CN102692945B

CN102692945B - 一种应用于FlashADC的不对称偏置电压结构的轨到轨比较器

Info

Publication number: CN102692945B
Application number: CN201210192683.6A
Authority: CN
Inventors: 欧阳伟; 徐学军; 徐蔚鸿; 胡少飞; 何锫; 颜宏文
Original assignee: HUNAN HUAKUANTONG ELECTRONIC TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: HUNAN HUAKUANTONG ELECTRONIC TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2012-06-12
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2032-06-12
Also published as: CN102692945A

Abstract

本发明提出了一种应用于FlashADC的不对称偏置电压结构的轨到轨比较器，其特征是：包括轨到轨输入级、轨到轨输出级、增益负载级以及不对称偏置电路，轨到轨输入级的尾电流偏置电压及增益负载级偏置电压均采用不对称电压结构偏置。可以在低电源电压条件下实现比较器轨到轨共模电压输入，轨到轨电压输出。对于低电源电压条件下高精度FlashADC的实现，提供了新的解决方案。

Description

一种应用于FlashADC的不对称偏置电压结构的轨到轨比较器

技术领域

本专利涉及一种不对称偏置电压结构轨到轨比较器，尤其是适用于模拟集成电路Flash ADC设计领域。

背景技术

比较器广泛应用于模拟信号到数字信号的转换过程中。在模-数转换过程中，首先必须对输入进行采样，接着，经过采样的信号通过比较器以决定模拟信号的数字值。在最简单的情况下，一个比较器就可以作为一个1位模-数转换器—FlashADC，所以比较器的性能在很大程度上决定着FlashADC的性能。对一个n比特的FlashADC，需要2ⁿ个相等的电阻串连提供2ⁿ-1个等间距为1LSB的参考电压，2ⁿ-1个比较器将输入信号和参考电压同时进行比较，来实现模拟到数字的转换。

因为比较器通常采用差分输入，所以输入共模范围非常重要。输入共模范围（ICMR）是比较器正常工作状态下的共模输入电压的范围。这个范围一般是比较器的输入晶体管处于强反型区的范围。

对于FlashADC而言，比较器的输入共模范围决定了ADC的转换精度。例如在给定电源电压1.2v情况下，采用普通NMOS输入比较器的共模输入范围在0.6v到1.2v以内，那么在此电压条件下只能实现一个1比特位的FlashADC，如果要实现一个8比特位的FlashADC，首先需要的比较器数目为255个，比较器最低输入共模电压为4.6mv，最高输入共模电压为1.19v，使用普通比较器根本实现。随着现代集成电路制造特征尺寸越来越小，目前国际上半导体工艺特征尺寸已经降到了28nm，更低的尺寸也在研究之中，所以集成电路电压越来越低。对于低电源电压条件下FlashADC而言，只能减小转换精度，或则采用特殊制造工艺来实现。这样，研究低电源电压条件下实现高精度的FlashADC，对模拟电路设计者是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提出一种不对称偏置电压结构轨到轨比较器，可以在低电源电压条件下实现比较器轨到轨共模电压输入，轨到轨电压输出。对于低电源电压条件下高进度FlashADC的实现，提供了新的解决方案。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种应用于FlashADC的不对称偏置电压结构的轨到轨比较器，其特征是：包括轨到轨输入级、轨到轨输出级、增益负载级以及不对称偏置电路，轨到轨输入级尾电流偏置电压及增益负载级偏置电压均采用不对称电压结构偏置。可以在低电源电压条件下实现比较器轨到轨共模电压输入，轨到轨电压输出。对于低电源电压条件下高精度FlashADC的实现，提供了新的解决方案。轨到轨比较器输入级尾电流偏置的输入级尾电流偏置电压可以调节尾电流管消耗的电压裕度。

其还在于轨到轨比较器增益负载级偏置电压的负载级偏置电压跟随输入级尾电流变化。保证镜像电流与输入级电流相同。

其还在于六个NMOS管M5、M6、M7、M8、M9、M10和四个PMOS管M1、M2、M3、M4构成不对称偏置电压轨到轨比较器的输入级，其中PMOS管M3、M4是差动输入PMOS管，其中NMOS管M5、M6是差动输入NMOS管，PMOS管M1、M2是采用共源共栅电流镜结构的PMOS输入级恒流电流源，NMOS管M8、M9、M10是采用共源共栅电流镜结构的NMOS输入级恒流电流源。

其还在于六个PMOS管M11、M12、M13、M14、M15、M16和六个NMOS管M17、M18、M19、M20、M21、M22构成轨到轨输入级的负载，四个PMOS管M11、M12、M13、M14构成PMOS共源共栅电流镜负载管，四个NMOS管M19、M20、M21、M22构成NMOS共源共栅电流镜负载管。它们可以增大输入级的输出阻抗并提高增益。

其还在于轨到轨比较器设置有浮动电流源管，浮动电流源管包括二个PMOS管M15、M16和两个NMOS管M17、M18。

其还在于输入级尾电流偏置电压结构包括两个PMOS管M1、M2组成的低压共源共栅电流镜和三个NMOS管M8、M9、M10组成的可调电压裕度共源共栅电流镜。根据工艺需求可将管子数增减以满足共模电压输入范围要求。根据工艺需求将管子数增减以满足共模电压输入范围要求。

其还在于轨到轨比较器增益负载级偏置结构包括四个NMOS管M25、M27、M28、M29和三个PMOS管M23、M24、M26组成的负载管偏置电流镜，PMOS管M23、M24及NMOS管M27、M28、M29与输入级尾电流偏置管子数目相同。

其还在于针对输出级不同电压裕度将NMOS管M25和PMOS管M26调整为共源共栅或更多堆叠结构。由共模输入范围精确调节出相应的偏置电压，且PMOS输入级与NMOS输入级偏置电压不对称。

其还在于PMOS管M13、M14的栅极接PMOS管M26的栅极和漏极，NMOS管M19、M20的栅极接NMOS管M25的栅极和漏极，PMOS管M2、M24栅极接同一偏置电压，NMOS管M8、M27栅极接相同偏置电压，PMOS管M15、M16栅极接PMOS管M24漏极，NMOS管M17、M18栅极接PMOS管M26漏极，NMOS管M25和PMOS管M26采用二极管连接

其还在于两个PMOS管M30、M31和两个NMOS管M32、M33构成轨到轨比较器输出级，同时使用反相器调节最终输出轨到轨数字电压。

其还在于偏置电压结构轨到轨比较器,包括：轨到轨输入级、轨到轨输出级、增益负载级以及不对称偏置电路。包括NMOS管和PMOS管，NMOS管包括M5、M6、M7、M8、M9、M10、M17、M18、M19、M20、M21、M22、M25、M27、M28、M29、M32、M33，PMOS管包括M1、M2、M3、M4、M11、M12、M13、M14、M15、M16、M23、M24、M26、M30、M31,交叠点使能反相器，普通反相器，对于CMOS工艺而言所有NMOS管和PMOS管具有相同的工艺参数。其中：NMOS管M5、M6、M7、M8、M9、M10和PMOS管M1、M2、M3、M4构成不对称偏置电压轨到轨比较器的输入级。PMOS管M3、M4是差动输入PMOS管，NMOS管M5、M6是差动输入NMOS管，PMOS管M1、M2是采用共源共栅电流镜结构的PMOS输入级恒流电流源，NMOS管M8、M9、M10是采用共源共栅电流镜结构的NMOS输入级恒流电流源，两种输入级恒流源管数目可以根据不同工艺调整，保证PMOS输入管和NMOS输入管输入共模电压可以只存在一个交叠点或者交叠区很窄，NMOS管M7及使能反相器保证在PMOS管和NMOS管在共模电压交叠点处使能反相器输出为高，保证NMOS差动输入对暂停工作，只有PMOS差动输入对工作。PMOS输入级恒流电流源及NMOS输入级恒流电流源镜像相同电流，PMOS管M2和NMOS管M8接由带隙基准提供的不同电压，保证NMOS差动输入对和PMOS差动输入对在整体共模电压输入范围内具有相同的跨导。PMOS管M11、M12、M13、M14、M15、M16和NMOS管M17、M18、M19、M20、M21、M22构成轨到轨输入级的负载，PMOS管M11、M12、M13、M14构成PMOS共源共栅电流镜负载管，NMOS管M19、M20、M21、M22构成NMOS共源共栅电流镜负载管，负载管采用双端转单端结构增大输入增益，PMOS管M15、M16和NMOS管M17、M18是浮动电流源管，减小电路对电源电压的敏感性，PMOS管M23、M24、M26和NMOS管M25、M27、M28、M29产生负载管偏置电流。PMOS管M13、M14的栅极接M26的栅极和漏极，NMOS管M19、M20的栅极接NMOS管M25的栅极和漏极，PMOS管M2、M24栅极接同一偏置电压，NMOS管M8、M27栅极接相同偏置电压，PMOS管M15、M16栅极接PMOS管M24漏极，NMOS管M17、M18栅极接PMOS管M26漏极，NMOS管M25和PMOS管M26采用二极管连接，消耗固定电压裕度。PMOS管M30、M31和NMOS管M32、M33构成轨到轨比较器输出级，提高了比较器的增益，同时使用反相器调节最终输出轨到轨数字电压。

本发明中，NMOS差动输入对的最大输入共模电压为VDD，最小输入电压为NMOS管阈值电压与NMOS管M8、M9、M10构成的偏置尾电流结构消耗的电压裕度，电压裕度可以通过修改NMOS管尺寸和M8管栅极偏置电压调节。PMOS差动输入对的最大输入共模电压为电源电压减去PMOS管M1、M2构成的偏置尾电流结构消耗的电压裕度，电压裕度可以通过修改PMOS管尺寸和PMOS管M2管栅极偏置电压调节，最小输入电压为GND。调节NMOS管M8、M9、M10构成的偏置尾电流结构消耗的电压裕度和PMOS管M1、M2构成的偏置尾电流结构消耗的电压裕度可以将PMOS差动输入对和NMOS差动输入对共模输入电压范围调节至只存在一个交叠点或者交叠区很窄。调节使能反相器翻转阈值电压到交叠点电压，这样就可以实现输入轨到轨共模电压。对于不同工艺尺寸，可以增加或减少尾电流管子数目来调节输入共模电压范围。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）使用不对称偏置电压结构，不需要采用低阈值管，降了制造难度同时降低了制造成本；

（2）比较器的输入共模电压范围为轨到轨，在输入电压变化很大的条件下，仍然可以正常工作。

（3）对于低电源电压条件下高精度FlashADC的实现，提供了新的解决方案。；

附图说明

图1是本发明的不对称偏置电压结构的轨到轨比较器总体电路结构示意图。

图2是采用本发明不对称偏置电压结构的轨到轨比较器的一种3比特位FlashADC结构示意框图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种应用于FlashADC的不对称偏置电压结构的轨到轨比较器，其特征是：包括轨到轨输入级、轨到轨输出级、增益负载级以及不对称偏置电路，轨到轨输入级尾电流偏置电压及增益负载级偏置电压均采用不对称电压结构偏置。轨到轨比较器输入级尾电流偏置的输入级尾电流偏置电压可以调节尾电流管消耗的电压裕度。包括NMOS管和PMOS管，NMOS管包括M5、M6、M7、M8、M9、M10、M17、M18、M19、M20、M21、M22、M25、M27、M28、M29、M32、M33，PMOS管包括M1、M2、M3、M4、M11、M12、M13、M14、M15、M16、M23、M24、M26、M30、M31。

图1是本发明的不对称偏置电压结构的轨到轨比较器总体电路结构示意图，如图1所示， NMOS管包括M5、M6、M7、M8、M9、M10、M17、M18、M19、M20、M21、M22、M25、M27、M28、M29、M32、M33，PMOS管包括M1、M2、M3、M4、M11、M12、M13、M14、M15、M16、M23、M24、M26、M30、M31。 NMOS管M5、M6、M7、M8、M9、M10和PMOS管M1、M2、M3、M4构成不对称偏置电压轨到轨比较器的输入级。PMOS管M3、M4是差动输入PMOS管，NMOS管M5、M6是差动输入NMOS管，PMOS管M1、M2是采用共源共栅电流镜结构的PMOS输入级恒流电流源，NMOS管M8、M9、M10是采用共源共栅电流镜结构的NMOS输入级恒流电流源，两种输入级恒流源管数目可以根据不同工艺调整，保证PMOS输入管和NMOS输入管输入共模电压可以只存在一个交叠点或者交叠区很窄，NMOS管M7及使能反相器保证在PMOS管和NMOS管在共模电压交叠点处使能反相器输出为高，保证NMOS差动输入对暂停工作，只有PMOS差动输入对工作。PMOS输入级恒流电流源及NMOS输入级恒流电流源镜像相同电流，PMOS管M2、NMOS管M8接由带隙基准提供的不同电压，保证NMOS差动输入对和PMOS差动输入对在整体共模电压输入范围内具有相同的跨导。

PMOS管M11、M12、M13、M14、M15、M16和NMOS管M17、M18、M19、M20、M21、M22构成轨到轨输入级的负载，PMOS管M11、M12、M13、M14构成PMOS共源共栅电流镜负载管，PMOS管M12精确镜像PMOS管M11的电流，NMOS管M19、M20、M21、M22构成NMOS共源共栅电流镜负载管，NMOS管M22精确镜像NMOS管M21的电流，负载管采用双端转单端有源电流镜负载增大输入级的输出阻抗，提高增益。PMOS管M15、M16和NMOS管M17、M18是浮动电流源管，减小电路对电源电压以及共模输入电压的敏感性，当PMOS输入级与NMOS输入级电流不匹配时，可以通过PMOS管M15、NMOS管M17或者PMOS管M16、NMOS管M18将失配电流抵消，保证负载电流稳定。PMOS管M23、M24、M26和NMOS管M25、M27、M28、M29产生负载管偏置电流。PMOS管M13、M14的栅极接PMOS管M26的栅极和漏极，NMOS管M19、M20的栅极接NMOS管M25的栅极和漏极，PMOS管M2、M24栅极接同一偏置电压，NMOS管M8、M27栅极接相同偏置电压，PMOS管M15、M16栅极接PMOS管M24漏极，NMOS管M17、M18栅极接PMOS管M26漏极，NMOS管M25、PMOS管M26采用二极管连接，消耗固定电压裕度。保证负载偏置电压由负载偏置电流控制。PMOS管M30、M31和NMOS管M32、M33构成轨到轨比较器输出级，提高了比较器的增益，同时使用反相器调节最终输出轨到轨数字电压。

由于比较器的输入共模电压范围为轨到轨，在低电源电压条件下，只要比较器的增益足够大，FlashADC就可以实现高比特率转换精度，图2是采用本发明不对称偏置电压结构的轨到轨比较器的一种3比特位FlashADC结构示意框图，如附图2所示。

Claims

1.一种应用于FlashADC的不对称偏置电压结构的轨到轨比较器，其特征是：包括轨到轨输入级、轨到轨输出级、增益负载级以及不对称偏置电路，轨到轨输入级的尾电流偏置电压及增益负载级偏置电压均采用不对称电压结构偏置；第一NMOS管（M5）、第二NMOS管（M6）、第三NMOS管（M7）、第四NMOS管（M8）、第五NMOS管（M9）以及第六NMOS管（M10）和第一PMOS管（M1）、第二PMOS管（M2）、第三PMOS管（M3）以及第四PMOS管（M4）构成不对称偏置电压轨到轨比较器的输入级，其中第三PMOS管（M3）和第四PMOS管（M4）是差动输入PMOS管，其中第一NMOS管（M5）和第二NMOS管（M6）是差动输入NMOS管，第一PMOS管（M1）和第二PMOS管（M2）是采用共源共栅电流镜结构的PMOS输入级恒流电流源，第四NMOS管（M8）、第五NMOS管（M9）和第六NMOS管（M10）是采用共源共栅电流镜结构的NMOS输入级恒流电流源；第五PMOS管（M11）、第六PMOS管（M12）、第七PMOS管（M13）、第八PMOS管（M14）、第九PMOS管（M15）以及第十PMOS管（M16）和第七NMOS管（M17）、第八NMOS管（M18）、第九NMOS管（M19）、第十NMOS管（M20）、第十一NMOS管（M21）以及第十二NMOS管（M22）构成轨到轨输入级的负载，第五PMOS管（M11）、第六PMOS管（M12）、第七PMOS管（M13）和第八PMOS管（M14）构成PMOS共源共栅电流镜负载管，第九NMOS管（M19）、第十NMOS管（M20）、第十一NMOS管（M21）和第十二NMOS管（M22）构成NMOS共源共栅电流镜负载管；轨到轨比较器设置有浮动电流源管，浮动电流源管包括第九PMOS管（M15）、第十PMOS管（M16）、第七NMOS管（M17）和第八NMOS管（M18）；输入级尾电流偏置电压结构包括第一PMOS管（M1）和第二PMOS管（M2）组成的低压共源共栅电流镜和第四NMOS管（M8）、第五NMOS管（M9）和第六NMOS管（M10）组成的可调电压裕度共源共栅电流镜，根据工艺需求将管子数增减以满足共模电压输入范围要求；轨到轨比较器增益负载级偏置结构包括第十三NMOS管（M25）、第十四NMOS管（M27）、第十五NMOS管（M28）以及第十六NMOS管（M29）和第十一PMOS管（M23）、第十二PMOS管（M24）以及第十三PMOS管（M26）组成的负载管偏置电流镜，第十一PMOS管（M23）和第十二PMOS管（M24）及第十四NMOS管（M27）、第十五NMOS管（M28）和第十六NMOS管（M29）与输入级尾电流偏置管子数目相同。

2.根据权利要求1所述的应用于FlashADC的不对称偏置电压结构的轨到轨比较器，其特征是：轨到轨比较器增益负载级偏置电压的负载级偏置电压跟随输入级尾电流变化。

3.根据权利要求1所述的应用于FlashADC的不对称偏置电压结构的轨到轨比较器，其特征是：针对输出级不同电压裕度将第十三NMOS管（M25）和第十三PMOS管（M26）调整为共源共栅或更多堆叠结构。

4.根据权利要求3所述的应用于FlashADC的不对称偏置电压结构的轨到轨比较器，其特征是：第七PMOS管（M13）和第八PMOS管（M14）的栅极接第十三PMOS管（M26）的栅极和漏极，，第九NMOS管（M19）和第十NMOS管（M20）的栅极接第十三NMOS管（M25）的栅极和漏极，第二PMOS管（M2）和第十二PMOS管（M24）的栅极接同一偏置电压，第四NMOS管（M8）和第十四NMOS管（M27）的栅极接相同偏置电压，第九PMOS管（M15）以及第十PMOS管（M16）的栅极接第十二PMOS管（M24）的漏极，第七NMOS管（M17）和第八NMOS管（M18）的栅极接第十三PMOS管（M26）的漏极，第十三NMOS管（M25）和第十三PMOS管（M26）采用二极管连接。

5.根据权利要求4所述的应用于FlashADC的不对称偏置电压结构的轨到轨比较器，其特征是：第十四PMOS管（M30）以及第十五PMOS管（M31）和第十七NMOS管（M32）以及第十八NMOS管（M33）构成轨到轨比较器输出级，同时使用反相器调节最终输出轨到轨数字电压。