CN110417383A - 比较器 - Google Patents

Abstract

一种比较器，包括：前置放大器以及电平转换电路，其中：前置放大器，第一输入端输入第一电平信号，第二输入端输入第二电平信号，输出端与电平转换电路的输入端耦接，适于对第一电平信号与所述第二电平信号之间的差分电压转换成单端信号并输出；前置放大器的第一输入端为比较器的第一输入端，前置放大器的第二输入端为比较器的第二输入端；电平转换电路，输入端与前置放大器的输出端耦接，输出端为比较器的输出端，包括：第一恒流源，第一恒流源的电源端与第一电源电压耦接；电平转换电路适于在将单端信号从高压域转换至低压域的过程中，从第一恒流源中抽取稳定电流。上述方案能够有效避免比较器中存在的电源回踢噪声。

Description

比较器

技术领域

本发明涉及电子器件技术领域，尤其涉及一种比较器。

背景技术

比较器是一种比较常见的电子器件。比较器通常包括正向输入端和负向输入端，当正向输入端的输入电压大于负向输入端的输入电压时，比较器的输出电平为高电平；当正向输入端的输入电压小于负向输入端的输入电压时，比较器的输出端为低电平。

为了提高比较的速度，比较器通常由前置放大器和输出整形电路组成。前置放大器的作用是将差分输入电压放大并转换成单端信号，输出整形电路将前置放大器的输出信号进行整形，以驱动后续的数字电路。输出整形电路通常为反相器。

在图像传感器中，比较器一般工作在高电压区域，如3.3V、3V、2.8V等；而后续的数字电路一般工作在低电压区域，如1.8V、1.5V、1.2V等。因此，比较器的输出和后续的数字电路之间一般要插入电平转换电路。

通常情况下，前置放大器为恒定电流偏置电路，其工作电流相对稳定，几乎不会引入干扰。但是，反相器在工作过程中会出现较大的冲击电流，该冲击电流会对电源产生回踢噪声。在图像传感器中，通常有成百上千个比较器同时工作，这会产生严重的电源回踢噪声，影响比较器的正常工作，从而恶化图像的质量。

发明内容

本发明实施例解决的是图像传感器中比较器存在电源回踢噪声的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种比较器，包括：前置放大器以及电平转换电路，其中：所述前置放大器，第一输入端输入第一电平信号，第二输入端输入第二电平信号，输出端与所述电平转换电路的输入端耦接，适于对所述第一电平信号与所述第二电平信号之间的差分电压转换成单端信号并输出；所述前置放大器的第一输入端为所述比较器的第一输入端，所述前置放大器的第二输入端为所述比较器的第二输入端；所述电平转换电路，输入端与所述前置放大器的输出端耦接，输出端为所述比较器的输出端，包括：第一恒流源，所述第一恒流源的电源端与第一电源电压耦接；所述电平转换电路适于在将所述单端信号从高压域转换至低压域的过程中，从所述第一恒流源中抽取稳定电流。

可选的，所述电平转换电路还包括：第二恒流源、第一NMOS管以及电流镜电路，其中：所述第一恒流源，电流输出端与所述第一NMOS管的漏极耦接；所述第一电源电压工作在高电压域；所述第一NMOS管，栅极与所述前置放大器的输出端耦接，源极与地耦接；所述电流镜电路，输入端与所述第一恒流源的电流输出端耦接；所述第二恒流源，电源端与所述电流镜电路的输出端耦接，电流输出端与地耦接。

可选的，所述第一NMOS管为高压MOS管。

可选的，所述电流镜电路包括：第一PMOS管以及第二PMOS管，其中：所述第一PMOS管，源极与所述第一恒流源的电流输出端耦接，栅极与所述第二PMOS管的栅极耦接，漏极与地耦接；所述第二PMOS管，源极输入第二电源电压，漏极与第一PMOS管的栅极以及第二恒流源的电源端耦接；所述第二电源电压工作在低电压域，且所述第二电源电压小于所述第一电源电压。

可选的，所述第一PMOS管以及所述第二PMOS管均为低压MOS管。

可选的，所述第二PMOS管的栅长和所述第一PMOS管的栅长相同，且宽长比为m:n，m和n均为正整数。

可选的，所述第二恒流源的输出电流是所述第一恒流源的输出电流的m/n倍。

可选的，所述前置放大器为恒流偏置运算放大器。

可选的，所述恒流偏置运算放大器包括：第三恒流源、第三PMOS管、第四PMOS管、第二NMOS管以及第三NMOS管，其中：所述第三恒流源，电源端输入所述第一电源电压，电流输出端与所述第三PMOS管的源极以及所述第四PMOS管的源极耦接；所述第三PMOS管，栅极为所述恒流偏置运算放大器的正向输入端，漏极与所述第二NMOS管的漏极、所述第二NMOS管的栅极以及所述第三NMOS管的栅极耦接；所述第四PMOS管，栅极为所述恒流偏置运算放大器的负向输入端，漏极与所述第三NMOS管的漏极耦接；所述第四PMOS管的漏极为所述恒流偏置放大器的输出端；所述第二NMOS管，漏极与自身的栅极以及所述第三NMOS管的栅极、所述第三PMOS管的漏极耦接，源极与地耦接；所述第三NMOS管，源极与地耦接。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

电平转换电路中设置有第一恒流源。电平转换电路在将前置放大器输出的单端信号从高压域转换至低压域的过程中，从第一恒流源中抽取稳定电流，而不是直接从电源中抽取电流。因此，通过第一恒流源为电平转换电路提供电流以便抽取，在进行电平转换的过程中不会产生冲击电流，进而不会产生电源回踢噪声影响比较器的正常工作。

附图说明

图1是现有的一种比较器的电路结构图；

图2是本发明实施例中的一种比较器的电路结构图；

图3是本发明实施例中的一种恒流偏置运算放大器的电路结构图。

具体实施方式

为提高比较器的速度，现有的一种比较器由前置放大器和输出整形电路组成，输出整形电路通常为反相器。参照图1，给出了现有的一种比较器的结构示意图。

图1中，比较器由一级前置放大器11和一级反相器12组成。前置放大器包括正向输入端“+”和负向输入端“-”，正向输入端“+”的输入电压为Vp，负向输入端“-”的输入电压为Vn。前置放大器11的作用是差分输入电压(也即Vp与Vn的差值)放大并转换成单端信号，反相器12的作用是将前置放大器11的输出信号进行整形，反相器的输出端即为比较器的输出端Out。由于放大器的增益和速度限制，前置放大器11的输出信号通常变化较为缓慢，且输出电压并非轨到轨。反相器12能够将前置放大器输出的缓变信号整形，使得比较器的最终输出信号能够快速变化，且输出电压轨到轨，能够驱动后续的数字电路。

通常情况下，前置放大器11为恒定电流偏置电路，工作电流相对稳定，几乎不会引入干扰。但是，反相器12在工作过程中，会产生很大的冲击电流，该电流会在电源/地的寄生电阻上产生压降，从而在比较器的电源/地引起波动，作为电源回踢噪声影响比较器的正常工作。

在本发明实施例中，电平转换电路中设置有第一恒流源。电平转换电路在将前置放大器输出的单端信号进行整形并从高压域转换至低压域的过程中，从第一恒流源中抽取稳定电流，而不是直接从电源中抽取电流。因此，通过第一恒流源为电平转换电路提供电流以便抽取，在进行整形和电平转换的过程中不会产生冲击电流，进而不会产生电源回踢噪声影响比较器的正常工作。

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

本发明实施例中的比较器可以应用在图像传感器领域，也可以使用在其他需要使用比较器的技术领域。

参照图2，给出了本发明实施例中的一种比较器的电路结构图。在具体实施中，比较器可以包括前置放大器21以及电平转换电路22，以下对前置放大器21及电平转换电路22的功能及结构进行说明。

前置放大器21，包括第一输入端、第二输入端以及输出端；前置放大器21的第一输入端可以输入第一电平信号，第二输入端可以输入第二电平信号，输出端可以与电平转换电路22的输入端耦接。

第一电平信号对应的电压与第二电平信号对应的电压可以不同，因此，前置放大器21可以获取第一电平信号与第二电平信号之间的差分电压，对差分电压进行放大，转换成单端信号并输出至电平转换电路22。前置放大器21的第一输入端可以为比较器的第一输入端，前置放大器21的第二输入端可以为比较器的第二输入端。

参照图2，前置放大器21的第一输入端为比较器的正向输入端“+”，前置放大器21的第二输入端为比较器的负向输入端“-”。正向输入端“+”输入的信号电压为Vp，负向输入端“-”输入的信号电压为Vn。前置放大器21可以对Vp与Vn的差值进行放大，转换成单端信号。

在具体实施中，前置放大器21还可以包括电源端和地端。电源端可以与预设的高电压域的电源电压耦接，地端与地耦接。

参照图2，前置放大器21的电源端与第一电源电压VDDH耦接，地端与地耦接，且第一电源电压VDDH工作在高电压域。

在具体实施中，前置放大器21可以为一级前置放大器，也可以为多级前置放大器。在实际应用中，可以根据具体的应用需求来选择前置放大器的级数。

在具体实施中，电平转换电路22，输入端与前置放大器21的输出端耦接，输出端为比较器的输出端，适于将单端信号从高压域转换至低压域；电平转换电路22可以包括第一恒流源23，第一恒流源23的电源端与第一电源电压耦接；电平转换电路22在将单端信号整形并从高压域转换至低压域的过程中，可以从第一恒流源23中抽取稳定的电流，从而不会产生冲击电流，进而不会产生电源回踢噪声影响比较器的正常工作。

在具体实施中，电平转换电路22还可以包括：第二恒流源24、第一NMOS管MN1以及电流镜电路，其中：

第一恒流源23的电源端输入第一电源电压VDDH，第一恒流源23的电流输出端与第一NMOS管MN1的漏接耦接，第一电流电压工作在高电压域；

第一NMOS管MN1的栅极与前置放大器21的输出端耦接，作为电平转换电路22的输入端；第一NMOS管MN1的漏极与第一恒流源23的电流输出端耦接；第一NMOS管MN1的源极与地耦接；

电流镜电路的输入端与第一NMOS管MN1的漏极、第一恒流源23的电流输出端耦接；

第二恒流源24的电源端与电流镜电路的输出端耦接，第二恒流源24的电流输出端与地耦接。

在具体实施中，电流镜电路可以由两个PMOS管组成。如图2所示，电流镜电路包括第一PMOS管MP1以及第二PMOS管MP2，其中：第一PMOS管MP1的源极与第一恒流源23的电流输出端耦接，第一PMOS管MP1的栅极与第二PMOS管MP2的栅极耦接，第一PMOS管MP1的漏极接地；第二PMOS管MP2的源极输入第二电源电压VDDL，第二PMOS管MP2的漏极与第一PMOS管MP1的栅极以及第二恒流源24的电源端耦接，第二PMOS管MP2的栅极与第一PMOS管MP1的栅极耦接。

在本发明实施例中，第二电源电压VDDL工作在低电压域，且第二电源电压VDDL小于第一电源电压VDDH。

在具体实施中，第一NMOS管MN1可以为高压管，可以工作在高压域。第一PMOS管MP1和第二PMOS管MP2可以为低压管，可以工作在低压域。

也就是说，在本发明实施例中，第一恒流源23和第一NMOS管MN1工作在高电压域，第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2以及第二恒流源24工作在低电压域。

在实际应用中，高电压域的电压取值范围可以为3.3V、3V、2.8V等，低电压域的电压取值范围可以为1.2V、1.5V、1.8V等。根据不同的应用场景，其对应的高电压域和低电压域的具体电压可能不同。因此，在不同的应用场景下，VDDH的取值并不是定值，VDDL的取值也可能不是定值。

在具体实施中，比较器的输出端可以是第一NMOS管MN1的漏极与第一PMOS管的源极之间的交点Out。

在具体实施中，在电流镜电路中，第二PMOS管MP2的宽长比可以是第一PMOS管MP1的宽长比的m/n倍，m和n均为正整数，且第二PMOS管MP2的栅长与第一PMOS管MP1的栅长相同。因此，当流经第一PMOS管MP1的电流为Ib时，流经第二PMOS管MP2的电流应为(m/n)×Ib，也即第二恒流源24的输出电流是第一恒流源23的输出电流的m/n倍。

下面对本发明上述实施例中提供的比较器的工作原理进行说明。

输入电平Vi由从低电平切换至高电平，当输入电平Vi高于第一NMOS管MN1的阈值电压时，第一NMOS管MN1从关闭状态切换至导通状态，从而将输出节点的电压Vo下拉，因此，输出节点的电压Vo从高电平切换至低电平。当输出节点的电压Vo拉低至地(GND)时，第一PMOS管MP1上无电流流过第一恒流源23的电流Ib全部流过第一NMOS管MN1。

输入电平Vi从高电平切换至低电平，当输入电平Vi低于第一NMOS管MN1的阈值电压时，第一NMOS管MN1从导通状态切换至关闭状态。第一恒流源23输出的电流Ib向输出节点充电，随着输出节点的电压Vo逐渐升高，流经第一PMOS管MP1的电流开始增大，最终第一NMOS管MN1无电流流过，第一恒流源23的电流Ib全部流过第一PMOS管MP1。

由于第二PMOS管MP2的栅长与第一PMOS管MP1的栅长相等，且第二PMOS管MP2的宽长比是第一PMOS管MP1的m/n倍，因此，第二PMOS管MP2上的电流与第一PMOS管MP1上的电流之比，等于二者的宽长比。当流经第一PMOS管MP1的电流为Ib时，流经第二PMOS管MP2的电流应为(m/n)×Ib。此时，第一PMOS管MP1的栅源电压等于第二PMOS管MP2的栅源电压，即Vg-Vo＝Vg-VDDL，因此Vo＝VDDL。

由上述原理描述可见，电平转换电路将前置放大器输出的处于高压域单端信号转换至低压域单端信号。并且，由于电平转换电路从电源抽取的电流Ib是第一恒流源输出的恒定直流电流，因此，电平转换电路从电源抽取的电流基本恒定，从而消除了电源电压波动，不会产生回踢噪声影响比较器的正常工作。

在具体实施中，前置放大器21可以是恒流偏置运算放大器。参照图3，给出了本发明实施例中的一种恒流偏置运算放大器的电路结构图。

在本发明实施例中，恒流偏置运算放大器包括：第三恒流源31、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第二NMOS管MN2以及第三NMOS管MN3，其中：

第三恒流源31，电源端输入所述第一电源电压VDDH，电流输出端与第三PMOS管MP3的源极以及第四PMOS管MP4的源极耦接；

第三PMOS管MP3的栅极输入电压为Vp，作为恒流偏置放大器的正向输入端“+”；第三PMOS管MP3的漏极与第二NMOS管MN2的漏极以及第二NMOS管MN2的栅极、第三NMOS管MN3的栅极耦接；

第四PMOS管MP4的栅极输入电压Vn，作为恒流偏置放大器的负向输入端“-”；第四PMOS管MP4的漏极与第三NMOS管MN3的漏极耦接，且第四PMOS管MP4的漏极作为恒流偏置放大器的输出端Vo；

第二NMOS管MN2的漏极与自身的栅极、第三NMOS管MN3的栅极以及第三PMOS管MP3的漏极耦接，第二NMOS管MN2的源极接地；

第三NMOS管MN3的栅极与第二NMOS管MN2的栅极耦接，第三NMOS管MN3的源极接地。

可以理解的是，在实际应用中，前置放大器还可以为其他类型的运算放大器，恒流偏置运算放大器的结构也不仅限于本发明上述实施例中提供的电路结构，本发明实施例不做赘述。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (9)

1.一种比较器，其特征在于，包括：前置放大器以及电平转换电路，其中：所述前置放大器，第一输入端输入第一电平信号，第二输入端输入第二电平信号，输出端与所述电平转换电路的输入端耦接，适于对所述第一电平信号与所述第二电平信号之间的差分电压转换成单端信号并输出；所述前置放大器的第一输入端为所述比较器的第一输入端，所述前置放大器的第二输入端为所述比较器的第二输入端；

所述电平转换电路，输入端与所述前置放大器的输出端耦接，输出端为所述比较器的输出端，包括：第一恒流源，所述第一恒流源的电源端与第一电源电压耦接；所述电平转换电路适于在将所述单端信号从高压域转换至低压域的过程中，从所述第一恒流源中抽取稳定电流。

2.如权利要求1所述的比较器，其特征在于，所述电平转换电路还包括：第二恒流源、第一NMOS管以及电流镜电路，其中：

所述第一恒流源，电流输出端与所述第一NMOS管的漏极耦接；所述第一电源电压工作在高电压域；

所述第一NMOS管，栅极与所述前置放大器的输出端耦接，源极与地耦接；所述电流镜电路，输入端与所述第一恒流源的电流输出端耦接；

所述第二恒流源，电源端与所述电流镜电路的输出端耦接，电流输出端与地耦接。

3.如权利要求2所述的比较器，其特征在于，所述第一NMOS管为高压MOS管。

4.如权利要求2所述的比较器，其特征在于，所述电流镜电路包括：第一PMOS管以及第二PMOS管，其中：

所述第一PMOS管，源极与所述第一恒流源的电流输出端耦接，栅极与所述第二PMOS管的栅极耦接，漏极与地耦接；

所述第二PMOS管，源极输入第二电源电压，漏极与第一PMOS管的栅极以及第二恒流源的电源端耦接；所述第二电源电压工作在低电压域，且所述第二电源电压小于所述第一电源电压。

5.如权利要求4所述的比较器，其特征在于，所述第一PMOS管以及所述第二PMOS管均为低压MOS管。

6.如权利要求4所述的比较器，其特征在于，所述第二PMOS管的栅长和所述第一PMOS管的栅长相同，且宽长比为m:n，m和n均为正整数。

7.如权利要求6所述的比较器，其特征在于，所述第二恒流源的输出电流是所述第一恒流源的输出电流的m/n倍。

8.如权利要求1～7任一项所述的比较器，其特征在于，所述前置放大器为恒流偏置运算放大器。

9.如权利要求8所述的比较器，其特征在于，所述恒流偏置运算放大器包括：第三恒流源、第三PMOS管、第四PMOS管、第二NMOS管以及第三NMOS管，其中：

所述第三恒流源，电源端输入所述第一电源电压，电流输出端与所述第三PMOS管的源极以及所述第四PMOS管的源极耦接；

所述第三PMOS管，栅极为所述恒流偏置运算放大器的正向输入端，漏极与所述第二NMOS管的漏极、所述第二NMOS管的栅极以及所述第三NMOS管的栅极耦接；

所述第四PMOS管，栅极为所述恒流偏置运算放大器的负向输入端，漏极与所述第三NMOS管的漏极耦接；所述第四PMOS管的漏极为所述恒流偏置放大器的输出端；

所述第二NMOS管，漏极与自身的栅极以及所述第三NMOS管的栅极、所述第三PMOS管的漏极耦接，源极与地耦接；

所述第三NMOS管，源极与地耦接。