比較器的製作方法
2023-05-01 03:12:51
專利名稱：比較器的製作方法
技術領域：
本發明涉及比較器，該比較器將兩個輸入電壓彼此相比較並且輸 出對應於比較結果的信號，並且更具體地，涉及由場效應電晶體構成 的比較器。
背景技術：
眾所周知，比較器是將兩個電壓相互比較並且輸出表示比較結果 的信號的電路。在利用這種類型的比較器比較兩個電壓的電路中以及 處理表示比較結果的信號的電路中， 一些電路被設計為在低於被比較 的兩個電壓的電源電壓來處理表示比較結果的信號，原因是由於例如
試圖節省由整個電路消耗的電力。圖3A和3B分別示出了這種電路配置。
在圖3A所示的電路中，作為比較對象的電壓A和電壓B被分別傳輸 到源極跟隨器電路40a和40b。源極跟隨器電路40a由包括N溝道場效應 電晶體41a、電阻器42a和43a的分壓電路構成，該N溝道場效應電晶體 41a的漏極連接到電源並且該N溝道場效應電晶體41a的柵極提供有電 壓A，電阻器42a和43a插入在N溝道場效應電晶體41a的源極和地之間。 源極跟隨器電路40b也由N溝道場效應電晶體41b以及電阻器42b和43b 構成，該N溝道場效應電晶體41b以及電阻器42b和43b具有類似的連接 關係。施加到源極跟隨器電路40a和40b的電源電壓PVDD必須是至少超 過作為比較對象的電壓A和電壓B的上限的電壓。處於源極跟隨器電路 40a和40b後級中的比較器50和後續電路提供有電源電壓AVDD，該電源 電壓AVDD低於施加到源極跟隨器電路40a和40b的電源電壓PVDD。在 這種配置中，源極跟隨器電路40a (40b)將輸入電壓A (B)施加到由 電阻器42a和電阻器43a(電阻器42b和電阻器43b)構成的分壓電路，從 而劃分電壓，並且輸入電壓A (B)被壓縮為電壓va和電壓vb，電壓va
和電壓vb被施加到比較器50。比較器50將被這樣壓縮的電壓va和電壓vb 相互比較。如上所述，例如，在JP-A-2007-142709中說明了使用了源極 跟隨器電路的電路配置。
在圖3B所示的電路中，置於前級的比較器60提供有電源電壓 PVDD，該電源電壓PVDD至少超過作為比較對象的電壓A和電壓B的上 限。在電平轉換電路70的後續電路提供有電源電壓AVDD，該電源電壓 AVDD低於提供到比較器60的電源電壓PVDD。這兩個電源電壓均被施 加到電平轉換電路70。根據電壓A和電壓B之間的比較結果，比較器60 輸出0伏的信號Vx或輸出具有在施加到比較器60的電源電壓附近的電 平的信號。電平轉換電路70對從比較器60輸出的信號Vx的電平設置限 制；將該信號轉換為信號Vout，信號Vout的上限等於施加到電平轉換 電路70的後續電路的電源電壓AVDD;並且將這樣轉換的信號提供到後 續電路。
然而，在圖3A所示的電路中，當施加到源極跟隨器電路40a和40b 的電源電壓減小時，每個輸出信號的電位差va-vb被壓縮。當電位差 va-vb被如上所述地壓縮時，比較器50的操作變得不穩定，從而使後級 的電子電路不能很好地操作。在圖3A所示的電路中，比較器50將壓縮 後的電壓va和電壓vb相互比較，由此產生的問題是使電壓易受外部噪聲 的影響。如圖3C中所示，在圖3B所示的電路中，從比較器60輸出的信 號Vx在從0伏到比較器60的電源電壓PVDD的範圍內改變。因此，當從 比較器60輸出的信號Vx下降時，在輸出信號Vx從電源電壓PVDD下降 到電平轉換電路70的閾值之前消耗了時間。因此，從電平轉換電路70 輸出的信號Vout的電平的反轉被延遲，這產生的問題是用於比較器60 和電平轉換電路70的全部延遲時間變得更長。
發明內容
本發明考慮到上述情況而構思，並且旨在提供比較兩個大電壓的 比較器，這兩個大電壓本身是比較的對象；該比較器能夠輸出低電壓
信號，作為表示比較結果的信號，該低電壓信號能夠被在後級提供的 電路處理；並且該比較器在產生輸出前具有短的延遲時間。
為了解決所述問題，本發明提供一種比較器，包括
第一場效應電晶體和第二場效應電晶體，所述第一場效應電晶體 和所述第二場效應電晶體分別包括彼此共同連接的源極，以及柵極， 第一輸入電壓和第二輸入電壓被分別施加到該柵極；
在所述第一場效應電晶體和所述第二場效應電晶體的源極之間的 共同節點和第一電源之間插入的恆流源；
第三場效應電晶體和第四場效應電晶體，所述第三場效應電晶體 和所述第四場效應電晶體分別包括連接到與所述第一電源的電壓不同 的第二電源的源極；連接到所述第一場效應電晶體的漏極的柵極；以 及連接到所述第一場效應電晶體和所述第二場效應電晶體各自的漏極 的漏極；
第五場效應電晶體，所述第五場效應電晶體包括連接到所述第三 場效應電晶體的柵極和漏極的源極；連接到所述第二場效應電晶體和 第四場效應電晶體各自的漏極之間的節點的漏極；以及連接到所述節 點的柵極，
其中輸出所述第二場效應電晶體和第四場效應電晶體各自的漏極 之間的節點的電壓作為表示第一輸入電壓和第二輸入電壓之間的比較 結果的信號。
進一步根據本發明，優選地，所述第二場效應電晶體和第四場效 應電晶體各自的漏極之間的節點的電壓不超過由以下表達式獲得的 值
其中V3t代表第三電晶體的閾值，A3^代表第三電晶體的過驅電 壓，V5t代表第五電晶體的閾值並且A5^代表第五電晶體的過驅電壓。
根據本發明的比較器，當表示比較結果的信號增大並且試圖超過
在第五場效應電晶體的閾值和第三場效應電晶體的閾值之和附近獲得 的電壓時，第五場效應電晶體和第三場效應電晶體均被導通，從而作 為用於限制表示比較結果的信號的電壓增長的限幅器。因此，該比較 器輸出表示比較結果的信號，該信號的振幅小於用於該比較器的電源 電壓。此外，本發明的比較器輸出振幅小於電源電壓的信號。因此， 避免了提供電平轉換電路的必要性，並且獲得的產生輸出前的延遲時 間變得小於現有技術中所獲得的產生輸出前的延遲時間。
圖1是包括本發明實施例的比較器10的電子電路1的示例電路配
置；
圖2是用於說明電子電路1的操作的圖3A-3C是示出了現有技術的電路及其示例操作的圖，用於使處理 表示比較結果的信號的電子電路在低於將被比較的兩個電壓的電源電 壓下操作。
具體實施例方式
以下將參考
本發明的實施例。
圖1是示出了包括本發明實施例的比較器10的電子電路1的示例配 置的框圖。電子電路l包括在高電源電壓(PVDD)中操作的高壓範圍 電路以及在低電源電壓(AVDD: AVDD<PVDD)中操作的低壓範圍電 路。如圖1所示，電子電路1中的高壓範圍電子電路包括比較器10，並 且低壓範圍電子電路包括源極接地的放大電路20和反相器30。電子電 路l的特徵在於將輸入電壓Vin與比較電壓Vref相比較並且輸出表示比 較結果的信號的比較器10以下述方式配置，即從該比較器輸出的信號 Vx的電壓電平被限制到低壓的量級，該低壓的量級可以被後級中的低 壓範圍電路接收並處理。
在比較器10中，P溝道場效應電晶體ll和12各自的源極被共同連
接，並且作為比較對象的電壓Vin和Vref被施加到相應電晶體的柵極。 圖1所示的P溝道場效應電晶體11和12具有相同的電晶體尺寸(溝道寬 度)並且組成差動電晶體對。在產生電源電壓PVDD的第一電源和P溝 道場效應電晶體11和12各自的源極之間的公共節點之間插入作為恆流
源的、柵極提供有給定電壓VBH的P溝道場效應電晶體13。 P溝道場效應
電晶體13的漏極電流Io在P溝道場效應電晶體ll和12之間分開。P溝道場
效應電晶體13的柵極電壓VBH的必要的要求是根據P溝道場效應電晶體
11和12的電晶體尺寸而適當地確定。N溝道場效應電晶體15和16各自的 源極連接到第二電源(在本實施例中為地)，該第二電源的電壓與第 一電源的電壓不同；它們各自的漏極連接到P溝道場效應電晶體11和12 各自的漏極；並且P溝道場效應電晶體11的漏極電壓作為柵極電壓施加 到N溝道場效應電晶體各自的柵極。N溝道場效應電晶體15和16具有相 同的電晶體尺寸並且組成電流鏡電路。
如圖1所示，比較器10額外具有N溝道場效應電晶體14。 N溝道場 效應電晶體14的源極連接到N溝道場效應電晶體15的漏極。N溝道場效 應電晶體14的柵極和漏極(經過；即二極體連接)連接到P溝道場效應 電晶體12的漏極和N溝道場效應電晶體16的漏極之間的節點。雖然以下 將提供該連接的細節，但是本實施例的比較器10的特性在於提供了N溝 道場效應電晶體14。
源極接地的放大電路20由N溝道場效應電晶體21和P溝道場效應 電晶體22構成。N溝道場效應電晶體21的源極接地，並且比較器10中的 P溝道場效應電晶體12的漏極電壓Vx被施加到N溝道場效應電晶體21 的柵極。在產生電源電壓ADVV的電源和N溝道場效應電晶體21之間插 入P溝道場效應電晶體22。恆壓VBL被施加到P溝道場效應電晶體22的柵 極，並且該電晶體作為恆流源，向N溝道場效應電晶體21提供漏極電流。 在源極接地的放大電路20中，N溝道場效應電晶體21的漏極和P溝道場
效應電晶體的漏極之間的節點的電壓作為輸出信號輸出到反相器電路 30。P溝道場效應電晶體22的柵極電壓VBL的必要要求是根據N溝道場效
應電晶體21的電晶體尺寸而適當地確定。
通過在產生電源電壓AVDD的電源和地之間串聯P溝道場效應晶 體管32和N溝道場效應電晶體31形成反相器電路30， P溝道場效應晶體 管32和N溝道場效應電晶體31的柵極提供有從源極接地的放大電路20 輸出的信號。P溝道場效應電晶體32的漏極和N溝道場效應電晶體31的 漏極被共同連接，並且將公共節點的電壓作為輸出信號Vout輸出到後 級中的電子電路。
以上涉及了電子電路l的配置。
現在將參考
電子電路l的操作。
圖2示出了當電子電路l中輸入電壓Vin改變從而跨過比較電壓 Vref時，從比較器10輸出的信號Vx以及從反相器電路30輸出的信號 Vout的改變方式。在圖2中，當輸入電壓Vin低於用於參考目的的比較 電壓Vre樹，施加到P溝道場效應電晶體ll的柵-源電壓變得大於施加到 P溝道場效應電晶體12的柵-源電壓。因此，從作為恆流源的P溝道場效 應電晶體13輸出的漏極電流Io的絕大部分變為漏極電流I!並且流入P溝 道場效應電晶體ll。在此狀態下，N溝道場效應電晶體15的漏極電壓變 為高，並且N溝道場效應電晶體16的漏極電壓(即，Vx)變為低，因此， 源極接地的放大電路20的N溝道場效應電晶體21被截止。因此，從源極 接地的放大電路20輸出的信號成為高電平，並且從後級上的反相器電 路30輸出的信號成為低電平。
然而，當輸入電壓Vin增大從而跨過比較電壓Vref時，施加到P溝 道場效應電晶體12的柵-源電壓和施加到P溝道場效應電晶體ll的柵-源 電壓之間的大小關係被反轉。在從P溝道場效應電晶體13輸出的漏極電 流Io中，流入P溝道場效應電晶體ll的電子電流h減小，而流入P溝道場 效應電晶體12的電流12增加。
在輸入電壓Vin高於用於參考目的的比較電壓Vref的狀態下，從作 為恆流源的P溝道場效應電晶體13輸出的漏極電流Io的絕大部分變為漏 極電流I2並且流入P溝道場效應電晶體12。在此狀態下，N溝道場效應晶 體管16的漏極電壓變為高，並且源極接地的放大電路20的N溝道場效應 電晶體21導通。因此，從源極接地的放大電路20輸出的信號成為低電 平，並且從後級上的反相器電路30輸出的信號成為高電平。
值得注意的是，作為如圖l所示，比較器10提供有N溝道場效應晶 體管14的結果，N溝道場效應電晶體16的漏極電壓Vx被限制到低電壓。 更具體地，當N溝道場效應電晶體16的漏極電壓Vx達到N溝道場效應晶 體管14的閾值和N溝道場效應電晶體15的閾值之和附近獲得的電壓(例 如，在兩個電晶體的閾值均為Vt並且兩個電晶體的過驅電壓均為Aov的 情況下，為2X(Vt+Aw))時，如圖l所示，電子電流流入通過如圖l 所示的N溝道場效應電晶體14和15通向地的電流溝道C。因此，N溝道 場效應電晶體16的漏極電壓Vx不超過在N溝道場效應電晶體14的閾值 和N溝道場效應電晶體15的閾值之和附近獲得的電壓。簡言之，N溝道 場效應電晶體14和15作為輸出電壓限幅器電路。相反地，從說明中顯 而易見，當輸入電壓Vin下降從而跨過用於參考目的的比較電壓Vre附， 從比較器10輸出的電壓Vx不會降至在N溝道場效應電晶體14的閾值和 N溝道場效應電晶體15的閾值之和附近獲得的電壓之下。
顯然，在電晶體的閾值彼此不同並且兩個電晶體的過驅電壓彼此
不同的情況下，用彼此不同的電晶體的閾值和兩個電晶體的過驅電壓 之和來表達N溝道場效應電晶體14的閾值和N溝道場效應電晶體15的閾
值之和的附近。
如上所述，在本實施例的電子電路l中，從比較器10輸出的電壓Vx 不會引起從地電位到電源電壓PVDD的完全振蕩。即使當輸入電壓Vin 下降從而跨過比較電壓Vref時(即當從比較器10輸出的信號Vx從高電
平改變為低電平時)，整個電子電路l的延遲時間也不會變長。此外，
在本實施例的電子電路l中，從比較器10輸出的信號Vx的上限被限制到 在N溝道場效應電晶體14的閾值和N溝道場效應電晶體15的閾值之和附 近獲得的電壓。因此，將輸出信號Vx直接施加到工作在低電壓範圍內 的場效應電晶體變為可能，並且還避免了提供前面所說的電平轉換電 路。此外，在本實施例的比較器10中，從比較器10輸出的信號的電壓 可以通過使用組成電流鏡電路的N溝道場效應電晶體15而被限制到低 電平。因此，可以利用更少數量的電晶體限制輸出信號的電壓。
以上描述了本發明的實施例。然而，本發明的其他各種實施例也 是可以想像的。例如，在實施例中，通過由P溝道場效應電晶體構成差 動電晶體對的配置來實施在高電壓範圍中操作的比較器；其中在第一 電源(在實施例中產生電源電壓PVDD的電源)和差動電晶體對之間插 入作為恆流源的P溝道場效應電晶體；其中在與第一電源不同的第二電 源(在實施例中為地)和差動電晶體對之間插入由N溝道場效應電晶體 構成的電流鏡電路；並且其中包括N溝道場效應電晶體，該N溝道場效 應電晶體與電流鏡電路的N溝道場效應電晶體中的一個一起組成輸出 電壓限幅器電路。然而，除了以該配置實施，還可以通過由N溝道場效 應電晶體構成差動電晶體對的配置來實施比較器；其中在差動電晶體 對和第一電源(例如，地)之間插入作為恆流源的N溝道場效應電晶體； 其中在電壓與第一電源不同的第二電源(例如，產生電源電壓PVDD的 電源)和差動電晶體對之間插入由P溝道場效應電晶體構成的電流鏡電 路；並且其中包括P溝道場效應電晶體，該P溝道場效應電晶體與組成 電流鏡電路的P溝道場效應電晶體中的一個一起組成輸出電壓限幅器 電路。
權利要求
1. 一種比較器，包括第一場效應電晶體和第二場效應電晶體，所述第一場效應電晶體和所述第二場效應電晶體分別包括彼此共同連接的源極；以及柵極，第一輸入電壓和第二輸入電壓被分別提供到所述柵極；在所述第一場效應電晶體和所述第二場效應電晶體的源極之間的共同節點和第一電源之間插入的恆流源；第三場效應電晶體和第四場效應電晶體，所述第三場效應電晶體和所述第四場效應電晶體分別包括連接到電壓與所述第一電源不同的第二電源的源極，連接到所述第一場效應電晶體的漏極的柵極，以及連接到所述第一場效應電晶體和所述第二場效應電晶體各自的漏極的漏極；第五場效應電晶體，所述第五場效應電晶體包括連接到所述第三場效應電晶體的柵極和漏極的源極，連接到所述第二場效應電晶體和所述第四場效應電晶體各自的漏極之間的節點的漏極，以及連接到所述節點的柵極，其中輸出所述第二場效應電晶體和第四場效應電晶體各自的漏極之間節點的電壓作為表示所述第一輸入電壓和所述第二輸入電壓之間的比較結果的信號。
2. 如權利要求l所述的比較器，其中所述第二場效應電晶體和第 四場效應電晶體各自的漏極之間節點的電壓不超過由以下表達式獲得 的值formula see original document page 2其中V3t代表所述第三場效應電晶體的閾值，A3^代表所述第三場 效應電晶體的過驅電壓，V5t代表所述第五場效應電晶體的閾值並且 ^5^代表所述第五場效應電晶體的過驅電壓。
全文摘要
一種比較器，該比較器具有P溝道場效應電晶體以及N溝道場效應電晶體，其中P溝道場效應電晶體在相應柵極提供有作為比較對象的輸入電壓Vin和Vref，並且P溝道場效應電晶體作為差動電晶體對；N溝道場效應電晶體作為用於這兩個P溝道場效應電晶體各自的漏極電流的電流溝道並且作為電流鏡電路。比較器輸出作為表示所述兩個輸入電壓之間的比較結果的信號的N溝道場效應電晶體的漏極電壓Vx。在N溝道場效應電晶體的漏極之間插入二極體連接到比較器的N溝道場效應電晶體。
文檔編號H03K5/24GK101394168SQ20081014973
公開日2009年3月25日 申請日期2008年9月19日 優先權日2007年9月19日
發明者川合博賢, 田中泰臣, 辻信昭, 鈴木雅也 申請人:山葉株式會社