DE2944657A1

DE2944657A1 - Komparatorschaltung

Info

Publication number: DE2944657A1
Application number: DE19792944657
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr.-Ing. Fleischer; Hartmut 7410 Reutlingen Seiler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1979-11-06
Filing date: 1979-11-06
Publication date: 1981-06-04
Also published as: GB2062996A; DE2944657C2; FR2468915A1; JPS5675722A

Description

29A4657

R. 5851

17.7.1979 Bt/Hm

ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO STUTTGART 1

Komparatorschaltung Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Komparatorschaltung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Als einfache Komparatorschaltungen zum Vergleich analoger Eingangsgrößen, z.B. elektrischer Spannungen oder Ströme, werden häufig Differenzverstärker mit genügend hoher Verstärkung benutzt, die eine digitale Ausgangsgröße abgeben, übersteigt die Eingangsspannung U_ein des Differenzverstärkers dessen Bezugsspannung U_ref» dann wechselt der Ausgangspegel vom Zustand L auf dem Zustand H. In einem gewissen Übergangsbereich, der umso kleiner ist, je größer die Verstärkung des Differenzverstärkers ist, existieren jedoch indifferente Ausgangszustände, die weder dem Zustand L noch dem Zustand H zugeordnet werden können. Damit die Ausgangsgröße nicht zwischen dem L-Zustand und

130023/0019

58 51 2944557

dem Η-Zustand hin und herschaltet, muß ein Hysteresebereich vorgesehen werden, der den indifferenten Bereich überdeckt. Der Hysteresebereich wird dadurch erreicht, daß die Komparatorschaltung in der Nähe des Umschaltpunktes (Eingangsspannung = Bezugsspannung) mit einer zur Eingangsspannung gleichphasig wirkenden Mitkopplung ausgerüstet wird. Der Hysteresebereich und die Schaltpunkte werden durch die Art der Rückführung des Ausgangssignals auf den Eingang festgelegt. Dazu wird der Referenzeingang benötigt. Das hat aber den Nachteil, daß der Referenzeingang dann potentialmäßig festliegt, er kann also einer Gleichtaktspannung nicht mehr folgen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Komparatorschaltung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die zur Erzeugung der Hysterese benötigte Signalrückführung vollständig innerhalb der Komparatorschaltung liegt, so daß die Eingänge nicht berührt werden. Beide Eingänge bleiben daher hochohmig und frei beschaltbar. Die Komparatorschaltpunkte sind hier bestimmt durch einmalig konstruktiv festgelegte Differenzen zwischen Eingangs und Referenzsignal und folgen dem Referenzsignal im Abstand dieser festgelegten, konstanten Differenz. Dadurch ist der Betrieb mit variabler Referenz und die Unterdrückung von Gleichtaktspannungen möglich.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Komparatorschaltung möglich.

130023/0019

Besonders vorteilhaft ist die mit den wenigen benötigten Bauelementen erzielbare hohe Genauigkeit und die Unabhängigkeit von den Batteriespannungen, mit der sowohl die Größe des Hysteresebereiches als auch dessen Lage in Bezug zum Referenzsignal eingestellt werden können. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß die Auskopplung des Ausgangssignals so möglich ist, daß sie ohne Rückwirkung auf die Lage der Schaltpunkte bleibt. Weiterhin ist die erfindungsgemäße Komparatorschaltung besonders gut für eine monolithische Integration geeignet.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 bis 3 schaltungsmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Komparatorschaltung. In Fig. 1» und 5 sind zusätzlich zwei schaltungsmäßige Ausgestaltungen einer Auskoppelschaltung dargestellt. Fig. 6 zeigt eine Ausführung in der alle Transistorfunktionen der Fig. 5 durch die zu ihnen komplementären Transistorfunktionen ersetzt sind.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt in einem Stromkomparator das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Lösung. Die Komparatorschaltung umfaßt einen als Stromspiegel 1 geschalteten Differenzverstärker. Dabei ist die Basis eines Transistors 2 in Diodenschaltung mit dessen eigenem Kollektor und mit der Basis eines weiteren Transistors 3 verbunden. Dieser Knotenpunkt ist der Eingangsanschluß des Stromspiegels 1 und der Kollektor des Transistors 3 ist der Ausgangsanschluü des Stromspiegels 1. Die Emitter der Transistoren 2, 3 sind beide direkt auf Masse ¹I geschaltet, können aber auch zum Ausgleich restlicher Strom-Unsymmetrien über

-H-

130023/0019

DO O

29U657

Symmetriewiderstände mit Masse 4 verbunden werden. Ein Schalter 5, der von der am Kollektor des Transistors 3 abgenommenen Ausgangsspannung U gesteuert wird, ist mit der Basis der Transistoren 2, 3, dem Eingang des Stroinspiegels 2 verbunden. Weiterhin ist der Schalter an einen Stromgenerator 6 geschaltet, der einen Strom I„_s erzeugt. Dem Eingang des Stromspiegels 2 wird ein Eingangsstrom I und dem Ausgang des Stromspiegels 1 ein Referenzstrom I_REP zugeführt. Weiterhin ist ein Stromgenerator 7 vorgesehen, der einen Strom I„_o in den Eingang des Stromspiegels 1 einspeist.

Die Wirkungsweise der Schaltung aus Fig. 1 ist folgende: Werden zunächst die Ströme I„_o und I_HS aus der Betrachtung herausgelassen, dann geht die Ausgangsspannung des aus den gleichartigen Transistoren 2, 3 bestehenden Stromspiegels 1 vom Η-Zustand (High-Zustand, hohe Ausgangsspannung) in den L-Zustand (Low-Zustand, niedrige Ausgangsspannung) über, wenn der Eingangsstrom I die Größe des Referenzstromes I - erreicht oder übersteigt. Wird über den von der Ausgangsspannung gesteuerten Schalter der Strom I„_s in der Weise hinzugefügt, daß er auf den Eingang des Stromspiegels 1 gelangt, wenn die Ausgangsspannung im L-Zustand ist und der Strom Itj_S nicht auf Eingang des Stromspiegels gelangt, wenn die Ausgangsspannung im Η-Zustand ist, so weist der Komparator eine Schalthysterese auf. Mit dem konstanten Strom Ι_Η0, der direkt auf den Eigang des Stromspiegels 1 gelangt, ist es möglich, die Lage des durch den Strom I„_s hervorgerufenen Hysteresebereiches im Bezug zum Referenzstrom zu verschieben. Der Ausgang des Komparators schaltet unter den angegebenen Bedingungen vom H-Zustand in den L-Zustand, wenn der Eingangsstrom auf den Wert der Differenz aus Referenzstrom und Strom I_H0 ange-

130023/0019

stiegen ist und schaltet umgekehrt vom L-Zustand in dem Η-Zustand, wenn der Eingangsstrom auf den Wert der Differenz aus dem Referenzstrom und der Summe von I„_o und I„_s abgefallen ist. Beide Schaltpunkte verschieben sich also mit I„_o nach Betrag und Richtung in gleicher Weise, während die Größe des Hysteresebereiches nur von lug abhängt.

In Fig. 2 ist eine schaltungsmäßige Ausgestaltung des Schalters 5 mit den oben beschriebenen Schaltfunktionen in Form eines emittergekoppelten Transistorpaares 8, 9 dargestellt. Ist die Ausgangsspannung im L-Zustand, so übernimmt der Transistor 8 den Strom I_HS und leitet ihn auf den Eingang des Stromspiegels 1. Ist die Ausgangsspannung im Η-Zustand, so übernimmt der Transistor 9 den Strom I„_s und leitet ihn nach Masse ^ ab.

Fig. 3 zeigt eine schaltungsmäßige Ausgestaltung eines Spannungskomparators, in der gleichzeitig eine für integrierte Schaltungen vorteilhafte Ausführung für die verschiedenen benötigten Stromgeneratoren gezeigt ist. Dazu ist ein lateraler Transistor 12 vorgesehen, der aus jedem seiner Teilkollektoren einen zum Strom im Bezugs-Teilkollektor 17 proportionalen Strom konstruktiv einstellbarer Größe zur Verfügung stellt. Der Emitter des Transistors 12 ist mit der auf Batteriespannung liegenden Leitung 13 verbunden. Der Teilkollektor 1*1 des Transistors 12 liefert den Summenstrom Iq für ein emittergekoppeltes Eingangstransistorpaar 10, Il und ist mit den Emittern dieses Transistorenpaares 10, 11 verbunden. Der Kollektor des Transistors 10 ist mit dem Ausgang des Stromspiegels 1 und der Kollektor des Transistors 11 mit dem Eingang des Stromspiegels i verbunden. An der Basis

130023/0019

des Transistors 11 liegt die Eingangsspannung, während an der Basis des Transistors 10 die Referenzspannung des Komparators liegt. Der Teilkollektor 15 des lateralen Transistors 12 ist mit den Emittern des emittergekoppelten Transistorpaares 8, 9 verbunden. Die Kollektorströme des emittergekoppelten Eingangstransistorpaares 10, 11 entsprechen dem in Fig. 2 dargestellten Referenzstrom I _ und dem Eingangsstrom I . Für die beiden .Schaltpunkte gilt, daß die Ausgangsspannung des Komparators vom H-Zustand in den L-Zustand übergeht, wenn die Eingangsspannung auf den Wert der Referenzspannung abgefallen ist und vom L-Zustand in den Η-Zustand zurückgeht, wenn die Eir.gangsspan.nung wieder auf den Wert der Summe aus Referenzspannung und Hysteresespannung angestiegen ist. Die Hysteresespannung ist eine logarithmische Funktion des Stromquotienten I /IjJ₁,, welcher durch das Verhältnis der Randlängen der Teilkollektoren 14 und 15 des lateralen Transistors 12 unveränderlich festgelegt ist. Daher ist die Hysteresespannung unabhängig von der Batteriespannung. Der Hysteresebereich vom Betrage der Hysteresespannung liegt in dem Schaltungbeispiel nach Fig. 3 einseitig oberhalb der Referenzspannung, kann aber entsprechend Fig. 1 durch Hinzufügen eines weiteren Stromes Ι_Η0, der aus einem weiteren, nicht dargestellten Teilkollektor des lateralen Transistors 12 gewonnen werden könnte, verschoben werden. Dabei wäre der Teilkollektor direkt mit dem Eingang des Stromspiegels zu verbinden. Die Verschiebung des Hysteresebereiches wäre ebenfalls unabhängig von der Batteriespannung.

Eine weitere Möglichkeit der Beeinflussung des Hysteresebereiches und seiner Lage im Bezug zur Referenzgröße besteht in der Stromdichtebeeinflussung in den Emittern der Transistoren 2 und 3 des Stromspiegels 1. Das geschieht

130023/0019

in der Weise, daß die Transistoren 2, 3 unterschiedliche Emitterflächen erhalten können.

Um für sehr kleine Hysteresespannungen die Randlänge des Teilkollektors 15 des lateralen Transistors 12 im Interesse der Schaltpunktgenauigkeit nicht zu klein machen zu müssen, werden die Kollektoren des emittergekoppelten Transistorpaares in Teilkollektoren unterteilt und nur ein Teilkollektor des Tansistors 8 wird mit dem Eingang des Stromspiegels 1 verbunden, so daß nur der über iiezer. Teilkollektor fließende'Teilstrom von I„_s hystereseerrreugend wirkt. Alle weiteren Teilkollektoren des err.it^ergekoppelten Transistorpaares 8, 9 sind mit Masse *· verbunden. Durch die bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele ist es möglich, besonders die Schaltpunkte bei kleiner. Hysteresebereichen genau einzustellen. Größere Hysteresetereiche können über entsprechende Spannungsabfälle an Eir.itterv.-iVerständen, die in die Emitterzweige des emittergekoppelt^:» Eingangsstransistorpaares 10, 11 geschaltet werden können, erzeugt werden.

Da in dem beschriebenen Komparator immer ein Stromvergleich durchgeführt wird, reagiert ein solcher Komparator r.it einer Verschiebung der Schaltpunkte, wenn beim Auskoppeln des Ausgangssignals am Kollektor des Transistors 3 des 5tronspiegels 1 ein Strom entnommen wird. Deshalb sollte bei höheren Anforderungen an die Genauigkeit der Schaltpur.kte der Auskoppelstrom am Kollektor des Transistors 3 se gering wie möglich sein. Dieses wird durch eine Auskoppelschalrung, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, gewährleistet. Ein zusätzlich vorgesehener Auskoppel-Scror.-spiegel 23 mit den Transistoren 19, 20 wird über einer. Emitterfolger 21 angesteuert. Der Kollektor des Emitterfolgers 21 ist an die Plusleitung 13 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors 20 des Auskoppel-Stromspiegels

130023/0019

58 29U657

23 ist mit einem weiteren Teilkollektor des lateralen Transistors 12 verbunden. Der Ausgangsspannungshub ist in diesem beschriebenen Ausführungsbeispiel nicht mehr auf etwa die Referenzspannung beschränkt, sondern umfaßt den maximal möglichen Bereich in der Größe der Batteriespannung. Die Schaltung verhindert außerdem, daß der Transistor 10 des emittergekoppelten Eingangs-Transistorpaares in Sättigung gehen kann, verbessert also gleichzeitig die Eingangseigenschaften des Komparators an der Basis des Transistors 10. In einem vereinfachten Ausführungsbeispiel kann der als Eingangsdiode geschaltete Transistor 19 des Auskoppelstromspiegels 23 weggelassen werden, so daß die Ausköppelschaltung einen Darlington-Eingang aufweist.

Der laterale Transistor 12 weist in Fig. 4 einen weiteren Kollektor 18 auf, der mit dem Eingang des Stromspiegels verbunden ist und den Strom L, liefert.

In den in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kollektor des Transistors 9 des emittergekoppelten Transistorpaares mit dem Eingang des Auskoppel-Stromspiegels 23 verbunden. Damit wird die Tatsache ausgenutzt, daß die Information des Ausgangssignals bereits voll in den beiden verschiedenen Wegen des Hysteresestroms I_HS enthalten ist. Im Umschaltpunkt des Hysteresestroms vom Transistor 9 auf den Transistor 8 und umgekehrt wechselt auch das Ausgangssignal vom Η-Zustand in den L-Zustand und umgekehrt. Es wird der bisher unbenutzt nach Masse 4 abgeführte Kollektorstrom des Transistors 9 in den Auskoppel-Stromspiegel 23 eingespeist. Da der Hysteresestrom Ijj_S mit dem der Auskoppel-Stromspiegel angesteuert wird, sehr klein sein kann, ist es vorteilhaft, mit dem Auskoppel-Stromspiegel 23 gleichzeitig eine Stromübersetzung vorzunehmen. Dazu werden die

130023/0019

294

Transistoren 19 und 20 mit unterschiedlichen Emitterflächen versehen. Ein als Diode geschalteter Transistor 22 ist einerseits mit dem Kollektor des Transistors 10 des emittergekoppelten Transistorpaares 10, 11 und andererseits mit dem Eingang des Auskoppel-Stromspiegels 23 so verbunden, daß die Spannung am Kollektor des Transistors 10 gegen Masse 4 auf die Größe der Spannung an zwei Dioden begrenzt bleibt. Diese Maßnahme verhindert die Sättigung des Transistors 10 des emittergekoppelten Eingangs-Transistorpaares 10, 11. Da die Diode 22 erst zu einem Zeitpunkt schaltet, in dem der eigentliche Komparatorschaltpunkt bereits überschritten wurde, wird die Genauigkeit des Schaltpur.ktes nicht beeinflußt. In vereinfachter Ausführung kann der Transistor 19 des Auskoppel-Stromspiegels 23 weggelassen werden.

Die beschriebenen Schaltungsbeispiele der erfindungsgemääen Komparatorschaltung lassen sich auch mit dualen Transistoren realisieren. Die Stromquellen, die in den beschriebenen Beispielen durch Kollektorteilung des lateralen Transistors 12 erstellt wurden, werden dann durch eine entsprechende Anzahl kleinster Emitterflächen einzelner npn-Transistoren ausgeführt. Umgekehrt kann dann durch Kollektorteilung das hergestellt werden, was in den beschriebenen Ausführungsbeispielen durch unterschiedliche Emitterflächen realisiert wurde. Ein dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 5 entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6 gezeigt, wobei die sich einander entsprechenden Teile mit gleichen Bezugsziffern mit einem hochgestellten Strich bezeichnet sind.

1 30023/0019

Claims

17.7.1979 Bt/Hm ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO STUTTGART 1 Ansprüche

1. Komparatorschaltung mit einem als Stromspiegel geschalteten Stromkomparator, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer Schalthysterese über einen von der Ausgangsgröße gesteuerten Schalter (5) ein zusätzlicher erster Stromfluß durch die Transistoren (2, 3) des Stromspiegels (1) zur Veränderung der Schaltschwellen des Stromkomparators erzeugt wird.

2. Komparatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verschiebung der Lage des Hysteresebereiches ein zweiter Stromfluß durch die Transistoren (2, 3) des Stromspiegels (1) erzeugt wird.

3. Komparatorschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (5) als emittergekoppeltes Transistorpaar (8, 9) ausgebildet ist, wobei der

130023/0019 ORIGINAL INSPECTED

- 2 - 29U657

Kollektor des ersten Transistors (8) und die Basis des zweiten Transistors (9) des emittergekoppelten Transistorpaares (8, 9) mit dem Eingang des Stromspiegels (1) verbunden ist und die Basis des ersten Transistors (8) mit dem Ausgang des Stromspiegels (1) verbunden ist.

4. Komparatorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis ²J, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beeinflussung des Hysteresebereichs über die Stromübersetzung des Stromspiegels die Transistoren (2, 3) des Stromspiegels (1) unterschiedliche Geometrien aufweisen.

5· Komparatorschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Transistor (8) des emittergekoppelten Transistorpaares (8, 9) durch konstruktive Maßnahmen den durch ihn fließenden Strom unterteilt und daß nur Teilströme des mindestens einen Transistors auf den Eingang des Stromspiegels (1) gelangen.

6. Komparatorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein emittergekoppeltes Eingangstransistorpaar (10, 11) vorgesehen ist, wobei der Kollektor des einen Transistors (11) mit dem Eingang des Stromspiegels (1) und der Kollektor des anderen Transistors

130023/0019

(10) mit dem Ausgang des Stromspiegels (1) verbunden ist und daß an der Basis des einen Transistors (11) des emittergekoppelten Eingangstransistorpaares (10, 11) die Eingangsspannung und an der Basis des anderen Transistors (10) die Referenzspannung liegt.

7. Komparatorschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den zu den Emittern des emittergekoppelten Eingangstransistorpaares (10, 11) führende Leitungen Emitterwiderstände vorgesehen sind.

8. Komparatorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur rückwirkungsf.reien Auskoppelung des Ausgangssignals des Stromkomparators eine Auskoppelschaltung vorgesehen ist.

9· Komparatorschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskoppelschaltung als Auskoppel-Stromspiegel (23) ausgebildet ist, der über einen Emitterfolger (21) angesteuert wird.

10. Komparatorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (5) als emittergekoppeltes Transistorpaar (8, 9) ausgebildet ist, wobei mindestens ein Teilstrom des zweiten Transistors (9) auf

-H-130023/0019

■ "3 51"

' * " 29U657

den Eingang des Auskoppel-Stromspiegels (23) geführt wird.

11. Komparatorschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Stromspiegels (1) über eine Diode oder einen als Diode geschalteten Transistor (23) mit dem Eingang des Auskoppel-Stromspiegels (23) verbunden ist.

12. Komparatorschaltung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der als Eingangsdiode geschaltete Transistor (19) des Auskoppel-Stromspiegels (23) weggelassen wird.

13- Komparatorschaltung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (19-, 20) des Auskoppel-Stromspiegels (23) zum Zweck der Stromübersetzung unterschiedliche Geometrien·aufweisen.

130023/0019