專利名稱：電壓比較器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于把輸入電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較的一種電壓比較器，所說的電壓比較器包括進(jìn)行比較的裝置；時(shí)鐘信號(hào)受控開關(guān)裝置，連接到所說的進(jìn)行比較的裝置用于在該時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)激勵(lì)該進(jìn)行比較的比較裝置；以及用于進(jìn)行確定的裝置，用于確定一個(gè)比較的結(jié)束的并且用于控制該開關(guān)裝置在確定一個(gè)比較的結(jié)束時(shí)斷開該進(jìn)行比較的裝置的激勵(lì)。這種類別的電壓比較器可從歐洲專利申請(qǐng)1,026,826中得知。
這種比較器對(duì)于移動(dòng)產(chǎn)品的電池監(jiān)視尤其有益。在這種產(chǎn)品中最重要的是一方面要以足夠的精確度監(jiān)視該電池電量，另一方面該電壓比較器自身從該電池汲取的電流要盡可能地小。一種最小化該比較器的耗電的方法是以降低的偏流操作該比較器，但是這將是以失去測量的精確度為代價(jià)的。另一方法是間歇地操作該比較器。例如這可以通過僅在具有小占空因周期的1KHz時(shí)鐘信號(hào)的″高″狀態(tài)啟動(dòng)該比較器而實(shí)現(xiàn)，以便該比較運(yùn)算實(shí)際僅在1ms時(shí)鐘周期的一較小部分期間出現(xiàn)。
該方法的一個(gè)缺陷是，當(dāng)所說的部分太小時(shí)，在比較還沒有結(jié)束時(shí)比較器就斷開，使得導(dǎo)致不正確的結(jié)果。另一方面，當(dāng)其中比較器被啟動(dòng)該部分太高時(shí)，則不必要地加大比較器的功耗。為了克服這種缺陷，已有技術(shù)的電壓比較器包括有確定比較結(jié)束剎間的裝置，以便在到達(dá)該剎間時(shí)斷開該比較器。
在上述種類的電壓比較器中，是通過本專業(yè)中稱之為″能帶隙″的電壓發(fā)生器方便地獲得該基準(zhǔn)電壓。這樣的基準(zhǔn)電壓大約等于1.2V并且基本上與溫度無關(guān)。但是，這意味著該輸入電壓只能是與1.2V比較。本發(fā)明尋求在保持電壓比較器的低功耗的同時(shí)避免這種局限性，并且本發(fā)明的電壓比較器的特征因此在于一個(gè)分壓器，用于把輸入電壓分割為將要被比較的電壓，該開關(guān)裝置包括與該分壓器串聯(lián)連接的一個(gè)開關(guān)，用于在該比較裝置被去除激勵(lì)時(shí)禁止經(jīng)該分壓器的電流流動(dòng)。以此方式，該分壓器的功耗能夠被最小化到僅為一個(gè)非開關(guān)電壓分壓器的功耗的一小部分。該低功耗還允許使用一個(gè)低電阻的分壓器，該低電阻的分壓器具有的優(yōu)點(diǎn)是，由該分壓器占用的印模區(qū)域較小。
根據(jù)本發(fā)明的電壓比較器的進(jìn)一步的特征在于所說的開關(guān)裝置包括一個(gè)施密特(Schmitt)觸發(fā)器，其輸入端由控制與所說的該分壓器串聯(lián)連接的所說的開關(guān)的信號(hào)所控制，并且其輸出控制該比較裝置的激勵(lì)和激勵(lì)的去除。該施密特觸發(fā)器的用途是保證所說的開關(guān)被完全″導(dǎo)通″，并且結(jié)果是其阻抗在該比較裝置實(shí)施操作以前足夠低。
本發(fā)明的電壓比較器的更進(jìn)一步特征還在于所說的比較裝置具有兩個(gè)實(shí)質(zhì)完全相同的輸出端，在比較裝置被去除激勵(lì)時(shí)所說的開關(guān)裝置被用于把不同電壓強(qiáng)制到所說的輸出端，并且一個(gè)″異″門連接到所說的兩個(gè)輸出端，在這兩個(gè)輸出端電壓基本上相等時(shí)用于確定比較的結(jié)束，并且用于通過一個(gè)時(shí)鐘控制鎖存器控制該比較裝置的激勵(lì)的去除以及該分壓器的斷開。這一方案提供了一種簡單而可靠的裝置用于確定該比較操作的結(jié)果。
將參照附圖描述本發(fā)明，該附圖示出了根據(jù)本發(fā)明的電壓比較器的概要電路圖。
該圖的電壓比較器包括兩個(gè)NMOS晶體管T1和T2，其源電極被互連到一個(gè)共同電流源I。晶體管T1的柵電極連接到被檢測為Vs的一個(gè)電壓而該晶體管T2的柵電極被連接到基準(zhǔn)電壓Vr。該晶體管T1的漏極電流經(jīng)過PMOS晶體管T3、T4的第一電流鏡而被鏡像，隨后是由NMOS晶體管T5、T6的第二電流鏡和晶體管T5和NMOS晶體管T7的第三電流鏡所鏡像。晶體管T2的漏極電流經(jīng)過PMOS晶體管T8、T9的第四電流鏡和所說的晶體管T8和PMOS晶體管T10的第五電流鏡所鏡像。晶體管T6和T9的漏極互連構(gòu)成一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)N1，而晶體管T7和T10的漏極互連構(gòu)成第二輸出節(jié)點(diǎn)N2。第二輸出節(jié)點(diǎn)耦合到時(shí)鐘控制的具有時(shí)鐘輸入c和輸出端q的鎖存器L1的輸入d。輸出端q耦合到電壓比較器的輸出O?？梢钥吹?，節(jié)點(diǎn)N1和N2構(gòu)成兩個(gè)輸出級(jí)的輸出端，除開關(guān)S1和S2以外，結(jié)構(gòu)上完全相同并且其產(chǎn)生的輸出電壓將終結(jié)在同一個(gè)值。當(dāng)出現(xiàn)這種情形時(shí)，可以認(rèn)為比較結(jié)束，并且可以安全地切斷該比較器。
節(jié)點(diǎn)N1和N2每一個(gè)都分別通過施密特觸發(fā)器M1和M2連接到″異″門X的一個(gè)輸入端?！瀹悺彘TX的輸出端通過第三施密特觸發(fā)器M3和反相器W復(fù)位一個(gè)第二時(shí)鐘控制的鎖存器L2。與鎖存器L1相同，鎖存器L2也包括輸入端d、輸出端q、時(shí)鐘輸入以及一個(gè)復(fù)位輸入r。輸入端d被連接到正電源電壓。當(dāng)時(shí)鐘輸入c出現(xiàn)上升沿時(shí)，鎖存器將以輸入端d發(fā)送正電壓到其輸出端q，并且當(dāng)復(fù)位輸入r從反相器W接收一個(gè)″高″值時(shí)，該鎖存器的輸出端q將返回到″低″值。


圖1的電壓比較器還包括開關(guān)S1、S2、S3和S4，通過第四施密特觸發(fā)器M4由鎖存器L2的輸出端q控制。圖中沒有示出施密特觸發(fā)器和開關(guān)之間的連接。當(dāng)鎖存器L2復(fù)位時(shí)，開關(guān)S1把節(jié)點(diǎn)N1連接到正電源，而當(dāng)L2復(fù)位時(shí)，開關(guān)S2把節(jié)點(diǎn)N2連接到負(fù)電源。因此，異門X的輸入之一是″高″值而另一輸入是″低″值，使得該異門的輸出是″高″值。當(dāng)鎖存器L2復(fù)位時(shí)，開關(guān)S3把比較器晶體管T1和T2的源電極與電流源I的互連斷開，并且開關(guān)S4把電流鏡像器晶體管T5、T6和T7的柵電極連接到負(fù)電源。
工作中，當(dāng)鎖存器L2的時(shí)鐘輸入c出現(xiàn)上升沿時(shí)，其輸出端q將通過施密特觸發(fā)器M4打開該開關(guān)S1、S2和S4，并且關(guān)閉該開關(guān)S3，如圖所示。這將使得比較器進(jìn)入工作，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)N1和N2將不再分別保持在正、負(fù)電源電壓。當(dāng)將要檢測的電壓Vs高于基準(zhǔn)電壓Vr時(shí)，鏡像到T6的T1的漏極電流將下拉節(jié)點(diǎn)N1的電壓，直至該電壓等于節(jié)點(diǎn)N2的電壓。另一方面，當(dāng)電壓Vs低于基準(zhǔn)電壓Vr時(shí)，鏡像到T10的T2的漏極電流將上推該節(jié)點(diǎn)N2的電壓，直至該電壓等于節(jié)點(diǎn)N1的電壓。在兩種情況中的最后結(jié)果都是該兩個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓相等，使得異門的輸出落到″低″值。這將通過施密特觸發(fā)器M3在反相器W的輸出給出一個(gè)″高″值。該″高″值將復(fù)位鎖存器L2，這一鎖存器的輸出變成″低″值，并且這將禁動(dòng)該比較電路，直到時(shí)鐘輸入的一個(gè)新的上升沿出現(xiàn)為止。結(jié)果，當(dāng)比較操作結(jié)束時(shí)，將關(guān)閉比較器并且停止任何進(jìn)一步的功耗。一個(gè)普通比較器工作中通常汲取的偏流是2μA。在最糟情況中的比較時(shí)間是5μs。當(dāng)每一1000μs執(zhí)行一次比較時(shí)，則比較器的平均耗電被降低到2μA/200＝10nA?？梢宰⒁獾?，CMOS技術(shù)中的施密特觸發(fā)器、″異″門和鎖存器，就像在此技術(shù)中的其它門電路那樣，在從″低″到″高″的過渡期間僅汲取很短的電流峰值，反之亦然。
如在該介紹中解釋的那樣，基準(zhǔn)電壓Vr常常具有1.2V的定值。為了能夠比較多個(gè)電壓電平，圖1的電壓比較器包括一個(gè)分壓器D，具有多個(gè)串聯(lián)連接的電阻R1、R2、R3、R4、R5，以及分別橋接該電阻R2、R3和R4的開關(guān)S5、S6和S7。而且，與該分壓器串聯(lián)的是一個(gè)開關(guān)S8，連接在電阻R5和負(fù)電源終端(地)之間。其值必須由電壓比較器監(jiān)視的電壓Vin被加到電阻R1，并且從電阻R4和R5的互連得到被加到晶體管T1的柵電極的電壓Vs?？刂茊卧猆控制開關(guān)S5、S6和S7的位置，以使能夠設(shè)置幾個(gè)比較電平。當(dāng)然，當(dāng)僅需要一個(gè)比較電平時(shí)，能夠省卻開關(guān)S5、S6和S7并且以單一電阻替代電阻R1到R4。
開關(guān)S8由鎖存器L2的輸出控制，基本上與對(duì)開關(guān)S1到S4的控制同時(shí)發(fā)生。因此，當(dāng)比較器從電源斷開時(shí)，也停止電流通過該分壓器，使得不再由被監(jiān)視的電池加載。這是該圖示出的比較器的一個(gè)很重要的特征。利用300kΩ的分壓器和將要監(jiān)視的3V的電壓Vin，通過分壓器的電流是10μA，即基本上多于比較器的工作電流。通過基本上在斷開比較器的同時(shí)斷開該分壓器，使得通過該分壓器的平均電流以與該比較器的平均電流的相同的系數(shù)(例如200)降低。分壓器的電阻值還可以被降低，例如從300kΩ降低到100kΩ，以便降低印模區(qū)。在這些成分部件當(dāng)中電阻分壓器是該IC中的最耗印模區(qū)的部件。因此，分壓器的開關(guān)將同時(shí)地降低該印模區(qū)(例如以因數(shù)3)以及電流消耗(例如以接近70的一個(gè)因數(shù))。
可以分別跨越晶體管T6和T10的源一漏路徑連接兩個(gè)電容器(沒示出)。它們防止緊接比較器的觸發(fā)之后的節(jié)點(diǎn)N1和N2到同一個(gè)值的任何寄生同時(shí)偏置，因?yàn)檫@種偏置將導(dǎo)致錯(cuò)誤的檢測。
必須特別注意施密特觸發(fā)器M4的功能。該施密特觸發(fā)器保證在加到開關(guān)S8的開關(guān)電壓已經(jīng)達(dá)到一個(gè)足夠高的值之前不接通該比較器。結(jié)果是保證在該比較器變成工作時(shí)該阻性分壓器被充分″導(dǎo)通″。該施密特觸發(fā)器還保證該比較器的切換在一個(gè)很短的時(shí)間周期中完成，使得其立即充分工作。例如，如果電源電壓是3V，則當(dāng)加到開關(guān)S8的開關(guān)電壓將達(dá)到幾乎3V，例如2.5V時(shí)，加到開關(guān)S1-S4的開關(guān)電壓將從0V切換到3V。
出于類似的原因，引入了施密特觸發(fā)器M1到M3。施密特觸發(fā)器M1和M2保證該節(jié)點(diǎn)N1和N2在關(guān)閉該比較器之前實(shí)際上達(dá)到一個(gè)相等值。這是伴隨上述的電容器的一個(gè)附加安全保證。施密特觸發(fā)器M3保證在比較器關(guān)閉之前該節(jié)點(diǎn)N2的輸出有效地存儲(chǔ)在鎖存器L1中。
權(quán)利要求
1.一種用于將輸入電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較的電壓比較器，所說的電壓比較器包括比較裝置(T1至T10)；連接到所說的比較裝置的時(shí)鐘信號(hào)控制的開關(guān)裝置(S1至S4)，用于在該時(shí)鐘信號(hào)的改變時(shí)激勵(lì)該比較裝置；用于進(jìn)行確定的裝置(M1、M2、X、M3、V)，用于確定一個(gè)比較的結(jié)束并且用于控制該開關(guān)裝置(S1至S4)，以便當(dāng)確定一個(gè)比較的結(jié)束時(shí)去除對(duì)該比較裝置的激勵(lì)；特征在于一個(gè)分壓器(D)，用于分割將要被比較的輸入電壓，該開關(guān)裝置包括一個(gè)與該分壓器(D)串聯(lián)連接的開關(guān)(S8)，用于當(dāng)該比較裝置被去除激勵(lì)時(shí)禁止電流流經(jīng)該分壓器。
2.如權(quán)利要求1的電壓比較器，特征在于所說的開關(guān)裝置包括一個(gè)施密特觸發(fā)器(M4)，其輸入端由控制與所說的該分壓器串聯(lián)連接的所說的開關(guān)(S8)的信號(hào)所控制，并且其輸出控制該比較裝置的激勵(lì)和激勵(lì)的去除。
3.如權(quán)利要求1或2的電壓比較器，特征在于所說的比較裝置具有兩個(gè)基本相同的輸出端(N1，N2)，在比較裝置被去除激勵(lì)時(shí)所說的開關(guān)裝置被用于把不同電壓強(qiáng)加到所說的輸出端，并且一個(gè)″異″門(X)連接到所說的兩個(gè)輸出端，在這兩個(gè)輸出電壓基本上相等時(shí)用于確定一個(gè)比較的結(jié)束，并且用于通過一個(gè)時(shí)鐘控制的鎖存器(L2)控制該比較裝置的激勵(lì)的去除以及該分壓器的斷開。
全文摘要
一種電壓比較器，具有比較裝置，在時(shí)鐘沿出現(xiàn)時(shí)被激勵(lì)并且當(dāng)比較操作完成時(shí)被去除激勵(lì)。比較裝置之前有一個(gè)分壓器(D)用于分割將要被比較的電壓，和一個(gè)與該分壓器串聯(lián)的開關(guān)(S
文檔編號(hào)H03K5/08GK1639976SQ03805237
公開日2005年7月13日 申請(qǐng)日期2003年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月5日
發(fā)明者G·德克雷莫西 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司