CN102946193B - 一种提高比较器电路比较速度的方法及比较器电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高比较器电路比较速度的方法、一种电荷泵以及一种改进型比较器电路，涉及比较器电路领域，减少了电源电压对比较器速度的限制，提高了低电源电压下比较器的比较速度。一种电荷泵，包括：第一开关，第二开关，第三开关，电荷泵电容，其中所述第一开关一端连接电荷泵抬升电压源，所述第一开关的另一端连接比较器电路；所述第二开关一端接地，所述第二开关的另一端连接所述电荷泵电容；所述第三开关一端连接电源电压，所述第三开关另一端连接所述电荷泵电容，所述第二开关和第三开关连接所述电荷泵电容的同侧；所述电荷泵电容未连接所述第二开关的一端连接所述比较器电路。本发明用于比较器电路。

Description

一种提高比较器电路比较速度的方法及比较器电路

技术领域

本发明涉及比较器电路领域，尤其涉及一种提高比较器电路比较速度的方法、一种电荷泵以及一种改进型比较器电路。

背景技术

集成电路系统中，比较器电路是一个非常常见且非常重要的模块，它的比较速度是电路的主要性能指标，在高速模数转换器/数模转换器电路中，比较器的速度是影响电路性能的主要因素之一。

现有技术中，比较器电路实现的方式不一样，但主要的功能模块相似，主要由预放大电路与锁存器电路组成，比较器的比较时间由预放大电路与锁存器电路共同决定。

在实现上述技术方案的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

比较器电路的比较速度受电源电压的影响，电源电压越低，比较器速度越慢，在低电源电压的应用场合，比较器的速度慢，从而影响电路的整体性能。

发明内容

本发明的实施例提供一种提高比较器电路比较速度的方法、一种电荷泵以及一种改进型比较器电路，减少了电源电压对比较器速度的限制，提高了低电源电压下比较器的比较速度。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种电荷泵，包括：

第一开关，第二开关，第三开关，电荷泵电容；

其中所述第一开关一端连接电荷泵抬升电压源，所述第一开关的另一端连接比较器电路；所述第二开关一端接地，所述第二开关的另一端连接所述电荷泵电容；所述第三开关一端连接电源电压，所述第三开关另一端连接所述电荷泵电容，所述第二开关和第三开关连接所述电荷泵电容的同侧；所述电荷泵电容未连接所述第二开关的一端连接所述比较器电路。

在结合第一方面的第一种可能的实现方式中，所述电荷泵还包括：

所述第一开关，第二开关，第三开关的开关状态由第一时钟信号和第二时钟信号控制，在所述第一开关和所述第二开关上施加所述第一时钟信号，在所述第三开关上施加所述第二时钟信号，当所述第一时钟信号为高电平，所述第二时钟信号为低电平时，所述第一开关和所述第二开关闭合，所述第三开关断开；当所述第一时钟信号为低电平，所述第二时钟信号为高电平时，所述第一开关和所述第二开关断开，所述第三开关闭合。

第二方面，本发明实施例提供了一种改进型比较器电路，包括比较器电路和电荷泵，所述比较器电路包含预放大电路、锁存器电路和反相器，所述电荷泵包括：

第一开关，第二开关，第三开关，电荷泵电容，

其中所述第一开关一端连接电荷泵抬升电压源，所述第一开关的另一端连接比较器电路；所述第二开关一端接地，所述第二开关的另一端连接所述电荷泵电容；所述第三开关一端连接电源电压，所述第三开关另一端连接所述电荷泵电容，所述第二开关和第三开关连接所述电荷泵电容的同侧；所述电荷泵电容未连接所述第二开关的一端连接所述比较器电路；

所述改进型比较器电路还包括时钟信号发生器；

所述第一开关，第二开关，第三开关的开关状态由所述时钟信号发生器输入的第一时钟信号和第二时钟信号控制，在所述第一开关和所述第二开关上施加所述第一时钟信号，在所述第三开关上施加所述第二时钟信号，当所述第一时钟信号为高电平，所述第二时钟信号为低电平时，所述第一开关和所述第二开关闭合，所述第三开关断开，所述改进型比较器电路工作在复位阶段；当所述第一时钟信号为低电平，所述第二时钟信号为高电平时，所述第一开关和所述第二开关断开，所述第三开关闭合，所述改进型比较器电路工作在比较阶段。

在结合第二方面的第一种可能的实现方式中，所述反相器包括与非门、或非门或施密特触发器。

第三方面，本发明实施例提供了一种提高比较器电路比较速度的方法，包括：

在第一开关和第二开关上施加第一时钟信号，在第三开关上施加第二时钟信号，所述第一时钟信号和所述第二时钟信号相位相反；

当所述第一时钟信号为高电平，所述第二时钟信号为低电平时，所述第一开关和所述第二开关闭合，所述第三开关断开，电荷泵电容充电，直至充电电压达到电荷泵抬升电压；

当所述第一时钟信号为低电平，所述第二时钟信号为高电平时，所述第一开关和所述第二开关断开，所述第三开关闭合，所述电荷泵电容与所述第二开关、所述第三开关相连的极板电压从0V(地电平)抬升至电源电压，所述电荷泵电容与所述比较器电路相连的极板电压从电荷泵抬升电压抬升至所述电荷泵抬升电压与电源电压之和。

本发明实施例提供的一种提高比较器电路比较速度的方法、一种电荷泵以及一种改进型比较器电路，当第一时钟信号为高电平，所述第二时钟信号为低电平时，所述第一开关和所述第二开关闭合，所述第三开关断开，电荷泵电容充电，直至充电电压达到电荷泵抬升电压，当所述第一时钟信号为低电平，所述第二时钟信号为高电平时，所述第一开关和所述第二开关断开，所述第三开关闭合，所述电荷泵电容与所述第二开关、所述第三开关相连的极板电压从0V(地电平)抬升至电源电压，所述电荷泵电容与所述比较器电路相连的极板电压从电荷泵抬升电压抬升至所述电荷泵抬升电压与电源电压之和，提高了比较器电路的工作电压，从而加快了比较器的比较速度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种电荷泵电路结构图；

图2为本发明实施例提供的一种改进型比较器电路结构图；

图3为本发明实施例提供的一种改进型比较器电路实现图；

图4为本发明实施例提供的一种改进型比较器电路的工作时序图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种电荷泵，如图1所示，包括：

第一开关S1，第二开关S2，第三开关S3，电荷泵电容Cp。

其中第一开关S1一端连接电荷泵抬升电压源VBOOST，第一开关S1的另一端连接比较器电路；第二开关S2一端接地，第二开关S2的另一端连接电荷泵电容Cp；第三开关S3一端连接电源电压VDD，第三开关S3另一端连接电荷泵电容Cp。在图2中，第二开关S2和第三开关S3连接电荷泵电容Cp的同侧。电荷泵电容Cp一端连接比较器电路，另一端连接了第二开关S2和第三开关S3。电荷泵输出的电压为VDDH。

所述第一开关S1，第二开关S2，第三开关S3的开关状态由输入的第一时钟信号CLKB和第二时钟信号CLK控制，本电荷泵中，所述第一开关S1和所述第二开关S2上施加所述第一时钟信号CLKB，在所述第三开关S3上施加所述第二时钟信号CLK，当所述第一时钟信号CLKB为高电平，所述第二时钟信号CLK为低电平时，所述第一开关S1和所述第二开关S2闭合，所述第三开关S3断开；当所述第一时钟信号CLKB为低电平，所述第二时钟信号CLK为高电平时，所述第一开关S1和所述第二开关S2断开，所述第三开关S3闭合。

通过以上结构构成的电荷泵，在比较器电路进入比较状态之前可以抬升比较器电路的工作电压，进而加快比较器的比较速度。具体的，当第一时钟信号CLKB为高电平第二时钟信号CLK为低电平时，第一开关S1和第二开关S2闭合，第三开关S3断开，此时电荷泵工作在预充电状态，电荷泵输出电压VDDH为电荷泵抬升电压VBOOST；当第一时钟信号CLKB为低电平第二时钟信号CLK为高电平时，第一开关S1和第二开关S2断开，第三开关S3闭合，此时电荷泵工作在电压抬升阶段，电荷泵输出电压VDDH为VDD与VBOOST之和。

进一步的，本发明实施例提供了一种改进型比较器电路，如图2所示，包括：

电荷泵201，子比较器202，反相器203。

其中子比较器202和反相器203构成了传统的比较器电路。

该改进型比较器电路还包括时钟信号发生器，当改进型比较器电路需要工作时，将时钟信号发生器与改进型比较器电路连接，由时钟信号发生器产生第一时钟信号CLKB和第二时钟信号CLK来控制改进型比较器电路的工作状态。具体的，时钟信号发生器与改进型比较器电路连接，在改进型比较器电路中电荷泵201的第一开关S1和第二开关S2上施加第一时钟信号CLKB在第三开关S3上施加第二时钟信号CLK，第一时钟信号CLKB和第二时钟信号CLK的相位相反，当第一时钟信号CLKB为高电平，第二时钟信号CLK为低电平时，第一开关S1和第二开关S2闭合，第三开关S3断开，改进型比较器电路工作在复位阶段；当第一时钟信号CLKB为低电平，第二时钟信号CLK为高电平时，第一开关S1和第二开关S2断开，第三开关S3闭合，改进型比较器电路工作在比较阶段。

传统的比较器电路在电源电压下工作，当电源电压很低时，比较器电路的比较速度会降低。改进型比较器电路在传统的比较器电路的基础上增加了电荷泵，在比较器电路工作之前，电荷泵电容充电，将电压抬升到电荷泵抬升电压与电源电压之和，提高了比较器电路的工作电压，比较器电路工作在高电压环境下，加快了比较器的比较速度。

具体的，在图2的基础上，本发明实施例提供了一种改进型比较器电路实现图，如图3所示，该电路包括：

电荷泵301，比较器电路302。

比较器电路302包含预放大电路3021，锁存器电路3022，反相器电路3023。

该改进型比较器电路工作有两个阶段，第一个阶段是复位阶段，在这个阶段第一时钟信号CLKB为高电平，第二时钟信号CLK为低电平，电荷泵301中的第一开关S1和第二开关S2闭合，第三开关S3断开，电荷泵301处于预充电状态，电荷泵电容Cp两端电压充至电荷泵抬升电压VBOOST，此时电荷泵301的输出电压VDDH为VBOOST(电荷泵抬升电压)，同时由MOS(metal oxid semiconductor，金属氧化物半导体场效应晶体管)管M1、M2、M3、M4和输入端VINP及VINN组成的预放大电路3021处于复位状态，预放大电路3021中的MOS管M1和MOS管M2导通，MOS管M3断开，节点V1和V2的电压被拉高至电源电压VDD，连接锁存器电路3022的MOS管M5和MOS管M6导通，由锁存器电路3022输出的结果为Qc＝QBc＝0，由反相器电路3023输出的结果为Q＝QB＝1。

第二个阶段是比较阶段，在这个阶段第一时钟信号CLKB为低电平，第二时钟信号CLK为高电平，电荷泵301进入电压抬升阶段，电荷泵输出电压VDDH被抬升至VDD(电源电压)和VBOOST(电荷泵抬升电压)之和，同时由MOS管M1、M2、M3、M4和输入端VINP及VINN组成的预放大电路3021开始工作，预放大电路3021中的MOS管M1和MOS管M2断开，MOS管M3闭合，节点V1和V2的电压通过与预放大电路3021连接的MOS管M15放电而下降，节点V1和V2的电压下降的速度快慢由预放大电路3021中的输入端VINP和VINN的电压差值(VINP-VINN)决定，电压差值越大，V1的下降速度比V2越快；电压差值越小，V2的下降速度比V1越快，当节点V1和V2的电压降至某一值时，由MOS管M7/M8/M9/M10构成的锁存器电路3022开始工作，锁存器电路3022将预放大电路3031的比较结果锁存，而后由锁存器电路3022输出一个稳定的比较结果Qc和QBc，最后由反相器电路3023输出结果Q和QB。

由上面分析的改进型比较器电路的工作过程可知，在比较器电路302的比较阶段，锁存器电路3022的工作电压已被抬升至VDD(电源电压)和VBOOST(电荷泵抬升电压)之和，锁存器电路3022的响应时间与工作电压成反比，而锁存器电路3022的工作电压已被抬升，从而减少了锁存器电路3022的响应时间，即减少了比较器的比较时间，也就加快了比较器的比较速度。

实现上述改进型比较器电路的工作时序图如图4所示，比较器电路工作的复位阶段对应图中的时间t1，在t1阶段第一时钟信号CLKB为高电平VDD，第二时钟信号CLK为低电平0，电荷泵电路处于预充电状态，电荷泵输出的电压VDDH为电荷泵抬升电压VBOOST，而比较器电路工作在复位状态，所以由锁存器电路输出的结果Qc为0，此时由反相器电路输出的结果Q为1。

比较器电路工作的比较阶段对应图中的时间t2，在比较阶段第一时钟信号CLKB为低电平0，第二时钟信号CLK为高电平VDD，电荷泵电路工作在电压抬升阶段，电荷泵输出的电压VDDH为电源电压VDD与电荷泵抬升电压VBOOST之和，经比较时间t2后，在t3时间段，比较器输出稳定的比较结果，此比较结果由比较器输入电压VIN(VINP-VINN)决定，即VINP与VINN的差值决定，当VINP与VINN的差值大于0时，由锁存器电路输出的结果Qc为1，此时由反相器电路输出的结果Q为0，当VINP与VINN的差值小于0时，由锁存器电路输出的结果Qc为0，此时由反相器电路输出的结果Q为1。

通过有序的工作，将锁存器电路的工作电压由原有电源电压VDD抬升至原有电源电压VDD与电荷泵抬升电压VBOOST之和，提高了锁存器电路的工作电压，比较器电路工作在高电压环境下，加快了比较器的比较速度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种改进型比较器电路，用于提高比较器电路的比较速度，包括比较器电路和电荷泵，所述比较器电路包含预放大电路、锁存器电路和反相器，其特征在于，所述电荷泵包括：

第一开关，第二开关，第三开关，电荷泵电容，

其中所述第一开关一端连接电荷泵抬升电压源，所述第一开关的另一端连接比较器电路；所述第二开关一端接地，所述第二开关的另一端连接所述电荷泵电容；所述第三开关一端连接电源电压，所述第三开关另一端连接所述电荷泵电容，所述第二开关和第三开关连接所述电荷泵电容的同侧；所述电荷泵电容未连接所述第二开关的一端连接所述比较器电路；

所述改进型比较器电路还包括时钟信号发生器；

所述第一开关，第二开关，第三开关的开关状态由所述时钟信号发生器输入的第一时钟信号和第二时钟信号控制，在所述第一开关和所述第二开关上施加所述第一时钟信号，在所述第三开关上施加所述第二时钟信号，当所述第一时钟信号为高电平，所述第二时钟信号为低电平时，所述第一开关和所述第二开关闭合，所述第三开关断开，所述改进型比较器电路工作在复位阶段；当所述第一时钟信号为低电平，所述第二时钟信号为高电平时，所述第一开关和所述第二开关断开，所述第三开关闭合，所述改进型比较器电路工作在比较阶段。

2.根据权利要求1所述的改进型比较器电路，其特征在于，所述反相器包括与非门、或非门或施密特触发器。

3.一种采用如权利要求1所述的改进型比较器电路以提高比较器电路比较速度的方法，其特征在于，包括：

在第一开关和第二开关上施加第一时钟信号，在第三开关上施加第二时钟信号，所述第一时钟信号和所述第二时钟信号相位相反；

当所述第一时钟信号为高电平，所述第二时钟信号为低电平时，所述第一开关和所述第二开关闭合，所述第三开关断开，电荷泵电容充电，直至充电电压达到电荷泵抬升电压；

当所述第一时钟信号为低电平，所述第二时钟信号为高电平时，所述第一开关和所述第二开关断开，所述第三开关闭合，所述电荷泵电容与所述第二开关、所述第三开关相连的极板电压从0V(地电平)抬升至电源电压，所述电荷泵电容与所述比较器电路相连的极板电压从电荷泵抬升电压抬升至所述电荷泵抬升电压与电源电压之和。