專利名稱:一種低功耗高速高精度比較器新型電路的制作方法
【專利摘要】一種低功耗高速高精度比較器新型電路，其特征是：低功耗高速高精度比較器電路包括順次連接輸入采樣開(kāi)關(guān)、前置放大器、二級(jí)預(yù)放大器與鎖存器；輸入采樣開(kāi)關(guān)包括一對(duì)采樣輸入信號(hào)的開(kāi)關(guān)和一對(duì)采樣參考電壓的開(kāi)關(guān)；前置放大器采用共源共柵結(jié)構(gòu)以減少輸入端產(chǎn)生的誤差，二級(jí)預(yù)放大器雙端輸入單端輸出進(jìn)一步提高放大倍數(shù)，二級(jí)放大器與前置放大器之間通過(guò)電容鏈接，來(lái)消除失調(diào)輸入失調(diào)和輸出失調(diào)，鎖存器加快比較速度，輸出結(jié)果并鎖存，通過(guò)二級(jí)預(yù)放大器的輸出狀態(tài)控制鎖存器的工作狀態(tài)；其優(yōu)越性在于：該低功耗高速高精度比較器電路可以大幅度地提高比較器的速度和精度。
【專利說(shuō)明】
一種低功耗高速高精度比較器新型電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及半導(dǎo)體集成電路與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容的低功耗高速高精度比較器電路。
【背景技術(shù)】
[0002]比較器將輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，是模擬到數(shù)字的一個(gè)重要接口，廣泛運(yùn)用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器等電路。在金屬氧化物半導(dǎo)體器件中，電子元件易發(fā)生工作特性變化，該變化通常表現(xiàn)為閾值電壓電平的移動(dòng)。例如，在比較器電路中，差分對(duì)中的失配和電流源中的失配可以導(dǎo)致比較器偏移，所述比較器偏移是電壓偏移，其通過(guò)影響輸入電壓與基準(zhǔn)電壓之間的比較性能而限制了比較器的精度。比較器偏移量不僅作為隨機(jī)器件失配的結(jié)果出現(xiàn)，而且還是器件尺寸的函數(shù)。降低偏移量的一個(gè)已知方法是增大器件尺寸。但是，這需要增加功率以維持增益帶寬和更新期。對(duì)于小的、低功率的比較器來(lái)說(shuō)，增大器件尺寸可能不是實(shí)用的選擇，因此需要偏移補(bǔ)償或者偏移抵消方案。
[0003]比較器按作原理大體可以分為兩類:運(yùn)放結(jié)構(gòu)比較器和鎖存器。運(yùn)放結(jié)構(gòu)比較器可以分辨較小的輸入信號(hào)，但是速度較慢;鎖存器的速度較快，但是只能分辨較大的輸入信號(hào)，同時(shí)失調(diào)和回程噪聲也較大在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，比較器對(duì)速度和精度都有較高的要求，單獨(dú)使用任一種比較器都不能滿足要求，往往將兩種比較器級(jí)聯(lián)組成高速高精度比較器。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]為了克服現(xiàn)有比較器電路性能的不足，本實(shí)用新型提供一種與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容的一種低功耗高速高精度的比較器，能夠有效地減小比較器失調(diào)電壓的影響，在控制平均功耗的基礎(chǔ)上提高比較器的速度以及精度。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所涉及的一種低功耗低高速高精度比較器新型電路，包括順序連接的輸入采樣開(kāi)關(guān)，前置放大器，二級(jí)預(yù)放大器，動(dòng)態(tài)輸出鎖存器，其中所述輸入采樣開(kāi)關(guān)，包括一對(duì)采樣輸入信號(hào)的開(kāi)關(guān)和一對(duì)采樣參考電壓的開(kāi)關(guān)，用于在復(fù)位階段將輸入接固定參考電平Vref，在比較階段將輸入接差分輸入差分信號(hào)Vn，Vp;所述前置放大器，用于放大差分輸入信號(hào)，需要保證該前置放大器有足夠的帶寬和增益，以減小高速比較器等效在輸入端的總失調(diào)電壓，提高比較器的精度。
[0006]上述所說(shuō)的前置放大器，采用交叉結(jié)構(gòu)的P晶體管負(fù)載，由晶體管麗O，MN1，麗2，麗3，晶體管MPO ,MPl，MP2，MP3組成，晶體管MNO和晶體管MNl組成差分輸入對(duì)管，晶體管MP3和晶體管MP2組成耦合對(duì)管，用于放大差分輸入信號(hào)。上述所說(shuō)的耦合電容，在復(fù)位階段用于存儲(chǔ)前置放大器的失調(diào)電壓，在比較階段用于將前置放大器輸出變化量耦合到二級(jí)預(yù)放大器輸入端。
[0007]上述所說(shuō)的二級(jí)預(yù)放大器，采用兩級(jí)放大結(jié)構(gòu)；用于提高放大器的增益，其第一級(jí)放大器的負(fù)載采用了帶弱正反饋的交叉耦合結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的晶體管MP6和MP7的寬長(zhǎng)比應(yīng)該小于晶體管MP4和MP5，有效減少對(duì)前置放大器的回程噪聲，否則構(gòu)成強(qiáng)反饋;通過(guò)二級(jí)預(yù)放大器的MPlO，MP11的輸入信號(hào)來(lái)控制輸出鎖存器的狀態(tài)，降低鎖存器的設(shè)計(jì)難度和功耗。
[0008]上述所說(shuō)的輸出鎖存器，用于鎖存比較輸出的結(jié)構(gòu)，其前端采用反相器結(jié)構(gòu)，用于輸出結(jié)果的整形，提高比較速度，兩個(gè)反相器級(jí)聯(lián)，后接一個(gè)交叉耦合的反相器，將前級(jí)輸出迅速建立到數(shù)字邏輯輸出電平，并能鎖存輸出。
【附圖說(shuō)明】

[0009]圖1是本實(shí)用新型所涉一種低功耗高速高精度比較器電路的結(jié)構(gòu)框圖；
[0010]圖2是本實(shí)用新型所涉一種低功耗高速高精度比較器電路的前置放大器的電路圖；
[0011]圖3是本實(shí)用新型所涉一種低功耗高速高精度比較器電路的二級(jí)預(yù)放大器的電路圖；
[0012]圖4是本實(shí)用新型所涉一種低功耗高速高精度比較器電路的輸出鎖存器電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0014]—種低功耗高速高精度比較器新型電路(見(jiàn)圖1)，包括順序連接的四個(gè)輸入采樣開(kāi)關(guān)SI，S2，S3，S4，前置放大器，耦合電容Cl，C2，二級(jí)預(yù)放大器，輸出鎖存器，其中采樣開(kāi)關(guān)SI，S2，S3，S4，用于在復(fù)位階段將輸入接固定參考電平Vref，在比較時(shí)間將輸入接差分輸入信號(hào)Vn，Vp。
[0015]前置放大器采用交叉結(jié)構(gòu)的P晶體管負(fù)載，用于放大差分輸入信號(hào)，需要保證該前置放大器有足夠的帶寬和增益，以減小超高速比較器等效在輸入端的總失調(diào)電壓，提高該比較器的精度。
[0016]耦合電容Cl，C2，在復(fù)位階段用于存儲(chǔ)前置放大器的失調(diào)電壓，在比較階段用于將前置放大器輸出變化量耦合到二級(jí)預(yù)放大器輸入端。
[0017]二級(jí)預(yù)放大器，輸入是耦合電容耦合到輸入端的前置放大器輸出變化量，用于再一次放大，輸入信號(hào)與參考信號(hào)的差值，通過(guò)全動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的二級(jí)放大，不消耗靜態(tài)電流，降低了功耗，進(jìn)一步提高了比較器的精度；由二級(jí)放大器的輸出狀態(tài)控制輸出鎖存器的狀態(tài)
[0018]輸出鎖存器，兩個(gè)反相器級(jí)聯(lián)，后接一個(gè)交叉耦合的反相器，將前級(jí)輸出迅速建立到數(shù)字邏輯輸出電平，并能鎖存輸出。由于該動(dòng)態(tài)鎖存器的輸入失調(diào)電壓VosL等效到比較器輸出端要經(jīng)過(guò)兩個(gè)增益級(jí)的衰減，該失調(diào)電壓的影響可以忽略。由此完成了對(duì)輸入信號(hào)的比較放大和失調(diào)電壓的存儲(chǔ)和補(bǔ)償。
[0019]根據(jù)圖1結(jié)構(gòu)，在復(fù)位階段，輸入采樣開(kāi)關(guān)SI，S4閉合，復(fù)位開(kāi)關(guān)S5閉合，輸入采樣開(kāi)關(guān)S2，S3斷開(kāi)，輸入端接到固定參考電平Vref，第一級(jí)前置放大器的輸入失調(diào)電壓Vosl被存儲(chǔ)在耦合電容C1，C2上，與此同時(shí)，由于二級(jí)預(yù)放大器被接成單位增益的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，該二級(jí)預(yù)放大器的失調(diào)電壓Vos2也被耦合電容采樣并存儲(chǔ)；在比較階段，復(fù)位開(kāi)關(guān)S5斷開(kāi)，輸入采樣開(kāi)關(guān)SI，S4斷開(kāi)，S2，S3閉合，輸入端接收真正的輸入信號(hào)Vn，Vp，該輸入信號(hào)被放大并傳遞給輸出鎖存器，在放大傳輸?shù)耐瑫r(shí)，存儲(chǔ)在耦合電容上的失調(diào)電壓被補(bǔ)償。在輸出階段鎖存器將前級(jí)輸出迅速建立到數(shù)字邏輯輸出電平，由于該動(dòng)態(tài)鎖存器的輸入失調(diào)電壓VosL等效到比較器輸出端要經(jīng)過(guò)兩個(gè)增益級(jí)的衰減，在圖1結(jié)構(gòu)中，
該失調(diào)電壓的影響可以忽略，由此完成了對(duì)輸入信號(hào)的比較放大和失調(diào)電壓的存儲(chǔ)和補(bǔ)m
Iz? O
[0020]上述所說(shuō)的前置放大器(見(jiàn)圖2)，由晶體管MNO ,MNl，MN2，MN3，晶體管MPO，MPI，MP2，MP3組成，晶體管麗O和晶體管麗I組成差分輸入對(duì)管，晶體管MP3和晶體管MP2組成耦合對(duì)管，前置放大器不需要太大的放大倍數(shù)，為提供較寬的帶寬，因?yàn)檩^寬的帶寬既可以加快放大器傳輸時(shí)間，也可以加快整體比較器的響應(yīng)速度。
[0021]上述所說(shuō)的二級(jí)預(yù)放大器(見(jiàn)圖3)，二級(jí)預(yù)防大器是兩級(jí)動(dòng)態(tài)放大器，晶體管MN3，MN4組成第一級(jí)差分輸入對(duì)管，晶體管MN7作為尾電流管，柵極接偏置電壓Vb，晶體管MN7的源極接晶體管MN8的漏極，晶體管MN8的柵極接CLK，在比較階段，晶體管MN8工作在深線性區(qū)，在CLK為低時(shí)晶體管MN8工作在截止區(qū)，比較完成后第一級(jí)放大器不消耗靜態(tài)電流，降低功耗，晶體管1?4，1^5，1^6，1^7組成帶弱正反饋的交叉耦合結(jié)構(gòu)負(fù)載，用以提高運(yùn)放的增益，晶體管MP6和MP7的寬長(zhǎng)比應(yīng)該小于晶體管MP4和MP5寬長(zhǎng)比，否則構(gòu)成強(qiáng)正反饋，對(duì)前置放大器的回程噪聲就比較大。晶體管MP9，MP8和晶體管MN6，MN5組成其第二級(jí)，其中晶體管MN5的漏極和柵極連接，把雙端輸入轉(zhuǎn)單端輸出，使的一段輸出的增益增大一倍。晶體管MP10，MP11接在一級(jí)放大器與二級(jí)放大器之間，晶體管MP10，MP11的柵極接控制信號(hào)ENA，當(dāng)ENA為高電平時(shí)，晶體管MP10，MP11工作在截止區(qū)，二級(jí)預(yù)防大器正常輸出放大結(jié)果，其后的鎖存器也輸出比較結(jié)果，當(dāng)ENA為低電平時(shí)，晶體管MPlO，MP11工作在飽和區(qū)，此時(shí)，晶體管MP9的柵極和漏極都接高電平，工作在截止區(qū)，此時(shí)二級(jí)預(yù)防大器輸出為高阻態(tài)，鎖存器鎖存再生上次比較結(jié)果。通過(guò)二級(jí)預(yù)放大器控制鎖存器的狀態(tài)，減小了鎖存器的設(shè)計(jì)難度和功耗。
[0022]上述所說(shuō)的輸出鎖存器(見(jiàn)圖4)，所述鎖存器由晶體管MP12，MP13，MPI，MP15，MP16和晶體管麗9，麗10，麗11，麗12，麗13組成，晶體管MP13和晶體管麗10組成反相器級(jí)聯(lián)由晶體管MP16和晶體管MN9組成的反相器，加快比較速度和比較結(jié)果整形。晶體管MN12，MN13和晶體管MP12，MP15組成正反饋的交叉耦合的反相器，對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行鎖存。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種低功耗高速高精度比較器新型電路，其特征是包括:順序連接的四個(gè)輸入采樣開(kāi)關(guān)，前置放大器、耦合電容Cl，C2、二級(jí)預(yù)放大器、輸出鎖存器，其中采樣開(kāi)關(guān)SI，S2，S3，S4，用于在復(fù)位階段將輸入接固定參考電平Vref，在比較時(shí)間將輸入接差分輸入信號(hào)Vn，Vp;前置放大器采用失調(diào)消除技術(shù)以減少輸入端產(chǎn)生的誤差，二級(jí)預(yù)放大器雙端輸入單端輸出進(jìn)一步提高放大倍數(shù)，二級(jí)放大器與前置放大器之間通過(guò)電容鏈接，來(lái)消除失調(diào)輸入失調(diào)和輸出失調(diào)，鎖存器加快比較速度，輸出結(jié)果并鎖存，通過(guò)二級(jí)預(yù)放大器的輸出狀態(tài)控制鎖存器的工作狀態(tài)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗高速高精度比較器新型電路，其特征是前置放大器采用交叉結(jié)構(gòu)的P晶體管負(fù)載，由晶體管MNO到晶體管MN3，晶體管MPO到晶體管MP3組成，晶體管MNO和晶體管MNl組成差分輸入對(duì)管，晶體管MP3和晶體管MP2組成耦合對(duì)管，用于放大差分輸入信號(hào)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗高速高精度比較器新型電路，其特征是耦合電容C1，C2，與前置放大器的輸出和二級(jí)預(yù)放大器的輸入相連，在復(fù)位階段用于存儲(chǔ)前置放大器的失調(diào)電壓，在比較階段用于將前置放大器輸出變化量耦合到二級(jí)預(yù)放大器輸入端。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗高速高精度比較器新型電路，其特征是二級(jí)預(yù)放大器由晶體管MN3，晶體管MN4組成第一級(jí)差分輸入對(duì)管，晶體管MN7作為尾電流管，柵極接偏置電壓Vb，晶體管MN7的源極接晶體管MN8的漏極，晶體管MN8的柵極接CLK，在比較階段，晶體管1期工作在深線性區(qū)，在0^為低時(shí)晶體管麗8工作在截止區(qū)，晶體管1034，1^5，1^6，MP7組成帶弱正反饋的交叉耦合結(jié)構(gòu)負(fù)載，晶體管MP6和晶體管MP7的寬長(zhǎng)比應(yīng)該小于晶體管MP4和晶體管MP5寬長(zhǎng)比；晶體管MP9，MP8，麗6，麗5組成其第二級(jí)，其中晶體管麗5的漏極和柵極連接，把雙端輸入轉(zhuǎn)單端輸出；晶體管MP10，MP11接在一級(jí)放大器與二級(jí)放大器之間，晶體管MPlO，MP11的柵極接控制信號(hào)ENA，當(dāng)ENA為高電平時(shí)，晶體管MPlO，MP11工作在截止區(qū)，二級(jí)預(yù)防大器正常輸出放大結(jié)果，其后的鎖存器也輸出比較結(jié)果，當(dāng)ENA為低電平時(shí)，晶體管MPlO，MP11工作在飽和區(qū)，此時(shí)，晶體管MP9的柵極和漏極都接高電平，工作在截止區(qū)，此時(shí)二級(jí)預(yù)防大器輸出為高阻態(tài)，鎖存器鎖存再生上次比較結(jié)果;輸入信號(hào)與參考信號(hào)的差值，通過(guò)全動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的二級(jí)放大，不消耗靜態(tài)電流，由二級(jí)放大器的輸出狀態(tài)控制輸出鎖存器的狀態(tài)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗高速高精度比較器新型電路，其特征是輸出鎖存器由晶體管1?12，]/0313，]/031，]/0315，]/0316，麗9，麗10，麗11，麗12，麗13組成，晶體管10313和晶體管MNlO組成反相器級(jí)聯(lián)由晶體管MP16和晶體管MN9組成的反相器，前級(jí)輸出迅速建立到數(shù)字邏輯輸出電平；晶體管MN12，MN13，MP12，MP15組成正反饋的交叉耦合的反相器，對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行鎖存。
【文檔編號(hào)】H03K5/24GK205725686SQ201620385834
【公開(kāi)日】2016年11月23日
【申請(qǐng)日】2016年5月3日
【發(fā)明人】陳力穎
【申請(qǐng)人】天津力芯偉業(yè)科技有限公司