專利名稱：用于比較三路輸入的比較器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種比較器電路，更具體地，涉及一種用于比較三路輸入的比較器電 路。
背景技術(shù)：
高性能的集成電路(IC)內(nèi)部使用至少一個比較器，以實現(xiàn)精確的控制或其他各 種功能。這種比較器一般有兩路輸入。為了實現(xiàn)更復(fù)雜的功能，也廣泛使用一種3輸入比 較器。 圖1示出了用于比較三路輸入的相關(guān)的比較器電路100。參照圖1，3輸入比較器 電路100將第一信號的電壓V1與第二信號的電壓V2和第三信號的電壓V3中較低的一個 相比較，并且輸出比較結(jié)果。在這種情況下，假定第二信號的電壓V2是固定的并且第三信 號的電壓V3從0開始增加。當(dāng)?shù)谌盘柕碾妷篤3的值在0至第二信號的電壓V2之間的 范圍內(nèi)時，第一信號的電壓V1與第三信號的電壓V3相比較。另一方面，當(dāng)?shù)谌盘柕碾妷?V3比第二信號的電壓V2高時，第一信號的電壓V1與第三信號的電壓V2相比較。根據(jù)以上 提到的比較的結(jié)果，可以確定比較器電路的輸出。 然而，當(dāng)?shù)谌盘柕碾妷篤3大約等于第二信號的電壓V2時，圖1中比較三路輸入 的比較電路100無法實現(xiàn)精確的比較。 當(dāng)?shù)谌盘柕碾妷篤3和第二信號的電壓V2之間的差值較大時，第二晶體管Q2和 第三晶體管Q3中只有一個一定會被打開。在這種情況下，因為第二偏流12只流過第二和第 三晶體管Q2和Q3中的一個，即只流過打開的晶體管，因此比較器電路100可以正常運作。 然而，當(dāng)?shù)谌盘栯妷篤3和第二信號電壓V2之間的差值較小時，第二和第三晶體管Q2和 Q3可能都是打開的。在這種情況下，第二偏流12的一半流過第二和第三晶體管Q2和Q3中 的每一個。因此，第一發(fā)射極-基極電壓VEB l和第二發(fā)射極-基極電壓VEB2之間的偏置 量增加。 在最壞的情況下，其中第二偏流I2被分為完全相等的兩部分，偏置量對應(yīng)于"VT x In(2)" (VEB1-VEB2 = VT x In(2))。這里，"VT"是溫度常數(shù)，"In"是自然對數(shù)。
S卩，在最壞的情況下，其中第二偏流12的一半流過第二和第三晶體管Q2和Q3中 的每一個的每個發(fā)射極節(jié)點，偏置量是"VT xln (2)"。如果在這種情況下VT為25mV，則偏 置量可能為大約17. 3mV。當(dāng)使用n個晶體管(n為大于2的自然數(shù))時，則偏置量增加到 "VT x In(n)"。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明針對一種用于比較三路輸入的比較器電路，其基本上避免了由于相關(guān)技術(shù)的局限和缺點產(chǎn)生的一個或多個問題。 本發(fā)明的一個目的是提供一種用于比較三路輸入的比較器電路，其能夠保證精確
操作并且實現(xiàn)工作范圍的增加。 本發(fā)明的其他優(yōu)點、目的和特征的一部分將在下文中得到闡述，通過審閱下文本
領(lǐng)域普通技術(shù)人員將明顯了解這些優(yōu)點、目的和特征中的一部分，或者可以從本發(fā)明的實 踐中獲得。通過所寫的說明書及其權(quán)利要求以及附圖中具體指出的結(jié)構(gòu)，可以了解和獲知 本發(fā)明的這些目的和其他優(yōu)點。 為了實現(xiàn)這些目的和其他優(yōu)點以及根據(jù)本發(fā)明的目的，如在本文中所體現(xiàn)和概括 描述的，一種比較器電路包括差分放大單元，用于放大第一節(jié)點的電壓與第二節(jié)點的電壓 之間的差值并且輸出產(chǎn)生的結(jié)果；電流源，用于向第一節(jié)點提供第一偏流，以及向第二節(jié)點 提供第二偏流；第一偏置開關(guān)，用于根據(jù)第一電壓偏置從第一節(jié)點流向接地電壓源的電流； 第二偏置開關(guān)，用于根據(jù)第二電壓偏置從第二節(jié)點流向接地電壓源的電流的一部分；第三 偏置開關(guān)，用于根據(jù)第三電壓偏置從第二節(jié)點流向接地電壓源的電流的余下的部分；以及 偏置轉(zhuǎn)換單元，用于根據(jù)第二電壓和第三電壓向第二節(jié)點提供第三偏流。
第一偏流與第二偏流可以具有相同值。當(dāng)?shù)诙妷汉偷谌妷涸陬A(yù)設(shè)的范圍內(nèi) 時，偏置轉(zhuǎn)換單元可以向第二節(jié)點提供第三偏流。 在本發(fā)明的另一方面中，一種比較器包括差分放大單元，用于放大第一節(jié)點的電
壓與第二節(jié)點的電壓之間的差值并且輸出產(chǎn)生的結(jié)果；第一偏置開關(guān)，用于根據(jù)第一電壓
控制從被提供有第一電流的第一節(jié)點流向接地電壓源的電流的一部分；第二偏置開關(guān)，用
于根據(jù)第二電壓控制從被提供有第二電流的第二節(jié)點流向接地電壓源的電流的一部分；第
三偏置開關(guān)，用于根據(jù)第三電壓而控制從第二節(jié)點流向接地電壓源的電流的余下部分；以
及偏置轉(zhuǎn)換單元，用于根據(jù)第二電壓和第三電壓向第二節(jié)點提供第三偏流。 第一偏置開關(guān)可以包括連接在第一節(jié)點和接地電壓源之間同時具有第一基極的
雙極晶體管，第一電壓被施加到第一基極。第二偏置開關(guān)可以包括連接在第二節(jié)點和接地
電壓源之間同時具有第二基極的雙極晶體管，第二電壓被施加到第二基極。第三偏置開關(guān)
可以包括連接在第二節(jié)點和接地電壓源之間同時具有第三基極的雙極晶體管，第三電壓被
施加到第三基極。 根據(jù)本發(fā)明的各實施例，3輸入比較器增加了開關(guān)和邏輯電路，以根據(jù)輸入電壓改 變偏流，從而實現(xiàn)工作范圍的增加和精度的增加。 可以理解的是，本發(fā)明的上述總體描述和以下的具體描述都是示例性的和說明性 的，并且旨在提供對所要求的本發(fā)明的進(jìn)一步解釋。


附圖被包含進(jìn)來用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解以及被整合進(jìn)來并構(gòu)成本申請 的一部分)、附圖示出了本發(fā)明的示例性實施例并與說明書一起闡述了本發(fā)明的原理。在附 圖中 圖1是示出了用于比較三路輸入的相關(guān)的比較器電路的電路圖； 圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的用于比較三路輸入的比較器電路的
電路 圖3是示出了圖2中所示的第一和第二比較器以及偏置轉(zhuǎn)換晶體管的輸出狀態(tài)的 表格； 圖4是示出了偏置轉(zhuǎn)換晶體管的根據(jù)第二和第三電壓的0N-0FF工作范圍的波形 圖； 圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例的用于比較三路輸入的比較器電 路的電路圖； 圖6是示出了第一和第三發(fā)射極-基極電壓隨著第三電壓的變化而變化的曲線 圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在將詳細(xì)地參照本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，其實例在附圖中示出。 圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的用于比較三路輸入的3輸入比較器電
路200的電路圖。參照圖2，該3輸入比較器電路200包括第一和第二偏流源202和204、
第一偏置開關(guān)Q1、第二偏置開關(guān)Q2、第三偏置開關(guān)Q3、差分放大單元210以及偏置轉(zhuǎn)換單元
220。 第一偏置開關(guān)Ql連接在差分放大單元210的第一輸入節(jié)點Nl與第一電壓源VSS 之間。第一偏置開關(guān)Q1響應(yīng)于第一電壓V1而進(jìn)行切換。即，第一偏置開關(guān)Q1可以是雙極 晶體管，該雙極晶體管具有被輸入第一電壓VI的第一基極、連接到第一節(jié)點Nl的第一發(fā) 射極以及連接到第一電壓源VSS的第一集電極。第一電壓源VSS可以是接地電壓源。
第二偏置開關(guān)Q2連接在差分放大單元210的第二輸入節(jié)點N2和第一電壓源VSS 之間。第二偏置開關(guān)Q2響應(yīng)于第二電壓V2而進(jìn)行切換。即，第二偏置開關(guān)Q2可以是雙極 晶體管，該雙極晶體管具有被輸入第二電壓V2的第二基極、連接到第二節(jié)點N2的第二發(fā) 射極以及連接到第一電壓源VSS的第二集電極。 第三偏置開關(guān)Q3連接在差分放大單元210的第二輸入節(jié)點N2和第一電壓源VSS 之間。第三偏置開關(guān)Q3響應(yīng)于第三電壓V3而被切換。即，第三偏置開關(guān)Q3可以是雙極晶 體管，該雙極晶體管具有被輸入第三電壓V3的第三基極、連接到第二節(jié)點N2的第三發(fā)射 極以及連接到第一電壓源VSS的第三集電極。 第一偏流源202連接在第一節(jié)點Nl和第二電壓源VDD之間，以向第一節(jié)點Nl提 供第一電流Il。第二偏流源204連接在第二節(jié)點N2和第二電壓源VDD之間，以向第二節(jié)點 N2提供第二電流12。第一電流II可以與第二電流12具有相同的值(II = 12)。
差分放大單元210包括輸出負(fù)載Ll和L2、一對差分放大器Q4和Q5以及輸入偏流 源10。 輸出負(fù)載L1和L2中的每一個連接在差分放大器Q4和Q5的輸出端中的對應(yīng)的一 個與第二電壓源VDD之間。輸出負(fù)載Ll和L2中的每一個可以由晶體管來實現(xiàn)，作為有源 負(fù)載或者電流反射鏡。 輸入偏流源10連接在差分放大器Q4和Q5的尾部(tail)Tl和第一電壓源VSS之 間。 當(dāng)?shù)谌妷篤3與第二電壓V2之比在預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)時(a < V3/V2 < P )，偏置轉(zhuǎn) 換單元220向第二節(jié)點N2提供第三電流13。
偏置轉(zhuǎn)換單元220包括第一比較器Compl、第二比較器Comp2、換向器222、NAND門
224、偏置轉(zhuǎn)換晶體管226、第三偏流源228以及第一至第四電阻器Rl至R4。 第一比較器Compl具有被輸入第二電壓V2的a(+)輸入端以及被輸入第一分壓
"Px V3"的a(-)輸入端。第一分壓"PxV3"是由第一電阻器Rl和第二電阻器R2從第三
電壓V3分得的電壓。這里，"P "對應(yīng)于"R2/(R1+R2) " (P = R2/(R1+R2))。 第一比較器Compl比較第二電壓V2與第一分壓"P xV3"，并且根據(jù)比較結(jié)果輸出
第一比較信號C1。 第二比較器Comp2具有被輸入第三電壓V3的a(+)輸入端以及被輸入第二分壓 "ax V2"的a(-)輸入端。第二分壓"a xV2"是由第三電阻器R3和第四電阻器R4從第二 電壓V2分得的電壓。這里，"a "對應(yīng)于"R4/ (R3+R4) " ( a = R4/ (R3+R4))。
第二比較器Comp2比較第三電壓V3與第二分壓"a x V2"，并且根據(jù)比較結(jié)果輸出 第二比較信號C2。 第一電阻器Rl連接在第三基極和第一比較器Compl的(-)輸入端之間。第二電 阻器R2連接在第一比較器Compl的(_)輸入端和接地電壓源之間。 第三電阻器R3連接在第二基極和第二比較器Comp2的(+)輸入端之間。第四電 阻器R4連接第二比較器Comp2的(+)輸入端和接地電壓源之間。 換向器222轉(zhuǎn)換第二比較信號C2，并且輸出被轉(zhuǎn)換的第二比較信號C2'。 NAND門 224邏輯運算第一比較信號Cl和被轉(zhuǎn)換的第二比較信號C2'，并且輸出邏輯運算的結(jié)果。
偏置轉(zhuǎn)換晶體管226根據(jù)NAND門224的輸出，向第二節(jié)點N2提供從第三偏流源 228輸出的第三電流13。 圖3示出了圖2中所示的第一比較器Compl和第二比較器Comp2以及偏置轉(zhuǎn)換晶 體管226的輸出狀態(tài)。參照圖2和3，由于"a "和"|3 "是電阻分比，因此它們總是小于1。 因此，不能定義第一比較信號Cl處于低狀態(tài)以及第二比較信號C2處于高狀態(tài)的條件。
當(dāng)?shù)谝槐容^信號Cl和第二比較信號C2都處于低狀態(tài)或者高狀態(tài)時，"a "和"1/ e"中的較大的或較小的一個可被忽略。并且，當(dāng)?shù)谝槐容^信號C 1和第二比較信號C2都 處于低狀態(tài)或者高狀態(tài)時，NAND門224的輸出具有高電平值。當(dāng)偏置轉(zhuǎn)換晶體管226是 NMOS晶體管時，其響應(yīng)于NAND門224的輸出的高電平值而關(guān)閉。 圖4示出了偏置轉(zhuǎn)換晶體管226的根據(jù)第二電壓V2和第三電壓V3的0N-0FF工 作范圍。 參照圖3和4，當(dāng)?shù)谌妷篤3與第二電壓V2之比(V3/V2)大于"a"而小于"1/ P "時，偏置轉(zhuǎn)換晶體管226被打開。S卩，當(dāng)?shù)谝槐容^信號C1具有高電平并且第二比較信號 具有低電平時，偏置轉(zhuǎn)換晶體管226被打開。 這使得通過調(diào)節(jié)電阻分比"a "和"|3 "來定義偏置轉(zhuǎn)換晶體管226被打開所在的 范圍成為可能。 一旦偏置轉(zhuǎn)換晶體管226被打開，則電流被提供給第二偏置開關(guān)Q2和第三 偏置開關(guān)Q3。由于第三電壓V3近似于第二電壓V2，因此提供給第二偏置開關(guān)Q2和第三偏 置開關(guān)Q3的電流對應(yīng)于第二電流12與第三電流13之和。S卩，根據(jù)以下表達(dá)式1 ，第一偏置 開關(guān)Ql的第一發(fā)射極_基極電壓VEB1與第三偏置開關(guān)Q3的第二發(fā)射極-基極電壓VEB2 之差被第三偏流源228降低。
[表達(dá)式1]
VEB1-VEB2 = VT x In[(2x 12)/(12+13)]
其中，"VT "表示溫度常數(shù)，"In "表示自然對數(shù)。 圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例的3輸入比較器電路500的電路 圖。參照圖5，該3輸入比較器電路500包括第一和第二偏流源202和204、第一偏置開關(guān) Ql、第二偏置開關(guān)Q2、第三偏置開關(guān)Q3、差分放大單元210以及偏置轉(zhuǎn)換單元510。
由于第一和第二偏流源202和204、第一偏置開關(guān)Ql、第二偏置開關(guān)Q2、第三偏置 開關(guān)Q3、差分放大單元210與圖2中的相同，以下將不給出其描述。 偏置轉(zhuǎn)換單元510包括第一比較器Compl、第二比較器Comp2、開關(guān)單元、第三偏 流源228以及第一至第四電阻器R1至R4。 由于第一比較器Compl、第二比較器Comp2、第三偏流源228以及第一至第四電阻 器Rl至R4與圖2中的相同，以下將不給出其描述。 開關(guān)單元分別根據(jù)第一比較信號Cl和第二比較信號C2向第二節(jié)點N2提供第三 電流13。開關(guān)單元包括第一開關(guān)512和第二開關(guān)514。 第一和第二開關(guān)512和514串聯(lián)連接在第三偏流源228和第二節(jié)點N2之間。第 一開關(guān)512根據(jù)第一比較器的輸出C1(S卩，第一比較信號C1)進(jìn)行切換。第二開關(guān)514根 據(jù)第二比較器的輸出C2(S卩，第二比較信號C2)進(jìn)行切換。第一開關(guān)512可以是NM0S晶體 管，第二開關(guān)514可以是PMOS晶體管。 只有當(dāng)?shù)谝槐容^信號Cl具有高電平并且第二比較信號C2具有低電平時，第一和 第二開關(guān)512和514同時打開。在這種情況下，第三電流I3被提供給第二節(jié)點N2。 3輸入 比較器電路500與圖3中的3輸入比較器電路具有相同的特性。 圖6是示出了第一發(fā)射極_基極電壓VEB1和第三發(fā)射極_基極電壓VEB3隨著第 三電壓V3的變化而變化的曲線圖。在這種情況下，第一電壓V1固定在350mV。
如果在允許的偏置范圍為10mV的條件下不應(yīng)用建議的偏置補(bǔ)償，則只有最高大 約345mV的電壓可以被用于第三電壓V3。然而，當(dāng)如圖2或5中所示的補(bǔ)償被用于第三電 流13時，最高大約388mV的電壓可以被用于第三電壓V3。當(dāng)然，這種差別小到大約43mV。 然而，當(dāng)?shù)谌妷篤3是根據(jù)某個電壓的電阻分比M而應(yīng)用的電壓時，工作范圍可以提高M(jìn) 倍。例如，當(dāng)M為10時，3輸入比較器不僅可以實現(xiàn)精度的增加，而且可以保證增加430mV 的寬工作范圍。 根據(jù)本發(fā)明，3輸入比較器增加了開關(guān)和邏輯電路，以根據(jù)輸入電壓改變偏流，從 而實現(xiàn)工作范圍的增加和精度的增加。當(dāng)建議的偏置補(bǔ)償用于3輸入比較器時(其廣泛地 用于在高性能IC中實現(xiàn)各種功能)，使得不僅保證更寬的工作范圍而且設(shè)計具有更高精度 的比較器成為可能。在這種情況下，使得能夠不僅實現(xiàn)如上所述的比較器的性能增強(qiáng)而且 實現(xiàn)IC的整體性能的增強(qiáng)。 對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是顯而易見的是，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情 況下可以對本發(fā)明作出各種修改及變型。因此，本發(fā)明意在涵蓋在所附權(quán)利要求及其等同 物范圍內(nèi)的對本發(fā)明的修改和變型。
權(quán)利要求
一種比較器電路，包括差分放大單元，用于放大第一節(jié)點的電壓與第二節(jié)點的電壓之間的差值，并且輸出所產(chǎn)生的結(jié)果；電流源，用于向所述第一節(jié)點提供第一偏流，以及向所述第二節(jié)點提供第二偏流；第一偏置開關(guān)，用于根據(jù)第一電壓來偏置從所述第一節(jié)點流向接地電壓源的電流；第二偏置開關(guān)，用于根據(jù)第二電壓來偏置從所述第二節(jié)點流向所述接地電壓源的電流的一部分；第三偏置開關(guān)，用于根據(jù)第三電壓來偏置從所述第二節(jié)點流向所述接地電壓源的所述電流的余下部分；以及偏置轉(zhuǎn)換單元，用于根據(jù)所述第二電壓和所述第三電壓向所述第二節(jié)點提供第三偏流。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的比較器電路，其中，所述第一偏流和所述第二偏流具有相同 的值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的比較器電路，其中，當(dāng)所述第二電壓和所述第三電壓在預(yù)設(shè) 范圍內(nèi)時，所述偏置轉(zhuǎn)換單元向所述第二節(jié)點提供所述第三偏流。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的比較器電路，其中，所述偏置轉(zhuǎn)換單元包括 第一比較器，用于比較所述第二電壓與從所述第三電壓分得的第一分壓，并且根據(jù)所述比較的結(jié)果輸出第一比較信號；第二比較器，用于比較所述第三電壓與從所述第二電壓分得的第二分壓，并且根據(jù)所 述比較的結(jié)果輸出第二比較信號；換向器，用于轉(zhuǎn)換所述第二比較信號；NAND門，用于邏輯運算所述第一比較信號與所述換向器的輸出，并且輸出所述邏輯運 算的結(jié)果；以及偏置轉(zhuǎn)換晶體管，用于根據(jù)所述NAND門的輸出，向所述第二節(jié)點提供所述第三偏流。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的比較器電路，其中，所述偏置轉(zhuǎn)換單元包括 第一比較器，用于比較所述第二電壓與從所述第三電壓分得的第一分壓，并且根據(jù)所述比較的結(jié)果輸出第一比較信號；第二比較器，用于比較所述第三電壓與從所述第二電壓分得的第二分壓，并且根據(jù)所 述比較的結(jié)果輸出第二比較信號；以及開關(guān)單元，用于根據(jù)所述第一比較信號和所述第二比較信號，向所述第二節(jié)點提供所 述第三電流。
6. —種比較器電路，包括差分放大單元，用于放大第一節(jié)點的電壓與第二節(jié)點的電壓之間的差值，并且輸出所 產(chǎn)生的結(jié)果；第一偏置開關(guān)，用于根據(jù)第一電壓控制從被提供有第一電流的第一節(jié)點流向接地電壓 源的電流；第二偏置開關(guān)，用于根據(jù)第二電壓控制從被提供有第二電流的第二節(jié)點流向所述接地 電壓源的電流的一部分；第三偏置開關(guān)，用于根據(jù)第三電壓控制從所述第二節(jié)點流向所述接地電壓源的所述電流的余下部分；以及偏置轉(zhuǎn)換單元，用于根據(jù)所述第二電壓和所述第三電壓向所述第二節(jié)點提供第三偏流。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的比較器電路，其中第一偏置開關(guān)，包括連接在所述第一節(jié)點與所述接地電壓源之間同時具有第一基極的 雙極晶體管，所述第一電壓施加到所述第一基極；第二偏置開關(guān)，包括連接在所述第二節(jié)點與所述接地電壓源之間同時具有第二基極的 雙極晶體管，所述第二電壓施加到所述第二基極；第三偏置開關(guān)，包括連接在所述第二節(jié)點與所述接地電壓源之間同時具有第三基極的 雙極晶體管，所述第三電壓施加到所述第三基極。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的比較器電路，其中，所述偏置轉(zhuǎn)換單元包括 第一比較器，用于比較所述第二電壓與從所述第三電壓分得的第一分壓，并且根據(jù)所述比較的結(jié)果輸出第一比較信號；第二比較器，用于比較所述第三電壓與從所述第二電壓分得的第二分壓，并且根據(jù)所 述比較的結(jié)果輸出第二比較信號；以及邏輯運算單元，用于邏輯運算所述第一比較信號和所述第二比較信號，并且輸出所述 邏輯運算的結(jié)果；以及偏置轉(zhuǎn)換晶體管，用于根據(jù)所述邏輯運算單元的輸出，向所述第二節(jié)點提供所述第三 偏流。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種用于比較三路輸入的比較器電路。該比較器電路包括差分放大單元，用于放大第一節(jié)點的電壓與第二節(jié)點的電壓之差并輸出產(chǎn)生的結(jié)果；電流源，用于向第一節(jié)點提供第一偏流，以及向第二節(jié)點提供第二偏流；第一偏置開關(guān)，用于根據(jù)第一電壓偏置從第一節(jié)點流向接地電壓源的電流；第二偏置開關(guān)，用于根據(jù)第二電壓偏置從第二節(jié)點流向接地電壓源的電流的一部分；第三偏置開關(guān)，用于根據(jù)第三電壓偏置從第二節(jié)點流向接地電壓源的電流的余下部分；以及偏置轉(zhuǎn)換單元，用于根據(jù)第二電壓和第三電壓向第二節(jié)點提供第三偏流。
文檔編號H03K3/023GK101783662SQ200910266059
公開日2010年7月21日 申請日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者方錫勛, 樸成旼 申請人:東部高科股份有限公司