CN103066965B - 电流比较器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电流比较器，其包括依次级联的第一电流镜、第二电流镜、分压电阻、第一前置放大器、第二前置放大器、第一高增量反向器及第二高增量反向器，所述第二电流镜具有负反馈电阻。所述电流比较器结构简单，具有较低的功耗、较快的响应速度、较高的精度及较高的鲁棒性。

Description

电流比较器

技术领域

本发明涉及集成电路设计技术领域，尤其涉及一种低功耗、高速度及高鲁棒性的电流比较器。

背景技术

电流式电路由于其面积小、速度快、功耗低等优点，而越来越受人们的重视。电流式电路中非常重要的一个基本单元就是电流比较器，电流比较器现已被广泛应用于各种线性及非线性集成电路中，如A/D转换器(模数转换器)、触发器、压控振荡器等。

目前，人们已研究开发出一系列的电流比较器。D.A.Freitas and K.W.current(“CMOS current comparator circuit,”Electronics Lett.,vol.19,no.17,pp.695-697,1983)提出一种较简单的电流比较器，其包括两个cascade电流镜，而无反馈电阻，但是，这种电流比较器由于cascade在输出端的高阻抗，而使得该电流比较器不能在高频情况下使用。BULT.K,and GEELEN.G(“A fast-setting CMOS op-amp for SC circuits with 90-dBDC gain”,IEEE J.Solid-State Circuits,”1990,25(6),pp.1379-1348)提出一种采用classB电压缓冲器构成的电流比较器，如图1所示，这种电流比较器使用了非线性正反馈来提高响应时间，但是，其响应时间的提高是以灵敏度和功耗为代价的。B.M.Min and S.W.Kim,(“High performanceCMOS current comparator using resistive feedback network,”ElectronicsLett.,vol.34,no.22,pp.2074-2079,1988.)及L.Chen,B.Shi and C.Lu(“A robust high-speed and low-power CMOS current comparator circuit,”IEEE Asia-Pacific Conference on Circuits and Systems 2000,pp.174-177,2000)分别提出一种电流比较器，分别如图2和图3所示，其在增加工作频率的同时，可以减小电路的输入和输出阻抗。但是，这两个电路的输出节点Vo位于一个PMOS的上拉管和一个NMOS的下拉管处，当发生工艺变化的时候，这个变化将会在偏置电压处引起很大的电压变化，进而很容易导致后续的高增益轨到轨放大器在输入电流信号加入之前就进入饱和或者截止，从而使整个电路无法正常工作。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种低功耗、高速度及高鲁棒性的电流比较器。

一种电流比较器，其包括依次级联的第一电流镜、第二电流镜、分压电阻、第一前置放大器、第二前置放大器、第一高增量反向器及第二高增量反向器，所述第二电流镜具有负反馈电阻。

本发明一较佳实施方式中，所述第一电流镜包括第一NMOS管、第二NMOS管及第一PMOS管；所述第一NMOS管的漏极和栅极相接且连接正电流，栅极和所述第二NMOS管的栅极连接，源极接地；所述第二NMOS管的源极接地，漏极和所述第一PMOS管的源极连接；所述第一PMOS管的漏极接电源。

本发明一较佳实施方式中，所述第二电流镜包括第三NMOS管、第四NMOS管、第二PMOS管及所述负反馈电阻；所述第三NMOS管的漏极连接负电流，源极接地，栅极和所述第四NMOS管的栅极连接；所述第四NMOS管的源极接地，漏极和所述第二PMOS管的源极连接；所述第二PMOS管的栅极和所述第一PMOS管的栅极连接，漏极和所述第一PMOS管的漏极连接；所述负反馈电阻的源极和所述第三NMOS管的漏极及栅极连接，栅极和漏极均和所述第四NMOS管的漏极连接。

本发明一较佳实施方式中，所述分压电阻包括二极管连接的第五NMOS管和第六NMOS管；所述第五NMOS管的栅极和所述第四NMOS管的漏极连接，源极接地，漏极和所述第六NMOS管的源极连接；所述第六NMOS管的栅极和漏极相连且接电源。

本发明一较佳实施方式中，所述第一前置放大器包括第七NMOS管、第八NMOS管及第三PMOS管；所述第七NMOS管的源极接地，栅极和所述第四NMOS管的漏极连接，漏极和所述第八NMOS管的源极连接；所述第八NMOS管的栅极和所述第三PMOS管的栅极连接，漏极接电源；所述第三PMOS管的源极和漏极相连且接电源。

本发明一较佳实施方式中，所述第二前置放大器包括第九NMOS管、第十NMOS管及第四PMOS管；所述第九NMOS管的源极接地，栅极和所述第七NMOS管的漏极连接，漏极和所述第十NMOS管的源极连接；所述第十NMOS管的栅极和所述第四PMOS管的栅极连接，漏极接电源；所述第四PMOS管的源极和漏极相连且接电源。

本发明一较佳实施方式中，所述第一高增量反向器包括第十一NMOS管及第五PMOS管；所述第十一NMOS管的源极接地，栅极和所述第五PMOS管的栅极相连且和所述第九NMOS管的漏极连接，漏极和所述第五PMOS管的源极连接；所述第五PMOS管的漏极接电源。

本发明一较佳实施方式中，所述第二高增量反向器包括第十二NMOS管及第六PMOS管；所述第十二NMOS管的源极接地，栅极和所述第六PMOS管的栅极相连且和所述第十一NMOS管的漏极连接，漏极和所述第六PMOS管的源极连接；所述第六PMOS管的漏极接电源。

本发明一较佳实施方式中，所述第五NMOS管和所述第六NMOS管具有相同的宽长比和偏置电流。

相较于现有技术，本发明提供的电流比较器具有以下优点：其一、所述电流比较器利用其中的第一电流镜、具有负反馈电阻的第二电流镜、分压电阻、第一前置放大器、第二前置放大器、第一高增量反向器及第二高增量反向器，可获得较佳鲁棒性的电路；其二、所述电流比较器的电路整体结构简单、偏置少、功耗低；其三、所述电流比较器的响应速度快、精度高，且当用不同的工艺角进行仿真时，输出节点的电压变化小。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为现有技术电流比较器一的简化电路结构图。

图2为现有技术电流比较器二的简化电路结构图。

图3为现有技术电流比较器三的简化电路结构图。

图4为本发明一实施例提供电流比较器的简化电路结构图。

图5为图4所示电流比较器的输入电流和输出电压的仿真波形图。

图6为图4所示电流比较器和现有技术的功耗比较图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

请参阅图4，本发明一实施例提供一种电流比较器100，其包括依次级联的第一电流镜10、第二电流镜20、分压电阻30、第一前置放大器40、第二前置放大器50、第一高增量反向器60及第二高增量反向器70。

所述第一电流镜10包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2及第一PMOS管MP1。所述第一NMOS管MN1的漏极和栅极相接且连接电流Iin+，栅极和所述第二NMOS管MN2的栅极连接，源极接地GND；所述第二NMOS管MN2的源极接地GND，漏极和所述第一PMOS管MP1的源极连接；所述第一PMOS管MP1的漏极接电源VDD。

所述第二电流镜20包括第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第二PMOS管MP2及负反馈电阻MNf。所述第三NMOS管MN3的漏极连接电流Iin-，源极接地，栅极和所述第四NMOS管MN4的栅极连接；所述第四NMOS管MN4的源极接地GND，漏极和所述第二PMOS管MP2的源极连接；所述第二PMOS管MP2的栅极和所述第一PMOS管MP1的栅极连接，漏极和所述第一PMOS管MP1的漏极连接；所述负反馈电阻MNf的源极和所述第三NMOS管MN3的漏极及栅极连接，栅极和漏极均和所述第四NMOS管MN4的漏极连接。

可以理解的是，所述第一电流镜10和所述第二电流镜20构成的电流减法器，其将电流Iin+和电流Iin-进行相减。

所述分压电阻30包括二极管连接的第五NMOS管MN5和第六NMOS管MN6。所述第五NMOS管MN5的栅极和所述第四NMOS管MN4的漏极连接，源极接地GND，漏极和所述第六NMOS管MN6的源极连接；所述第六NMOS管MN6的栅极和漏极相连且接电源VDD。

所述第一前置放大器40包括第七NMOS管MN7、第八NMOS管MN8及第三PMOS管MP3。所述第七NMOS管MN7的源极接地GND，栅极和所述第四NMOS管MN4的漏极连接，漏极和所述第八NMOS管MN8的源极连接；所述第八NMOS管MN8的栅极和所述第三PMOS管MP3的栅极连接，漏极接电源VDD；所述第三PMOS管的源极和漏极相连且接电源VDD。

所述第二前置放大器50包括第九NMOS管MN9、第十NMOS管MN10及第四PMOS管MP4。所述第九NMOS管MN9的源极接地GND，栅极和所述第七NMOS管MN7的漏极连接，漏极和所述第十NMOS管MN10的源极连接；所述第十NMOS管MN10的栅极和所述第四PMOS管MP4的栅极连接，漏极接电源GND；所述第四PMOS管MP4的源极和漏极相连且接电源VDD。

所述第一高增量反向器60包括第十一NMOS管MN11及第五PMOS管MP5。所述第十一NMOS管MN11的源极接地GND，栅极和所述第五PMOS管MP5的栅极相连且和所述第九NMOS管MN9的漏极连接，漏极和所述第五PMOS管MP5的源极连接；所述第五PMOS管MP5的漏极接电源VDD。

所述第二高增量反向器70包括第十二NMOS管MN12及第六PMOS管MP6。所述第十二NMOS管MN12的源极接地GND，栅极和所述第六PMOS管MP6的栅极相连且和所述第十一NMOS管MN11的漏极连接，漏极和所述第六PMOS管MP6的源极连接；所述第六PMOS管MP6的漏极接电源VDD。

以下分析图4所示所述电流比较器100。由所述第一电流镜10和所述第二电流镜20构成的电流减法器将电流Iin+和Iin-进行相减。当输入电流Iin-增加，且大于电流Iin+的时候，所述第二电流镜20的输出节点Vo的电压被拉低。当Iin-减小并且小于Iin+的时候，所述第二电流镜20的输出节点Vo的电压被拉高。

由于所述负反馈电阻MNf的负反馈作用，所述第二电流镜20的输入节点Vi和输出节点Vo的阻抗均被减小。

为了证明这一事实，我们首先分析节点Vo的负反馈作用，当电流Iin+流入所述第二电流镜20的输出节点Vo，所述输出节点Vo的电压被拉高。因此通过所述负反馈电阻MNf,所述输入节点Vi的电压被拉高,通过所述第四NMOS管MN4将所述输入节点Vi的电压放大，从而迫使所述输出节点Vo处的电压变低，从而形成负反馈。同样地，当电流Iin-流入所述输入节点Vi，所述输入节点Vi的电压被拉高，并且通过所述第四NMOS管MN4被放大，从而使得所述输出节点Vo的电压下降，因此所述负反馈电阻MNf的源极电压被拉低，即所述输入节点Vi被拉低。通过小信号分析，所述输入节点Vi和所述输出节点Vo的阻抗分别如下：

$R_{\mathrm{vi}}=\frac{g_{\mathrm{mf}}}{(g_{\mathrm{mf}}+g_{m1})*g_{m1}}---\left(1\right)$

$R_{\mathrm{vo}}=\frac{r_{\mathrm{on}4}//r_{\mathrm{op}2}}{1+(r_{\mathrm{on}4}//r_{\mathrm{op}2})g_{\mathrm{mf}}}---\left(2\right)$

其中g_m1是所述第一NMOS管MN1、所述第二NMOS管MN2、所述第三NMOS管MN3和所述第四NMOS管MN4的跨导,g_mf是反馈电阻MNf的跨导，r_on4和r_op2分别是所述第四NMOS管MN4和所述第二PMOS管MP2的输出阻抗。

可以理解的是，如果没有所述负反馈电阻MNf，所述输入节点Vi和所述输出节点Vo的阻抗分别为：

R_vi＝1/g_m1                             (3)

R_vo＝r_on4//r_op2                         (4)

显然，对比式(1)和式(3)、式(2)和式(4)可知，所述电流比较器100增加所述负反馈电阻MNf后，所述输入节点Vi和所述输出节点Vo的阻抗均大大减小。

所述电流比较器100中，将二极管连接的所述第五NMOS管MN5和所述第六NMOS管MN6之间的电压作为节点Vo的偏置电压，可以提高电路的鲁棒性。

本实施例中，所述第五NMOS管MN5和所述第六NMOS管MN6具有相同的宽长比和偏置电流，从而使得它们具有相同的等效电阻。由此，任何工艺引起的变化，都会使得所述第五NMOS管MN5和所述第六NMOS管MN6的等效电阻发生相同的变化，最终使得所述输出节点Vo的电压保持不变，从而使得所述电流比较器100的电路获得很好的鲁棒性。

为验证所述电流比较器100的性能，本发明在Cadence Spectre上采用SMIC公司的0.18μm 1P6M工艺进行了仿真。请一并参阅图5和图6。其中，图5为当输入电流Iin＝100nA时，输入电流Iin和输出电压VOUT的仿真波形；图6为当输入电流变化时，所述电流比较器100的功耗和现有技术电流比较器的功耗的比较图。当工艺角发生变化时，所述电流比较器100的输出节点变化和现有技术电流比较器的节点变化的仿真结果比较如表1所示。

由这些仿真结果可测得，当输入电流为100nA的时候，所述电流比较器100的响应时间为9ns，平均功耗为340uW。此外，当用不同的工艺角进行仿真时，输出节点的电压变化仅为1.5％，远远优于现有技术电流比较器。由此可知，本发明提供的所述电流比较器100在响应速度和功耗上都有极大的提高。

相较于现有技术，本发明提供的电流比较器100具有以下优点：其一、所述电流比较器100利用其中的第一电流镜10、具有负反馈电阻MNf的第二电流镜20、分压电阻30、第一前置放大器40、第二前置放大器50、第一高增量反向器60及第二高增量反向器70，可获得较佳鲁棒性的电路；其二、所述电流比较器100的电路整体结构简单、偏置少、功耗低；其三、所述电流比较器100的响应速度快、精度高，且当用不同的工艺角进行仿真时，输出节点的电压变化小。

以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种电流比较器，其特征在于，所述电流比较器包括依次级联的第一电流镜、第二电流镜、分压电阻、第一前置放大器、第二前置放大器、第一高增量反向器及第二高增量反向器，所述第二电流镜具有负反馈电阻，所述分压电阻包括二极管连接的第五NMOS管和第六NMOS管；所述第五NMOS管的栅极和第四NMOS管的漏极连接，源极接地，漏极和所述第六NMOS管的源极连接；所述第六NMOS管的栅极和漏极相连且接电源，所述第五NMOS管和所述第六NMOS管之间的电压作为节点Vo的偏置电压，所述第五NMOS管和所述第六NMOS管具有相同的宽长比和偏置电流。

2.如权利要求1所述的电流比较器，其特征在于，所述第一电流镜包括第一NMOS管、第二NMOS管及第一PMOS管；所述第一NMOS管的漏极和栅极相接且连接正电流，栅极和所述第二NMOS管的栅极连接，源极接地；所述第二NMOS管的源极接地，漏极和所述第一PMOS管的源极连接；所述第一PMOS管的漏极接电源。

3.如权利要求2所述的电流比较器，其特征在于，所述第二电流镜包括第三NMOS管、第四NMOS管、第二PMOS管及所述负反馈电阻；所述第三NMOS管的漏极连接负电流，源极接地，栅极和所述第四NMOS管的栅极连接；所述第四NMOS管的源极接地，漏极和所述第二PMOS管的源极连接；所述第二PMOS管的栅极和所述第一PMOS管的栅极连接，漏极和所述第一PMOS管的漏极连接；所述负反馈电阻的源极和所述第三NMOS管的漏极及栅极连接，栅极和漏极均和所述第四NMOS管的漏极连接。

4.如权利要求1所述的电流比较器，其特征在于，所述第一前置放大器包括第七NMOS管、第八NMOS管及第三PMOS管；所述第七NMOS管的源极接地，栅极和所述第四NMOS管的漏极连接，漏极和所述第八NMOS管的源极连接；所述第八NMOS管的栅极和所述第三PMOS管的栅极连接，漏极接电源；所述第三PMOS管的源极和漏极相连且接电源。

5.如权利要求4所述的电流比较器，其特征在于，所述第二前置放大器包括第九NMOS管、第十NMOS管及第四PMOS管；所述第九NMOS管的源极接地，栅极和所述第七NMOS管的漏极连接，漏极和所述第十NMOS管的源极连接；所述第十NMOS管的栅极和所述第四PMOS管的栅极连接，漏极接电源；所述第四PMOS管的源极和漏极相连且接电源。

6.如权利要求5所述的电流比较器，其特征在于，所述第一高增量反向器包括第十一NMOS管及第五PMOS管；所述第十一NMOS管的源极接地，栅极和所述第五PMOS管的栅极相连且和所述第九NMOS管的漏极连接，漏极和所述第五PMOS管的源极连接；所述第五PMOS管的漏极接电源。

7.如权利要求6所述的电流比较器，其特征在于，所述第二高增量反向器包括第十二NMOS管及第六PMOS管；所述第十二NMOS管的源极接地，栅极和所述第六PMOS管的栅极相连且和所述第十一NMOS管的漏极连接，漏极和所述第六PMOS管的源极连接；所述第六PMOS管的漏极接电源。