一種遲滯比較器的製作方法

2023-06-20 16:15:36 1

專利名稱：一種遲滯比較器的製作方法
技術領域：
本發明屬於半導體集成電路技術領域，特別涉及一種遲滯比較器電路。
背景技術：
在實際使用中，由於電源電壓的變化，電阻值的偏差，運算放大器的溫漂，電壓比 較器的輸出就常常出錯。必須重新調整電位器改變閾值電壓，才能使比較器重新正常工作， 輸出符合要求的控制信號。因此我們需要引進不受電源電壓、外界溫度變化的影響，具有一 定遲滯寬度的閾值穩定可調的比較器。遲滯是比較器的一種性質，其輸入閾值是輸入(輸 出)電平的函數。尤其是當輸入達到閾值時輸出會改變，同時輸入閾值也會隨之降低，所以 在比較器的輸出又一次改變狀態之前輸入必須回到上一閾值。目前較為流行的遲滯比較器有以下幾種①外部正反饋結構的比較器，該比較器主要是通過外接電阻構成正反饋形式來實 現遲滯功能的比較器，但該比較器對運放性能要求很高，且不能根據需要調節。②內部正反饋遲滯比較器主要為高增益開環遲滯比較器。但該比較器遲滯寬度不 能靈活調節，應用範圍有限。③施密特觸發器結構的遲滯比較器，該電路可以通過改變Vthl-、Vthl+偏置電壓 的大小來靈活調節電路的遲滯寬度，電路的遲滯寬度簡單、靈活可調，但是該比較器受工藝 參數、電源電壓和溫度的影響很大，精度不高，實用性不強。由於遲滯比較器的應用越來越廣，結構也越來越多，目前國內有關遲滯比較器的 專利也比較多，有專門應用於低電源電壓的比較器，有閾值自動調節的遲滯比較器。但其結 構均受工藝條件限制，在不同的工藝條件下，對電路的影響較大，應用範圍受到限制。

發明內容
本發明的目的就是為了解決現有的比較器存在受工藝參數、電源電壓和溫度的影 響很大，精度不高，實用性不強的缺點，提供一種高精度高穩定遲滯比較器，該比較器具有 結構簡單，不易受工藝條件、外部溫度和電源電壓等影響，具有很好的應用價值等特點。為了實現上述目的，本發明採用了如下技術方案一種遲滯比較器，包括放大器和閾值產生電路，其特徵在於放大器採用軌對軌(rail-to-rail)結構，該結構的輸入級採用一個跨導變換器， 保證輸入級跨導為一恆定的量，其信號的共模電壓範圍為電源(VCC)至地(GND)，放大器的 輸出信號用於控制閾值產生電路；閾值產生電路是由二選一傳輸門構成，外部輸入閾值電平，經二選一傳輸門輸出 到放大器的負端進行比較；閾值電平的選擇是通過放大器輸出端電平的高低來控制，放大器輸出端電壓控制
二選一傳輸門。放大器輸出端設置一組反向器，實現輸出電平的翻轉。
本發明的優點由於閾值產生電路和運放所採取的結構，使得該比較器具有很高的電源穩定性、 不易受外界溫度變化的影響，可以實現從電源(VCC)到地(GND)全範圍內比較。該比較器 具有精度高，閾值和遲滯寬度可以根據需要靈活調節。


圖1是本發明的遲滯比較器電路結構框圖；圖2是本發明的遲滯比較器電路圖；圖3是本發明的遲滯比較器共模輸入範圍示意圖；圖4是本發明的遲滯比較器精度隨溫度變化示意圖；圖5是本發明的遲滯比較器精度隨電源電壓變化示意圖。
具體實施例方式該比較器可分放大器和閾值產生電路兩個部分。圖1為該比較器的結構框圖，其 中100為放大器電路，Vin為放大器的輸入端。放大器經101輸出到閾值產生電路200中， 用以控制閾值產生電路。Vth+、Vth-為閾值輸入端，閾值產生電路200根據選擇產生的閾 值電壓經102傳輸給放大器100進行比較。電路結構如圖2所示，信號從Vin輸入，經過比 較器比較，從Voutl輸出，通過Voutl電平的高低，實現控制二選一傳輸門TG1、TG2的作用， 使得Vth+或Vth-經傳輸門輸出到Ml的柵極實現與Vin比較，並從Vout端輸出。下面將對該電路的具體工作原理進行詳細的分析。(1)該比較器採用軌對軌rail-to-rail結構，該結構的輸入級採用一個跨導變 換器，保證輸入級跨導為一恆定的量，其信號的共模輸入電壓範圍可從電源(VCC)到地 (GND)，在很寬的輸入電壓範圍內，放大器都是靈敏的，並能以相同的增益放大不同的信號。 比較器工作在強反型區時，跨導gm為 gm =和燦碎)人 +^pCox(^)pIdp (1)為了跨導恆定，常使ViHi+ Vi^-constant，並要求 yn(W/L)n = yp(ff/L)p0 本發
明採用反饋環路控制方法來控制差分互補輸入對的尾電流以達到在共模輸入電壓範圍內 (1)式跨導恆定。這種方法也稱為「41/1法則」。具體的電路如圖2所示令
(WZL)Ml3 _。(W/L)MI2 _ ^ (WZL)MlO 一 1 (W/L)Ml9 — ^ 0027~~ τ·—- 3—· τ· \ Δ )
(W/L)M4 (W/L)M9 (W/L)mii (W/L)MII電路工作原理如下1、當共模輸入電壓較高時，電路中Ml、M2、M3、M4導通，而M5、M6、M7、M8截止，PMOS 差分輸入對的尾電流M12不能對其提供電流，電流鏡M13、M14亦是一樣。此時M3、M4導通， 在A點可看作41和31的代數求和過程，但此代數運算後的電流不會給Ml、M2輸入對加入 額外的尾電流，尾電流大小仍為41，保證了+ i =常數;2、當共模輸入電壓較低時，同樣的方法可分析出提供給差分互補輸入對M3，M4的 尾電流也是4!，同樣地保證了麻+ ·^ =常數；
3、當共模輸入電壓處於中間值時，電路中M1-M8均導通處於工作狀態，M7、M8在M9 和M13之間就形成一個通路，相當於兩點電流在B點進行代數運算，則差分互補輸入對中 M1、M2的尾電流只有一倍I ；M3 M4的尾電流也為一倍的I，這就保證了7 +Vf 二常數；4、圖3為該電路的共模輸入範圍仿真圖形，從圖中可以看出該放大器的共模輸入 範圍為電源(VCC)到地(GND)，因此該比較器能實現從電源(VCC)到地(GND)的全範圍比 較。5、繼續分析該電路，在圖2中，Vin端對應的電壓從最小值變大時，起初Vin的電 壓較低，故Voutl處為低電平，Voutl信號經INVl和INV2整形後，到達二選一傳輸門，選擇 Vth-端的電壓信號達到Ml輸入端，此時Vout輸出為低電平。隨著Vin端電壓的繼續上升， 當Voutl到達INVl的轉折點處時，控制二選一傳輸門使閾值輸出為Vth+，比較器發生翻轉， 輸出Vout為高電平信號。當Vin端對應的電壓從電源電壓變小時，起初Vin端的電壓較高，故Voutl處為高 電平，從而二選一傳輸門選擇Vth+端的電壓信號到達Ml輸入端，此時Vout輸出為高電平。 隨著Vin端電壓的繼續下降，當Voutl到達INVl的轉折點處時，控制二選一傳輸門使閾值 輸出為Vth-，比較器發生翻轉，輸出Vout為低電平信號。通過以上分析可知，欲實現所需的正、負閾值電平只要將相應的電壓接到Vth+、 Vth-處即可。為了使Vth+和Vth-隨溫度變化較小，可以用基準電壓分壓來實現。(2)溫度變化對兩種結構的影響分析溫度變化對圖2所示的電路的影響，令Vth+ = 3V、Vth- = 2V、VCC = 5V，在 不同的溫度下對Vin進行直流掃描可得到圖4中所示的仿真結果。從仿真結果可以看到， 在-45°C到125°C的溫度範圍內，閾值電壓及遲滯寬度基本上沒有變化。(3)電源電壓對兩種結構的影響分析電源電壓對圖2所示的電路的影響，令Vth+ = 3V、Vth- = 2V,TEMP = 25°C, 在不同的電源電壓VCC下對Vin端進行直流掃描可得到圖5所示的結果。從仿真結果可以 看到，在不同的電源電壓下，電路的閾值電壓及遲滯寬度幾乎不變，閾值電壓分別保持3和 2V，遲滯寬度也固定在IV左右。可見電源電壓對該電路所產生的正負閾值電壓和遲滯寬度 影響非常小。該比較器具有很高的電源穩定性、不易受外界溫度變化的影響，可以實現從電源 (VCC)到地(GND)全範圍內比較。該比較器具有精度高，閾值和遲滯寬度可以根據需要靈活 調節。由於具有以上諸多優點，所以該比較器可廣泛應用於報警電路、自動控制電路、測量 技術、也可用於V/F變換電路、ADC/DAC電路、高速採樣電路、電源電壓檢測電路、振蕩器及 壓控振蕩器電路、過零檢測電路等。具有很高的應用價值和靈活性。
權利要求
1.一種遲滯比較器，包括放大器和閾值產生電路，其特徵在於放大器採用軌對軌(rail-to-rail)結構，該結構的輸入級採用一個跨導變換器，保證 輸入級跨導為一恆定的量，其信號的共模電壓範圍為電源(VCC)至地(GND)，放大器的輸出 信號用於控制閾值產生電路；閾值產生電路是由二選一傳輸門構成，外部輸入閾值電平，經二選一傳輸門輸出到放 大器的負端進行比較；閾值電平的選擇是通過放大器輸出端電平的高低來控制，放大器輸出端電壓控制二選 一傳輸門。
2.根據權利要求1所述的一種遲滯比較器，其特徵在於放大器輸出端設置一組反向 器，實現輸出電平的翻轉。
全文摘要
本發明涉及一種高精度高穩定遲滯比較器電路，其中100為放大器電路，Vin為放大器的輸入端，放大器輸出信號經101輸出到閾值產生電路200中，用以控制閾值產生電路。Vth+、Vth-為閾值輸入端，200根據選擇產生閾值電壓經102傳輸給放大器100進行比較器。其中放大器採用軌對軌(rail-to-rail)結構，可以實現從電源(VCC)到地(GND)全範圍內比較；閾值產生電路由二選一傳輸門構成，外部輸入閾值電平。該比較器具有很高的電源穩定性、不易受外界溫度變化的影響。
文檔編號H03K5/24GK102075168SQ20091018561
公開日2011年5月25日 申請日期2009年11月24日 優先權日2009年11月24日
發明者唐興剛, 洪明, 胡傳菊, 陳超 申請人:華東光電集成器件研究所