DE3119923A1

DE3119923A1 - Schaltungsanordnung fuer einen bereichskomparator

Info

Publication number: DE3119923A1
Application number: DE19813119923
Authority: DE
Inventors: Katsumi Hiratsuka Kanagawa Nagano
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1980-05-29
Filing date: 1981-05-19
Publication date: 1982-02-18
Also published as: US4409497A; JPH0368349B2; JPS56168168A; DE3119923C2

Description

Beschreibung

Schaltungsanordnung für einen Bereichskomparator

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen Bereichskomparator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Unter einem Bereichskomparator oder Pensterkomparator ist eine Einrichtung zu verstehen, mittels derer feststellbar ist, ob eine Signalspannung innerhalb eines bestimmten Spannungsbereichs liegt oder nicht. Es sind verschiedene Schaltungsanordnungen für einen solchen Bereichskomparator vorgesehen worden. Eine dieser Schaltungsanordnungen verarbeitet nur ein Eingangssignal, dessen Polarität sich nicht ändert. Diese Schaltungsanordnung enthält einen ersten und einen zweiten Bezugsspannungs-Speiseanschluß für eine hohe bzw. eine niedrige Bezugsspannung, deren Polaritäten gleich derjenigen des Eingangssignals sind, sowie zwei Komparatoren und ein NAND-Glied. Der erste Bezugsspannungs-Speiseanschluß und der Signaleingangsanschluß sind an den nicht invertierenden bzw. den invertierenden Eingang des ersten !Comparators angeschlossen. Der Signaleingangsanschluß und der zweite Bezugsspannungs-Speiseanschluß sind an den nicht invertierenden bzw. den invertierenden Eingang des zweiten !Comparators angeschlossen. Ausgangsanschlüsse des ersten und des zweiten !Comparators sind über das NAND-Glied mit einem Signalausgangsanschluß verbunden. Bei dieser Schaltungsanordnung nimmt eine Ausgangsspannung einen L-(=Low)-Pegel an, wenn die Eingangsspannung niedriger als die zweite Bezugsspannung oder höher als die erste Bezugsspannung ist, und einen H-(=High)-Pegel an, wenn die Ein- gangsspannung höher als die zweite Bezugsspannung oder niedriger als die erste Bezugsspannung ist. Ungefähr 60 Bau-

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elemente sind erforderlich, um diese herkömmliche Schaltungsanordnung eines Bereichskomparators mit Hilfe normaler Torschaltungen aufzubauen, was diese Schaltungsanordnung für eine Integration ungeeignet macht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Bereichs-

komparator bzw. eine Schaltungsanordnung für einen solchen zu schaffen, die mit einer geringeren Anzahl von Bauelementen realisiert werden kann und sich für eine Integration Ί0 eignet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 2A-2D Signalverläufe von Hauptteilen der Schaltungsanordnung von Fig. 1,

Fig. 3 im Detail die Schaltungsanordnung der ersten Ausführungsform,

Fig. 4 die Schaltungsanordnung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5A-5D Signalverläufe von Hauptteilen der Schaltungsanordnung von Fig. 4 und

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Fig. 6 ein Schaltbild der zweiten Ausführungsform im einzelnen.

Eine Ausführungsform der Schaltungsanordnung des Bereichs- !comparators gemäß der Erfindung soll nun unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben werden. Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform dieser Schaltungsanordnung. Ein erster Stromquellenanschluß 10 ist mit Kollektoren von NPN Transistoren 12 und 14 verbunden, von denen der Emitter des Transistors 12 mit dem Emitter eines NPN Transistors 16 und der Emitter des Transistors 14 mit dem Emitter eines NPN Transistors 18 verbunden ist. Die Emitter der Transistoren 12 und 16 sind über eine Stromquelle 20/ die Emitter der Transistoren 14 und 18 über eine Stromquelle 22 mit einem zweiten Stromquellenanschluß 23 verbunden. Die Basen der Transistoren 14 und 16 sind miteinander und mit einem Signal-Eingangsanschluß 24 verbunden. Die Basis des Transistors 12 ist mit einem ersten Bezugsspannungsanschluß 26, die Basis des Transistors 18 mit einem zweiten Bezugs-Spannungsanschluß 28 verbunden. Die am ersten und am zweiten Bezugsspannungsanschluß 26 und 28 auftretenden Spannungen haben die gleiche Polarität wie die Eingangssignale, und die erste Bezugsspannung besitzt einen höheren Absolutwert als die zweite Bezugsspannung.

Die Kollektoren der Transistoren 16 und 18 sind miteinan-der und mit dem Kollektor eines PNP Transistors 30 verbunden, dessen Kollektor und Basis kurzgeschlossen sind und dessen Basis mit der Basis eines PNP Transistors 32 verbunden ist. Die Emitter der Transistoren 30 und 32 sind an den ersten Stromquellenanschluß 10 angeschlossen. ^Die Transistoren 30 und 32 bilden eine Stromspiegelschaltung. Der Kollektor des Transistors 32 ist mit der Basis eines NPN Transistors 34 und über eine Konstantstromquelle 36 mit dem zweiten Stromquellenanschluß 23 verbunden. Bezeichnet man den von der Konstantstromquelle 36 erzeugten Strom mit I, dann sind

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(v

Ί die von den Konstantstromquellen 20 und 22 erzeugten Ströme jeweils 21. Der Kollektor des Transistors 34 ist über einen Widerstand 38 mit dem ersten Stromquellenanschluß 10 und mit einem Ausgangsanschluß 40 verbunden. Der Emitter des Transistors 34 ist mit dem zweiten Stromquellenanschluß 23 verbunden.

Zur Beschreibung der Arbeitsweise dieser Ausführungsform sei angenommen, daß die Spannung am ersten Stromquellenan-Schluß 10V₁ ist, die Spannung am zweiten Stromquellenanschluß 0 ist, die Spannung am ersten Bezugsspannungsanschluß Vh ist, die Spannung am zweiten Bezugsspannungsanschluß Vl ist und das Eingangssignal Vi eine positive Polarität habe (V₁ > Vh > Vl > 0). Wenn die Eingangsspannung Vi ausreichend niedriger als die erste Bezugsspannung Vh ist, dann ist der Transistor 12 leitend und der Transistor 16 gesperrt, so daß der gesamte Strom 21 der Konstantstromquelle 20 ausschließlich durch den Transistor 12 fließt. Wenn die Eingangsspannung Vi sich der Bezugsspannung Vh nähert, dann wird auch der Transistor 16 leitend, so daß ein geringer Strom durch den Transistor 16 fließt. Wenn die Eingangsspannung Vi gleich der Bezugsspannung Vh wird, werden die Transistoren 12 und 16 gleich leitend, so daß durch jeden der Transistoren 12 und 16 ein Strom I fließt, der sich durch Aufteilung des Stroms von der Konstantstromquelle 20 auf zwei gleiche Teile ergibt.^{Wenn die} Eingangs spannung Vi ausreichend höher als die Bezugsspannung Vh ist, dann ist der Transistor 16 leitend, während der Transistor 12 gesperrt ist, so daß der gesamte Strom 21 der Konstantstromquelle 20 ausschließlich durch den Transistor 16 fließt. Bezeichnet man den Kollektorstrom des Transistors 16 mit I., dann ändert sich dieser Strom I₁ mit einer Änderung der Eingangsspannung Vi gemäß der Darstellung in Fig. 2A. Die Änderung von I₁ im Bereich Vi Ä£ Vh entspricht tatsächlich einer Kurve, die jedoch in Fig. 2A durch eine gerade Linie angenähert wurde.

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"V

•\ Wenn die Eingangsspannung Vi ausreichend niedriger als die zweite Bezugsspannung Vl ist, ist der Transistor 14 gesperrt, während der Transistor 18 leitend ist, so daß der gesamte Strom 21 der Konstantstromquelle 22 ausschließlich durch den Transistor 18 fließt. Wenn die Eingangsspannung Vi in die Nähe der zweiten Bezugsspannung Vl ansteigt, wird auch der Transistor 14 leitend, so daß ein geringer Strom durch den Transistor 14 fließt. Wenn die Eingangsspannung Vi gleich der zweiten Bezugsspannung Vl wird, dann sind

Ί0 die Transistoren 14 und 18 gleich leitend, so daß durch jeden der Transistoren Ί4 und 18 ein Strom I fließt, der sich aus der Aufteilung des Stroms von der Konstantstromquelle 22 ergibt. Wenn die Eingangsspannung Vi ausreichend höher als die zweite Bezugsspannung Vl wird, dann ist der

•]5 Transistor 14 leitend, während der Transistor 18 gesperrt wird, so daß der gesamte Strom 21 der Konstantstromquelle 22 allein durch den Transistor 14 fließt. Bezeichnet man daher den Kollektorstrom des Transistors 18 mit I₉, dann ändert sich dieser Strom I- abhängig von der Eingangsspannung Vi gemäß der Darstellung in Fig. 2B. Die Änderung von I„ im Bereich von Vi «s5> Vl ist in Fig. 2B durch eine gerade Linie angenähert.

Da die Kollektorströme I₁ und I_ der' Transistoren 16 und 18 in den eingangsseitigen Transistor 30 der Stromspiegelschaltung fließen, ist der Kollektorstrom des ausgangsseitigen Transistors 3 2 der Stromspiegelschaltung gleich der Summe von I und I„. Da die Konstantstromquelle 36 zur Lieferung des konstanten Stroms I mit dem Kollektor des Transistors 32 verbunden ist, ändert sich der Basisstrom I₃ des Transistors 34 abhängig von der Eingangsspannung Vi gemäß der Darstellung in Fig. 2C. Das heißt, I- hat einen Verlauf, der sich durch Vereinigung der Verläufe von I₁ und Ip und deren Verschiebung um I zur negativen Seite ergibt. Der Transistor 34 wird leitend, wenn der Basisstrom I_ positiv ist. Eine Spannung Vo an dem mit dem KoI-

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lektor des Transistors 34 verbundenen Ausgangsanschluß wird dann Null, entspricht also dem Massepotential/ wie in Fig. 2D gezeigt. Wenn der Basisstrom I-, negativ ist, wird der Transistor 34 gesperrt, so daß die Ausgangsspannung Vo gleich dem Spannungswert am Stromq;uellenanschluß 10 wird, -wie dies in Fig. 2D gezeigt ist.

Wie vorangehend beschrieben, arbeitet die Schaltungsanordnung von Fig. 1 als Bereichskomparator, da die Ausgangsspannung Vo den L-Pegel annimmt, wenn die Eingangsspannung Vi niedriger als die zweite Bezugsspannung Vl und höher als die erste Bezugsspannung Vh ist, und den Η-Pegel annimmt, wenn die Eingangsspannung Vi höher als die zweite Bezugsspannung Vl und niedriger als die erste Bezugsspannung Vh ist.

Fig. 3 zeigt das Schaltbild einer konkreten Schaltungsanordnung der ersten Ausführungsform. Die gleichen Teile wie in Fig. 1 sind mit der gleichen Bezugszahl bezeichnet und nicht erneut beschrieben. Der Stromquellenanschluß 10 ist über einen Widerstand 50 mit dem Kollektor eines NPN Transistors 52 verbunden, dessen Basis und Kollektor kurzgeschlossen sind und dessen Emitter mit dem zweiten Stromquellenanschluß 13 verbunden ist. Widerstände 54, 56 und 58 sind zwischen die Stromquellenanschlüsse 10 und 13 in Reihe geschaltet, und ein Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 54 und 56 ist mit der Basis des Transistors 12 verbunden. Dieser Verbindungspunkt entspricht dem ersten Bezugsspannungsanschluß 26 von Fig. 1. Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 56 und 58 ist mit der Basis des Transistors 18 verbunden. Dieser Verbindungspunkt entspricht dem zweiten Bezugsspannungsanschluß 28 von Fig. 1. Die Emitter der Transistoren 12 und 16 sind an einen Kollektor eines NPN Transistors 60 angeschlossen, dessen Emitter mit dem zweiten Stromquellenanschluß 13 verbunden ist.Die Emitter der Transistoren 14 und 18 sind mit

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einem Kollektor eines NPN-Transistors 62 verbunden, dessen Emitter an den zweiten Stromquellenanschluß 13 angeschlossen ist. Der Kollektor des Transistors 32 ist mit dem Kollektor eines Transistors 64 verbunden, dessen Emitter mit dem zweiten Stromquellenanschluß 13 verbunden ist. Die Basen der Transistoren 60, 62 und 64 sind mit der Basis des Transistors 52 verbunden. Die Transistoren 60 und 62 haben je eine geometrische Form, die zweimal so groß wie die der anderen Transistoren ist. Das heißt, die Transistoren -JO 60, 62 und 64 entsprechen den Konstantstromquellen 20, 22 bzw. 36 in Fig. 1. Daher arbeitet die in Fig. 3 gezeigte Schaltungsanordnung in gleicher Weise wie die von Fig. 1, und die Signalverläufe in den entsprechenden Teilen sind gleich denen der Fig. 2A bis 2D.

Bei.der vorangegangenen Beschreibung war vorausgesetzt, daß die erste und die zweite Bezugsspannung gleiche Polarität wie das Eingangssignal haben. Es kann aber angenommen werden, daß das Potential am ersten Stromquellenanschluß positiv und das am zweiten Stromquellenanschluß negativ ist.

Selbst wenn die erste Bezugsspannung positiv und die zweite Bezugsspannung negativ wird, bleibt die Arbeitsweise die gleiche, wenn man ein Eingangssignal anlegt, dessen Spannung zwischen der ersten und der zweiten Bezugsspannung liegt.

Wie aus der Beschreibung hervorgeht, reichen bei dieser Ausführungsform 11 Bauelemente einschließlich der Stromversorgungsquellen zur Realisierung eines integrationsfähigen Bereichskomparators. Darüberhinaus sind höchstens 3 Transistoren in einer Reihenschaltung zwischen den ersten und den zweiten Stromquellenanschluß 10 und 13 geschaltet, so daß die Spannung zwischen den Stromquellenanschlüssen 10 und 13 etwa 2 V betragen kann.

Eine zweite Ausführungsform der Schaltungsanordnung des

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Ί Bereichskomparators gemäß der Erfindung soll nun unter Bezug auf Fig. 4 erläutert werden. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und nicht erneut beschrieben. Der Stromquellenanschluß 10 ist mit den Kollektoren der Transistoren 16 und 18 verbunden, während die Kollektoren der Transistoren 12 und 14 mit dem Kollektor des eingangsseitigen Transistors 30 der Stromspie gelschaltung verbunden sind. Der Kollektor des ausgangsseitigen Transistors 32 der Stromspiegelschaltung ist mit einer Konstantstromquelle 66 zur Lieferung eines konstanten Stroms 31 verbunden. Die übrigen Teile dieser Ausführungsform sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.

Wenn die Eingangsspannung Vi ausreichend niedriger als die erste Bezugsspannung Vh ist, dann ist der Transistor 12 leitend, während der Transistor 16 gesperrt ist, so daß der gesamte Ausgangsstrom 21 der Konstantstromquelle 20 ausschließlich durch den Transistor 12 fließt. Wenn die Eingangsspannung Vi in die Nähe der ersten Bezugsspannung Vh ansteigt, wird auch der Transistor 16 leitend, so daß ein geringer Strom durch den Transistor 16 fließt. Wenn die Eingangsspannung Vi gleich der ersten Bezugsspannung Vh wird, dann sind die Transistoren 12 und 16 gleichermaßen leitend, so daß durch jeden der Transistoren 12 und 16 der Ausgangsstrom I fließt, der sich durch Teilung des Stroms 21 von der Konstantstromquelle 20 in zwei gleiche Teile ergibt. Wenn die Eingangsspannung Vi ausreichend höher als die erste Bezugsspannung Vh wird, dann ist der Transistor 16 leitend, während der Transistor 12 gesperrt ist, so daß der gesamte Ausgangsstrom 21 der Konstantstromquelle durch den Transistor 16 fließt. Als Folge davon ändert sich der Kollektorstrom I. des Transistors 12 abhängig von der Eingangsspannung Vi gemäß der Darstellung in Fig. 5A. Der Verlauf von I- im Bereich von Vi ft£ Vh ist durch eine gerade Linie angenähert.

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/7

•J Wenn die Eingangs spannung Vi ausreichend niedriger als die zweite Bezugsspannung Vl ist, dann ist der Transistor 14 gesperrt, während der Transistor 18 leitend ist, so daß der gesamte Ausgangsstrom 21 der Konstantstromquelle 22 allein durch den Transistor 18 fließt. Wenn die Eingangsspannung Vi sich der zweiten Bezugsspannung Vl nähert, wird auch der Transistor 14 leitend, so daß ein geringer Strom durch den Transistor 14 fließt. Wenn die Eingangsspannung Vi gleich der zweiten Bezugsspannung Vl wird, dann sind die

Ί0 Transistoren 14 und 18 gleichermaßen leitend, so daß durch jeden der Transistoren 14 und 18 ein Strom I fließt, der sich aus der Teilung des AusgangsStroms 21 der Konstantstromquelle 22 in zwei gleiche Teile ergibt. Wenn die Eingangsspannung Vi ausreichend .höher als die zweite Bezugsspannung Vl wird, dann ist der Transistor 14 leitend, während der Transistor 18 gesperrt wird, so daß der gesamte Ausgangsstrom 21 der Konstantstromquelle 22 durch den Transistor 14 fließt. Als Folge davon ändert sich der Kollektor strom I₁- des Transistors 14 abhängig von der Eingangsspannung Vi gemäß der Darstellung in Fig. 5B. Der Verlauf von I₅ im Bereich von Vi ¹^ Vl ist durch eine gerade Linie angenähert.

Da die Kollektorströme I₄ und I₅ der Transistoren 12 und 14 dem Kollektor des Transistors 30 geliefert werden, ist der Kollektorstrom des Transistors 32 gleich der Summe der Ströme I. und I . Da die Konstantstromquelle,zur Lieferung des konstanten Stroms 31 mit dem Kollektor des Transistors 32 verbunden ist, ändert sich der Basisstrom I_Ä de's" Transistors 34 abhängig von der Eingangsspannung Vi gemäß der Darstellung in Fig. 5C. Das heißt, I_g hat einen Verlauf, der sich durch Vereinigung der Verläufe von I₄ und I₅ , die in den Fig. 5A und 5B gezeigt sind, und deren Verschiebung um 31 zur negativen Seite ergibt. Als Folge davon erhält die am Ausgangsanschluß 40, der mit dem Kollektor des Transistors 34 verbunden ist, auftretende Spannung Vo den

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in Fig. 5D gezeigten Verlauf.

Aus der voranstehenden Beschreibung ergibt sich/ daß mit der zweiten Ausführungsform eine Schaltungsanordnung für einen Bereichskomoarator geschaffen wurde, dessen Ausgangspegel umgekehrt zu dem der ersten Ausführungsform ist, da die Ausgangsspannung Vo den Η-Pegel annimmt, wenn die EingangsSpannung Vi niedriger als die zweite.Bezugsspannung Vl und höher als die erste Bezugsspannung Vh ist, während die Ausgangsspannung Vo den L-Pegel" annimmt, wenn die Eingangsspannung Vi höher als die zweite Bezugsspannung Vl und niedriger als die erste Bezugsspannung Vh ist.

Fig. 6 ist ein Schaltbild einer, konkreten Schaltungsanord- -j5 nung der zweiten Ausführungsform. NPN Transistoren 60 und 62 haben je eine geometrische Form, die zweimal derjenigen der anderen Transistoren ist. Die Transistoren 60 und 62 sind als Ronstantstromquellen 20 und 22 eingesetzt. Ein NPN Transistor 68 hat eine geometrische Form, die dreimal derjenigen der anderen Transistoren ist. Der Transistor 68 ist als Konstantstromquelle 66 eingesetzt. Auch in diesem Fall kann die Anzahl der Bauelemente 11 und die an die Stromquellenanschlüsse anzulegende Spannung etwa 2 V betragen.

So werden mit beiden erläuterten Ausführungsformen Bereichskomparator-Schaltungsanordnungen geschaffen, die eine geringere Anzahl von Bauelementen in einer einfacheren Schaltungsanordnung aufweisen und für eine Integration geeignet sind.

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Leerseite

Claims

■ Patentansprüche

'Schaltungsanordnung für einen Bereichskomparator um- ^ fassend

einen Eingangsanschluß (24), dem ein Eingangssignal zuführbar ist,

einen ersten Bezugsspannungsanschluß (26), an den eine erste Bezugsspannung anlegbar ist,
einen zweiten Bezugsspannungsanschluß (28), an den eine zweite Bezugsspannung anlegbar ist, die niedriger als die erste Bezugsspannung ist,

einen ersten Differenzverstärker (12, 16), der mit dem Eingangsanschluß (24) und dem ersten Bezugsspannungsanschluß (26) verbunden ist,

einen zweiten Differenzverstärker (14,18"), der mit dem Eingangsanschluß (24) und dem zweiten Bezugsspannungsanschluß (28) verbunden ist, und

einen Ausgangskreis (30 - 40), der an Ausgangsanschlüsse des ersten und des zweiten Differenzverstärkers angeschlossen ist,

dadurch gekennzeichnet, daß der erste Differenzverstärker einen ersten Transistor (12) und einen zweiten Transistor (16) aufweist, von denen die Basis des ersten mit dem ersten Bezugsspannungsanschluß (26) und die des zweiten mit dem Eingangsanschluß (24) verbunden ist, während der Emitter des ersten Transistors (12) mit dem des zweiten Transistors (16) verbunden ist und beide Emitter an eine erste Konstantstromquelle (20) zur Lieferung eines ersten konstanten Stroms angeschlossen sind,

daß der zweite Differenzverstärker einen dritten Transistor (14) und einen vierten Transistor (18) aufweist, von denen die Basis des dritten Transistors (14) mit dem Eingangsanschluß (24) und die Basis des vierten Transistors

(18) mit dem zweiten Bezugsspannungsanschluß (28) verbunist und der Emitter des dritten Transistors (14) mit dem

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des vierten Transistors (18) verbunden ist und beide Emitter von drittem und viertem Transistor (14, 18) zusammen an eine zweite Konstantstromquelle (22) zur Lieferung des ersten konstanten Stromes angeschlossen sind, und daß der Ausgangskreis eine Stromspiegelschaltung (30, 32)', der die Summe der Kollektorströme von zweitem und viertem Transistor (16, 1.8) oder die Summe der Kollektor ströme von erstem und drittem Transistor (12, 14) zuführbar ist, eine an einen Ausgangsanschluß der Stromspiegelschaltung (30, 32) angeschlossene dritte Konstantstromquelle (36; 66) zur Lieferung eines zweiten konstanten Stromes und einen Ausgangstransistor (34) enthält, dessen Basis mit dem Ausgangsanschluß der Stromspiegelschaltung (30, 32) verbunden ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromspiegelschaltung (30, 32) die Summe der Kollektorströme von zweitem und viertem Transistor (16, 18) geliefert wird und daß der zweite Konstantstrom, der von der dritten Konstantstromquelle (36) geliefert wird, halb so groß wie der erste Konstantstrom ist, der von der ersten und von der zweiten Konstantstromquelle (20, 22) geliefert wird.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromspiegelschaltung (30, 32) die Summe der Kollektorströme von erstem und drittem Transistor (12, 14) geliefert wird und daß der zweite konstante Strom, der von der dritten Konstantstromquelle (66) geliefert wird, zwei Drittel des ersten konstanten Stroms ist, der von der ersten und der zweiten Konstantstromquelle (20, 22) geliefert wird.

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