電壓比較電路的製作方法
2023-05-30 23:06:01 1
專利名稱：電壓比較電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及到一種電壓比較電路，尤其是涉及到一種使用在高速A/D變換器等中的斬波器類型的電壓比較電路。
首先，在輸入採樣模式的情況下，如圖8A和圖9所示，開關101、102、105、106、107和108接通，而開關103和104斷開。從而，模擬輸入信號的正端電壓Vip與反向器112的邏輯門限電壓VLT112之間的差值被存儲在電容器110中，而模擬輸入信號的負端電壓Vin與反向器113的邏輯門限電壓VLT113之間的差值被存儲在電容器111中。
在放大模式中，如圖8B和圖9所示，開關103和104接通，而開關101、102、105、106、107和108斷開。從而，反向器112將模擬輸入信號的正端電壓Vip與參考電壓的正端電壓Vrp之間的差值放大，而反向器113將模擬輸入信號的負端電壓Vin與參考電壓的負端電壓Vrn之間的差值放大，因此分別地產生輸出電壓Vo1和Vo2。
接下來，當進入鎖定模式時，如圖8C和圖9所示，開關103、104、107和108接通，而開關101、102、105和106斷開。從而，由於正反饋通過電容器114和115加在反向器112和113之間，所以它們工作在觸發器狀態。在這種情況下，最後，在
圖10中所示反向器的輸入電壓Vin與輸出電壓Vout的傳輸特性中，由模擬輸入信號的正端電壓Vip與參考電壓正端電壓Vrp之間的差值，和模擬輸入信號的負端電壓Vin與參考電壓的負端電壓Vrn之間的差值產生了不平衡的輸出振幅增大，這些反向器之一的輸出電壓改變達到接近電源電壓VDD的A點，另一反向器的輸出電壓改變達到接近地電壓VE的C點，並確定模擬輸入信號與參考電壓之間的大或小。
在這種情況下，當電容器110的靜電電容是由符號C110表示，存儲在電容器110的電荷是由符號QC110表示，電容器111的靜電電容是由符號C111表示而存儲在電容器111的電荷是由符號QC111表示時，在採樣模式中存儲在各個電容器的電荷如下面所示。
QC110＝C110(Vip-VLT112)(1)QC111＝C111(Vin-VLT113)(2)其中符號VLT112和VLT113分別表示反向器112和113的邏輯門限電壓。
再者，當反向器112的輸入端電壓由符號Vg112表示而反向器113輸入端的電壓由符號Vg113表示時，因為在採樣模式中存儲在電容器的電荷在放大模式中也被保持，所以在放大模式中各個反向器的輸入端電壓如下面所示。
Vg112＝Vrp-(Vip-VLT112)＝(Vrp-Vip)+VLT112(3)Vg113＝Vrn-(Vin-VLT113)＝(Vrn-Vin)+VLT113(4)再者，當模擬輸入信號的正端電壓Vip和負端電壓Vin是由正的和負的模擬輸入信號Vi與模擬輸入信號的共模電壓Vic來表示作為參考時，而當參考電壓的正端電壓Vrp和負端電壓Vrn是由正的和負的參考電壓Vr與參考電壓的共模電壓Vrc來表示作為參考時，下列關係式成立。
Vip＝Vic+Vi(5)
Vin＝Vic-Vi (6)Vrp＝Vrc+Vr (7)Vrn＝Vrc-Vr (8)因此，當方程式(5)到(8)代入方程式(3)和(4)時，下列的關係式成立。
Vg112＝(Vrc+Vr)-(Vic+Vi)+VLT112＝(Vrc-Vic)+(Vr-Vi)+VLT112 (9)Vg113＝(Vrc-Vr)-(Vic-Vi)+VLT113＝(Vrc-Vic)-(Vr-Vi)+VLT113 (10)當計算出Vg112與Vg113之間的差值時，雖然模擬輸入信號的共模電壓Vic與參考電壓的共模電壓Vrc之間的差值被消去，但是由於在放大模式中，電荷沒有重新分配給電容器110和電容器111，反向器112和113的輸入端被施加模擬輸入信號Vi和參考電壓Vr之間的差值與各個反向器邏輯門限電壓作為參考，並被施加模擬輸入信號的共模電壓Vic與參考電壓共模電壓Vrc之間的差值。
在這種方式中，根據常規的平衡類型電壓比較電路，反向器的輸入端除了施加模擬輸入信號和參考電壓之間的差值以外，甚至也施加模擬輸入信號的共模電壓與參考電壓的共模電壓之間的差值，因此，當模擬輸入信號的共模電壓和參考電壓的共模電壓之間的差值增加時，反向器的輸出飽和。所以，在鎖定模式中，在反向器112和113的輸出電壓之間不會造成不平衡，模擬輸入信號Vi和參考電壓Vr之間的大或小是無法確定的。
當使用在電壓比較電路中的反向器是理想的而在輸出幅度上沒有限制時，即使當模擬輸入信號的共模電壓與參考電壓的共模電壓之間的差值被加到該反向器的輸入，輸出也不會飽和，因此，在鎖定模式中，這些反向器輸出之間的差值可以放大，而且模擬輸入信號與參考電壓之間的大小可以正常地確定。然而，根據實際的反向器，反向器的輸出幅度是受限制的，因此，當模擬輸入信號的共模電壓與參考電壓的共模電壓之間的差值增加時，反向器的輸出飽和，而這些反向器輸出之間的差值無效，因此在鎖定模式中形成一個問題，即無法正常地確定模擬輸入信號與參考電壓之間的大或少。
本發明的電壓比較電路包括第一和第二電容器，它們一邊的端子分別地通過第一和第二開關連接到的模擬輸入信號的正端電壓和參考電壓的負端電壓，而它們的另外一邊的端子共同地連接在一起；第三和第四電容器，它們一邊的端子分別地通過第三和第四開關連接到參考電壓的正端電壓和模擬輸入信號的負端電壓，而它們另外一邊的端子共同地連接在一起；第一和第二反向器，它們分別地連接到第一與第二電容器的公共連接端和第三與第四電容器的公共連接端，而且分別與輸入和輸出之間的第五與第六開關連接，第七和第八開關，它們分別連接在第一反向器的輸入端和第二反向器的輸出端之間，以及第二反向器的輸入端和第一反向器的輸出端之間；而第九和第十開關，它們分別連接在第一電容器和第四電容器之間，以及第二電容器和第三電容器之間。
圖6是一個顯示圖4所示實施例中的各種工作方式中各個開關工作狀態的時序圖；圖7是一個顯示常規例子的電壓比較電路的電路圖；圖8A到8C是分別顯示在圖7中電壓比較電路的輸入採樣模式、放大模式和鎖定模式中的各個開關工作狀態示意圖；圖9是一個顯示圖7中電壓比較電路的各種工作方式中各個開關工作狀態的時序圖；和圖10是一個顯示反向器傳輸特性的示意圖。
在這些附圖中，編號1到10表示與工作方式分別相對應的接通和斷開的開關，編號11到14分別表示電容器，而編號21和22表示一對反向器。再者，符號Vip表示模擬輸入信號的正端電壓，符號Vin表示模擬輸入信號的負端電壓，符號Vrn表示參考電壓的負端電壓和符號Vrp表示參考電壓的正端電壓。
開關1連接在模擬輸入信號的正端電壓Vip與電容器11之間，開關2連接在模擬輸入信號的負端電壓Vin與電容器12之間，開關3連接在參考電壓的負端電壓Vrn與電容器13之間，而開關4連接在參考電壓的正端電壓Vrp與電容器14之間。在與這些開關相對邊上的電容器11和電容器13以及電容器12和電容器14的端子分別共同地連接在一起。
開關5連接在反向器21的輸入和輸出端子之間，開關6連接在反向器22的輸入和輸出端子之間，開關7連接在反向器21的輸入端和反向器22的輸出端之間，而開關8連接在反向器21的輸出端與反向器22的輸入端之間。還有，開關9連接在開關1與電容器11的連接點和開關2與電容器12的連接點之間，以及開關10連接在開關3與電容器13的連接點和開關4與電容器14的連接點之間。
接下來，將參考圖1到圖3詳細地描述該實施例的具體工作。如圖2A、2B和2C所示，圖1中電壓比較電路的工作被分為輸入採樣模式、放大模式和鎖定模式。對於各種模式的工作描述說明如下。
首先，在輸入採樣模式情況下，如圖2A和圖3所示，開關1、2、3、4、5、6、7和8接通而開關9和10斷開。因此，模擬輸入信號的正端電壓Vip與反向器21邏輯門限電壓VLT1之間的差值被存儲在電容器11中，而參考電壓的負端電壓Vrn與反向器21邏輯門限電壓VLT1之間的差值被存儲在電容器13中。還有，模擬輸入信號的負端電壓Vin與反向器22邏輯門限電壓VLP2之間的差值被存儲在電容器12中，而參考電壓的正端電壓Vrp與反向器22的邏輯門限電壓VLP2之間的差值被存儲在電容器14中。
這裡，在圖10所顯示的傳輸特性中，邏輯門限電壓表示B點的電壓，在這點輸入電壓Vin和輸出電壓Vout是彼此相等的，而且它是在各個反向器中具有固有數值的電壓，並且是當反向器的輸入與輸出被短路時特定輸出的。
接下來，當進入放大模式時，如圖2B和圖3所示，開關9和10接通，而開關1、2、3、4、5、6、7和8斷開。因此，電容器11和電容器12串聯連接，而該串聯的電路與同樣串聯連接的電容器13和14並行連接在一起。從而，電容器11、12、13和14存儲的電荷被重新分配，而除去共模電壓的模擬輸入信號與除去共模電壓的參考電壓之間的差值形成在反向器21和22的輸入與輸出端之間。在這種情況下，反向器21放大來自邏輯門限電壓VLT1輸入端的電位變化，反向器22放大來自邏輯門限電壓VLT2輸入端的電位變化，並且分別產生輸出電壓Vo1和Vo2。
接下來，當進入鎖定模式時，如圖2C和圖3所示，開關7、8、9和10接通，而開關1、2、3、4、5和6斷開。因此，因為反向器21和22被施加有正反饋，所以反向器21和22工作在觸發器狀態。在這種情況下，增大了反向器21和和輸出幅度的不對稱，它是由模擬輸入信號的正端電壓Vip與負端電壓Vin的差分電壓，以及參考電壓的正端電壓Vrp和負端電壓Vrn的差分電壓之間的差值而產生的，最後，在圖10所示的反向器輸入電壓Vin與輸出電壓Vout之間的傳輸特性中，反向器之一的輸出電壓改變達到接近電源電壓VDD的A點，而另外一個反向器的輸出電壓改變達到接近地電壓VE的C點，從而決定了模擬輸入信號與參考電壓之間的大或小。其後，輸入採樣模式、放大模式和鎖定模式在各自的時間被反覆地執行，並且確定模擬輸入信號與參考電壓之間的大或小。
下面將描述說明在模擬輸入信號參考電壓之間大或小的確定方面沒有引起影響的原理，該確定是根據本實施例的參考方程式，通過消除模擬輸入信號與參考電壓的各自共模電壓來實現的。
首先，電容器11的靜電電容由符號C11表示，存儲在電容器11的電荷由符號QC11表示，電容器12的靜電電容由符號C12表示，存儲在電容器12的電荷由符號QC12表示，電容器13的靜電電容由符號C13表示，存儲在電容器13的電荷由符號QC13表示，電容器14的靜電電容由符號C14表示而存儲在電容器14的電荷由符號Q14表示，存儲在各個電容器的電荷在採樣模式中如下所示。
QC11＝C11(Vip-VLT1)(11)QC12＝C12(Vin-VLT2)(12)QC13＝C13(Vrn-VLT1)(13)QC14＝C14(Vrp-VLT2)(14)當反向器21的輸入端與反向器22的輸入端之間的電壓差值由符號Vd表示時，因為在採樣模式時存儲在電容器的電荷在放大模式時也保持，所以當存儲在電容器11、12、13和14的電荷被重新分配時，在放大模式中電壓差值Vd如下面所示。Vd=(QC11-QC12)+(QC13-QC14)C11C12C11+C12+C13C14C13+C14---(15)]]>在此，當關於採樣電容C11、C12、C13和C14被設置為C11＝C12＝C13＝C14＝CS時，而方程式(15)用方程式(1)、(2)、(3)和(4)代入時，下列關係式成立。Vd={CS(Vip-VLT1)-CS(Vin-VLT2)}+{CS(Vrn-VLT1)-CS(Vrp-VLT2)}CS]]>=CS(Vip-VLT1-Vin+VLT2+Vrn-VLT1-Vrp+VLT2)CS]]>＝(Vip-Vin)-(Vrp-Vrn)-2VLT1+2VLT2 (16)
當反向器21的邏輯門限電壓VLT1與反向器22的邏輯門限電壓VLT2被強迫彼此相等時，方程式(16)變成如下所示。
Vd＝(Vip-Vin)-(Vrp-Vrn) (17)再者，當模擬輸入信號的正端電壓Vip和負端電壓Vin是通過具有模擬輸入信號的共模電壓Vic的正和負模擬輸入信號Vi表示作為參考電壓時，以及當參考電壓的正端電壓Vrp和負端電壓Vrn是通過具有參考電壓的共模電壓Vrc的正和負的參考電壓Vr表示作參考電壓時，下列關係式成立。
Vip＝Vic+Vi (5)Vin＝Vic-Vi (6)Vrp＝Vrc+Vr (7)Vrn＝Vrc-Vr (8)因此，當方程式(5)、(6)、(7)和(8)代入方程式(17)時，下面的關係式成立。
Vd＝{(Vic+Vi)-(Vic-Vi)}-{(Vrc+Vr)-(Vrc-Vr)}＝2(Vi-Vr) (18)所以，從方程式(18)明顯地可以看出，模擬輸入信號的共模電壓Vic與參考電壓的共模電壓Vrc可以消除，而且僅僅是模擬輸入信號與參考電壓之間的差值形成在反向器21和22的輸入端之間。即使當模擬輸入信號的共模電壓與參考電壓的共模信號之間出現差值時，在放大模式時放大的僅僅是模擬輸入信號與參考電壓之間的差值，模擬輸入信號Vi與參考電壓Vr之間的大、小可以確定，而不受在鎖定模式中模擬輸入信號的共模電壓和參考電壓的共模電壓的影響。
還有，因為模擬輸入信號和參考電壓是同時採樣的，所以即使當反向器的邏輯門限電壓受電源電壓等的變化而改變時，在模擬輸入信號和參考電壓上的影響也彼此相等，因此在確定模擬輸入信號和參考電壓之間大小上，也能夠實現減輕邏輯門限電壓變化的影響的效果。
接下來，將參考圖4到圖6描述本發明的第二實施例。
在這些附圖中，編號1到10表示開關、編號11到16表示電容器，而編號21和22表示反向器。
根據該實施例，與圖1所示實施例不同於的是電容器15連接在反向器21和開關8之間，電容器16連接在反向器22的輸出與開關7之間，由開關7和8構成的正反饋電路被插入電容器15和16。其他的結構類似於圖1中的電路。
接下來，參考圖4到圖6將詳細說明該實施例的工作。根據該實施例，在這裡實現的工作類似於第一實施例的電壓比較電路，而且因為電容器15和16是插入到由開關7和8形成的正反饋環路中，所以當在鎖定模式中確定模擬輸入信號與參考電壓之間的大或小時，根據反向器21和22的輸出端，在圖10所示反向器的輸入電壓Vin和輸出電壓Vout之間的傳輸特性中，反向器之一的輸出電壓改變達到接近電源電壓VDD的A點，而另外一個反向器的輸出電壓改變達到接近於地電壓VE的C點。
在這種情況下，分別通過開關和電容器，反向器21的輸入端被連接到反向器22的輸出端，而反向器22的輸入端連接到反向器21的輸出端，反向器21的輸入端電壓固定到由電容器16的容量和反向器21輸入端的輸入電容對反向器22輸出端的電壓分壓而產生的電壓，而反向器22的輸入端電壓固定到由電容器15的電容和反向器22輸入端的輸入電容對反向器21輸出端的電壓分壓而產生的電壓。
根據本實施例的電壓比較電路的工作方式可以分為輸入採樣模式、放大模式和鎖定模式，它們分別顯示在圖5中。下面將描述說明各種工作方式。
首先，在輸入採樣模式中，如圖5A和圖6所示，開關1、2、3、4、5、6、7和8接通，而開關9和10斷開。因此，模擬輸入信號的正端電壓Vip與反向器21的邏輯門限電壓VLT1之間的差值被存儲在電容器11中，而參考電壓的負端電壓Vrn和反向器21的邏輯門限電壓VLT1之間的差值被存儲在電容器13中。再者，模擬輸入信號的負端電壓Vin與反向器22的邏輯門限電壓VLT2之間的差值被存儲在電容器12中，參考電壓的正端電壓Vrp與反向器22的邏輯門限電壓VLT2之間的差值被存儲在電容器14中，而邏輯門限電壓VLT1和VLT2之間的差值被存儲在電容器15和16中。
接下來，當進入放大模式時，如圖5B和圖6所示，開關9和10接通而開關1、2、3、4、5、6、7和8斷開。因此，電容器11和電容器12是串聯地連接，而且該串聯的電路與同樣串聯連接的電容器13和14並行地連接。因此，存儲在電容器11、12、13和14的電荷被重新分配，而且除去共模電壓的模擬輸入信號與除去共模電壓的參考電壓之間的差值，形成在反向器21和22的輸入端之間。在這種情況下，反向器21放大來自輸入端邏輯門限電壓VLT1的電位變化，反向器22放大來自輸入端邏輯門限電壓VLT2的電位變化，而且分別產生輸出電壓Vo1和Vo2。
在鎖定模式中，如圖5C和6所示，開關7、8、9和10接通而開關1、2、3、4、5和6斷開。從而，因為反向器21和22通過電容器15和16被施加有正反饋，所以反向器21和22工作為觸發器狀態。在這種情況下，增大了反向器21和22輸出幅度的不對稱，它是由模擬輸入信號的正端電壓Vip和負端電壓Vin的差分電壓，以及參考電壓的正端電壓Vrp和負端電壓Vrn的差分電壓之間的差值產生的，最後，在圖10所示的反向器輸入電壓與輸出電壓Vout之間的傳輸特性上，反向器之一的輸出電壓改變達到接近電源電壓VDD的A點，而另外一個反向器的輸出電壓改變達到接近地電壓VE的C點，從而決定了模擬輸入信號與參考電壓之間的大或小。
根據該實施例，類似於第一實施例，能夠確定模擬輸入信號Vi與參考電壓Vr之間的大或小，而不受模擬輸入信號的共模電壓和參考電壓的共模電壓的影響。還有，通過被插入到由開關7和8構成的正反饋電路中的電容器15和16的操作，在鎖定模式中，減小了反向器21和22輸入端的電壓與反向器21和22各自邏輯門限電壓之間的差值，當鎖定模式過渡到採樣模式時，反向器21和22輸入端對各自反向器的邏輯門限電壓的充電或放電的時間周期可以縮短，因此採樣所需的時間周期可以縮短，所以電壓比較電路可以高速工作。
還有，在第一和第二實施例中，恆流電路可以插入在電源輸入端和反向器21和22的電源之間。因此，反向器21和22兩部分中流動的最大電流實質上是恆定的，而與電源電壓以及甚至電源電壓的改變無關，這可以減小反向器的電流消耗的變化。
如上面所描述的，根據本發明，通過消除模擬輸入信號的共模電壓和參考電壓的共模電壓，可以確定模擬輸入信號和參考電壓之間的大或小，而不受共模電壓的影響和作用。還有，通過將電容器插入到正反饋環路，採樣所需的時間周期可以縮短，而且能夠高速地進行操作。
雖然本發明已經參照具體的實施例進行了描述，但是這個描述並不是限制於這些情況。參考本發明的描述，對於那些本領域技術上熟練的人來說，顯然是能夠對這些公開的實施例做出各種修改和改變的。因此，附加的權利要求將覆蓋落在本發明範圍內的任何修改或實施例。
權利要求
1.一種電壓比較電路，其中包括第一和第二電容器，它們一邊的端子分別地通過第一和第二開關連接到的模擬輸入信號的正端電壓和參考電壓的負端電壓，而它們另外一邊的端子共同地連接在一起；第三和第四電容器，它們一邊的端子分別地通過第三和第四開關連接到參考電壓的正端電壓和模擬輸入信號的負端電壓，而它們另外一邊端子共同地連接在一起；第一和第二反向器，它們分別地連接到第一和第二電容器的公共連接端和第三和第四電容器的公共連接端，而且分別與輸入和輸出之間的第五與第六開關連接；第七和第八開關，它們分別連接在第一反向器的輸入端和第二反向器的輸出端之間，以及第二反向器的輸入端和第一反向器的輸出端之間；和第九和第十開關，它們分別連接在第一電容器和第四電容器之間以及第二電容器和第三電容器之間；其中所述電壓比較電路分別包括除了第九和第十開關以外使所有開關都接通的第一種模式、使第九和第十開關接通而使其餘開關斷開的第二種模式、以及使第七至第十開關接通而使第一到第六開關都斷開的第三種模式。
2.根據權利要求1所述的電壓比較電路，其特徵在於第七和第八開關分別與第五和第六電容器串聯連接。
3.根據權利要求1所述的電壓比較電路，其特徵在於第一種工作模式、第二種工作模式和第三種工作模式重複地執行並且在各自的時序上執行，比較模擬輸入信號與參考電壓的結果從第一和第二反向器的輸出端輸出。
4.根據權利要求1所述的電壓比較電路，其特徵在於在第二種工作模式中，通過使第九和第十開關的接通，將第一電容器與第四電容器的串聯電路和第二電容器與第三電容器的串聯電路並行連接，消除模擬輸入信號的共模電壓和參考電壓的共模電壓。
5.根據權利要求1所述的電壓比較電路，其特徵在於在電源輸入與第一和第二反向器的電源之間插入恆流電路。
全文摘要
一種電壓比較電路，包括第一和第二電容器，它們一邊的端子分別通過第一和第二開關連接到模擬輸入信號的正端電壓和參考電壓的負端電壓，另外一邊的端子共連在一起；第三和第四電容器，它們一邊的端子分別通過第三和第四開關連接到參考電壓的正端電壓和模擬輸入信號的負端電壓，另外一邊端子共連在一起。第一和第二反向器分別連接到第一與第二電容器的公共連接端和第三與第四電容器的公共連接端，分別與輸入和輸出端之間的第五與第六開關連接，第七和第八開關分別連接在第一反向器的輸入端和第二反向器的輸出端之間，以及第二反向器的輸入端和第一反向器的輸出端之間，第九和第十開關分別連接在第一和第四電容器之間，以及第二和第三電容器之間。
文檔編號H03M1/38GK1392668SQ02123220
公開日2003年1月22日 申請日期2002年6月13日 優先權日2001年6月14日
發明者大城戶敏夫 申請人:日本電氣株式會社