KR100246345B1 - Voltage comparator - Google Patents
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Abstract
본 발명은 귀환회로를 구비한 전압비교기에 관한 것으로, 종래의 전압비교기는 그 증폭단의 전압이득이 작기 때문에 원하는 전압이득을 얻기 위해서는 다수의 증폭단이 필요하여 제조비용이 많이드는 문제점이 있었다. 이와같은 문제점을 감안한 본 발명은 제1클럭신호에 따라 입력전압과 기준전압을 각각 통과시키는 두 개의 제1스위치와, 상기 두 개의 제1스위치의 출력을 각각 인가받아 충전하는 제1,제2커패시터와, 상기 제1,제2커패시터의 출력을 각각 반전증폭하는 제1,제2인버터와, 제2클럭신호에 따라 기준전압을 제1커패시터로, 입력전압을 제2커패시터로 교차인가하는 두 개의 제2스위치 및 상기 제1인버터의 출력은 제2인버터의 입력으로, 제2인버터의 출력은 제1인버터의 입력으로 귀환시키는 두 개의 제2스위치와, 상기 제1,제2인버터의 양단에 각각 병렬접속되어 제3클럭신호에 따라 온/오프되는 두 개의 제3스위치와, 상기 제1인버터의 출력과 제2인버터의 출력을 입력받아 출력하는 래치부로 구성하여 하나의 증폭단으로도 원하는 전압이득을 얻을수 있어 제조시 비용을 절감하는 효과가 있다.The present invention relates to a voltage comparator having a feedback circuit. In the conventional voltage comparator, since the voltage gain of the amplifier stage is small, a large number of amplifier stages are required in order to obtain a desired voltage gain, resulting in a high manufacturing cost. In consideration of such a problem, the present invention provides two first switches for passing an input voltage and a reference voltage, respectively, according to a first clock signal, and first and second capacitors each charged with an output of the two first switches. First and second inverters for inverting and amplifying the outputs of the first and second capacitors, and two for applying a reference voltage to the first capacitor and an input voltage to the second capacitor according to the second clock signal. Outputs of the second switch and the first inverter to the input of the second inverter, the output of the second inverter to the input of the first inverter and two second switches, respectively at both ends of the first, second inverter Two third switches connected in parallel and turned on / off according to a third clock signal, and a latch unit for receiving and outputting the output of the first inverter and the output of the second inverter to obtain a desired voltage gain with one amplification stage. Can be manufactured It is effective in reducing the city cost.
Description
본 발명은 전압비교기에 관한 것으로, 특히 귀환수단을 이용하여 하나의 증폭단만으로 원하는 이득을 얻을 수 있는 아날로그/디지털 변환기의 전압비교기에 관한 것이다.The present invention relates to a voltage comparator, and more particularly, to a voltage comparator of an analog-to-digital converter that can obtain a desired gain with only one amplifier stage by using a feedback means.
종래의 전압비교기를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Referring to the conventional voltage comparator with reference to the accompanying drawings in detail as follows.
도1은 종래 전압비교기의 회로도로서, 이에 도시한 바와같이 기준전압(Vref)과 입력전압(Vin)을 입력받아 그 전압차를 검출하는 전압검출단(1)과, 그 전압검출단(1)의 출력을 입력받아 증폭하는 증폭단(2)과, 상기 증폭단(2)의 출력을 입력받아 위상을 회복하기 위해 반전증폭하는 인버터(INV3)와, 상기 인버터(INV3)의 출력을 입력받아 클럭신호(CLK)의 동기에 따라 출력전압(Vo)을 출력하는 래치부(3)로 구성된다. 상기 전압검출단(1)은 클럭신호(CLK1),(CLK2)의 제어에 의해 입력전압(Vin)과 기준전압(Vref)을 각각 통과시키는 스위치(S1),(S2)와, 그 스위치(S1),(S2)에 의해 교번하여 입력전압(Vin)과 기준전압(Vref)을 입력받는 커패시터(C1)와, 상기 커패시터(C1)의 출력을 반전증폭하는 인버터(INV1)와, 그 인버터(INV1)의 양단에 병렬접속되어 클럭신호(CLK3)에 의해 온/오프되는 스위치(3)와, 상기 인버터(INV1)의 출력을 입력받는 커패시터(C2)로 구성되며, 상기 증폭단(2)은 상기 커패시터(C2)의 출력을 반전증폭하는 인버터(INV2)와, 그 인버터(INV2)의 양단에 병렬접속되어 클럭신호(CLK3)에 의해 온/오프되는 스위치(S4)로 구성된다. 이하, 상기한 바와같이 구성된 종래 전압비교기의 동작을 도1과 도2를 참조하여 상세히 설명한다.FIG. 1 is a circuit diagram of a conventional voltage comparator. As shown in FIG. 1, a
도2는 각 스위치의 게이트에 입력되는 클럭신호의 파형도로서, 이에 도시한 바와같이 클럭신호(CLK1)는 클럭신호(CLK3)에 비해 상승에지는 동일하지만, 하이상태가 더 긴 파형이고, 클럭신호(CLK2)는 상기 클럭신호(CLK1)의 로우상태에서 상승에지와 하강에지를 갖는 파형이다. 이와같이 클럭신호(CLK1),(CLK3)가 하이상태로 인가되면 스위치(S1),(S3),(S4)가 도통되어 입력전압(Vin)과 인버터(INV1),(INV2)의 문턱전압(Vit1,Vit2)에 따른 각각의 노드(A),(B),(C),(D),(E)에 인가되는 전압(Va),(Vb),(Vc),(Vd),(Ve)과 커패시터(C1),(C2)에 충전되는 전압(Vc1),(Vc2)은 다음과 같다.FIG. 2 is a waveform diagram of a clock signal input to the gate of each switch. As shown in FIG. 2, the clock signal CLK1 is a waveform having a longer rising state than the clock signal CLK3, but having a longer high state and a clock. The signal CLK2 is a waveform having a rising edge and a falling edge in the low state of the clock signal CLK1. As such, when the clock signals CLK1 and CLK3 are applied in a high state, the switches S1, S3, and S4 are conducted so that the threshold voltages Vit1 of the input voltage Vin, the inverters INV1, and INV2 are applied. Voltages (Va), (Vb), (Vc), (Vd) and (Ve) applied to the nodes (A), (B), (C), (D), and (E) according to Vit2). The voltages Vc1 and Vc2 charged to the capacitors C1 and C2 are as follows.
Va : Vin Vb : Vit1Va: Vin Vb: Vit1
Vc : Vit1 Vd : Vit2Vc: Vit1 Vd: Vit2
Ve : Vit2Ve: Vit2
클럭신호(CLK1),(CLK3)가 로우상태가 된후 클럭신호(CLK2)가 하이상태가 되면 스위치(S1),(S3),(S4)는 차단되고 스위치(S2)가 도통되어 입력전압(Vin)과 기준전압(Vref), 그리고 인버터(INV1),(INV2)의 문턱전압(Vit1),(Vit2)과 전압이득(A1),(A2), 그리고 커패시터(C1),(C2)에 충전되는 전압(Vc1),(Vc2)에 따른 각각의 노드(A),(B),(C),(D),(E)에 걸리는 전압(Va),(Vb),(Vc),(Vd),(Ve)은 다음과 같다.When the clock signal CLK2 becomes high after the clock signals CLK1 and CLK3 go low, the switches S1, S3, and S4 are interrupted, and the switch S2 is turned on so that the input voltage Vin ) And the reference voltage (Vref) and the threshold voltage (Vit1), (Vit2) and voltage gain (A1), (A2) of the inverter (INV1), (INV2) and the capacitor (C1), (C2) Voltages Va, Vb, and Vc applied to the nodes A, B, C, D, and E according to the voltages Vc1 and Vc2. And (Ve) are as follows.
Va : VrefVa: Vref
Vb : Vb:
Vc : Vc:
Vd : Vd:
Ve : Ve:
따라서 노드(E)에 걸리는 전압(Ve)과 같이 입력전압(Vin)과 기준전압(Vref)의 차전압에 인버터(INV1),(INV2)의 전압이득(A1),(A2)이 곱해져서 출력되고, 이 전압을 인버터(INV3)가 입력받아 본래의 위상을 회복하고, 래치부(3)가 상기 인버터(INV3)의 출력을 입력받아 클럭신호(CLK)의 동기에 따라 출력전압(Vo)을 출력한다.Therefore, the voltage gains A1 and A2 of the inverters INV1 and INV2 are multiplied by the difference between the input voltage Vin and the reference voltage Vref, such as the voltage Ve applied to the node E. The inverter INV3 is inputted to restore the original phase, and the
그러나, 상기한 바와같은 전압비교기는 증폭단의 이득이 작기 때문에 실제 사용될 때는 다수의 증폭단이 필요하여 제조시 비용이 많이드는 문제점이 있었다.However, the voltage comparator as described above has a problem in that a large number of amplification stages are required in actual use, which is expensive in manufacturing because the gain of the amplifier stage is small.
본 발명은 상기한 바와같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 증폭단의 회로구성을 귀환회로가 포함되도록 하여 종래의 클럭신호는 변화가 없도록 하고 하나의 증폭단만으로 원하는 이득을 얻을 수 있는 전압비교기를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was devised to solve the above problems, and provides a voltage comparator that allows a circuit configuration of an amplifier stage to include a feedback circuit so that a conventional clock signal is unchanged and a desired gain can be obtained with only one amplifier stage. Its purpose is to.
도1은 종래 전압비교기의 회로도.1 is a circuit diagram of a conventional voltage comparator.
도2는 각 스위치의 게이트에 입력되는 클럭신호의 파형도.2 is a waveform diagram of a clock signal input to a gate of each switch.
도3은 본 발명에 의한 전압비교기의 회로도.3 is a circuit diagram of a voltage comparator according to the present invention.
***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명****** Description of the symbols for the main parts of the drawings ***
10:전압검출단 20:증폭단10: voltage detection stage 20: amplification stage
30:래치부 S11∼S14, S21∼S24:스위치30: Latch part S11 to S14, S21 to S24: Switch
C1,C2:커패시터 INV1∼INV2:인버터C1, C2: Capacitor INV1 to INV2: Inverter
상기한 바와같은 목적은 클럭신호(CLK1)에 따라 온/오프되어 입력전압과 기준전압을 각각 인가 및 차단하는 제1,제2스위치와, 상기 제1,제2스위치로부터 입력전압 또는 기준전압을 각각 입력받아 충전하는 제1,제2커패시터와, 상기 제1,제2커패시터의 출력을 각각 입력받아 반전증폭하는 제1,제2인버터와, 상기 제1,제2인버터의 양단에 각각 접속되고, 클럭신호(CLK3)에 따라 온/오프되는 제3,제4스위치와, 클럭신호(CLK2)에 따라 온/오프되어 입력전압 또는 기준전압을 교차 및 차단시키는 제5,제6스위치 및 상기 제1인버터의 출력은 제2인버터의 입력으로, 제2인버터의 출력은 제1인버터의 입력으로 귀환시키는 제7,제8스위치와, 상기 제1,제2인버터의 출력을 입력받아 클럭신호(CLK)의 동기에 따라 출력전압을 출력하는 래치부로 구성함으로써 달성되는 것으로, 이하 본 발명에 의한 전압비교기를 도2와 도3을 참조하여 상세히 설명한다.As described above, the first and second switches turn on / off according to the clock signal CLK1 to apply and cut off the input voltage and the reference voltage, respectively, and the input voltage or the reference voltage from the first and second switches. First and second capacitors each receiving and charging, first and second inverters receiving and amplifying the outputs of the first and second capacitors, respectively, and connected to both ends of the first and second inverters, respectively. Third and fourth switches that are turned on / off according to the clock signal CLK3, and fifth and sixth switches that turn on / off according to the clock signal CLK2 to cross and block an input voltage or a reference voltage. The output of the first inverter is the input of the second inverter, the output of the second inverter is the seventh and eighth switches to return to the input of the first inverter, and the output of the first and second inverter to receive the clock signal (CLK) This is achieved by configuring a latch unit for outputting an output voltage according to the synchronization of A voltage comparator according to the present invention with reference to Figure 3 and Figure 2 will be described in detail.
도3은 본 발명에 의한 전압비교기의 회로도로서, 이에 도시한 바와같이 기준전압(Vref)과 입력전압(Vin)을 입력받아 그 전압차를 검출하는 전압검출단(10)과, 상기 전압검출단(10)의 출력을 입력받아 증폭하는 증폭단(20)과, 상기 증폭단(20)의 출력을 입력받아 클럭신호(CLK)의 동기에 따라 출력전압(Vo)을 출력하는 래치부(30)로 구성된다. 상기 전압검출단(10)은 클럭신호(CLK1)의 제어에 의해 입력전압(Vin)을 제1커패시터(C1)로, 기준전압(Vref)을 제2커패시터(C2)로 통과시키는 스위치(S11),(S12)와, 그 스위치(S11),(S12)를 통해 입력전압(Vin) 및 기준전압(Vref)을 각각 입력받아 충전하는 커패시터(C1),(C2)와, 클럭신호(CLK2)의 제어에 의해 입력전압(Vin)을 커패시터(C2)로, 기준전압(Vref)을 커패시터(C1)로 교차인가하는 스위치(S13),(S14)로 구성되며, 상기 증폭단(20)은 상기 커패시터(C1),(C2)의 출력을 입력받아 각각 반전증폭하는 인버터(INV1),(INV2)와, 그 인버터(INV1),(INV2)의 양단에 각각 접속되고, 클럭신호(CLK3)의 제어에 의해 온/오프되는 스위치(S21),(S22)와, 클럭신호(CLK2)의 제어에 의해 상기 인버터(INV1)의 출력은 인버터(INV2)의 입력으로, 인버터(INV2)의 출력은 인버터(INV1)의 입력으로 귀환시키는 스위치(S23),(S24)로 구성된다. 이하 상기한 바와같이 구성된 본 발명에 의한 전압비교기의 동작을 설명한다. 이때, 각 스위치의 게이트에 입력되는 클럭신호의 파형은 종래와 동일하게 도2에 도시한 바와같다.FIG. 3 is a circuit diagram of a voltage comparator according to the present invention. As shown therein, a
클럭신호(CLK1),(CLK3)가 하이상태로 인가되면 스위치(S11),(S12),(S21),(S22)가 도통되어 입력전압(Vin)과 인버터(INV1),(INV2)의 문턱전압(Vit1,Vit2)에 따른 각각의 노드(A),(B),(C),(D),(E),(F)에 인가되는 전압(Va),(Vb),(Vc),(Vd),(Ve),(Vf)과; 커패시터(C1),(C2)에 충전되는 전압(Vc1),(Vc2)은 다음과 같다.When the clock signals CLK1 and CLK3 are applied in the high state, the switches S11, S12, S21, and S22 are turned on, so that the thresholds of the input voltage Vin and the inverter INV1 and INV2 are applied. Voltages Va, Vb, and Vc applied to the nodes A, B, C, D, E, and F according to the voltages Vit1 and Vit2, respectively. (Vd), (Ve), (Vf); Voltages Vc1 and Vc2 charged in the capacitors C1 and C2 are as follows.
클럭신호(CLK1),(CLK3)가 로우상태가 된후 클럭신호(CLK2)가 하이상태가 되면 스위치(S11),(S12),(S21),(S22)는 차단되고 스위치(S13),(S14),(S23),(S24)가 도통되어 입력전압(Vin)과 기준전압(Vref), 그리고 인버터(INV1),(INV2)의 문턱전압(Vit1),(Vit2)과 전압이득(A1),(A2), 그리고 커패시터(C1),(C2)에 충전되는 전압(Vc1),(Vc2)에 따른 각각의 노드(A),(B),(C),(D),(E),(F)에 걸리는 전압(Va),(Vb),(Vc),(Vd),(Ve),(Vf)은 다음과 같다.When the clock signals CLK2 go high after the clock signals CLK1 and CLK3 go low, the switches S11, S12, S21, and S22 are cut off, and the switches S13 and S14. ), (S23), (S24) are conducted so that the input voltage Vin and the reference voltage Vref, and the threshold voltages Vit1, Vit2 and voltage gain A1 of the inverters INV1 and INV2, (A2) and the nodes (A), (B), (C), (D), (E), and (2) according to the voltages Vc1 and Vc2 charged to the capacitors C1 and C2, respectively. The voltages Va, Vb, Vc, Vd, Ve and Vf applied to F) are as follows.
Va : Va:
Vb : Vb:
Vc : Vc:
Vd : Vd:
Ve : Ve:
Vf : Vf:
그리고, 상기 노드(F)에 걸리는 전압(Vf)은 스위치(S23),(S24)에 의해 노드(B)로 귀환되고 인버터(INV1)를 통해 증폭된다. 따라서, 귀환 및 증폭된 노드(C)에 걸리는 최종전압은 입력전압(Vin)과 기준전압(Vref)의 차전압에 인버터(INV1),(INV2)의 전압이득(A1),(A2)이 곱해진 값이고, 래치부(30)가 일측과 타측에 상기 인버터(INV1),(INV2)의 출력을 입력받아 클럭신호(CLK)의 동기에 따라 출력전압(Vo)을 출력한다.The voltage Vf applied to the node F is returned to the node B by the switches S23 and S24 and amplified by the inverter INV1. Therefore, the final voltage applied to the feedback and amplified node C is multiplied by the difference between the input voltage Vin and the reference voltage Vref by the voltage gains A1 and A2 of the inverters INV1 and INV2. The
상기한 바와같이 구성 및 동작하는 본 발명에 의한 전압비교기는 증폭단에 귀환회로를 추가함에 따라 종래와 동일한 클럭신호의 조건에서 하나의 증폭단만으로 다수의 증폭단을 통해 얻을 수 있는 이득을 얻을수 있으므로, 회로의 구성을 단순화함과 아울러 설계 비용을 절감하는 효과가 있다.The voltage comparator according to the present invention, which is constructed and operated as described above, can obtain a gain obtained through a plurality of amplifier stages with only one amplifier stage under the same clock signal condition as the conventional circuit. This simplifies configuration and reduces design costs.
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