專利名稱：一種比較器和模數轉換器的制作方法
一種比較器和模數轉換器技術領域
本發(fā)明實施例涉及電子技術，尤其涉及一種比較器和模數轉換器。
技術背景
模/數轉換器(Analog-to-Digital converter ；ADC)是將模擬信號轉換為數字信 號的器件，目前廣泛應用于儀表、通訊、信號檢測、圖像處理及多媒體等諸多領域的電子產 品中。隨著電子產品的發(fā)展，對ADC的精度、速度和功耗的要求越來越高，而ADC中的比較 器對這些起到至關重要的影響。因此，如何降低比較器的功耗、提高比較器的速度和精度， 稱為近些年來研究的熱點。
現有的比較器的電路如圖1所示，M5、M6、M7、M8為差分管，參考電壓為VREFP和 VREFN，輸入電壓為 VINP 和 VINN，當 VINP-VINN > VREFP-VREFN 時，流入 M13 的電流 113 大 于流過M12的電流112。由于M15鏡像M13的電流，M14鏡像M12的電流，從而將輸入的差 分電壓信號VINP和VINN的變化轉換為M12、M13、M14、M15電流的變化。
在現有的比較器的預放大電路中，將輸入的電壓轉化為M12和M13的電流差，但由 于M14和M15在鏡像M12和M13的電流同時，還將M12和M13的電流進行放大，而將M14和 M15的電流放大并送入下一級比較電路，而下一級比較電路在得到M14和M15比較結果的同 時，經過放大的直流偏置電流也會增大了比較器的功耗；另外，第二級M18和M19也會因為 有直流功耗的存在而需要采用更大的規(guī)格來允許更大的電流通過，從而導致比較器速度降 低的問題，而且時鐘CLK為低電平時，不能保證M18、M19處于一個導通、一個截止的狀態(tài)，這 會進一步增加比較器的功耗。發(fā)明內容
本發(fā)明實施例提供一種比較器和模數轉換器，以解決現有技術中，比較器功耗大、 速度低的問題。
本發(fā)明實施例提供一種比較器，包括
預放大模塊，用于根據輸入電壓與參考電壓，產生兩路放大的差分信號基準電 流；
差分信號獲得模塊，用于根據所述預放大模塊輸出的兩路放大后的差分信號基準 電流，獲得差分信號；
其中，所述預放大模塊包括差分單元、抵消單元、以及放大單元，
所述差分單元用于根據輸入電壓和參考電壓，生成兩路直流偏置電流；
所述抵消單元用于根據輸入電壓和參考電壓產生所述兩路直流偏置電流的抵消 電流，以降低所述兩路直流偏置電流的大小，得到兩路差分信號基準電流；
所述放大單元用于接收所述兩路差分信號基準電流，并對所述兩路差分信號基準 電流進行放大處理。
本發(fā)明實施例提供一種模數轉換器，包括至少一個本發(fā)明實施例提供的所述比較3器。
本發(fā)明實施例提供的比較器和模數轉換器，采用抵消單元部分抵消預放大模塊中 產生電流差分信號的兩路直流偏置電流，從而實現只將兩路直流偏置電路中的差值輸入差 分信號獲得模塊，從而降低了比較器的功耗，降低模數轉換器的功耗。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā) 明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以 根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為現有比較器的電路圖2為本發(fā)明提供的一個比較器實施例的結構示意圖3為本發(fā)明提供的又一個比較器實施例的電路圖。
具體實施方式
為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例 中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是 本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員 在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
圖2為本發(fā)明提供的一個比較器實施例的結構示意圖，如圖2所示，該比較器包 括預放大模塊1和差分信號獲得模塊2 ；
其中，預放大模塊1，用于根據輸入電壓與參考電壓，產生兩路差分信號基準電 流；
所述預放大模塊1中可以包括差分單元11、抵消單元12、以及放大單元13。所述 差分單元11用于根據輸入電壓和參考電壓，生成兩路直流偏置電流。所述抵消單元12用 于產生所述兩路直流偏置電流的抵消電流，以降低所述兩路直流偏置電流的大小，得到兩 路差分信號基準電流。
其中，在本發(fā)明實施例中，所述抵消電流的大小可以與所述兩路直流偏置電流中 的一個相等。所述放大單元13用于接收所述兩路差分信號基準電流，并對所述兩路差分信 號基準電流進行放大處理。當然，所述抵消單元12向兩路直流偏置電流輸出的抵消電流相 同，從而保證抵消后的兩路直流偏置電流的差值不受抵消電流的影響。
具體的，所述差分單元11中包括差分對，用于接收所述輸入電壓和所述參考電 壓。通常差分對可由兩個三極管、場效應管或金屬氧化物半導體場效應晶體(metal oxid semiconductor ；M0S)管等差分元件構成，施加在這些差分元件上的輸入電壓或參考電壓 使這些差分元件導通，當這些差分元件外接一啟動時，則這些差分元件上就會產生直流偏 置電流。差分元件上施加的輸入電壓或參考電壓越高，則差分元件上能夠通過的直流偏置 電流越高；相反，差分元件上施加的輸入電壓或參考電壓越低，則差分元件上能夠通過的直 流偏置電流越低，當差分元件上施加的輸入電壓或參考電壓低于差分元件的開啟電壓時， 則差分元件無法正常工作，即差分元件上不產生直流偏置電流。因此，可以看出，差分對上施加的輸入電壓和參考電壓的大小可以體現為對差分對中的差分元件的導通能力，即可以 將輸入電壓和參考電壓的差值，轉換為差分對中兩個差分元件上各自產生的直流偏置電流 之間的差值。
在本發(fā)明實施例中，當所述差分單元11中僅包括1個差分對時，所述差分對中的 兩個差分元件分別接入輸入電壓和參考電壓來導通各自的電流通路啟動電源，從而差分對 的兩個差分元件分別產生一路直流偏置電流。
當所述差分單元11包括2個差分對時，則每個差分對分別接入一組輸入電壓和參 考電壓，輸入所述兩個差分對的參考電壓的對應的直流偏置電流的差值，以每個差分對在 各自的輸入電壓和參考電壓下輸出的電流作為各自輸出的直流偏置電流。
差分信號獲得模塊2，用于根據預放大模塊1輸出的放大后的兩路差分信號基準 電流，獲得差分信號。在本發(fā)明實施例中，所述差分信號獲得模塊2可以將兩路放大后的差 分信號基準電流作差，來得到所述差分信號。
在本發(fā)明實施例中，通過抵消單元12將差分單元11輸出的兩路直流偏置電流中 的一路消減為0，降低了比較器在直流電流上的功耗。需要理解的是由于抵消電流的大小也 可以小于兩路直流偏置電流中的任意一路，同樣可以在一定程度上降低兩路直流偏置電流 給比較器帶來的功率消耗。
抵消單元12可以對差分單元11中的直流偏置電流進行抵消，則抵消單元12中的 電子元件可以采用與差分單元11中的差分元件相同的元件。如果預放大電路1包括一個 差分對，則對于進行電壓比較的兩個差分元件，可以通過抵消單元12向兩個差分元件分別 輸出兩個大小相等的抵消電流，這兩個抵消電流的方向與差分元件產生的直流偏置電流方 向相反，抵消電流的大小可以與兩個差分元件中流出的較小的直流偏置電流相等，從而將 對應的差分元件流出直流偏置電流完全抵消，而另一個差分元件流出的直流偏置電流則為 其本身流出的直流偏置電流與抵消電流的差值，可以看出，最終從另一差分元件流出的直 流偏置電流即為兩個差分元件流出的直流偏置電流的差值。因此，放大單元13只需對該直 流偏置電流的差值進行放大后送入差分信號獲得模塊2。
需要說明的是，如果抵消單元12中的電子元件與差分單元11中的差分元件類型 相同，則如果抵消單元12中的電子元件與差分單元11中的差分元件大小尺寸相等，并且接 入相同的啟動電源，則可以向差分單元11中的差分元件輸出大小相等方向相反的抵消電 流；如果抵消單元12中的電子元件的大小尺寸小于差分單元11中的差分元件，則在二者接 入相同的啟動電源時，能夠輸出部分抵消電流。
如果差分單元11包括兩個差分對，為了便于描述，將其中一個差分對輸出的偏置 電流差稱為第一偏置電流，將另一個差分對輸出的偏置電流差稱為第二偏置電流，這種情 況下，抵消單元12可以分別輸出兩個大小相等的抵消電流，一個抵消電流用于抵消第一偏 置電流，另一抵消電流用于抵消第二偏置電流，抵消電流的大小與第一偏置電流和第二偏 置電流中較小的電流值相等，從而可以通過其中一個抵消電流將第一偏置電流和第二偏置 電流中較小的電流完全抵消，而剩余的偏置電流被部分抵消，使輸入差分信號獲得模塊2 的電流為經過放大單元13放大的第一偏置電流和第二偏置電流的差值。
圖3為本發(fā)明提供的又一個比較器實施例的電路圖，如圖3所示
在前一實施例的基礎上，優(yōu)選的，所述差分單元包括至少一對由金屬氧化物半導體場效應晶體MOS管組成的差分對；
所述放大單元包括至少兩個MOS管，所述至少兩個MOS管中包括鏡像所述兩路直 流偏置電流的MOS管以及放大所述兩路差分信號基準電流的MOS管。
抵消單元可以對差分單元中的直流偏置電流進行抵消，所述抵消單元可以包括 至少兩個MOS管；
所述至少兩個MOS管中的至少一個MOS管，用于完全抵消所述差分單元生成的所 述兩路直流偏置電流中較小的直流偏置電流；
所述至少兩個MOS管中的至少一個MOS管，用于部分抵消所述差分單元生成的所 述兩路直流偏置電流中較大的直流偏置電流。
其中，差分單元中的MOS管為PM0S，則抵消單元中的MOS管可以為NMOS管；或者， 差分單元中的MOS管為NM0S，則抵消單元中的MOS管為PMOS管。
抵消單元中MOS管可以與差分單元中的MOS連接，利用PMOS管和NMOS管電流反 向的特性將抵消單元中的MOS管流出的直流偏置電流抵消。
進一步的，差分信號獲得模塊可以包括鎖存單元和方波整形單元；
鎖存單元，用于對預放大模塊輸出的兩路放大后的差分信號基準電流進行緩沖鎖 存；
方波整形單元，用于對鎖存單元輸出的信號進行方波整形，輸出數字信號。
其中，鎖存單元可以由交叉耦合的兩對NMOS管構成；方波整形單元可以為Latch 電路。
本實施例給出了比較器的具體電路圖，該電路圖僅為實現本發(fā)明的一個較佳的實 施電路，但并不以此作為對本發(fā)明的限制。
參照圖3，在本發(fā)明實施例中，預放大模塊中的差分單元包括由NMOS管組成的兩 個差分對M5和M6，以及M7和M8。放大單元由PMOS管M12和M13，以及M14和M15構成。 抵消單元包括PMOS管M9、M10和M11，其中，M9用于在啟動電源AVDD的作用下產生抵消電 流，MlO和Mll為M9的鏡像電流。
M5和M7柵極上接輸入電壓，分別與M6和M8柵極上接入正相參考電壓和負相參考 電壓。AVDD為恒定電壓，使M5和M6，M7和M8在輸入電壓和參考電壓的控制導通下各自產 生直流偏置電流。從圖3中可以看出，M13上的電流等于M5和M7之間的直流偏置電流的 差值，M12上的電流等于M6和M8之間的直流偏置電流的差值。通過MlO和Mll用于向差 分對M5和M6，以及M7和M8輸出抵消電流，其中，輸出的抵消電流可以為M5和M7的差值與 M6和M8的差值，兩者之中的最小值，從而可以將二者中的直流偏置電流較小的一個完全抵 消掉，即使M12和M13中的一個直流偏置電流為0，另一個直流偏置電流為M5和M7差值與 與M6和M8的差值，兩者之間的差值。
由于M14是M12的鏡像電流，M15是M13的鏡像電流，M14和M15還對M12和M13 的電流起到放大的作用，M14對M12上的電流放大的比例可以通過M14與M12的大小尺寸 比例來實現，M15對M13上的電流放大的比例可以通過M15與M13的大小尺寸比例來實現。 例如如果M14和M12為相同的電子元件，如果M14的大小尺寸為M12大小尺寸的5倍，則 通常M14可以將M12上的電流放大5倍。
由于Ml2和M13中的一個直流偏置電流為0，另一個直流偏置電流為M5和M7差值與與M6和M8的差值，兩者之間的差值。則M14和M15中的一個直流偏置電流為0，另一個 上的電流是對M5和M7差值與與M6和M8的差值，兩者之間的差值進行放大。
圖3所示的為抵消單元對差分單元中的兩路直流偏置電流進行抵消的情況。作 為另一種可行的實施方式，抵消單元還可以對放大單元中鏡像的兩路直流偏置電流進行抵 消，抵消單元包括至少兩個MOS管；
至少兩個MOS管中的至少一個MOS管，用于完全抵消放大單元中鏡像的兩路直流 偏置電流中較小的直流偏置電流；
至少兩個MOS管中的至少一個MOS管，用于部分抵消放大單元中鏡像的兩路直流 偏置電流中較大的直流偏置電流。
所述放大單元中鏡像所述兩路直流偏置電流的MOS管為PM0S，則所述抵消單元中 的MOS管為NMOS管；或者，所述放大單元中鏡像所述兩路直流偏置電流的MOS管為NM0S， 則所述抵消單元中的MOS管為PMOS管。
即抵消單元中的各電子元件可以直接與放大單元中用于鏡像所述兩路直流偏置 電流的電子元件連接，例如與M12和M13連接，直接抵消M12和M13中直流偏置電流較小的 一個，使M12和M13中的一個輸出的直流偏置電流為0，從而使M14和M15中的一個上的直 流偏置電流為0。
進一步的，差分信號獲得模塊可以包括鎖存單元和方波整形單元，其中，鎖存單元 包括交叉耦合的兩對NMOS管，即M18、M19、M20和M21 ；方波整形單元包括一個兩級的Latch 電路，即兩個輸出端OUTP和0UTN，以及DOUTN和DOUTP ；M16, M17為開關部件。
差分信號獲得模塊的工作過程是當時鐘信號Clk為高電平時，鎖存單元復位；而 當Clk為低電平時，鎖存單元根據預放大模塊1輸出的直流偏置電流得到電流差值信號，鎖 存單元開始工作，差值(Iout+-IOUt-)被交叉耦合連接的NMOS管放大，直至穩(wěn)定，一直到下 一高電平的到來。
差分信號獲得模塊對所述電流差值信號進行鎖存放大，其中，M18、M19、M20和M21 構成一增益單元。方波整形單元用于對鎖存單元輸出的信號進行整形，以去除輸出信號中 的噪聲干擾，使輸出的信號更接近于數字方波信號。方波整形單元為一個Latch電路，用于 得出最終比較結果。
需要說明的是，在本發(fā)明實施例中，比較器的失調電壓主要由預放大模塊和差分 信號獲得模塊的失調電壓組成。其中，預放大模塊的失調電壓主要由M5，M6，M7和M8的不 匹配造成的。因此，在設計預放大模塊時，需要注意M5，M6，M7和M8的影響，盡可能地降低 噪聲和寄生電容，以降低對預放大模塊的影響。另外，還可以降低預放大模塊的時間常數， 以及加大預放大模塊的A (s)，來減小比較器的傳輸延遲。
本實施例中的預放大模塊和差分信號獲得模塊可以分別采用AVDD和DVDD兩個電 源，這樣可以減小差分信號獲得模塊對預放大模塊的影響，有利于提高比較器的性能。
另外，本實施例能夠克服在低電壓深亞微工藝，系統(tǒng)的電源電壓不能滿足器件的 正常工作的要求，可以運用低電源電壓電路，本實施例中只采用一個時鐘信號CLk，能夠降 低設計難度，而且降低整個比較器的面積和功耗。
本發(fā)明還提供了 一個模數轉換器實施例，該模數轉換器中包括至少一個本發(fā)明實 施例提供的比較器。
模數轉換器(ADC)的作用是將模擬信號轉換為數字信號，而在任何一個高速高分 辨率的模數轉換器(ADC)中，比較器是其中的重要部件。本發(fā)明實施例提供的模數轉換器 可以是Sigma-Delta ADC、流水線ADC或FLASHADC等多種類型。而這些類型的模數轉換器 均需要高速高性能的比較器。尤其是在Sigma-Delta ADC和流水線ADC中，速度、功耗和失 調電壓對整個電路有著很重要的影響。
采用本實施例提供的模數轉換器，其中比較器采用增量差值放大器，通過抵消單 元抵消差分模塊中的直流偏置電流，而僅將差分模塊中的電流的差值送入預放大模塊，從 而降低預放大模塊的功耗，從而降低整個比較器的功耗。由該比較器構成的模數轉換器低 功耗、速度高、芯片面積小、電路簡單，大大降低了系統(tǒng)成本。
最后應說明的是以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制；盡 管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解其依然 可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替 換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明各實施例技術方案的精 神和范圍。
權利要求
1.一種比較器，其特征在于，包括預放大模塊，用于根據輸入電壓與參考電壓，產生兩路放大的差分信號基準電流； 差分信號獲得模塊，用于根據所述預放大模塊輸出的兩路放大后的差分信號基準電 流，獲得差分信號；其中，所述預放大模塊包括差分單元、抵消單元、以及放大單元， 所述差分單元用于根據輸入電壓和參考電壓，生成兩路直流偏置電流； 所述抵消單元用于產生所述兩路直流偏置電流的抵消電流，以降低所述兩路直流偏置 電流的大小，得到兩路差分信號基準電流；所述放大單元用于接收所述兩路差分信號基準電流，并對所述兩路差分信號基準電流 進行放大處理。
2.根據權利要求1所述的比較器，其特征在于，所述差分單元包括至少一對由金屬氧 化物半導體場效應晶體MOS管組成的差分對；所述放大單元包括至少兩個MOS管，所述至少兩個MOS管中包括鏡像所述兩路直流偏 置電流的MOS管以及放大所述兩路差分信號基準電流的MOS管。
3.根據權利要求2所述的比較器，其特征在于，所述抵消單元包括至少兩個MOS管； 所述至少兩個MOS管中的至少一個MOS管，用于完全抵消所述差分單元生成的所述兩路直流偏置電流中較小的直流偏置電流；所述至少兩個MOS管中的至少一個MOS管，用于部分抵消所述差分單元生成的所述兩 路直流偏置電流中較大的直流偏置電流。
4.根據權利要求3所述的比較器，其特征在于，所述差分單元中的MOS管為PM0S，則所 述抵消單元中的MOS管為NMOS管；或者，所述差分單元中的MOS管為NM0S，則所述抵消單 元中的MOS管為PMOS管。
5.根據權利要求2所述的比較器，其特征在于，所述抵消單元包括至少兩個MOS管； 所述至少兩個MOS管中的至少一個MOS管，用于完全抵消所述放大單元中鏡像的兩路直流偏置電流中較小的直流偏置電流；所述至少兩個MOS管中的至少一個MOS管，用于部分抵消所述放大單元中鏡像的所述 兩路直流偏置電流中較大的直流偏置電流。
6.根據權利要求5所述的比較器，其特征在于，所述放大單元中鏡像所述兩路直流偏 置電流的MOS管為PM0S，則所述抵消單元中的MOS管為NMOS管；或者，所述放大單元中鏡 像所述兩路直流偏置電流的MOS管為NM0S，則所述抵消單元中的MOS管為PMOS管。
7.根據權利要求1-6任一項所述的比較器，其特征在于，所述差分信號獲得模塊包括 鎖存單元，用于對所述預放大模塊輸出的兩路放大后的差分信號基準電流進行緩沖鎖存；方波整形單元，用于對所述鎖存單元輸出的信號進行方波整形，輸出數字信號。
8.根據權利要求7所述的比較器，其特征在于，所述鎖存單元由交叉耦合的兩對NMOS 管構成。
9.根據權利要求7所述的比較器，其特征在于，所述方波整形單元為Latch電路。
10.一種模數轉換器，其特征在于，包括至少一個如權利要求1-9任一項所述的比較。
全文摘要
本發(fā)明實施例提供一種比較器和模數轉換器。比較器包括預放大模塊用于根據輸入電壓與參考電壓，產生兩路放大差分信號基準電流；差分信號獲得模塊用于根據預放大模塊輸出的兩路放大后的差分信號基準電流，獲得差分信號；預放大模塊包括差分單元、抵消單元以及放大單元，差分單元用于根據輸入電壓和參考電壓，生成兩路直流偏置電流；抵消單元用于根據輸入電壓和參考電壓產生兩路直流偏置電流的抵消電流，以降低兩路直流偏置電流的大小，得到兩路差分信號基準電流；放大單元用于接收兩路差分信號基準電流，對兩路差分信號基準電流進行放大處理。實現只將兩路直流偏置電路中的差值輸入差分信號獲得模塊，降低了比較器的功耗，降低模數轉換器的功耗。
文檔編號H03M1/12GK102045044SQ20101061395
公開日2011年5月4日 申請日期2010年12月27日 優(yōu)先權日2010年12月27日
發(fā)明者龐世甫, 李定 申請人:華為技術有限公司