JPS6065613A - チヨツパタイプコンパレ−タ - Google Patents

チヨツパタイプコンパレ−タ

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JPS6065613A
JPS6065613A JP58172967A JP17296783A JPS6065613A JP S6065613 A JPS6065613 A JP S6065613A JP 58172967 A JP58172967 A JP 58172967A JP 17296783 A JP17296783 A JP 17296783A JP S6065613 A JPS6065613 A JP S6065613A
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JP
Japan
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comparator
conductivity type
voltage
gate
type transistor
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JP58172967A
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JPH058606B2 (ja
Inventor
Tatsuji Matsuura
達治 松浦
Toshiro Tsukada
敏郎 塚田
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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    • HELECTRICITY
    • 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
    • H03K5/249Circuits 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 using clock signals

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は集積化されたA/D変換器等に用いるチョッパ
タイプコンパレータに関−する。
〔発明の背景〕
従来のCMO8によるチョッパタイプコンパレータは、
文献(IE3VOL 5C−14A 6 DEC1.9
79.pp、926−932)で知られている。第1図
にこのコンパレータを示す。このコンパレータは、9M
O821およびnMO822から成るCMOSインバー
タと、インバータの入出力を短絡するスイッチ40と、
参照電圧■raf入力端子13と、入力信号v1n入力
端子12と、結合コンデンサ31と、結合コンデンサを
端子10又は12に切p換えるスイッチ41.42よシ
構成されている。なお端子10はコンパレータの入力端
子、端子11は出力端子、コンデンサ32は負荷容量で
ある。この回路は次のように2相クロツクで動作する。
クロック期間φすなわちリセット期間で、スイッチ40
と41を閉じ、入力端子10が参照電圧のとき出力が論
理スレッショルド電圧になるよう設定する。つぎのクロ
ック期間Tでスイッチ40全開きインバータをアンプと
して動作させると同時に、スイッチ41を開き42を閉
じ入力を参照電圧から入力電圧に変える。すると入力電
圧と参照電圧の差が増幅されて出力される。
この回路は単純で優れているが、リセット期間でスイッ
チ40を閉じインバータの入出力を短絡するので電源か
らグランドへの貫通電流が流れ、低消費電力化には適さ
ない。特にコンパレータの動作速度を速めるよう設制す
ると消費電力が大きくなる欠点がある。
クロック期間■の動作速度は(1)式で表わせる。
ただし動作速度を出力電圧Voの変化速度で表わすこと
にする。
ここでCLは負荷容i32の容量1直、ΔVは入力電圧
V1nと参照電圧V raf O差、kVi入力信号Δ
Vの分圧比で、結合コンデンサ31の容量値をCc、イ
ンバータ入力端子のゲート容量等による寄生容iL k
 Csとずればk = Cc / (Cc 十〇s )
となる。gllINlgmpはそれぞれnMO822お
よび9MO821の相互コンダクタンスである。
(1)入力・ら出力電圧の変化速度を増すには相互コン
ダクタンスgmを上ければよい。n M OSの相互コ
ンダクタンスgmNは(2)式で沓かれる。
ここでβwBコンダクタンス定数、(W/L)Nはトラ
ンジスタのゲート幅Wとゲート長りの比、V arm、
ゲート・ソース間バイアス、VrUスレッショルド電圧
である。第1図のコンパレータの場合ケート・ソース間
バイアス電圧は論理スレッショルド電圧VLTに設定さ
れるから、Vas =VLTとなる。したがって相互コ
ンダクタンスを増すには(W/L)N′f:大きくする
ことが必要である。
ところでリセット期間の貫通電流は(3)式のように書
ける。
ただしVcg=VtTである。したがって従来型のコン
パレータでは相互コンダクタンスを増すため(W/L)
Nを大きくすると貫通電流も増してしまい、消費電力が
大きくなる欠点があった。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、低消費電力のコンパレータ回路を提供
することにある。
〔発明の概要〕
本発明では、相互コンダクタンスが(W/L)と実効ゲ
ートバイアス(V as−V t )に比例するのに対
し、貫通電流が(W/L)に比例し実効バイアス(Va
s−VT )の二乗に比例することに着目し、(W/L
)を増しかつ実効ゲートバイアスを低減できる回路構成
を発明することにより高速化と低消費電力化を計った。
〔発明の実施例〕
以下、本発明を実施例を参照して詳細に説明する。第2
図は本発明の第1の実施例を示す図である。従来型コン
パレータのインバータ接続をやめ、1)MO821のゲ
ートバイアス端子13を新たに設け、さらに9MO82
1に信号を入力する結合コンデンサ31−1を設けた。
この回路も2相クロツクで動作する。クロック期間φ(
リセット期間)でスイッチ40−1と40−2および4
1を閉じる。9MO821のゲート電圧が端子13に加
えられたゲートバイアス電圧Vpとカリ、また1MO8
22のゲート電圧はpMosに流れる電流によりあるリ
セットレベルvRに決まる。スイッチ41が閉じられて
いるので、結合コンデンサ31−1.31−2には、入
力端子ioが参照電圧のとき出力がリセットレベルVR
になる電荷が蓄積される。つぎのクロック期間Tでスイ
ッチ40−1.40−2.41を開き、アンプとして動
作させると同時に、スイッチ41を開き42を閉じ入力
を参照電圧から入力電圧に変える。すると入力電圧と参
照電圧の差が増幅されて出力される。
この回路ではリセット時の出力電圧vRは論理スレッシ
ョルドVLTより低い。しかし次段のラッチ又はコンパ
レータと結合コンデンサで結ぶことによシレベルシフト
させれば問題にならない。
この発明の詳細な説明するために、従来のコンパレータ
と消費電力すなわち貫通電流を同一にしたま壕速度を数
倍に上げる設計法を説明する。
本発明のコンパレータの動作速度は(4)式で表わせる
ただしkWは入力信号のNMO8側分圧比、kPは入力
信号のpMO8側分圧比である。結合コンデンサ31−
1.31−2の大きさをCcp。
CCN 、0MO821およびnMOsゲート寄生容量
をCap 、 C8Nとすると である。なお従来型コンパレ〜りと本発明のコンパレー
タでの入力信号分圧比はほぼ等しい。
kp=JcN=k また本発明のコンパレータの相互コンダクタンス及び貫
通電流は従来型と同じ(2)式及び(3)式で表わせる
いまかりに本発明のコンパレータの実効バイアス電圧(
Vog VT )と(W/L)f:、従来のコンパレー
タの実効バイアス電圧(Vas−Vt)と(W/L)に
等しくするとクロック期間jでの動作速度と貫通電流は
等しくなる。
つぎに貫通電流を変えないようにトランジスタのゲート
サイズ(W/L)をX2倍しかつ実効ノくイアスミ圧を
1 / X倍すると、相互コンダクタンスは(2)式か
らX倍になることがわかる。もし分圧比kp、kN及び
負荷容量CLがほぼかわらなければ、クロック期間Tで
の動作速度は相互コンダクタンスに比例するからX倍に
なる。
実効バイアス電圧は5■電源の従来型の場合は約2vで
ある。本発明のコンパレータでは実効ノ(イアスミ圧は
約0.3 Vす々わちサブスレッショルド電圧になる直
前4まで低下できる。実効)(イアスミ圧は1/7程度
になり、したがって理想的にはコンパレータのクロック
期間■での動作速度を約7倍にできることになる。
実際にはトランジスタサイズ(W/L )’eX2倍に
するため寄生容量が増し、分圧比kP、kNが低下しか
つ負荷容量も増すからX倍まではよくならない。寄生容
量の増加分を考慮に入れて動作速度の改善効果をめると
、詳細は省略するが、ゲート容量が結合容量の2%のと
きは24倍、3%のときは2.0倍、5%のときは1.
6倍の効果がある。
コンパレータは2相クロツクで動作するので全体の動作
速度を向上するには、クロック期間1での動作速度が向
上すると同時に、クロック期間φでの動作速度も向上し
なければならない。
本発明のコンパレータのクロック期間φでの動作速度は
時定数τで表わすと、 となる。ただしg mP ” g 、Nと仮定した。
寄生容量の増加を考慮しなければ実効バイアス電圧を1
/’x倍すると動作速度がx/2倍されることがわかる
。寄生容量増加を入れて計算すると、ゲート容量が結合
容量の2%のときは3.6倍、3%のときは3.0倍、
5%のときは2,4倍の改善効果が得られる。したがっ
て本発明のコンパレータは2相クロツク期間どちらの動
作速度も向上する。
コンパレータの性能は速度だけでなく利得も高いことが
望ましい。利得Aは次式で表わせる。
A = g、・Rout −・−・−(6)ここでRo
ut Uインバータの出力抵抗である。インバータの出
力抵抗は貫通電流に反比例する。実効ケートバイアスを
1 / x倍し、ゲートサイズをX2倍するmJ記の設
計法によれば貫通電流は従来型と等しいので出力抵抗は
従来型と等しく相互コンダクタンスはX倍になるので利
得はX倍になる。
つ才り本発明によれば高速かつ高利得なコンパレータが
得られる。
つき゛に本発明の第2の実施例を第3図に示す。
第1の実施例における結合コンデンサの接続を変更した
もので、第1の実施例と同じ効果が得られる。
つぎに本発明の第3の実施例を第4図に示す。
第1の実殉例におけるインバータにトランジスタ23お
よび24によるゲート接地増幅器を挿入した。1瑞子1
3および14はゲートバイアスを与える端子である。こ
の回路は増幅段1段で従来の増幅段2段分の利寿があり
、従来のコンパレータを2段縦続接続したコンパレータ
に比較し、利得ハ同等遅延時間が鎧かくかつ消費電力が
1/2のコンパレータになる。
最後にクロックフィードスルー’4J’ Ntについテ
述べる。従来型コンパレータではリセットスイッチ40
の制御クロックが1言号にもれ込むクロックフィードス
ルーのため発生するオフセット誤差が問題でを)つた。
そのためリセットスイッチ40に0MO8を使い、また
補償スイッチを用いるなどの手段でインバータの入力側
へもれ込むクロックフィードスルーをほぼ零にする必要
があった。しかしクロックの位相ずれにより補償効果が
変わるなどの問題があった。
本発明のコンパレータではリセットスイッチが40−1
と40−2の2つに分れている。スイッチ40−1のフ
ィードスルーとスイッチ40−2のフィードスルーの極
性が逆で大きさがほぼ等しければフィードスルーがあっ
てもオフセット誤差が小ざい。そのためスイッチ40−
1とスイッチ40−2には相補極性のトランジスタを用
いる。
このときにはクロックの位相が多少ずれてもオフセット
誤差ばあま9変らない。
〔発明の効果〕
以上に説明したように、本発明によれば低消費コンパレ
ータを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来型コンパレータの回路図、第2図は本発明
の第1の実施例を示す回路図、第3図は第2の実施例を
示す回路図、第4図は第3図の実施例を示す回路図であ
る。 21.22・・・インバータを構成するトランジスタ、
31−1.31−2・・・結合コンデンサ、40−1゜
40−2・・リセットスイッ−y−5io・・・コンパ
レー第 l 囚 第 2 口 (/3 椿 ろ び〕 第 4 日

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、結合コンデンサとCMOSインバータと前記インバ
    ータの入出力を短絡するリセットスイッチからなるチョ
    ッパタイプコンパレータにおいて、リセット時に、第1
    導電型トランジスタと第2導電型トランジスタのゲート
    にそれぞれ別のゲート電圧を設定する手段を設けたこと
    を特徴とするチョッパタイプコンパレータ。 2、第1項に記載するコンパレータにおいて、リセット
    時に、第1導電型トランジスタにゲートバイアスを与え
    、第2導電型トランジスタは入出力を短絡することによ
    りバイアスを与え、比較動作時には入力電圧が結合コン
    デンサにより第1および第2導電型トランジスタのゲー
    ト印加される手段を設けたことを特徴とするチョッパタ
    イプコンパレータ。 3、第1項又は第2項に記載するコンパレータ回路にお
    いて、第1導電型トランジスタのドレインと出力端子の
    間に、第1導電型トランジスタによるゲート接地型増幅
    器を接続し、壕だ、第2導電型トランジスタのドレイン
    と出力端子の間に、第2導電型トランジスタによるゲー
    ト接地型増幅器を接続したチョッパタイプコンパレータ
    。 4、第1項から第4項のいずれかに記載するコンパレー
    タ回路において、第1導電型トランジスタにゲートバイ
    アスを与えるスイッチトランジスタと、第2導電型トラ
    ンジスタの入出力を短絡するスイッチトランジスタに相
    補の導電型トランジスタを用いたチョッパタイプコンパ
    レータ。
JP58172967A 1983-09-21 1983-09-21 チヨツパタイプコンパレ−タ Granted JPS6065613A (ja)

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