SI21945A

SI21945A - Primerjalnik napetosti

Info

Publication number: SI21945A
Application number: SI200400306A
Authority: SI
Inventors: Vinko Kunc; Andrej Vodopivec
Original assignee: Vinko Kunc; Andrej Vodopivec
Priority date: 2004-11-10
Filing date: 2004-11-10
Publication date: 2006-06-30
Also published as: ATE523961T1; US7635995B2; WO2006052225A1; EP1810404B1; EP1810404A1; US20080204083A1

Abstract

Izhodna tokova diferencialno vezanih tranzistorjev (t1, t2) v primerjalniku napetosti se odstejeta drug od drugega in se njuna razlika pretvori v napetost, ki se ojacena vodi na prikljucno sponko (gtst) vrat preklopnega tranzistorja (t7) na vhodu izhodne stopnje. Na sponko (gtst) je prikljucen izvor omejilnega tranzistorja (t8'), katerega vrata sopreko dveh zaporedno drug za drugim v diodni vezavi prikljucenih tranzistorjev (t8'', t8''') prikljucena na sponko spodnje napajalne napetosti. V casu mirovanjaje napetost na sponki (gtst) med osem in devet desetinami preklopne napetosti (Vsw) na vratih preklopnega tranzistorja (t7), pri kateri ta tranzistorsprozi preklop v izhodni stopnji. Omenjeni tranzistorji so tranzistorji istega tipa s podobno geometrijo in delujejo v podobnih tokovnih razmerah. Napetostni primerjalnik po izumu doseze hiter odziv na vhodno napetostno spremembo pri eni smeri spremembe predznaka razlike vhodnih napetosti. Glede naspreminjanje temperature ali spremembo v tehnoloski izvedbije robusten in zanesljiv.

Description

Primeijalnik napetosti

Izum se nanaša na primeijalnik napetosti, v katerem se izhodna tokova vhodnih tranzistorjev, na katera se vodita omenejeni napetosti, odštejeta drug od drugega in se razlika tokov pretvori v napetost, ki se ojačena vodi na priključno sponko vrat preklopnega tranzistoija na vhodu izhodne stopnje primeijalnika napetosti, pri čemer ima napetostni primeijalnik po izumu posebno hiter odziv na vhodno napetostno spremembo pri eni smeri spremembe predznaka razlike vhodnih napetosti.

Izum je po mednarodni klasifikaciji patentov uvrščen v razred H 03K 05/24.

Izum rešuje tehnični problem, kako izpopolniti v uvodu predstavljeno vezje primeijalnika napetosti, da bo imel hiter odziv na vhodno napetostno spremembo pri eni smeri spremembe predznaka razlike vhodnih napetosti.

Vsaka pretvorba električnega signala iz analogne predstavitve v digitalno predstavitev se začne s primerjanjem napetosti signala s posameznimi kvantiziranimi napetostnimi nivoji.

Napetostni primerjalnik primerja, katera od napetosti na njegovih dveh vhodnih sponkah je višja, in glede na izid primeijave na svoji izhodni sponki vzpostavi potencial zgornjega ah spodnjega napajalnega priključka.

Večina napetostnih primeijalnikov je sestavljena iz vhodne stopnje, ki primerja obe vhodni napetosti, ojačevalne stopnje, ki ojači majhno razliko napetosti vanjo vstopajočih, običajno tokovnih signalov, in iz izhodne stopnje, ki oblikuje izhodni signal v digitalizirani predstavitvi.

Primerjalnik napetosti mora imeti točno določen položaj preklopne točke in zadostno hitrost preklapljanja. Hitrost posameznega preklopa je določena v bistvu s časom, ki je po trenutku spremembe predznaka v razliki vhodnih napetosti potreben, da napetostni primerjalnik spremeni logično stanje na izhodu.

Nova vrednost potenciala na izhodni sponki napetostnega primeijalnika se vzpostavi kot posledica napetostnih sprememb na njegovih notranjih sponkah, zaradi parazitnih kapacitivnosti in upornosti v vezju napetostnega primerjalnika pa so te napetostne spremembe in posledično vzpostavitev potenciala na izhodni sponki napetostnega primerjalnika zakasnjene.

Pogosto je za delovanje kompleksnega vezja pomembno, da se prirejeni mu napetostni primerjalnik posebno hitro odzove na vhodno napetostno spremembo le pri eni smeri spremembe predznaka v razliki vhodnih napetosti. Na primer v generatorju žagaste napetosti mora točno zaznati prehod le naraščajočega signala skozi referenčno vrednost, medtem ko hitrost odziva primerjalnika napetosti pri padajočem signalu ni pomembna.

Kadar je potrebna velika hitrost preklaplanja, se na splošno lahko izbere tehnologija, ki daje hitrejši odziv. Taje ponavadi pogojena z zahtevami pri drugih vezjih na istem substratu, na izbiro pa vpliva tudi cena.

V razpoložljivi tehnologiji se pohitrite v doseže, s tem da se v primeijalniku napetosti poveča gostota delovnega električnega toka. Tako se hitreje dosežejo spremembe napetosti na elementih s parazitnimi kapacitivnostmi. Vendar je tokovna sposobnost elementov pri dani napajalni napetosti omejena. Razen tega pa velika poraba električnega toka v nekaterih uporabah ni dovoljena.

Nadalje je poznan primeijalnik napetosti, ki poleg osnovne vhodne stopnje za tvorjenje izhodnih električnih tokov, ki se odštevata drug od drugega, vsebuje še pomožno vhodno stopnjo, na katere vhoda se tudi vodita primeijani napetosti in ki preko tokovnih zrcal v glavno vozlišče ojačevalne stopnje dovaja dodaten električni tok (US 6.172.535). Parazitni kondenzatorji se sicer napolnijo hitreje, vendar je tokovna poraba vezja bistveno večja.

Pogosto se uporabi regenerativno vezje s prednastavitvijo delovne točke. Primerjalnik napetosti tedaj vsebuje pozitivno povratno zanko, ki se običajno izvede kot križna povezava v ojačevalni stopnji: med elementi 34, 36 in 38, 40 v vezju po US 6.292.030 oziroma med elementi M3A in M3B v vezju po US 6.392.449. Čim se v ojačevalni stopnji začne spreminjati napetost, križna povezava to spreminjanje okrepi in preklop se znatno pospeši, za kar pa ni potreben večji električni tok. Da po izvršenem preklopu pozitivna povratna zanka ne bi zadržala primerjalnika napetosti v novem stanju, kar bi pomenilo, da nova sprememba predznaka v razliki vhodnih napetosti ne bi mogla spremeniti stanja izhodnega signala, je primerjalnik napetosti opremljen z resetimim vezjem (tranzistor 42 oziroma M4), ki prekine pozitivno povratno zanko in postavi vezje nazaj v stanje simetrije. Toda pozitivna povratna zanka takoj požene vezje v eno od stanj izhodnega signala, in sicer glede na stanje na vhodu primer4 jalnika napetosti, čim se resetimi signal umakne, na primer v trenutkih, v katerih se želi izvesti primerjava, kot na primer v analogno-digitalnem pretvorniku.

Navedeni tehnični problem je rešen s primerjalnikom napetosti po izumu, opredeljenim z značilnostmi iz označujočega dela prvega patentnega zahtevka, podzahtevki pa opredeljujejo variantne izvedbene primere.

Napetostni primerjalnik po izumu se odlikuje po tem, da s predlaganim omejilnikom gibanja delovne napetosti doseže posebno hiter odziv na vhodno napetostno spremembo pri eni smeri spremembe predznaka razlike vhodnih napetosti. Glede spreminjanja temperature ali spremebe v tehnološki izvedbi je robusten in zanesljiv.

Izum bo v nadaljnjem podrobno obrazložen na osnovi opisa izvedbenega primera ter pripadajočega načrta, ki prikazuje na sl. 1 vezje primeqalnika napetosti po izumu in sl. 2 graf časovnega poteka razlike AVi napetosti na vhodih primerjalnika napetosti, graf časovnega poteka napetosti Vo na izhodu primeqalnika napetosti po stanju tehnike in po izumu ter graf časovnega poteka napetosti Vgtst na vratih preklopnega tranzistorja na vhodu izhodne stopnje po stanju tehnike in po izumu.

Primerjalnik napetosti, sestavljen iz vhodne stopnje I, ojačevalne stopnje A in izhodne stopnje O, je po izumu izpopolnjen tako, da je med zadnji dve stopnji priključen predlagani omejilnik L gibanja delovne napetosti (Sl. 1).

Potenciala primerjanih napetosti se vodita na vhodni sponki i vhodnega vezja I in od tod na vrata diferencialno vezanih prvega in drugega tranzistoija tl oziroma t2, ki ju tokovno napaja tranzistor tbl, priključen na vhodno sponko b za referenčno napetost. Primerjalnikovo vezje je opremljeno s priključnima sponkama vsp in vsn za zgornjo oziroma spodnjo napajalno napetost.

Izhodna tokova II in 12 tranzistorjev tl oziroma t2 se v ojačevalni stopnji A odštejeta drug od drugega. Razlika tokov se pretvori v napetost, ki se ojači. Ojačevalna stopnja A ima prvi tokovni vir, ki ga sestavljata tranzistoija t3' in t4', in drugi tokovni vir, ki ga sestavljata tranzistoija t3 in t4. V prvi in drugi tokovni vir, ki sta krmiljena s tranzistoijem t5, ki ga tokovno napaja tranzistor tb2, tečeta tokova II oziroma 12 in se preslikata v tokova teh tokovnih virov. Tranzistoija t6' in t6 razliko tokov tokovnih virov spremenita v izhodno napetost ojačevalne stopnje A. Ojačenje je večje kot 50kratno, in sicer glede na napetostno razliko AVi na vhodnih sponkah i napetostnega primeijalnika.

Izhodna napetost ojačevalne stopnje A se vodi na priključno sponko gtst vrat preklopnega tranzistoija t7 na vhodu izhodne stopnje O napetostnega primeijalnika po izumu. Tranzistoija t6' in t6 torej nastavita delovno točko za vrata preklopnega tranzistorja t7. Dejansko se v točki gtst odštejeta tokova prvega in drugega tokovnega vira. Ker pa je ta točka napetostni krmilni priključek preklopnega tranzistoija t7, deluje kot napetostni izhod ojačevalne stopnje A, ki se postavi v ustrezno napetostno stanje glede na predznak razlike omenjenih električnih tokov.

Na sponko gtst vrat preklopnega tranzistoija t7 je priključen izvor omejilnega tranzistoija t8' v vmesni stopnji L, ki se po izumu predlaga med ojačevalno stopnjo A in izhodno stopnjo O in ki deluje kot omejilnik L gibanja delovne točke napetostnega primerjalnika po izumu. Omejilni tranzistor t8' omejuje gibanje napetosti v točki gtst.

Sponka gtlt vrat omejilnega tranzistorja t8' je preko dveh zaporedno drug za drugim v diodni vezavi - vrata pripeta na ponor - priključenih tretjega in četrtega tranzistoija t8, t8' priključena na spodnji napajalni priključek. Potencial sponke gtlt je nad potencialom spodnjega napajalnega priključka za vsoto dvojne pragovne napetosti tranzistoija tipa, kot sta tranzistoija t8, t8', in padca napetosti, ki je potreben, da omenjena tranzistoija t8, t8' odvedeta tok, ki ga ustvaija tranzistor tlO'. Omenjeni padec napetosti se nastavi z izbiro geometrije tranzistorjev.

S tranzistorjema t8, t8' se namreč v točki gtst oblikuje napetost, ki je blizu dvojni preklopni napetosti tranzistorja t7. Omejilni tranzistor t8' se odpre, ko napetostna razlika med točko gtst in točko gtlt preseže njegovo napetost praga. Zato omejilni tranzistor t8' zaustavi nadaljnje zniževanje napetosti v točki gtst, ko začne dovajati električni tok. Primeijalnik napetosti po izumu torej pričakuje spremembo predznaka v razliki vhodnih napetosti, na katero se mora hitro odzvati, v stanju tik pod preklopno napetostjo Vsw izhodne stopnje O.

Za hitrost preklopa napetostnega primetjalnika po izumu je odločilno, kako hitro se v točki gtst vzpostavi preklopna napetost Vsw. Pri tem je Vsw tista napetost na vratih preklopnega tranzistorja t7, pri kateri ta tranzistor sproži preklop v izhodni stopnji O.

Omejilnik L gibanja delovne napetosti mora biti izveden tako, da se zaporedno drug za drugim v diodni vezavi priključena tranzistorja t8, t8' napajata s podobnim tokom kot preklopni tranzistor t7. V ta namen sta z istim tranzistorjem tlO krmiljena tranzistor tlO', ki je tokovni vir za zaporedno drug za drugim v diodni vezavi priključena tranzistoija t8, t8', in tranzistor t7', ki je v izhodni stopnji O tokovni vir za preklopni tranzistor t7; tranzistorja t7 in t7' sta povezana preko tranzistoija t7.

Napetost na priključni sponki gtst vrat preklopnega tranzistoija t7 se s tranzistoijem tlO' kot tokovnim virom in z izbiro geometrije zaporedno priključenih tranzistorjev t8, t8' nastavi tako, da je v času mirovanja malo pod preklopno točko tranzistoija t7 oziroma med 0.8 Vsw in 0,9 Vsw. Zato se izhodna stopnja O, ki je opremljena z digitalizacijskim vezjem dc, zasnuje tako, daje njena preklopna točka odvisna predvsem od napetosti praga preklopnega tranzistoija t7.

Na sl. 2 sta v oknu 1 in 2 prikazana graf časovnega poteka razlike AVi napetosti na vhodih i primeijalnika napetosti oziroma graf časovnega poteka napetosti Vo na izhodu primerjalnika napetosti po stanju tehnike (črtkano) in po izumu, medtem ko je v oknu 3 prikazan graf časovnega poteka napetosti Vgtst na vratih preklopnega tranzistoija na vhodu izhodne stopnje po stanju tehnike (črtkano) in po izumu. Po izumu napetost Vgtst pade le do Vgtst™, ki ne leži globoko pod preklopno napetostjo Vsw, medtem ko se po stanju tehnike vsakič začne dvigati praktično od nič. Za hitrost preklopa je torej pomembna razlika med preklopno napetostjo Vsw in najnižjo vrednostjo napetosti Vgtst. Pri istem kompenzacijskem toku, ki se preko omejilnega tranzistorja t8' dovaja v točko gtst, je po izumu preklop hitrejši.

Zakasnitev preklopa napetostnega primerjalnika po izumu znaša le 2 ns, pri čemer 1 ns odpade na izhodno stopnjo O, medtem ko zakasnitev preklopa napetostnega primeijalnika brez predlaganega omejilnika L gibanja delovne napetosti znaša 4 ns, pri čemer 1 ns ponovno odpade na izhodno stopnjo O.

Preklopni tranzistor t7, omejilni tranzistor t8' in zaporedno drug za drugim v diodni vezavi priključena tretji in četrti tranzistor t8, t8' so tranzistoiji istega tipa in s podobno geometrijo. Ker so tudi tokovne razmere v njih podobne, napetost v točki gtst sledi točki preklopa tranzistoija t7, in sicer tako pri temperaturnih spremembah kot tudi pri različnih tehnoloških izvedbah napetostnega primerjalnika po izumu. Napetostni primeijalnik po izumu je zato robusten in zanesljiv.

Preklopni tranzistor t7, omejilni tranzistor t8', tretji in četrti tranzistor t8, t8' ter kaskodni tranzistor t9 so lahko tranzistorji NMOS tipa, PMOS tipa ali bipolarnega tipa.

Napetost na ponoru omejilnega tranzistorja t8' se na ugoden način stabilizira z nanj priključenim kaskodnim tranzistorjem t9, katerega ponor je priključen na sponko vsp zgornje napajalne napetosti. Kaskodni tranzistor t9 mora biti istega tipa in podobne geometrije kot omejilni tranzistor t8'. Napetost vrat - baze v primeru bipolarnega tranzistorja - kaskodnega tranzistorja t9 pa se mora od napetosti v točki gtlt razlikovati za napetost, kije potrebna za delovanje omejilnega tranzistorja t8', torej za 200 mV do 1 V. Ustvari se z uporom ali diodno vezanim tranzistorjem t9', ki je v točki gtlt priključen zaporedno k tranzistorjema t8, t8'.

Opisana stabilizacija napetosti na ponoru omejilnega tranzistorja t8' je smiselna, kadar se pričakuje večje nihanje napajalne napetosti. Uporabi pa še tudi, kadar ima omejilni tranzistor t8' kratek kanal in bi zaradi modulacije tega kanala omejilna napetost sledila nihanju napajalne napetosti.

Claims

Patentni zahtevki

1. Primeijalnik napetosti, katerega vhodni sponki (i) za primerjani napetosti sta priključeni na vrata diferencialno vezanih prvega in drugega tranzistorja (tl, t2), katerih izhodna tokova se odštejeta drug od drugega in se razlika tokov pretvori v napetost, ki se ojačena vodi na priključno sponko (gtst) vrat preklopnega tranzistorja (t7) na vhodu izhodne stopnje (O), ki je opremljena z digitalizacij skim vezjem (de), označen s tem, da je na sponko (gtst) vrat preklopnega tranzistoija (t7) priključen izvor omejilnega tranzistorja (t8'), katerega vrata so preko dveh zaporedno drug za drugim v diodni vezavi priključenih tretjega in četrtega tranzistoija (t8, t8') priključena na sponko (vsn) spodnje napajalne napetosti, daje napetost na priključni sponki (gtst) vrat preklopnega tranzistoija (t7) v času mirovanja med osem in devet desetinami preklopne napetosti Vsw na vratih preklopnega tranzistoija (t7), pri kateri preklopni tranzistor (t7) sproži preklop v izhodni stopnji (O), da se zaporedno drug za drugim v diodni vezavi priključena tretji in četrti tranzistor (t8, t8') napajata s podobnim tokom kot preklopni tranzistor (t7) in da so preklopni tranzistor (t7), omejilni tranzistor (t8') in zaporedno drug za drugim v diodni vezavi priključena tretji in četrti tranzistor (t8, t8') tranzistoiji istega tipa.
2. Primeijalnik napetosti po zahtevku 1, označen s tem, da so preklopni tranzistor (t7), omejilni tranzistor (t8') in tretji ter četrti tranzistor (t8, t8') tranzistorji s podobno geometrijo.
3. Primeijalnik napetosti po zahtevku 2, označen s tem, da omejilni tranzistor (t8') deluje v podobnih tokovnih razmerah kot preklopni tranzistor (t7) in tretji ter četrti tranzistor (t8, t8').
4. Primeijalnik napetosti po zahtevku 3, označen s tem, daje ponor omejilnega tranzistoija (t8') preko kaskodnega tranzistoija (t9) priključen na sponko (vsp) zgornje napajalne napetosti.
5. Primeijalnik napetosti po zahtevku 4, označen s tem, daje kaskodni tranzistor (t9) istega tipa in ima podobno geometrijo kot omejilni tranzistor (t8').
6. Primeijalnik napetosti po zahtevku 5, označen s tem, da so preklopni tranzistor (t7), omejilni tranzistor (t8'), tretji in četrti tranzistor (t8, t8') ter kaskodni tranzistor (t9) tranzistogi NMOS tipa.
7. Primeijalnik napetosti po zahtevku 5, označen s tem, da so preklopni tranzistor (t7), omejilni tranzistor (t8'), tretji in četrti tranzistor (t8, t8') ter kaskodni tranzistor (t9) tranzistoiji PMOS tipa.
8. Primeijalnik napetosti po zahtevku 5, označen s tem, da so preklopni tranzistor (t7), omejilni tranzistor (t8'), tretji in četrti tranzistor (t8, t8') ter kaskodni tranzistor (t9) tranzistoiji bipolarnega tipa.