CN115529029A - 电压比较器电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压比较器电路，包括：压流转换模块，用于将第一输入电压和第二输入电压的电压差转换成电流信号；电流偏置模块，用于根据带隙基准电流得到第一偏置电流；以及电流比较模块，用于将电流信号与第一偏置电流进行比较，以输出表征第一输入电压和第二输入电压之间的电压差的输出信号，避免了分压电路的使用，有利于降低电路功耗，并提高了比较精度。

Description

电压比较器电路

技术领域

本发明涉及高压电压比较技术领域，更具体地涉及一种电压比较器电路。

背景技术

当前的便携式电子产品和可穿戴电子设备，诸如智能手机、平板电脑、智能手表等，都采用可充电电池为***提供电源，这样可以实现在没有外部电源接入时，由电池为***供电，使得***仍然可以正常工作；当电池没有电时，通过外部电源对电池充电，并由外部电源为***供电。因此，电池管理芯片(Power Management Integrated Circuits)对这些便携式电子产品非常重要。

在电源管理芯片中，在某些情况下需要比较两个高电压的电压值，并输出比较结果用于相关的逻辑判断。以低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator，LDO)为例，电源管理芯片常常需要选择BUS端或者SYS端的电压作为内部LDO的供电电压，以便LDO将供电端的供电电压转换为后级电路的工作电压。传统的做法是将BUS端和SYS端的电压进行分压，并将分压后的分压值进行比较，将电压较高的一端作为LDO的供电端，这种做法的缺点在于分压电路的功耗与高电压的电压值成正比，损耗较大，此外使用分压后的信号进行比较会降低比较精度，不利于高精度的电源管理芯片的实现。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电压比较器电路，将输入电压之间的电压差转换成电流信息以进行比较，避免了分压电路的使用，有利于降低电路功耗，并提高了比较精度。

根据本发明实施例，提供了一种电压比较器电路，包括：压流转换模块，用于将第一输入电压和第二输入电压的电压差转换成电流信号；电流偏置模块，用于根据带隙基准电流得到第一偏置电流；以及电流比较模块，用于将所述电流信号与所述第一偏置电流进行比较，以输出表征所述第一输入电压和所述第二输入电压之间的电压差的输出信号。

可选的，所述电流比较模块被配置为在所述电流信号小于所述第一偏置电流的情况下输出逻辑高电平的输出信号。

可选的，所述电压比较器电路还包括：迟滞模块，用于在所述输出信号为逻辑高电平的情况下向所述电流比较模块提供第二偏置电流，其中，所述电流比较模块被配置为在所述电流信号大于所述第一偏置电流和所述第二偏置电流的电流和的情况下翻转，以输出逻辑低电平的输出信号。

可选的，所述电压比较器电路还包括：高压钳位模块，连接于所述压流转换模块和所述电流偏置模块之间，用于保护所述电流偏置模块中的低压晶体管。

可选的，所述压流转换模块包括：依次连接于所述第一输入电压和所述高压钳位模块之间的第一电阻、第一晶体管和第二晶体管；以及依次连接于所述第二输入电压和所述高压钳位模块之间的第二电阻、第三晶体管、第三电阻和第四晶体管，其中，所述第一晶体管和所述第三晶体管连接成二极管结构，所述第二晶体管和所述第四晶体管的控制端彼此连接，且与所述第二晶体管的第二端连接，所述第四晶体管的第二端用于输出所述电流信号。

可选的，所述压流转换模块还包括：稳压二极管，其阳极与所述第二晶体管和第四晶体管的控制端连接，阴极与所述第四晶体管的第一端连接。

可选的，所述高压钳位模块包括：第一钳位管，其第一端与所述第二晶体管的第二端连接，控制端与电源电压连接，第二端与所述电流偏置模块连接；以及第二钳位管，其第一端与所述第四晶体管的第二端连接，控制端与所述电源电压连接，第二端与所述电流偏置模块连接。

可选的，所述电流偏置模块包括第五晶体管至第八晶体管，其中，所述第五晶体管的第一端与所述带隙基准电流连接，第二端接地，第六晶体管至第八晶体管与所述第五晶体管的控制端连接，且连接到所述第五晶体管的第一端，以连接成电流镜，所述第六晶体管至所述第八晶体管的第二端接地，所述第六晶体管的第一端与所述电流比较模块连接，以向所述电流比较模块提供偏置电流，第七晶体管的第一端与所述第一钳位管的第二端连接，所述第八晶体管的第一端与所述第二钳位管的第二端连接于电流比较点，以提供所述第一偏置电流。

可选的，所述迟滞模块包括：第九晶体管，其与所述第五晶体管连接成电流镜，第二端接地；以及第十晶体管，其第一端与所述电流比较点连接，以提供所述第二偏置电流，第二端与所述第九晶体管的第一端连接，控制端与所述输出信号连接。

可选的，所述电流比较模块包括：第十一晶体管，其第一端与所述电源电压连接，第二端与所述第六晶体管的第一端连接；第十二晶体管，其第一端与所述电源电压连接，控制端与所述第十一晶体管的控制端和第二端连接；输出晶体管，其第一端与所述第十二晶体管的第二端连接，控制端与所述电流比较点连接，第二端接地；以及依次连接于所述第十二晶体管和所述输出晶体管的中间节点与输出端之间的第一反相器和第二反相器。

可选的，所述第一晶体管至所述第四晶体管以及所述第十一晶体管和所述第十二晶体管分别选自PMOS晶体管，所述第一钳位管、所述第二钳位管、所述输出晶体管以及所述第五晶体管至所述第十晶体管分别选自NMOS晶体管。

本实施例的电压比较器电路将输入电压之间的电压差转换成电流信号，通过将该电流信号与偏置电流进行比较来获得输入电压之间的大小关系，电路的功耗主要由电流镜的镜像电流决定，与输入端的电压值无关，因此可以大大降低电路的功耗。此外，通过将输入电压之间的压差转换成电流信号，间接比较两个输入端电压的高低，可以避免分压电路使用，有利于提高比较精度。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出根据本发明实施例的电压比较器电路的示意性电路图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

在本申请中，MOS晶体管包括第一端、第二端和控制端，在MOS晶体管的导通状态，电流从第一端流至第二端。PMOS晶体管的第一端、第二端和控制端分别为源极、漏极和栅极，NMOS晶体管的第一端、第二端和控制端分别为漏极、源极和栅极。

图1示出根据本发明实施例的电压比较器电路的示意性电路图。如图1所示，电压比较器电路100包括压流转换模块101、电流偏置模块102、电流比较模块103、迟滞模块104和高压钳位模块105。其中，压流转换模块101用于将第一输入电压VIN1和第二输入电压VIN2的电压差转换成电流信号IR。电流偏置模块102用于根据带隙基准电流Ib得到第一偏置电流I1。电流比较模块103用于将电流信号IR与第一偏置电流I1进行比较，以输出表征所述第一输入电压VIN1和所述第二输入电压VIN2之间的电压差的输出信号Vout，当电流信号IR小于第一偏置电流I1时，电流比较模块103输出逻辑高电平的输出信号Vout。迟滞模块104用于在输出信号Vout为逻辑高电平的情况下向电流比较模块103提供第二偏置电流I2，当电流信号IR大于第一偏置电流I1和第二偏置电流I2的电流和时，电流比较模块103的输出再次翻转，输出逻辑低电平的输出信号Vout。高压钳位模块105连接于压流转换模块101和电流偏置模块102之间，用于保护电流偏置模块102中的低压晶体管。

可选的，压流转换模块101包括电阻R1和R2、晶体管MD1和MD2、电阻R3、晶体管MP1和MP2以及稳压二极管D1。其中，电阻R1和R2的第一端分别连接第一输入电压VIN1和第二输入电压VIN2，电阻R1的第二端与晶体管MD1的第一端连接，电阻R2的第二端与晶体管MD2的第一端连接，晶体管MD1和MD2的控制端与第二端连接，以分别连接成二极管结构。晶体管MP1的第一端与晶体管MD1的第二端连接于节点A，第二端与高压钳位模块105连接。电阻R3的第一端与晶体管MD2的第二端连接于节点C，第二端与晶体管MP2的第一端连接于节点B，晶体管MP2的控制端与晶体管MP1的控制端连接，且都连接到晶体管MP1的第二端，晶体管MP2的第二端与高压钳位模块105连接。稳压二极管D1的阳极与晶体管MP2的控制端连接，其阴极与晶体管MP2的第一端连接。

电流偏置模块102包括晶体管MN1至MN4。晶体管MN1的第一端与带隙基准电流Ib连接，控制端与第一端连接，第二端接地。晶体管MN2至MN4与晶体管MN1连接成电流镜结构，从而根据带隙基准电流Ib得到为压流转换模块101和电流比较模块103提供工作电流的偏置电流。具体的，晶体管MN2的控制端与晶体管MN1的控制端连接，第一端与电流比较模块103连接，以向电流比较模块103提供偏置电流，晶体管MN2的第二端接地。晶体管MN3的控制端与晶体管MN1的控制端连接，第一端与高压钳位模块105连接，以通过高压钳位模块105向晶体管MP1提供偏置电流I3，第二端接地。晶体管MN4的控制端与晶体管MN1的控制端连接，第一端与高压钳位模块105连接，以通过高压钳位模块105向晶体管MP2提供偏置电流I1，第二端接地。

高压钳位模块105包括钳位管MC1和MC2，钳位管MC1和MC2的控制端与电源电压VDD连接，钳位管MC1的第一端与晶体管MP1的第二端连接，钳位管MC1的第二端与晶体管MN3的第一端连接，钳位管MC2的第一端与晶体管MP2的第二端连接，钳位管MC2的第二端与晶体管MN4的第一端连接。其中，晶体管MC1和MC2为高压管，可以保护电流偏置模块102中的低压晶体管MN3和MN4。

电流比较模块103包括晶体管MP3和MP4、输出管MR以及反相器INV1和INV2。其中，晶体管MP3和MP4的第一端与电源电压VDD连接，晶体管MP3和MP4的控制端彼此连接，且都连接到晶体管MP3的第二端，晶体管MP3的第二端还与晶体管MN2的第一端连接以接收偏置电流，晶体管MP4的第二端与输出管MR的第一端连接，输出管MR的控制端与高压钳位模块105和电流偏置模块102之间的电流比较点连接，第二端接地。反相器INV1的输入端与晶体管MP4和输出管MR的中间节点，反相器INV1的输出端与反相器INV2的输入端连接，反相器INV2的输出端用于输出所述输出信号Vout。

迟滞模块104包括晶体管MN5和MS。晶体管MN5与晶体管MN1连接成电流镜，第二端接地，第一端与晶体管MS的第二端连接，晶体管MS的控制端与反相器INV2的输出端连接以接收所述输出信号Vout，第一端与所述电流比较点连接。

其中，上述实施例中的晶体管MD1、MD2以及MP1至MP4分别通过PMOS晶体管实现，钳位管MC1和MC2、输出管MR以及晶体管MS和MN1至MN5分别通过NMOS晶体管实现。电阻R1和R2为ESD(Electro-Static discharge，静电释放)电阻，晶体管MD1和MD2用于放置电流倒灌入第一输入电压VIN1和第二输入电压VIN2的输入端。

由于偏置电流I1和I3相等，因此晶体管MP1和MP2的栅源电压Vgs相等，使得节点A的电压VA和节点B的电压VB相等，假设MOS二极管MD1和MD2的正向压降为VD，初始状态下电流信号IR小于偏置电流I1，则输出信号Vout为逻辑高电平，晶体管MS导通，由于ESD电阻的阻值远小于电阻R3的阻值，因此可以忽略ESD电阻R1和R2的影响，则可以得到：

VA＝VIN1-VD (1)

VC＝VIN2-VD (2)

其中，VA表示节点A的电压，VC表示节点C的电压，结合公式(1)和公式(2)可以得到，电流信号IR为：

由于电流信号IR大于偏置电流I1和偏置电流I2的电流和时，输出管MR的栅极电压被拉高，输出信号Vout翻转为逻辑低电平，由此可以得到本实施例的电压比较器电路的翻低的翻转点为：

VIN1-VIN2>(I1+I2)×R3 (4)

当输出信号Vout翻转为逻辑低电平时，晶体管MS关断，去掉偏置电流I2，由此可以得到该电压比较器的翻高的翻转点为：

VIN1-VIN2<I1×R3 (5)

通过采用较大的电阻R3和较小的偏置电流I2，可以降低由于电流I2的加入而导致的晶体管MP1和MP2之间的误差。

综上所述，本实施例的电压比较器电路将输入电压之间的电压差转换成电流信号，通过将该电流信号与偏置电流进行比较来获得输入电压之间的大小关系，电路的功耗主要由电流镜的镜像电流决定，与输入端的电压值无关，因此可以大大降低电路的功耗。此外，通过将输入电压之间的压差转换成电流信号，间接比较两个输入端电压的高低，可以避免分压电路使用，有利于提高比较精度。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (11)

1.一种电压比较器电路，包括：

压流转换模块，用于将第一输入电压和第二输入电压的电压差转换成电流信号；

电流偏置模块，用于根据带隙基准电流得到第一偏置电流；以及

电流比较模块，用于将所述电流信号与所述第一偏置电流进行比较，以输出表征所述第一输入电压和所述第二输入电压之间的电压差的输出信号。

2.根据权利要求1所述的电压比较器电路，所述电流比较模块被配置为在所述电流信号小于所述第一偏置电流的情况下输出逻辑高电平的输出信号。

3.根据权利要求2所述的电压比较器电路，还包括：

迟滞模块，用于在所述输出信号为逻辑高电平的情况下向所述电流比较模块提供第二偏置电流，

其中，所述电流比较模块被配置为在所述电流信号大于所述第一偏置电流和所述第二偏置电流的电流和的情况下翻转，以输出逻辑低电平的输出信号。

4.根据权利要求3所述的电压比较器电路，还包括：

高压钳位模块，连接于所述压流转换模块和所述电流偏置模块之间，用于保护所述电流偏置模块中的低压晶体管。

5.根据权利要求4所述的电压比较器电路，其中，所述压流转换模块包括：

依次连接于所述第一输入电压和所述高压钳位模块之间的第一电阻、第一晶体管和第二晶体管；以及

依次连接于所述第二输入电压和所述高压钳位模块之间的第二电阻、第三晶体管、第三电阻和第四晶体管，

其中，所述第一晶体管和所述第三晶体管连接成二极管结构，

所述第二晶体管和所述第四晶体管的控制端彼此连接，且与所述第二晶体管的第二端连接，所述第四晶体管的第二端用于输出所述电流信号。

6.根据权利要求5所述的电压比较器电路，其中，所述压流转换模块还包括：

稳压二极管，其阳极与所述第二晶体管和第四晶体管的控制端连接，阴极与所述第四晶体管的第一端连接。

7.根据权利要求5所述的电压比较器电路，其中，所述高压钳位模块包括：

第一钳位管，其第一端与所述第二晶体管的第二端连接，控制端与电源电压连接，第二端与所述电流偏置模块连接；以及

第二钳位管，其第一端与所述第四晶体管的第二端连接，控制端与所述电源电压连接，第二端与所述电流偏置模块连接。

8.根据权利要求7所述的电压比较器电路，其中，所述电流偏置模块包括第五晶体管至第八晶体管，

其中，所述第五晶体管的第一端与所述带隙基准电流连接，第二端接地，

第六晶体管至第八晶体管与所述第五晶体管的控制端连接，且连接到所述第五晶体管的第一端，以连接成电流镜，所述第六晶体管至所述第八晶体管的第二端接地，

所述第六晶体管的第一端与所述电流比较模块连接，以向所述电流比较模块提供偏置电流，

第七晶体管的第一端与所述第一钳位管的第二端连接，

所述第八晶体管的第一端与所述第二钳位管的第二端连接于电流比较点，以提供所述第一偏置电流。

9.根据权利要求8所述的电压比较器电路，其中，所述迟滞模块包括：

第九晶体管，其与所述第五晶体管连接成电流镜，第二端接地；以及

第十晶体管，其第一端与所述电流比较点连接，以提供所述第二偏置电流，第二端与所述第九晶体管的第一端连接，控制端与所述输出信号连接。

10.根据权利要求9所述的电压比较器电路，其中，所述电流比较模块包括：

第十一晶体管，其第一端与所述电源电压连接，第二端与所述第六晶体管的第一端连接；

第十二晶体管，其第一端与所述电源电压连接，控制端与所述第十一晶体管的控制端和第二端连接；

输出晶体管，其第一端与所述第十二晶体管的第二端连接，控制端与所述电流比较点连接，第二端接地；以及

依次连接于所述第十二晶体管和所述输出晶体管的中间节点与输出端之间的第一反相器和第二反相器。

11.根据权利要求10所述的电压比较器电路，其中，所述第一晶体管至所述第四晶体管以及所述第十一晶体管和所述第十二晶体管分别选自PMOS晶体管，

所述第一钳位管、所述第二钳位管、所述输出晶体管以及所述第五晶体管至所述第十晶体管分别选自NMOS晶体管。

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