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(shuō)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(kāi)關(guān)裝置，連接到所說(shuō)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(kāi)關(guān)裝置在確定一個(gè)比較的結(jié)束時(shí)斷開(kāi)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(cè)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(guò)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(shuō)的部分太小時(shí)，在比較還沒(méi)有結(jié)束時(shí)比較器就斷開(kāi)，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(kāi)該比較器。
在上述種類的電壓比較器中，是通過(guò)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(wú)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(kāi)關(guān)裝置包括與該分壓器串聯(lián)連接的一個(gè)開(kāi)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(kāi)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(shuō)的開(kāi)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(shuō)的該分壓器串聯(lián)連接的所說(shuō)的開(kāi)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(shuō)的開(kāi)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(shuō)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(shuō)的開(kāi)關(guān)裝置被用于把不同電壓強(qiáng)制到所說(shuō)的輸出端，并且一個(gè)″異″門(mén)連接到所說(shuō)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(guò)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(kāi)。這一方案提供了一種簡(jiǎn)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(cè)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(guò)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(guò)PMOS晶體管T8、T9的第四電流鏡和所說(shuō)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(kāi)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(guò)施密特觸發(fā)器M1和M2連接到″異″門(mén)X的一個(gè)輸入端?！瀹悺彘T(mén)X的輸出端通過(guò)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(kāi)關(guān)S1、S2、S3和S4，通過(guò)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(méi)有示出施密特觸發(fā)器和開(kāi)關(guān)之間的連接。當(dāng)鎖存器L2復(fù)位時(shí)，開(kāi)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(kāi)關(guān)S2把節(jié)點(diǎn)N2連接到負(fù)電源。因此，異門(mén)X的輸入之一是″高″值而另一輸入是″低″值，使得該異門(mén)的輸出是″高″值。當(dāng)鎖存器L2復(fù)位時(shí)，開(kāi)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(kāi)，并且開(kāi)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(guò)施密特觸發(fā)器M4打開(kāi)該開(kāi)關(guān)S1、S2和S4，并且關(guān)閉該開(kāi)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(cè)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(mén)的輸出落到″低″值。這將通過(guò)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(mén)和鎖存器，就像在此技術(shù)中的其它門(mén)電路那樣，在從″低″到″高″的過(guò)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(kāi)關(guān)S5、S6和S7。而且，與該分壓器串聯(lián)的是一個(gè)開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)S5、S6和S7并且以單一電阻替代電阻R1到R4。
開(kāi)關(guān)S8由鎖存器L2的輸出控制，基本上與對(duì)開(kāi)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(kāi)時(shí)，也停止電流通過(guò)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(guò)分壓器的電流是10μA，即基本上多于比較器的工作電流。通過(guò)基本上在斷開(kāi)比較器的同時(shí)斷開(kāi)該分壓器，使得通過(guò)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(kāi)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(méi)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(cè)。
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(kāi)關(guān)S8的開(kāi)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(kāi)關(guān)S8的開(kāi)關(guān)電壓將達(dá)到幾乎3V，例如2.5V時(shí)，加到開(kāi)關(guān)S1-S4的開(kāi)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(shuō)的電壓比較器包括比較裝置(T1至T10)；連接到所說(shuō)的比較裝置的時(shí)鐘信號(hào)控制的開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)裝置包括一個(gè)與該分壓器(D)串聯(lián)連接的開(kāi)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(shuō)的開(kāi)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(shuō)的該分壓器串聯(lián)連接的所說(shuō)的開(kāi)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(shuō)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(shuō)的開(kāi)關(guān)裝置被用于把不同電壓強(qiáng)加到所說(shuō)的輸出端，并且一個(gè)″異″門(mén)(X)連接到所說(shuō)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(guò)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(kāi)。
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(kāi)關(guān)(S
文檔編號(hào)H03K5/08GK1639976SQ03805237
公開(kāi)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