CN103762963A - 快速比较电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速比较电路，其包括级联的N级运算放大器、锁存器、偏置电路及控制信号产生电路，N≥2，需比较的两差分信号输入第一级运算放大器的输入端，第N级运算放大器的输出端与所述锁存器的输入端连接，所述偏置电路为各级放大器提供偏置电流，所述控制信号产生电路分别与N级运算放器及锁存器连接，所述控制信号产生电路为所述N级运算放大器与锁存器提供工作时序及复位控制信号，各级运算放大器具有完全相同的结构特征。本发明的快速比较电路不仅保证了高增益，而且提高了比较速度。

Description

快速比较电路

技术领域

本发明涉及集成电路领域，更具体地涉及一种快速比较电路。

背景技术

比较电路广泛应用于模拟信号到数字信号的转换过程中，在模数转换中过程中，被采样后的信号经过运算放大器或比较器以决定模拟信号的数字值。且运算放大器大都采用开环模式，这种模式不必对运算放大器进行补偿，使得未经补偿的运算放大器可以获得较大的带宽和较高的频率响应。然而，众所周知地，放大器的增益与速度之间的互相制约，使得在一定工艺条件下同时实现高速和高精度比较困难。

因此，有必要提供改进的快速比较电路来克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速比较电路，本发明的快速比较电路不仅保证了高增益，而且提高了比较速度。

为实现上述目的，本发明提供一种快速比较电路，其包括级联的N级运算放大器、锁存器、偏置电路及控制信号产生电路，N≥2，需比较的两差分信号输入第一级运算放大器的输入端，第N级运算放大器的输出端与所述锁存器的输入端连接，所述偏置电路为各级运算放大器及所述控制信号产生电路提供偏置电流，所述控制信号产生电路分别与N级运算放器及锁存器连接，所述控制信号产生电路为所述N级运算放大器及锁存器提供工作时序及复位控制信号，其中，各级运算放大器具有完全相同的结构特征，且各级运算放大器均包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管、第七场效应管及第八场效应管，一个差分信号输入所述第一场效应管的栅极，另一个差分信号输入所述第二场效应管的栅极，所述第一场效应管的漏极与所述第三场效应管的栅极、漏极及所述第五场效应管的漏极连接，并输出被当前级运算放大器放大后的一个差分信号，所述第二场效应管的漏极与所述第六场效应管的栅极、漏极及所述第四场效应管的漏极连接，并输出被当前级运算放大器放大后的另一个差分信号，所述第一场效应管与第二场效应管的源极共同连接并与所述偏置电路连接，所述第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管及第六场效应管的源极均与外部电源连接，所述第三场效应管的栅极与所述第四场效应管的栅级连接，所述第五场效应管的栅极与所述第六场效应管的栅极连接，所述第七场效应管的源极、第八场效应管的栅极、漏极均与所述第一场效应管的漏极连接，所述第八场效应管的源极、第七场效应管的栅极、漏极均与所述第二场效应管的漏极连接。

较佳地，各级运算放大器均还包括复位开关，所述复位开关的一端与所述第一场效应管的漏极连接，另一端与所述第二场效应管的漏极连接，且所述复位开关的控制端与所述控制信号产生电路连接。

较佳地，所述复位开关在其控制端的电压为高电平时闭合，低电平时断开。

较佳地，所述第四场效应管与第五场效应管具有相同的宽长比。

较佳地，所述第七场效应管与第八场效应管具有相同的宽长比。

与现有技术相比，本发明的放大器电路，通过所述第四场效应管与第五场效应管可使当前级运算放大器输出的两差分信号的电压快速上升或快速下降，加快了对输入差分信号的放大速度，也即提高了比较速度；所述第七场效应管与第八场效应管构成的二极管连接方式，对各级放大器输出的差分信号进行钳位，限制了输出差分信号的摆幅，进一步提高了比较速度。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明。

附图说明

图1为本发明快速放大电路的结构框图。

图2为图1所示各级运算放大器的电路结构图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，本发明提供了一种快速比较电路，本发明的快速比较电路不仅保证了高增益，而且提高了比较速度。

请参考图1，图1为本发明快速放大电路的结构框图。如图所示，本发明的快速比较电路包括级联的N级运算放大器、锁存器、偏置电路及控制信号产生电路，N≥2，需比较的两差分信号VP、VN输入第一级运算放大器的输入端，所述第一级运算放大器的输出端与所述第二级运算放大器的输入端连接，所述第二级运算放大器的输出端与所述第三级运算放大器的输入端连接，依此类推，直至所述第N-1级运算放大器的输出端与所述第N级运算放大器的输入端连接；从而各级放运算大器对输入的两差分信号VP、VN依次进行放大，放大至所述锁存器可以识别的大小，从而在实际使用中，可根据输入两差分信号VP、VN的大小及锁存器可识别的大小而相应设置运算放大器的级数，也即设置N的具体取值；所述第N级运算放大器的输出端与所述锁存器的输入端连接，所述锁存器对第N级运算放大器输出的两差分信号快速的进行比较并输出比较值VOUT；所述偏置电路与各级运算放大器及所述控制信号产生电路连接，以为各级运算放大器及所述控制信号产生电路提供偏置电流，从而保证各级运算放大器及所述控制信号产生电路的正常工作；所述控制信号产生电路分别与N级运算放大器及锁存器连接，所述控制信号产生电路为所述N级运算放大器与锁存器提供工作时序及复位控制信号，从而所述控制信号产生电路控制各级所述运算放大器与锁存器的工作及复位。

具体地，请再结合参考图2。在本发明中，各级运算放大器均具有完全相同的结构特征。其中，各级运算放大器具有完全相同的结构特征，且各级运算放大器均包括第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场效应管M3、第四场效应管M4、第五场效应管M5、第六场效应管M6、第七场效应管M7及第八场效应管M8。一个差分信号Vinp（当该级运算放大器为第一级运算放大器时，所述差分信号Vinp为输入差分信号VP，当该级运算放大器为其它级运算放大器时，所述差分信号Vinp为输入差分信号VP经前一级运算放大器放大后输出的信号）输入所述第一场效应管M1的栅极，另一个差分信号Vinn（当该级运算放大器为第一级运算放大器时，所述差分信号Vinn为输入差分信号VN，当该级运算放大器为其它级运算放大器时，所述差分信号Vinn为输入差分信号VN经前一级运算放大器放大后输出的信号）输入所述第二场效应管M2的栅极，从而差分信号Vinp与Vinn分别通过所述第一场效应管M1与第二场效应管M2输入该级运算放大器；所述第一场效应管M1的漏极与第三场效应管M3的栅极、漏极连接，并输出被当前级运算放大器放大后的一个差分信号Voutn；所述第二场效应管M2的漏极与第六场效应管M6的栅极、漏极连接，并输出被当前级运算放大器放大后的另一个差分信号Voutp；所述第一场效应管M1与第二场效应管M2的源极共同连接并与所述偏置电路连接，从而所述偏置电路通过所述第一场效应管M1与第二场效应管M2为该级运算放大器提供偏置电流；所述第三场效应管M3、第四场效应管M4、第五场效应管M5及第六场效应管M6的源极均与外部电源AVD连接，所述第三场效应管M3的栅极与所述第四场效应管M4的栅级连接，所述第四场效应管M4的漏极与所述第六场效应管M6的栅极连接，所述第五场效应管M5的栅极与所述第六场效应管M6的栅极连接，所述第七场效应管M7的源极、第八场效应管M8的栅极、漏极均与所述第一场效应管M1的漏极连接，所述第八场效应管M8的源极、第七场效应管M7的栅极、漏极均与所述第二场效应管M2的漏极连接。在本发明的优选实施方式中，各级运算放大器均还包括复位开关S1，所述复位开关S1的一端与所述第一场效应管M1的漏极连接，另一端与所述第二场效应管M2的漏极连接，且所述复位开关S1的控制端a与所述控制信号产生电路连接，从而所述控制信号产生电路输出的电平控制所述复位开关S1的闭合与断开；其中，所述复位开关S1在其控制端a的电压为高电平时闭合，低电平时断开，且当所述复位开关S1闭合时，使得当前级运放放大器进行复位，断开时，对输入到该级运算放大器的差分信号进行放大；从而各级运算放大器对输入的差分信号VP与VN依次进行放大。

请再结合参考图1与图2，描述本发明快速比较电路的工作原理：

在本发明中，N级运算放大器需要将输入的差分信号VP与VN放大至锁存器能识别的大小，从而可通过运算放大器来设计比较器。如背景技术所述，比较器电路中的运算放大器一般工作在开环模式，设计时需要考虑运算放大器的带宽和增益，但无需考虑运算放大器的线性度、稳定性等较复杂的因素。本发明的快速放大电路的N级运算放大器为单极点运算放大器，且N级运算放大器级联组成比较器，总增益A为(N为大于1的正整数)

$A=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}{A}_i---\left(1\right)$

其中A_i为第i级运算放大器的增益。

N级运算放大器级联组成的比较器的建立时间常数为

$\mathrm{\τ}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{A_i}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ui}}}---\left(2\right)$

ω_ui为第i级运算放大器的单位增益带宽积。

要达到（1）式所示的总增益，如果只采用一级运算放大器，那么其建立时间为

${\mathrm{\τ}}^{\′}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}{A}_i}{{\mathrm{\ω}}_u}---\left(3\right)$

ω_u为假设的一级运算放大器的单位增益带宽积。由（2）（3）式比较可以看出τ′＞＞τ，因此采用多级级联运算放大器可以大大降低放大、比较的时间。

N级运算放大器级联的建立时间具有负指数响应特性，但在本发明中，由于在第N级运算放大器后还连接了锁存器，而锁存器的建立时间具有正指数响应特性，从而锁存器正指数响应的特性可以大大加快比较的速度；另外，当输入的差分信号VP与VN的差值非常小时，所述锁存器还可弥补前置的N级运算放大器的增益不足，使得输入的差分信号VP与VN的差分即使小，也可被快速放大到数字电路识别的幅度。

本发明快速放大电路的N级运算放大器中的每级运算放大器的结构相同，如图2所示。其中Vinp、Vinn为加载到差分输入端的比较信号，Voutn、Voutp为差分输出信号，第一场效应管M1和第二场效应管M2为差分对管，宽长比相同，第三场效应管M3至第六场效应管M6构成带有弱正反馈结构的负载，第三场效应管M3与第六场效应管M6宽长比S_3,6相同，第四场效应管M4与第五场效应管M5宽长比S_4,5相同，且S_3,6＞S_4,5；复位开关S1高电平时开关闭合，对当前级运算放大器进行复位，低电平时断开，使当前级运算放大器对输入的差分信号进行放大；第七场效应管M7与第八场效应管M8以二极管连接方式连接，使得运放差分输出Voutp、Voutn两端之间的电压差钳位在二极管的导通电压以下，即｜Voutp-Voutn｜≤V_th（V_th为二极管的导通电压值），限制输出摆幅，加快了比较速度；且第七场效应管M7与第八场效应管M8的宽长比相同，从而使得其导通电压相同，其钳位的电压也相同。具体地：若差分输入的信号Vinp>Vinn，那么第一场效应管M1流过的电流加大，第二场效应管M2流过的电流减小，第三场效应管M3与第四场效应管M4的栅极电压降低，第五场效应管M5与第六场效应管M6栅极电压升高，此时Voutn电压逐渐降低，Voutp逐渐升高，由于第四场效应管M4栅压降低，第五场效应管M5的电压升高，所以流过第四场效应管M4的电流增大，第五场效应管M5的电流减小，从而进一步加快了Voutn的电压下降速度及Voutp的升高速度，即加快了当前级运算放大器对输入的差分信号的放大速度。此运算放大器的增益为

$\mathrm{Av}1=\frac{g_{n\mathrm{1,2}}}{g_{m\mathrm{3,6}}-g_{m\mathrm{4,5}}}---\left(4\right)$

上式中g_m表示场效应管的跨导，由（4）式可以看出采用带有弱正反馈的负载的结构提高了运算放大器的增益的同时，也提高了比较速度。

电路中的复位开关S1及由第七场效应管M7与第八场效应管M8构成的钳位二极管进一步提高了比较速度。当复位开关S1闭合时是复位，复位开关S1断开时是放大，通过每次在放大前对运算放大器进行复位，可以清除放大前的状态提高下一次的放大速度。同时通过在差分输出端钳位两个二极管，用来控制差分输出信号的电压差。若上一次放大后的差分输出信号的差值过大，下一次放大后差分输出差分信号需要翻转时，过大的信号翻转会由于摆率问题使翻转速度下降，降低了放大速度。加入两个钳位二极管后，限制了差分输出信号的摆幅，当放大后的信号使放大器的差分输出端|Voup-Voutn|＜V_th（V_th为第七场效应管M7或第八场效应管M8的阈值电压，同样也为二极管连接的导通电压），此时二极管未导通，不参与放大过程；当放大后的差分信号使放大器的差分输出端|Voup-Voutn|＞V_th时，此时二极管导通，对差分输出进行钳位，即放大较后的信号|Voup-Voutn|＝V_th，通过合理设置导通电压V_th，可以限制输出信号的摆幅，进一步提高比较速度。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (5)

1.一种快速比较电路，包括级联的N级运算放大器、锁存器、偏置电路及控制信号产生电路，N≥2，需比较的两差分信号输入第一级运算放大器的输入端，第N级运算放大器的输出端与所述锁存器的输入端连接，所述偏置电路为各级运算放大器及所述控制信号产生电路提供偏置电流，所述控制信号产生电路分别与N级运算放大器及锁存器连接，所述控制信号产生电路为所述N级运算放大器与锁存器提供工作时序及复位控制信号，其特征在于，各级运算放大器具有完全相同的结构特征，且各级运算放大器均包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管、第七场效应管及第八场效应管，一个差分信号输入所述第一场效应管的栅极，另一个差分信号输入所述第二场效应管的栅极，所述第一场效应管的漏极与第三场效应管的栅极、漏极连接，并输出被当前级运算放大器放大后的一个差分信号，所述第二场效应管的漏极与第六场效应管的栅极、漏极连接，并输出被当前级运算放大器放大后的另一个差分信号，所述第一场效应管与第二场效应管的源极共同连接并与所述偏置电路连接，所述第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管及第六场效应管的源极均与外部电源连接，所述第三场效应管的栅极与所述第四场效应管的栅级连接，所述第四场效应管的漏极与所述第六场效应管的栅极连接，所述第五场效应管的栅极与所述第六场效应管的栅极连接，所述第七场效应管的源极、第八场效应管的栅极、漏极均与所述第一场效应管的漏极连接，所述第八场效应管的源极、第七场效应管的栅极、漏极均与所述第二场效应管的漏极连接。

2.如权利要求1所述的快速比较电路，其特征在于，各级运算放大器均还包括复位开关，所述复位开关的一端与所述第一场效应管的漏极连接，另一端与所述第二场效应管的漏极连接，且所述复位开关的控制端与所述控制信号产生电路连接。

3.如权利要求2所述的快速比较电路，其特征在于，所述复位开关在其控制端的电压为高电平时闭合，低电平时断开。

4.如权利要求2所述的快速比较电路，其特征在于，所述第四场效应管与第五场效应管具有相同的宽长比。

5.如权利要求2所述的快速比较电路，其特征在于，所述第七场效应管与第八场效应管具有相同的宽长比。

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