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JP2004194124A - Hysteresis comparator circuit - Google Patents

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JP2004194124A
JP2004194124A JP2002361385A JP2002361385A JP2004194124A JP 2004194124 A JP2004194124 A JP 2004194124A JP 2002361385 A JP2002361385 A JP 2002361385A JP 2002361385 A JP2002361385 A JP 2002361385A JP 2004194124 A JP2004194124 A JP 2004194124A
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switch
differential pair
mos transistor
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resistor
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Yoshihiro Shinno
芳浩 新野
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Asahi Kasei Microsystems Co Ltd
Asahi Kasei Microdevices Corp
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Asahi Kasei Microsystems Co Ltd
Asahi Kasei Microdevices Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To create a hysteresis comparator circuit capable of adjusting a hysteresis width of high precision without being affected by a power source voltage and requiring a large resistance ratio. <P>SOLUTION: By serially connecting a circuitry consisting of resistors 13 and 14 and switches 5 and 6 for short-circuiting both ends of the resistors to each circuit of a differential pair and controlling them on the basis of comparator output signals Vp and Vo, the hysteresis width is adjusted. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はヒステリシス付きコンパレータ回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図10は、従来のヒステリシスコンパレータを示す(特開2002−135090号公報の図1、図2参照)。
【0003】
1は入力抵抗Ri、2は帰還抵抗Rfである。Vaは入力信号、Vbは基準電圧である。VOHは出力のHighレベルであり、ほぼ電源電圧Vddである。VOLは出力のlowレベルであり、グランド電圧Vssである。非反転である出力を入力端子に帰還して、コンパレータ動作を実現している。コンパレータ回路は、一方の入力端子に印加された入力電位を他方の入力端子に印加された基準電位と比較して、比較結果に応じた出力を発生する。抵抗Ri,Rfにより、ヒステリシス特性を得ることができる。
【0004】
図11は、ヒステリシス特性を示す。
【0005】
ヒステリシスコンパレータの出力がHigh→Lowへと変化する場合、入力電圧は、次式で示すことができる。
Va(H→L)={Ri(Vb−VOH)+Rf・Vb}/Rf …(1)
【0006】
また、このコンパレータ出力がLow→Highへと変化する場合、入力電圧は、次式で示すことができる。
Va(L→H)={Ri(Vb−VOL)+Rf・Vb}/Rf …(2)
【0007】
従って、ヒステリシス幅は、上記(1)式と(2)式との差で表されるため、次式で表される。
Va(L→H)−Va(H→L)=(VOH−VOL)×(Ri/Rf)…(3)
【0008】
【特許文献1】
特開2002−135090号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、(3)式に示すように、ヒステリシス幅は、電源電圧(VOH,VOL)に依存しているため、電源電圧が変動するとヒステリシス幅も変動するという問題がある。また、ヒステリシス幅を小さくする必要があるときは、Rf,Riの比を大きくとる必要がある。
【0010】
例えば、Vdd=5Vでヒステリシス幅を10mVにしようとすると、
Ri:Rf=1:500
にする必要がある。
【0011】
従って、Ri=200Ωとすれば、Rfは100kΩの大きな抵抗が必要になり、その結果、回路のレイアウト面積が大きくなってしまう。
【0012】
このようにレイアウト面積が大きくなると、製造プロセスがばらつくことになり、これに付随してRiとRfの比もばらつくことになる。
【0013】
RiとRfの比がばらつくと、その比に依存するヒステリシス幅もそのばらつきの影響を受けてしまい、ひいては高精度な調整を行うことができないという問題がある。
【0014】
そこで、本発明の目的は、電源電圧の影響を受けることなく、大きな抵抗比を必要とせずに、ヒステリシス幅を調整可能なヒステリシスコンパレータ回路を提供することにある。
【0015】
また、本発明の他の目的は、高精度なヒステリシス特性を得ると共に、小型で安価なヒステリシスコンパレータ回路を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明は、差動対の一方の入力端子に入力される入力信号と該差動対の他方の入力端子に入力される基準となる基準信号とを比較し、該比較結果を出力段から出力信号として出力するヒステリシスコンパレータ回路であって、前記差動対が電流源に接続される共通接続点の共通電位と、前記差動対の一方の入力端子の電位との間の電位差を変化させる第1の電位差可変手段と、前記共通接続点の共通電位と、前記差動対の他方の入力端子の電位との間の電位差を変化させる第2の電位差可変手段と、前記各電位差が互いに異なるように、前記出力段から出力される出力信号に基づいて、前記第1の電位差可変手段および前記第2の電位差可変手段を制御する制御手段とを具えることによって、ヒステリシスコンパレータ回路を構成する。
【0017】
ここで、前記第1および第2の電位差可変手段は、前記出力段から出力される出力信号に基づいて前記各電位差を変化させるスイッチ機能を有し、かつ、前記差動対を構成する各回路に対して直列又は並列に接続してもよい。
【0018】
前記差動対は、第1および第2のMOSトランジスタを有し、前記差動対の一方の入力端子は前記第1のMOSトランジスタのゲートであり、前記差動対の他方の入力端子は前記第2のMOSトランジスタのゲートであり、前記第1の電位差可変手段は、第1の抵抗器と第1のスイッチとを有し、前記第2の電位差可変手段は、第2の抵抗器と第2のスイッチとを有し、ここで、前記第1の抵抗器は前記第1のMOSトランジスタのソースと前記差動対に所定の電流を供給する前記電流源との間に直列に接続し、前記第1のスイッチは前記第1の抵抗器の両端を短絡するように前記第1の抵抗器に並列に接続し、前記第2の抵抗器は前記第2のMOSトランジスタのソースと前記電流源との間に直列に接続し、前記第2のスイッチは前記第2の抵抗器の両端を短絡するように前記第2の抵抗器に並列に接続してもよい。
【0019】
前記第1および第2のスイッチは、前記出力段から出力される出力信号に基づいてオンまたはオフし、前記第1のスイッチがオンであるならば前記第2のスイッチはオフし、前記第1のスイッチがオフであるならば前記第2のスイッチはオンしてもよい。
【0020】
前記第1および第2の抵抗器は、可変抵抗器としてもよい。
【0021】
前記差動対に所定の電流を供給する前記電流源は、電圧源および第3の抵抗器を有し、前記電圧源から供給される電圧に応じて前記第3の抵抗器に流れる電流に比例する電流を発生してもよい。
【0022】
前記差動対は、第1、第2、第3および第4のMOSトランジスタを有し、前記第1のMOSトランジスタと前記第2のMOSトランジスタとは並列に接続し、前記差動対の一方の入力端子は共通接続された前記第1および第2のMOSトランジスタのゲートであり、前記第3のMOSトランジスタと前記第4のMOSトランジスタとは並列に接続し、前記差動対の他方の入力端子は共通接続された前記第3および第4のMOSトランジスタのゲートであり、前記差動対に所定の電流を供給する前記電流源は、前記第1、第2、第3および第4のMOSトランジスタの各ソースに接続し、前記第1の電位差可変手段は、第1のスイッチを有し、前記第2の電位差可変手段は、第2のスイッチを有し、ここで、前記第1のスイッチは前記電流源から前記第2のMOSトランジスタに供給される電流を遮断するように前記第2のMOSトランジスタに直列に接続し、前記第2のスイッチは前記電流源から前記第3のMOSトランジスタに供給される電流を遮断するように前記第3のMOSトランジスタに直列に接続してもよい。
【0023】
前記第1および第2のスイッチは、前記出力段から出力される出力信号に基づいてオン又はオフし、前記第1のスイッチがオンであるならば前記第2のスイッチはオフし、前記第1のスイッチがオフであるならば前記第2のスイッチはオンしてもよい。
【0024】
前記差動対は、第1、第2、第3および第4のMOSトランジスタを有し、前記第1のMOSトランジスタと前記第2のMOSトランジスタとは直列に接続し、前記差動対の一方の入力端子は共通接続された前記第1および第2のMOSトランジスタのゲートであり、前記第3のMOSトランジスタと前記第4のMOSトランジスタとは直列に接続し、前記差動対の他方の入力端子は共通接続された前記第3および第4のMOSトランジスタのゲートであり、前記差動対に所定の電流を供給する前記電流源は、前記第2および第3のMOSトランジスタの各ソースに接続し、前記第1の電位差可変手段は、第1のスイッチを有し、前記第2の電位差可変手段は、第2のスイッチを有し、ここで、前記第1のスイッチは前記第1または第2のMOSトランジスタのソースとドレインとを短絡するように並列に接続し、前記第2のスイッチは前記第3又は第4のMOSトランジスタのソースとドレインとを短絡するように並列に接続してもよい。
【0025】
前記第1および第2のスイッチは、前記出力段から出力される出力信号に基づいてオン又はオフし、前記第1のスイッチがオンであるならば前記第2のスイッチはオフし、前記第1のスイッチがオフであるならば前記第2のスイッチはオンしてもよい。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
[第1の例]
本発明の第1の実施の形態である、ヒステリシスコンパレータ回路を、図1〜図3に基づいて説明する。
(概要)
まず、本発明の概要について説明する。
本発明に係るヒステリシスコンパレータ回路は、例えば、図1の回路に示すように、差動入力段(差動アンプ)100と、該差動入力段100に接続され出力信号Voを出力する出力段200とに大別され、以下に述べるような第1および第2の電位差可変手段と、制御手段とを有することに特徴がある。
【0027】
第1の電位差可変手段は、出力段200から出力される出力信号Voに基づいて、差動対110が電流源300に接続される共通接続点20の共通電位Vmと、差動対110の一方の入力端子111に入力される入力信号の電位Vaとの間の電位差を変化させる機能をもつ。
【0028】
第2の電位差可変手段は、共通接続点20の共通電位Vmと、差動対110の他方の入力端子112に入力される基準信号の基準電位Vbとの間の電位差を変化させる機能をもつ。
【0029】
この場合、第1および第2の電位差可変手段の具体的な構成としては、例えば、出力段200の出力結果に基づいて、上記各電位差が変化するような機能(抵抗器とスイッチとの組み合わせ回路や、動作制御用端子をもつMOSトランジスタ等)として構成してもよい。回路の接続構成は、差動対110の各回路に対して直列又は並列に接続してもよい。
【0030】
制御手段は、第1および第2の電位差可変機能により発生した各電位差が互いに異なる値となるように、出力段200の出力結果に基づいて制御する機能をもつ。この場合、制御回路の具体的な構成としては、例えば、直接接続されたインバータ11,12として構成してもよい。
【0031】
(具体例)
以下、具体例を挙げて説明する。
図1は、本発明に係るヒステリシスコンパレータ回路の構成例を示す。
【0032】
本例では、第1および第2の電位差可変手段を抵抗器とスイッチとの組み合わせ回路により構成し、これら可変手段を差動対110の各回路(NMOSFET1,2)に対して直列に接続して構成した場合の例について説明する。
【0033】
<構成>
図1において、本回路は、差動入力段100と、出力段200とからなる。
【0034】
差動入力段100は、差動対110と、該差動対110に接続され所定の電流を供給する電流源300とを有する。
【0035】
差動対110は、入力電圧Vaが印加されるNMOSFET1と、基準電位Vbが印加されるNMOSFET2とから構成される。
【0036】
差動入力段100の出力Vcは、PMOSFET9と電流源であるNMOSFET10とから構成される出力段(増幅段)により反転され、さらにインバータ11および12を介して出力される。インバータ11の出力はVp、インバータ12の出力は出力信号Voである。
【0037】
また、差動入力段100は、PMOSFET3,4で構成されるカレントミラー回路を含んでいる。
【0038】
さらに、差動対110としてのNMOSFET1,2のソースS側にはそれぞれ直列に抵抗器13,14が接続され、その抵抗器13,14の両端にスイッチ5,6が接続されている。これにより、スイッチ5,6が、抵抗器13,14の両者間の開閉動作をそれぞれ行うようになっている。すなわち、ここでは、抵抗器13,14と、スイッチ5,6とによって、第1および第2の電位差可変手段を構成している。
【0039】
スイッチ5,6は、例えば、NMOSFET又はPMOSFETで構成されてもよい。このMOSFET構成の場合は、ソースS〜ドレインDの経路が抵抗器13,14の両端に設けられ、ゲートGに出力段200からの信号が印加されて、開閉動作を行う。すなわち、ここでは、インバータ11の出力Vpがスイッチ5のゲートGに印加され、インバータ12の出力信号Voがスイッチ6のゲートGに印加される。すなわち、ここでは、インバータ11,12によって、第1および第2の電位差可変手段を制御する制御手段を構成している。
【0040】
また、抵抗器13,14の他方の端子側同士が共通接続点20で接続され、さらに、共通接続点20は定電流源300の一部であるNMOSFET8のドレインD側に接続されている。NMOSFET7,8,10はカレントミラー回路を構成し、NMOSFET7はそのドレインD側が電流源15に接続されている。
【0041】
<動作>
次に、ヒステリシスコンパレータ回路の動作について説明する。
【0042】
図1において、本回路は、差動対110の一方の入力端子111に入力される入力信号Vaと該差動対110の他方の入力端子112に入力される基準となる基準信号Vbとを比較し、該比較結果を差動入力段100に接続された出力段200から出力信号Voとして出力する。
(入力電圧:Va≫Vb)
初期状態として、入力電圧Vaが基準電圧Vbよりも十分高くなっている場合(Va≫Vb)について考える。
【0043】
Va≫Vbのとき、NMOSFET1のドレインD側はLレベル→NMOSFET2のドレインD側はHレベル→PMOSFET9のドレインD側はLレベルとなる。これにより、インバータ11の出力値である電位VpはVddレベル(Hレベル)となり、さらにインバータ12を介した出力端子130の出力信号の電位VoはVssレベル(Lレベル)となる。
【0044】
このとき、スイッチ5,6は、出力段200の電位Vp,Voの値に応じて開閉動作する。すなわち、スイッチ5は、電位VpがHレベル状態であるため閉じて、抵抗器13を短絡する。一方、スイッチ6は、電位VoがLレベル状態であるため動作せずに開き、抵抗器14(抵抗値R)を短絡しない。この場合、スイッチ5,6は、NMOSFETである。
【0045】
そして、抵抗器14と差動対110の片側のNMOSFET2とを流れる電流をIとすると、差動対110を構成するNMOSFET2のソースS側の電位V2は、NMOSFET1のソースS側の電位V1と比べて、I×Rの電位だけ高くなっている。
【0046】
そのため、図2に示すように、出力電圧VoをVssレベル(Lレベル)からVddレベル(Hレベル)に変化するには、入力電圧Vaは次式で表される。
Va(H→L)=Vb−I×R …(4)
【0047】
(入力電圧:Va≪Vb)
次に、初期状態として、入力電圧Vaが基準電圧Vbよりも十分低い場合(Va≪Vb)について考える。
【0048】
Va≪Vbのとき、NMOSFET1のドレインD側はHレベル→NMOSFET2のドレインD側はLレベル→PMOSFET9のドレインD側はHレベルとなる。これにより、インバータ11の出力であるVd電位はVssレベル(Lレベル)となり、さらにインバータ12を介した出力端子130の出力電位はVddレベル(Hレベル)となる。
【0049】
このとき、スイッチ5,6は、出力段200の電位Vp,Voの値に応じて開閉動作する。すなわち、スイッチ5は、電位VpがLレベル状態であるため動作せずに開いて、抵抗器13(抵抗値R)を短絡しない。一方、スイッチ6は、電位VoがHレベル状態であるため閉じて、抵抗器14を短絡する。
【0050】
そして、抵抗器13と差動対110の片側のNMOSFET1とを流れる電流をIとすると、差動対110を構成するNMOSFET1のソースS側の電位V1は、NMOSFET2のソースS側の電位V2と比べて、I×Rの電位だけ高くなっている。
【0051】
そのため、図2に示すように、出力電圧VoをVddレベル(Hレベル)からVssレベル(Lレベル)に変化するには、入力電圧Vaは次式で表される。
Va(L→H)=I×R+Vb …(5)
【0052】
これにより、ヒステリシス幅は、(4)、(5)式の差で表され、次式となる。
Va(L→H)−Va(H→L)=2×I×R …(6)
ただし、I=I=Iとする。
【0053】
従って、ヒステリシス幅は、抵抗値Rと、差動対の片側のMOSFETに流れる電流値Iとによって決定されることになり、電源電圧には依存しない。
【0054】
例えば、I=10μA、R=1kΩの場合にはヒステリシス幅は20mVとなり、R=10kΩの場合にはヒステリシス幅は200mVとなる。
Vdd=5Vで10mVのヒステリシス幅が必要なとき、I=50μAとし、R=100Ωとすればよい。
このように電流値Iを調節することにより、抵抗も小さくすることができる。
【0055】
また、抵抗器13,14の抵抗値Rを変えることにより、ヒステリシス幅を変えることができる。なお、基準電圧をVa側に入力した場合も同様である。
【0056】
(ヒステリシス幅の調整)
次に、ヒステリシス幅を調整する別の方法を、電流源15を用いて説明する。
図3は、本回路に用いられる電流源15の構成例を示す。
【0057】
30は、NMOSFET31のゲートGに接続されたアンプである。Vinは、基準電圧Vrefを入力するためのアンプ30の基準電圧入力端子である。Ioutは、出力電流iを出力するための出力電流端子である。
【0058】
ここで、出力電流iは、次式で表される。
i=Vref/R’ …(7)
【0059】
抵抗値34(抵抗値R’)は、LSIにおいては通常ポリシリコン又は拡散層によって形成されることが多い。抵抗値R’は、高温側で抵抗値が大きくなるという挙動を示す。
【0060】
従って、例えば、出力電流iは高温側では減少、低温側で増加することになるが、このような温度特性を有する電流源を図1のヒステリシスコンパレータ回路の電流源15として用い、さらに、図3の抵抗器34と同じ材質で図1の抵抗器13,14を製造し、図1の本回路内の抵抗値をRとした場合のヒステリシス幅は、(6),(7)式より、次式で表される。
ヒステリシス幅=Vref×(R/R’) …(8)
【0061】
従って、(8)式より、ヒステリシス幅は、基準電圧Vrefと、抵抗R,R’の抵抗比とによって決定されるため、温度による抵抗器の抵抗値の変動がキャンセルされ、所望のヒステリシス幅を全温度範囲に渡って一定にすることができる。
【0062】
また、Vref電圧を変化させることにより、ヒステリシス幅を可変とすることが可能である。
【0063】
さらに、電流源15の抵抗器の抵抗R’又はRを変化させることにより、ヒステリシス幅を可変とすることも可能である。
【0064】
[第2の例]
次に、本発明の第2の実施の形態を、図4に基づいて説明する。なお、前述した第1の例と同一部分についてはその説明を省略し、同一符号を付す。
【0065】
本例は、前述した第1の例の変形例を示すものであり、第1および第2の電位差可変手段の構成内容を変えた場合の例である。
【0066】
第1の電位差可変手段は、例えば、スイッチ40,41と、直列接続された3つの抵抗50(R1,R2,R3)とから構成され、差動対110の一方の回路を構成するNMOSFET1のソースS側に直列に接続されている。
【0067】
第2の電位差可変手段は、例えば、スイッチ42,43と、直列接続された3つの抵抗51(R1,R2,R3)とから構成される。差動対110の他方の回路を構成するNMOSFET2のソースS側に直列に接続されている。
【0068】
スイッチ40,42は、スイッチ5,6と同様にMOSトランジスタ等を用いて構成される。スイッチ40はインバータ11の出力値である電位Vpが印加され、スイッチ42はインバータ12の出力値である電位Voが印加される。
【0069】
スイッチ41,43は、MOSトランジスタにより同様に構成してもよく、外部からヒステリシス幅調整用の調整信号Vhを入力することによって、スイッチをオン・オフし、これにより抵抗値を可変するような構成にする。なお、抵抗、スイッチの数は何個でもよく、抵抗値を可変にするような構成ならばよい。
【0070】
以上のような回路構成により、差動対110の片側に流れる電流値I,Iは、差動対110の電流源300により制御され、NMOSFET7,8は、カレントミラー回路であるためNMOSFET7に流す電流源15の電流値を制御する、すなわち、NMOSFET7,8のサイズを変えることにより、ヒステリシス幅を調節することができる。
【0071】
従って、複数の抵抗値50,51を用いてスイッチ41,43で切り替えることにより、ヒステリシス幅をより一段と広範囲に渡って容易に可変することが可能となる。
【0072】
[第3の例]
次に、本発明の第3の実施の形態を、図5〜図7に基づいて説明する。なお、前述した各例と同一部分についてはその説明を省略し、同一符号を付す。
【0073】
本例は、第1および第2の電位差可変手段をMOSトランジスタにより構成し、該可変手段を差動対110の各回路に対して並列に接続して構成した場合の例である。
【0074】
<構成>
本回路の構成について説明する。
【0075】
第1の電位差可変手段は、NMOSFET61と、スイッチ62(MOSトランジスタ等からなる)とが直列接続された回路60から構成される。この回路60は、差動対110の一方の回路を構成するNMOSFET1のドレインD−ソースS間で並列に接続されている。また、NMOSFET61は、差動対110を構成するNMOSFET1の一部でもある。
【0076】
第2の電位差可変手段は、NMOSFET71と、スイッチ72(MOSトランジスタ等からなる)とが直列接続された回路70から構成される。この回路70は、差動対110の他方の回路を構成するNMOSFET2のドレインD−ソースS間で並列に接続されている。また、NMOSFET71は、差動対110を構成するNMOSFET2の一部でもある。
【0077】
つまり、差動対110は、4つのNMOSトランジスタ1,2,61,71を有している。NMOSFET1とNMOSFET61とは並列に接続され、差動対110の一方の入力端子111は共通接続されたNMOSFET1,61のゲートと接続されている。NMOSFET2とNMOSFET71とは並列に接続され、差動対110の他方の入力端子112は共通接続されたNMOSFET2,72のゲートとなっている。
【0078】
差動対110に所定の電流を供給する電流源300を構成するNMOSFET8は、NMOSFET1,61,2,71の各ソースに共通接続点20(共通電位Vm)を介して接続されている。
【0079】
スイッチ62は、電流源300からNMOSFET61に供給される電流を遮断するようにそのNMOSFET61に直列に接続されている。スイッチ72は、電流源300からNMOSFET71に供給される電流を遮断するようにそのNMOSFET71に直列に接続されている。
【0080】
<動作>
回路動作について説明する。
スイッチ62,72は、出力段200から出力される出力値に応じてオン又はオフする。すなわち、スイッチ62はインバータ11の出力値である電位Vpに応じて、スイッチ72はインバータ12の出力値である電位Voに応じてそれぞれオン、オフされる。
【0081】
この場合、スイッチ62がオンのとき、スイッチ72はオフとなる。スイッチ62がオフのとき、スイッチ72はオンとなる。
つまり、差動対の各回路のMOSのチャネル幅を変えていることになる。
【0082】
(ヒステリシス幅の調整)
ヒステリシス幅の調整方法を、図6〜図7に基づいて説明する。
【0083】
一般に、MOSトランジスタ(ここでは、NMOSFET61,71)のオン時のオン抵抗は、MOS特性を示すチャネル幅Wとチャネル長Lとの関係を用いて定義することができる。本例では、W/Lの値によって、オン抵抗を定義するものとする。
【0084】
図6において、図5のNMOSFET71がNMOSFET2に並列に接続されていないときのMOSサイズをW/Lとし、スイッチ動作により図5のNMOSFET61がNMOSFET1に並列接続されたときのMOSサイズをW/Lとする。
【0085】
Vout電位がHigh→Low、又はLow→Highと動作するとき、電位VcはLow→High、High→Lowと動作している。VcがHighになるにはI>I、VcがLowになるにはI<Iとなる必要がある。
よって、I=I=Iになる入力電圧がコンパレータのしきい値となる。
【0086】
ここで、MOSの飽和領域における電流Iは、次式となる。
【0087】
【数1】

Figure 2004194124
【0088】
NMOSFET61のVgsをVgs1とおき、NMOSFET71のVgsをVgs2とおくと、NMOSFET61,NMOSFET71に電流Iが流れたときは、
【0089】
【数2】
Figure 2004194124
【0090】
今I=I=Iより
【0091】
【数3】
Figure 2004194124
【0092】
上式より
【0093】
【数4】
Figure 2004194124
【0094】
よって、入力電圧差は
【0095】
【数5】
Figure 2004194124
【0096】
従って、ヒステリシス幅は、差動対110の構成は左右対称なので、
【0097】
【数6】
Figure 2004194124
【0098】
となる。
【0099】
図7は、上記計算により求めた、ヒステリシス特性を示すものである。
従って、ヒステリシス幅は、電源電圧の影響を受けることなく、MOSサイズを可変にすることによって、ヒステリシス幅も可変にすることができる。
【0100】
(数値例)
ここで、数値例を挙げて説明する。
図5の回路に示すように、NMOSFETを並列接続した場合は、NMOSFET1,NMOSFET2,NMOSFET61,NMOSFET71のW/Lを160μ/1.2μ、電流Iを800μAに設定したものとする。
【0101】
出力信号の電位VoがLow→Highになるとき(スイッチ62はON、スイッチ72はOFF)、NMOSFET2に400μAが流れたとき、Vgs2=675mV、MOS1,2,3,4のVtb=500mVとすると、スイッチ62がONのため電位Vaをゲート入力とするMOSはNMOSFET1とNMOSFET61になり、電位Vbをゲート入力とするNMOSFET2よりもゲート幅(W)は2倍になる。ゲート長(L)は同じである。
【0102】
従って、ヒステリシス幅は、
【0103】
【数7】
Figure 2004194124
【0104】
となる。
【0105】
[第4の例]
次に、本発明の第4の実施の形態を、図8に基づいて説明する。なお、前述した各例と同一部分についてはその説明を省略し、同一符号を付す。
【0106】
本例は、前述した第3の例の変形例であり、第1および第2の電位差可変手段をMOSトランジスタにより構成し、該可変手段を差動対110の各回路に対して直列に接続して構成した場合の例である。なお、その他の回路構成は、図6と同様である。
【0107】
<構成>
本回路の構成について説明する。
第1の電位差可変手段は、NMOSFET81と、スイッチ82(MOSトランジスタ等からなる)とが並列接続された回路80から構成される。この回路80は、差動対110の一方の回路を構成するNMOSFET1のソースS側で直列に接続されている。ここで、NMOSFET81は、差動対110を構成するNMOSFET1の一部でもある。
【0108】
第2の電位差可変手段は、NMOSFET91と、スイッチ92(MOSトランジスタ等からなる)とが直列接続された回路90から構成される。この回路90は、差動対110の他方の回路を構成するNMOSFET2のソースS側で直列に接続されている。ここで、NMOSFET91は、差動対110を構成するNMOSFET2の一部でもある。
【0109】
つまり、差動対110は、4つのNMOSトランジスタ1,2,81,91を有している。NMOSFET1とNMOSFET81とは直列に接続され、差動対110の一方の入力端子111は共通接続されたNMOSFET1,81のゲートと接続されている。NMOSFET2とNMOSFET91とは直列に接続され、差動対110の他方の入力端子112は共通接続されたNMOSFET2,92のゲートとなっている。
【0110】
差動対110に所定の電流を供給する電流源300を構成するNMOSFET8は、NMOSFET81,91の各ソースに共通接続点20(共通電位Vm)を介して接続されている。
【0111】
スイッチ82は、NMOSFET81のソースSとドレインDとを短絡するように並列に接続されている。スイッチ92は、NMOSFET91のソースSとドレインDとを短絡するように並列に接続されている。
【0112】
<動作>
回路動作について説明する。
スイッチ82,92は、出力段200から出力される出力値に応じてオン又はオフする。すなわち、スイッチ82はインバータ11の出力値である電位Vpに応じて、スイッチ92はインバータ12の出力値である電位Voに応じてそれぞれオン、オフされる。
【0113】
この場合、スイッチ82がオンのとき、スイッチ92はオフとなる。スイッチ82がオフのとき、スイッチ92はオンとなる。
ヒステリシス幅の調整は、前述した第3の例と同様にして行うことができる。
【0114】
(比較例)
以上説明した第1の例〜第4の例を参考にして、実際にヒステリシスコンパレータ回路を作成した例を、従来回路と比較して説明する。
【0115】
図9は、従来のヒステリシスコンパレータ回路400と、本願発明のヒステリシスコンパレータ回路401〜403との比較例を示す。
【0116】
比較条件は、回路素子はMOSトランジスタとし、また、製造プロセスが0.5μmダブルポリダブルメタルプロセス、電源電圧が5V、ヒステリシス幅が20mVとした。
【0117】
比較対象の要素は、差動対サイズ410、スイッチサイズ420、該スイッチに接続された付随MOSサイズ430、抵抗サイズ440、レイアウト面積450、面積比460とした。Wはチャネル幅、Lはチャネル長である。
【0118】
例えば、スイッチサイズ420は、図1ではNMOSFET5,6、図5ではNMOSFET62,72、図8ではNMOSFET82,92である。付随MOSサイズ430は、図5ではNMOSFET61,71、図8ではNMOSFET81,91である。面積比460は、レイアウト面積450の従来回路400の値10000を100%として規格化した値である。
【0119】
そして、図9からわかるように、ヒステリシス幅を全て同一として構成した場合、面積比460は、従来のヒステリシスコンパレータ回路400に比べて本願発明のヒステリシスコンパレータ回路401〜403をいずれも1/2以下に設定することができ、レイアウト面積450を半減することができ、これにより、小型で安価な回路を作成することができる。
【0120】
特に、本願発明402(図5の第3の例)、および、本願発明の(図8の第4の例)では、抵抗器を用いずに、MOSトランジスタのみによって、スイッチ機能、すなわち、第1の電位差可変手段60,80および第2の電位差可変手段70,90を構成しているので、製造プロセスのばらつきを一段と削減することが可能となり、ひいては、ヒステリシス幅のばらつきを抑えて高精度な回路を作成することができる。
【0121】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、出力段のコンパレータ出力信号に基づいて差動対の各電位差が変化するスイッチ機能を有し、かつ、差動対を構成する各回路に対して直列又は並列に接続された電位差可変手段を設けたので、例えば、該電位差可変手段を抵抗器と該抵抗器の両端を短絡するスイッチとから構成して、該可変手段を差動対の各回路に対して直列に接続してコンパレータ出力信号に基づいて制御したり、或いは、電位差可変手段を差動対の一部でもあるMOSトランジスタと該MOSトランジスタの両端を短絡するスイッチとから構成して、該可変手段を差動対の各回路に対して並列又は直列に接続してコンパレータ出力信号に基づいて制御することが可能となり、これにより、電源電圧や環境温度に影響を受けることなく、大きな抵抗比を必要とせずに、広範囲に渡り高精度なヒステリシス幅の調整を行うことができる。
【0122】
また、本発明によれば、従来回路に比べてレイアウト面積を半減することができるので、製造プロセスのばらつきを大幅に削減することができ、これにより、ヒステリシス幅のばらつきを抑えると共に、小型で安価なヒステリシスコンパレータ回路を作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態である、ヒステリシスコンパレータ回路の構成を示す回路図である。
【図2】ヒステリシス特性を示す特性図である。
【図3】電流源の構成を示す回路図である。
【図4】本発明の第2の実施の形態である、ヒステリシスコンパレータ回路の構成を示す回路図である。
【図5】本発明の第3の実施の形態である、ヒステリシスコンパレータ回路の構成を示す回路図である。
【図6】ヒステリシス幅の調整方法を説明するための回路図である。
【図7】ヒステリシス特性を示す特性図である。
【図8】本発明の第4の実施の形態である、ヒステリシスコンパレータ回路の構成を示す回路図である。
【図9】ヒステリシスコンパレータ回路の回路特性を示す説明図である。
【図10】従来のヒステリシスコンパレータ回路の構成を示す回路図である。
【図11】従来のヒステリシスコンパレータ回路におけるヒステリシス特性を示す特性図である。
【符号の説明】
1,2 NMOSFET
3,4 PMOSFET
5,6 スイッチ
7,8 NMOSFET
9 PMOSFET
10 NMOSFET
11,12 インバータ
13,14 抵抗器
15 電流源
20 共通接続点
30 アンプ
31 NMOSFET
32,33 PMOSFET
34 抵抗器
60 回路(第1の電位差可変手段)
61 NMOSFET
62 スイッチ
70 回路(第2の電位差可変手段)
71 NMOSFET
72 スイッチ
80 回路(第1の電位差可変手段)
81 NMOSFET
82 スイッチ
90 回路(第2の電位差可変手段)
91 NMOSFET
92 スイッチ
100 差動入力段
110 差動対
111,112 入力端子
130 出力端子
200 出力段
300 電流源
400 従来のヒステリシスコンパレータ回路
401 本願発明のヒステリシスコンパレータ回路
402 本願発明のヒステリシスコンパレータ回路
403 本願発明のヒステリシスコンパレータ回路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a comparator circuit with hysteresis.
[0002]
[Prior art]
FIG. 10 shows a conventional hysteresis comparator (see FIGS. 1 and 2 of JP-A-2002-135090).
[0003]
1 is an input resistance Ri and 2 is a feedback resistance Rf. Va is an input signal, and Vb is a reference voltage. V OH Is the output high level, which is almost the power supply voltage Vdd. V OL Is the output low level, which is the ground voltage Vss. The non-inverted output is fed back to the input terminal to realize the comparator operation. The comparator circuit compares an input potential applied to one input terminal with a reference potential applied to the other input terminal, and generates an output according to the comparison result. Hysteresis characteristics can be obtained by the resistors Ri and Rf.
[0004]
FIG. 11 shows the hysteresis characteristics.
[0005]
When the output of the hysteresis comparator changes from High to Low, the input voltage can be expressed by the following equation.
Va (H → L) = {Ri (Vb−V OH ) + Rf · Vb} / Rf (1)
[0006]
When the output of the comparator changes from Low to High, the input voltage can be expressed by the following equation.
Va (L → H) = {Ri (Vb−V OL ) + Rf · Vb} / Rf (2)
[0007]
Accordingly, the hysteresis width is represented by the difference between the above equations (1) and (2), and is therefore represented by the following equation.
Va (L → H) −Va (H → L) = (V OH -V OL ) × (Ri / Rf) (3)
[0008]
[Patent Document 1]
JP 2002-135090 A
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, as shown in equation (3), the hysteresis width depends on the power supply voltage (V OH , V OL ), There is a problem that the hysteresis width also changes when the power supply voltage changes. Further, when it is necessary to reduce the hysteresis width, it is necessary to increase the ratio between Rf and Ri.
[0010]
For example, if Vdd = 5V and the hysteresis width is to be 10 mV,
Ri: Rf = 1: 500
Need to be
[0011]
Therefore, if Ri = 200Ω, Rf needs a large resistance of 100 kΩ, and as a result, the layout area of the circuit increases.
[0012]
When the layout area is increased as described above, the manufacturing process varies, and accompanying this, the ratio of Ri to Rf also varies.
[0013]
When the ratio between Ri and Rf varies, the hysteresis width depending on the ratio is also affected by the variation, and there is a problem that high-precision adjustment cannot be performed.
[0014]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a hysteresis comparator circuit capable of adjusting a hysteresis width without being affected by a power supply voltage and without requiring a large resistance ratio.
[0015]
Another object of the present invention is to provide a small-sized and inexpensive hysteresis comparator circuit while obtaining high-precision hysteresis characteristics.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The present invention compares an input signal input to one input terminal of a differential pair with a reference signal which is a reference input to the other input terminal of the differential pair, and outputs the comparison result from an output stage. A hysteresis comparator circuit that outputs a signal, wherein the differential pair changes a potential difference between a common potential at a common connection point where the differential pair is connected to a current source and a potential of one input terminal of the differential pair. 1 potential difference varying means, a second potential difference varying means for changing a potential difference between a common potential at the common connection point and a potential at the other input terminal of the differential pair, and the potential differences are different from each other. And a control means for controlling the first potential difference varying means and the second potential difference varying means based on an output signal output from the output stage, thereby constituting a hysteresis comparator circuit.
[0017]
Here, the first and second potential difference varying means have a switch function of changing each potential difference based on an output signal output from the output stage, and each circuit constituting the differential pair May be connected in series or in parallel.
[0018]
The differential pair has first and second MOS transistors, one input terminal of the differential pair is a gate of the first MOS transistor, and the other input terminal of the differential pair is A gate of a second MOS transistor, wherein the first potential difference varying means includes a first resistor and a first switch, and wherein the second potential difference varying means includes a second resistor and a second resistor. Two switches, wherein the first resistor is connected in series between the source of the first MOS transistor and the current source that supplies a predetermined current to the differential pair; The first switch is connected in parallel to the first resistor so as to short-circuit both ends of the first resistor, and the second resistor is connected to a source of the second MOS transistor and the current source. And the second switch is connected to the second It may be connected in parallel with the second resistor to short-circuit both ends of the resistor.
[0019]
The first and second switches are turned on or off based on an output signal output from the output stage. If the first switch is on, the second switch is turned off, and the first and second switches are turned off. If the second switch is off, the second switch may be on.
[0020]
The first and second resistors may be variable resistors.
[0021]
The current source that supplies a predetermined current to the differential pair has a voltage source and a third resistor, and is proportional to a current flowing through the third resistor according to a voltage supplied from the voltage source. May be generated.
[0022]
The differential pair has first, second, third, and fourth MOS transistors, the first MOS transistor and the second MOS transistor are connected in parallel, and one of the differential pairs Are the gates of the first and second MOS transistors connected in common, the third MOS transistor and the fourth MOS transistor are connected in parallel, and the other input terminal of the differential pair A terminal is a gate of the third and fourth MOS transistors connected in common, and the current source that supplies a predetermined current to the differential pair is the first, second, third, and fourth MOS transistors. Connected to each source of a transistor, the first potential difference varying means has a first switch, and the second potential difference varying means has a second switch, wherein the first switch Is the current source Connected in series with the second MOS transistor so as to cut off the current supplied to the second MOS transistor, and the second switch is connected to the current supplied from the current source to the third MOS transistor. May be connected in series to the third MOS transistor.
[0023]
The first and second switches are turned on or off based on an output signal output from the output stage. If the first switch is on, the second switch is turned off, and the first and second switches are turned off. If the second switch is off, the second switch may be on.
[0024]
The differential pair has first, second, third, and fourth MOS transistors, the first MOS transistor and the second MOS transistor are connected in series, and one of the differential pairs Are the gates of the first and second MOS transistors connected in common, the third MOS transistor and the fourth MOS transistor are connected in series, and the other input terminal of the differential pair A terminal is a gate of the third and fourth MOS transistors connected in common, and the current source for supplying a predetermined current to the differential pair is connected to each source of the second and third MOS transistors. The first potential difference varying means has a first switch, and the second potential difference varying means has a second switch, wherein the first switch is the first or the second switch. 2 M Connected in parallel so as to short-circuit the source and drain of the S transistor, the second switch may be connected in parallel so as to short-circuit the source and drain of the third or fourth MOS transistors.
[0025]
The first and second switches are turned on or off based on an output signal output from the output stage. If the first switch is on, the second switch is turned off, and the first and second switches are turned off. If the second switch is off, the second switch may be on.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[First example]
A hysteresis comparator circuit according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
(Overview)
First, an outline of the present invention will be described.
The hysteresis comparator circuit according to the present invention includes, for example, a differential input stage (differential amplifier) 100 and an output stage 200 connected to the differential input stage 100 and outputting an output signal Vo, as shown in the circuit of FIG. It is characterized by having first and second potential difference varying means and control means as described below.
[0027]
The first potential difference varying unit includes a common potential Vm at the common connection point 20 where the differential pair 110 is connected to the current source 300 and one of the differential pair 110 based on the output signal Vo output from the output stage 200. Has a function of changing a potential difference between the input signal 111 and the input signal 111 input to the input terminal 111.
[0028]
The second potential difference varying means has a function of changing the potential difference between the common potential Vm of the common connection point 20 and the reference potential Vb of the reference signal input to the other input terminal 112 of the differential pair 110.
[0029]
In this case, a specific configuration of the first and second potential difference varying means includes, for example, a function (a combination circuit of a resistor and a switch) in which each potential difference changes based on the output result of the output stage 200. Or a MOS transistor having an operation control terminal). The connection configuration of the circuits may be connected to each circuit of the differential pair 110 in series or in parallel.
[0030]
The control means has a function of performing control based on the output result of the output stage 200 such that each potential difference generated by the first and second potential difference variable functions has a different value. In this case, a specific configuration of the control circuit may be, for example, the inverters 11 and 12 directly connected.
[0031]
(Concrete example)
Hereinafter, a specific example will be described.
FIG. 1 shows a configuration example of a hysteresis comparator circuit according to the present invention.
[0032]
In this example, the first and second potential difference varying means are configured by a combination circuit of a resistor and a switch, and these variable means are connected in series to each circuit (NMOSFETs 1 and 2) of the differential pair 110. An example in the case of the configuration will be described.
[0033]
<Structure>
In FIG. 1, the circuit includes a differential input stage 100 and an output stage 200.
[0034]
The differential input stage 100 has a differential pair 110 and a current source 300 connected to the differential pair 110 and supplying a predetermined current.
[0035]
The differential pair 110 includes an NMOSFET 1 to which an input voltage Va is applied, and an NMOSFET 2 to which a reference potential Vb is applied.
[0036]
The output Vc of the differential input stage 100 is inverted by an output stage (amplification stage) composed of a PMOSFET 9 and an NMOSFET 10 serving as a current source, and is output via inverters 11 and 12. The output of the inverter 11 is Vp, and the output of the inverter 12 is the output signal Vo.
[0037]
Further, the differential input stage 100 includes a current mirror circuit composed of PMOSFETs 3 and 4.
[0038]
Further, resistors 13 and 14 are connected in series to the sources S of the NMOSFETs 1 and 2 as the differential pair 110, and switches 5 and 6 are connected to both ends of the resistors 13 and 14, respectively. As a result, the switches 5 and 6 perform opening and closing operations between the resistors 13 and 14, respectively. That is, here, the resistors 13 and 14 and the switches 5 and 6 constitute first and second potential difference varying means.
[0039]
The switches 5 and 6 may be composed of, for example, NMOSFETs or PMOSFETs. In the case of this MOSFET configuration, a path from the source S to the drain D is provided at both ends of the resistors 13 and 14, and a signal from the output stage 200 is applied to the gate G to perform an opening / closing operation. That is, here, the output Vp of the inverter 11 is applied to the gate G of the switch 5, and the output signal Vo of the inverter 12 is applied to the gate G of the switch 6. That is, here, the inverters 11 and 12 constitute control means for controlling the first and second potential difference varying means.
[0040]
The other terminals of the resistors 13 and 14 are connected to each other at a common connection point 20, and the common connection point 20 is connected to the drain D of the NMOSFET 8 which is a part of the constant current source 300. The NMOSFETs 7, 8, and 10 constitute a current mirror circuit, and the drain D of the NMOSFET 7 is connected to the current source 15.
[0041]
<Operation>
Next, the operation of the hysteresis comparator circuit will be described.
[0042]
In FIG. 1, the circuit compares an input signal Va input to one input terminal 111 of a differential pair 110 with a reference signal Vb serving as a reference input to the other input terminal 112 of the differential pair 110. Then, the comparison result is output as an output signal Vo from the output stage 200 connected to the differential input stage 100.
(Input voltage: Va≫Vb)
As an initial state, consider a case where the input voltage Va is sufficiently higher than the reference voltage Vb (Va≫Vb).
[0043]
When Va≫Vb, the drain D side of the NMOSFET 1 becomes L level → the drain D side of the NMOSFET 2 becomes H level → the drain D side of the PMOSFET 9 becomes L level. As a result, the potential Vp, which is the output value of the inverter 11, becomes the Vdd level (H level), and the potential Vo of the output signal of the output terminal 130 via the inverter 12 becomes the Vss level (L level).
[0044]
At this time, the switches 5 and 6 open and close according to the values of the potentials Vp and Vo of the output stage 200. That is, the switch 5 is closed because the potential Vp is at the H level, and the resistor 13 is short-circuited. On the other hand, the switch 6 opens without operating because the potential Vo is in the L level state, and does not short-circuit the resistor 14 (resistance value R). In this case, the switches 5 and 6 are NMOSFETs.
[0045]
The current flowing through the resistor 14 and the NMOSFET 2 on one side of the differential pair 110 is represented by I 2 Then, the potential V2 on the source S side of the NMOSFET 2 constituting the differential pair 110 is compared with the potential V1 on the source S side of the NMOSFET 1 by I 2 × R higher by the potential.
[0046]
Therefore, as shown in FIG. 2, to change the output voltage Vo from the Vss level (L level) to the Vdd level (H level), the input voltage Va is represented by the following equation.
Va (H → L) = Vb-I 2 × R… (4)
[0047]
(Input voltage: Va≪Vb)
Next, a case where the input voltage Va is sufficiently lower than the reference voltage Vb (VaVVb) will be considered as an initial state.
[0048]
When Va≪Vb, the drain D side of the NMOSFET 1 becomes H level → the drain D side of the NMOSFET 2 becomes L level → the drain D side of the PMOSFET 9 becomes H level. As a result, the Vd potential output from the inverter 11 becomes the Vss level (L level), and the output potential of the output terminal 130 via the inverter 12 becomes the Vdd level (H level).
[0049]
At this time, the switches 5 and 6 open and close according to the values of the potentials Vp and Vo of the output stage 200. That is, the switch 5 is opened without operating because the potential Vp is in the L level state, and does not short-circuit the resistor 13 (resistance value R). On the other hand, the switch 6 is closed because the potential Vo is at the H level, and the resistor 14 is short-circuited.
[0050]
The current flowing through the resistor 13 and the NMOSFET 1 on one side of the differential pair 110 is represented by I 1 Then, the potential V1 on the source S side of the NMOSFET 1 forming the differential pair 110 is compared with the potential V2 on the source S side of the NMOSFET 2 by I 1 × R higher by the potential.
[0051]
Therefore, as shown in FIG. 2, to change the output voltage Vo from the Vdd level (H level) to the Vss level (L level), the input voltage Va is represented by the following equation.
Va (L → H) = I 1 × R + Vb (5)
[0052]
Thus, the hysteresis width is represented by the difference between the expressions (4) and (5), and is expressed by the following expression.
Va (L → H) −Va (H → L) = 2 × I × R (6)
Where I = I 1 = I 2 And
[0053]
Therefore, the hysteresis width is determined by the resistance value R and the current value I flowing through the MOSFET on one side of the differential pair, and does not depend on the power supply voltage.
[0054]
For example, when I = 10 μA and R = 1 kΩ, the hysteresis width is 20 mV, and when R = 10 kΩ, the hysteresis width is 200 mV.
When Vdd = 5V and a hysteresis width of 10 mV is required, I = 50 μA and R = 100Ω.
By adjusting the current value I in this manner, the resistance can be reduced.
[0055]
The hysteresis width can be changed by changing the resistance value R of the resistors 13 and 14. The same applies to the case where the reference voltage is input to the Va side.
[0056]
(Adjustment of hysteresis width)
Next, another method for adjusting the hysteresis width will be described using the current source 15.
FIG. 3 shows a configuration example of the current source 15 used in the present circuit.
[0057]
Reference numeral 30 denotes an amplifier connected to the gate G of the NMOSFET 31. V in Is the reference voltage V ref Is a reference voltage input terminal of the amplifier 30 for inputting the reference voltage. I out Is an output current terminal for outputting the output current i.
[0058]
Here, the output current i is represented by the following equation.
i = V ref / R '... (7)
[0059]
The resistance value 34 (resistance value R ′) is usually formed of polysilicon or a diffusion layer in an LSI. The resistance value R ′ shows a behavior that the resistance value increases on the high temperature side.
[0060]
Therefore, for example, the output current i decreases on the high temperature side and increases on the low temperature side. However, a current source having such a temperature characteristic is used as the current source 15 of the hysteresis comparator circuit in FIG. The resistors 13 and 14 of FIG. 1 are manufactured from the same material as the resistor 34 of FIG. 1, and the hysteresis width when the resistance value in the circuit of FIG. It is represented by an equation.
Hysteresis width = V ref × (R / R ′)… (8)
[0061]
Therefore, according to equation (8), the hysteresis width is equal to the reference voltage V ref And the resistance ratio of the resistors R and R ', the fluctuation of the resistance value of the resistor due to the temperature is canceled, and the desired hysteresis width can be kept constant over the entire temperature range.
[0062]
Also, V ref By changing the voltage, the hysteresis width can be made variable.
[0063]
Further, the hysteresis width can be made variable by changing the resistance R ′ or R of the resistor of the current source 15.
[0064]
[Second example]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The description of the same parts as those in the first example is omitted, and the same reference numerals are given.
[0065]
This example is a modification of the above-described first example, and is an example in which the configuration of the first and second potential difference varying means is changed.
[0066]
The first potential difference varying means is composed of, for example, switches 40 and 41 and three resistors 50 (R1, R2, R3) connected in series, and is a source of the NMOSFET 1 constituting one circuit of the differential pair 110. It is connected in series to the S side.
[0067]
The second potential difference varying means includes, for example, switches 42 and 43 and three resistors 51 (R1, R2, R3) connected in series. It is connected in series to the source S of the NMOSFET 2 constituting the other circuit of the differential pair 110.
[0068]
The switches 40 and 42 are configured using MOS transistors and the like, like the switches 5 and 6. The switch 40 receives the potential Vp which is the output value of the inverter 11, and the switch 42 receives the potential Vo which is the output value of the inverter 12.
[0069]
The switches 41 and 43 may be similarly configured by MOS transistors. The switches 41 and 43 are turned on / off by inputting an adjustment signal Vh for adjusting the hysteresis width from the outside, thereby changing the resistance value. To The number of resistors and switches may be any number, and any configuration may be used as long as the resistance value is variable.
[0070]
With the above circuit configuration, the current value I flowing on one side of the differential pair 110 1 , I 2 Is controlled by the current source 300 of the differential pair 110. Since the NMOSFETs 7 and 8 are current mirror circuits, the NMOSFETs 7 and 8 control the current value of the current source 15 flowing through the NMOSFET 7; The hysteresis width can be adjusted.
[0071]
Therefore, by switching with the switches 41 and 43 using the plurality of resistance values 50 and 51, the hysteresis width can be more easily changed over a wider range.
[0072]
[Third example]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The description of the same parts as those in the above-described examples is omitted, and the same reference numerals are given.
[0073]
This example is an example in which the first and second potential difference varying means are configured by MOS transistors, and the variable means is connected in parallel to each circuit of the differential pair 110.
[0074]
<Structure>
The configuration of this circuit will be described.
[0075]
The first potential difference varying means includes a circuit 60 in which an NMOSFET 61 and a switch 62 (made of a MOS transistor or the like) are connected in series. This circuit 60 is connected in parallel between the drain D and the source S of the NMOSFET 1 constituting one circuit of the differential pair 110. Further, the NMOSFET 61 is also a part of the NMOSFET 1 forming the differential pair 110.
[0076]
The second potential difference varying means is composed of a circuit 70 in which an NMOSFET 71 and a switch 72 (comprising a MOS transistor or the like) are connected in series. This circuit 70 is connected in parallel between the drain D and the source S of the NMOSFET 2 constituting the other circuit of the differential pair 110. Further, the NMOSFET 71 is also a part of the NMOSFET 2 forming the differential pair 110.
[0077]
That is, the differential pair 110 has four NMOS transistors 1, 2, 61, and 71. The NMOSFET 1 and the NMOSFET 61 are connected in parallel, and one input terminal 111 of the differential pair 110 is connected to the gates of the commonly connected NMOSFETs 1 and 61. The NMOSFET 2 and the NMOSFET 71 are connected in parallel, and the other input terminal 112 of the differential pair 110 is the gate of the commonly connected NMOSFETs 2 and 72.
[0078]
The NMOSFET 8 constituting the current source 300 for supplying a predetermined current to the differential pair 110 is connected to each source of the NMOSFETs 1, 61, 2 and 71 via a common connection point 20 (common potential Vm).
[0079]
The switch 62 is connected in series with the NMOSFET 61 so as to cut off the current supplied from the current source 300 to the NMOSFET 61. The switch 72 is connected in series with the NMOSFET 71 so as to cut off the current supplied from the current source 300 to the NMOSFET 71.
[0080]
<Operation>
The circuit operation will be described.
Switches 62 and 72 are turned on or off according to the output value output from output stage 200. That is, the switch 62 is turned on and off according to the potential Vp which is the output value of the inverter 11, and the switch 72 is turned on and off according to the potential Vo which is the output value of the inverter 12.
[0081]
In this case, when the switch 62 is on, the switch 72 is off. When the switch 62 is off, the switch 72 is on.
That is, the channel width of the MOS of each circuit of the differential pair is changed.
[0082]
(Adjustment of hysteresis width)
A method of adjusting the hysteresis width will be described with reference to FIGS.
[0083]
In general, the on-resistance of a MOS transistor (here, the NMOSFETs 61 and 71) when the MOS transistor is on can be defined by using a relationship between a channel width W and a channel length L indicating MOS characteristics. In this example, it is assumed that the on-resistance is defined by the value of W / L.
[0084]
In FIG. 6, when the NMOSFET 71 of FIG. 5 is not connected in parallel with the NMOSFET 2, the MOS size is W 2 / L 2 The MOS size when the NMOSFET 61 of FIG. 1 / L 1 And
[0085]
When the Vout potential operates from High to Low or from Low to High, the potential Vc operates from Low to High and from High to Low. I becomes Vc high 1 > I 2 , Vc goes low by I 1 <I 2 Needs to be
Therefore, I 1 = I 2 The input voltage at which = I becomes the threshold value of the comparator.
[0086]
Here, the current I in the MOS saturation region is expressed by the following equation.
[0087]
(Equation 1)
Figure 2004194124
[0088]
V of NMOSFET 61 gs To V gs1 And V of NMOSFET 71 gs To V gs2 If the current I flows through the NMOSFET 61 and the NMOSFET 71,
[0089]
(Equation 2)
Figure 2004194124
[0090]
Now I 1 = I 2 = I
[0091]
[Equation 3]
Figure 2004194124
[0092]
From the above formula
[0093]
(Equation 4)
Figure 2004194124
[0094]
Therefore, the input voltage difference is
[0095]
(Equation 5)
Figure 2004194124
[0096]
Accordingly, the hysteresis width is symmetric since the configuration of the differential pair 110 is symmetrical.
[0097]
(Equation 6)
Figure 2004194124
[0098]
It becomes.
[0099]
FIG. 7 shows the hysteresis characteristics obtained by the above calculation.
Accordingly, the hysteresis width can be varied by varying the MOS size without being affected by the power supply voltage.
[0100]
(Numerical example)
Here, a description will be given with a numerical example.
As shown in the circuit of FIG. 5, when NMOSFETs are connected in parallel, it is assumed that the W / L of NMOSFET1, NMOSFET2, NMOSFET61, and NMOSFET71 is set to 160 μ / 1.2 μ and the current I is set to 800 μA.
[0101]
When the potential Vo of the output signal changes from Low to High (the switch 62 is turned on and the switch 72 is turned off), when 400 μA flows through the NMOSFET 2, V gs2 = 675mV, V of MOS1,2,3,4 tb = 500 mV, since the switch 62 is ON, the MOS having the gate input of the potential Va is the NMOSFET 1 and the NMOSFET 61, and the gate width (W) is twice as large as that of the NMOSFET 2 having the gate input of the potential Vb. The gate length (L) is the same.
[0102]
Therefore, the hysteresis width is
[0103]
(Equation 7)
Figure 2004194124
[0104]
It becomes.
[0105]
[Fourth example]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The description of the same parts as those in the above-described examples is omitted, and the same reference numerals are given.
[0106]
This example is a modification of the above-described third example. The first and second potential difference varying means are constituted by MOS transistors, and the variable means is connected in series to each circuit of the differential pair 110. This is an example in the case of a configuration. The other circuit configuration is the same as that of FIG.
[0107]
<Structure>
The configuration of this circuit will be described.
The first potential difference varying means includes a circuit 80 in which an NMOSFET 81 and a switch 82 (made of a MOS transistor or the like) are connected in parallel. This circuit 80 is connected in series on the source S side of the NMOSFET 1 constituting one circuit of the differential pair 110. Here, the NMOSFET 81 is also a part of the NMOSFET 1 forming the differential pair 110.
[0108]
The second potential difference varying means includes a circuit 90 in which an NMOSFET 91 and a switch 92 (made of a MOS transistor or the like) are connected in series. This circuit 90 is connected in series on the source S side of the NMOSFET 2 constituting the other circuit of the differential pair 110. Here, the NMOSFET 91 is also a part of the NMOSFET 2 forming the differential pair 110.
[0109]
That is, the differential pair 110 has four NMOS transistors 1, 2, 81, and 91. The NMOSFET 1 and the NMOSFET 81 are connected in series, and one input terminal 111 of the differential pair 110 is connected to the gates of the commonly connected NMOSFETs 1 and 81. The NMOSFET 2 and the NMOSFET 91 are connected in series, and the other input terminal 112 of the differential pair 110 is the gate of the commonly connected NMOSFETs 2 and 92.
[0110]
The NMOSFET 8 configuring the current source 300 that supplies a predetermined current to the differential pair 110 is connected to the sources of the NMOSFETs 81 and 91 via a common connection point 20 (common potential Vm).
[0111]
The switch 82 is connected in parallel so that the source S and the drain D of the NMOSFET 81 are short-circuited. The switch 92 is connected in parallel so that the source S and the drain D of the NMOSFET 91 are short-circuited.
[0112]
<Operation>
The circuit operation will be described.
Switches 82 and 92 are turned on or off according to the output value output from output stage 200. That is, the switch 82 is turned on and off according to the potential Vp which is the output value of the inverter 11, and the switch 92 is turned on and off according to the potential Vo which is the output value of the inverter 12.
[0113]
In this case, when the switch 82 is on, the switch 92 is off. When the switch 82 is off, the switch 92 is on.
The adjustment of the hysteresis width can be performed in the same manner as in the third example described above.
[0114]
(Comparative example)
With reference to the first to fourth examples described above, an example in which a hysteresis comparator circuit is actually created will be described in comparison with a conventional circuit.
[0115]
FIG. 9 shows a comparative example of the conventional hysteresis comparator circuit 400 and the hysteresis comparator circuits 401 to 403 of the present invention.
[0116]
The comparison conditions were as follows. The circuit element was a MOS transistor, the manufacturing process was a 0.5 μm double poly double metal process, the power supply voltage was 5 V, and the hysteresis width was 20 mV.
[0117]
Elements to be compared were a differential pair size 410, a switch size 420, an associated MOS size 430 connected to the switch, a resistor size 440, a layout area 450, and an area ratio 460. W is the channel width and L is the channel length.
[0118]
For example, the switch sizes 420 are NMOSFETs 5 and 6 in FIG. 1, NMOSFETs 62 and 72 in FIG. 5, and NMOSFETs 82 and 92 in FIG. The associated MOS size 430 is the NMOSFETs 61 and 71 in FIG. 5, and the NMOSFETs 81 and 91 in FIG. The area ratio 460 is a value obtained by standardizing the value 10000 of the conventional circuit 400 having the layout area 450 as 100%.
[0119]
As can be seen from FIG. 9, when all the hysteresis widths are configured to be the same, the area ratio 460 of each of the hysteresis comparator circuits 401 to 403 of the present invention is 1 / or less as compared with the conventional hysteresis comparator circuit 400. Can be set, and the layout area 450 can be halved, whereby a small and inexpensive circuit can be created.
[0120]
In particular, in the present invention 402 (third example in FIG. 5) and the present invention (fourth example in FIG. 8), the switch function, that is, the first function, is achieved only by the MOS transistor without using the resistor. Of the potential difference varying means 60, 80 and the second potential difference varying means 70, 90, it is possible to further reduce the variation in the manufacturing process, and furthermore, to suppress the variation in the hysteresis width to achieve a highly accurate circuit. Can be created.
[0121]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a switch function is provided in which each potential difference of a differential pair changes based on a comparator output signal of an output stage, and in series with each circuit constituting a differential pair. Or, since the potential difference varying means connected in parallel is provided, for example, the potential difference varying means is constituted by a resistor and a switch for short-circuiting both ends of the resistor, and the variable means is connected to each circuit of the differential pair. The potential difference varying means is composed of a MOS transistor that is also a part of a differential pair and a switch that short-circuits both ends of the MOS transistor. The variable means can be connected to each circuit of the differential pair in parallel or in series, and can be controlled based on the comparator output signal, thereby not being affected by the power supply voltage or the environmental temperature. , Without requiring a large resistance ratio, it can be adjusted with high precision hysteresis width over a wide range.
[0122]
Further, according to the present invention, the layout area can be halved as compared with the conventional circuit, so that the variation in the manufacturing process can be greatly reduced, thereby suppressing the variation in the hysteresis width and reducing the size and cost. A hysteresis comparator circuit can be created.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a hysteresis comparator circuit according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing hysteresis characteristics.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of a current source.
FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of a hysteresis comparator circuit according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of a hysteresis comparator circuit according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a circuit diagram for explaining a method of adjusting a hysteresis width.
FIG. 7 is a characteristic diagram showing hysteresis characteristics.
FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of a hysteresis comparator circuit according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating circuit characteristics of a hysteresis comparator circuit.
FIG. 10 is a circuit diagram showing a configuration of a conventional hysteresis comparator circuit.
FIG. 11 is a characteristic diagram showing hysteresis characteristics in a conventional hysteresis comparator circuit.
[Explanation of symbols]
1,2 NMOSFET
3,4 PMOSFET
5,6 switch
7,8 NMOSFET
9 PMOSFET
10 NMOSFET
11,12 Inverter
13,14 resistor
15 Current source
20 common connection points
30 amplifier
31 NMOSFET
32,33 PMOSFET
34 resistor
60 circuits (first potential difference varying means)
61 NMOSFET
62 switch
70 circuits (second potential difference varying means)
71 NMOSFET
72 switch
80 circuits (first potential difference varying means)
81 NMOSFET
82 switch
90 circuits (second potential difference varying means)
91 NMOSFET
92 switch
100 differential input stage
110 differential pair
111, 112 input terminal
130 output terminal
200 output stage
300 current source
400 Conventional hysteresis comparator circuit
401 Hysteresis comparator circuit of the present invention
402 Hysteresis comparator circuit of the present invention
403 Hysteresis comparator circuit of the present invention

Claims (10)

差動対の一方の入力端子に入力される入力信号と該差動対の他方の入力端子に入力される基準となる基準信号とを比較し、該比較結果を出力段から出力信号として出力するヒステリシスコンパレータ回路であって、
前記差動対が電流源に接続される共通接続点の共通電位と、前記差動対の一方の入力端子の電位との間の電位差を変化させる第1の電位差可変手段と、
前記共通接続点の共通電位と、前記差動対の他方の入力端子の電位との間の電位差を変化させる第2の電位差可変手段と、
前記各電位差が互いに異なるように、前記出力段から出力される出力信号に基づいて、前記第1の電位差可変手段および前記第2の電位差可変手段を制御する制御手段と
を具えたことを特徴とするヒステリシスコンパレータ回路。
An input signal input to one input terminal of the differential pair is compared with a reference signal input to the other input terminal of the differential pair as a reference, and the comparison result is output as an output signal from an output stage. A hysteresis comparator circuit,
First potential difference varying means for changing a potential difference between a common potential at a common connection point at which the differential pair is connected to a current source and a potential at one input terminal of the differential pair;
Second potential difference varying means for changing a potential difference between a common potential at the common connection point and a potential at the other input terminal of the differential pair;
Control means for controlling the first potential difference varying means and the second potential difference varying means based on an output signal output from the output stage so that the potential differences are different from each other. Hysteresis comparator circuit.
前記第1および第2の電位差可変手段は、
前記出力段から出力される出力信号に基づいて前記各電位差を変化させるスイッチ機能を有し、かつ、前記差動対を構成する各回路に対して直列又は並列に接続されたことを特徴とする請求項1記載のヒステリシスコンパレータ回路。
The first and second potential difference varying means include:
It has a switch function of changing each of the potential differences based on an output signal output from the output stage, and is connected in series or parallel to each circuit constituting the differential pair. The hysteresis comparator circuit according to claim 1.
前記差動対は、第1および第2のMOSトランジスタを有し、前記差動対の一方の入力端子は前記第1のMOSトランジスタのゲートであり、前記差動対の他方の入力端子は前記第2のMOSトランジスタのゲートであり、
前記第1の電位差可変手段は、第1の抵抗器と第1のスイッチとを有し、
前記第2の電位差可変手段は、第2の抵抗器と第2のスイッチとを有し、
ここで、
前記第1の抵抗器は前記第1のMOSトランジスタのソースと前記差動対に所定の電流を供給する前記電流源との間に直列に接続され、前記第1のスイッチは前記第1の抵抗器の両端を短絡するように前記第1の抵抗器に並列に接続され、
前記第2の抵抗器は前記第2のMOSトランジスタのソースと前記電流源との間に直列に接続され、前記第2のスイッチは前記第2の抵抗器の両端を短絡するように前記第2の抵抗器に並列に接続されたことを特徴とする請求項1又は2記載のヒステリシスコンパレータ回路。
The differential pair has first and second MOS transistors, one input terminal of the differential pair is a gate of the first MOS transistor, and the other input terminal of the differential pair is A gate of the second MOS transistor,
The first potential difference varying means has a first resistor and a first switch,
The second potential difference varying means has a second resistor and a second switch,
here,
The first resistor is connected in series between the source of the first MOS transistor and the current source that supplies a predetermined current to the differential pair, and the first switch is connected to the first resistor. Connected in parallel with said first resistor so as to short-circuit both ends of the device;
The second resistor is connected in series between the source of the second MOS transistor and the current source, and the second switch is connected to the second resistor so as to short-circuit both ends of the second resistor. 3. The hysteresis comparator circuit according to claim 1, wherein said hysteresis comparator circuit is connected in parallel to said resistor.
前記第1および第2のスイッチは、前記出力段から出力される出力信号に基づいてオンまたはオフし、
前記第1のスイッチがオンであるならば前記第2のスイッチはオフであり、前記第1のスイッチがオフであるならば前記第2のスイッチはオンであることを特徴とする請求項3記載のヒステリシスコンパレータ回路。
The first and second switches are turned on or off based on an output signal output from the output stage;
4. The method of claim 3, wherein the second switch is off if the first switch is on, and the second switch is on if the first switch is off. Hysteresis comparator circuit.
前記第1および第2の抵抗器は、可変抵抗器であることを特徴とする請求項3又は4記載のヒステリシスコンパレータ回路。5. The hysteresis comparator circuit according to claim 3, wherein said first and second resistors are variable resistors. 前記差動対に所定の電流を供給する前記電流源は、
電圧源および第3の抵抗器を有し、前記電圧源から供給される電圧に応じて前記第3の抵抗器に流れる電流に比例する電流を発生することを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載のヒステリシスコンパレータ回路。
The current source that supplies a predetermined current to the differential pair,
6. The power supply circuit according to claim 1, further comprising a voltage source and a third resistor, wherein the current source generates a current proportional to a current flowing through the third resistor in accordance with a voltage supplied from the voltage source. The hysteresis comparator circuit according to any one of the above.
前記差動対は、第1、第2、第3および第4のMOSトランジスタを有し、
前記第1のMOSトランジスタと前記第2のMOSトランジスタとは並列に接続され、前記差動対の一方の入力端子は共通接続された前記第1および第2のMOSトランジスタのゲートであり、前記第3のMOSトランジスタと前記第4のMOSトランジスタとは並列に接続され、前記差動対の他方の入力端子は共通接続された前記第3および第4のMOSトランジスタのゲートであり、
前記差動対に所定の電流を供給する前記電流源は、前記第1、第2、第3および第4のMOSトランジスタの各ソースに接続され、
前記第1の電位差可変手段は、第1のスイッチを有し、
前記第2の電位差可変手段は、第2のスイッチを有し、
ここで、
前記第1のスイッチは前記電流源から前記第2のMOSトランジスタに供給される電流を遮断するように前記第2のMOSトランジスタに直列に接続され、前記第2のスイッチは前記電流源から前記第3のMOSトランジスタに供給される電流を遮断するように前記第3のMOSトランジスタに直列に接続されたことを特徴とする請求項1又は2記載のヒステリシスコンパレータ回路。
The differential pair has first, second, third, and fourth MOS transistors,
The first MOS transistor and the second MOS transistor are connected in parallel, and one input terminal of the differential pair is a gate of the commonly connected first and second MOS transistors. 3 MOS transistors and the fourth MOS transistor are connected in parallel, and the other input terminal of the differential pair is a gate of the commonly connected third and fourth MOS transistors;
The current source that supplies a predetermined current to the differential pair is connected to each source of the first, second, third, and fourth MOS transistors;
The first potential difference varying means has a first switch,
The second potential difference varying means has a second switch,
here,
The first switch is connected in series to the second MOS transistor so as to cut off a current supplied from the current source to the second MOS transistor, and the second switch is connected to the second MOS transistor from the current source. 3. The hysteresis comparator circuit according to claim 1, wherein the third MOS transistor is connected in series so as to cut off a current supplied to the third MOS transistor.
前記第1および第2のスイッチは、前記出力段から出力される出力信号に基づいてオンまたはオフし、
前記第1のスイッチがオンであるならば前記第2のスイッチはオフであり、前記第1のスイッチがオフであるならば前記第2のスイッチはオンであることを特徴とする請求項7記載のヒステリシスコンパレータ回路。
The first and second switches are turned on or off based on an output signal output from the output stage;
8. The system of claim 7, wherein the second switch is off if the first switch is on, and the second switch is on if the first switch is off. Hysteresis comparator circuit.
前記差動対は、第1、第2、第3および第4のMOSトランジスタを有し、
前記第1のMOSトランジスタと前記第2のMOSトランジスタとは直列に接続され、前記差動対の一方の入力端子は共通接続された前記第1および第2のMOSトランジスタのゲートであり、前記第3のMOSトランジスタと前記第4のMOSトランジスタとは直列に接続され、前記差動対の他方の入力端子は共通接続された前記第3および第4のMOSトランジスタのゲートであり、
前記差動対に所定の電流を供給する前記電流源は、前記第2および第3のMOSトランジスタの各ソースに接続され、
前記第1の電位差可変手段は、第1のスイッチを有し、
前記第2の電位差可変手段は、第2のスイッチを有し、
ここで、
前記第1のスイッチは前記第1または第2のMOSトランジスタのソースとドレインとを短絡するように並列に接続され、前記第2のスイッチは前記第3または第4のMOSトランジスタのソースとドレインとを短絡するように並列に接続されたことを特徴とする請求項1又は2記載のヒステリシスコンパレータ回路。
The differential pair has first, second, third, and fourth MOS transistors,
The first MOS transistor and the second MOS transistor are connected in series, and one input terminal of the differential pair is a gate of the commonly connected first and second MOS transistors. 3 MOS transistors and the fourth MOS transistor are connected in series, and the other input terminal of the differential pair is a gate of the commonly connected third and fourth MOS transistors,
The current source that supplies a predetermined current to the differential pair is connected to each source of the second and third MOS transistors;
The first potential difference varying means has a first switch,
The second potential difference varying means has a second switch,
here,
The first switch is connected in parallel to short-circuit the source and drain of the first or second MOS transistor, and the second switch is connected to the source and drain of the third or fourth MOS transistor. The hysteresis comparator circuit according to claim 1 or 2, wherein the hysteresis comparator circuit is connected in parallel so as to short-circuit.
前記第1および第2のスイッチは、前記出力段から出力される出力信号に基づいてオンまたはオフし、
前記第1のスイッチがオンであるならば前記第2のスイッチはオフであり、前記第1のスイッチがオフであるならば前記第2のスイッチはオンであることを特徴とする請求項9記載のヒステリシスコンパレータ回路。
The first and second switches are turned on or off based on an output signal output from the output stage;
10. The system of claim 9, wherein the second switch is off if the first switch is on, and the second switch is on if the first switch is off. Hysteresis comparator circuit.
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