CN104796123B - 在翻转点进行性能提升的非恒定偏置低功耗连续时间比较器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在翻转点进行性能提升的非恒定偏置低功耗连续时间比较器，属于集成电路技术领域，本发明在原电压比较器有能检测两输入差较小的时间和对电压比较器的尾电流进行电流补充，从而在较小的传输延时和较低功耗下获得正确的比较结果的辅助支路。本发明在原有箝位推挽输出比较器的基础上加入辅助分支，调控原比较器的尾电流，从而使得在比较不同的输入差时采用不同的尾电流，降低比较器的功耗。在传输延时不变的情况下，本发明的平均电流比原电路的平均电流减少了60％还多。改进的电压比较器与原比较器有相同的传输延时15.36ns时，改进的比较器的平均电流为22.38μA，原比较器的平均电流为60.21μA，功耗减少了62.8％。

Description

在翻转点进行性能提升的非恒定偏置低功耗连续时间比较器

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，涉及一种在翻转点进行性能提升的非恒定偏置低功耗连续时间比较器。

背景技术

箝位推挽输出比较器是一种电压型比较器，如图1所示，该比较器是通过输入差分对产生相差电流，然后将电流放大，通过比较电流大小与方向，对负载进行充放电，若正向输入大于反向输入，比较器对负载充电，输出为高电平；若正向输入小于反向输入，比较器负载开始放电，输出为低电平。该比较器功耗大，因为不论两输入差是大还是小，其尾电流始终是不变的，为了在小输入差的时候获得较小的传输延时，需要采用大的尾电流，而当要比较的两输入差较大时，大的尾电流是不必要的，使得电路消耗较大的电流，造成大的功耗。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中的问题，提供一种在翻转点进行性能提升的非恒定偏置低功耗连续时间比较器，该电压比较器能够减小箝位推挽输出比较器的功耗，在相同传输延时下，本发明的电压比较器功耗降低了60％以上。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种在翻转点进行性能提升的非恒定偏置低功耗连续时间比较器，包括由第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管和第九MOS管构成的电压比较器，第一MOS管和第二MOS管作为电压比较器的输入端，电压比较器的输出端通过由第十一MOS管和第十二MOS管构成的反相器反向输出；所述电压比较器上还连接有在输入差值较小时给尾电流进行电流补充的辅助支路。

进一步的，第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管和第十一MOS管的源极相连；第三MOS管和第四MOS管的栅极相连，第五MOS管和第六MOS管的栅极相连；第四MOS管和第六MOS管的漏极分别与第八MOS管和第九MOS管的漏极相连；第三MOS管和第五MOS管的漏极分别与第一MOS管和第二MOS管的漏极相连；第一MOS管和第二MOS管的源极与第七MOS管的漏极相连，第七MOS管的栅极与第十MOS管的栅极相连；第八MOS管的栅极和第九MOS管的栅极相连，第七MOS管、第八MOS管以及第九MOS管的源极均接地。

进一步的，辅助支路包括第十三MOS管、第十四MOS管、第十五MOS管、第十六MOS管、第十七MOS管以及第十八MOS管；第十三MOS管和第十四MOS管的源极均与第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管和第十一MOS管的源极相连；第十三MOS管和第十六MOS管的栅极均连接到第三MOS管栅极和第四MOS管栅极之间的连接点上；第十四MOS管和第十五MOS管的栅极均连接到第五MOS管栅极和第六MOS管栅极之间的连接点上；第十五MOS管和第十六MOS管的源极分别与第十三MOS管和第十四MOS管的漏极相连，第十五MOS管和第十六MOS管的漏极与第十七MOS管的漏极相连；第十七MOS管和第十八MOS管的栅极相连，第十八MOS管的漏极与第一MOS管和第二MOS管的源极相连；第十七MOS管和第十八MOS管的源极均接地。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明在原有箝位推挽输出比较器的基础上加入辅助分支，调控原比较器的尾电流，从而使得在比较不同的输入差时采用不同的尾电流，降低比较器的功耗。在传输延时不变的情况下，本发明的平均电流比原电路的平均电流减少了60％还多。在电源电压是5V的情况下，给两种比较器加相同的激励——正向输入端加斜坡信号，幅值由1.5V上升至2.5V，上升时间为1μs，反向输入端加一个2V的直流信号。比较器的尾电流皆是由电流镜镜像电流源得到，但改进的比较器比原比较器采用小幅值的电流源，当正向输入大于反相输入时，比较器输出电压为高电平；当反向输入大于正向输入时，比较器输出电平为低电平，比较器的输出电压再经由一个反相器反向输出。常温27℃下进行仿真，当改进的电压比较器与原比较器有相同的传输延时15.36ns时，改进的比较器的平均电流为22.38μA，原比较器的平均电流为60.21μA，功耗减少了62.8％。

附图说明

图1为原有的电压比较器电路图；

图2为改进的电压比较器电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明：

参见图2，本发明包括由第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8和第九MOS管M9构成的电压比较器，电压比较器的输入端是第一MOS管M1和第二MOS管M2，尾电流的偏置是通过第十MOS管M10与电流源相连镜像得到，输出端通过由第十一MOS管M11和第十二MOS管M12构成的反相器反向输出，改进的电压比较器存在辅助支路，可以检测到什么时候输入的差值较小，同时在输入差值较小的时候给尾电流进行大的电流补充，而在两输入差值大的时候，辅助支路的补充电流小，因而该电压比较器可以在较小的传输延时和低的功耗下获得正确的比较结果。第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6和第十一MOS管M11的源极相连；第三MOS管M3和第四MOS管M4的栅极相连，第五MOS管M5和第六MOS管M6的栅极相连；第四MOS管M4和第六MOS管M6的漏极分别与第八MOS管M8和第九MOS管M9的漏极相连；第三MOS管M3和第五MOS管M5的漏极分别与第一MOS管M1和第二MOS管M2的漏极相连；第一MOS管M1和第二MOS管M2的源极与第七MOS管M7的漏极相连，第七MOS管M7的栅极与第十MOS管M10的栅极相连；第八MOS管M8的栅极和第九MOS管M9的栅极相连，第七MOS管M7、第八MOS管M8以及第九MOS管M9的源极均接地。

辅助支路包括第十三MOS管M13、第十四MOS管M14、第十五MOS管M15、第十六MOS管M16、第十七MOS管M17以及第十八MOS管M18；第十三MOS管M13和第十四MOS管M14的源极均与第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6和第十一MOS管M11的源极相连；第十三MOS管13和第十六MOS管16的栅极均连接到第三MOS管M3栅极和第四MOS管M4栅极之间的连接点上；第十四MOS管14和第十五MOS管15的栅极均连接到第五MOS管M5栅极和第六MOS管M6栅极之间的连接点上；第十五MOS管M15和第十六MOS管M16的源极分别与第十三MOS管M13和第十四MOS管M14的漏极相连，第十五MOS管M15和第十六MOS管M16的漏极与第十七MOS管M17的漏极相连；第十七MOS管M17和第十八MOS管M18的栅极相连，第十八MOS管M18的漏极与第一MOS管M1和第二MOS管M2的源极相连；第十七MOS管M17和第十八MOS管M18的源极均接地。

本发明的原理：

如图1所示，本发明是在原有的电压比较器的基础上进行改进。第一MOS管M1-第九MOS管M9构成一个电压比较器，该比较器结构对称，第十MOS管M10将电流源的电流镜像给比较器的第七MOS管M7，比较器的最终输出经由反相器(第十一MOS管M11和第十二MOS管M12)反相输出。第一MOS管M1和第二MOS管M2为两个NMOS的差分输入对，当VN与VP不相等时，第一MOS管M1与第二MOS管M2流过的电流不相等，且输入电压大的输入端所流过的电流大。第三MOS管M3和第四MOS管M4是一个电流镜，第四MOS管M4放大第三MOS管M3的电流，第五MOS管M5和第六MOS管M6也是一个电流镜，第六MOS管M6放大第五MOS管M5的电流，且这两个电流镜的放大倍数相同，第八MOS管M8将第四MOS管M4的电流1：1复制给第九MOS管M9，所以第六MOS管M6的电流等于放大了的第二MOS管M2的电流，第九MOS管M9的电流等于放大了的M1的电流。在节点6处，根据基尔霍夫电流定律(KCL)，若第六MOS管M6电流大于第九MOS管M9的电流，即VP大于VN，有多余的电流流向反相器，节点6的电压上升，反相器输出为低电平；若第九MOS管M9电流大于第六MOS管M6的电流，即VP小于VN，有多余的电流流出反相器，节点6的电压下降，反相器输出为高电平。第十三MOS管M13-第十八MOS管M18为改进的电压比较器辅助支路，正是因为该辅助支路的工作，改进的电压比较器的平均电流才有所下降。这是因为对于原来的比较器，它的尾电流是不变的，但是为了使两输入的差值比较小时，仍有较短的传输延时，采用大的尾电流，而在比较两输入差值较大的情况时，尾电流是偏大的。而对于改进的电压比较器，当两输入差比较大时，采用较小的尾电流，而当两输入差较小时，通过本发明中的辅助分支进行检测并且对尾电流进行电流补充，从而在较小的传输延时下获得正确的比较结果。

要使第十八MOS管M18有较大的电流，第十七MOS管M17就需要有大的电流，只有当VN与VP相差不大时，节点4、5的电压也相差不大，第十三MOS管M13-第十六MOS管M16才流过大的电流，所以，当VN与VP相差小时，辅助分支为尾电流补充电流。

辅助分支相对原有比较器构成反馈，只有当辅助支路设计合理时，改进的比较器才会稳定，才能在低的功耗下正确工作。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种在翻转点进行性能提升的非恒定偏置低功耗连续时间比较器，其特征在于：包括由第一MOS管(M1)、第二MOS管(M2)、第三MOS管(M3)、第四MOS管(M4)、第五MOS管(M5)、第六MOS管(M6)、第七MOS管(M7)、第八MOS管(M8)和第九MOS管(M9)构成的电压比较器，第一MOS管(M1)和第二MOS管(M2)作为电压比较器的输入端，电压比较器的输出端通过由第十一MOS管(M11)和第十二MOS管(M12)构成的反相器反向输出；所述电压比较器上还连接有在输入差值较小时给尾电流进行电流补充的辅助支路；

所述辅助支路包括第十三MOS管(M13)、第十四MOS管(M14)、第十五MOS管(M15)、第十六MOS管(M16)、第十七MOS管(M17)以及第十八MOS管(M18)；第十三MOS管(M13)和第十四MOS管(M14)的源极均与第三MOS管(M3)、第四MOS管(M4)、第五MOS管(M5)、第六MOS管(M6)和第十一MOS管(M11)的源极相连；第十三MOS管(M13)和第十六MOS管(M16)的栅极均连接到第三MOS管(M3)栅极和第四MOS管(M4)栅极之间的连接点上；第十四MOS管(M14)和第十五MOS管(M15)的栅极均连接到第五MOS管(M5)栅极和第六MOS管(M6)栅极之间的连接点上；第十五MOS管(M15)和第十六MOS管(M16)的源极分别与第十三MOS管(M13)和第十四MOS管(M14)的漏极相连，第十五MOS管(M15)和第十六MOS管(M16)的漏极与第十七MOS管(M17)的漏极相连；第十七MOS管(M17)和第十八MOS管(M18)的栅极相连，第十八MOS管(M18)的漏极与第一MOS管(M1)和第二MOS管(M2)的源极相连；第十七MOS管(M17)和第十八MOS管(M18)的源极均接地。

2.根据权利要求1所述的在翻转点进行性能提升的非恒定偏置低功耗连续时间比较器，其特征在于：所述第三MOS管(M3)、第四MOS管(M4)、第五MOS管(M5)、第六MOS管(M6)和第十一MOS管(M11)的源极相连；第三MOS管(M3)和第四MOS管(M4)的栅极相连，第五MOS管(M5)和第六MOS管(M6)的栅极相连；第四MOS管(M4)和第六MOS管(M6)的漏极分别与第八MOS管(M8)和第九MOS管(M9)的漏极相连；第三MOS管(M3)和第五MOS管(M5)的漏极分别与第一MOS管(M1)和第二MOS管(M2)的漏极相连；第一MOS管(M1)和第二MOS管(M2)的源极与第七MOS管(M7)的漏极相连，第七MOS管(M7)的栅极与第十MOS管(M10)的栅极相连；第八MOS管(M8)的栅极和第九MOS管(M9)的栅极相连，第七MOS管(M7)、第八MOS管(M8)以及第九MOS管(M9)的源极均接地。