CN111355492A - 比较器及模拟数字转换电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及比较器及模拟数字转换电路。一种比较器，其适用以比较输入电压及参考电压以产生一比较结果。此比较器包括一电阻电路、一电流源电路及一晶体管开关电路。电阻电路接收输入电压中的第一及第二输入电压。电流源电路提供第一电流及第二电流，并且第一电流、第二电流及电阻电路产生参考电压。晶体管开关电路根据其输入端的第一控制电压及第二控制电压于其输出端产生比较结果。其中，电流源电路及电阻电路根据第一电流及第一输入电压产生第一控制电压，并根据第二电流及第二输入电压产生第二控制电压。

Description

比较器及模拟数字转换电路
技术领域
本案是关于一种比较器，特别是一种可应用于模拟数字转换器的比较器。
背景技术
在常见的信号处理应用中，例如：数字无线通信系统、数字语音处理、数字影像处理等应用，都需要一个高速与高解析度的转换器。在各种高速型模拟数字转换器(analogto digital converter,ADC)中，快闪式模拟数字转换器的转换速度较快。
传统快闪式模拟数字转换器是利用比较器将输入与基准电压比较，以产生温度计码(thermometer code)，然后再利用解码器将温度计码转换成数字码。其中，传统快闪式模拟数字转换器使用的比较器多半采用自动归零比较器(auto zero comparator)，自动归零比较器的电路架构通常都是由前置放大器(preamplifier)与锁存器(latch)组成。然而，此种比较器较耗电且其走线较为复杂。
另一种常见的比较器大致上是以4个输入晶体管(MOSFET)所组成。然而，此种比较器需要4个输入晶体管的输入且其输出端的寄生电容较大，以致会降低转换速度。虽然有采用2个输入晶体管的比较器，然而其偏移校正电路是设计在输出端，因此其转换速度亦相对慢。
发明内容
在一实施例中，一种比较器，其适用于比较输入电压及参考电压以产生一比较结果。其中，输入电压包含一第一输入电压及一第二输入电压，并且此比较器包括一电阻电路、一电流源电路及一晶体管开关电路。电阻电路接收第一输入电压及第二输入电压。电流源电路提供第一电流及第二电流，并且第一电流、第二电流及电阻电路用以产生参考电压。晶体管开关电路包含一输入端及一输出端，并且根据其输入端的第一控制电压及第二控制电压于其输出端产生比较结果。其中，电流源电路及电阻电路根据第一电流及第一输入电压产生第一控制电压，并根据第二电流及第二输入电压产生第二控制电压。
在一些实施例中，上述比较器还包括一调整电流源，用以提供第一调整电流及第二调整电流，其中第一调整电流、第二调整电流及电阻电路用以产生工作电压于该晶体管开关电路的该输入端，使得该晶体管开关电路工作在正常操作区域。在一些实施例中，所述工作电压为共模电压。
在一实施例中，一种比较器，其适用于比较一输入电压及一参考电压，以产生一比较结果。于此，比较器包括一电阻电路、一电流源电路及一晶体管开关电路。电阻电路接收输入电压。电流源电路提供一第一电流。其中，第一电流及电阻电路用以产生参考电压。晶体管开关电路包含一输入端及一输出端，并且根据其输入端的一控制电压产生比较结果于其输出端。其中，电流源电路及电阻电路根据输入电压及参考电压产生控制电压。
在一些实施例中，上述比较器还包括耦合电路，耦合电路并联于电阻电路，用以耦合输入电压至晶体管开关电路的输入端。
在一些实施例中，上述比较器还包括锁存器电路，锁存器电路耦接于晶体管开关电路的输出端，用以输出比较结果。
在一些实施例中，上述比较器还包括可调电流源电路，用以提供第二电流，其中第二电流与电阻电路用以产生校正电压以校正该比较器。
在一些实施例中，上述比较器还包括调整电流源，调整电流源用以提供调整电流，其中调整电流与电阻电路用以产生工作电压于晶体管开关电路的输入端，使得晶体管开关电路工作在正常操作区域。
在一实施例中，一种模拟数字转换电路，其适用于转换一输入电压成一数字信号。其中，输入电压包含一第一输入电压及一第二输入电压，并且模拟数字转换电路包括：一电阻电路、一电流源电路、一晶体管开关电路及一解码器。电阻电路接收第一输入电压及第二输入电压。电流源电路提供一第一电流及第二电流。晶体管开关电路包含一输入端及一输出端，并且根据输入端的第一控制电压及第二控制电压产生比较结果于输出端。其中，电流源电路及电阻电路根据第一电流及第一输入电压产生第一控制电压，并根据第二电流及第二输入电压产生第二控制电压。解码器转换比较结果成数字信号。
综上所述，根据本案之比较器及模拟数字转换电路，其比较级输出端的输出电容非常小，以致能提升整体转换速度。
附图说明
图1为根据本案一实施例所绘示的比较器的概要示意图。
图2为根据本案一实施例所绘示的比较方法的流程图。
图3为根据本案一实施例所绘示的比较器的电路示意图。
图4为根据本案一些实施例所绘示的模拟数字转换电路的概要示意图。
具体实施方式
参照图1，图1为根据本案一实施例所绘示的比较器的概要示意图，比较器用以比较输入电压及参考电压，以产生比较结果。以下说明将以差动输入电压为例，但本案不限于此，本案的比较器亦可用于单端输入电压。
如图1所示，比较器100包括晶体管开关电路110、电阻电路120以及电流源电路130。电阻电路120耦接在比较器100的输入端与晶体管开关电路110的输入端之间，电流源电路130耦接晶体管开关电路110的输入端。也就是说，电阻电路120的第一端耦接比较器100的输入端，而电阻电路120的第二端耦接晶体管开关电路110的输入端。
电阻电路120用以接收输入电压Vip、Vin，并且电流源电路130输入电流至电阻电路120的第二端，或从电阻电路120的第二端抽汲电流。在一些实施例中，电流源电路130输入电流Irn、Irp至电阻电路120的第二端，或从电阻电路120的第二端抽汲电流Irn、Irp，以于电阻电路120的第二端提供参考电压。换言之，电阻电路120的第二端输出或接收来自电流源电路130的电流Irn、Irp。因此，根据欧姆定律，电流Irn、Irp与电阻电路120的电阻值之组合能用以产生参考电压。其中，电流源电路130可由一个或多个电流源实现。
在一些实施例中，电流Irn、Irp分别为恒定电流。在一示范例中，电流源电路130包括恒定电流源电路131。恒定电流源电路131耦接电阻电路120，并且恒定电流源电路131输出恒定的电流Irn、Irp至电阻电路120的第二端(或从电阻电路120的第二端抽汲恒定的电流Irn、Irp)。
一并参照图1及图2，比较器100的输入端接收输入电压Vip、Vin，输入电压Vip、Vin提供至电阻电路120的第一端，且通过电流Irn、Irp流经电阻电路120以提供参考电压，进而形成控制电压Vcp、Vcn(步骤S11)，换句话说，电流源电路130及电阻电路120根据输入电压Vip、Vin及电流Irn、Irp产生控制电压Vcp、Vcn。此时，控制电压Vcp、Vcn提供到晶体管开关电路110的输入端，其中，控制电压Vcp、Vcn与参考电压相关。
于晶体管开关电路110的输入端接收到控制电压Vcp、Vcn时，晶体管开关电路110根据控制电压Vcp、Vcn产生比较结果(步骤S13)。其中，比较结果可为温度计码Dp及Dn。更进一步来说，当Vcp>Vcn，温度计码Dp为1，温度计码Dn为0；反之，当Vcp<Vcn，温度计码Dp为1，温度计码Dn为0。
在一些实施例中，比较器100还包括锁存器电路150。锁存器电路150耦接在晶体管开关电路110的输出端。晶体管开关电路110根据控制电压Vcp、Vcn产生比较结果，并从晶体管开关电路110的输出端输出比较结果给锁存器电路150。锁存器电路150锁存晶体管开关电路110产生的温度计码Dp、Dn，并根据时脉信号CK从比较器100的输出端输出温度计码Dp、Dn。
在一些实施例中，电阻电路120的第二端还接收或被抽汲电流Ion、Iop，以提供校正电压。换言之，根据欧姆定律，电流Ion、Iop与电阻电路120的电阻值之组合能用以实现校正电压，藉以消除因内部电路不匹配(mismatch)等因素所造成之电压偏移。
在一示范例中，电流源电路130可还包括可调电流源电路132，可调电流源电路132耦接电阻电路120的第二端。可调电流源电路132提供电流Ion、Iop至电阻电路120的第二端，或从电阻电路120的第二端抽汲电流Ion、Iop，以于电阻电路120的第二端上提供校正电压。
在另一示范例中，可调电流源电路132可设置于电流源电路130或比较器100的外部。在一些实施例中，可调电流源电路132是受控于控制电路30，其中控制电路30可设置在比较器100的内部或外部。
在一示范例中，在比较器100未进行比较运作的状况下，控制电路30可使电阻电路120的二端(第一端和第二端)短路(可藉由控制电路30控制的开关实现)并检测比较器100的输出端，以得到锁存器电路150的输出。然后，控制电路30根据锁存器电路150的输出(如比较器100未进行比较下的比较结果)产生设定信号Ss，并将产生的设定信号Ss输出至可调电流源电路132的控制端，使得可调电流源电路132根据设定信号Ss提供(输出或汲取)所需的电流Ion、Iop。在一示范例中，控制电路30可藉由一查找表找出对应锁存器电路150的输出之设定信号Ss。
在一些实施例中，可调电流源电路132可由一个或多个电流源实现。
值得注意的是，由于比较器100的偏移校正是在晶体管开关电路110的输入端实现，因此，比较器100输出端的输出电容非常小，进而提升比较器100的整体转换速度。
在一些实施例中，比较器100可还包括耦合电路160，耦合电路160并联于电阻电路120。于此，耦合电路160能耦合交流(AC)信号，以避免信号延迟。更进一步来说，晶体管开关电路110的输入端存在寄生电容，寄生电容分别和电阻电路120形成等效的低通滤波器，进而降低比较器100整体的转换速度；而通过耦合电路160将输入电压Vip、Vin由比较器100的输入端耦合至晶体管开关电路110的输入端，从比较器100的输入端来看，电阻电路120不会和晶体管开关电路110的寄生电容形成等效的低通滤波器，进而提升比较器100整体的转换速度。在一些示范例中，耦合电路160可以具大电容值的电容所实现。
在一些实施例中，比较器100还可包括调整电流源电路180，调整电流源电路180耦接晶体管开关电路110的输入端。调整电流源电路180提供调整电流至晶体管开关电路110的输入端，藉以提供输入工作电压至晶体管开关电路110，使得晶体管开关电路110能工作在正常操作区域。在本实施例中，工作电压亦可称作共模电压。
参照图3，图3为根据本案一实施例的比较器100的电路示意图。晶体管开关电路110包括晶体管M1及晶体管M2，晶体管M1的源极及晶体管M2的源极相互耦接。晶体管M1的汲极及晶体管M2的汲极耦接锁存器电路150。晶体管M1的源极及晶体管M2的源极更经由开关晶体管M5耦接接地。于此，开关晶体管M5受控于时脉信号CK。
电阻电路120包括电阻R1及电阻R2，其中，电阻R1的第一端耦接比较器100的第一输入端，电阻R1的第二端耦接晶体管M1的闸极；电阻R2的第一端耦接比较器100的第二输入端，电阻R2的第二端耦接晶体管M2的闸极。
在一些实施例中，晶体管M1及晶体管M2的闸极存在寄生电容，而寄生电容会与对应的电阻R1及电阻R2分别形成等效的低通滤波器，进而降低比较器100的整体速度。为解决此问题，通过耦合电路160并联电阻电路120，即通过并联电容C1在电阻R1，并联电容C2在电阻R2，于此，电容C1及电容C2分别将输入电压Vip及输入电压Vin耦合到晶体管M1及晶体管M2的闸极，进而使晶体管M1及晶体管M2的寄生电容不会影响比较器100的速度。
锁存器电路150包括一晶体管交错耦合对(cross-coupled pair)。晶体管交错耦合对包括交错耦合的二晶体管(如晶体管M3及晶体管M4)。晶体管M3的汲极耦接晶体管M1的汲极以及比较器的第二输出端。晶体管M4的汲极耦接晶体管M2的汲极以及比较器100的第一输出端。晶体管M3的源极与晶体管M4的源极耦接供电源VDD。晶体管M3的源极与汲极之间并联开关晶体管M7，晶体管M4的的源极与汲极之间并联开关晶体管M8。于此，开关晶体管M7、M8受控于时脉信号CK。
在比较器100进行比较操作时，电阻R1的第一端接收第一输入电压Vip，电阻R1的第二端则接收来自电流源电路131的电流Irn或由电流源电路131抽汲出电流Irn。相似地，电阻R2的第一端接收输入电压Vin，电阻R2的第二端则接收来自电流源电路131的电流Irp或由电流源电路131抽汲出电流Irp。然后，晶体管M1及晶体管M2根据位准控制电压Vcp及位准控制电压Vcn形成温度计码Dn、Dp。更进一步来说，假设电阻R1及R2的电阻值为R时，当Vip-Vin>(Irp-Irn)*R时，温度计码Dp为1，温度计码Dn为0；相应地，当Vip-Vin<(Irp-Irn)*R时，温度计码Dp为0，温度计码Dn为1，其中，(Irp-Irn)*R可视为参考电压。接着，锁存器电路150再根据时脉信号CK从比较器的第二输出端及第一输出端分别输出温度计码Dn、Dp。
在一些实施例中，恒定电流源电路131包括二恒定电流源131a、131b。恒定电流源131a耦接电阻R1的第二端，并用以提供电流Irn。电流源131b耦接电阻R2的第二端，并用以提供电流Irp。
在一实施例中，可调电流源电路132可包括二组可调电流源132a、132b。可调电流源132a耦接电阻R1的第二端，并用以提供电流Ion。可调电流源132b耦接电阻R2的第二端，并用以提供电流Iop，电流Ion、Iop与电阻R1、R2的电阻值之组合能用以实现校正电压，藉以消除因内部电路不匹配等因素所造成之电压偏移。其中，可调电流源132a、132b提供的电流Ion、Iop可由控制信号调整(如第1图所示的控制信号Ss)。
在一实施例中，调整电流源电路180可包括二组调整电流源180a、180b。调整电流源180a耦接电阻R1的第二端，调整电流源180b耦接电阻R2的第二端，调整电流源180a、180b用以提供电流分别至电阻R1、R2的第二端，藉以提供输入共模电压至晶体管M1及晶体管M2，使得晶体管M1及晶体管M2能工作在正常操作区域。
在一些实施例中，比较器100亦可比较单端输入电压及参考电压，如将输入电压Vip视为单端输入电压，并利用电流源131a及电阻R1产生参考电压，并将温度计码Dn视为比较结果。
在一些实施例中，比较器100可应用于快闪式模拟数字转换电路300。参照图4，快闪式模拟数字转换电路400可包括前述任一实施例的比较器及解码器20。比较器的输出端耦接于解码器20。
比较器至少包括晶体管开关电路110、电阻电路120以及恒定电流源电路131。此些电路的配置及运作大致上如同前述，故不再赘述。解码器20根据温度计码Dp、Dn转换成数字信号A0，如二进制码(binary code)的数字信号A0。
综上所述，根据本案的比较器、比较方法及快闪式模拟数字转换电路，其比较级输出端的输出电容非常小，以致能相对提升整体速度。
[符号说明]
100比较器 110晶体管开关电路
120电阻电路 130电流源电路
131恒定电流源电路 131a、131b恒定电流源
132可调电流源电路 132a、132b可调电流源
150锁存器电路 160耦合电路
180调整电流源 180a、180b调整电流源
20解码器 30控制电路
C1第一电容 C2第二电容
CK时脉信号 Cgp、Cgn寄生电容
Dp、Dn温度计码 Irp、Irn电流
Iop、Ion电流 M1第一晶体管
M2第二晶体管 M3第三晶体管
M4第四晶体管 M5开关晶体管
M7开关晶体管 M8开关晶体管
R1第一电阻 R2第二电阻
Vcp控制电压 VDD供电源
Vip、Vin输入电压 Vcp、Vcn控制电压。

Claims (10)

1.一种比较器，用以比较一输入电压及一参考电压以产生一比较结果，其中该输入电压包含一第一输入电压及一第二输入电压，该比较器包括：
一电阻电路，用以接收该第一输入电压及该第二输入电压；
一电流源电路，用以提供一第一电流及一第二电流，其中，该第一电流、该第二电流及该电阻电路用以产生该参考电压；以及
一晶体管开关电路，包含一输入端及一输出端，该晶体管开关电路用以根据该输入端的一第一控制电压及一第二控制电压产生该比较结果于该输出端，其中，该电流源电路及该电阻电路用以根据该第一电流及该第一输入电压产生该第一控制电压，并根据该第二电流及该第二输入电压产生该第二控制电压。
2.如权利要求1所述的比较器，还包括：
一耦合电路，并联于该电阻电路，用以耦合该第一输入电压及该第二输入电压至该晶体管开关电路的该输入端。
3.如权利要求1所述的比较器，还包括：
一锁存器电路，耦接该晶体管开关电路的该输出端，并用以输出该比较结果。
4.如权利要求1所述的比较器，其中该电流源电路包括：
一恒定电流源，用以提供该第一电流及该第二电流；以及
一可调电流源电路，用以提供一第三电流及一第四电流，其中该第三电流、该第四电流与该电阻电路用以产生一校正电压于该晶体管开关电路的输入端以校正该比较器。
5.如权利要求1所述的比较器，还包括：
一可调电流源电路，用以提供一第三电流及一第四电流，其中该第三电流、该第四电流与该电阻电路用以产生一校正电压于该晶体管开关电路的输入端以校正该比较器。
6.如权利要求5所述的比较器，其中，该可调电流源电路根据一设定电路输出的一设定信号提供该第三电流及该第四电流，其中，该设定电路用以于该电阻电路短路时，根据该比较结果产生该设定信号。
7.如权利要求1所述的比较器，还包括：
一调整电流源，用以提供一第一调整电流及一第二调整电流，其中该第一调整电流、该第二调整电流及该电阻电路用以产生一工作电压于该晶体管开关电路的该输入端，使得该晶体管开关电路工作在正常操作区域。
8.一种比较器，用以比较一输入电压及一参考电压，以产生一比较结果，该比较器包括：
一电阻电路，用以接收该输入电压；
一电流源电路，用以提供一第一电流，其中，该第一电流及该电阻电路用以产生该参考电压；以及
一晶体管开关电路，包含一输入端及一输出端，该晶体管开关电路用以根据该输入端的一控制电压产生该比较结果于该输出端，其中，该电流源电路及该电阻电路用以根据该输入电压及该参考电压产生该控制电压。
9.如权利要求8所述的比较器，其中该电流源电路包括：
一恒定电流源，用以提供该第一电流；以及
一可调电流源电路，用以提供一第二电流，其中该第二电流与该电阻电路用以产生一校正电压于以校正该比较器。
10.一种模拟数字转换电路，用以转换一输入电压成一数字信号，其中，该输入电压包含一第一输入电压及一第二输入电压，该模拟数字转换电路包括：
一电阻电路，用以接收该第一输入电压及该第二输入电压；
一电流源电路，用以提供一第一电流及第二电流；
一晶体管开关电路，包含一输入端及一输出端，该晶体管开关电路用以根据该输入端的一第一控制电压及第二控制电压产生比较结果于该输出端，其中，该电流源电路及该电阻电路用以根据该第一电流及该第一输入电压产生该第一控制电压，并根据该第二电流及该第二输入电压产生该第二控制电压；以及
一解码器，用以转换该比较结果成该数字信号。
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