CN109194314A - 一种低延迟低功耗的电流比较器 - Google Patents

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高雷
李利香
刘莉
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Abstract

本发明提出一种低延迟低功耗的电流比较器，其特征在：1.使用单级放大器(共栅放大器,对应图6中跨接在输入电流镜MOS管(M1与M4)的栅漏级)以减小信号输入信号相关的失真，2.使用差分结构抑制共模噪声(双端输入信号Iin1和Iin2为差动信号)，3.为了补偿输入信号裕度(输入电流范围)，使用两款放大器(2个共源放大器(对应图6中Mp1‑Mp2,MN1‑MN2)，一个CMOS反相器(Mp3与MN3))对差分信号进行放大并进行波形的修正，并通过调整CMOS反相器中的PMOS管的W/L(沟道长度与宽度)，以期达到低功耗的目的。该发明使用1V电源电压，并取得了0.53ns的低传播延迟和52uW的低功耗(在输入为10ua的情况下)。

Description

一种低延迟低功耗的电流比较器
技术领域
本发明旨在提出一种低延迟低功耗的电流比较器，电流模电路相较于电压模电路具有较好的高频特性，并且能够工作于低电源电压电路，是电路发展的一个趋势，基于CMOS工艺，设计了一种低功耗，低延迟，低电源电压的电流比较器，为了减少谐波失真，采取了单级放大器和差分放大的方式，并通过多级放大，使输出轨对轨波形，具有良好的实际应用前景。
背景技术
随着数字和模拟电路的发展，对高速电路的要求也日益增长。比较器作为模拟电路和数字电路之间的接口，被广泛应用于报警电路，自动控制电路，V/F(电压/频率)转换电路，A/D(模拟/数字)转换电路、高速采样电路、电源电压监控电路、压控振荡器电路、过零检测电路等具有广阔的应用前景。
比较器通常分为两类。我们称之为传统的电压比较器，其功能是通过将电压注入到输入级来实现的。通过区分和放大输入信号以产生输出逻辑电压电平。早期电压比较器是一个补偿电压比较器。早在1998，Wei等人提出了并联补偿结构，它具有很多优点，例如当输入共模电压接近电源电压时能够正常工作。但它要求输入共模电压完全相等，意味着共模噪声无法得到很好的抑制，并且共模噪声的量级也没法确定，因此在2002年，费耶德等出了一种使用两个相同的前置放大器级的结构——零偏置比较器(电流镜工作跨导放大器(OTA))逆变器，并引入缓冲级，以减少踢回噪声。这种结构避免了采用附加的共模检测电路，但偏置电流过大，导致功耗的增加。随着需求的增加，产生了包括静态缓冲比较器，动态缓冲器比较器，交叉正反馈比较器及其他结构，但对于输入裕度和输出压摆的控制是十分严格且艰难的。
第二类是电流比较器，随着超大规模集成电路(VLSI)的尺寸的缩小，小面积电路受到了日益重视，同时要求速度快、带宽大，高转换率和低功耗。电压模式电路需要考虑节点的充放电和杂散电容，尤其在高频下显得尤为突出，通常我们需要用额外的电路消除这些由于杂散电容产生的噪声。与电压模式电路相比，电流比较器的优点可以忽略这些因素，因此，工作频率能够显著提高。电流比较器广泛应用于A/D、滤波器(如中值滤波器)，神经网络VLSI，电流分流的测量，交直流(交流直流)传输和各种传感器等。
1994年，Traff[1]等人利用源随级提出了一款比较器结构，我们记为Ref[1]，该结构在小信号工作时存在死区，为了改善这个问题，2008年，banks[2]等人提出了使用级联级作为输入级，记为Ref[2]，该结构功耗过高，在处理信号过程中有严重温漂问题。
现有的与基于CMOS工艺的高性能比较器近似的专利有2014年授予的一项专利发明[3]，其电路采用电流源负载的差分放大器作为差分级，并通过反相器对波形进行修正，这种结构能够解决基本的比较问题，但对于小信号注入不能够正常工作。
[1]Traff H.Novel approach to high speed CMOS current comparators[J].Electronics Letters,1992,28(3):310-312.
[2]Banks D,Toumazou C.Low-power high-speed current comparator design[J].Electronics Letters,2008,44(3):171-172.
[3]比较器，申请号/专利号：2014104242156，发明设计人：深圳市华星光电技术有限公司
发明内容
一种低延迟低功耗电流比较器，其特征在于使用单级放大器(共栅放大器)减小信号输入信号相关的失真，并拟使用差分结构抑制共模噪声(双端输入信号Iin1和Iin2为输入信号)，为了补偿输入信号裕度(输入电流范围)，使用两种放大器(2个共源放大器，一个CMOS反相器)对差分信号进行放大并进行波形的修正，并通过调整CMOS反相器中的PMOS管的W/L，以期达到低功耗的目的，最终电路电源电压为1V，取得传播延迟0.53ns，功耗52uW(当输入电流在10uA时候)。
附图说明
图1示出了使用单级放大器的输入级(b)和未使用单级放大器的输入级(a)的电流镜结构图；
图2示出了电路版图(使用Tsmc 0.18um CMOS工艺)；
图3示出了输入输出波形(Iin1,Iin2以及输出数字波)；
图4示出了不同工艺角的功耗；
图5示出了电路的传播延时；
图6示出了全电路图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
电流镜的失配
通过增大输入MOS管的尺寸(L/W，L代表沟道长度，W代表沟道宽度)，提高输出阻抗，但是尺寸不能无限放大，因为要考虑到版图面积，应该在失真和版图面积做一个权衡，本发明采用2：1的比例(图1中的M2)。
输入失真
由于电流的注入，MOS管M1的栅漏电压同时变化，使得形成一个与信号相关的误差，它可以量化成下面等式
KN＝μoxW/L
其中KN是MOS管的‘导电因子’，不难看出M1的漏级电压一直处在变动状态，从而引入了不小的注入误差，为了消除该误差，我们计划引入运放，使得漏级电压保持在一个稳定的状态，如图1(b)所示。
运放A1短接在MOS管M1的栅极与源级，构成了一个正反馈，这样不但减小了输入误差，并且能够加快电路的运行速度，从而使得电路能工作在更高的电路本征频率之下。它的解决原理描述如下：
ΔVg1＝A*ΔVd1
当A1取值为100的时候，输入误差就减小到了1％，当然A1不可能无限增大，首先为了节省功耗，其次为了让电路保持稳定，该参数都不能太大。
噪声的抑制
由于电路本身的噪声(热噪声和1/f噪声)的存在，热噪声功率谱的一般表达式为
gm为MOS管的跨导，为了减少热噪声，我们需要减小跨导，这意味着电路的增益必然下降，这个结果是我们所不想看到的，并且噪声的功率于温度呈正比关系，这也意味着电路的温漂将会非常高，所以我们必须对噪声进行抑制，值得注意的是这些噪声都是以共模电压的形式存在，所以我们通过差分电路可以很好地抑制共模噪声，图6中的差分级用来抑制来自于MOS管的噪声。
小信号工作
通常输入的电流信号是小信号，比如幅度为1uA的小信号，这些信号通过输入级并不会将小信号放大，我们需要加入放大级将差分级输出的信号进行放大，通过两级共源放大器将信号幅度放大至能够使CMOS反相器正常工作(图6全电路图中，当输入高电平是Mp3截至，当输入低电平是Mp3导通)，假设Mp2的漏极电压为Vp，要是反相器正常工作应满足
|Vp-Vdd|＜|Vthp| Vp为低电平
|Vp-Vdd|＞|Vthp| Vp为高电平
于此同时，Mp3的阻抗不能过高，因为
如果要获得轨对轨输出电压(输出电源电压和0电压两种情况)，MN3的阻抗应该是远大于Mp3，所以版图上我们可以将Mp3以叉指形式表示，并且增大W/L比例，同时减低MN3的栅极电压使得过驱动电压经可能的小(Vgs-Vth)因为
其中KN是一个常数，通过这种方式我们可以得到理想的数字逻辑电压。
电路图设计
经过上面的讨论，我们确定了基本的电路结构，应该具有一个单级放大器和差分结构，并且需要两个共源放大器和一个CMOS反相器，具体结构由图6给出，电流Iin1和Iin2分别注入M1和M4的源极，并通过简单的电流镜(M1-M2，M3-M4)复制电流，并经过差分级进行信号差分，差分的信号经过放大器进行放大得到需要的数字电压，图3，4，5展示了性能参数，并跟之前的一些结构进行了简单的比较。最终电路的逻辑如下面公式给出
Vout＝Vdd Iin1＞Iin2
Vout＝0 Iin1＜Iin2
版图设计
本设计版图如图2所示，值得注意的是，我们设计版图的过程中必须注意电流镜的匹配，尽量保持环境匹配。

Claims (4)

1.一种低延迟低功耗的电流比较器，其特征在：1.使用单级放大器(共栅放大器,对应图6中跨接在输入电流镜MOS管(M1与M4)的栅漏级)以减小信号输入信号相关的失真，2.使用差分结构抑制共模噪声(双端输入信号Iin1和Iin2为输入信号)，3.为了补偿输入信号裕度(输入电流范围)，使用两款放大器(2个共源放大器(对应图6中Mp1-Mp2,MN1-MN2)，1个CMOS反相器(Mp3与MN3))对差分信号进行放大并进行波形的修正，并通过调整CMOS反相器中的PMOS管的W/L(沟道长度与宽度)，以期达到低功耗的目的，该发明使用1V电源电压，并取得了0.53ns的低传播延迟和52uW的低功耗(在输入为10uA的情况下)。
2.如权利要求1所述，共栅放大器主要用做减小输入误差，由于工作在低电源电压状态，共栅放大器的阻抗不能过高，换言之共栅放大器内阻产生的压降不能过高，因此叉指数应该大于1，通过电压放大的方式使得输入误差减小。
3.如权利要求1所述，通常注入到输入级的是小信号，通常需要多级放大器对其进行放大，(Mp1-Mp3和MN1-MN3组成了放大结构，在本发明中，放大器的输入管的跨导(通常理解为W/L的比值)高于负载管的跨导，因为放大系数Am＝gmRout，跨导的大小决定了放大倍数和是否能够取得轨对轨输出。
4.如权利要求1所述，噪声通常以共模噪声的形式存在，噪声通常是导致谐波失真增加的主因，差分结构(图6中Mb5-Mb6和M5-M6，其中Mb5-Mb6为电流源负载)能够抑制共模噪声，抑制后信噪比能够达到所期望的值。
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