DE19638087A1 - CMOS-Komparator - Google Patents
CMOS-KomparatorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen CMOS-Komparator nach dem Oberbe
griff des Patentanspruches 1. Ein derartiger CMOS-Komparator
wird bevorzugt bei selbstisolierenden Leistungs-IC-
Bauelementen eingesetzt.
Sogenannte PROFETs (temperaturgeschützte Feldeffekttransisto
ren) verwenden solche Komparatoren zum Vergleichen einer Meß
spannung mit einer Referenzspannung. Diese herkömmlichen Kom
paratoren benötigen aber relativ viel Platz, was dem Ziel ei
ner hohen Integrationsdichte entgegensteht.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ei
nen CMOS-Komparator mit geringem Platzbedarf zu schaffen, der
bei kleinem Meßsignal ausgangsseitig einen großen Spannungs
bereich zu durchfahren vermag, so daß er beispielsweise zum
Schalten von induktiven Lasten eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einem CMOS-Komparator nach dem Oberbe
griff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß durch die in des
sen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
Der erfindungsgemäße CMOS-Komparator zeichnet sich durch ei
nen einfachen Aufbau und damit einen geringen Platzbedarf
aus. Vier p-Kanal-Hochspannungstransistoren, die in bevorzug
ter Weise Lateraltransistoren sein können, bilden zwei erste
Stromspiegel. Im Strompfad auf der Referenz- oder Bezugsspan
nungsseite ist im Anschluß an die beiden p-Kanal-
Hochspannungstransistoren der beiden ersten Stromspiegel so
dann eine Stromquelle angeordnet, bei der es sich in bevor
zugter Weise um einen n-Kanal-Feldeffekttransistor handelt.
Im Anschluß an die Stromquelle und die beiden p-Kanal-
Hochspannungstransistoren der Meßspannungsseite folgen noch
zwei n-Kanal-Hochspannungsstransistoren, die ebenfalls in be
vorzugter Weise Lateraltransistoren sein können und einen
zweiten Stromspiegel bilden.
Der im Strompfad auf der Referenzseite fließende Vorspan
nungsstrom wird durch die Stromquelle bestimmt. Die Hochspan
nungstransistoren der beiden ersten Stromspiegel sind "ver
kehrt", d. h. ihre hochspannungsfesten Drains sind in Richtung
der positiveren Spannung, verglichen mit den Spannungen an
den Sources, angeordnet. Dadurch können mögliche negative
Spannungsspitzen beherrscht werden.
Ist die Eingangsspannung gleich der Referenzspannung, so
fließt in beiden Strompfaden der gleiche Strom, da die Hoch
spannungstransistoren der in Kaskode geschalteten beiden er
sten Stromspiegel und des zweiten Stromspiegels jeweils einen
sehr hohen dynamischen Ausgangswiderstand haben.
Die Ausgangsspannung, die zwischen den Hochspannungstransi
storen der ersten und zweiten Stromspiegel abgenommen wird,
reagiert sehr schnell auf Abweichungen zwischen der Eingangs
spannung und der Referenzspannung. Ist die Eingangsspannung
kleiner als die Referenzspannung, so fällt die Ausgangsspan
nung steil ab. Ist dagegen die Eingangsspannung größer als
die Referenzspannung, so steigt die Ausgangsspannung steil
an.
Der erfindungsgemäße CMOS-Transistor ist in bevorzugt er Weise
auf selbstisolierende Leistungs-IC-Bauelemente anwendbar und
vermag bei kleinem Meßsignal ausgangsseitig einen großen
Spannungsbereich zu durchfahren.
Eine vorteilhafte Anwendung der Erfindung ist beispielsweise
ein Stromspiegel-Hochseiten- (bzw. High-Side-) Schalter. Dabei
können die Hochspannungstransistoren der ersten Stromspiegel
sogar noch als Trennelemente zwischen dem CMOS-Komparator und
einem Leistungsausgang verwendet werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild des erfindungsgemäßen CMOS-Kom
parators und
Fig. 2 ein Schaltbild eines Stromspiegel-High-Side-
Schalters als Anwendungsbeispiel des erfin
dungsgemäßen CMOS-Komparators.
In Fig. 1 liegt eine zu messende Eingangsspannung VIN am
Drain D eines ersten p-Kanal-Lateral-Hochspannungs-
Feldeffekttransistors T₁₁, der mit einem zweiten p-Kanal-
Lateral-Hochspannungs-Feldeffekttransistor T₁₂ einen Strom
spiegel bildet. An Drain D des zweiten Feldeffekttransistors
liegt eine Referenz- oder Bezugsspannung URef. Source des er
sten Feldeffekttransistors T₁₁ bzw. Source des zweiten Fel
deffekttransistors T₁₂ sind jeweils mit Source eines dritten
bzw. vierten p-Kanal-Lateral-Hochspannungs-
Feldeffekttransistors T₁₃ bzw. T₁₄ verbunden. Der dritte Fel
deffekttransistor T₁₃ bildet zusammen mit dem vierten Feldef
fekttransistor T₁₄ einen weiteren Stromspiegel. Die miteinan
der verbundenen Gates der beiden Feldeffekttransistoren T₁₁
und T₁₂ sind über eine Z-Diode Z₁ mit dem Substratpotential
VGG verbunden.
Drain D des dritten Feldeffekttransistors T₁₃ ist mit einem
Ausgangsanschluß UOUT und mit Drain D eines ersten n-Kanal-La
teral-Hochspannungs-Feldeffekttransistors T₃₁ verbunden, der
mit einem zweiten n-Kanal-Lateral-Hochspannungs-
Feldeffekttran
sistor T₃₂ einen Stromspiegel bildet. An Source des Feldef
fekttransistors T₃₂ liegt eine Vorspannung U(-Bias) an. Zwi
schen Drain D des Feldeffekttransistors T₁₄ und Drain D des
Feldeffekttransistors T₃₂ liegt ein n-Kanal-
Feldeffekttransistor T₂ vom Verarmungstyp (Depletion-FET),
der als Stromquelle dient. Er könnte daher gegebenenfalls
auch durch eine Stromquelle ersetzt werden. Drain des Feldef
fekttransistors T₂ ist mit Drain des Feldeffekttransistors T₁₄
verbunden.
In einem ersten Strompfad oder -ast zwischen dem Anschluß für
die Referenzspannung URef und dem Anschluß für die Vorspannung
U(-Bias) fließt ein konstanter Strom IBias. Dieser Strom, der
durch den Feldeffekttransistor T₂ bestimmt ist, wird durch
die Stromspiegel T₁₁, T₁₂ und T131 T₁₄ sowie T₃₁, T₃₂ in einem
zweiten Strompfad oder -ast zwischen dem Anschluß für die
Eingangsspannung UIN und dem Anschluß für U(-Bias) gespie
gelt. Ist nun die Eingangsspannung UIN gleich groß wie die
Referenzspannung URef, so sind auch die beiden Ströme im er
sten und zweiten Strompfad gleich zueinander, da die Feldef
fekttransistoren T₃₁, T₃₂ und die eine Kaskode bildenden Fel
deffekttransistoren T₁₁ bis T₁₄ einen hohen dynamischen Aus
gangswiderstand haben. Wird die Eingangsspannung UIN kleiner
als die Referenzspannung URef, so geht das Potential P am Aus
gangsanschluß nach unten, d. h., die Ausgangsspannung UOUT
fällt stark ab. Ist dagegen die Eingangsspannung UIN größer
als die Referenzspannung URef, so steigt das Potential P an,
d. h., die Ausgangsspannung UOUT steigt steil an. Die Ausgangs
spannung UOUT reagiert also sehr rasch auf eine Abweichung
zwischen der Eingangsspannung UIN und der Referenzspannung
URef.
Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte Anwendung der Erfindung bei
einem Stromspiegel-High-Side-Schalter. Ein erfindungsgemäßer
CMOS-Komparator 1 ist mit der Eingangsspannung UIN und der
Referenzspannung URef beaufschlagt und liefert eine die Diffe
renz zwischen diesen Spannungen anzeigende Ausgangsspannung
UOUT. Zwischen dem Substratpotential VGG und der Vorspannung
U(-Bias) liegt als Schutzdiode eine zweite Z-Diode Z₂. Ein n-
Kanal-Haupt-Feldeffekttransistors 2 dient zum Schalten einer
induktiven Last 3 und bildet einen Stromspiegel mit einem n-
Kanal-Stromspiegel-Feldeffekttransistor 4. Gate des Feldef
fekttransistors 4 ist mit einer Gate-Source-Spannung UGS be
aufschlagt, welche auch Gate des Feldeffekttransistors 2 zu
geführt ist. Die Feldeffekttransistoren 2 und 4 sind mit ih
ren Drains jeweils an das Substratpotential VGG angeschlos
sen.
Die Spannung UOUT des CMOS-Komparators wird von einem p-Kanal-
Feldeffekttransistor T₄ abgegriffen, der mit Source bzw.
Drain über eine Diode D₁ mit dem Anschluß für die Eingangs
spannung UIN und über einen Widerstand R mit Masse verbunden
ist. Zwischen der Diode D₁ und Drain des Haupt-
Feldeffekttransistors 2 liegt noch eine Diode D₂, die entge
gengesetzt zur Diode D₁ gepolt ist. Die Dioden D₁ und D₂ sind
mit ihren Anoden mit Source des Feldeffekttransistors 4 ver
bunden.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Stromspiegel-High-Side-Schalter
kann der im Eingangsanschluß für die Eingangsspannung flie
ßende Strom i sehr klein sein und beispielsweise 1/10000 des
Ausgangsstromes I betragen.
Bei der Schaltung von Fig. 2 dienen die p-Kanal-
Feldeffekttran-sistoren T₁₁ bis T₁₄ des CMOS-Komparators 1
nicht nur als Bestandteile des Komparators 1 selbst, sondern
auch als Trennelemente zwischen dem Komparator 1 und dem Lei
stungsausgang. Wenn der Feldeffekttransistor T₄ als
"verkehrter" p-Kanal-Feldeffekttransistor ausgebildet wird,
dessen Drain in Richtung positiver Spannung angeordnet ist,
so kann auf die Diode D₁ verzichtet werden.
Claims (7)
1. CMOS-Komparator, insbesondere für Leistungs-IC-
Bauelemente, bei dem eine Eingangsspannung (UIN) mit einer
Bezugsspannung (URef) verglichen wird und an einem Ausgangsan
schluß ein eine Differenz zwischen der Eingangsspannung (UIN)
und der Bezugsspannung (URef) anzeigendes Spannungssignal (P)
abgreifbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein erster Strompfad zwischen einem Bezugsspannungsan schluß und einem Vorspannungsanschluß und ein zweiter Strompfad zwischen einem Eingangsspannungsanschuß und dem Vorspannungsanschluß jeweils aus mindestens zwei ersten Stromspiegeln (T₁₁, T₁₂; T₁₃, T₁₄) und einem zweiten Stromspie gel (T₃₁, T₃₂) bestehen,
daß im ersten Strompfad zwischen einem der ersten Stromspie gel (T₁₃, T₁₄) und dem zweiten Stromspiegel (T₃₁, T₃₂) eine Stromquelle (T₂) angeordnet ist, und
daß der Ausgangsanschluß zwischen dem einen ersten Stromspie gel (T₁₃, T₁₄) und dem zweiten Stromspiegel (T₃₁, T₃₂) ange schlossen ist.
daß ein erster Strompfad zwischen einem Bezugsspannungsan schluß und einem Vorspannungsanschluß und ein zweiter Strompfad zwischen einem Eingangsspannungsanschuß und dem Vorspannungsanschluß jeweils aus mindestens zwei ersten Stromspiegeln (T₁₁, T₁₂; T₁₃, T₁₄) und einem zweiten Stromspie gel (T₃₁, T₃₂) bestehen,
daß im ersten Strompfad zwischen einem der ersten Stromspie gel (T₁₃, T₁₄) und dem zweiten Stromspiegel (T₃₁, T₃₂) eine Stromquelle (T₂) angeordnet ist, und
daß der Ausgangsanschluß zwischen dem einen ersten Stromspie gel (T₁₃, T₁₄) und dem zweiten Stromspiegel (T₃₁, T₃₂) ange schlossen ist.
2. CMOS-Komparator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die ersten Stromspiegel aus p-Kanal-Lateral-
Hochspannungs
transistoren (T₁-T₁₄) bestehen, die im ersten und zweiten
Strompfad jeweils zueinander in Reihe geschaltet sind, wobei
Drain (D) des ersten p-Kanal-Lateral-
Hochspannungsstransistors (T₁₁) an eine gegenüber einer am
Vorspannungsanschluß liegenden Vorspannung positivere Span
nung angeschlossen ist.
3. CMOS-Komparator nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stromquelle (T₂) aus einem n-Kanal-
Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp besteht.
4. CMOS-Komparator nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Stromspiegel (T₃₁, T₃₂) aus n-Kanal-Lateral-
Hochspannungstransistoren besteht.
5. Verwendung des CMOS-Komparators nach einem der Ansprüche 1
bis 4 in einem Stromspiegel-Schalter (Fig. 2).
6. Stromspiegel-Schalter mit einem CMOS-Komparator nach einem
der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hochspannungstransistoren (T₁₁-T₁₄) der ersten
Stromspiegel als Trennelemente zwischen CMOS-Komparator (1)
und Leistungsausgang dienen.
7. Stromspiegel-Schalter nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Ausgangstransistor (T₄) mit Drain in Richtung positi
ver Spannung angeschlossen ist.
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