TWI262651B

TWI262651B - Voltage comparing circuit

Info

Publication number: TWI262651B
Application number: TW091112235A
Authority: TW
Inventors: Toshio Ohkido
Original assignee: Nec Electronics Corp
Priority date: 2001-06-14
Filing date: 2002-06-06
Publication date: 2006-09-21
Also published as: KR20020095446A; US20020196054A1; JP2002374153A; DE60201778T2; JP3616353B2; EP1267492B1; EP1267492A1; US6559688B2; CN1321498C; DE60201778D1; KR100450165B1; CN1392668A

Description

1262651 、發明說明（·[) 【發明領域】古本發明係有關於一電壓比較電路，且特別有關於利用门速的類比/數位轉換器（A/D converter)的斷路型式壓比較器。【習知技術說明】 €知技術中’日本專利（japanese patent Ν〇· 3 1 0 5862 )中，發明家應用推薦利用反相器的斷路器型式電壓比較電路。

在第7圖到第1 〇圖是在說明電壓比較電路，第7圖在說明電壓比較電路。第8A〜8C圖分別說明輸入取樣模式 (input sampling mode)、放大模式（amplifying mode)和閃鎖模式（latch mode)。第9圖是在不同的模式下，各個開關的時脈圖。在圖中10卜108為開關，：π〇〜115為電容器’ 11 2，11 3為反相器。另外，V i ρ為類比輸入訊號的正側電壓，V i η為類比輸入訊號的負側電壓，v r p為參考電壓的正側電壓，V r η為參考電壓的負側電壓。

首先，若是在輸入取樣模式下，第8Α圖和第9圖的開關 101，102，103，104，105，106，107和 108 均為ON，開關103和104為OFF。因此類比輸入訊號的正側電壓Vip和反相器112的邏輯起始電壓VLT112間的電壓差會被儲存到電容器11 0，類比輸入訊號的負側電壓V i η和反相器11 3的邏輯起始電壓VLT11 3間的電壓差會被儲存到電容器111。在放大模式下，第8·Β圖和第9圖中的開關103和104會 ON，開關101 ，102，103，104，105，106，107和108 會

7061-4922-PF(N).ptd 第6頁 1262651 五、發明說明（2) OFF。因此，反相器1 1 2會放大，類比輸入訊號的正侧電壓 Vip和參考電壓的正側電壓Vrp間的電壓差，以及反相器 1 1 3會放大，類比輸入訊號的負側電壓v ^ n和參考電壓的負側電壓Vrn間的電壓差。因此各自產生輸出v〇1和v〇2。在閂鎖模式下，第8· C圖和第9圖的開關103，1〇4， 107 和 108 為ON ’ 開關1〇1 ，1〇2，1〇5 和 1〇6 為〇FF。因此，反相Is 11 2和11 3為正反器的操作，且利用電容器丨丨4和丨】5 形成正回授電路。此時，類比輸入訊號的正側電壓v丨p和參考電壓的正側電壓Vrp間的電壓差，以及類比輸入訊號的負側電壓Vin和參考電壓的負側電壓Vrn間的電壓差，會使反相器112和113產生擴大不平衡的輸出振幅。最後，在麵第10圖反相器的輸入電壓Vin和輸出電壓v〇ut間的轉換特性中，反相器的輸出電壓改變到A點，接近電源來源電壓 VDD，和其它反相器的輸出電壓改變至接近接地電壓ve的^ . 點，因此，可決定在類比輸入訊和參考電壓間的差距大或· /J、〇既然如此，當電容器丨丨0的靜電容量被標示為c丨丨〇， ^ 儲存在電容器110的導電電荷被標示為QC110。電容器m 的靜電容量被標示為cill，儲存在電容器ηι的導電電荷被標示為QC111。在取樣模式下，在各個的電容器所儲存的導電電荷，如下式所示： QC110二C110(Vip-VLT112)…⑴ QClll:Clll(Vin-VLT113)…（2) 其中VLT112和VLT113分別為反相器112和113的邏輯起始電

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7061-4922-PF(N).ptd 第8頁 1262651 五、發明說明（4)

Vgll2和Vgll3之間的差距可計算而…，秋訊號的同相電壓Vic和參考電壓的同付壓二:類t匕輸入可相消，在放大模式下，電容器"〇和⑴的導二：電壓差重新分配。反相器1 1 2和1 1 3的輪人w ㈤+電電荷不會 ⑴入&破應用在類卜卜认號Vi和參考電壓Vr間的電壓差，| 貝比輸入訊罪谷個反相器的溫益+ 電壓，以及類比輸入訊號的同相電壓Vic和、輯起始相電壓Vrc。可電壓的同一般平衡類型的電壓比較用在，類比輸入訊號的同相電的電壓差，除了類比輸入訊號此，當類比輸入訊號的同相電的電壓差增加時，反相器的輸反相器112和113間的不平衡。比輸入訊號和參考電壓間的大當反相器理想地利用在電制輸出的振巾g。當類比輸入訊同相電壓間的電壓差，被應用輸出不會飽和。因此’在閃鎖被放大，而且可決定類比輸入可是，事實上，相應的反相器 ίίϋ相器的輪入端被應 1 考電壓的同相電壓間和參考電壓間的電壓差。因壓和參考電壓的同相電壓間出會飽和。因此，不會造成在閃鎖模式下，無法決定類 /J、〇壓比較電路上時，並不會限號的同相電壓和參考電^的在反相器的輸入，反相器的模式下，反相器間的差距可訊號和參考電壓間的大小。 ’其輸出振幅被限制住了，因此’當類比輸入訊號的同相電壓和參考電壓的同相電壓間的電壓差增加時，反相器的輸出會被飽和，而且反相器輸出間的差距會被牴消。因此會引起一個問題，就是在閂鎖模式下，無法決定類比輸入訊號和參考電壓間差距的大

1262651 五、發明說明（5) /J、〇【發明概述】本發明的輪入訊號和參的同相電廢和本發明之分別接到類比壓，第一和第的一端。第三目的在於考電壓間參考電壓電壓比較輪入訊號二開關的和第四開電壓和類比輸入訊號的端分別接到第三和第四器的另端。第第二反二反相輸入端端接在一起的輸入一和第容器。為顯易懂細說明【實施以三和第相器的器的輸到第二端到第四電容讓本發 ’下文如下：例】下將說四電容器輸入端。入和輸出反相器的一反相器器，而第提供一差距的的同相器，包的正側另一端關，一負側電電容器然後再的另一第五和端。而輪出端的輸出十開關電壓比較大小，來電壓。含一第一電壓和參分別接到端分別接電路，抵消類和第二考電壓第一和到參考壓’第三和第四將第一一反相的一端。連接到第端接在一第六開關第七開關。第八開端。第九兩端分別起，然分別連連接第關連接開關兩接到第 Μ定類比比輪Α訊號開關，—山的負惻電钨 Ϊ二電容器電壞的正側開關的另— t苐二電容器的輪入後再連接到接第一和第一反相器的第二反相器端分別到第二和第三電明之上迷特舉出車交和，他目的、特徵、和優點能更佳貫施例，並配合所附圖式，作明本發θ月第1圖到第3圖 1262651 五、發明說明（6) 圖中，1〜10為開關，在操作楂 0FF。"]4分別為電容器。21和22:::任意雜或 Vlp為類比輸入訊號的正側電壓，Vi.n:=:器。另外’ 側電壓，Vrn為參考電壓的負側 :、比輸入妣唬的負側電壓。. 、w ° ’ Vrp為參考電麼的正開關1連接到類比輸人訊號之間’開關2連接到類比輸二:„11 12之間，開關3連接到夂老雷汽二f的電壓Vin，和電容器、“: 考的負側電壓，和電容器 :a，”4連接到參考電壓的正側電壓 14之間，電容器11和13的另一端 P 电备為 14的另-端接在—起。㈣在—起’而電容器12和，相=1 接到反相器21的輸入和輸出端，開關6連接到 ί : 2入和輸出# ’開關7連接反相器21的輸入端至=22的輸出端’開關8連接反相器_輸入端到相器 2!的輸出端，另外，開關9 一端連接至開關丨和電容器u，另接至開關2和電容器12，開關1〇一端連接至開關3 和電谷為、1 3，另一端連接至開關4和電容器1 4。接下來將說明第1圖到第3圖中之較佳^實施例。第 2A〜2C圖，分別表示第i圖進入輸入取樣模式、放大模式和閂鎖模式時的電壓比較電路。首先，在第2 A和第三圖中，開關1 ，2，3，4，5，6， 7，和8均為ON，而開關9和10為0FF。因此在類比輸入訊號正的電壓Vip和反相器21的邏輯起始電壓άτι之間的差距會被儲存在電容器11中，而在參考電壓的負側電壓Vrn和

7061-4922-PF(N).ptd 1262651 五、發明說明（7) 反相器21的邏輯起始電壓几71之間的差距會被儲存在電容 =1 3中。另外，類比輸入訊號負的電壓v丨〇和反相器2 2的邏輯起始電壓VLT2之間的差距會被儲存在電容器I?中，而參考電壓的正側電壓Vrp和反相器22的邏輯之間的差距會被儲存在電容器14。狀始電™ …第1 0圖疋反相器的轉換特性圖，邏輯起始電壓在B點電壓時，輸入電壓Vin和輸出電壓v〇ut*相等的，且各自的反相器有明確的内在電壓值，反相器的輸入和輸出會短另外 10 為ON，此，電容容器1 3和和14中的輸入訊號反相器2 1 邏輯起始輯起始電別產生。 ’第2B和第3圖表示’當在放大模式時，開關9和而開關1，2，3 ’ 4，5，6，7和8均為OFF。因益11和電容器12串接在一起且和串接在一電容器14並聯。因此，儲存在電容器"，12 5 導電的電荷會被重新分配’ i同相電壓除去和同相電壓除去參考電壓之間的差距，會發生 :22的輸入輸出端。此時，反相器 “ 壓VLT2的電位差料仆 f祁抑敌大輸入端邏电1差艾化，且輸出V〇l和Vo2因此而分

另外，第2C和第3圖表示，在閃鎖模式下此下生 9和^為0N ’而開關1，2，3，4，5和6均為0FF ^因，反相器2 1和2 2為正反4 口。引起擴大不平衡的在ΐ回授的情形，不同的正側電壓ν i ρ和類卜在反相器21和2 2間會員比輸入訊號的負側電壓v i n

1262651 五、發明說明（8) 的電壓差，以及正側電壓Vrp和參的電壓差，最後，㈣1〇圖反相器的負側電壓Vrn間電壓Vout間的轉換特性中，反相哭的=入電壓Vln和輸出點’接近電源來源電壓VDD，和‘、:出d電壓改變到A 變至接近接地電壓VE的。點 ”，出電壓改 ^ Μ ^ Λ ^ „ 〇 ^ ^ -- 模式和閃鎖模式在各自的時間，[乂：二f式’放大號和參考電壓之間的大或小差距。疋成决疋類比輸入訊本發明之較佳實施例，判斷類比輸入訊 :::電壓的類比輸入訊號“考電壓的大不二〜a =疋的原理，可利用方程式來說明。百先’電容器11之靜電容量被標示容器11之導電電荷被矜干炎ηΓ1彳 ^ ^ 傾存於電俨干為C12，蚀户Μ 士不^、為㈧11，電谷器12之靜電容量被 :存於電容器12之導電電荷被標示為QH2， ϊί:容量被標示為ci3，儲存於電容器13之導電電何被才示不為QC1 3 ’電容器14之靜電容量被標示 C1 4，儲存於電容器丨4之導電雷1^ ,,,^^兩々导冤電何被私不為QC14。在取樣杈式下，儲存在電容器的各自導電電荷如下式所示： QC11-C11(Vip-VLTl) ...... (ι ι) QC12:C12(Vin-VLT2) ...... (12) QC13二C13(Vrn-VLT1) ...... (13) QC14:C14(Vrp-VLT2) ...... (14) 其中，反相器21的輸入端和反相器22的輪入端之間的電壓差，標示為Vd，在取樣模式下，儲存在電容器的導電電荷 1262651 五、發明說明（9) 會被保存到放大模式，當導電電荷儲存在電容器u，12 , 不： 1 3和1 4被重分配時，則在放大模式的電壓差Vd，如下式所 Γ，"一（gci 卜 gC12) + (gC13- gC14)

CllxC12 ^ C13xC14 ......(15) C11+C12 C13+C14 其中將取樣電容Cl 1，Cl 2，Cl 3和C14設定為 C11=C12 = C13 二 C14 二 CS，並代入（1)，（2)，（3)和（4)式中將運算結果代回（1 5 )式，結果由下式所示··

Vd « {CS(Vip - VLTl)» CS{Vin - VLT2)}^{CS{Vrn- VLT\) - CS(Vrp - Vm)) ' 一 CS(Vip - VLT\ - Vin + VLT2 + Vrn - VLTl - Vrj> + VLT2) — =<y\p - Vm) - {Vrp - Vrn) - 2VLTI + 2VLT2 •…(16) 當反相器21的邏輯起始電壓VLT1，和反相器22的邏輯起始電壓VLT2彼此相等時，（16)式可化簡如下式：

Vd二（Vip-Vi η) -（Vrp-Vrn)…（17) 另外，當類比輸入訊號的正側電壓V i p和負側電壓v i n 時’被表示為正負類比輸入訊號V i ，和類比輸入訊號的同相電壓V i c是有關係的，而參考電壓的正側電壓Vrp和參考電壓的負側電壓Vrn被表示為正負參考電壓Vr時，和一般電壓Vrc的參考電壓是有關連的。可將上述的關係以下式表示：

7061-4922-PF(N).ptd 第14頁 1262651 五、發明說明（10) V i p二V i c +V i ......(5)

Vin-Vic-Vi ......(6)

Vrp^Vrc + Vr ......(7)

Vrn二Vrc-Vr ......(8 ) 當（5) ’（6)，（7)和（8)式代入（17)式中，結果由下式所示：

VdH(Vic + Vi)-(Vic^Vi)}.{(Vrc + Vr)_(Vrc_Vr)} 二2(V i -Vr) ......(18) 因此’由（1 8)式中’可明顯得看出類比輸入訊號和同相電壓Vic的參考電壓的同相電壓Vrc：可被消去，且類比輸入訊號和參考電壓之間的電壓差只會出現在反相器21和22 I 的輸入端。甚至當目前類比輸入訊號的同相電壓和參考電壓的同相電壓間的電壓差，就是放大在放大模式時，類比輸入訊號和參考電壓間的電壓差。類比輸入訊號V丨和來考電壓V r之間的電壓差可被決定大小，不會對在閃鎖模式下的類比輸入訊號的同相電壓，和參考電壓的同相電壓產生 · 影響。 1 · 另外，類比輸入訊號和參考電壓在相同時間下取樣。當電源來源電壓改變時，反相器的邏輯起始電壓會不相同，使得類比輸入訊號和參考電壓彼此相等。因此，達到減輕邏輯起始電壓變動的影響能力，以決定類比輸入訊號和參考電壓間的電壓差大小。 ^ 接下來，將說明第4到第6圖之第二較佳實施例。圖中的數字1到1 〇是開關，而數字丨丨到丨6是電容器，

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五、發明說明（11) 數字2 1和2 2是反相器。，第1圖之第一較佳實施例不同的地方在於，多了連 =器2丨輸出端到開關8的電容器15，以及連接反相器相：出端到開關4的電容器16 ’其它均和第一較佳實於例 2，將利用第4到第6圖，詳細說明此較佳實施例的1作方式。此較佳實施例的操作方式相壓比㈣，原本是由開關7和8構成：丄； ★=合益15和16也加入到正回授的電路當中。當在閂鎖拉式中，類比輸入訊號和參考電壓間可決定大小，反相写和22的輸出端可對應於，第1〇圖的反相器的輸入電壓。 Vln和輸出電壓輸出端的轉換特性。當反相器的輸出電壓 "Γ接近電源來源電㈣點’或是接近接地點。 —在本較佳實施例中，反相器21的輸入端透過開關和電二器連接到反相器22的輸出#’而反相器22的輪入端透過開關和電容器連接到反相器21的輸出端。反相器21輸入端的電壓’靠電容器16的電容容量和反相器21輸人端的輸入電容容量二會保持一電壓’提供反相器22輸出端的劃分電壓；反相1§22輸入端的電壓，靠電容器15的電容容量和反相器22輸入端的輸入電容容量，會保持一電壓，提供反器2 1輸出端的劃分電壓。 ’、本較^實施例中，電壓比較電路可分類為輸入取樣模式、放大杈式和閂鎖模式，分別如第5圖所示，接下來將

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1262651 五、發明說明（12) 分別介紹各個操作模式。首先，第'和第6圖表示，當在輸入取樣模式時，開』’工，4，5，6，7和8為0N，而開關9和1〇為0FF。因 =二類比輸入訊號的正側電壓Vip和反相器以的邏輯起始 MLTl間的電壓i，會被儲存在電容器u中。而參° =負側電壓vrn和反相器2 i的邏輯起始電壓VLT1間’的電會被Λ气在電容器13中。另外’類比輸入訊號的負 η電壓Vin和反相器22的邏輯起始電壓几”間的電壓差，會被儲存在電容器12中。而參考電壓的正側電壓h和反相益22的邏輯起始電壓VLT2間的電壓差，會被儲存在電容器==。邏輯起始電壓VLT1*VLT2間的電壓差會被儲存在電容器15和16中。接下來，第5B和第6圖表示，當在放大模式時，開關9 和10為0N，開關1 ，2，3，4，5，6，7和8為OFF。電容器 I! t電容器1 2串接在一起且和串接在-起的電容器1 3和電容器14，聯。因此，儲存在電容器11，1 2，1 3和1 4中的導電的電荷會被重新分配。且同相電壓除去類比輸入訊號和，相電壓除去參考電壓後，其之間的差距，會發生在反相器Η和22的輸入端。此時，反相器21放大輸入端邏輯起始電壓VLT1的電位差變化，反相器22放大輸入端邏輯起始電壓VLT2的電位差變化，且輸出Vo 1和Vo2因此而分別產生。、第2C和第3圖表示，在閂鎖模式下，開關7，8，9和1 〇為ON、’而開關i ，2，3，4，5和6均為_。此時反相器21 和2 2為被當作正反器，利用電容器1 5和1 6做正回授。此

1262651 五、發明說明（13)

時，引起擴生，不同的的電壓差，的電壓差。電壓Vout間點，接近電變至接近接和參考電壓第二較輸入訊號Vi 號的同相電和1 6以及開輸入端的電鎖模式中。期下，反相壓的充放電此使得電壓大不平衡的輸出放大。在反相器2 i和2 2 正侧電壓V i p和類比輸入訊號的間會產 _側電壓Vi η間以及正側電壓Vrp和參考電壓的刍+广田巧电^曰1負側電壓Vrn間取後’在弟10圖反相器的輸入電壓Vin和輸出的轉換特性中，反相器的輸出電壓改變到: 源來源電壓VDD，和其它反相器的輪出電壓改地電壓VE的C點’因此，可決定在類比輸人訊間的差距大或小。佳實施例相似於第一較佳實施例，可決定類比和參考電壓Vr間的大小，不會影響類/比輸入訊壓和參考電壓的同相電壓。因此，由電容器15 關7和8所組成的正回授電路，使反相器21和22 壓以及反相器21和22各自的邏輯起始電壓在閃因此當閂鎖模式轉換到取樣模式，在一時間週器21和22的輸入端到反相器各自的邏輯起始電時間會縮短。在一時間週期中，縮短取樣，如比較電路高速動作。另外’在第一和第二較佳實施例中，插入固定的流迴路在電源來源輸入和反相器21和22的電源來源間。因此，不論電源來源電壓，最大的電流通過反相器2丨和2 2。當電源來源電壓被改變時，反相器會減低電流的消耗。胃、經由上述的說明，本發明可抵銷類比輸入訊號的同相電壓和參考電壓的同相電壓，而且在不影響同相電壓下，可決定類比輸入訊號和參考電壓間的大小。另外，在正回

7061-4922-PF(N).ptd 第18頁 1262651 五、發明說明（14) 授電路中加入電容器，在一時間週期下，可縮短取樣，使電壓比較電路高速動作。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

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第1圖是本發明電壓比第2A〜2C圖是第一較佳奋:=第:較佳實施例。入取樣模式、放大模式和閃貝鎖式的紅作狀態分別在，輸第3圖是第一較佳實施例在不圖。 j的^作狀態下的時脈作狀態分別在，輸操作狀態下的時脈第4圖是本發明的第二較佳實施例第5 A〜5C圖是第二較佳實施例的操入取樣模式、放大模式和閂鎖模式。第6圖是第一較佳實施例在不同的圖〇第7圖是習知技術之電壓比較器。第8 A〜8 C圖是習知技術的掉作壯自模式、放大模式和閃鎖模式赠…在’輸入取樣第9圖是習知技術在不同的操作狀態下的時脈圖。第1 0圖是反相器轉換特性圖。【符號說明】 1〜10，101〜108:開關11〜16，110〜115:電容器 2 1，2 2 :反相器 V i p :類比輸入訊號的正侧電壓 V i η ··類比輸入訊號的負側電壓 Vrn:參考電壓的負側電壓 V r p :參考電壓的正側電壓 Vol :反相器21的輸出 Vo2:反相器22的輪出

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Claims

1262651 六、申請專利範圍 1 *種電壓比較電路，包括：閼、击二ί Γ和第二電容器，其一端各自透過第—4 ; 類比輪入訊號的正側電壓和參考電壓 °第二開堡，土：端連接在一起； Η[的負惻電關連四電容器，其-端各自透過第三和第四堡’另一端連接在一起； ^虎的負側電 __贷和第二反相器，分別連接到第一和第_ 起的-端以及第三和第四電容器連接！'電容器 :?別再透過第五和第六開關連接反相器 ^ - c ±矛第八開關，分別接到第一反相哭的私器:;=的:;端以及第二反相器的輸入;到㈡: 第二y = f關’分別接到第-和第四電容器以及其它包含…九和第十開關外，其它開關岣為_第_果:’和除了第九和第十開關外，外，其它第二上及第七到第十開麵罘到第八開關均為OFF的第三模式。中清專利範圍第1 J苜％、十、 ·^ 第七和第八開關分別η 述電壓車父電路’其中 3 開關刀別和第五和第六電容相串聯。第一摔作^專利範圍第1項所述之電壓比較電路，1 φ 弟钿作模式，第二操作楹平乂电路，其中 /、乍杈式和弟二刼作模式在各別的時

7061-4922-PF(N).ptd 第21頁 1262651 六、申請專利範圍間内，重複完成，由此，對照類比輸入訊號和參考電壓的結果，被第一和第二反相器輸出。 4. 如申請專利範圍第1項所述之電壓比較電路，其中在第二操作模式中，將第九和第十開關ON後，利用串聯第一和第四電容器再和串聯在一起的第二和第三電容並聯，以除去類比輸入訊號的同相電壓和參考電壓的同相電壓。 5. 如申請專利範圍第1項所述之電壓比較電路，其中定電流電路被插入電源來源輸入和第一以及第二反相器的電源來源間。

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