CN100593910C - 一种具有失调校准的低功耗比较器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有失调校准的低功耗比较器，属于模拟电路领域，该比较器包括：电容、前置放大器、锁存器，及多个开关；其中，输入信号通过开关S1，S2连接电容C1，C2的一端，同时分别通过开关S3，S4连接地，电容C1，C2的另一端分别连接前置放大器的两端，开关S5，S6与前置放大器的输入、输出端相连，前置放大器的输出端与锁存器相连；所述前置放大器主要由9个MOS管组成；其中，M1、M2、M3、M4、M9为NMOS管，M5、M6、M7、M8为PMOS管；本发明通过合适的失调校准结构以及设计前置放大器的结构实现了在100kHz的工作速度下，精度为10bit的比较器。与其他比较器相比，该装置具有失调电压小，功耗小的特点，适合应用于低功耗的逐次逼近模数转换器。

Description

一种具有失调校准的低功耗比较器

技术领域

本发明属于模拟电路领域，特别涉及一种用于模数转换器中的比较器

背景技术

逐次逼近模数转换器(Successive Approximation Analog Digital Converter)在中等速度，中等精度的情况下，能够够实现很低的功耗。比较器是这种结构的核心部分，也是设计的难点。比较器在设计中要考虑失调的影响，同时要满足速度的要求。在满足了速度以及精度的要求下尽量降低比较器的功耗。Behzad Razavi，在“数据转换系统设计原理”(”Principles of Data Convertyion System Design”)中提出了如何实现高速高精度的比较器。这种结构采用多级预放大器进行失调校准，最后加上一级锁存器(LATCH)通过正反馈将信号放大到数字处理的电平。这种电路结合了级联运放比较器负指数响应特性和Latch比较器正指数响应特性的特点。这种结构可以达到较高的速度，但是由于需要3～4预放大器进行失调校准，所以消耗的功耗比较大，这就不适合低功耗比较器的设计。同时多个放大器也会占据很大的面积，增加成本。比较器的结构如图1所示，该比较器包括：电容C1、C2、前置放大器、锁存器(LATCH)，及开关S1～S6；各器件的联接关系为：输入信号通过开关S1，S2连接电容C1，C2的一端，同时分别通过开关S3，S4连接地，电容C1，C2的另一端分别连接前置放大器的两端，前置放大器通过开关S5，S6将输入输出连接，前置放大器的输出连接着锁存器。常用的前置放大器如图2所示，NMOS管M1的源极连接地，栅极连接固定电平VB，控制整体电路的电流，M1的漏极连接NMOS管M2，M3的源极，M2，M3的栅极分别连接输入信号(VIN)的两个输入端，同时M2的漏极连接PMOS管M4和M6的漏极和M4的栅极。M3的漏极连接PMOS管M5和M7的漏极和M7的栅极。M4，M5，M6，M7的源极连接电源电压VDD上。图2是典型的前置放大器的结构，但是这种结构的增益不够高，为了达到更高的精度，往往需要多级的级联，这样会消耗过多的功耗，也会占据很大的面积。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种具有失调校准的低功耗比较器，采用一级前置放大器，在保证精度的情况下，降低了功耗，减少了面积。

本发明提出的一种具有失调校准的低功耗比较器，该比较器包括：电容C1、C2、前置放大器、锁存器，及开关S1～S6；各器件的联接关系为：输入信号通过开关S1，S2连接电容C1，C2的一端，同时分别通过开关S3，S4连接地，电容C1，C2的另一端分别连接前置放大器的两端，开关S5，S6与前置放大器的输入、输出端相连，前置放大器的输出端与锁存器相连；其特征在于，所述前置放大器主要由9个MOS管组成；其中，M1、M2、M3、M4、M9为NMOS管，M5、M6、M7、M8为PMOS管；所述各NMOS的衬底接地，所述各PMOS的衬底接到电源电压VDD上；其连接关系为：NMOS管M9源极接地，栅极接外部电压IC1；NMOS管M1与M2的源极连接在一起，同时与M9的漏极相连；M1与M2的栅极分别与输入信号的两端VIN2、VIN1相连；M4的源极连接M2的漏极，M3的源极连接M1的漏极，M3与M4的栅极均连接固定电平VB2；M6的漏极连接M4的漏极和M8的栅极，M5的漏极连接M3的漏极和M7的栅极，M5与M6的栅极均连在固定电平VB1上；M5与M6的源极连接在一起，同时与M7与M8的漏极相连；M7和M8的源极均连接到固定电平VDD上。

本发明的特点及技术效果：

本发明针对于传统比较器的大功耗，大面积，提出了采用一级前置放大器来实现高精度、低功耗比较器，通过调节前置放大器的增益，该装置可以对Latch的失调进行校准，这样就能够满足模数转换器对于精度的要求，同时可以调节前置放大器的带宽来满足速度的要求。而且使用一级前置放大器，这样功耗就仅仅由这一级放大器决定。

附图说明

图1为已有的一种比较器的结构图。

图2为图1中比较器的前置放大器结构图。

图3为本发明的比较器的前置放大器结构图。

具体实现方式

本发明提出的一种具有失调校准的低功耗比较器，结合附图及实施例详细说明如下：

本发明提出的比较器，总体结构如图1，该比较器包括：电容C1、C2、前置放大器、锁存器(LATCH)，及开关S1～S6；各器件的联接关系为：输入信号通过开关S1，S2连接电容C1，C2的一端，同时分别通过开关S3，S4连接地，电容C1，C2的另一端分别连接前置放大器的两端，前置放大器通过开关S5，S6将输入输出连接，前置放大器的输出连接着锁存器。

本发明的前置放大器电路结构如图3所示，该电路的主要有9个MOS管(Metal OxideSemiconductor，金属氧化物半导体)M1～M9组成；其中，M1、M2、M3、M4、M9为NMOS管(Negative Channel Metal Oxide Semiconductor，阴极金属氧化物半导体)，M5、M6、M7、M8为PMOS管(Positive Channel Metal Oxide Semiconductor，阳极金属氧化物半导体)。各NMOS的衬底接地，PMOS的衬底接到电源电压VDD上；其连接关系为：NMOS管M9为尾电流源，该源极接地，栅极接外部电压IC1，控制着流过M9的电流；NMOS管M1与M2(为输入管)源极连接在一起同时与M9的漏极连在一起；M1与M2的栅极分别连接输入信号VIN的两端VIN2、VIN1；M4的源极连接M2的漏极，M3的源极连接M1的漏极，M3与M4的栅极连接相同的固定电平VB2；M6的漏极连接M4的漏极和M8的栅极，M5的漏极连接M3的漏极和M7的栅极，M5与M6的栅极连在同一固定电平VB1上。M5与M6的源极连接在一起，同时连接M7与M8的漏极；M7和M8的源极均连接到固定电平VDD上。

本发明的工作原理：比较器的失调校准与比较过程是分开进行的，首先在比较之前进行失调校准开关S1、S2打开，开关S3、S4、S5、S6闭合，这样前置放大器得失调电压就存储在电容C1、C2上，这样前置放大器等效在输入端得失调电压为V_OS2，可以表示为 $V_{\mathrm{OS}2}=\frac{V_{\mathrm{OSA}}}{A_G}.$

开关S5、S6的存储电荷效应也会对比较器的失调产生影响，ΔQ4，5分别是开关S4与S5注入到电容上的电荷失调量，而且C1＝C2＝C，那么开关S4，S5等效在输入端的失调为

LATCH的失调电压通过前置放大器的放大进行等效缩小。例如LATCH的失调电压为V_OSL，LATCH在信号输入端看到的等效失调为V_OS1，通过校准可以得到的整个比较器等效在输入端的失调电压为V_OS。

$V_{\mathrm{OS}}=V_{\mathrm{OS}1}+V_{\mathrm{OS}2}+V_{\mathrm{OS}3}=\frac{V_{\mathrm{OSL}}}{A_G}+\frac{V_{\mathrm{OSA}}}{A_G}+\frac{\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{5,6}}}{C}---\left(1\right)$

由上可知，本发明的前置放大器的结构是非常关键的，它对失调电压进行校正，是实现精度的关键部分，同时也是整个比较器消耗功耗最大的部分。前置放大器结构选择，如果采用多级放大器，或者单级放大器的级联，这样可以满足速度与精度的要求，但是多级会消耗很多的功耗，从功耗方面考虑，本发明选择如图2所示的单级放大器是最佳选择。根据公式(1)得到前置防大器的增益要求。同时由于前置放大器是工作在开环状态，根据速度的要求，可以得到BW(带宽)必须大于比较器的工作频率f。

BW≥f                                                  (2)

增益A_G的确定

A_G＝g_m2*(g_m4r_o4r_o2*r_o6)                                (3)

g_m2为输入NMOS的跨导，g_m4为M4的跨导，r_o2为M2的漏源等效电阻，r_o4为M4的漏源等效电阻，r_o6为M6的漏源等效电阻，M7和M8是共模反馈的作用，这样在共模的时候就可以稳定住输出电压。M3与M4构成cascode结构。

根据A_G与BW的要求可以得到

$A_G*\mathrm{BW}=\mathrm{GBW}=\frac{g_{m2}}{C_L}---\left(4\right)$

$g_{m2}=\frac{I}{V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{th}}}---\left(5\right)$

GBW为放大器的增益带宽积，V_GS为栅源电压，V_th为MOS管的开启电压，一般取V_GS-V_th为0.2V，其中C_L为前置放大器的等效负载。

由于A_G和BW的数值可以根据要求得出，同时负载电容C_L也是固定的，这样根据公式(4)和(5)得到电流I的数值。所以根据比较器精度和速度的要求就能够确定前置放大器的整体功耗。

Claims (1)

1、一种具有失调校准的低功耗比较器，该比较器包括：第一、第二电容(C1、C2)、前置放大器、锁存器，及第一至第六开关(S1～S6)；其中，输入信号通过第一，第二开关(S1，S2)分别连接第一，第二电容(C1，C2)的一端，同时分别通过第三，第四开关(S3，S4)连接地，第一，第二电容(C1，C2)的另一端分别连接前置放大器的两端，第五，第六开关(S5，S6)与前置放大器的输入、输出端相连，前置放大器的输出端与锁存器相连；其特征在于，所述前置放大器主要由9个MOS管组成；其中，M1、M2、M3、M4、M9为NMOS管，M5、M6、M7、M8为PMOS管；所述各NMOS的衬底接地，所述各PMOS的衬底接到电源电压(VDD)上；其连接关系为：NMOS管M9源极接地，栅极接外部电压(IC1)；NMOS管M1与M2的源极连接在一起，同时与M9的漏极相连；M1与M2的栅极分别与输入信号的两端(VIN2、VIN1)相连；M4的源极连接M2的漏极，M3的源极连接M1的漏极，M3与M4的栅极均连接固定电平(VB2)；M6的漏极连接M4的漏极和M8的栅极，M5的漏极连接M3的漏极和M7的栅极，M5与M6的栅极均连在固定电平(VB1)上；M5与M6的源极连接在一起，同时与M7与M8的漏极相连；M7和M8的源极均连接到固定电平(VDD)上。

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