DE3736379B4

DE3736379B4 - Gepulster Komparator hoher Verstärkung

Info

Publication number: DE3736379B4
Application number: DE3736379A
Authority: DE
Inventors: Kevin E. San Jose Brehmer; James B. Union City Wieser
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: National Semiconductor Corp
Priority date: 1986-11-14
Filing date: 1987-10-27
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2007-10-28
Also published as: US4717838A; GB8726332D0; GB2198304B; JPH01141411A; DE3736379A1; GB2198304A

Abstract

Gepulster Komparator hoher Verstärkung, mit folgenden Merkmalen:
eine Eingangsstufe (10, 12, 14, 16, 18, 20, 22), die eingangsseitig ein Differenzsignal empfängt und ein verstärktes Differenz-Ausgangssignal (bei E, F) abgibt, dessen Stromwert in Beziehung zu einer Spannungsdifferenz des Eingangssignals steht;
eine Stromspiegeleinrichtung (14, 24, 16, 26), die das Differenz-Ausgangssignal empfängt und ein entsprechendes Stromsignal erzeugt;
ein Zwischenspeicher (28, 30), der an ersten und zweiten Speichereingängen (A, B) das Stromsignal von der Stromspiegeleinrichtung empfängt,
eine Klemmeinrichtung (32, 34), die mit dem Zwischenspeicher (28, 30) verbunden ist und auf ein Strobesignal anspricht,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Eingangsstufe zwei zueinander parallele Kaskodenschaltungen umfaßt, nämlich
ein erstes Paar von in Kaskode angeordneten Transistoren (10, 20), und
ein zweites Paar von in Kaskode angeordneten Transistoren (12, 22),
dass ein gemeinsamer Stromzufuhrtransistor (18) vorgesehen ist, der zwischen einer positiven Versorgungsspannung (V_CC) und dem ersten bzw. zweiten Paar der...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen gepulsten Komparator (oder Vergleicher) hoher Verstärkung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem Komparator oder Vergleicher dieser Art ( DE 29 18 981 C2 ) ist als Zwischenspeicher eine bistabile Kippschaltung zur Speicherung nur der Information über die Polarität des Differenzeingangssignals zuständig, und diese Information wird bis zum Eintreffen eines nächsten Taktimpulses gespeichert. Wenn der Spannungsvergleich der an den Eingängen des Vergleichers angelegten Spannungen zu beliebigen Zeitpunkten erfolgen soll, kann es Schwierigkeiten mit der Abfrage des vergangenen Spannungsvergleichs geben.

Typische Probleme, die bei jeder Komparatorausbildung auftreten, betreffen die Umschaltgeschwindigkeit, das Versetzender Spannung, bezogen auf die Eingangsspannung und Rauschen sowie die Unterdrückung von Schwankungen der Stromversorgung.

Ein CMOS-Komparator hoher Impedanz, der dem Vergleicher nach der DE 29 18 981 C2 entspricht, ist in "A CMOS Pulse Density Modulator for High Resolution A/D Converters" von H.L. Fiedler und B. Hoefflinger, 1984, IEEE, beschrieben.

Bei dieser bekannten Schaltung ist der Eingang nicht als Kaskodenschaltung ausgebildet. Am Ausgang ist eine zweite Stromversorgungsschleife vorgesehen. Diese Charakteristiken tragen zur Kopplung mit der Stromversorgung sowie zur Miller-Rückkopplung zum Eingang hoher Impedanz bei. Diese beiden Effekte können zu einer unerwünschten Aufladung des Kondensators hoher Impedanz führen, der das Soll-Eingangssignal hält.

Die Erfindung wendet sich diesen Problemen der kapazitiven Kopplung und Unterdrückung von Stromversorgungsschwankungen mit Auswirkung auf den Komparatoreingang zu und stellt einen Komparator mit höherer Geschwindigkeit zur Verfügung. Ferner soll der Komparator mit Taktimpulsen betätigt werden können, die zu beliebig vorwählbaren Zeitpunkten anliegen.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 dazu angegebenen Merkmalen erklärt.

Der gepulste Komparator mit hoher Verstärkung nach der Erfindung ist bei Quellen hoher Eingangsimpedanz anwendbar, aber nicht auf diese beschränkt.

Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Komparator nach der Erfindung weist eingangsseitig eine Differenzstufe mit Kaskodeschaltung sowie mit Stromspiegel als Lasten auf. Die Gleich-Vorspannung für die Eingangsstufe mit Kaskodeschaltung wird durch eine Technik mit reproduzierbarer Vorspannung eingestellt. Die Lastelemente für die eingangsseitige Differenzstufe sind einfache Stromspiegel, die einen Satz kreuzgekoppelter Schaltungselemente treiben, die einen Zwischenspeicher bilden. Die hohe Verstärkung des Komparators wird in der zweiten Stufe realisiert. Das Differenz-Ausgangssignal des Komparators treibt einen zweiten Speicher. Dieser zweite Speicher mit kreuzgekoppelten Elementen speichert und hält die Komparatordaten, auch nachdem das Taktsignal die Daten am Differenzeingang zerstört.

In der Zeichnung ist ein Schaltbild einer Komparatorkonstruktion nach der Erfindung dargestellt.
Die Zeichnung zeigt einen gepulsten CMOS-Komparator hoher Eingangsimpedanz nach der Erfindung.
Der Komparator nach der Erfindung ist als Teil eines A/D-Konverters dargestellt, bei dem das Eingangssignal auf einem Kondensator gespeichert und an den Komparator angelegt wird. Diese Komparatorkonstruktion ist nicht auf Eingangsquellen hoher Impedanz oder Anwendungen im A/D-Konvertern beschränkt, hat jedoch spezielle Anwendung in dieser empfindlichen Konstruktion.
Der Komparator kann mit irgendeinem der CMOS-Prozesse implementiert werden, einschließlich als standardmäßiges oder invertiertes CMOS, Metall-Gate-CMOS und Einzel- oder Doppel-Poly-Gate-CMOS.
Die Eingangsstufe des Komparators ist eine Differenz- Verstärker-Stufe mit Transistoren 10, 12, 14, 16 und 18. Die Transistoren 10 und 12 bilden, zusammen mit korrespondierenden Kaskode-Schaltungselementen 20 und 22, ein Eingangs-Differenz-Paar. Die Transistoren 14 und 16 stellen die Lasten für die Differenz-Verstärker-Stufe dar und bilden eine Hälfte einer Stromspiegelschaltung, die die zweite Stufe treibt. Der Transistor 18 liefert Strom für die Differenzverstärkerstufe.
Stromspiegel, bestehend aus Transistoren 14 und 24 bzw. 16 und 26, übersetzen eine Spannungsdifferenz im Strom, die von der Eingangs-Differenz-Stufe aufgrund einer Differenz in der Spannung an den Gates der Transistoren 10 und 12 geliefert wird. Diese Stromdifferenz wird an einen Zwischenspeicher mit kreuzgekoppelten Elementen hoher Eingangsimpedanz angelegt, die aus Transistoren 28 und 30 bestehen. Der Zwischenspeicher mit kreuzgekoppelten Elementen nutzt positive Rückkopplung, um die Spannungsdifferenz an Knoten A und B zu erhöhen, die aufgrund der anfänglichen Stromdifferenz auftritt. Der größte Teil der Komparatorverstärkung kommt von diesem Zwischenspeicher zweiter Stufe. Wenn der Zwischenspeicher einmal ausgelöst ist, bleiben die Ausgänge, d. h. die Knoten A und B, an den Versorgungsspannungen, bis die unten beschriebenen Klemm-Schaltungselemente die positive Rückkopplung vom Zwischenspeicher wegnehmen.
Die Transistoren 32 und 34 sind Klemm-Schaltungselemente, die die positive Rückkopplung vom Zwischenspeicher wegnehmen und den Komparator für einen zukünftigen Vergleich vorbereiten. Die positive Rückkopplung wird weggenommen, wenn ein niedriger logischer Pegel an die Gates der Transistoren 32 und 34 angelegt wird, so daß diese Schaltungselemente eingeschaltet werden und die Knoten A und B auf V_CC gezwungen werden. Der Komparator bleibt im geklemmten Zustand, bis sich das Eingangssignal für den nächsten Vergleich aufgebaut hat. Dann werden die Klemmen ausgeschaltet, und der Komparator speichert das Resultat des neuen Eingangsvergleichs.
Wenn einmal der Komparator in den geklemmten Zustand eintritt, werden die im Komparator-Zwischenspeicher gespeicherten Daten zerstört. Es wird deshalb ein zweiter Zwischenspeicher benötigt, um die Komparatorresultate zu speichern, nachdem der Komparator in den geklemmten Zustand gebracht ist. Dieser zweite Zwischenspeicher besteht aus Invertern 36 und 38 und kreuzgekoppelten NOR-Gattern 40 und 42.
Der Vorspannungserzeuger für den Komparator erfordert, daß eine Stromquelle von Knoten C mit V_SS verbunden wird. Die Transistoren 44, 46 und 48 bilden einen MOS-Wilson-Stromspiegel, der eine Vorspannung am Knoten D zur weiteren Strom-Vorspannung einstellt und I_REF in einen als Diode geschalteten Transistor 50 reflektiert. Die Transistoren 50 und 52 bilden einen einfachen Stromspiegel, der I_REF in Transistoren 54 und 58 reflektiert und gleich dem vom Transistor 60 gelieferten Strom ist. Wenn irgendeine Strom-Fehlanpassung zwischen dem Strom besteht, den der Transistor 60 liefern kann, und dem, den die zweite Wilson-Stromquelle ableiten kann, erscheint dieser als Masse-Strom an den Sourcen der Transistoren 54 und 58.
Eine Replikations-Vorspannungstechnik wird dazu verwendet, die Eingangs-Kaskode-Schaltungselemente präzise vorzuspannen. Transistoren 54, 62 und 60 replizieren die Stromdichten der Transistoren 20, 10 bzw. 18 der Komparator-Eingangsstufe und stellen die Vorspannungsbedingungen für die Komparator-Eingangsstufen-Schaltungselemente ein. Der Transistor 62 stellt am Transistor 10 eine Vorspannungsbedingung in der Weise ein, daß dieser als Diode geschaltet erscheint, unter der Annahme, daß das Gate des Schaltungselementes 10 auf Masse liegt. Das wird dadurch erreicht, daß Transistor 62 als Diode geschaltet wird, d. h. das Gate ist mit dem Drain verbunden, wobei die Gate-Drain-Verbindung auf Masse liegt, und dadurch, daß die Stromdichten der Transistoren 54 und 20 gleich gehalten werden. Die Diodenschaltung des Transistors 54 sorgt dafür, daß die Vorspannung für die Kaskode-Schaltungselemente 20 und 22 etwas größer als ein Schwellwert unterhalb von Masse ist. Die Substrate der Schaltungselemente 54 und 58 sind gemeinsam am Schaltungselement 62 angeschlossen, um die Substrat-Verbindungen der Komporator-Schaltungselemente 20 und 22 exakt nachzuahmen.
Erfindungsgemäß werden also die Kaskode-Schaltungselemente 20 und 22 in der Eingangsstufe dazu verwendet, die Auswirkungen von Stromversorgungsschwankungen infolge V_SS zu unterdrücken und die Miller-Rückkopplungseffekte am kapazitiven Eingang hoher Impedanz des Komparators zu reduzieren. Die Knoten E und F der Komparator-Eingangsstufe folgen allen Variationen der negativen Versorgungsspannung V_SS. Ohne die Eingangs-Kaskode-Schaltungselemente 20 und 22 würden Stromversorgungsschwankungen, die am Knoten E erscheinen, kapazitiv in den Eingang über die Gate-Drain-Kapazität C_gdl des Schaltungselementes 10 einkoppeln. Diese unerwünschte Stromversorgungskopplung zum Eingang könnte groß genug sein, um den Wert des gewünschten Eingangssignals zu ändern und Fehler in den Komparatorausgangsdaten zu verursachen. Durch Hinzufügen der Eingangs-Kaskode-Schaltungselemente 20 und 22 werden irgendwelche direkten, an den Knoten E und F auftretenden Stromversorgungsschwankungen an den Knoten G und H stark gedämpft und werden am Eingang weiter gedämpft.
Der Miller-Rückkopplungs-Effekt wird ebenfalls stark gedämpft, wenn die Eingangs-Kaskode-Schaltungselemente 20 und 22 in der Eingangsstufe vorgesehen sind. Diese Kaskode-Schaltungselemente 20 und 22 sorgen für eine Quelle niedriger Impedanz zum Drain des Schaltungselementes 10, so daß die Verstärkung vom Eingang zum Drain des Schaltungselementes 10 gedämpft wird.
Ohne die Kaskode-Schaltungselemente 20 und 22 würde die Verstärkung zum Drain des Schaltungselementes 10 wesentlich größer sein, und deshalb würde der Betrag der Kopplung zurück zum Eingang über C_gdl größer sein, so daß effektiv die Komparatorverstärkung mit Quellen hoher Impedanz reduziert wurde.
Die Schaltgeschwindigkeit wird dadurch verbessert, daß eine einzige Stromverstärkungsstufe verwendet wird, die einen Zwischenspeicher mit kreuzgekoppelten Elementen hoher Impedanz treibt. Die Dioden in der Eingangsstufe verhindern, daß die Drain-Source-Spannung an den Kaskode-Schaltungselementen 20 und 22 kollabiert, und verhindern, daß die Spannung der Gates der Schaltungselemente 24 und 26 auf die negative Versorgungsspannung V_SS kollabiert, wenn ein starkes Eingangssignals angelegt wird.
Die Verhinderung eines Schaltungselement-Kollapses beschleunigt die Komparator-Wiedererholzeit nach Anlegen eines starken Eingangssignals. Das Klemmen der Ausgänge des Zwischenspeichers auf V_CC beschleunigt die Vorbereitungszeit des Komparators vor dem nächsten Vergleich.
Die obige Beschreibung ist auf eine Komparator- Konstruktion unter Verwendung eines CMOS-Prozesses mit N^--Quelle konzentriert. Die gleiche Konstruktion kann auch in einem Prozeß mit P^--Quelle implementiert werden, indem einfach die Leitfähigkeitstypen der einzelnen Schaltungselemente umgekehrt werden.

Claims

Gepulster Komparator hoher Verstärkung, mit folgenden Merkmalen: eine Eingangsstufe (10, 12, 14, 16, 18, 20, 22), die eingangsseitig ein Differenzsignal empfängt und ein verstärktes Differenz-Ausgangssignal (bei E, F) abgibt, dessen Stromwert in Beziehung zu einer Spannungsdifferenz des Eingangssignals steht; eine Stromspiegeleinrichtung (14, 24, 16, 26), die das Differenz-Ausgangssignal empfängt und ein entsprechendes Stromsignal erzeugt; ein Zwischenspeicher (28, 30), der an ersten und zweiten Speichereingängen (A, B) das Stromsignal von der Stromspiegeleinrichtung empfängt, eine Klemmeinrichtung (32, 34), die mit dem Zwischenspeicher (28, 30) verbunden ist und auf ein Strobesignal anspricht, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsstufe zwei zueinander parallele Kaskodenschaltungen umfaßt, nämlich ein erstes Paar von in Kaskode angeordneten Transistoren (10, 20), und ein zweites Paar von in Kaskode angeordneten Transistoren (12, 22), dass ein gemeinsamer Stromzufuhrtransistor (18) vorgesehen ist, der zwischen einer positiven Versorgungsspannung (V_CC) und dem ersten bzw. zweiten Paar der in Kaskode angeordneten Transistoren (10, 20; 12, 22) geschaltet ist, um diesen Strom zuzuführen; dass ein erster Lasttransistor (14) zwischen einem Ausgangsschaltungspunkt (E) des ersten Paars der in Kaskode angeordneten Transistoren (10, 20) und einer negativen Versorgungsspannung (V_SS) gelegen ist; und dass ein zweiter Lasttransistor (16) zwischen einem Ausgangsschaltpunkt (F) des zweiten Paares der in Kaskode angeordneten Transistoren (12, 22) und der negativen Versorgungsspannung (V_SS) gelegen ist. dass der Zwischenspeicher (28, 30) als Einrichtung zur Bildung eines positiven Rückkopplungssignals zu den ersten und zweiten Speichereingängen (A, B) ausgebildet ist, so dass der Zwischenspeicher (28, 30) eine Differenz-Ausgangsspannung liefert, die über die Spannungsdifferenz an den ersten und zweiten Speichereingängen (A, B) hinaus verstärkt wird, dass eine Speichereinrichtung (36, 38, 40, 42) vorgesehen ist, die die von dem Zwischenspeicher (28, 30) empfangene Differenz-Ausgangsspannung speichert, und dass die Klemmeinrichtung (32, 34) so angeschlossen ist, um das positive Rückkopplungssignal von dem Zwischenspeicher (28, 30) wegzunehmen, so dass die Differenz-Ausgangsspannung vom Zwischenspeicher entfernt wird, um diesen zum Empfang eines nachfolgenden Stromsignals von der Stromspiegeleinrichtung (14, 24, 16, 26) vorzubereiten.
Komparator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromspiegeleinrichtung einen ersten Stromspiegel (14, 24) und einen zweiten Stromspiegel (16, 26) umfaßt, dass der erste Stromspiegel (14, 24) den ersten Lasttransistor (14) und einen ersten Stromspiegeltransistor (24) umfaßt, wobei der erste Lasttransistor (14) und der erste Stromspiegeltransistor (24) ein gemeinsames Gate aufweisen, das zum Empfang des Ausgangssignals des ersten Paares der in Kaskode angeordneten Transistoren (10, 20) geschaltet ist, dass das Ausgangssignal des ersten Stromspiegels (14, 24) mit dem ersten Eingang (A) des Zwischenspeichers (28, 30) verbunden ist, dass der zweite Stromspiegel (16, 26) den zweiten Lasttransistor (16) und einen zweiten Stromspiegeltransistor (26) umfaßt, wobei der zweite Lasttransistor (16) und der zweite Stromspiegeltransistor (26) ein gemeinsames Gate aufweisen, das zum Empfang des Ausgangssignals des zweiten Paares der in Kaskode angeordneten Transistoren (12, 22) geschaltet ist, und dass das Ausgangssignal des zweiten Stromspiegels mit dem zweiten Eingang (B) des Zwischenspeichers (28, 30) verbunden ist.
Komparator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenspeicher einen ersten und einen zweiten Feldeffekttransistor (28, 30) umfaßt, die jeweils eine mit der positiven Versorgungsspannung (V_CC) verbundene Source, ein Drain und ein Gate umfassen, wobei das Drain des ersten Feldeffekttransistors (30) mit dem Ausgang (A) eines ersten Stromspiegels (14, 24) der Stromspiegeleinrichtung verbunden ist, und das Gate dieses Feldeffekttransistors (30) sowohl mit dem Ausgang (B) eines zweiten Stromspiegels (16, 26) der Stromspiegeleinrichtung als auch mit einem ersten Eingang (36) der Speichereinrichtung (36, 38, 40, 42) verbunden ist, und dass das Drain des zweiten Feldeffekttransistors (28) mit dem Ausgang (8) des zweiten Stromspiegels (16, 26) verbunden und das Gate dieses Feldeffekttransistors (28) gemeinsam mit dem Ausgang (A) des ersten Stromspiegels und mit einem zweiten Eingang (38) der Speichereinrichtung (36, 38, 40, 42) in Verbindung steht.
Komparator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmeinrichtung einen ersten Klemm-FET (34) und einen zweiten Klemm-FET (32) umfaßt, deren jeweilige Source mit der positiven Versorgungsspannung (V_CC) verbunden und deren Gate zum Empfang des Taktsignals geschaltet sind, wobei das Drain des ersten Klemm-FET (34) mit dem Drain des ersten Feldeffekttransistors (24) und das Drain des zweiten Klemm-FET (32) mit dem Drain des zweiten Feldeffekttransistors (26) verbunden sind.
Komparator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinrichtung folgende Bauteile umfaßt: einen ersten Inverter (38), dessen Eingang mit dem ersten Eingang (A) des Zwischenspeichers (28, 30) verbunden ist; ein erstes NOR-Gatter (42), welches ein erstes Eingangssignal von dem Ausgang des ersten Inverters (38) und ein zweites Eingangssignal von dem Ausgang eines zweiten NOR-Gatters (40) empfängt; einen zweiten Inverter (36), dessen Eingang mit dem zweiten Eingang (B) des Zwischenspeichers (28, 30) verbunden ist; und ein zweites NOR-Gatter (40), welches ein erstes Eingangssignal vom Ausgang des zweiten Inverters (36) und ein zweites Eingangssignal vom Ausgang des ersten NOR-Gatters (42) empfängt.
Komparator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Replikations-Vorspannungseinrichtungen (44 bis 62) vorgesehen sind, die mit dem ersten und zweiten Paar der in Kaskode angeordneten Transistoren (10, 20; 12, 22) und mit dem Stromzuführungstransistor (18) verbunden sind, um deren Stromdichten zu replizieren.