CN1180959A - 窗口比较器 - Google Patents

Abstract

窗口比较器包括差分电路级和负载电路级。差分电路级根据输入电压生成一对差分电流,当输入电压为一参考电压时,差分电流根据具有一最大值和一最小值的输入电压变化,负载电路级从参考电流和与从差分电流中选出的电流相对应的电流生成输出电压。通过产生参考电流和所述电流,按第二电流是否大于参考电流来确定一电压范围。由于窗口比较器的窗口按所述电流和参考电流形成,从而输出电压电平根据输入电压是否落入电压范围发生变化。

Description

窗口比较器

本发明涉及半导体集成电路，特别是适于半导体集成电路的窗口比较器电路。

窗口比较器根据输入电压是否落入预先设定的电压范围(此后指窗口)来输出一差分电压信号。一般而言，这样的一个窗口比较器包含两个运算放大器用来产生一个窗口。尤其是，第一运算放大器将输入电压与第一参考电压进行比较而第二运算放大器将第一运算放大器的输出与第二参考电压进行比较。

然而，传统的窗口比较器不适合用于半导体集成电路。换句话说，使用双极工艺很难在半导体基片上形成传统的窗口比较器的电路结构。

本发明的目的是提供一种窗口比较器，其适于通过使用双极工艺在半导体基片上形成半导体集成电路。

本发明的另一个目的是提供一种能够形成窗口比较器窗口的窗口制作方法。

根据本发明的窗口比较器的电路，其包含一个第一电路级和一个第二电路级。第一级电路由输入电压产生一第一电流，第一电流根据输入电压而发生变化，这样当输入电压为一预先设定的电压值时第一电流有一个最大值或一个最小值。第二级电路根据参考电流和与第一电流相对应的第二电流产生一个输出电压。通过根据第二电流是否大于参考电流产生参考电流和第二电流以便围绕预先设定的电压来确定一电压范围。换句话说，窗口比较器的窗口是根据第二电流和参考电流形成。因此，输出电压电平根据输入电压是否落入该电压范围来变化。

图1为本发明第一实施例的电路图；

图2为图1中所示第一实施例的输入差分级的电路图；

图3为显示在图2的差分输入级时各个电流I_C1-I_C4随输入电压Vin的变化；

图4为显示在图2的差分输入级时各个输出电流I₁和I₂随输入电压Vin的变化；

图5为图1中所示第一实施例的负载电路的电路图；

图6为显示在图5的负载电路中各个电流I₃-I₅随输入电压Vin的变化示意图；

图7为显示在图1中的第一实施例中输出电压VA随输入电压Vin的变化示意图；

图8为在图1中的第一实施例中反向输出电压VB随输入电压Vin的变化示意图；

图9为本发明第二实施例的电路图；

图10为显示在图9中的第二实施例的负载电路中各个电流I₃-I₆随输入电压Vin的变化示意图；

图11为显示在图9的第二实施例中输出电压VA和VB随输入电压Vin的变化示意图；

图12为本发明第三个实施例的电路图；

图13为显示在图12中所示第三实施例负载电路中各个电流随输入电压Vin的变化示意图；及

图14为显示在图12的第三实施例中输出电压VB随输入电压Vin的变化示意图。

参考图1，窗口比较器由输入差分级和负载电路组成，而输入差分级包含NPN晶体管Q₁-Q₄，而负载电路包含PNP晶体管Q₅-Q₈以及NPN晶体管Q₉-Q₁₁。输入差分级输入一输入电压Vin并产生输入电流I₁和I₂。负载电路根据输入差分级的输出电流I₁和I₂产生输出电压VA和反向输出电压VB。

输入差分级由第一差分对电路和第二差分对电路组成。第一差分对电路具有晶体管Q₁和Q₂且它们的发射级一起联接到恒定电流源101(恒定电流I_L1)，而第二差分对电路具有晶体管Q₃和Q₄，且它们的发射级共同连接到恒定电流源101(恒定电流I_L2)。晶体管Q₂和Q₃的基极互联并加有参考电压Vref，而输入电压Vin被加到相互连接的晶体管Q₁和Q₄的基极。此外，晶体管Q₁和Q₃的集电极互连且晶体管Q₂和Q₄的集电极互连。

在第一差分对电路中，晶体管Q₁的发射极面积S_E1不同于晶体管Q₂的发射极面积。类似的，在第二差分对电路中，晶体管Q₃的发射极面积不同于晶体管Q₄的发射极面积S_E4。这里S_E1∶S_E2＝S_E3∶S_E4＝a∶b(a≠b)。

负载电路由三个电流镜电路和一个反向电路组成。具体说，第一电流镜电路由晶体管Q₅和Q₆组成。晶体管Q₅的基极和集电极互连并还与输入差分级的晶体管Q₁和Q₃的集电极相连。晶体管Q₅和Q₆的基极互连并向它们发射极施加一电压源Vcc。因此，晶体管Q₅和晶体管Q₆共同构成了第一电流镜电路。类似地，第二电流镜电路由晶体管Q₇和Q₈组成。晶体管Q₇的基极和集电极互连并进而与输入差分级的晶体管Q₂和Q₄的集电极相连。晶体管Q₇和Q₈的基极互连并向它们的发射极施加一电压源Vcc。因此，晶体管Q₇与晶体管Q₈共同构成了第二电流镜电路。

在第一电流镜电路中，晶体管Q₅的发射极面积S_E5与晶体管Q₆的发射极面积S_E6不同。这里，S_E5∶S_E6＝c∶d(c≠d)。类似地，在第二电流镜电路中，晶体管Q₇的发射极面积S_E7与晶体管Q₈的发射极面积S_E8不同。这里S_E7∶S_E8＝e∶f(e≠f)。

第三电流镜电路由晶体管Q₉和Q₁₀组成。晶体管Q₉的基极和集电极相连并还与第二电流镜电路的晶体管Q₈的集电极相连。晶体管Q₁₀的集电极与第一电流镜电路的晶体管Q₆的集电极相连。晶体管Q₉和Q₁₀的基极互连且它们的发射极接地。晶体管Q₉的发射极面积与晶体管Q₁₀的发射极面积相等。输出电压VA从晶体管Q₆和Q₁₀的集电极的连接点输出。

反向电路由晶体管Q₁和电阻R₁组成。晶体管Q₁₁的基极与晶体管Q₆和Q₁₀的集电极的连接点相连。晶体管Q₁₁的发射极接地且其集电极通过电阻R₁与电压源Vcc相连。反向输出电压VB从晶体管Q₁₁的集电极输出。

参考图2，其示出了图1窗口比较器中的差分输出级。在此图中，用R_C1和R_C2表示负载电路。第一和第二负载R_C1和R_C2分别与差分输入级的第一和第二输出点相连，也即，分别与晶体管Q₁和Q₃的集电极和晶体管Q₂和Q₄的集电极相连。差分输入级的输出电流I₁和I₂分别流过第一和第二负载R_C1和R_C2。此外，分别用I_C1-I_C4代表晶体管Q₁-Q₄的集电极电流，且如前所述，差分对电路的相应发射极面积比率都为a/b。在这样的一个差分输入级中，晶体管Q₁-Q₄的集电极电流I_C1-I_C4众所周知的可用如下方程(1)到(4)来表示： $I_{C1}=\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\β}+1}\·\frac{I_{L1}}{1+\exp \{(-q/\mathrm{KT})\×(V1+\mathrm{dV}-V2)\}}---\left(1\right),$ $I_{C2}=\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\β}+1}\·\frac{I_{L1}}{1+\exp \{(q/\mathrm{KT})\×(V1+\mathrm{dV}-V2)\}}---\left(2\right),$ $I_{C3}=\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\β}+1}\·\frac{I_{L2}}{1+\exp \{(q/\mathrm{KT})\×(V1-\mathrm{dV}-V2)\}}---\left(3\right),\mathrm{and}$ $I_{C4}=\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\β}+1}\·\frac{I_{L2}}{1+\exp \{(-q/\mathrm{KT})\×(V1-\mathrm{dV}-V2)\}}---\left(4\right),$ 其中K为波尔兹曼常数，T为绝对温度，q为一个电子的电荷，β为电流放大系数，V₁为输入电压Vin，V₂为参考电压Vref。此外，dv被表示如下：

             dv＝(KT/q)×ln(a/b)       …(5)其中In代表自然对数。因此，当a/b不等于1时，集电极电流I_C1和I_C2的特征曲线和集电极电流I_C3和I_C4的特征曲线从参考电压Vref向相反方向位移dv。

参考图3和图4，在I_L1＝I_L2＝I_L的情况下示出了电流特征曲线。如图3中所示，晶体管Q₁-Q₄的各集电极电流I_C1-I_C4根据输入电压Vin发生变化。由于差分对电路的各发射极面积比率为a/b≠1，集电极电流I_C1和I_C2和特征曲线和集电极电流I_C3和I_C4的特征曲线如图中所示相对于表示参考电压Vref的竖线是对称的。由于I₁＝I_C1+I_C3以及I₂＝I_C2+I_C4I₁和I₂的特征曲线如图4中所示相对于表示恒定电流I_L的水平线是对称的。

参考图5，其示出了与图2的R_C1和R_C2对应的图1的窗口比较器的负载电路。如上所述，具有第一发射极面积比率(c∶d)的晶体管Q₅和Q₆形成了第一电流镜电路，具有第二发射极面积比率(e∶f)的晶体管Q₇和Q₈形成第二电流镜电路，而具有相等发射极面积的晶体管Q₉和Q₁₀形成了第三电流镜电路。当用I₃和I₄表示晶体管Q₆和Q₈的各集电极电流时，用I₅表示晶体管Q₁₁的基极电流，而用I₆表示晶体管Q₁₀的集电极电流，用d/cxI₁表示集电极电流I₃而用f/exI₂表示集电极电流I₄。此外，由于晶体管Q₉和Q₁₀具有相等的发射极面积从而集电极电流I₆基本上等于I₄，因此基极电流可以忽略。

参考图6，其示出了在C∶d＝1∶2及e∶f＝1∶3的情况下负载电路的电流特征曲线。具体地说，用2I₁表示集电极电流I₃而用3I₂代表集电极电流I₄。通过这样设定发射极面积比率，根据图4的一对差分输出电流I₁和I₂产生I₃≥I₄的窗口范围201和I₃＜I₄的其它范围202。I₃≥I₄的窗口范围201的中心电压为Vref，其偏差由发射极面积比率d/c和f/e来决定。换句话说，可通过设定发射极面积比率d/c和f/e来产生所需的窗口范围201。

在I₃＜I₄的外部范围202内，晶体管Q₆的所有集电极电流I₃流入晶体管Q₁₀的集电极，其结果I₃＝I₆。因此，当输入电压Vin落入外部范围202内时，晶体管Q₁₁的基极电流I₅等于零。另一方面，在I₃≥I₄的窗口范围201，集电极电流I₃的额外电流作为基极电流I₅流入晶体管Q₁₁的基极。也即：I₅＝I₃-I₆。

在此情况下，只有当输入电压Vin落入窗口范围201时，晶体管Q₁₁的基极电流I₅才流动。换句话说，通过截止点I₃＝I₄，晶体管Q₁₁在外部范围202期间被保持关闭或不导通，而在窗口范围201期间其打开或导通。因此，正如图7和图8所示，可获得陡的比较器窗口。

图7和图8示出了在a∶b＝2∶1，c∶d＝1∶2，e∶f＝1∶3，I_L1＝I_L2＝I_L＝5UA，Vref＝0.87V，Vcc＝1.05V，电阻R₁＝100KΩ的条件下的仿真电路中的输入一输出响应实例。从图中可明显地看出，输出电压VA和反向输出电压VB在窗口范围201的边缘陡变从而产生了陡的比较器窗口。

参考图9，根据本发明的第二实施例的窗口较器具有与图1的第一实施例相同的输入差分级。因此，在图4中示出了与第一实施例相同情况下的输出电流I₁和I₂的特征曲线。然而，在第二实施例中，将如此后所述，负载电路与第一实施例不同。

如图9中所示，负载电路由三个电流镜电路和一个反向电路组成。具体地说，第一电流镜电路由晶体管Q₂₁和Q₂₂组成。晶体管Q₂₁的基极和集电极互连并还与差分输入级的晶体管Q₁和Q₃的集电极相连。晶体管Q₂₁和Q₂₂的基极互连，并且在它们的发射极加有电压源Vcc。因此，晶体管Q₂₁与晶体管Q₂₂组合成为第一电流镜电路。类似地，第二电流镜电路由晶体管Q₂₃和Q₂₄组成。晶体管Q₂₃的基极和集电极互连并且还与差分输入级的晶体管Q₂和Q₄的集电极相连。晶体管Q₂₃和Q₂₄的基极互连，并且在它们的发射极加有电压源Vcc。因此，晶体管Q₂₃与晶体管Q₂₄结合形成第二电流镜电路。在第二实施例中，晶体管Q₂₁的发射极面积与晶体管Q₂₂的发射极面积相等，也即C∶d＝1∶1。类似地，晶体管Q₂₃的发射极面积与晶体管Q₂₄的发射极面积相等，也即e∶f＝1∶1。

第三电流镜电路由晶体管Q₂₅和Q₂₆组成。晶体管Q₂₅的基极和集电极互连并且还与第二电流镜电路的晶体管Q₂₄的集电极相连。晶体管Q₂₆的集电极与第一电流镜电路的晶体管Q₂₂的集电极相连。晶体管Q₂₅和Q₂₆的基极互连，它们的发射极接地。晶体管Q₂₅的发射极面积S_E25与晶体管Q₂₆的发射极面积S_E26不同。这里，S_E25∶S_E26＝h∶g。在晶体管Q₂₂和Q₂₆的集电极的连接点处引出输出电压VA。

如在第一实施例的情况一样，反向电路是由晶体管Q₁₁和电阻R₁组成。在晶体管Q₁₁的集电极引出反向输出电压VB。

具有相等发射极面积的晶体管Q₂₁和Q₂₂组成第一电流镜电路，具有相等发射极面积的晶体管Q₂₃和Q₂₄形成第二电流镜电路，具有不等发射区的晶体管(区比率为h∶g)形成第三电流镜电路。当晶体管Q₂₂和Q₂₄的各发射级电流用I₃和I₄表示时，用I₅表示晶体管Q₁₁的基极电流，而用I₆表示晶体管Q₂₀的集电极电流，集电极电流I₃大致等于I₁而集电极电流I₄大致等于I₂。此外，由于基极电流可以忽略，从而用g/h×I₄表示集电极电流I₆。

参考图10，在h∶g＝2∶3的情况下示出负载电路的电流特征曲线。具体地说，用3/2×I₄表示集电极电流I₆。通过这样设定发射极面积比率，从图4的一对差分输出电流I₁和I₂可以产生I₃≥I₆(＝3/2×I₄)的窗口范围301和I₃＜I₆(＝3/2×I₄)的其它范围302。窗口范围301的中心电压为Vvef，其偏差由发射极面积比率g/h来确定。换句话说，可以通过设定发射极面积比率g/h来生成所需的窗口范围301。

在I₃＜I₆的外部范围302，晶体管Q₂₂的全部集电极电流I₃都流入晶体管Q₂₆的集电极，其结果是I₃＝I₆。因此，当输入电压Vin落入外部范围302时，晶体管Q₁₁的基极电流I₅等于零。另一方面，在I₃≥I₆的窗口范围301内，集电极电流I₃的多出的部分电流作为基极电流I₅流入晶体管Q₁₁的基极。也即I₅＝I₃-I₆。

在此情况下，只有当输入电压Vin落入窗口范围301内时，晶体管Q₁₁的基极电流I₅才会流动。换句话说，通过I₃＝I₆的截止点，在外部范围302期间晶体管Q₁₁被保持阻断或不导通，而在窗口范围301期间变为打开或导通。因此，可获得如图11中所示的陡的比较器窗。

图11示出了在a∶b＝2∶1，h∶g＝2∶3，I_L1＝I_L2＝I_L＝5UA，Vref＝0.87V，Vcc＝1.05V，电阻R₁＝100KΩ的条件下在电路模拟试验实例的输入一输出响应。从图中可明显地看出在窗口范围301的边缘输出电压VA和反向输出电压VB陡变以产生一陡的比较器窗口。

参考图12，根据本发明的第三实施例的窗口比较器具有与图1的第一实施例相同的差分输入级。因此，在图4中示出了与第一实施例相同情况下的输出电流I₁和I₂的特征曲线。然而在第三实施例中，正如此后将要描述的，负载电路是不同于第一实施例的。

正如图12中所示的，负载电路由晶体管Q₂₁和Q₂₂所组成的电流镜电路、负载Rc、恒定电流源103和由晶体管Q₁₁所组成的反向电路组成。具体地说，晶体管Q₂₁的基极和集电极互连并且还与差分输入级的晶体管Q₁和Q₃的集电极相连。晶体管Q₂₁和Q₂₂的基极互连，并且在它们的发射极加有电压源Vcc。因此，晶体管Q₂₁与晶体管Q₂₂相结合形成电流镜电路。在第三实施例中，晶体管Q₂₁的发射极面积与晶体管Q₂₂的发射极面积相等，也即c∶d＝1∶1。晶体管Q₂₂的集电极通过恒流源103接地。在晶体管Q₂₂的集电极上引出输出电压VA。如在第一实施例中那样，反向电路由晶体管Q₁₁和电阻R₁组成。在晶体管Q₁₁的集电极上引出反向输出电压VB。另一方面，差分输入级的晶体管Q₂和Q₄的集电极通过负载Rc与电源Vcc相连。

此后，用I₃表示晶体管Q₂₂的集电极电流，是I₅表示晶体管Q₁₁的基极电流，并用I_L3表示恒定电流源103的恒定电流。

参考图13，由于晶体管Q₂₁的发射极面积与晶体管Q₂₂的发射极面积相等，从而集电极电流I₃大致与I₁相等，且设定恒定电流源103的恒定电流I_L3从而如图中所示表示恒定电流I_L3的水平线截断集电极电流I₃或I₁的曲线。因此，由图4的输出电流I₁产生I₃≥I_L3的窗口范围401和I₃＜I_L3的其它范围402。窗口范围401具有Vref的中心电压，其偏差由恒定电流I_L3来确定。

在I₃＜I_L3的外部范围内，晶体管Q₂₂的全部集电极电流I₃流入恒定电流源103，其结果I₃＝I_L3。因此，当输入电压Vin落入外部范围402时，晶体管Q₁₁的基极电流I5等于0。另一方面，在I₃≥I_L3的窗口范围401，集电极电流I₃的多余部分电流作为基极电流I₅流入晶体管Q₁₁的基极。也即：I₅＝I₃-I_L3。

在此情况下，只有当输入电压Vin落入窗口范围401时，晶体管Q₁₁的基极电流I₅才流动。换句话说，通过I₃＝I_L3的截止点，在外部范围402内晶体管Q₁₁被保持断开或不导通，而在窗口范围401内其变为打开或导通。因此，可获得如图14中所示的陡的窗口。

图14示出了在a∶b＝2∶1、I_L1＝I_L2＝I_L＝5UA、I_L3＝5.5UA、Vref＝0.87V、Vcc＝1.05V、电阻R₁＝100KΩ的条件下在电路模拟试验实例中的输入一输出响应关系。从图中可明显地看出，在窗口范围401的边缘反向输出电压VB陡变从而生成陡的比较器窗口。

如上所述，根据本发明，通过简化电路结构可以获得陡的比较器窗口。换句话说，可通过较少数目的电路元件和较低的功率损耗来形成窗口比较器。因此，其适于电路集成化。

Claims (16)

1.一种电路，其特征在于包含：

用于根据输入电压产生第一电流的第一级电路，第一电流根据输入电压而发生变化，致使当输入电压为一预先设定的电压值时，第一电流具有一个最大值或最小值；及

用于根据参考电流和与第一电流对应的第二电流产生输出电压的第二级电路，通过产生参考电流和第二电流并根据第二电流是否大于参考电流以便在预先没定的电压周围确定一电压范围，该输出电压电平根据输入电压是否落入电压范围而发生变化。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于第二级电路包含：

用于由第一电流生成第二电流的第一电流源；

用于由镜像电流生成参考电流的第二电流源，其中镜像电流是通过参照预先设定的电流值对第一电流进行一定幅度的倒相形成的；及

用于接收参考电流和第二电流以生成输出电压的第三电流源。

3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于：

第一电流源包含一接收第一电流并产生第二电流的非平衡电流镜电路；及

第二电流源包含一接收镜像电流并产生参考电流的第二非平衡电流镜电路。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于第二电路包含：

用于由第一电流生成镜电流的第一电流镜电路；

用于从镜像电流生成参考电流的第二电流镜电路，其中镜像电路是通过参照预先设定的电流值来对第一电流进行一定幅度的倒相而获得的；及

用于从镜电流和参考电流生成第二电流并产生输出电压的非平衡电流镜电路。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于第二级电路包含：

用于由第一电流生成镜电流的电流镜电路；及

用于产生参考电流的恒定电流源，

其中电流镜电路与恒定电流源相连，致使镜电流流入恒定电流源以产生输出电压。

6.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的电路，其特征在于还包含：

用于使输出电压反向以产生反向输出电压的反向器。

7.一种电路，其特征在于包含：

用于接收输入电压并根据输入电压产生一对第一和第二差分电流的一级差分电路，当输入电压为一预定电压时，该差分电流根据形成最大值和最小值的该输入电压而发生变化；

用于产生参考电流及与从第一和第二差分电流中所选出的一个相对应的电流的电流控制级，这样根据该电流是否大于参考电流来在预定电压周围确定一电压范围；及

用于根据参考电流及所述电流来生成输出电压的输出级，输出电压电平根据输入电压是否落入该电压范围来进行变化。

8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于电流控制级包含：

用于产生所述电流的第一电流源，该电流比第一差分电流大一第一倍数；及

用于产生所述参考电流的第二电流源，该参考电流此第二差分电流大一第二倍数，

其中第一倍数和第二倍数的确定，致使根据该电流是否大于该参考电流而围绕所预定电压确定该电压的范围。

9.根据权利要求8所述的电路，其特征在于：

第一电流源包含接收第一差分电流并产生所述电流的第一非平衡电流镜电路；及

第二电流源包含接收第二差分电流并产生所述参考电流的第二非平衡电流镜电路。

10.根据权利要求7所述的电路，其特征在于电流控制级和输出级包含：

用于由第一差分电流产生镜电流的第一电流镜电路；

用于由第二差分电流产生参考电流的第二电流镜电路；及

用于根据镜电流和参考电流产生所述电流并生成输出电压的非平衡电流镜电路。

11.根据权利要求7所述的电路，其特征在于电流控制级及输出级包含：

用于由第一差分电流产生镜电流的电流镜电路；及

用于产生所述参考电流的恒定电流源，

其中电流镜电路与恒定电流源相连，从而镜电流流入恒定电流源产生输出电压。

12.根据权利要求7所述的电路，其特征在于包含：

用于将输出电压倒相以产生反相输出电压的反相器。

13.根据权利要求7-12中的任一权利要求所述的电路，其特征在于差分电路级包含：

接收输入电压及预定电压并产生第一电流和比第一电流小一预定倍数的第二电流的第一差分电路；

接收输入电压和预定电压并产生第三电流和比第三电流小某一预定倍数的第四电流的第二差分电路；

与第一差分电路相连的第一负载电流源，用于产生预定恒定电流；及

与第二差分电路相连的第二负载电流源，用于产生预定恒定电流，

其中第一电流和第三电流相结合以产生第一差分电流，第二电流和第四电流相结合产生第二差分电流。

14.一种用于产生窗口比较器窗口的方法，其特征在于包含如下步骤：

由输入电压产生第一电流，第一电流根据输入电压而变化，从而当输入电压为一预定电压时第一电流有一个最大值或一个最小值；

产生参考电流及与第一电流相对应的第二电流，从而使第二电流部分地大于或小于参考电流；及

根据第二电流及参考电流来形成窗口，从而根据第二电流是否大于参考电流来围绕该预定电压确定窗口。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于由镜像电流产生所述参考电流，其中镜像电流是通过参考预定电流来将第一电流倒相某一幅度来获得的。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于其中参考电流是由恒定电流源产生的恒定电流。

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