WO1998012814A1 - Cmos-komparator - Google Patents

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WO1998012814A1
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Jenö Tihanyi
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
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    • H03K5/24—Circuits 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
    • H03K5/2472—Circuits 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
    • H03K5/2481—Circuits 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 with at least one differential stage

Definitions

  • the invention relates to a CMOS comparator according to the preamble of claim 1.
  • a CMOS comparator is preferably used in self-insulating Lei ⁇ tung ⁇ IC components.
  • PROFETs temperature-protected field effect transistors
  • the CMOS comparator according to the invention is characterized by a simple structure and thus a small space requirement.
  • Four p-channel high-voltage transistors which can preferably be lateral transistors, form two first current mirrors.
  • the two first current mirrors are connected to the two p-channel high-voltage transistors.
  • a current source is arranged, which is preferably an n-channel field-effect transistor.
  • two n-channel high-voltage transistors follow, which can also preferably be lateral transistors and form a second current mirror.
  • the bias current flowing in the current path on the reference side is determined by the current source.
  • the high voltage transistors of the first two current mirrors are "wrong", i.e. their high voltage resistant drains are arranged in the direction of the more positive voltage compared to the voltages at the sources. Possible negative voltage peaks can thus be mastered.
  • the same current flows in both current paths, since the high-voltage transistors of the two first current mirrors and the second current mirror connected in cascode each have a very high dynamic output resistance.
  • the output voltage which is taken between the high-voltage transistors of the first and second current mirrors, reacts very quickly to deviations between the input voltage and the reference voltage. If the input voltage is less than the reference voltage, the output voltage drops steeply. If, on the other hand, the input voltage is greater than the reference voltage, the output voltage rises steeply.
  • the CMOS transistor according to the invention is preferably applicable to self-isolating power IC components and can pass through a large voltage range on the output side with a small measurement signal.
  • An advantageous application of the invention is, for example, a current mirror high-side (or high-side) switch.
  • the high-voltage transistors of the first current mirror can even be used as isolating elements between the CMOS comparator and a power output.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of a current mirror high-side switch as an application example of the CMOS comparator according to the invention.
  • FIG. 1 shows an input voltage V IN to be measured at the drain D of a first p-channel lateral high-voltage field effect transistor Tu, which forms a current mirror with a second p-channel lateral high-voltage field effect transistor T i2 .
  • the source of the first field effect transistor T n and the source of the second field defect transistor T i2 are each connected to the source of a third or fourth p-channel lateral high-voltage field effect transistor T i3 or T 14 .
  • the third field effect transistor T 13 forms, together with the fourth field effect transistor T i, a further current mirror.
  • the gates of the two field effect transistors T n and T 12 which are connected to one another are connected to the substrate potential VGG via a Z diode Zi.
  • Drain D of the third field-effect transistor T n is connected to an output terminal U 0 u ⁇ and to drain D of a first n-channel lateral high-voltage field-effect transistor T 31 which is connected to a second n-channel lateral high-voltage field-effect transistor T 3 forms a current mirror.
  • a bias voltage U (bias) is present at the source of the field effect transistor T 32 .
  • Between drain D of field-effect transistor Tu and drain D of field-effect transistor T 32 is an n-channel field-effect transistor T 2 of the depletion type (depletion-FET), which serves as a current source. If necessary, it could also be replaced by a power source.
  • the drain of the field effect transistor T 2 is connected to the drain of the field effect transistor J4 .
  • a constant current I B ⁇ as flows in a first current path or branch between the connection for the reference voltage U Re f and the connection for the bias voltage U (-B ⁇ as).
  • This current which is determined by the field effect transistor T 2 , is generated by the current mirrors T n , T 32 and T ! 3 , T J and T 3J , T 32 in a second current path or branch between the connection for the input voltage U ⁇ N and the connection for U (bias) is mirrored.
  • the two currents in the first and second current paths are also equal to one another, since the field effect transistors T31, T 32 and the field effect transistors Tu to T ⁇ forming a cascode have a high dynamic output resistance. If the input voltage U IN becomes lower than the reference voltage U Re £ , the potential P at the output connection goes down, ie the output voltage U OUT drops sharply. If, on the other hand, the input voltage U IN is greater than the reference voltage U Re £ , the potential P rises, ie the output voltage U 0 u ⁇ rises steeply. The output voltage U OUT thus reacts very quickly to a deviation between the input voltage U ⁇ N and the reference voltage
  • Fig. 2 shows an advantageous application of the invention in a Stro mirror high-side switch.
  • a CMOS comparator 1 according to the invention is supplied with the input voltage ⁇ N and the reference voltage U Re £ and provides an output voltage U OUT which indicates the difference between these voltages - a second is located between the substrate potential V ⁇ G and the bias voltage U (-B as) as a protective diode Zener diode Z 2 .
  • An n-channel main field-effect transistor 2 is used to switch an inductive load 3 and forms a current mirror with an n-channel current-level field-effect transistor 4.
  • the gate of the field-effect transistor 4 has a gate-source voltage U G s applied, which is also supplied gate of the field effect transistor 2.
  • the field effect transistors 2 and 4 ⁇ md with their drains are each connected to the substrate potential V GG .
  • the voltage U 0 u ⁇ of the CMOS comparator is tapped from a p-channel field tekttran ⁇ i ⁇ tor T 4 , which is connected via source or drain via a diode Di to the connection for the input voltage U ⁇ N and via a resistor R to ground. Between the diode O ⁇ and drain of the main field effect transistor 2 there is also a diode D 2 which is polarized opposite to the diode Di. The diodes Di and D 2 are connected with their anodes to the source of the field effect transistor 4.
  • the current I flowing in the input connection for the input voltage can be very small and can be, for example, 1/10000 of the output current I.
  • the p-channel field effect transistor transistors T n to T i4 of the CMOS comparator 1 serve not only as components of the comparator 1 itself, but also as separating elements between the comparator 1 and the power output. If the field effect transistor T is designed as a "wrong" p-channel field effect transistor, the drain of which is arranged in the direction of positive voltage, then the diode Di can be dispensed with.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen CMOS-Komparator, bei dem vier p-Kanal-Lateral-Hochspannungstransistoren (T11-T14) zwei erste Stromspiegel und zwei n-Kanal-Lateral-Hochspannungstransistoren (T¿31, T¿32?) einen zweiten Stromspiegel bilden. Im Strompfad der Referenzspannung liegt ein Depletion-Transistor (T2), der den dort fließenden Strom bestimmt. Ist die Eingangsspannung (UIN) gleich der Referenzspannung (URef), so fließt in beiden Strompfaden der gleiche Strom. Weicht die Eingangsspannung (UIN) aber von der Referenzspannung (URef) ab, so ändert sich die Ausgangsspannung stark.

Description

Beschreibung
CMOS-Komparator
Die Erfindung betrifft einen CMOS-Komparator nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein derartiger CMOS-Komparator wird bevorzugt bei selbstisolierenden Leiεtungε-IC- Bauelementen eingesetzt.
Sogenannte PROFETs (temperaturgeschützte Feldeffekttransistoren) verwenden solche Ko paratoren zum Vergleichen einer Meß- spannung mit einer Referenzspannung. Diese herkömmlichen Komparatoren benötigen aber relativ viel Platz, was dem Ziel einer hohen Integrationsdichte entgegensteht.
Es ist daher Au f g a b e der vorliegenden Erfindung, einen CMOS-Komparator mit geringem Platzbedarf zu schaffen, der bei kleinem Meßsignal ausgangsseitig einen großen Spannungε- bereich zu durchfahren vermag, so daß er beispielsweise zum Schalten von induktiven Lasten eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einem CMOS-Komparator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprύchen.
Der erfindungsgemäße CMOS-Komparator zeichnet sich durch ei- nen einfachen Aufbau und damit einen geringen Platzbedarf aus. Vier p-Kanal-Hochspannungstransistoren, die in bevorzugter Weise Lateraltransistoren sein können, bilden zwei erste Stromspiegel. Im Strompfad auf der Referenz- oder Bezugsspannungsseite ist im Anschluß an die beiden p-Kanal- Hochspannungstransistoren der beiden ersten Stromspiegel so- dann eine Stromquelle angeordnet, bei der es sich m bevorzugter Weise um einen n-Kanal-Feldeffekttransistor handelt. Im Anschluß an die Stromquelle und die beiden p-Kanal- Hochspannungstransistoren der Meßspannungsseite folgen noch zwei n-Kanal-Hochspannungsstransistoren, die ebenfalls in bevorzugter Weise Lateraltransistoren sein können und einen zweiten Stromspiegel bilden.
Der im Strompfad auf der Referenzseite fließende Vorspan- nungsstrom wird durch die Stromquelle bestimmt. Die Hochspannungstransistoren der beiden ersten Stromspiegel sind "verkehrt" , d.h. ihre hochspannungsfesten Drains sind in Richtung der positiveren Spannung, verglichen mit den Spannungen an den Sources, angeordnet. Dadurch können mögliche negative Spannungsspitzen beherrscht werden.
Ist die Eingangsspannung gleich der Referenzspannung, so fließt in beiden Strompfaden der gleiche Strom, da die Hoch- spannungstransistoren der in Kaskode geschalteten beiden er- sten Stromεpiegel und des zweiten Stromspiegels jeweils einen sehr hohen dynamischen Ausgangswiderstand haben.
Die Ausgangsspannung, die zwischen den Hochspannungstransistoren der ersten und zweiten Stromspiegel abgenommen wird, reagiert sehr schnell auf Abweichungen zwischen der Emgangε- spannung und der Referenzspannung. Ist die Eingangsspannung kleiner als die Referenzspannung, so fällt die Ausgangsspannung steil ab. Ist dagegen die Eingangsspannung größer als die Referenzspannung, so steigt die Auεgangsspannung steil an.
Der erfindungsgemäße CMOS-Transistor ist in bevorzugter Weise auf selbstisolierende Leistungs-IC-Bauelemente anwendbar und vermag bei kleinem Meßsignal ausgangεseitig einen großen Spannungsbereich zu durchfahren. Eine vorteilhafte Anwendung der Erfindung ist beispielsweise ein Stromspiegel-Hochseiten- (bzw. High-Side- ) Schalter . Dabei können die Hochspannungstransistoren der ersten Stromspiegel sogar noch als Trennelemente zwischen dem CMOS-Komparator und einem Leiεtungsausgang verwendet werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Eε zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild des erfindungsgemäßen CMOS-Kom- parators und
Fig. 2 ein Schaltbild eines Stromspiegel-High-Side- Schalters als Anwendungsbeispiel des erfin- dungεgemäßen CMOS-Komparatorε .
In Fig. 1 liegt eine zu messende Eingangsspannung VIN am Drain D eines ersten p-Kanal-Lateral-Hochspannungs- Feldeffekttransi-εtors Tu, der mit einem zweiten p-Kanal- Lateral-Hochspannungs-Feldeffekttransistor Ti2 einen Stromspiegel bildet. An Drain D des zweiten Feldeffekttransistorε liegt eine Referenz- oder Bezugsspannung URe[ . Source des ersten Feldeffekttransistors Tn bzw. Source des zweiten Fel- deffekttransistors Ti2 sind jeweils mit Source eines dritten bzw. vierten p-Kanal-Lateral-Hochspan-nungs- Feldeffekttransistors Ti3 bzw. T14 verbunden. Der dritte Feldeffekttransistor T13 bildet zusammen mit dem vierten Feldeffekttransistor Ti einen weiteren Stromspiegel. Die miteinan- der verbundenen Gates der beiden Feldeffekttransistoren Tn und T12 sind über eine Z-Diode Zi mit dem Substratpotential VGG verbunden . Drain D des dritten Feldeffekttransistors Tn ist mit einem Ausgangsanschluß U0uτ und mit Drain D eines ersten n-Kanal-La- teral-Hochspannungs-Feldeffekttransistors T31 verbunden, der mit einem zweiten n-Kanal-Lateral-Hochspannungε- Feldeffekttransistor T3 einen Stromspiegel bildet. An Source deε Feldeffekttransistors T32 liegt eine Vorpsannung U(-Bias) an. Zwischen Drain D des Feldeffekttransistors Tu und Drain D deε Feldeffekttransistors T32 liegt ein n-Kanal- Feldeffekttransistor T2 vom Verarmungstyp (Depletion-FET), der als Stromquelle dient. Er könnte daher gegebenenfalls auch durch eine Stromquelle ersetzt werden. Drain deε Feldeffekttransistors T2 ist mit Drain deε Feldeffekttransistors J4 verbunden .
In einem ersten Strompfad oder -ast zwischen dem Anschluß für die Referenzspannung URef und dem Anschluß für die Vorspannung U(-Bιas) fließt ein konstanter Strom IBιas. Dieser Strom, der durch den Feldeffekttransiεtor T2 beεtimmt ist, wird durch die Stromspiegel Tn, T32 und T!3, TJ sowie T3J, T32 in einem zweiten Strompfad oder -ast zwischen dem Anschluß für die Eingangsspannung UΪN und dem Anschluß für U(-Bias) geεpie- gelt. Ist nun die Eingangsspannung UI gleich groß wie die Referenzspannung URef, so sind auch die beiden Ströme im er- sten und zweiten Strompfad gleich zueinander, da die Feldeffekttransistoren T31, T32 und die eine Kaskode bildenden Feldeffekttransistoren Tu bis Tι einen hohen dynamischen Ausgangswiderstand haben. Wird die Eingangsspannung UIN kleiner als die Referenzspannung URe£ , so geht das Potential P am Aus- gangεanschluß nach unten, d.h., die Ausgangεεpannung UOUT fällt stark ab. Ist dagegen die Eingangsspannung UIN größer als die Referenzspannung URe£, so steigt das Potential P an, d.h., die Ausgangsspannung U0uτ steigt steil an. Die Ausgangsspannung UOUT reagiert also sehr rasch auf eine Abweichung zwischen der Eingangsspannung UΪN und der Referenzspannung
Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte Anwendung der Erfindung bei einem Stro spiegel-High-Side-Schalter . Ein erfindungsgemäßer CMOS-Komparator 1 ist mit der Emgangsspaηnung ΪN und der Referenzspannung URe£ beaufschlagt und liefert eine die Differenz zwischen dieεen Spannungen anzeigende Ausgangsεpannung UOUT- Zwischen dem Substratpotential VσG und der Vorspannung U(-B as) liegt als Schutzdiode eine zweite Z-Diode Z2. E n n- Kanal-Haupt-Feldeffekttransistors 2 dient zum Schalten einer induktiven Last 3 und bildet einen Stromspiegel mit einem n- Kanal-Stromsp egel-Feldeffekttransistor 4. Gate des Feldef- fekttranεiεtorε 4 ist mit einer Gate-Source-Spannung UGs be- aufschlagt, welche auch Gate des Feldeffekttransistors 2 zugeführt ist. Die Feldeffekttransistoren 2 und 4 εmd mit ihren Drainε jeweils an das Substratpotential VGG angeschlossen.
Die Spannung U0uτ des CMOS-Komparators wird von einem p-Kanal- Felde fekttranεiεtor T4 abgegriffen, der mit Source bzw. Drain über eine Diode Di mit dem Anschluß für die Eingangsspannung UΪN und über einen Widerstand R mit Masse verbunden ist. Zwischen der Diode Oι und Drain des Haupt- Feldeffekttransistors 2 liegt noch eine Diode D2, die entgegengesetzt zur Diode Di gepolt ist . Die Dioden Di und D2 sind mit ihren Anoden mit Source des Feldeffekttransistors 4 verbunden .
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Stromspiegel-High-Side-Schalter kann der im Eingangsanschluß für die Eingangsspannung fließende Strom I sehr klein sein und beispielsweise 1/10000 des Ausgangsstromes I betragen. Bei der Schaltung von Fig. 2 dienen die p-Kanal- Feldeffekttran-εistoren Tn biε Ti4 des CMOS-Komparatorε 1 nicht nur als Bestandteile deε Komparators 1 selbst, sondern auch als Trennelemente zwischen dem Komparator 1 und dem Lei- stungεausgang . Wenn der Feldeffekttransistor T als "verkehrter" p-Kanal-Feldef-fekttransistor ausgebildet wird, dessen Drain in Richtung positiver Spannung angeordnet ist, so kann auf die Diode Di verzichtet werden.

Claims

Patentansprüche
1. CMOS-Komparator, insbesondere für Leistungs-IC- Bauelemente, bei dem eine Eingangsspannung (UIN) mit einer Bezugsspannung (URef) verglichen wird und an einem Ausgangεan- schluß ein eine Differenz zwischen der EingangsSpannung (UIN) und der Bezugsεpannung (URe-) anzeigendes Spannungssignal (P) abgreifbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Strompfad zwischen einem Bezugεεpannungsan- schluß und einem Vorspannungεanschluß und ein zweiter Strompfad zwischen einem Eingangsspannungsanschuß und dem Vorspannungεanschluß jeweils auε mindestens zwei ersten Stromεpiegeln (Tu, Ti2; T13, T14) und einem zweiten Stromspie- gel (T3ι, T2) bestehen, daß im ersten Strompfad zwischen einem der ersten Stromspie- gel (Tu, Tu) und dem zweiten Stromspiegel (T3ι, T32) eine Stromquelle (T2) angeordnet ist, und daß der Ausgangsanschluß zwischen dem einen ersten Stromspie- gel (Tu, Tu) und dem zweiten Stromεpiegel (T3ι, T32) ange- εchlossen ist.
2. CMOS-Komparator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erεten Stromεpiegel auε p-Kanal-Lateral- Hochεpannungε- tranεiεtoren (T - Ti4) bestehen, die im ersten und zweiten Strompfad jeweils zueinander in Reihe geschaltet sind, wobei Drain (D) des ersten p-Kanal-Lateral- Hochspannungsstransistorε (Tu) an eine gegenüber einer am Vorεpannungsanschluß liegenden Vorspannung positivere Spannung angeschlossen ist.
3. CMOS-Komparator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (T2) auε einem n-Kanal- Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp besteht.
4. CMOS-Komparator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Stro spiegel (T31, T32) auε n-Kanal-Lateral - Hochspannungstransiεtoren besteht .
5. Verwendung des CMOS-Komparators nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einem Stromspiegel-Schalter (Fig. 2).
6. Stromspiegel-Schalter mit einem CMOS-Komparator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungstransistoren (Tu - Ti4) der ersten
Stromspiegel als Trennelemente zwischen CMOS-Komparator (1) und Leistungsausgang dienen.
7. Stromspiegel-Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgangεtransistor (T4) mit Drain m Richtung positiver Spannung angeschloεεen ist.
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AGAZZI O ET AL: "AN ANALOG FRONT END FOR FULL-DUPLEX DIGITAL TRANSCEIVERS WORKING ON TWISTED PAIRS", PROCEEDINGS OF THE CUSTOM INTEGRATED CIRCUITS CONFERENCE, NEW YORK, MAY 16 - 19, 1988, no. CONF. 10, 16 May 1988 (1988-05-16), INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRICAL ENGINEERS, pages 2641 - 2644, XP000124786 *

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