CN102013883A - 一种超高速快闪型模数转换器的动态比较器电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于模拟集成电路设计技术领域，具体为超高速快闪型模数转换器动态比较器电路。该电路包括双尾锁存比较器和动态失调消除电路。该电路工作分为失调存储、输入信号存储、比较和复位四个步骤。双尾锁存比较器相对于传统的锁存比较器，可以工作在超高频率状态下。该动态比较器不需要前置放大器就实现了失调电压的动态消除，大大减少了功耗。而且，由于输入晶体管的过驱动电压独立于自身的输入共模电压和阈值电压，所以输入晶体管的过驱动电压可以进一步优化以减少随机失调电压。利用本发明，可以用较低的功耗实现对超高速信号的比较，而且可以实现很高的分辨率。

Description

一种超高速快闪型模数转换器的动态比较器电路
技术领域
本发明属于模拟集成电路设计技术领域，具体涉及超高速快闪型模数转换器的动态比较器电路。
背景技术
模数转换器是混合信号系统中的重要组成部分，有多种结构类型，其中快闪型模数转换器是所有模数转换器中速度最快的，广泛应用了数字示波器、磁盘读写、超宽带、雷达等领域。
传统的快闪型模数转换器都需要一个超高速的动态比较器电路，该动态比较器电路不可避免地引入了噪声和各种误差，精度会有所限制。而且对于超高速的输入信号（GHz以上），要达到速度的要求会变得非常困难。同时由于动态比较器会有很大的“回踢噪声”，这对于动态比较器的精度又带来了很大的影响。传统的动态比较器一般都会加入前置放大器来实现动态失调的消除，这样又会带来功耗的额外损耗，有时额外的前置放大器的功耗反而大于动态比较器本身。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高速快闪型模数转换器的动态比较器电路，以降低电路的功耗，提高模数转换器的分辨率。
本发明提供的超高速快闪型模数转换器的动态比较器电路，该电路包括双尾锁存比较器和动态失调消除电路。该动态比较器电路工作分为失调存储、输入信号存储、比较和复位四个步骤。其中，双尾锁存比较器如图2所示，晶体管M5为双尾锁存比较器输入级的尾电流源，2个晶体管M14和M15组成锁存级的尾电流源。相对于传统的锁存器，采用双尾锁存比较器的结构能够工作在更低的电源电压下。当                                               
Figure 2010105586726100002DEST_PATH_IMAGE002
=0 时为复位阶段，通过晶体管M3和M4将
Figure 2010105586726100002DEST_PATH_IMAGE004
预冲到电源电压，同时输出端通过晶体管M8和M9被短路到地，进行复位，所以输出端不需要专门的复位开关为输出复位。复位阶段之后，
Figure 452252DEST_PATH_IMAGE002
=1时，晶体M5、M14和M5打开，双尾锁存比较器转入正常工作状态；晶体管M5、M7、M10、M11组成的正反馈电路迅速放大输入电压的微小差别，实现比较的功能。晶体管M12和M13能够进一步提高双尾锁存比较器的锁存速度，让其能够工作在GHz。  
双尾锁存比较器的速度远远大于传统的锁存比较器。同时该动态比较器不同于传统的动态比较器，它不需要前置放大器就实现失调电压的动态消除，大大减少了功耗。而且，由于输入晶体管的过驱动电压独立于自身的输入共模电压和阈值电压，所以输入晶体管的过驱动电压可以进一步优化以减少随机失调电压。
上述方案中，该电路采用了双尾动态锁存比较器，因此可以工作在超高速（大于1GHz）的应用场合。远远高于传统的动态比较器。
上述方案中，该电路采用了动态失调消除电路。传统的动态失调消除技术一般都必须加入前置放大器，这样势必消耗较大的功耗，尤其是当输入信号频率很高（大于1GHz）时，前置放大器的功耗甚至会大于动态比较器的功耗。本发明采用的动态失调技术不需要额外的前置放大器就实现了失调电压的动态消除，大大减少了功耗。
上述方案中，由于该电路的输入晶体管的过驱动电压独立于自身的输入共模电压和阈值电压，所以输入晶体管的过驱动电压可以进一步优化以减少随机失调电压。
本发明具有以下有益效果：
1、利用本发明，采用双尾锁存比较器和动态失调消除电路。该电路的双尾锁存比较器的速度远远大于传统的锁存比较器。同时该动态比较器不同于传统的动态比较器，它不需要前置放大器就实现了失调电压的动态消除，保证低失调电压的前提下大大减少了功耗。而且，由于输入晶体管的过驱动电压独立于自身的输入共模电压和阈值电压，所以输入晶体管的过驱动电压可以进一步优化以减少随机失调电压。
2、利用本发明，对于超高速的输入信号（大于1GHz）的应用场合，双尾动态锁存比较器都可以正常工作，远远高于传统的动态比较器。
3、利用本发明中采用的动态失调消除技术，在不需要添加额外的前置放大器就实现了失调电压的动态消除，大大减少了功耗。传统的动态失调消除技术一般都必须加入前置放大器，这样势必消耗较大的功耗，尤其是当输入信号频率很高（大于1GHz）时，前置放大器的功耗会大于动态比较器的功耗。
4、利用本发明，由于输入晶体管的过驱动电压独立于自身的输入共模电压和阈值电压，所以输入晶体管的过驱动电压可以进一步优化以减少随机失调电压。
附图说明
图1为本发明提供的超高速快闪型模数转换器动态比较器电路的结构示意图。
图2为本发明提供的超高速快闪型模数转换器动态比较器电路中双尾锁存比较器的结构示意图。
图3为本发明超高速快闪型模数转换器动态比较器电路的时序图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细说明。
如图1所示，超高速快闪型模数转换器的动态比较器包括双尾锁存比较器和动态失调消除电路。其中，双尾锁存比较器的速度远远大于传统的锁存比较器。双尾锁存比较器如图2所示，M5为双尾锁存比较器输入级的尾电流源，M14和M15组成锁存级的尾电流源。相对于传统的锁存器，采用双尾锁存比较器的结构能够工作在更低的电源电压下。当
Figure 266624DEST_PATH_IMAGE002
=0 时为复位阶段，通过晶体管M3和M4将
Figure 2010105586726100002DEST_PATH_IMAGE006
预冲到电源电压，同时输出端通过M8和M9被短路到地，进行复位，所以输出端不需要专门的复位开关为输出复位。复位阶段之后，
Figure 2010105586726100002DEST_PATH_IMAGE008
=1时，M5、M14和M5打开，双尾锁存比较器转入正常工作状态，M5、M7、M10、M11组成的正反馈电路迅速放大输入电压的微小差别，实现比较的功能。M12和M13能够进一步提高双尾锁存比较器的锁存速度，让其能够工作在GHz。图1为加入了动态失调消除电路的双尾锁存比较器，即超高速快闪型模数转换器的动态比较器。图1中的动态比较器不同于传统的动态比较器，它不需要前置放大器就实现了失调电压的动态消除，保证低失调电压的前提下大大减少了功耗。而且，由于输入晶体管的过驱动电压独立于自身的输入共模电压和阈值电压，所以输入晶体管的过驱动电压可以进一步优化以减少随机失调电压。图1中双尾锁存比较器结构的工作原理不再累述，主要分析失调消除电路。
如图3所示，在区域1阶段，导通接输入共模电压，将输入晶体管M1和M2的阈值电压存储在失调存储电容中。晶体管Mb控制电压
Figure 2010105586726100002DEST_PATH_IMAGE014
的输送。
Figure 2010105586726100002DEST_PATH_IMAGE016
, 
Figure 2010105586726100002DEST_PATH_IMAGE018
其中
Figure 2010105586726100002DEST_PATH_IMAGE020
是输入晶体管M1和M2的失调电压，同样也是失调存储电容
Figure 2010105586726100002DEST_PATH_IMAGE022
两端的电压。
Figure 2010105586726100002DEST_PATH_IMAGE024
是输入共模电压，
Figure 2010105586726100002DEST_PATH_IMAGE026
是输入晶体管的阈值电压。
Figure DEST_PATH_IMAGE028
如图（1）所示，是加入晶体管Mb源端的固定偏置。
如图3所示，在区域2阶段，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
导通接入输入信号，此时
Figure DEST_PATH_IMAGE032
还未导通，M5处于关断状态。这一阶段是输入信号存储阶段。
如图3所示，在区域3阶段，
Figure 593481DEST_PATH_IMAGE030
导通接入输入信号，这时
Figure DEST_PATH_IMAGE034
也已导通，M5将
Figure 922831DEST_PATH_IMAGE022
的负极板短路到地，此阶段为动态比较器比较阶段，此阶段将随机失调电压消除。
Figure DEST_PATH_IMAGE036
Figure DEST_PATH_IMAGE038
是输入晶体管的过驱动电压，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
是输入晶体管栅源电压，是输入小信号。从上等式中可以看出，输入晶体管的过驱动电压独立于晶体管的阈值电压，因此输入晶体管阈值电压的不匹配可以被动态消除。而且输入晶体管过驱动电压不受输入共模电压的影响，所以输入晶体管的过驱动电压可以进一步优化以减少随机失调电压。
如图3所示，在区域4阶段，
Figure DEST_PATH_IMAGE046
和
Figure 872464DEST_PATH_IMAGE008
同时导通，MR1、MR2和M5将失调消除电容
Figure 541342DEST_PATH_IMAGE012
两端同时短路到地，动态比较器复位。
本发明电路由于采用了双尾动态锁存比较器，可以工作了1GHz时钟下，而且由于采用动态失调技术，在不需要前置放大器的前提下，本发明的超高速快闪型模数转换器的动态比较器可以实现小于1mV的分辨率，可以广泛适用于超高速高精度的应用场合。

Claims (2)

1.一种超高速快闪型模数转换器的动态比较器电路，其特征在于，该电路包括双尾锁存比较器和动态失调消除电路；该电路工作分为失调存储、输入信号存储、比较和复位四个阶段。
2.根据权利要求1所述的动态比较器电路，其特征在于所述双尾锁存比较器中，晶体管M5为双尾锁存比较器输入级的尾电流源，2个晶体管M14和M15组成锁存级的尾电流源；当                                               
Figure 786506DEST_PATH_IMAGE002
=0 时为复位阶段，通过晶体管M3和M4将
Figure 566243DEST_PATH_IMAGE004
预冲到电源电压，同时输出端通过晶体管M8和M9被短路到地，进行复位；复位阶段之后，
Figure 2010105586726100001DEST_PATH_IMAGE006
=1时，晶体管M5、M14和M5打开，双尾锁存比较器转入正常工作状态；晶体管M5、M7、M10、M11组成的正反馈电路迅速放大输入电压的微小差别，实现比较的功能；晶体管M12和M13进一步提高双尾锁存比较器的锁存速度，让其能够工作在GHz。
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