專利名稱：一種遲滯比較器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體集成電路技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種遲滯比較器電路。
背景技術(shù)：
在實(shí)際使用中，由于電源電壓的變化，電阻值的偏差，運(yùn)算放大器的溫漂，電壓比 較器的輸出就常常出錯(cuò)。必須重新調(diào)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(hào)。因此我們需要引進(jìn)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(wěn)定可調(diào)的比較器。遲滯是比較器的一種性質(zhì)，其輸入閾值是輸入(輸 出)電平的函數(shù)。尤其是當(dāng)輸入達(dá)到閾值時(shí)輸出會(huì)改變，同時(shí)輸入閾值也會(huì)隨之降低，所以 在比較器的輸出又一次改變狀態(tài)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(jié)構(gòu)的比較器，該比較器主要是通過外接電阻構(gòu)成正反饋形式來實(shí) 現(xiàn)遲滯功能的比較器，但該比較器對(duì)運(yùn)放性能要求很高，且不能根據(jù)需要調(diào)節(jié)。②內(nèi)部正反饋遲滯比較器主要為高增益開環(huán)遲滯比較器。但該比較器遲滯寬度不 能靈活調(diào)節(jié)，應(yīng)用范圍有限。③施密特觸發(fā)器結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)電路的遲滯寬度，電路的遲滯寬度簡單、靈活可調(diào)，但是該比較器受工藝 參數(shù)、電源電壓和溫度的影響很大，精度不高，實(shí)用性不強(qiáng)。由于遲滯比較器的應(yīng)用越來越廣，結(jié)構(gòu)也越來越多，目前國內(nèi)有關(guān)遲滯比較器的 專利也比較多，有專門應(yīng)用于低電源電壓的比較器，有閾值自動(dòng)調(diào)節(jié)的遲滯比較器。但其結(jié) 構(gòu)均受工藝條件限制，在不同的工藝條件下，對(duì)電路的影響較大，應(yīng)用范圍受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決現(xiàn)有的比較器存在受工藝參數(shù)、電源電壓和溫度的影 響很大，精度不高，實(shí)用性不強(qiáng)的缺點(diǎn)，提供一種高精度高穩(wěn)定遲滯比較器，該比較器具有 結(jié)構(gòu)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(yīng)用價(jià)值等特點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案一種遲滯比較器，包括放大器和閾值產(chǎn)生電路，其特征在于放大器采用軌對(duì)軌(rail-to-rail)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的輸入級(jí)采用一個(gè)跨導(dǎo)變換器， 保證輸入級(jí)跨導(dǎo)為一恒定的量，其信號(hào)的共模電壓范圍為電源(VCC)至地(GND)，放大器的 輸出信號(hào)用于控制閾值產(chǎn)生電路；閾值產(chǎn)生電路是由二選一傳輸門構(gòu)成，外部輸入閾值電平，經(jīng)二選一傳輸門輸出 到放大器的負(fù)端進(jìn)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(shè)置一組反向器，實(shí)現(xiàn)輸出電平的翻轉(zhuǎn)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)由于閾值產(chǎn)生電路和運(yùn)放所采取的結(jié)構(gòu)，使得該比較器具有很高的電源穩(wěn)定性、 不易受外界溫度變化的影響，可以實(shí)現(xiàn)從電源(VCC)到地(GND)全范圍內(nèi)比較。該比較器 具有精度高，閾值和遲滯寬度可以根據(jù)需要靈活調(diào)節(jié)。


圖1是本發(fā)明的遲滯比較器電路結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)明的遲滯比較器電路圖；圖3是本發(fā)明的遲滯比較器共模輸入范圍示意圖；圖4是本發(fā)明的遲滯比較器精度隨溫度變化示意圖；圖5是本發(fā)明的遲滯比較器精度隨電源電壓變化示意圖。
具體實(shí)施例方式該比較器可分放大器和閾值產(chǎn)生電路兩個(gè)部分。圖1為該比較器的結(jié)構(gòu)框圖，其 中100為放大器電路，Vin為放大器的輸入端。放大器經(jīng)101輸出到閾值產(chǎn)生電路200中， 用以控制閾值產(chǎn)生電路。Vth+、Vth-為閾值輸入端，閾值產(chǎn)生電路200根據(jù)選擇產(chǎn)生的閾 值電壓經(jīng)102傳輸給放大器100進(jìn)行比較。電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，信號(hào)從Vin輸入，經(jīng)過比 較器比較，從Voutl輸出，通過Voutl電平的高低，實(shí)現(xiàn)控制二選一傳輸門TG1、TG2的作用， 使得Vth+或Vth-經(jīng)傳輸門輸出到Ml的柵極實(shí)現(xiàn)與Vin比較，并從Vout端輸出。下面將對(duì)該電路的具體工作原理進(jìn)行詳細(xì)的分析。(1)該比較器采用軌對(duì)軌rail-to-rail結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的輸入級(jí)采用一個(gè)跨導(dǎo)變 換器，保證輸入級(jí)跨導(dǎo)為一恒定的量，其信號(hào)的共模輸入電壓范圍可從電源(VCC)到地 (GND)，在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)，放大器都是靈敏的，并能以相同的增益放大不同的信號(hào)。 比較器工作在強(qiáng)反型區(qū)時(shí)，跨導(dǎo)gm為 gm =和燦碎)人 +^pCox(^)pIdp (1)為了跨導(dǎo)恒定，常使ViHi+ Vi^-constant，并要求 yn(W/L)n = yp(ff/L)p0 本發(fā)
明采用反饋環(huán)路控制方法來控制差分互補(bǔ)輸入對(duì)的尾電流以達(dá)到在共模輸入電壓范圍內(nèi) (1)式跨導(dǎo)恒定。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(dāng)共模輸入電壓較高時(shí)，電路中Ml、M2、M3、M4導(dǎo)通，而M5、M6、M7、M8截止，PMOS 差分輸入對(duì)的尾電流M12不能對(duì)其提供電流，電流鏡M13、M14亦是一樣。此時(shí)M3、M4導(dǎo)通， 在A點(diǎn)可看作41和31的代數(shù)求和過程，但此代數(shù)運(yùn)算后的電流不會(huì)給Ml、M2輸入對(duì)加入 額外的尾電流，尾電流大小仍為41，保證了+ i =常數(shù);2、當(dāng)共模輸入電壓較低時(shí)，同樣的方法可分析出提供給差分互補(bǔ)輸入對(duì)M3，M4的 尾電流也是4!，同樣地保證了麻+ ·^ =常數(shù)；
3、當(dāng)共模輸入電壓處于中間值時(shí)，電路中M1-M8均導(dǎo)通處于工作狀態(tài)，M7、M8在M9 和M13之間就形成一個(gè)通路，相當(dāng)于兩點(diǎn)電流在B點(diǎn)進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算，則差分互補(bǔ)輸入對(duì)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(shù)；4、圖3為該電路的共模輸入范圍仿真圖形，從圖中可以看出該放大器的共模輸入 范圍為電源(VCC)到地(GND)，因此該比較器能實(shí)現(xiàn)從電源(VCC)到地(GND)的全范圍比 較。5、繼續(xù)分析該電路，在圖2中，Vin端對(duì)應(yīng)的電壓從最小值變大時(shí)，起初Vin的電 壓較低，故Voutl處為低電平，Voutl信號(hào)經(jīng)INVl和INV2整形后，到達(dá)二選一傳輸門，選擇 Vth-端的電壓信號(hào)達(dá)到Ml輸入端，此時(shí)Vout輸出為低電平。隨著Vin端電壓的繼續(xù)上升， 當(dāng)Voutl到達(dá)INVl的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處時(shí)，控制二選一傳輸門使閾值輸出為Vth+，比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)， 輸出Vout為高電平信號(hào)。當(dāng)Vin端對(duì)應(yīng)的電壓從電源電壓變小時(shí)，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(hào)到達(dá)Ml輸入端，此時(shí)Vout輸出為高電平。 隨著Vin端電壓的繼續(xù)下降，當(dāng)Voutl到達(dá)INVl的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處時(shí)，控制二選一傳輸門使閾值 輸出為Vth-，比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出Vout為低電平信號(hào)。通過以上分析可知，欲實(shí)現(xiàn)所需的正、負(fù)閾值電平只要將相應(yīng)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(zhǔn)電壓分壓來實(shí)現(xiàn)。(2)溫度變化對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的影響分析溫度變化對(duì)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(duì)Vin進(jìn)行直流掃描可得到圖4中所示的仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果可以看到， 在-45°C到125°C的溫度范圍內(nèi)，閾值電壓及遲滯寬度基本上沒有變化。(3)電源電壓對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的影響分析電源電壓對(duì)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(duì)Vin端進(jìn)行直流掃描可得到圖5所示的結(jié)果。從仿真結(jié)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(duì)該電路所產(chǎn)生的正負(fù)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(wěn)定性、不易受外界溫度變化的影響，可以實(shí)現(xiàn)從電源 (VCC)到地(GND)全范圍內(nèi)比較。該比較器具有精度高，閾值和遲滯寬度可以根據(jù)需要靈活 調(diào)節(jié)。由于具有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，所以該比較器可廣泛應(yīng)用于報(bào)警電路、自動(dòng)控制電路、測量 技術(shù)、也可用于V/F變換電路、ADC/DAC電路、高速采樣電路、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(yīng)用價(jià)值和靈活性。
權(quán)利要求
1.一種遲滯比較器，包括放大器和閾值產(chǎn)生電路，其特征在于放大器采用軌對(duì)軌(rail-to-rail)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的輸入級(jí)采用一個(gè)跨導(dǎo)變換器，保證 輸入級(jí)跨導(dǎo)為一恒定的量，其信號(hào)的共模電壓范圍為電源(VCC)至地(GND)，放大器的輸出 信號(hào)用于控制閾值產(chǎn)生電路；閾值產(chǎn)生電路是由二選一傳輸門構(gòu)成，外部輸入閾值電平，經(jīng)二選一傳輸門輸出到放 大器的負(fù)端進(jìn)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種遲滯比較器，其特征在于放大器輸出端設(shè)置一組反向 器，實(shí)現(xiàn)輸出電平的翻轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高精度高穩(wěn)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(hào)經(jīng)101輸出到閾值產(chǎn)生電路200中，用以控制閾值產(chǎn)生電路。Vth+、Vth-為閾值輸入端，200根據(jù)選擇產(chǎn)生閾值電壓經(jīng)102傳輸給放大器100進(jìn)行比較器。其中放大器采用軌對(duì)軌(rail-to-rail)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)從電源(VCC)到地(GND)全范圍內(nèi)比較；閾值產(chǎn)生電路由二選一傳輸門構(gòu)成，外部輸入閾值電平。該比較器具有很高的電源穩(wěn)定性、不易受外界溫度變化的影響。
文檔編號(hào)H03K5/24GK102075168SQ20091018561
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2009年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月24日
發(fā)明者唐興剛, 洪明, 胡傳菊, 陳超 申請(qǐng)人:華東光電集成器件研究所