DE69320326T2 - Mit niedriger Versorgungsspannung arbeitender, eine Hysteresis aufweisender Komparator - Google Patents
Mit niedriger Versorgungsspannung arbeitender, eine Hysteresis aufweisender KomparatorInfo
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Description
- Die Erfindung betrifft eine integrierte Komparatorschaltung, die mit einer Niederspannungsversorgung arbeitet.
- Genauer gesagt, betrifft die Erfindung einen integrierten Komparator mit einem Eingangsanschluß, an dem eine Eingangsspannung empfangen wird, einem Referenzanschluß, an dem eine Referenzspannung empfangen wird, einer ersten Differenzzelle, die mit dem Eingangsanschluß und mit dem Referenzanschluß gekoppelt ist und ein Paar npn-Bipolartransistoren enthält, deren Emitter zusammengeschaltet sind, einer zweiten Differenzzelle, die an den Eingangsanschluß und den Referenzanschluß gekoppelt ist, und die ein Paar pnp-Bipolartransistoren enthält, deren Emitter zusammengeschaltet sind, wobei die erste und die zweite Differenzzelle zusammengeschaltet und über die Basen ihrer jeweiligen Transistoren an den Eingangsanschluß und den Referenzanschluß gekoppelt sind.
- Das Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere bei hysteresebehafteten Komparatoren, und die nachfolgende Beschreibung nimmt aus Gründen der vereinfachten Darstellung auf dieses Anwendungsgebiet Bezug.
- Bekanntlich sind Komparatoren Schaltungen zum Vergleichen zweier Gleichspannungswerte miteinander und zum Ausgeben zweier unterschiedlicher Spannungswerte, abhängig davon, ob ein Eingangssignal Vin größer oder niedriger als eine Referenzspannung Vr ist. Extensiver Gebrauch von Komparatoren findet in integrierten Schaltungen statt, beispielsweise zum Steuern von logischen Gattern.
- Bei gewissen speziellen Anwendungen eignet sich hingegen der Einsatz anderer hysteresebehafteter Komparatoren besser, nämlich solcher Komparatoren, die sich von dem erstgenannten Komparatoren-Typ dadurch unterscheiden, daß das Umschalten zwischen den beiden logischen Ausgangswerten durch unterschiedliche Eingangsspannungen bewirkt wird.
- Natürlich lassen sich solche Komparatoren ebenfalls in integrierter Form implementieren. Ein typisches Beispiel eines zum Stand der Technik gehörigen integrierten Komparators ist in Fig. 1 der beigefügten Zeichnung dargestellt.
- Der Komparator nach Fig. 1 enthält eine Differenzzellen-Eingangsstufe, die ein erstes Paar Bipolar-Transistoren vom npn-Typ enthält, die in Emitterschaltung verschaltet sind. Die Kollektoren dieser Transistoren sind an eine Versorgungsspannungsleitung angeschlossen, die eine Spannung Vcc=1 Volt führt, und zwar über jeweilige Widerstände. Die Basen dieser Transistoren stehen als Schaltungseingänge zur Verfügung, die eine für die Referenzspannung Vr, die andere für das Eingangssignal Vin beispielsweise.
- Ein zweites Paar von Bipolartransistoren vom pnp-Typ ist der Eingangsstufe des Komparators zugeordnet. Die Basen der Transistoren in diesem zweiten Paar sind miteinander verbunden und empfangen eine Vorspannung Vb1.
- Die Kollektoren des ersten Paars von npn-Transistoren sind mit dem entsprechenden Emitter des zweiten Paares von pnp-Transistoren verbunden.
- Der Komparatorausgang O führt von dem Kollektor des einen Transistors des zweiten Paares.
- Die in Fig. 1 gezeigte Schaltung weist einen ziemlich schmalen dynamischen Bereich der Gleichtakt-Eingangsspannung von etwa 0,9 Volt auf. Die Gleichtaktspannung ist die höchste Spannung, die man eingeben kann, ohne daß dies einen abnormalen Betrieb des Komparators veranlaßt.
- Fig. 2 zeigt eine Weiterentwicklung der Schaltung nach Fig. 1, bei der ein zusätzlicher Schaltungsteil deutlich erkennbar ist, welcher grundsätzlich aus einer Folger-Anordnung besteht und als Spannungspegelschieber fungiert.
- Der erwähnte Schaltungsteil beinhaltet ein drittes Paar von Bipolartransistoren mit gemeinsamer Basis vom pnp-Typ zwischen der Versorgungsspannung Vcc und den Signaleingängen des Komparators. Jeder dieser Transistoren ist an einen Widerstand gekoppelt, der mit einem Anschluß an einen entsprechenden Basisanschluß des ersten Transistorpaars in der Eingangsstufe gekoppelt ist.
- Das Signal wird also nicht direkt an die Differenzstufe gelegt, sondern wird über den Folgerkreis angelegt.
- Der Spannungsfall an jedem Widerstand hält die Basen des ersten Transistorpaars in der Eingangsstufe auf einer für den richtigen Betrieb dieser Transistoren geeigneten Spannung.
- Allerdings kann entsprechend dem aktuellen Wert der Gleichtaktspannung an den Eingängen eine unterschiedliche Änderung der Spannung an den Widerständen erforderlich sein, damit die Transistoren korrekt arbeiten.
- Eine ähnliche Lösung ist in dem Artikel "Motorola Technical Developments", Band 12, April 1991, Seite 160 offenbart: G. Allen et al "Voltage comparator with hysteresis suitable for bw supply referenced thresholds".
- Für Situationen wie diese hat der Stand der Technik eine weitere, in Fig. 3 dargestellte Lösung vorgeschlagen. Die in Fig. 3 gezeigte Schaltung ist vom Aufbau her ähnlich wie die Schaltung nach Fig. 1, mit der Ausnahme, daß hier eine zweite Eingangsstufe vorgesehen ist, die ein Paar pnp-Bipolartransistoren mit zusammengeschaltetem Emitter aufweist.
- Die Schaltung nach Fig. 3 entspricht im wesentlichen einem Komparator, wie er in der japanischen Patentanmeldung JP-A-58 94225 offenbart ist, die sich auf eine Schaltung mit zwei Differenzverstärker- Eingangsstufen bezieht.
- Die zuletzt angesprochene Lösung liefert im wesentlichen eine Doppel- Differenzzelle für den Eingangskreis, wobei die Zelle ein Paar npn- Bipolartransistoren auf der einen Seite und ein Paar pnp- Bipolartransistoren auf der anderen Seite aufweist.
- Die beiden Paare sind über die Basen ihrer jeweiligen Transistoren parallel geschaltet.
- Die erste Zelle wird von Signalen getrieben, deren Wert nahe bei der Versorgungsspannung Vcc liegt, während der Betrieb der zweiten Zelle auf einen Signalmassewert bezogen ist. Wenn allerdings beide Transistorpaare ausgeschaltet sind, liegt am Ausgang O ein nicht definierter Zustand vor.
- Die Erfindung betrifft die technische Vorgehensweise, wie sie durch die dritte der oben angesprochenen Lösungen repräsentiert wird.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hysteresebehafteten Komparator zu schaffen, der bei niedriger Spannung arbeitet, der solche baulichen und fünktionellen Merkmale aufweist, daß die Nachteile der derzeit im Stand der Technik vorgeschlagenen Lösungen überwunden werden, und bei dem der dynamische Bereich der Gleichtakt- Eingangsspannung erweitert ist.
- Die Lösungsidee gemäß der Erfindung sieht mindestens ein Paar veränderlicher Stromquellen vor, die jeder Differenzzelle zugeordnet sind, und die betrieblich mit dem Ausgangsspannungswert des Komparators gekoppelt sind.
- Basierend auf dieser Idee wird die technische Aufgabe bei einem Komparator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst durch dessen Kennzeichnungsteil.
- Merkmale und Vorteile eines erfindungsgemäßen Komparators ergeben sich aus den nachfolgenden, lediglich beispielhaft und nicht beschränkend zu verstehenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen.
- Fig. 1 ist eine Ansicht, die schematisch eine zum Stand der Technik zählende, hysteresebehaftete Komparatorschaltung zeigt;
- Fig. 2 ist eine Ansicht, die schematisch eine zweite, zum Stand der Technik zählende hysteresebehaftete Komparatorschaltung zeigt;
- Fig. 3 ist eine Ansicht, die schematisch eine dritte, zum Stand der Technik zählende hysteresebehaftete Komparatorschaltung zeigt;
- Fig. 4 ist eine Ansicht, die schematisch eine erfindungsgemäße Komparatorschaltung zeigt;
- Fig. 5 ist eine Ansicht, die die Schaltung nach Fig. 4 schematisch in größerer Einzelheit zeigt.
- Bezugnehmend auf Fig. 4, ist dort allgemein eine hysteresebehaftete Komparatorschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
- Dieser Komparator enthält eine erste Differenzzelle mit einem ersten Paar npn-Bipolartransistoren T1 und T2, deren Emitter zusarnmengeschaltet sind. Jene Emitter sind außerdem über eine Vorstromquelle, die einen Transistor Tn enthält, an dessen Basis eine Spannung Vb3 erscheint, an Signalmasse GND geschaltet.
- Die Kollektoren C1, C2 der Transistoren T1, T2 sind über zugehörige Widerstände Rc1 und Rc2 an die Spannungsversorgungsleitung 3 angeschlossen, auf der eine relativ niedrige Spannung Vcc von 1 Volt ansteht.
- Die Basen B1, B2 der Transistoren T1, T2 sind ihrerseits über jeweilige veränderliche Stromquellen A1, A2 mit der Leitung 3 verbunden. In vorteilhafter Weise werden diese Stromquellen durch den Wert der Spannung am Ausgang O des Komparators gesteuert und sind betrieblich damit gekoppelt.
- Die Schaltung nach Fig. 4 enthält außerdem eine zweite Differenzzelle 5 mit einem zweiten Transistorpaar T3 und T4. Dieses zweite Paar wird durch pnp-Bipolartransistoren gebildet, die ihrerseits mit ihren Emittern zusammengeschaltet sind.
- Jene Emitter sind außerdem über eine Vorstromquelle mit einem Transistor Tp, an dessen Basis eine Vorspannung Vb1 erscheint, an die Versorgungsleitung 3 angeschlossen.
- Die Kollektoren C3, C4 der Transistoren T3, T4 sind über zugehörige Widerstände Rc3 und Rc4 bei GND an Masse geschaltet.
- Die Basen B3, B4 der Transistoren T3, T4 sind außerdem bei GND über zugehörige veränderliche Stromquellen A3 und A4 auf Masse gelegt. Diese Stromquellen werden ebenfalls durch den Wert der Spannung am Komparatorausgang O gesteuert und sind betrieblich damit gekoppelt.
- Die beiden Differenzzellen 2 und 5 sind über jeweilige Verbindungen zwischen den Basen B1, B4 und den Basen B2, B3 der entsprechenden Transistoren miteinander gekoppelt.
- Zwischen die Basisverbindungen ist ein Spannungsteiler gelegt. Speziell befinden sich ein erstes Widerstandspaar R1, R4 zwischen den Basen B1, B4 und ein zweites Widerstandspaar R2, R3 zwischen den Basen B2 und B3.
- Vorzugsweise haben die Widerstände R1, R2, R3 und R4 gleiche Werte, so wie die Ströme I1, I2 und I3, I4 gleiche Werte haben.
- Der Verbindungspunkt des ersten Widerstandspaares R1, R4 bildet den invertierenden (IN-) Eingang A des Komparators.
- Andererseits bildet der Verbindungspunkt des zweiten Widerstandspaares R2, R3 den nicht-invertierenden (IN+) Eingang B des Komparators 1.
- Der Aufbau der Schaltung nach Fig. 4 wird vervollständigt durch ein drittes Paar pnp-Bipolartransistoren T9, T11, deren Emitter direkt mit den entsprechenden Kollektoren C1, C2 des ersten Transistorpaares T1, T2 in der Zelle 2 verbunden sind. Die Transistoren T9 und T11 haben eine gemeinsame Basis und werden von einer Basisspannung Vb2 gespeist.
- Ein viertes Bipolartransistorpaar T12, T13 vom npn-Typ gehört zu der zweiten Zelle 5. Die Transistoren T12, T13, welche dieses vierte Paar bilden, sind mit ihren Emittem direkt an die jeweiligen Kollektoren C3, C4 des zweiten Transistorpaars T3, T4 in der Zelle 5 angeschlossen. Die Transistoren T12 und T13 besitzen eine gemeinsame Basis, und der erste Transistor T12 von ihnen ist mit seiner Basis zur Bildung einer Diodenschaltung an seinen Kollektor angeschlossen.
- Der erste Transistor T9 des dritten Paars ist an den ersten Transistor T12 des vierten Paares über die Verbindung zwischen den jeweiligen Kollektoren angeschlossen. In ähnlicher Weise ist der zweite Transistor T11 des dritten Paares mit dem zweiten Transistor T13 des vierten Paares über die Verbindung zwischen den jeweiligen Kollektoren angeschlossen, und der Ausgang O der Komparatorschaltung wird von dem gemeinsamen Kollektor der Transistoren T11 und T13 abgenommen.
- Dieser Ausgang O liefert einen Ausgangsspannungswert Vo.
- Im folgenden wird der Betrieb der erfindungsgemäßen Schaltung erläutert.
- Die zusammengesetzte npn- und pnp-Struktur der Zellen 2 und 5 ist an die Signaleingänge A und B über die Widerstände R1, R2, R3, R4 und die veränderlichen Stromquellen A1, A2, A3, A4 angeschlossen und sorgt für eine Verschiebung des logischen Pegels, dessen Wert von dem Zustand am Ausgang O gesteuert wird.
- Der Wert am Ausgang O steuert außerdem wie bei sämtlichen hysteresebehafteten Komparatoren die Umschaltphase zwischen den beiden (dem oberen und dem unteren) Schaltungs-Schwellenwerten.
- Die Stromquelle A1 ist in geeigneter Weise so bemessen, daß der korrekte Betrieb des ersten Transistorpaars in der Eingangsstufe und damit ein angemessener Zustand am Ausgang O gewährleistet ist.
- Angenommen, die Signalspannung Vin (+) am nicht-invertierenden Eingang B ist niedriger als Vin (-) am invertierenden Eingang A. Beispielsweise könnte Vin (-) dem oberen Schwellenwert Vthsup gleichen, wobei der Verschiebepegel in geeigneter Weise anhand dieses oberen Schwellenwerts ausgewählt ist.
- Unter diesen Bedingungen würde der Transistor T1 im aktiven Bereich so lange arbeiten, wie die Eingangsspannung Vin (+) den oberen Schwellenwert Vthsup erreicht.
- Wird dieser Schwellenwert überschritten, treibt die Spannung Vin (+) den Komparator zur Verschiebung seines Ausgangs auf den unteren Schwellenwert Vthinf.
- Zu dieser Zeit ändert die betrieblich mit dem Ausgang O gekoppelte veränderliche Stromquelle A1 zwangsweise ihren Ausgangsstrom durch Aktivierung der durch das pnp-Transistorpaar T3 und T4 gebildeten zweiten Zelle 5.
- Dieses Betriebsverfahren ermöglicht große Freiheit bei der Auswahl der beiden diskreten Schwellenwerte und erweitert somit den dynamischen Bereich für die Gleichtakt-Eingangsspannung.
- Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsforrn der erfindungsgemäßen Schaltung nach Fig. 4 schematisch anhand der Fig. 5 erläutert.
- Wie deutlicher aus Fig. 5 ersichtlich ist, lassen sich die veränderlichen Quellen A1 und A2 durch pnp-Bipolartransistoren realisieren, die über ihre jeweiligen Basen angesteuert werden.
- Die veränderlichen Quellen A3 und A4 werden in ähnlicher Weise durch npn-Bipolartransistoren realisiert.
- Der Ausgang O der Schaltung entspricht dem Basisanschluß eines npn- Transistors T14, dessen Emitter geerdet und dessen Kollektor über eine Stromquelle I an die Spannungsversorgung Vcc angeschlossen ist.
- Der Kollektor dieses Transistors T14 ist mit der Basis eines NPN- Transistors TS gekoppelt, dessen Emitter geerdet ist. Die Basis des Transistors TS nimmt außerdem den logischen Wert des negierten Ausgangs O des Vergleichers an.
- Der Kollektor des Transistors T5 ist mit den jeweiligen Basen eines Satzes von npn-Transistoren T6, T7, T8 und T9 verbunden, die zueinander parallelgeschaltet sind, wobei ihre Emitter auf Masse liegen. Die Kollektoren der Transistoren T6 und T7 sind gemeinsam mit jenen der jeweiligen npn-Transistoren, die in die Stromquellen A3 und A4 inkorporiert sind.
- Der erste Transistor T6 in dem Transistorsatz ist mit seinem Kollektor an den Kollektor des weiteren Transistors T15 angeschlossen, und über diesen an die Basisanschlüsse der pnp-Transistoren in den Stromquellen A1 und A2. Eine Diode D1 verbindet jenen Kollektor auch mit der Versorgungsspannung Vcc.
- Der zuletzt erwähnte Transistor TiS, der ebenfalls ein npn- Bipolartransistor ist, hat seine Basis gemeinsam mit jenen der Transistoren innerhalb der Stromquellen A3 und A4 und liegt zwischen einer zu der Spannungsversorgung Vcc gehörigen Stromquelle I' und einer auf Masse geschalteten Diode D2.
- Ein ähnlicher Aufbau aus einer Reihenschaltung einer Stromquelle I" und einer Diode D3 ist der Basis des Transistors T10 zugeordnet. Der Kollektor des Transistors T10 ist an den nicht-invertierenden Eingang B angeschlossen, an den der obere Spannungs-Schwellenwert Vthsup über einen Widerstand R5 angelegt wird.
- Wird für den unteren Spannungsschwellenwert Vthinf eine Verschiebung des logischen Pegeis oberhalb des flir den oberen Schwellenwert erforderlichen Pegels angenommen, so bleibt die Stromquelle I' dauernd zu dem oberen Schwellenwert in Beziehung.
- Wenn der Ausgang einen logischen Pegel "hoch" annimmt, hat der entsprechende negierte Ausgang 0 einen logischen Wert "niedrig". In diesem Zustand kann der Strom 1" durch die Diode D3 fließen und wird von dem Transistor T10 gespiegelt, um die Hysterese der Schaltung zu bilden.
- Über die Transistoren T6, T7 und T8 wird die Verschiebung des logischen Pegels so erweitert, wie es für den unteren Schwellenwert Vthmf erforderlich ist.
Claims (8)
1.Integrierter Komparator (1), umfassend:
- einen ersten Eingangsanschluß (A) zum Empfangen einer ersten
Eingangsspannung;
- einen zweiten Eingangsanschluß (B) zum Empfangen einer
zweiten Eingangsspannung;
- einen ersten Referenzanschluß zum Empfangen einer ersten
Referenzspannung (Vcc);
- einen zweiten Referenzanschluß zum Empfangen einer zweiten
Referenzspannung (GND);
- eine erste Differenzzelle (2) mit einem ersten und einem
zweiten npn-Bipolartransistor (T1, T2), deren Emitter
zusammengeschaltet sind, wobei die Basis des ersten
Transistors (T1) an den ersten Eingangsanschluß (A) und an
den ersten Referenzanschluß gekoppelt ist;
- eine zweite Differenzzelle (5) mit einem dritten und einem
vierten npn-Bipolartransistor (T3, T4), deren Emitter
zusammengeschaltet sind, wobei die Basis des vierten
Transistors (T4) mit dem ersten Eingangsanschluß (A) und dem
zweiten Referenzanschluß gekoppelt ist;
- wobei die erste und die zweite Differenzzelle (2, 5) miteinander
gekoppelt und mit dem zweiten Eingangsanschluß (B) und dem
zweiten Referenzanschluß über die Basen des zweiten und des
dritten Transistors (T2, T3) verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß er mindestens ein Paar veränderlicher Stromquellen (A1, A2;
A3, A4) in jeder Zelle (2, 5) aufweist, die zwischen der Basis jedes
der vier Transistoren (T1, T2, T3, T4) und dem entsprechenden
Referenzanschluß liegen, um einen Strom abzugeben, dessen Wert
von dem Spannungswert abhängt, der am Ausgang (O) des
Komparators (1) ansteht.
2. Komparator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Komparator außerdem Spannungsteiler enthält, die zwischen
jeder der Verbindungen der Basen (B1, B4; B2, B3) der die Zellen
(2, 5) bildenden Transistoren geschaltet sind.
3. Komparator nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Teiler ein Paar Widerstände (R1, R4; R2, R3) aufweist,
wobei der Eingangsanschluß und der Referenzanschluß an den
Verbindungspunkt des Paares angeschlossen sind.
4. Komparator nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Widerstände (R1, R4; R2, R3) in den Teilern gleiche Werte
besitzen.
5. Komparator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß jede der veränderlichen Stromquellen (A1, A2, A3, A4) einen
Transistor aufweist.
6. Komparator nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Basis jedes der Transistoren in den veränderlichen
Stromquellen an den Komparatorausgang (O) gekoppelt ist.
7. Komparator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die veränderlichen Stromquellen (A1, A2) in der ersten
Differenzzelle (2) jeweils zwischen den Basen (B1, B2) der npn--
Transistoren (T1, T2) und einer Niederspannungsversorgungsleitung
(Vcc) liegen.
8. Komparator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die veränderlichen Stromquellen (A3, A4) in den zweiten Zelle
(5) jeweils zwischen den Basen (B3, B4) der pnp-Transistoren (T3,
T4) und einer Signalerde (GND) liegen.
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