KR100603593B1 - Ultra-low-power synchronized two-stage comparator for pwm controller - Google Patents

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노정진
김기태
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 비교기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 DC-DC 컨버터 내부의 PWM 컨트롤러의 도구로 사용되는 효율적인 초 전력 비교기에 관한 것이다. 기준 신호 및 톱니파 신호를 입력받아 상기 톱니파 신호의 크기가 상기 기준 신호의 크기보다 큰 경우에 소정의 크기를 가지는 PWM 신호를 출력하는 비교 회로-여기서, 상기 톱니파 신호는 시스템 클럭과 주기가 동일함- 및 상기 시스템 클럭에 동기화하여 상기 비교 회로의 PWM 신호 출력을 리셋하는 하강 에지 동기화 회로를 포함하는 PWM 컨트롤러를 위한 초 저전력 동기화 비교기에 관한 것이다. 본 발명에 의한 초 저전력 동기화 비교기는 빠른 속도를 위해 비교기의 출력 파형의 하강 에지를 시스템 클럭에 동기화시킴으로써 작은 비교지연시간을 갖도록 할 수 있다.The present invention relates to a comparator, and more particularly to an efficient super power comparator used as a tool of a PWM controller inside a DC-DC converter. A comparison circuit for receiving a reference signal and a sawtooth signal and outputting a PWM signal having a predetermined magnitude when the magnitude of the sawtooth signal is larger than the reference signal, wherein the sawtooth signal has the same period as the system clock; And a falling edge synchronization circuit configured to reset the PWM signal output of the comparison circuit in synchronization with the system clock. The ultra low power synchronous comparator according to the present invention can have a small comparison delay time by synchronizing the falling edge of the output waveform of the comparator to the system clock for high speed.

PWM 컨트롤러, 저전력, 동기화, 비교기 PWM controller, low power, synchronization, comparator

Description

PWM 컨트롤러를 위한 초 저전력 동기화 비교기{Ultra-low-power synchronized two-stage comparator for PWM controller}Ultra-low-power synchronized two-stage comparator for PWM controller

도 1a는 일반적인 PWM 컨트롤러를 나타낸 도면. 1A shows a typical PWM controller.

도 1b는 일반적인 PWM 컨트롤러에 의한 이상적인 PWM 출력 신호를 도시한 도면.1B shows an ideal PWM output signal by a typical PWM controller.

도 2는 기존의 일반적인 CMOS 전압 비교기를 도시한 도면.2 illustrates a conventional general CMOS voltage comparator.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 하강 에지 동기화 회로를 포함한 비교기를 도시한 도면.3 illustrates a comparator including a falling edge synchronization circuit in accordance with a preferred embodiment of the present invention.

도 4a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 전력 소모 감소 및 빠른 지연 시간을 가지는 비교기 내의 비교 회로를 도시한 도면.4A illustrates a comparison circuit in a comparator with reduced power consumption and fast delay time in accordance with one preferred embodiment of the present invention.

도 4b는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의한 하강 에지 동기화 회로를 포함한 비교기를 도시한 도면.4B illustrates a comparator including a falling edge synchronization circuit in accordance with another preferred embodiment of the present invention.

도 5는 도 2에 도시된 전압 비교기를 포함한 PWM 컨트롤러의 입력 파형 및 출력 파형을 도시한 그래프.FIG. 5 is a graph showing an input waveform and an output waveform of a PWM controller including the voltage comparator shown in FIG. 2. FIG.

도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 비교기를 포함한 PWM 컨트롤러의 입력 파형 및 출력 파형을 도시한 그래프.6 is a graph showing an input waveform and an output waveform of a PWM controller including a comparator according to an exemplary embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

100 : 비교기100: comparator

200 : 차동회로200: differential circuit

300 : 차동 증폭 수단 310 : 전류 미러300: differential amplification means 310: current mirror

350 : 비교 회로350: comparison circuit

400 : 하강 에지 동기화 회로400: falling edge synchronization circuit

본 발명은 비교기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 DC-DC 컨버터 내부의 PWM(Pulse Width Modulation, 펄스폭 변조; 이하 'PWM'이라 함) 컨트롤러의 도구로 사용되는 효율적인 초 전력 비교기에 관한 것이다. The present invention relates to a comparator, and more particularly, to an efficient ultra-power comparator used as a tool of a PWM (Pulse Width Modulation) controller in a DC-DC converter.

PWM 컨트롤러 내부에 위치하는 비교기를 위한 설계기준은 일반적인 비교기들과는 다르다. 일반적인 비교기의 설계기준은 ① 낮은 오프셋 전압, ② 높은 분해능, ③ 작은 지연시간 그리고 ④ 정상상태의 안정성이다. 일반적인 비교기들은 다른 모든 상황들을 다루어야만 한다. 그러나 PWM 컨트롤러에 사용되는 비교기는 입력파형이 정형화되어 있다. 즉, 입력신호의 파형을 알고 있으므로 상술한 일반적인 비교기의 설계기준을 모두 따를 필요가 없는 것이다.The design criteria for a comparator located inside a PWM controller are different from typical comparators. Typical comparator design criteria are ① low offset voltage, ② high resolution, ③ small delay time, and ④ steady-state stability. Generic comparators have to deal with all other situations. However, comparators used in PWM controllers have a formal input waveform. That is, since the waveform of the input signal is known, it is not necessary to follow all the design criteria of the general comparator described above.

배터리 구동시스템에서 PWM 컨트롤러의 중요한 필요조건은 최소한의 파워 소모인데, 최근 배터리로 구동되는 휴대용 시스템의 수의 증가로 인하여 DC-DC 컨버터를 위한 저전력 PWM 컨트롤러는 중요시 되고 있다. 그러나 회로의 설계는 저전력 파워소모의 제약 아래에서 빠른 속도가 요구되기 때문에 점차 어려워진다. DC-DC 컨버터의 가장 중요한 점은 PWM 컨트롤러 자체의 파워 소모가 최소화되어야 하는 전력변환효율이다. 이에 반해 현재의 DC-DC 컨버터의 스위칭 속도는 증가하고 있다. 빠른 스위칭 속도가 가지는 의미는 첫째로 신호처리 대역 안에 스위칭 잡음과 관계가 있다. 스위칭 주파수를 증가함으로써 스위칭 잡음은 신호대역 밖 고주파로 벗어난다. 또한, 둘째 의미는 칩 외부의 인덕터와 캐패시터 크기를 줄일 수 있으므로 휴대용 기기가 더욱더 소형화될 수 있다. 그러나 회로 설계에 있어서 일반적으로 속도와 전력은 서로 상호제약적인 조건이다. An important requirement for PWM controllers in battery-powered systems is minimal power consumption. Recently, low-power PWM controllers for DC-DC converters have become important due to the increasing number of battery-powered portable systems. However, the design of the circuit becomes increasingly difficult because it requires high speed under the constraint of low power consumption. The most important aspect of the DC-DC converter is power conversion efficiency, where the power consumption of the PWM controller itself must be minimized. In contrast, the switching speed of current DC-DC converters is increasing. The implications of fast switching speeds first relate to switching noise in the signal processing band. By increasing the switching frequency, the switching noise leaves the high frequency out of the signal band. In addition, the second meaning is that the size of the inductor and capacitor outside the chip can be reduced, thereby making the portable device even smaller. However, in circuit design, speed and power are generally mutually constrained conditions.

따라서, 상술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 목적은 빠른 속도를 위해 비교기의 출력 파형의 하강 에지를 시스템 클럭에 동기화시킴으로써 작은 비교지연시간을 갖는 PWM 컨트롤러를 위한 초 저전력 동기화 비교기를 제공하고자 한다. Accordingly, to solve the above problem, an object of the present invention is to provide an ultra low power synchronized comparator for a PWM controller with a small comparison delay time by synchronizing the falling edge of the output waveform of the comparator to the system clock for high speed. .

본 발명의 다른 목적은 전력 소모를 최소화할 수 있는 PWM 컨트롤러를 위한 초 저전력 동기화 비교기를 제공하고자 한다. Another object of the present invention is to provide an ultra low power synchronized comparator for a PWM controller that can minimize power consumption.

본 발명의 다른 목적은 비교기의 출력 파형의 하강 에지를 시스템 클럭에 동 기화시킴으로써 회로 설계를 간단히 할 수 있는 PWM 컨트롤러를 위한 초 저전력 동기화 비교기를 제공하고자 한다.Another object of the present invention is to provide an ultra low power synchronous comparator for a PWM controller that can simplify the circuit design by synchronizing the falling edge of the output waveform of the comparator to the system clock.

상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 기준 신호 및 톱니파 신호를 입력받아 상기 톱니파 신호의 크기가 상기 기준 신호의 크기보다 큰 경우에 소정의 크기를 가지는 PWM 신호를 출력하는 비교 회로-여기서, 상기 톱니파 신호는 시스템 클럭과 주기가 동일함-; 및 상기 시스템 클럭에 동기화하여 상기 비교 회로의 PWM 신호 출력을 리셋하는 하강 에지 동기화 회로를 포함하는 PWM 컨트롤러를 위한 초 저전력 동기화 비교기를 제공한다.To achieve the above objects, according to an aspect of the present invention, a comparison circuit for receiving a reference signal and a sawtooth signal and outputting a PWM signal having a predetermined size when the magnitude of the sawtooth signal is larger than the reference signal Wherein the sawtooth signal has the same period as the system clock; And a falling edge synchronization circuit configured to reset the PWM signal output of the comparison circuit in synchronization with the system clock.

바람직하게는, 상기 비교 회로는 포지티브 입력 단자와 네거티브 입력 단자를 통해 입력받은 두 신호의 차이에 따라 바이어스 전류를 분배하고 증폭하여 출력 전류를 생성하는 차동 증폭 수단과, 상기 차동 증폭 수단에 상기 바이어스 전류를 공급하는 전류 미러를 포함하는 전류 미러 OTA; 및 상기 차동 증폭 수단에서 생성된 상기 출력 전류에 따라 출력 전압을 풀업하는 풀업(pull-up) 트랜지스터와, 게이트가 상기 차동 증폭 수단의 상기 포지티브 입력 단자에 연결된 트랜지스터의 드레인에 연결되어 출력 전압을 푸시하는 푸시(push) 트랜지스터를 포함하는 AB급 출력부를 포함하되, 상기 AB급 출력부의 풀업 트랜지스터에 흐르는 대기 전류를 최소화하여 전력 소모를 작게 하는 것을 특징으로 할 수 있다. Preferably, the comparison circuit comprises differential amplifying means for distributing and amplifying a bias current according to a difference between two signals input through a positive input terminal and a negative input terminal to generate an output current, and the bias current in the differential amplifying means. A current mirror OTA comprising a current mirror for supplying a; And a pull-up transistor for pulling up an output voltage according to the output current generated by the differential amplifying means, and a gate connected to the drain of a transistor connected to the positive input terminal of the differential amplifying means to push an output voltage. A class AB output unit including a push transistor may be included, and power consumption may be reduced by minimizing a standby current flowing through the pull-up transistor of the class AB output unit.

또한, 상기 하강 에지 동기화 회로는 입력된 상기 시스템 클럭을 반전시키는 인버터; 게이트는 상기 인버터의 출력단에 연결되고, 상기 반전된 시스템 클럭에 동기화되어 상기 풀업 트랜지스터를 턴오프시키는 제1 리셋 스위치; 및 게이트는 상기 인버터의 출력단에 연결되고, 상기 반전된 시스템 클럭에 동기화되어 상기 푸시 트랜지스터를 턴온시키는 제2 리셋 스위치를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. The falling edge synchronization circuit may include an inverter for inverting the input system clock; A first reset switch connected to an output terminal of the inverter and configured to turn off the pull-up transistor in synchronization with the inverted system clock; And a second reset switch connected to an output terminal of the inverter and configured to turn on the push transistor in synchronization with the inverted system clock.

바람직하게는, 상기 비교기에 포함되는 트랜지스터는 CMOS로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다. Preferably, the transistor included in the comparator may be formed of a CMOS.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다. 이하, 본 발명에 따른 PWM 컨트롤러를 위한 초 저전력 동기화 비교기의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 이하 상세한 설명에서는 CMOS 트랜지스터를 기준으로 설명하며, CMOS 이외에 NMOS, PMOS 트랜지스터 또는 JFET의 경우에도 본 발명이 적용됨은 물론이다. 또한, N형 트랜지스터 및 P형 트랜지스터로 이루어진 회로의 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 대칭되는 P형 트랜지스터 및 N형 트랜지스터로 변환되어 이루어질 수 있음은 당연하다. 이하 설명에서 사용되는 도면의 시뮬레이션은 CMOS 0.35㎛ 공정 파라미터를 사용한 HSPICE 시뮬레이션으로 실행함을 특징으로 하며 이것이 권리범위를 한정하는 것이 아님은 물론이다.Other objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and the preferred embodiments associated with the accompanying drawings. Hereinafter, a preferred embodiment of an ultra low power synchronous comparator for a PWM controller according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Hereinafter, the detailed description will be made based on a CMOS transistor, and the present invention may be applied to an NMOS, a PMOS transistor, or a JFET in addition to the CMOS. In addition, it is a matter of course that the configuration of the circuit consisting of the N-type transistor and the P-type transistor can be made by converting the P-type transistor and the N-type transistor symmetrical by those skilled in the art. The simulation of the drawings used in the following description is characterized in that it is performed by HSPICE simulation using CMOS 0.35㎛ process parameters, which of course does not limit the scope of rights.

도 1a는 일반적인 PWM 컨트롤러를 나타낸 도면이고, 도 1b는 일반적인 PWM 컨트롤러에 의한 이상적인 PWM 출력 신호를 도시한 도면이다. FIG. 1A is a diagram illustrating a general PWM controller, and FIG. 1B is a diagram illustrating an ideal PWM output signal by a general PWM controller.

도 1a를 참조하면, PWM 컨트롤러는 기본적으로 출력 전압이나 전류의 오차를 검출하여 증폭하는 오차증폭기(도시되지 않음), 검출된 오차 전압과 톱니파(Saw tooth wave)를 비교하여 펄스를 발생시키는 비교기(Comparator, 100), DC-DC 컨버터의 스위치를 구동하는 구동회로(도시되지 않음)를 포함한다. Referring to FIG. 1A, a PWM controller basically includes an error amplifier (not shown) for detecting and amplifying an error of an output voltage or a current, and a comparator for generating a pulse by comparing the detected error voltage with a saw tooth wave ( Comparator 100), and a driving circuit (not shown) for driving a switch of the DC-DC converter.

PWM 컨트롤러의 동작 설명을 간단히 하면 비교기(100)에서는 오차증폭기의 출력에서 검출된 오차 전압의 전위에 따라 일정 주기를 갖는 톱니파와 비교하여 교차되는 부분에서 톱니파보다 전위가 높은 부분만 출력하게 된다. 이를 통해 일정 주기하에서 펄스의 폭이 조절되어 원하는 오차증폭기의 기준 전압(Vc)과 일치되도록 출력이 조절된다. 이 경우 펄스 폭이 출력의 크기를 결정하게 되는데, 그 원리는 펄스 폭과 휴지 시간의 비에 의해 펄스 폭의 시간과 높이(전압을 나타냄)의 적분값으로 평균출력을 얻게 된다.Briefly describing the operation of the PWM controller, the comparator 100 outputs only a portion having a higher potential than that of the sawtooth wave at the intersection portion compared with the sawtooth wave having a certain period according to the potential of the error voltage detected at the output of the error amplifier. This adjusts the width of the pulse under a certain period to adjust the output to match the reference voltage (Vc) of the desired error amplifier. In this case, the pulse width determines the size of the output. The principle is that the average output is obtained as the integral of the pulse width time and height (indicative of voltage) by the ratio of the pulse width and the rest time.

여기서, 전류원 I1은 출력 전압(Vsaw(t))의 기울기 I1/C1으로 캐패시터 C1을 충전시킨다. 시스템 클럭(clock)이 high일 때마다 캐패시터 C1이 리셋이 되는 바, 파형은 시스템 클럭의 주기와 동일하게 주기 Ts를 가지는 톱니파 Vsaw(t) = (I1/C1) ×t 가 생성된다. 따라서, 비교기(100)의 입력신호 중 하나는 도 1에 도시된 바와 같이 항상 톱니파 Vsaw(t)가 된다. 톱니파 Vsaw(t)는 PWM 출력의 듀티비로 결정된, 비교기(100)의 다른 입력신호인 기준 전압 Vc와 비교된다. Here, the current source I1 charges the capacitor C1 with the slope I1 / C1 of the output voltage Vsaw (t). Whenever the system clock is high, the capacitor C1 is reset, so that the waveform is sawtooth wave Vsaw (t) = (I1 / C1) x t having the period Ts equal to the period of the system clock. Therefore, one of the input signals of the comparator 100 is always sawtooth wave Vsaw (t) as shown in FIG. The sawtooth wave Vsaw (t) is compared with the reference voltage Vc, which is another input signal of the comparator 100, determined by the duty ratio of the PWM output.

Vc는 오차증폭기에서 출력된 기준 전압으로, PWM 출력의 듀티비를 결정한다. 도 1b를 참조하면, 듀티비를 d(0 ≤d ≤1)로 한 경우 Vsaw(t)가 Vc보다 큰 값을 가 지는 경우가 클럭(clock)주기 Ts 중 d ×Ts 만큼 유지되어야 한다. 따라서, 리셋 이후 (1-d) ×Ts 만큼의 시간 경과 후에 Vsaw(t)가 Vc보다 커질 수 있도록 Vc를 조절한다.Vc is the reference voltage output from the error amplifier and determines the duty ratio of the PWM output. Referring to FIG. 1B, when the duty ratio is set to d (0 ≦ d ≦ 1), the case where Vsaw (t) has a value larger than Vc should be maintained by d × Ts of the clock period Ts. Therefore, Vc is adjusted so that Vsaw (t) can be larger than Vc after (1-d) x Ts after the reset.

도 2는 기존의 일반적인 CMOS 전압 비교기를 도시한 도면이고, 도 5는 도 2에 도시된 전압 비교기를 포함한 PWM 컨트롤러의 입력 파형 및 출력 파형을 도시한 그래프이다.FIG. 2 is a diagram illustrating a conventional general CMOS voltage comparator, and FIG. 5 is a graph illustrating an input waveform and an output waveform of a PWM controller including the voltage comparator shown in FIG. 2.

도 2를 참조하면, 트랜지스터 M201 내지 M204는 입구 쪽에서 사용한 차동회로 (200)를 구성하고, 트랜지스터 M207은 출력 신호를 내보내는 공통 소스(common sourse) 증폭단이며, 트랜지스터 M205 내지 M206은 각각 M201 내지 M204, M207에 바이어스 전압을 이용한 전류를 공급해주는 역할을 담당한다. Referring to Fig. 2, transistors M201 to M204 constitute a differential circuit 200 used at the inlet side, transistor M207 is a common sourse amplifier stage for outputting an output signal, and transistors M205 to M206 are M201 to M204 and M207, respectively. It is responsible for supplying current using bias voltage.

여기서, Vin-의 전압이 Vin+의 전압보다 큰 경우에 M201의 VSG1이 M202의 VSG2보다 작게 되고, 따라서 M201의 드레인 전류 ID1가 M202의 드레인 전류 ID2보다 작게 된다. ID1이 작아지므로 M203의 게이트와 소스 간의 전압이 낮아지게 되고 동시에 M204의 게이트와 소스 간의 전압도 낮아진다. 이때 ID2는 증가된 상태이므로 M204의 드레인 전압이 상승한다. 따라서, M207의 게이트와 소스 간의 전압이 증가한다. 이로 인해 M207의 드레인 전류가 증가하게 되므로, 출력 전압 Vout은 low로 내려가게 된다. 물론 Vin+의 전압이 Vin-의 전압보다 큰 경우에도 같은 원리를 통해 출력 전압 Vout은 high로 올라가게 된다.Here, when the voltage of Vin- is greater than the voltage of Vin +, V SG1 of M201 is smaller than V SG2 of M202, so that drain current I D1 of M201 is smaller than drain current I D2 of M202. The smaller I D1 lowers the voltage between the gate and source of M203, and at the same time the voltage between the gate and source of M204. At this time, since I D2 is increased, the drain voltage of M204 increases. Thus, the voltage between the gate and the source of M207 increases. This increases the drain current of M207, causing the output voltage Vout to go low. Of course, if the voltage of Vin + is greater than the voltage of Vin-, the same principle causes the output voltage Vout to go high.

도 5를 참조하면, 비교기의 Vin+ 단자로 시스템 클럭과 동일 주기를 가지는 톱니파 신호가 입력되고 Vin- 단자로 소정의 PWM 신호를 출력하기 위한 1.8V 크기를 가지는 기준 신호가 입력된다. 도 5의 P1 내지 P2 구간은 톱니파 신호의 크기가 기준 신호의 크기보다 큰 영역이며, PWM 신호가 P3 내지 P4 구간에서 출력된다. 여기서, P1과 P3의 시간 간격이 PWM 신호의 상승 지연 시간이며, P2와 P4의 시간 간격이 PWM 신호의 하강 지연 시간이다. Referring to FIG. 5, a sawtooth wave signal having the same period as the system clock is input to the Vin + terminal of the comparator, and a reference signal having a size of 1.8V for outputting a predetermined PWM signal is input to the Vin− terminal. In the periods P1 to P2 of FIG. 5, the amplitude of the sawtooth signal is greater than that of the reference signal, and the PWM signal is output in the periods P3 to P4. Here, the time interval between P1 and P3 is the rising delay time of the PWM signal, and the time interval between P2 and P4 is the falling delay time of the PWM signal.

비교기의 PWM 출력은 도 1b에 도시된 이상적인 PWM 출력 파형과는 상당히 다르다. 2Mhz의 주파수를 가지는 입력 톱니파형은 저전력 동작을 위해서는 높은 편이며, 이것은 비교기의 PWM 출력 파형의 상승 에지와 하강 에지 양쪽 모두 지연시간을 두드러지게 나타나게 만든다.The PWM output of the comparator is quite different from the ideal PWM output waveform shown in FIG. The input sawtooth waveform with a frequency of 2Mhz is high for low power operation, which makes the latency noticeable on both the rising and falling edges of the comparator's PWM output waveform.

도 2에 도시된 일반적인 비교기가 빠른 속도로 동작하기 위해서는 상당한 전력이 필요하다. 이는 M205 및 M206라는 2개의 트랜지스터에 바이어스 전압 Vb가 항상 공급되어야 하기 때문이다. 하지만, PWM 컨트롤러를 위한 비교기를 설계할 때, 컨트롤러의 전력 소모는 전력 변환 효율을 최대화하기 위해 최소가 되어야 한다. 도 2에 도시된 일반적인 비교기는 PWM 컨트롤러에 공통적으로 선택되어져 왔다. 그러나 상술한 바와 같이 일반적인 설계기준은 PWM 컨트롤러 내부에 위치해야 하는 비교기에 적당하지 않다. The general comparator shown in FIG. 2 requires significant power to operate at high speed. This is because the bias voltage Vb must always be supplied to two transistors, M205 and M206. However, when designing a comparator for a PWM controller, the controller's power dissipation must be minimized to maximize power conversion efficiency. The general comparator shown in FIG. 2 has been commonly selected for the PWM controller. However, as mentioned above, the general design criteria are not suitable for comparators that need to be located inside the PWM controller.

PWM 컨트롤러에서는 PWM 출력 파형의 하강 시간을 예측할 수 있다. 도 1b로부터 PWM 컨트롤러 내부에 위치한 비교기에서 PWM 출력 파형의 하강 시간은 시스템 클럭 주기에 따라 톱니파의 하강 에지의 시기 또한 주기적이어야 함을 잘 나타낸다. 그러므로 톱니파의 하강 에지의 정확한 검출은 비교기 설계를 간단하게 할 수 있는 바, 하강 에지의 검출을 대신하여 비교기의 출력 신호를 시스템 클럭에 동기화할 수 있다. The PWM controller can predict the fall time of the PWM output waveform. The falling time of the PWM output waveform in the comparator located inside the PWM controller from FIG. 1b indicates that the timing of the falling edge of the sawtooth wave must also be periodic, depending on the system clock period. Therefore, accurate detection of the falling edge of the sawtooth wave can simplify the design of the comparator, which can synchronize the output signal of the comparator to the system clock instead of detecting the falling edge.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 하강 에지 동기화 회로를 포함한 비교기를 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 시스템 클럭 신호가 인버터를 통과하여 트랜지스터 M211의 게이트 전압이 되며, M211은 P형 트랜지스터인 바 시스템 클럭 신호가 순간적으로 high가 되는 순간에 M211의 게이트 전압은 인버터에 의해 low가 되어 M211이 턴온되고, M207의 게이트 전압이 (VDD - VSD211) 이 된다. 즉, M207의 게이트 전압이 시스템 클럭의 주기에 따라 상승하여 M207의 드레인 전류가 상승하고, 출력 전압 Vout이 순간적으로 줄어들어 리셋의 효과가 나타난다. 다르게 표현하면 출력 전압 Vout의 리셋이 시스템 클럭에 동기화된다고 할 수 있다.3 illustrates a comparator including a falling edge synchronization circuit according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, when the system clock signal passes through the inverter to become the gate voltage of the transistor M211, and the M211 is a P-type transistor, the gate voltage of the M211 becomes low by the inverter when the system clock signal is momentarily high. M211 is turned on, and the gate voltage of M207 becomes (VDD-V SD211 ). That is, the gate voltage of M207 rises with the cycle of the system clock, the drain current of M207 rises, and the output voltage Vout decreases momentarily, resulting in a reset effect. In other words, the reset of the output voltage Vout is synchronized to the system clock.

비교기의 하강 지연 시간은 상술한 시스템 클럭에의 동기화 방법을 이용하여 최소화할 수 있고, 이하 비교기의 상승 지연 시간을 최소화할 수 있는 비교 회로에 대해 상세히 후술한다. The falling delay time of the comparator can be minimized by using the synchronization method to the system clock described above, and a comparison circuit that can minimize the rising delay time of the comparator will be described later in detail.

도 4a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 전력 소모 감소 및 빠른 지연 시간을 가지는 비교기 내의 비교 회로를 도시한 도면이고, 도 4b는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의한 하강 에지 동기화 회로를 포함한 비교기를 도시한 도면이다.4A is a diagram illustrating a comparison circuit in a comparator having a low power consumption and a fast delay time according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a comparator including a falling edge synchronization circuit according to another preferred embodiment of the present invention. Figure is a diagram.

도 4a을 참조하면, 비교 회로(350)는 차동 증폭 수단(300), 전류 미러(310) 및 공통 소스 증폭기(AB급 출력부)를 포함한다. Referring to FIG. 4A, the comparison circuit 350 includes a differential amplifying means 300, a current mirror 310, and a common source amplifier (AB class output unit).

차동 증폭 수단(300)은 포지티브 입력 단자와 네거티브 입력 단자를 통해 기준 신호 및 톱니파 신호를 입력받고, 두 신호의 차이에 따라 전류 미러(310)를 통해 공급되는 바이어스 전류를 각각 M402의 드레인 전류 및 M403의 드레인 전류로 나누어서 증폭한다. 그리고 각각 증폭된 M409의 드레인 전류 및 M407의 드레인 전류의 차이에 상응하는 전압이 M412의 게이트 전압이 된다. 전류 미러(310)는 바이어스 전압을 이용하여 소정의 전류를 차동 증폭 수단(300)으로 공급하며, M401이 이 역할을 담당한다. The differential amplification means 300 receives a reference signal and a sawtooth signal through a positive input terminal and a negative input terminal, and outputs a bias current supplied through the current mirror 310 according to the difference between the two signals, and the drain current of the M402 and the M403, respectively. Amplify by dividing by the drain current. The voltage corresponding to the difference between the amplified drain current of M409 and the drain current of M407 is the gate voltage of M412. The current mirror 310 supplies a predetermined current to the differential amplifying means 300 by using the bias voltage, and M401 plays this role.

공통 소스 증폭기(AB급 출력부)는 차동 증폭 수단(300)을 통해 생성된 M412의 게이트 전압의 크기에 따라 출력 전압을 풀업하는 풀업(pull-up) 트랜지스터 M412와, 게이트가 차동 증폭 수단(300)의 포지티브 입력 단자에 연결된 트랜지스터 M402의 드레인에 연결되어 있어 출력 전압을 푸시하는 푸시(push) 트랜지스터 M413을 포함한다. AB급 출력부의 풀업 트랜지스터 M412에 흐르는 대기 전류 ID412를 최소화하여 전력 소모를 작게 할 수 있다. The common source amplifier (AB class output unit) includes a pull-up transistor M412 which pulls up the output voltage according to the magnitude of the gate voltage of the M412 generated through the differential amplifying means 300, and the gate is differential amplifying means 300. It includes a push transistor M413 is connected to the drain of the transistor M402 connected to the positive input terminal of the terminal to push the output voltage. The power consumption can be reduced by minimizing the quiescent current I D412 flowing through the pull-up transistor M412 of the class AB output.

도 4a에 도시된 비교 회로(350)의 첫번째 단은 일반적인 전류미러(current mirror) OTA 방식을 취하고 있다. OTA는 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(operational transconductance amplifier)로써, 2개의 입력 전압의 차이에 따라 출력 전류를 생성하는 회로를 말한다. OTA의 입력단은 차동 증폭 수단(300)과 전류 미러(310)를 포함한다. 전류 미러(310)는 직류 바이어스 전압에 의해 전류원 역할을 하는 트랜지스터 M401을 포함하고, 차동 증폭 수단(300)은 Vin+와 Vin-의 차동 전압을 입력 받는 트랜지스터 M402 및 M403, 출력 전류 증폭을 위한 트랜지스터 M404 내지 M409를 포함한다. The first stage of the comparison circuit 350 shown in FIG. 4A takes a general current mirror OTA scheme. OTA is an operational transconductance amplifier, a circuit that generates an output current based on the difference between two input voltages. The input stage of the OTA includes a differential amplification means 300 and a current mirror 310. The current mirror 310 includes a transistor M401 serving as a current source by a DC bias voltage, the differential amplifying means 300 includes transistors M402 and M403 for receiving differential voltages Vin + and Vin-, and transistors M404 for output current amplification. To M409.

차동 증폭 원리는 다음과 같다. Vin+ 입력이 Vin- 입력보다 큰 경우에 P형 트랜지스터인 M402의 소스와 게이트 간 전압인 VSG402는 P형 트랜지스터인 M403의 소스와 게이트 간 전압인 VSG403보다 작게 되고, M402의 드레인 전류가 M403의 드레인 전류보다 작은 값을 가지게 된다. M403의 드레인 전류가 큰 값을 가지므로, M405의 게이트와 소스 간의 전압 VSG405이 증가하고, 이때 M407의 게이트와 소스 간의 전압 VSG407도 증가한다. 또한, M402의 드레인 전류는 작은 값을 가지므로, 연쇄적으로 M404, M406, M408 및 M409의 게이트와 소스 간 전압이 감소한다. 따라서, M407의 드레인 전압이자 M409의 드레인 전압은 감소한다. The principle of differential amplification is as follows. Vin + input is in is larger than Vin- input voltage between the source and the gate of the P-type transistor M402 V SG402 is less than the voltage of V SG403 between the source of the P-type transistor M403 and a gate, the drain current of the M402 is M403 It has a smaller value than the drain current. Since the drain current of M403 has a large value, the voltage V SG405 between the gate and the source of M405 increases, and at this time, the voltage V SG407 between the gate and the source of M407 also increases. In addition, since the drain current of M402 has a small value, the voltage between the gate and source of M404, M406, M408, and M409 decreases in series. Therefore, the drain voltage of M407 and the drain voltage of M409 decrease.

비교 회로(350)의 두번째 단은 풀업 트랜지스터 M412와 푸시 트랜지스터 M413으로 구성된다. M409의 드레인 전압이 감소하였으므로, M412의 게이트 전압이 낮아지고, M412의 소스와 게이트 간 전압인 VSG412가 점점 커져 M412의 드레인 전류인 ID412 역시 커지게 되고, 출력 전압 Vout이 상승한다.The second stage of the comparison circuit 350 is composed of a pull-up transistor M412 and a push transistor M413. Since the drain voltage of M409 is reduced, the gate voltage of M412 is lowered, V SG412 which is the source-gate voltage of M412 is gradually increased, so that the drain current I D412 of M412 is also increased, and the output voltage Vout is raised.

도 4a에 도시된 비교 회로(350)의 두번째 단은 M412가 직류 바이어스 전압에 의해 동작되지 아니하고 전류원을 부하로 갖는 공통 소스 증폭기를 사용한 일반적인 2단 비교기와 비슷하다. M412가 직류 바이어스 전압에 의해 동작되는 경우에는 일반적인 2단 비교기이며, 전체적인 구조는 첫째단의 푸시-풀 형식을 제외한다면 일반적인 비교기와 똑같다. 그러나 일반적인 두번째 단의 문제는 직류 바이어스 전압에 의해서 전류원 부하가 항상 켜진 상태이기 때문에 전류소모가 크다는 것이다. PWM 컨트롤러의 파워 소모를 최소화 하기 위해 설계한 일반적인 2단 비교기의 비활동 전류는 800nA 정도이다. 따라서, 비활동 전류의 누설을 피하기 위해 두번째 단의 전류 ID412는 도 4a에 도시된 비교 회로(350)로 제어한다. 여기서, M412와 M413은 AB급 출력단 형식으로 동작한다. 비교 회로(350)를 이용하여 PWM 신호의 상승 지연 시간을 측정하면 도 2에 도시된 비교기에서 수십 ns의 지연 시간을 나타내던 것에 비하여 수 ns의 지연 시간을 나타냄으로써 훨씬 향상된 상승 에지에서의 지연 시간 감소를 보여준다.The second stage of the comparison circuit 350 shown in FIG. 4A is similar to a typical two stage comparator using a common source amplifier in which the M412 is not operated by a DC bias voltage and has a current source as a load. When the M412 is operated by DC bias voltage, it is a typical two-stage comparator, and the overall structure is the same as that of a general comparator except for the first push-pull type. However, the problem of the second stage in general is that the current consumption is large because the current source load is always turned on by the DC bias voltage. A typical two stage comparator designed to minimize power dissipation in the PWM controller is around 800nA. Thus, in order to avoid leakage of inactive current, the second stage current I D412 is controlled by the comparison circuit 350 shown in FIG. 4A. Here, M412 and M413 operate in class AB output stage. When the rise delay time of the PWM signal is measured using the comparison circuit 350, the delay time at the rising edge is much improved by displaying a delay time of several ns compared with the delay time of several tens ns in the comparator shown in FIG. Shows a decrease.

하강 에지에서의 지연 시간을 검토함에 있어서, M413에 의해 최대로 공급되는 전류는 수학식 (1) 과 같다. In examining the delay time at the falling edge, the maximum current supplied by M413 is given by Equation (1).

Figure 112005013642803-pat00001
- 수학식 (1)
Figure 112005013642803-pat00001
Equation (1)

따라서, 공급되는 최대 전류는 제한되게 되며, 비교 회로(350)의 출력 신호의 하강 속도 역시 제한된다. 그러나 도 3을 참조하여 상술한 바와 같이 비교기의 출력 신호의 하강 지연 시간은 시스템 클럭에 동기화가 되었기 때문에 M413의 동작 속도는 시스템 설계에 있어서 중요하지 않다. 그러나 M412의 풀업 동작은 비교기의 정확한 동작과 빠른 속도를 위해서는 중요하다. M413과는 다르게 풀업 트랜지스터 M412는 게이트에 넓은 스윙폭을 가져야 하므로 드라이브 능력이 커야 한다.Therefore, the maximum current supplied is limited, and the falling speed of the output signal of the comparison circuit 350 is also limited. However, since the falling delay time of the output signal of the comparator is synchronized with the system clock as described above with reference to FIG. 3, the operating speed of the M413 is not important in the system design. However, the pull-up behavior of the M412 is important for accurate operation and high speed of the comparator. Unlike the M413, the pull-up transistor M412 must have a wide swing width at the gate, which requires greater drive capability.

도 4b를 참조하면, 동기화 비교기는 도 4a에 도시된 비교 회로(350)에 하강 에지 동기화 회로(400)를 더 포함한다. Referring to FIG. 4B, the synchronous comparator further includes a falling edge synchronization circuit 400 in the comparison circuit 350 shown in FIG. 4A.

하강 에지 동기화 회로(400)는 입력된 시스템 클럭을 반전시키는 인버터와, 게이트는 인버터의 출력단에 연결되고 소스는 공급 전압(VDD)에 연결되며 드레인은 풀업 트랜지스터 M412의 게이트에 연결된 제1 리셋 트랜지스터 M410과, 게이트는 인버터의 출력단에 연결되고 소스는 공급 전압(VDD)에 연결되며 드레인은 푸시 트랜지스터 M413의 게이트에 연결된 제2 리셋 트랜지스터 M411을 포함한다. 제1 리셋 트랜지스터 M410 및 제2 리셋 트랜지스터 M411은 시스템 클럭에 동기화되어 PWM 신호를 리셋할 수 있다. The falling edge synchronization circuit 400 includes an inverter for inverting an input system clock, a first reset transistor M410 having a gate connected to an output terminal of the inverter, a source connected to a supply voltage VDD, and a drain connected to a gate of a pull-up transistor M412. And a second reset transistor M411 connected to the output terminal of the inverter, a source connected to a supply voltage VDD, and a drain connected to the gate of the push transistor M413. The first reset transistor M410 and the second reset transistor M411 may reset the PWM signal in synchronization with the system clock.

하강 에지 동기화 회로(400)는 상술한 바와 같이 Vin+ 입력으로 들어오는 톱니파와 동일한 주기를 가지는 시스템 클럭의 입력이 인버터를 거친 후 P형 트랜지스터 M410 및 M411의 게이트로 입력된다. 시스템 클럭이 순간적으로 high인 경우에 M410 및 M411의 게이트 전압은 인버터에 의해 low의 전압을 가지게 되고 M410 및 M411이 턴온되며, M413의 게이트 전압이 순간적으로 상승하여 M413을 턴온시킨다. 따라서, 푸시 트랜지스터의 턴온으로 인해 출력 전압 Vout이 줄어드는데, 하강 속도가 M413의 게이트 전압에 비례해 매우 빠르다. The falling edge synchronization circuit 400 is input to the gates of the P-type transistors M410 and M411 after the input of the system clock having the same period as the sawtooth wave coming into the Vin + input passes through the inverter as described above. When the system clock is instantaneously high, the gate voltages of M410 and M411 are low by the inverter, the M410 and M411 are turned on, and the gate voltage of M413 momentarily rises to turn on M413. Therefore, the turn-on of the push transistor reduces the output voltage Vout, which is very fast in proportion to the gate voltage of M413.

즉, 리셋 스위치 역할을 하는 M410과 M411의 추가는 도 1에 도시된 톱니파의 리셋 및 도 4b에 도시된 PWM 출력 파형의 리셋을 클럭 파형의 리셋 신호와 동일하 게 만들어 줌으로써 리셋 신호 제어를 가능하게 한다. 따라서, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 비교기는 입력신호 파형의 음의 기울기는 검출하지 않고 단지 입력의 양의 기울기만 검출할 뿐이다. 따라서, M413의 속도는 중요하지 않게 되고 M413의 크기는 최대한으로 줄일 수 있다. 매우 낮은 전류 일지라도 새로운 비교기의 비교 속도는 이하 설명할 도 6에 도시된 바와 같이 빠르다. That is, the addition of M410 and M411 serving as a reset switch makes reset signal control possible by making the reset of the sawtooth wave shown in FIG. 1 and the reset of the PWM output waveform shown in FIG. 4B the same as the reset signal of the clock waveform. do. Therefore, the comparator according to the preferred embodiment of the present invention does not detect the negative slope of the input signal waveform but merely detects the positive slope of the input. Therefore, the speed of the M413 becomes insignificant and the size of the M413 can be reduced as much as possible. Even with very low current, the comparison speed of the new comparator is fast as shown in FIG.

도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 비교기를 포함한 PWM 컨트롤러의 입력 파형 및 출력 파형을 도시한 그래프이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예의 의한 비교기의 출력 파형은 이상적인 PWM 출력과 유사하다. 또한, 상기 비교기의 전력 효율을 최대화하기 위해 비활동 전류는 400nA보다 훨씬 더 작게 설계가 되었다. 동일한 시스템 클럭에 의해 톱니파의 하강 에지 및 PWM 출력 파형의 하강 에지가 동기화되어 하강 지연 시간(P6에서 P8 간의 시간차)은 최소가 된다. 상승 에지는 기존의 비교기(도 5를 참조하면, 수십 ns 정도)보다 훨씬 더 작은 지연 시간(P5에서 P7 간의 시간차)인 수 ns 정도를 나타낸다.6 is a graph illustrating an input waveform and an output waveform of a PWM controller including a comparator according to an exemplary embodiment of the present invention. 6, the output waveform of the comparator according to one preferred embodiment of the present invention is similar to the ideal PWM output. In addition, to maximize the power efficiency of the comparator, the inactive current is designed to be much smaller than 400 nA. The same system clock synchronizes the falling edge of the sawtooth wave and the falling edge of the PWM output waveform, minimizing the falling delay time (the time difference between P6 and P8). The rising edge represents a few ns, which is a much smaller delay time (time difference between P5 and P7) than a conventional comparator (see FIG. 5, about tens of ns).

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 사상 내에서 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 가능함은 물론이다. 또한, 본 발명의 권리범위는 아래 기재된 특허청구범위에 의해서만 해석될 수 있다.The present invention is not limited to the above embodiments, and many variations are possible by those skilled in the art within the spirit of the present invention. In addition, the scope of the present invention can be interpreted only by the claims described below.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 PWM 컨트롤러를 위한 초 저전력 동기화 비교기는 빠른 속도를 위해 비교기의 출력 파형의 하강 에지를 시스템 클럭에 동기화시킴으로써 작은 비교지연시간을 갖도록 할 수 있다. As described above, the ultra low power synchronous comparator for the PWM controller according to the present invention can have a small comparison delay time by synchronizing the falling edge of the output waveform of the comparator to the system clock for high speed.

또한, 전력 소모를 최소화할 수 있으며, 비교기의 출력 파형의 하강 에지를 시스템 클럭에 동기화시킴으로써 회로 설계를 간단히 할 수 있다. It also minimizes power consumption and simplifies circuit design by synchronizing the falling edge of the comparator's output waveform to the system clock.

Claims (4)

PWM 컨트롤러를 위한 초 저전력 동기화 비교기에 있어서,For ultra low power synchronous comparators for PWM controllers, 기준 신호 및 톱니파 신호를 입력받아 상기 톱니파 신호의 크기가 상기 기준 신호의 크기보다 큰 경우에 소정의 크기를 가지는 PWM 신호를 출력하는 비교 회로-여기서, 상기 톱니파 신호는 시스템 클럭과 주기가 동일함-; 및A comparison circuit for receiving a reference signal and a sawtooth signal and outputting a PWM signal having a predetermined magnitude when the magnitude of the sawtooth signal is larger than the reference signal, wherein the sawtooth signal has the same period as the system clock; ; And 상기 시스템 클럭에 동기화하여 상기 비교 회로의 PWM 신호 출력을 리셋하는 하강 에지 동기화 회로를 포함하는 PWM 컨트롤러를 위한 초 저전력 동기화 비교기.And a falling edge synchronization circuit configured to reset the PWM signal output of the comparison circuit in synchronization with the system clock. 제1항에 있어서, 상기 비교 회로는,The method of claim 1, wherein the comparison circuit, 포지티브 입력 단자와 네거티브 입력 단자를 통해 입력받은 두 신호의 차이에 따라 바이어스 전류를 분배하고 증폭하여 출력 전류를 생성하는 차동 증폭 수단과,Differential amplifying means for generating an output current by distributing and amplifying a bias current according to a difference between two signals input through a positive input terminal and a negative input terminal; 상기 차동 증폭 수단에 상기 바이어스 전류를 공급하는 전류 미러를 포함하는 전류 미러 OTA; 및A current mirror OTA including a current mirror for supplying the bias current to the differential amplifying means; And 상기 차동 증폭 수단에서 생성된 상기 출력 전류에 따라 출력 전압을 풀업하는 풀업(pull-up) 트랜지스터와,A pull-up transistor for pulling up an output voltage according to the output current generated by the differential amplifying means; 게이트가 상기 차동 증폭 수단의 상기 포지티브 입력 단자에 연결된 트랜지스터의 드레인에 연결되어 출력 전압을 푸시하는 푸시(push) 트랜지스터를 포함하 는 AB급 출력부를 포함하되,A gate is connected to the drain of the transistor connected to the positive input terminal of the differential amplification means and includes a class AB output including a push transistor for pushing an output voltage, 상기 풀업 트랜지스터에 흐르는 대기 전류를 최소화하여 전력 소모를 작게 하는 것을 특징으로 하는 PWM 컨트롤러를 위한 초 저전력 동기화 비교기.An ultra low power synchronous comparator for a PWM controller, characterized in that the power consumption is reduced by minimizing the quiescent current flowing through the pull-up transistor. 제2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 하강 에지 동기화 회로는,The falling edge synchronization circuit, 입력된 상기 시스템 클럭을 반전시키는 인버터; An inverter for inverting the input system clock; 게이트는 상기 인버터의 출력단에 연결되고, 상기 반전된 시스템 클럭에 동기화되어 상기 풀업 트랜지스터를 턴오프시키는 제1 리셋 스위치; 및A first reset switch connected to an output terminal of the inverter and configured to turn off the pull-up transistor in synchronization with the inverted system clock; And 게이트는 상기 인버터의 출력단에 연결되고, 상기 반전된 시스템 클럭에 동기화되어 상기 푸시 트랜지스터를 턴온시키는 제2 리셋 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 PWM 컨트롤러를 위한 초 저전력 동기화 비교기.And a gate coupled to the output of the inverter, the second reset switch being synchronized with the inverted system clock to turn on the push transistor. 제2항 또는 제3항에 있어서, The method according to claim 2 or 3, 상기 초 저전력 동기화 비교기에 포함되는 트랜지스터는 CMOS로 이루어진 것을 특징으로 하는 PWM 컨트롤러를 위한 초 저전력 동기화 비교기.And a transistor included in the ultra low power synchronous comparator. The ultra low power synchronous comparator for the PWM controller.
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