CN107342752A - 一种低功耗高速高精度比较器电路 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种与标准CMOS工艺兼容的低功耗高速高精度比较器电路，其特征是：低功耗高速高精度比较器电路包括顺次连接输入采样开关、前置放大器、二级预放大器与锁存器；输入采样开关包括一对采样输入信号的开关和一对采样参考电压的开关；前置放大器采用共源共栅结构以减少输入端产生的误差，二级预放大器双端输入单端输出进一步提高放大倍数，二级放大器与前置放大器之间通过电容链接，来消除失调输入失调和输出失调，锁存器加快比较速度，输出结果并锁存，通过二级预放大器的输出状态控制锁存器的工作状态；其优越性在于：该低功耗高速高精度比较器电路可以大幅度地提高比较器的速度和精度。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，涉及半导体集成电路与标准CMOS工艺兼容的低功耗高速高精度比较器电路。
背景技术
比较器将输入模拟信号转化为数字信号，是模拟到数字的一个重要接口，广泛运用于模数转换器，数模转换器等电路。在金属氧化物半导体器件中，电子元件易发生工作特性变化，该变化通常表现为阈值电压电平的移动。例如，在比较器电路中,差分对中的失配和电流源中的失配可以导致比较器偏移，所述比较器偏移是电压偏移，其通过影响输入电压与基准电压之间的比较性能而限制了比较器的精度。比较器偏移量不仅作为随机器件失配的结果出现，而且还是器件尺寸的函数。降低偏移量的一个已知方法是增大器件尺寸。但是，这需要增加功率以维持增益带宽和更新期。对于小的、低功率的比较器来说，增大器件尺寸可能不是实用的选择，因此需要偏移补偿或者偏移抵消方案。
比较器按作原理大体可以分为两类：运放结构比较器和锁存器。运放结构比较器可以分辨较小的输入信号，但是速度较慢；锁存器的速度较快，但是只能分辨较大的输入信号，同时失调和回程噪声也较大在实际的应用过程中，比较器对速度和精度都有较高的要求，单独使用任一种比较器都不能满足要求，往往将两种比较器级联组成高速高精度比较器。
发明内容
为了克服现有比较器电路性能的不足，本发明提供一种与标准CMOS工艺兼容的一种低功耗高速高精度的比较器，能够有效地减小比较器失调电压的影响，在控制平均功耗的基础上提高比较器的速度以及精度。
为了实现上述目的，本发明所涉及的一种低功耗低高速高精度比较器电路，包括顺序连接的输入采样开关，前置放大器，二级预放大器，动态输出锁存器，其中所述输入采样开关，包括一对采样输入信号的开关和一对采样参考电压的开关，用于在复位阶段将输入接固定参考电平Vref，在比较阶段将输入接差分输入差分信号Vn，Vp；所述前置放大器，用于放大差分输入信号，需要保证该前置放大器有足够的带宽和增益，以减小高速比较器等效在输入端的总失调电压，提高比较器的精度。
上述所说的前置放大器，采用交叉结构的P晶体管负载，由晶体管MN0，MN1，MN2，MN3，晶体管MP0，MP1，MP2，MP3组成，晶体管MN0和晶体管MN1组成差分输入对管，晶体管MP3和晶体管MP2组成耦合对管，用于放大差分输入信号。
上述所说的耦合电容，在复位阶段用于存储前置放大器的失调电压，在比较阶段用于将前置放大器输出变化量耦合到二级预放大器输入端。
上述所说的二级预放大器，采用两级放大结构；用于提高放大器的增益，其第一级放大器的负载采用了带弱正反馈的交叉耦合结构，设计的晶体管MP6和MP7的宽长比应该小于晶体管MP4和MP5，有效减少对前置放大器的回程噪声，否则构成强反馈；通过二级预放大器的MP10，MP11的输入信号来控制输出锁存器的状态，降低锁存器的设计难度和功耗。
上述所说的输出锁存器，用于锁存比较输出的结构，其前端采用反相器结构，用于输出结果的整形，提高比较速度,两个反相器级联，后接一个交叉耦合的反相器，将前级输出迅速建立到数字逻辑输出电平，并能锁存输出。
附图说明
图1是本发明所涉一种低功耗高速高精度比较器电路的结构框图；
图2是本发明所涉一种低功耗高速高精度比较器电路的前置放大器的电路图；
图3是本发明所涉一种低功耗高速高精度比较器电路的二级预放大器的电路图；
图4是本发明所涉一种低功耗高速高精度比较器电路的输出锁存器电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
一种低功耗高速高精度比较器电路(见图1)，包括顺序连接的四个输入采样开关S1，S2，S3，S4，前置放大器，耦合电容C1，C2，二级预放大器，输出锁存器，其中采样开关S1，S2，S3，S4，用于在复位阶段将输入接固定参考电平Vref，在比较时间将输入接差分输入信号Vn，Vp。
前置放大器采用交叉结构的P晶体管负载，用于放大差分输入信号，需要保证该前置放大器有足够的带宽和增益，以减小超高速比较器等效在输入端的总失调电压，提高该比较器的精度。
耦合电容C1，C2，在复位阶段用于存储前置放大器的失调电压，在比较阶段用于将前置放大器输出变化量耦合到二级预放大器输入端。
二级预放大器，输入是耦合电容耦合到输入端的前置放大器输出变化量，用于再一次放 大，输入信号与参考信号的差值，通过全动态结构的二级放大，不消耗静态电流，降低了功耗，进一步提高了比较器的精度；由二级放大器的输出状态控制输出锁存器的状态
输出锁存器，两个反相器级联，后接一个交叉耦合的反相器，将前级输出迅速建立到数字逻辑输出电平，并能锁存输出。由于该动态锁存器的输入失调电压VosL等效到比较器输出端要经过两个增益级的衰减，该失调电压的影响可以忽略。由此完成了对输入信号的比较放大和失调电压的存储和补偿。
根据图1结构，在复位阶段，输入采样开关S1，S4闭合，复位开关S5闭合，输入采样开关S2，S3断开，输入端接到固定参考电平Vref，第一级前置放大器的输入失调电压Vos1被存储在耦合电容C1，C2上，与此同时，由于二级预放大器被接成单位增益的闭环结构，该二级预放大器的失调电压Vos2也被耦合电容采样并存储；在比较阶段，复位开关S5断开，输入采样开关S1，S4断开，S2，S3闭合，输入端接收真正的输入信号Vn，Vp,该输入信号被放大并传递给输出锁存器，在放大传输的同时,存储在耦合电容上的失调电压被补偿。在输出阶段锁存器将前级输出迅速建立到数字逻辑输出电平，由于该动态锁存器的输入失调电压VosL等效到比较器输出端要经过两个增益级的衰减，在图1结构中，该失调电压的影响可以忽略，由此完成了对输入信号的比较放大和失调电压的存储和补偿。
上述所说的前置放大器(见图2)，由晶体管MN0，MN1，MN2，MN3，晶体管MP0，MP1，MP2，MP3组成，晶体管MN0和晶体管MN1组成差分输入对管，晶体管MP3和晶体管MP2组成耦合对管，前置放大器不需要太大的放大倍数，为提供较宽的带宽，因为较宽的带宽既可以加快放大器传输时间，也可以加快整体比较器的响应速度。
上述所说的二级预放大器(见图3)，二级预防大器是两级动态放大器，晶体管MN3，MN4组成第一级差分输入对管，晶体管MN7作为尾电流管，栅极接偏置电压Vb，晶体管MN7的源极接晶体管MN8的漏极，晶体管MN8的栅极接CLK,在比较阶段，晶体管MN8工作在深线性区，在CLK为低时晶体管MN8工作在截止区，比较完成后第一级放大器不消耗静态电流，降低功耗，晶体管MP4，MP5，MP6，MP7组成带弱正反馈的交叉耦合结构负载，用以提高运放的增益，晶体管MP6和MP7的宽长比应该小于晶体管MP4和MP5宽长比，否则构成强正反馈，对前置放大器的回程噪声就比较大。晶体管MP9，MP8和晶体管MN6，MN5组成其第二级，其中晶体管MN5的漏极和栅极连接，把双端输入转单端输出，使的一段输出的增益增大一倍。晶体管MP10，MP11接在一级放大器与二级放大器之间，晶体管MP10，MP11的栅极接控制信号ENA，当ENA为高电平时，晶体管MP10，MP11工作在截止区，二级预防大器正常输出放大结果，其后的锁存器也输出比较结果，当ENA为低电平时，晶体管MP10，MP11工作在饱和区，此时，晶体管MP9的栅极和漏极都接高电平， 工作在截止区，此时二级预防大器输出为高阻态，锁存器锁存再生上次比较结果。通过二级预放大器控制锁存器的状态，减小了锁存器的设计难度和功耗。
上述所说的输出锁存器(见图4)，所述锁存器由晶体管MP12，MP13，MP1，MP15，MP16和晶体管MN9，MN10，MN11，MN12，MN13组成，晶体管MP13和晶体管MN10组成反相器级联由晶体管MP16和晶体管MN9组成的反相器，加快比较速度和比较结果整形。晶体管MN12，MN13和晶体管MP12，MP15组成正反馈的交叉耦合的反相器，对输出结果进行锁存。
Claims (5)
1.一种低功耗高速高精度比较器电路，其特征是包括：顺序连接的四个输入采样开关，前置放大器、耦合电容C1，C2、二级预放大器、输出锁存器，其中采样开关S1，S2，S3，S4，用于在复位(失调存储)阶段将输入接固定参考电平Vref，在比较时间将输入接差分输入信号Vn，Vp ；前置放大器采用失调消除技术以减少输入端产生的误差，二级预放大器双端输入单端输出进一步提高放大倍数，二级放大器与前置放大器之间通过电容链接，来消除失调输入失调和输出失调，锁存器加快比较速度，输出结果并锁存，通过二级预放大器的输出状态控制锁存器的工作状态。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗高速高精度比较器，其特征是前置放大器采用交叉结构的P晶体管负载，由晶体管MN0到晶体管MN3，晶体管MP0到晶体管 MP3组成，晶体管MN0和晶体管MN1组成差分输入对管，晶体管MP3和晶体管MP2组成耦合对管，用于放大差分输入信号。
3.根据权利要求1所述的一种低功耗高速高精度比较器，其特征是耦合电容C1，C2，与前置放大器的输出和二级预放大器的输入相连，在复位阶段用于存储前置放大器的失调电压，在比较阶段用于将前置放大器输出变化量耦合到二级预放大器输入端。
4.根据权利要求1所述的一种低功耗高速高精度比较器，其特征是二级预放大器由晶体管MN3，晶体管MN4组成第一级差分输入对管，晶体管MN7作为尾电流管，栅极接偏置电压Vb，晶体管MN7的源极接晶体管MN8的漏极，晶体管MN8的栅极接CLK,在比较阶段，晶体管MN8工作在深线性区，在CLK为低时晶体管MN8工作在截止区，晶体管MP4，MP5，MP6，MP7组成带弱正反馈的交叉耦合结构负载，晶体管MP6和晶体管MP7的宽长比应该小于晶体管MP4和晶体管MP5宽长比；晶体管MP9，MP8，MN6，MN5组成其第二级，其中晶体管MN5的漏极和栅极连接，把双端输入转单端输出；晶体管MP10，MP11接在一级放大器与二级放大器之间，晶体管MP10，MP11的栅极接控制信号ENA，当ENA为高电平时，晶体管MP10，MP11工作在截止区，二级预防大器正常输出放大结果，其后的锁存器也输出比较结果，当ENA为低电平时，晶体管MP10，MP11工作在饱和区，此时，晶体管MP9的栅极和漏极都接高电平，工作在截止区，此时二级预防大器输出为高阻态，锁存器锁存再生上次比较结果；输入信号与参考信号的差值，通过全动态结构的二级放大，不消耗静态电流，由二级放大器的输出状态控制输出锁存器的状态。
5.根据权利要求1所述的一种低功耗高速高精度比较器，其特征是输出锁存器由晶体管MP12，MP13，MP1，MP15，MP16，MN9，MN10，MN11，MN12，MN13组成，晶体管MP13和晶体管MN10组成反相器级联由晶体管MP16和晶体管MN9组成的反相器，前级输出迅速建立到数字逻辑输出电平；晶体管MN12，MN13，MP12，MP15组成正反馈的交叉耦合的反相器，对输出结果进行锁存。
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