DE19638087A1 - CMOS-Komparator - Google Patents

CMOS-Komparator

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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.
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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