/24Circuits having more than one input and one output for comparing pulses or pulse trains with each other according to input signal characteristics, e.g. slope, integral the characteristic being amplitude
    • H03K5/2472Circuits having more than one input and one output for comparing pulses or pulse trains with each other according to input signal characteristics, e.g. slope, integral the characteristic being amplitude using field effect transistors
    • H03K5/2481Circuits having more than one input and one output for comparing pulses or pulse trains with each other according to input signal characteristics, e.g. slope, integral the characteristic being amplitude using field effect transistors with at least one differential stage

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  • Nonlinear Science (AREA)
  • Manipulation Of Pulses (AREA)
  • Measurement Of Current Or Voltage (AREA)
  • Amplifiers (AREA)
  • Logic Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、低消費函力の相補型比較器ノィンバータ回路
に関する。
通常のCMOSインバー外ま、電源の正端子及び負端子
間に接続されるPチャンネルMOSFET及びNチャン
ネルMOSFETを具える。
Pチャンネル及びNチャンネルMOSFETのゲート電
極は、入力を形成するように1緒に結合され、ドレィン
は、出力を形成するように1緒に接続される。出力を電
源電圧の1/2に等しくするのに必要な入力電圧として
定義される転移点は、PチャンネルMOSFET及びチ
ャンネルMOSFETの相対的チャンネル長一チャンネ
ル幅の比を含む多数のパラメータによって決定される。
転移点は、部分的にはNチャンネルMOSFET及びP
チャンネルMOSFETの閥値電圧の大きさにより決定
される。NチャンネルMOSFET及びPチャンネルM
OSFETのチャンネル領域における易敷度は、また、
転移点に影響するパラメータでもある。通常の製造プロ
セスに対して、10V電源を有するCMOSィンバータ
の転移点の変化は、転移点の公称値から±IVのオーダ
で変化できる。ある通用例、特に比較器の適用において
、製造パラメータ・の変化に依存しない極めて厳しい転
移点が望ましい。本発明の目的は、処理パラメータ変化
に殆んど無関係である正確な転移点を有し、電力を節約
する相補型比較器/ィンバータ回路を提供することであ
る。
簡単に云えば、本発明は、正確な転移点を有する回路で
ある。
その回路は、第1,第2電圧導体間に接続される基準回
路を具え、基準電圧を発生する。その回路は、また、基
準回路に結合する増幅器を具え、増幅器に印加される入
力信号に応じて増幅信号を発生する。回路の転移点は、
主として基準電圧により決定される。第2増幅器は、第
1増幅器の出力に接続され、増幅された反転出力信号を
発生する。回路の転移点は、主として基準回路により決
定される。好ましい実施例において、相補型電界効果ト
ランジスタが利用され、基準回路、第1増幅器及び第2
増幅器を実行する。他の好ましい実施例において、基準
回路及び第1増幅器は、入力信号が特定の電圧レベルに
ある場合、入力信号に応敷する電界効果トランジスタに
よって全回路を低消費電力にせしめるように電源電圧に
結合される。第1図の回路は、低消費電力の単一入力の
比較器/ィンジータ回路である。
回路10は、VINとして参照される入力12、Vom
として参照される出力14を具え、Voo導体18及び
接地導体16間に接続される。回路10は、菱勤増幅器
20、基準回路22及びインバータ24は、Vooと接
地との間に直列に接続されるPチャンネルMOSFET
74及びNチャンネルMOSFET76を具える通常の
CMOSィンバータである。MOSFET74及び76
のドレィンは、Vomに接続され、ゲート鰭極は、ノー
ド56に接続される。
基準回路22は、MOSFET69,72及び64、抵
抗65及び68を具える。夫々R,及びR2と指定され
る抵抗68,65は、多結晶シリコン抵抗のような精密
分離抵抗、拡散抵抗或いは薄膜抵抗である。基準回路2
2は、ノード66において基準電圧VR8Fを発生する
。PチャンネルMOSFET69は、Vooとノード7
0との間に接続され、V,Nに接続されたゲートを有す
る。抵抗68は、ノード66とノード70との間に接続
される。抵抗65は、ノード66とノード63との間に
接続される。NチャンネルMOSFET64はV,Nに
接続されたゲート、ノード63に接続されたドレィン及
び接地されたソースを有する。差動増幅器20は、MO
SFET26,30,35,42及び44、抵抗28と
を具える電流源回路を具える。PチヤンネルMOSFE
T26は、V。。と/ード32との間に接続され、V,
Nに接続されたゲートを有する。抵抗28は、/ード3
2とノード34との間に接続される。MOSFET30
は、/ード34に接続されたゲート及びドレィン、ノー
ド36に接続されたソースを有する。NチャンネルMO
SFET35は、V,Nに接続されたゲート、接地され
たソース、及びノ−ド36に接続されたドレィンを有す
る。NチャンネルMOSFET44は、/ード63に接
続されたゲート、接地されたソース、及び/一ド46に
接続されたドレィンを有する。差動増幅器20の増幅器
部分は、NチャンネルMOSFET38及び40、Pチ
ャンネルMOSFET48及び52、及び電力制御MO
SFET50,60,61,62を具える。MOSFE
T38は、V,Nに接続されたゲート、ノード46に接
続されたソース、ノード54に接続されたドレインを有
する。MOSFET40は、ノード66に接続されたゲ
ート、/ード46に接続されたソース、ノード56に接
続されたドレィンを有する。MOSFET48は、ノー
ド58に接続されたソース、ノード54に接続されたゲ
ート、ノード54に鼓銃されたドレィンを有する。MO
SFET52は、ノード56に接続されたドレィン、ノ
ード54に接続されたゲート及びノード58に接続され
たソースを有する。PチャンネルMOSFET50は、
ノード57に接続されたゲート、ノード58に接続され
たソース、ノード54に接続されたドレィンを有する。
PチャンネルMOSFET60は、ノードVooに接続
されたソース、V,Nに接続されたゲート及びノード5
8に接続されたドレインを有する。PチャンネルMOS
FET61及びNチャンネルMOSFET62は、ノー
ド57に接続された出力とノード63に接続された入力
とを有するCMOSィンバータを構成する。第2図は、
第1図の回路において、MOBFET26,60及び6
9が省略され、抵抗28と68、及びノード58が、す
べてVooに直結されていることを除け‘よ、第1図の
回路と同一の単一入力比較器/ィンバータ回路を図示す
るものである。
第2図の回路は、V,NがVooの電圧にあるのではな
く、接地電位にある時のみ低消費電力である。この実施
例は、“電力低減”モードが必要な場合、多くの適用例
に適合するものとなり、第1図の実施例より複雑ではな
く、かつ高価ではない。第3図は、2入力比較器/ィン
バータ回路の結線図を示す。
基準回路、差敷増幅器及び故カインバータは、第1図に
おけるものと袷んど同様である。然し、入力回路は、第
3図において、2入力に対して所望の応答を達成するよ
うに付加されている。第3図は、V,N,と符号づけし
た入力12A及びV,N2と符号づけした入力12Bと
を具える。PチャンネルMOSFETI 02及び1
04は、Vooとノード106との間で直列に結合され
ている。MOSFETI02のゲートは、入力12Aに
接続され、MOSFETI04のゲートは、入力12B
に接続される。NチャンネルMOSFETI14及び1
16は、接地とノード118との間で並列で接続される
。MOSFETI 1 4のゲートは、V,N,に接続
され、MOSFETI 16のゲートは、V,N2に暖
緩される。PチャンルMOSFETIIO及びNチャン
ネルMOSFETI08はVooと接地との間でィンバ
ータを構成するように接続される。第3図において、対
応するMOSFETは、第1図と同一の参照番号を有し
ていることは注目すべきである。ノード106は、また
、PチャンネルMOSFET72のゲートに接続される
。MOSFETI08及び110のドレインは112に
接続され、1 12は、MOSFET26及び60の入
力に接続される。PチャンネルMOSFET120及び
Nチャンネル122は、Vooと接地との間に接続され
る他のィンバータを構成する。
MOSFET120と122のゲートは、/ード118
に接続され、ドレインは、ノード124に接続される。
ノード124は、MOSFET35のゲートとMOSF
ET50のゲートとに接続される。基準回路の抵抗R,
は、/−ド66と106との間に接続され、抵抗R2は
ノード66と118との間に接続される。第1図は、極
めて正確な転移点を有するCMOSインバータと本質的
に等価であることは理解される。また、ィンバータの直
流電流は、入力がVoo或いは接地である場合に零に低
下ることは、CMOSインバータと等価である。この回
路により転移点は殆んど製造プロセスの変化と無関係と
なる。これは、標準的CMOSィンバータについて真実
ではない。転移点は、出力信号をVooの1/2に等し
くせしめるのに必要なV,Nの値として定義される。通
常のCMOS製造プロセスに対して、特定の設計のCM
OSィンバータの転移点は、1OWこ等しいV。。に対
する公称値から±IVだけ変化する。第1図の回路は、
この欠陥を克服するもので、その転移点が、通常の製造
プロセスの範囲にわたってIONに等しいVooに対し
て約±50ミリボルトにすぎない。第1図の回路は、製
造プロセス変化及び種々のPチャンネル、Nチャネル装
置の相対的インピーダンスと殆んど無関係である。Nチ
ャンネルMOSFETの対は、NチャンネルMOSFE
T38及び40から成り、PチャンネルMOSFET4
8及び52の対は、オフセット鰭圧(即ち閥値電圧の差
)をできるだけ低下せしめたことは重要である。集積回
路の実行におて、オフセット電圧の変化は、基板状態の
レイアウト技術により最小化できる。第1図の回路は、
本質的に蟹流ミラー型電流源、差動増幅器、出力バッフ
ァ及び組合せスイッチ装置から構成され、論理“1”及
び“0”入力に対して低消費電力回雛を形成する。
‘第1図の回路の動作は、下記の通りである。
最初、V,Nは溝ボルトにあるものと仮定する。その時
MOSFET35はオフとなり、電流源のノード34に
は電流が流れない。差動増幅器部分のMOSFET38
は、またオフとなり、差動増幅器20の脚を介して電流
が流れないようにする。負荷装置48及び52の作用の
ために、MOSFET52は、極めて高インピーダンス
状態となるであろう。MOSFET52がオフとなるこ
とを保証するために、MOSFET50は、/ード54
をV。。に引きよせる。MOSFET64は、オフとな
るかり、ノード63及び66はVooとなる。MOSF
ET40と44は、ターンオフされ、ノード56を接地
に保持し、次に、VoUTを電圧Vooに保持せしめる
ことを保証する。
V,Nは立上りを開始し、Nチャンネル閥値電圧を通過
するから、MOSFET35及び64はターンオンする
それから電流源に電流が流れる。電流源に流れる電流は
、本質的に抵抗R3によって決定されるものと仮定する
。また、ノード63は、接地電位に引きよせられる。ま
た、R,及びR2の直列抵抗は、MOSFET64及び
69のオン抵抗より極めて大きいものと仮定する。ノー
ド66は、VREF=〔R2/(R,十R2)〕V血と
なる。MOSFET50及び44は、ターンオフされる
から、差動増幅器は、能動領域になる。V・NがVRE
F値に近づく場合、差動増幅器は、高利得動作領域にな
り、ノード56は、急激な速度でV血に近接するであろ
う。この転移中に、ノード56は、MOSFET74及
び76でつくられる出力バッファの転移点を通過する。
そして、VoUrは、Vooから接地電位に移行する。
特に、MOSFET50及び44がターンオフされる時
、差動増幅器20の増幅器部分のトランジスタ38,4
0が、差動増幅器として機能することが可能である。
トランジスタ50が、零ボルトである入力電圧V,Nの
結果としてターンオンされる時、負荷トランジスタ48
と52はターンオフされ、トランジスタ38,40はタ
ーンオンされない。差動増幅器は能動領域にはないので
、電力消費は最4・である。トランジスタ50は、V,
Nが上昇するにつれて急速にターンオフを開始する。こ
れは、大きな値の抵抗65,68によって設定される電
流によりトランジスタ64が急速に夕−ンオンするから
である。トランジスタ50のゲート電圧は、またィンバ
ータトランジスタ61,62により増幅される。
トランジスタ50がオフである時、トランジスタ48,
52は、電流ミラー負荷デバイスとして機能することが
可能であり、そのドレィンをトランジスタ60を経てV
ooに結合させている。トランジスタ6川よ、V,Nが
上昇するにつれて極めて急速にターンオフしない。その
理由は、導通される蚤流はそれにより小さくなるからで
ある。前述したように、同時に、トランジスタ44はタ
ーンオフする。これは、差敷比較器の増幅器が、トラン
ジスタ38及び40のドレィン電極からクランプされた
接地電位を除くことによって、その能動領域に入ること
が可能にする。基準電圧は、トランジスタ40のゲート
に印加される。V,Nが増加する時、トランジスタ38
は、電流ミラー38,40の結果としてトランジスタ4
0の電流に影響を与える。トランジスタ38がより導通
になる時、ノード56の電圧電位は、速い速度又は極端
な速度で増大する。トランジスタ40のゲート上の電圧
電位は、VR8Fに固定される。比較器ノィンバータの
差鰯増幅器と共にトランジスタ40は、ソースホロワー
として機能する。トランジスタ38,40を介して流れ
る電流が等しい場合には、ィンバータ74,76のトリ
ップ点VR8Fに達する。差動増幅器は、高利得の動作
領域にある。これは、増幅器の利得が、トランジスタの
差動対のトランスコンダクタンスとノード56のインピ
−ダンスの積であるからである。ノード56は、高イン
ピーダンスノードであり、トランジスタ38と40のト
ランスコンダクタンスは高にされる。基準回路22の転
移点は、差動比較器/増幅器機造により与えられる固有
の利点を有するから精確である。回路の対称性のために
、トランジスタは、寄生振動が取消されるように整合さ
れる。転移点は精確であるが、その点は、電源変動によ
り影響を受け、また、抵抗R,とR2の比の値により決
定される。しかしながら、抵抗比は精確に決定される。
V…−Vooの大きさが、Pチャンネル閥値電圧より小
さくなる場合、MOSFET26及び60は、ターンオ
フし、電流源及び差動増幅器を介する電流が遮断される
ようにする。
MOSFET69は、ターンオフし、ノード66及び7
0を接地電位に引きよせる。これは、順次にMOSFE
T72を導通せしめ、/ード56が電圧V。。に保持さ
れるのを保証する。従って、回路10は、極めて精確な
転移点の比較器/ィンバータとして作用し、V,Nが、
接地電位或いは電圧Vooの何れかにある場合低消費電
力となる。第2図は、第1図の回路と同一の型であるが
、V,Nが接地電位の場合に低消費電力であるにすぎな
い。
この回路は、例えば、零電力モード‘こ準備されている
ワンショツト回路或いはワンピン発振器が所望されてい
る場合のようなLSI型回路に有効となる。第3図の回
路は、付加された入力を除け‘よ第1図の回路と本質的
に等価である。
回路の出力は、一方或いは両方の入力がVR8Fより大
きいV,Nを有する場合に低減する。この回路は、第1
図の単一入力比較器と関連して動作する場合の応用例が
ある。第3図を参照するに、先づVINI及びV・N2
が両方とも接地電位にあると仮定する。
MOSFETI14及び116は、オフとなるから、ノ
ード118及び106はVooとなる。従って、ノード
66は、電圧Vooにあり、参照抵抗R,及びR2を介
して電流は流れない。ノード124及び112は接地電
位にあり、従ってMOSFET35はオフとなり、差動
増幅器の電流源を介して流れるいかなる電流をも防止す
る。MOSFET40及び44はオンとなり、従ってノ
ード56は接地電位になり、出力がV。oになることに
帰着する。VINI或いはVIN2の何れかが立上りを
開始し、Nチャンネル関値電圧を通過する時に、ノード
118は、接地状態になるであろう。
基準抵抗R,及びR2の抵抗値の和が、MOSFETI
14,116,104及び102の‘‘オン”抵抗より
極めて大きいものと仮定する。ノード66は、前述の式
に与えられている電圧V。。からVR8Fに変化するで
あろう。ノード1 24は、MOSFET35をターン
オンせしめる電圧VDoになり、差動増幅器部分は、能
動的となる。V,N1或いはV,N2がVREFに近づ
くにつれて、差動増幅器は高利得動作領域になり、ノ一
ド56は、差動増幅器部分の利得に対応して急激な速度
でVo。に近づくであろう。/ード56は、MOSFE
T74及び76から成る出力バッファの転移点を通過し
、VoUTは、Vooから接地電位に移行するであろう
。VIN−Vooの大きさは、Pチャンネル閥値電圧よ
り4・さくなる場合に、/ード118及び106は、接
地電位に移行するであろう。基準ノード66もまた、接
地爵位に移行するであろう。ノード112は、V。Dに
移行し、MOSFET26及び60をターンオンせしめ
、それによって、差動増幅器の電流源を介して流れるい
かなる電流をも防止する。MOSFET72は、ターン
オンされ、ノード56はハイ(hi奴)に保持され、V
oUTをロー(low)に保持せしめる。Voo或いは
接地電位になる入力のすべての組み合わせに対して、回
路は低消費電力となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の好ましい実施例の概略結線タ図であ
る。 第2図は、本発明の他の実施例の結線図を示す。第3図
は、本発明の更に他の実施例の結線図を示す。第1図に
おいて、10は低消費電力の単一入力の比較器/ィンバ
ータ回路、12は入力V,N、o14は出力VoUT、
18はVoo、16は接地、20は差動増幅器、22は
基準回路、2 4はィンバ−夕。 FIG.l FIGU2 FIG.3

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 入力信号を受信する入力手段、第1,第2電圧導体
    、前記第1,第2電圧導体の間に結合され、基準電圧を
    発生する基準手段、前記基準手段に結合され、前記入力
    信号に応動して増幅信号を発生する増幅器手段、前記増
    幅信号は前記基準電圧により決定される第1転移点を有
    するものであり、前記第1増幅器手段に結合され、前記
    増幅信号に応動して前記第1転移点により決定される第
    2転移点をする増幅された反転出力を発生する第2増幅
    器手段及び前記入力信号に応動して前記基準手段を前記
    第1或いは第2電力導体に選択的にかつ電気的に結合せ
    しめる第1電力制御手段、前記入力信号に応動して前記
    第1増幅器手段を前記第1或いは第2電力導体に選択的
    にかつ電気的に結合せしめる第2電力制御手段、から構
    成されることを特徴とする精確な転移点を有する回路。 2 第1,第2電圧手段、入力信号を導通せしめる入力
    手段、前記第1,第2電圧手段に結合され、また前記入
    力手段に結合され、前記入力信号が第1閾値電圧より大
    きい大きさである場合に基準電圧を発生する基準手段、
    前記入力手段及び前記基準手段に結合され、若し前記入
    力信号が前記基準電圧より低い場合には前記第1電圧手
    段の電圧に殆んど等しく、若し前記入力信号が前記基準
    電圧より大きい場合には前記第2電圧手段の電圧に殆ん
    ど等しい第1出力信号を発生する差動増幅器手段、前記
    第1,第2電圧手段、前記基準手段及び前記差動増幅器
    手段に結合され、かつ前記入力信号に応動し、前記基準
    手段及び前記差動増幅器手段の両者を前記第1電圧手段
    に結合せしめ、前記入力信号が前記第2電圧手段の電圧
    に殆んど等しい電圧にある場合、前記基準手段及び前記
    差動増幅手段を前記第2電圧手段より電気的に減結合せ
    しめる第1手段、前記第1,第2電圧手段、前記基準手
    段及び前記入力信号に応動する前記差動増幅器手段に結
    合され、前記基準手段及び前記差動増幅器手段の両者を
    前記第2電圧手段に電気的に結合せしめ、前記入力信号
    が前記第1電圧手段の電圧に殆んど等しい電圧にある場
    合に、前記基準手段及び前記差動増幅器手段を前記第1
    電圧手段に電気的に減結合せしめる第2手段、から構成
    されることを特徴とする相補型MOS比較器回路。
JP53034003A 1977-03-25 1978-03-24 低消費電力の相補型比較器/インバータ回路 Expired JPS603249B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

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US05/781,076 US4103190A (en) 1977-03-25 1977-03-25 Complementary power saving comparator/inverter circuits
US781076 1977-03-25

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS53119647A JPS53119647A (en) 1978-10-19
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DE (1) DE2811074C2 (ja)
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GB (1) GB1596226A (ja)
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