专利名称：窗口比较器的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体集成电路，特别是适于半导体集成电路的窗口比较器电路。
窗口比较器根据输入电压是否落入预先设定的电压范围(此后指窗口)来输出一差分电压信号。一般而言，这样的一个窗口比较器包含两个运算放大器用来产生一个窗口。尤其是，第一运算放大器将输入电压与第一参考电压进行比较而第二运算放大器将第一运算放大器的输出与第二参考电压进行比较。
然而，传统的窗口比较器不适合用于半导体集成电路。换句话说，使用双极工艺很难在半导体基片上形成传统的窗口比较器的电路结构。
本发明的目的是提供一种窗口比较器，其适于通过使用双极工艺在半导体基片上形成半导体集成电路。
本发明的另一个目的是提供一种能够形成窗口比较器窗口的窗口制作方法。
根据本发明的窗口比较器的电路，其包含一个第一电路级和一个第二电路级。第一级电路由输入电压产生一第一电流，第一电流根据输入电压而发生变化，这样当输入电压为一预先设定的电压值时第一电流有一个最大值或一个最小值。第二级电路根据参考电流和与第一电流相对应的第二电流产生一个输出电压。通过根据第二电流是否大于参考电流产生参考电流和第二电流以便围绕预先设定的电压来确定一电压范围。换句话说，窗口比较器的窗口是根据第二电流和参考电流形成。因此，输出电压电平根据输入电压是否落入该电压范围来变化。
图1为本发明第一实施例的电路图；图2为图1中所示第一实施例的输入差分级的电路图；图3为显示在图2的差分输入级时各个电流IC1-IC4随输入电压Vin的变化；图4为显示在图2的差分输入级时各个输出电流I1和I2随输入电压Vin的变化；图5为图1中所示第一实施例的负载电路的电路图；图6为显示在图5的负载电路中各个电流I3-I5随输入电压Vin的变化示意图；图7为显示在图1中的第一实施例中输出电压VA随输入电压Vin的变化示意图；图8为在图1中的第一实施例中反向输出电压VB随输入电压Vin的变化示意图；图9为本发明第二实施例的电路图；图10为显示在图9中的第二实施例的负载电路中各个电流I3-I6随输入电压Vin的变化示意图；图11为显示在图9的第二实施例中输出电压VA和VB随输入电压Vin的变化示意图；图12为本发明第三个实施例的电路图；图13为显示在图12中所示第三实施例负载电路中各个电流随输入电压Vin的变化示意图；及图14为显示在图12的第三实施例中输出电压VB随输入电压Vin的变化示意图。
参考图1，窗口比较器由输入差分级和负载电路组成，而输入差分级包含NPN晶体管Q1-Q4，而负载电路包含PNP晶体管Q5-Q8以及NPN晶体管Q9-Q11。输入差分级输入一输入电压Vin并产生输入电流I1和I2。负载电路根据输入差分级的输出电流I1和I2产生输出电压VA和反向输出电压VB。
输入差分级由第一差分对电路和第二差分对电路组成。第一差分对电路具有晶体管Q1和Q2且它们的发射级一起联接到恒定电流源101(恒定电流IL1)，而第二差分对电路具有晶体管Q3和Q4，且它们的发射级共同连接到恒定电流源101(恒定电流IL2)。晶体管Q2和Q3的基极互联并加有参考电压Vref，而输入电压Vin被加到相互连接的晶体管Q1和Q4的基极。此外，晶体管Q1和Q3的集电极互连且晶体管Q2和Q4的集电极互连。
在第一差分对电路中，晶体管Q1的发射极面积SE1不同于晶体管Q2的发射极面积。类似的，在第二差分对电路中，晶体管Q3的发射极面积不同于晶体管Q4的发射极面积SE4。这里SE1∶SE2＝SE3∶SE4＝a∶b(a≠b)。
负载电路由三个电流镜电路和一个反向电路组成。具体说，第一电流镜电路由晶体管Q5和Q6组成。晶体管Q5的基极和集电极互连并还与输入差分级的晶体管Q1和Q3的集电极相连。晶体管Q5和Q6的基极互连并向它们发射极施加一电压源Vcc。因此，晶体管Q5和晶体管Q6共同构成了第一电流镜电路。类似地，第二电流镜电路由晶体管Q7和Q8组成。晶体管Q7的基极和集电极互连并进而与输入差分级的晶体管Q2和Q4的集电极相连。晶体管Q7和Q8的基极互连并向它们的发射极施加一电压源Vcc。因此，晶体管Q7与晶体管Q8共同构成了第二电流镜电路。
在第一电流镜电路中，晶体管Q5的发射极面积SE5与晶体管Q6的发射极面积SE6不同。这里，SE5∶SE6＝c∶d(c≠d)。类似地，在第二电流镜电路中，晶体管Q7的发射极面积SE7与晶体管Q8的发射极面积SE8不同。这里SE7∶SE8＝e∶f(e≠f)。
第三电流镜电路由晶体管Q9和Q10组成。晶体管Q9的基极和集电极相连并还与第二电流镜电路的晶体管Q8的集电极相连。晶体管Q10的集电极与第一电流镜电路的晶体管Q6的集电极相连。晶体管Q9和Q10的基极互连且它们的发射极接地。晶体管Q9的发射极面积与晶体管Q10的发射极面积相等。输出电压VA从晶体管Q6和Q10的集电极的连接点输出。
反向电路由晶体管Q1和电阻R1组成。晶体管Q11的基极与晶体管Q6和Q10的集电极的连接点相连。晶体管Q11的发射极接地且其集电极通过电阻R1与电压源Vcc相连。反向输出电压VB从晶体管Q11的集电极输出。
参考图2，其示出了图1窗口比较器中的差分输出级。在此图中，用RC1和RC2表示负载电路。第一和第二负载RC1和RC2分别与差分输入级的第一和第二输出点相连，也即，分别与晶体管Q1和Q3的集电极和晶体管Q2和Q4的集电极相连。差分输入级的输出电流I1和I2分别流过第一和第二负载RC1和RC2。此外，分别用IC1-IC4代表晶体管Q1-Q4的集电极电流，且如前所述，差分对电路的相应发射极面积比率都为a/b。在这样的一个差分输入级中，晶体管Q1-Q4的集电极电流IC1-IC4众所周知的可用如下方程(1)到(4)来表示IC1=ββ+1·IL11+exp{(-q/KT)×(V1+dV-V2)}---(1),]]>IC2=ββ+1·IL11+exp{(q/KT)×(V1+dV-V2)}---(2),]]>IC3=ββ+1·IL21+exp{(q/KT)×(V1-dV-V2)}---(3),and]]>IC4=ββ+1·IL21+exp{(-q/KT)×(V1-dV-V2)}---(4),]]>其中K为波尔兹曼常数，T为绝对温度，q为一个电子的电荷，β为电流放大系数，V1为输入电压Vin，V2为参考电压Vref。此外，dv被表示如下dv＝(KT/q)×ln(a/b) …(5)其中In代表自然对数。因此，当a/b不等于1时，集电极电流IC1和IC2的特征曲线和集电极电流IC3和IC4的特征曲线从参考电压Vref向相反方向位移dv。
参考图3和图4，在IL1＝IL2＝IL的情况下示出了电流特征曲线。如图3中所示，晶体管Q1-Q4的各集电极电流IC1-IC4根据输入电压Vin发生变化。由于差分对电路的各发射极面积比率为a/b≠1，集电极电流IC1和IC2和特征曲线和集电极电流IC3和IC4的特征曲线如图中所示相对于表示参考电压Vref的竖线是对称的。由于I1＝IC1+IC3以及I2＝IC2+IC4I1和I2的特征曲线如图4中所示相对于表示恒定电流IL的水平线是对称的。
参考图5，其示出了与图2的RC1和RC2对应的图1的窗口比较器的负载电路。如上所述，具有第一发射极面积比率(c∶d)的晶体管Q5和Q6形成了第一电流镜电路，具有第二发射极面积比率(e∶f)的晶体管Q7和Q8形成第二电流镜电路，而具有相等发射极面积的晶体管Q9和Q10形成了第三电流镜电路。当用I3和I4表示晶体管Q6和Q8的各集电极电流时，用I5表示晶体管Q11的基极电流，而用I6表示晶体管Q10的集电极电流，用d/cxI1表示集电极电流I3而用f/exI2表示集电极电流I4。此外，由于晶体管Q9和Q10具有相等的发射极面积从而集电极电流I6基本上等于I4，因此基极电流可以忽略。
参考图6，其示出了在C∶d＝1∶2及e∶f＝1∶3的情况下负载电路的电流特征曲线。具体地说，用2I1表示集电极电流I3而用3I2代表集电极电流I4。通过这样设定发射极面积比率，根据图4的一对差分输出电流I1和I2产生I3≥I4的窗口范围201和I3＜I4的其它范围202。I3≥I4的窗口范围201的中心电压为Vref，其偏差由发射极面积比率d/c和f/e来决定。换句话说，可通过设定发射极面积比率d/c和f/e来产生所需的窗口范围201。
在I3＜I4的外部范围202内，晶体管Q6的所有集电极电流I3流入晶体管Q10的集电极，其结果I3＝I6。因此，当输入电压Vin落入外部范围202内时，晶体管Q11的基极电流I5等于零。另一方面，在I3≥I4的窗口范围201，集电极电流I3的额外电流作为基极电流I5流入晶体管Q11的基极。也即I5＝I3-I6。
在此情况下，只有当输入电压Vin落入窗口范围201时，晶体管Q11的基极电流I5才流动。换句话说，通过截止点I3＝I4，晶体管Q11在外部范围202期间被保持关闭或不导通，而在窗口范围201期间其打开或导通。因此，正如图7和图8所示，可获得陡的比较器窗口。
图7和图8示出了在a∶b＝2∶1，c∶d＝1∶2，e∶f＝1∶3，IL1＝IL2＝IL＝5UA，Vref＝0.87V，Vcc＝1.05V，电阻R1＝100KΩ的条件下的仿真电路中的输入一输出响应实例。从图中可明显地看出，输出电压VA和反向输出电压VB在窗口范围201的边缘陡变从而产生了陡的比较器窗口。
参考图9，根据本发明的第二实施例的窗口较器具有与图1的第一实施例相同的输入差分级。因此，在图4中示出了与第一实施例相同情况下的输出电流I1和I2的特征曲线。然而，在第二实施例中，将如此后所述，负载电路与第一实施例不同。
如图9中所示，负载电路由三个电流镜电路和一个反向电路组成。具体地说，第一电流镜电路由晶体管Q21和Q22组成。晶体管Q21的基极和集电极互连并还与差分输入级的晶体管Q1和Q3的集电极相连。晶体管Q21和Q22的基极互连，并且在它们的发射极加有电压源Vcc。因此，晶体管Q21与晶体管Q22组合成为第一电流镜电路。类似地，第二电流镜电路由晶体管Q23和Q24组成。晶体管Q23的基极和集电极互连并且还与差分输入级的晶体管Q2和Q4的集电极相连。晶体管Q23和Q24的基极互连，并且在它们的发射极加有电压源Vcc。因此，晶体管Q23与晶体管Q24结合形成第二电流镜电路。在第二实施例中，晶体管Q21的发射极面积与晶体管Q22的发射极面积相等，也即C∶d＝1∶1。类似地，晶体管Q23的发射极面积与晶体管Q24的发射极面积相等，也即e∶f＝1∶1。
第三电流镜电路由晶体管Q25和Q26组成。晶体管Q25的基极和集电极互连并且还与第二电流镜电路的晶体管Q24的集电极相连。晶体管Q26的集电极与第一电流镜电路的晶体管Q22的集电极相连。晶体管Q25和Q26的基极互连，它们的发射极接地。晶体管Q25的发射极面积SE25与晶体管Q26的发射极面积SE26不同。这里，SE25∶SE26＝h∶g。在晶体管Q22和Q26的集电极的连接点处引出输出电压VA。
如在第一实施例的情况一样，反向电路是由晶体管Q11和电阻R1组成。在晶体管Q11的集电极引出反向输出电压VB。
具有相等发射极面积的晶体管Q21和Q22组成第一电流镜电路，具有相等发射极面积的晶体管Q23和Q24形成第二电流镜电路，具有不等发射区的晶体管(区比率为h∶g)形成第三电流镜电路。当晶体管Q22和Q24的各发射级电流用I3和I4表示时，用I5表示晶体管Q11的基极电流，而用I6表示晶体管Q20的集电极电流，集电极电流I3大致等于I1而集电极电流I4大致等于I2。此外，由于基极电流可以忽略，从而用g/h×I4表示集电极电流I6。
参考图10，在h∶g＝2∶3的情况下示出负载电路的电流特征曲线。具体地说，用3/2×I4表示集电极电流I6。通过这样设定发射极面积比率，从图4的一对差分输出电流I1和I2可以产生I3≥I6(＝3/2×I4)的窗口范围301和I3＜I6(＝3/2×I4)的其它范围302。窗口范围301的中心电压为Vvef，其偏差由发射极面积比率g/h来确定。换句话说，可以通过设定发射极面积比率g/h来生成所需的窗口范围301。
在I3＜I6的外部范围302，晶体管Q22的全部集电极电流I3都流入晶体管Q26的集电极，其结果是I3＝I6。因此，当输入电压Vin落入外部范围302时，晶体管Q11的基极电流I5等于零。另一方面，在I3≥I6的窗口范围301内，集电极电流I3的多出的部分电流作为基极电流I5流入晶体管Q11的基极。也即I5＝I3-I6。
在此情况下，只有当输入电压Vin落入窗口范围301内时，晶体管Q11的基极电流I5才会流动。换句话说，通过I3＝I6的截止点，在外部范围302期间晶体管Q11被保持阻断或不导通，而在窗口范围301期间变为打开或导通。因此，可获得如图11中所示的陡的比较器窗。
图11示出了在a∶b＝2∶1，h∶g＝2∶3，IL1＝IL2＝IL＝5UA，Vref＝0.87V，Vcc＝1.05V，电阻R1＝100KΩ的条件下在电路模拟试验实例的输入一输出响应。从图中可明显地看出在窗口范围301的边缘输出电压VA和反向输出电压VB陡变以产生一陡的比较器窗口。
参考图12，根据本发明的第三实施例的窗口比较器具有与图1的第一实施例相同的差分输入级。因此，在图4中示出了与第一实施例相同情况下的输出电流I1和I2的特征曲线。然而在第三实施例中，正如此后将要描述的，负载电路是不同于第一实施例的。
正如图12中所示的，负载电路由晶体管Q21和Q22所组成的电流镜电路、负载Rc、恒定电流源103和由晶体管Q11所组成的反向电路组成。具体地说，晶体管Q21的基极和集电极互连并且还与差分输入级的晶体管Q1和Q3的集电极相连。晶体管Q21和Q22的基极互连，并且在它们的发射极加有电压源Vcc。因此，晶体管Q21与晶体管Q22相结合形成电流镜电路。在第三实施例中，晶体管Q21的发射极面积与晶体管Q22的发射极面积相等，也即c∶d＝1∶1。晶体管Q22的集电极通过恒流源103接地。在晶体管Q22的集电极上引出输出电压VA。如在第一实施例中那样，反向电路由晶体管Q11和电阻R1组成。在晶体管Q11的集电极上引出反向输出电压VB。另一方面，差分输入级的晶体管Q2和Q4的集电极通过负载Rc与电源Vcc相连。
此后，用I3表示晶体管Q22的集电极电流，是I5表示晶体管Q11的基极电流，并用IL3表示恒定电流源103的恒定电流。
参考图13，由于晶体管Q21的发射极面积与晶体管Q22的发射极面积相等，从而集电极电流I3大致与I1相等，且设定恒定电流源103的恒定电流IL3从而如图中所示表示恒定电流IL3的水平线截断集电极电流I3或I1的曲线。因此，由图4的输出电流I1产生I3≥IL3的窗口范围401和I3＜IL3的其它范围402。窗口范围401具有Vref的中心电压，其偏差由恒定电流IL3来确定。
在I3＜IL3的外部范围内，晶体管Q22的全部集电极电流I3流入恒定电流源103，其结果I3＝IL3。因此，当输入电压Vin落入外部范围402时，晶体管Q11的基极电流I5等于0。另一方面，在I3≥IL3的窗口范围401，集电极电流I3的多余部分电流作为基极电流I5流入晶体管Q11的基极。也即I5＝I3-IL3。
在此情况下，只有当输入电压Vin落入窗口范围401时，晶体管Q11的基极电流I5才流动。换句话说，通过I3＝IL3的截止点，在外部范围402内晶体管Q11被保持断开或不导通，而在窗口范围401内其变为打开或导通。因此，可获得如图14中所示的陡的窗口。
图14示出了在a∶b＝2∶1、IL1＝IL2＝IL＝5UA、IL3＝5.5UA、Vref＝0.87V、Vcc＝1.05V、电阻R1＝100KΩ的条件下在电路模拟试验实例中的输入一输出响应关系。从图中可明显地看出，在窗口范围401的边缘反向输出电压VB陡变从而生成陡的比较器窗口。
如上所述，根据本发明，通过简化电路结构可以获得陡的比较器窗口。换句话说，可通过较少数目的电路元件和较低的功率损耗来形成窗口比较器。因此，其适于电路集成化。
权利要求
1.一种电路，其特征在于包含用于根据输入电压产生第一电流的第一级电路，第一电流根据输入电压而发生变化，致使当输入电压为一预先设定的电压值时，第一电流具有一个最大值或最小值；及用于根据参考电流和与第一电流对应的第二电流产生输出电压的第二级电路，通过产生参考电流和第二电流并根据第二电流是否大于参考电流以便在预先没定的电压周围确定一电压范围，该输出电压电平根据输入电压是否落入电压范围而发生变化。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于第二级电路包含用于由第一电流生成第二电流的第一电流源；用于由镜像电流生成参考电流的第二电流源，其中镜像电流是通过参照预先设定的电流值对第一电流进行一定幅度的倒相形成的；及用于接收参考电流和第二电流以生成输出电压的第三电流源。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于第一电流源包含一接收第一电流并产生第二电流的非平衡电流镜电路；及第二电流源包含一接收镜像电流并产生参考电流的第二非平衡电流镜电路。
4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于第二电路包含用于由第一电流生成镜电流的第一电流镜电路；用于从镜像电流生成参考电流的第二电流镜电路，其中镜像电路是通过参照预先设定的电流值来对第一电流进行一定幅度的倒相而获得的；及用于从镜电流和参考电流生成第二电流并产生输出电压的非平衡电流镜电路。
5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于第二级电路包含用于由第一电流生成镜电流的电流镜电路；及用于产生参考电流的恒定电流源，其中电流镜电路与恒定电流源相连，致使镜电流流入恒定电流源以产生输出电压。
6.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的电路，其特征在于还包含用于使输出电压反向以产生反向输出电压的反向器。
7.一种电路，其特征在于包含用于接收输入电压并根据输入电压产生一对第一和第二差分电流的一级差分电路，当输入电压为一预定电压时，该差分电流根据形成最大值和最小值的该输入电压而发生变化；用于产生参考电流及与从第一和第二差分电流中所选出的一个相对应的电流的电流控制级，这样根据该电流是否大于参考电流来在预定电压周围确定一电压范围；及用于根据参考电流及所述电流来生成输出电压的输出级，输出电压电平根据输入电压是否落入该电压范围来进行变化。
8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于电流控制级包含用于产生所述电流的第一电流源，该电流比第一差分电流大一第一倍数；及用于产生所述参考电流的第二电流源，该参考电流此第二差分电流大一第二倍数，其中第一倍数和第二倍数的确定，致使根据该电流是否大于该参考电流而围绕所预定电压确定该电压的范围。
9.根据权利要求8所述的电路，其特征在于第一电流源包含接收第一差分电流并产生所述电流的第一非平衡电流镜电路；及第二电流源包含接收第二差分电流并产生所述参考电流的第二非平衡电流镜电路。
10.根据权利要求7所述的电路，其特征在于电流控制级和输出级包含用于由第一差分电流产生镜电流的第一电流镜电路；用于由第二差分电流产生参考电流的第二电流镜电路；及用于根据镜电流和参考电流产生所述电流并生成输出电压的非平衡电流镜电路。
11.根据权利要求7所述的电路，其特征在于电流控制级及输出级包含用于由第一差分电流产生镜电流的电流镜电路；及用于产生所述参考电流的恒定电流源，其中电流镜电路与恒定电流源相连，从而镜电流流入恒定电流源产生输出电压。
12.根据权利要求7所述的电路，其特征在于包含用于将输出电压倒相以产生反相输出电压的反相器。
13.根据权利要求7-12中的任一权利要求所述的电路，其特征在于差分电路级包含接收输入电压及预定电压并产生第一电流和比第一电流小一预定倍数的第二电流的第一差分电路；接收输入电压和预定电压并产生第三电流和比第三电流小某一预定倍数的第四电流的第二差分电路；与第一差分电路相连的第一负载电流源，用于产生预定恒定电流；及与第二差分电路相连的第二负载电流源，用于产生预定恒定电流，其中第一电流和第三电流相结合以产生第一差分电流，第二电流和第四电流相结合产生第二差分电流。
14.一种用于产生窗口比较器窗口的方法，其特征在于包含如下步骤由输入电压产生第一电流，第一电流根据输入电压而变化，从而当输入电压为一预定电压时第一电流有一个最大值或一个最小值；产生参考电流及与第一电流相对应的第二电流，从而使第二电流部分地大于或小于参考电流；及根据第二电流及参考电流来形成窗口，从而根据第二电流是否大于参考电流来围绕该预定电压确定窗口。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于由镜像电流产生所述参考电流，其中镜像电流是通过参考预定电流来将第一电流倒相某一幅度来获得的。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于其中参考电流是由恒定电流源产生的恒定电流。
全文摘要
窗口比较器包括差分电路级和负载电路级。差分电路级根据输入电压生成一对差分电流,当输入电压为一参考电压时,差分电流根据具有一最大值和一最小值的输入电压变化,负载电路级从参考电流和与从差分电流中选出的电流相对应的电流生成输出电压。通过产生参考电流和所述电流,按第二电流是否大于参考电流来确定一电压范围。由于窗口比较器的窗口按所述电流和参考电流形成,从而输出电压电平根据输入电压是否落入电压范围发生变化。
文档编号H03K5/24GK1180959SQ9711708
公开日1998年5月6日 申请日期1997年10月17日 优先权日1996年10月18日
发明者藤井友宏 申请人:日本电气株式会社