CN112352380A

CN112352380A - 比较器

Info

Publication number: CN112352380A
Application number: CN201980043849.8A
Authority: CN
Inventors: G·C·马丁斯
Original assignee: Novi Energy
Current assignee: Nexperia BV
Priority date: 2018-05-01
Filing date: 2019-05-01
Publication date: 2021-02-09
Also published as: EP3788715A1; US20210067151A1; WO2019212343A1

Abstract

本发明涉及一种呈现低平均功耗和短传播延迟的异步比较器。比较器偏置电流以如下的方式取决于差分输入电压：当差分输入电压为低时，电流增大，并且当差分输入电压为高时，电流减小。

Description

比较器

技术领域

本发明一般涉及用于比较两个不同输入电压并输出指示哪个输入电压较大的数字信号的比较器。

背景技术

比较器是比较两个单独的模拟输入端子之间的电压或电流的装置。比较器的输出通常存在一个理想为二元的数字输出，该数字输出例如在第一输入端子高于第二输入端子的情况下为高并在相反的情况下为低。

比较器可以由分立组件构成以作为具有高增益的差分放大器，并且可以用于测量模拟信号或对模拟信号进行数字化。正因如此，比较器可以用作模数转换器。

运算放大器(或者简称为op-amp)广泛地用于电子工业中以用作比较器。比较器通常具有被施加到输入部之一的参考信号。在另一个输入部上，施加与参考信号进行比较的信号。如果要比较的信号的电压小于参考电压的幅度，则比较器的输出可以(约)等于正电源电压。在另一方面，反向电压比较器可以是通过对反向输入部处的信号和非反向输入部处的信号进行简单转置而提供的。

比较器可用于多种类型的应用，并且在例如某些应用下，模拟信号的幅度可以快速变化。比较器应具有快速响应时间。这意味着比较器必须快速判断模拟信号的幅度是大于还是小于用作阈值的预定参考信号。在许多应用中，可能期望提供高速操作的比较器。然而，在许多应用中，通常还可能期望提供可在低电压条件下并以低功耗进行操作的比较器。

具有op-amp的传统高速比较器依赖于被提供作为参考信号的偏置。对于高速操作，通常需要附加电路，该附加电路通常用于生成可提高速度的偏置信号。附加电路消耗附加的面积，这在一些应用中是非常不期望的。正因如此，在附加电路所需的空间与比较器的操作速度的提高之间存在折衷。如以上所指示的，低压条件下的操作也是具有挑战性的，并且在比较器的操作速度与功耗之间也存在折衷。

鉴于以上，需要一种高速比较器，该高速比较器能够在低电压条件下以少量的电路组件以及由此的小封装来进行操作。

发明内容

本发明的目的是提供用于解决现有技术的上述缺陷或缺点中的至少一些的比较器。

在本发明的第一方面，该目的通过比较器来提供，所述比较器被布置用于在低平均功耗下操作以将第一模拟输入信号与第二模拟输入信号进行比较，该比较器包括：

-第一差分输入级，其包括形成输入差分对的两个输入开关，所述第一差分输入级用于比较第一模拟输入信号和第二模拟输入信号之间的转变；

-输出级，用于根据第一模拟输入信号和第二模拟输入信号之间的差来提供比较器的数字输出；

-偏置电流级，用于向差分输入级提供偏置电流，其特征在于，偏置电流级与第一模拟输入信号和第二模拟输入信号相对应地提供偏置电流。

例如，物联网应用即IoT应用中所使用的比较器应当被优化以实现低平均功耗以及短传播延迟。

已知比较器具有所谓的偏置电流，该偏置电流取决于比较器的两个输入部上的模拟输入信号之间的差分。如果差分输入电压趋于零，则偏置电流将增大。在另一方面，如果差分输入电压正在增大并移动远离零，则偏置电流将减小。

已知比较器可以具有由晶体管生成的偏置电流，其中晶体管的栅极端子连接至输入部之一。

已知比较器具有不能被非常准确地控制的缺点。此外，它们随着处理的变化而具有很大的变化。尽管自适应偏置比较器呈现出对偏置电流的更多控制，但它们在传播延迟方面具有局限性，并且需要外部电流参考。

然而，根据本发明的第一方面的比较器包括用于向比较器的差分输入级提供偏置电流的偏置电流级，其中偏置电流级与第一模拟输入信号和第二模拟输入信号相对应地提供偏置电流。因此，存在来自比较器本身的反馈作为偏置电流所用的馈送，使得无需外部电流生成器。因此，根据本发明的第一方面的比较器能够在低平均功耗或超低平均功耗下进行操作。

通常，比较器的传播延迟强烈地取决于电源电压。增大的电源和更高的功耗对减小传播延迟具有积极影响。

利用根据本发明的第一方面的比较器，传播延迟也减小，因此，比较器快速输出对输入端子上的电压差分的响应，而对功耗没有消极影响，即处于低平均功耗或超低平均功耗下。

利用根据本发明的第一方面的比较器的偏置电流级，随着输入部上的电压差分减小，偏置电流将增大。这是通过从比较器的输出部向电流偏置级的反馈，而不是如现有技术已知地向比较器的输入端子的反馈，来实现的。

在其它示例中，偏置电流级被布置用于在第一模拟输入信号和第二模拟输入信号之间的转变减小时使向差分输入级的偏置电流增大。

偏置电流级可以由诸如晶体管等的单个开关进行配置，其中晶体管的源极连接至Vdd并且其漏极连接至第一差分输入级的两个输入开关的源极。来自比较器(即，来自其输出部或者更具体地来自第一差分输入级或第二差分输入级的输出部)的反馈连接至偏置电流级开关的栅极，以控制偏置电流。

在其它示例中，比较器还包括：

-另外的差分输入级，其包括形成另外的差分对的两个输入开关，并且所述另外的差分对与第一差分输入级并联地连接至输出级。

在其它示例中，比较器还包括：

-起动级，其与第一差分输入级并联地连接至输出级以起动比较器。

起动级可以消除比较器起动时的输出的不确定性。比较器的输出可以在起动时输出某个高电平或低电平，该高电平或低电平是不可预测的并且可以与输入无关地在状态之间来回转变。因此，输出可以在起动时提供下降(fall)状态，直到电源向比较器提供显著的电力电平以正确运行为止。在比较器连接的电路或者甚至比较器本身在某段时间内变为无电力的或处于睡眠模式的应用中，这对于这种比较器是特别相关的。

在其它示例中，比较器还包括：

-电流镜级，其串联连接在起动级和另外的差分输入级之间。

电流镜由电流镜配置中的偏置电流级的两个晶体管形成，其中这两个晶体管的栅极彼此连接。电流镜将电流反馈至第一差分输入级。

在其它示例中，比较器还包括：

-第二差分输入级，其包括形成第二输入差分对的两个输入开关，并且所述第二差分输入级串联连接在第一差分对和输出级之间。

(特别是用于作为偏置电流级的反馈的一部分的)第二差分输入级还可以减小比较器的功耗，特别是对于比较器的典型应用可以减小比较器的功耗。

在其它示例中，比较器还包括：

-稳定级，其包括开关和电阻器，并且所述稳定级连接在另外的差分对和第二输入差分对之间。

在其它示例中，比较器的开关由MOSFET组成。

在其它示例中，比较器是异步比较器。

在本发明的第二方面中，提供了一种传感器装置，其包括：

-传感器，其被布置用于进行测量并被布置用于生成模拟输入信号；

-数字控制单元，其被布置用于处理传感器测量数据；

-比较器电路，用于将传感器数据的模拟输入信号转换为数字控制单元所用的数字传感器测量数据，以及其中，比较器电路包括根据任意前述公开内容的比较器。

在本发明的第三方面，提供了被布置用于在低平均功耗下操作以将第一模拟输入信号与第二模拟输入信号进行比较的比较器，该比较器包括：

-第一晶体管，其向比较器提供偏置电流，该第一晶体管的栅极连接至第二晶体管的栅极和漏极、并且该第一晶体管的漏极连接至第三晶体管和第四晶体管的源极；

-第三晶体管和第四晶体管，其形成第一差分对，并且所述第三晶体管的栅极和所述第四晶体管的栅极连接至比较器的输入节点，并且所述第三晶体管的漏极和所述第四晶体管的漏极分别连接至第五晶体管的栅极和源级以及第六晶体管的栅极和源极，并且所述第三晶体管的漏极和所述第四晶体管的漏极连接至比较器的输出级或第二级；

-第六晶体管，其栅极和源极连接至第七晶体管的栅极；

-第七晶体管，其漏极连接至第二晶体管的源极和栅极。

在其它示例中，比较器还包括：

-第一电阻元件，其连接至第七晶体管的源极。

在其它示例中，比较器还包括：

-第八晶体管和第九晶体管，所述第八晶体管的源级和所述第九晶体管的源级一起连接至第七晶体管的漏极。

在其它示例中，比较器还包括：

-第十晶体管，其栅极和源级一起连接至第九晶体管的漏极。

根据以下参考附图的说明，将更好地理解本发明的上述和其它的特征和优点。在附图中，相同的附图标记表示相同的部件或进行相同或相当的功能或操作的部件。

附图说明

图1示意性地描绘了根据本发明的一方面的自适应自偏置比较器；

图2示意性地描绘了根据本发明的一方面的自适应自偏置比较器的实施例；

图3示出比较器相对于差分输入电压的偏置电流。

具体实施方式

图1示意性地描绘了根据本发明的第一方面的比较器。与本领域已知的比较器相比，这些比较器被布置为在低平均功耗下操作，从而在非活动阶段期间汲取不可忽略的电量。根据本发明的比较器具有较低的平均功耗，其具有在第一输入信号移动远离第二(即，参考)信号的情况下减少功耗并在第一输入信号更多地朝向第二参考信号移动的情况下增加功耗以使得当输入较不关键时减少功耗并当输入变得对于接近参考更关键并且期望输出变化时(相对)增加功耗的特性。

比较器10包括输入级20、输出级40和偏置电流级，但可以包括附加组件。

第一差分输入级20包括形成输入差分对20的两个输入开关，以用于比较第一模拟输入信号21和第二模拟输入信号22之间的转变。比较器10的输出级40被布置用于根据第一模拟输入信号21和第二模拟输入信号22之间的差来提供比较器10的数字输出41。比较器还包括以偏置电流级30的形式的反馈30，该偏置电流级30向差分输入级20提供偏置电流，该偏置电流与第一模拟输入信号21并且优选地还与第二模拟输入信号22相对应。

图2示意性地描绘了根据本发明的第一方面的比较器。比较器被布置用于在低平均功耗下操作，以将第一模拟输入信号与第二模拟输入信号进行比较(例如，将物联网传感器装置或无线传感器节点的输入(电压)与预定阈值(电压)进行比较)。

比较器10包括第一差分输入级12，该第一差分输入级12包括形成输入差分对12a、12b的两个输入开关12a、12b，以用于比较第一模拟输入信号11a和第二模拟输入信号11b之间的转变。比较器10还包括输出级13，用于根据第一模拟输入信号11a和第二模拟输入信号11b之间的差来提供比较器10的数字输出13a。比较器还包括偏置电流级14，用于向差分输入级提供偏置电流14a。比较器10的偏置电流级提供与第一模拟输入信号11a和第二模拟输入信号11b相对应的偏置电流14。

图2示意性地描绘了自适应自偏置比较器。晶体管2a向比较器提供偏置电流。差分对1a至1b比较连接到晶体管1a至1b的栅极的两个输入电压。流过1a和1b的电流分别流过3a和3b。晶体管3a至3b的漏极上的电压由输出级6使用以生成比较器的输出。晶体管3b的漏极连接至晶体管3c的栅极。电阻器4连接至晶体管3c的源极。晶体管5a至5b所形成的附加差分对在图2中描绘，但不是严格必要的。在一些情况下，其可以减少功耗。晶体管2a至2b所形成的电流镜将电流反馈至晶体管1a至1b所形成的差分对。晶体管2a和2b之间的比率可以取任何值。需要电阻器4以使电路对于晶体管2a和2b之间的比率的任何值保持稳定。当采用晶体管5a至5b所形成的差分对时，晶体管2c用于保持对称性。可能需要起动电路7来起动比较器，并且该起动电路7可被激活至少一次。

图3呈现对于元件的任意值，比较器相对于差分输入电压的期望偏置电流。

尽管通过参考具体实施例描述了本发明，但对于本领域技术人员显而易见的是，本发明不限于这些具体实施例，并且本发明的范围由所附权利要求书确定。

诸如“comprise”、“include”、“incorporate”、“contain”、“is”和“have”等的表述在解释说明书及其相关权利要求时应以非排他性方式进行解释，即被解释为允许还呈现未明确定义的其它项或组件。对单数的引用也应被解释为对复数的引用并且反之亦然。

此外，本发明还可以利用比这里描述的实施例中所提供的组件少的组件来体现，其中，一个组件执行多个功能。同样，本发明也可以使用比图中所描绘的元件多的元件来体现，其中，由所提供的实施例中的一个组件执行的功能分布在多个组件上。

本领域技术人员将容易理解，比较器的各级包括开关，并且这些开关可以由本领域已知的几种类型的开关(诸如但不限于晶体管、场效应晶体管、MOSFET、NMOS等)体现。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解并实现所公开的实施例的其它变化。在权利要求中，“comprising”一词不排除其它元素或步骤，并且不定冠词“a”或“an”不排除多个。单级电路或其它单元可以实现权利要求中所阐述的几项的功能。仅仅是在相互不同的从属权利要求中阐述特定措施这一事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制其范围。

Claims

1.一种比较器，其被布置用于在低平均功耗下操作以将第一模拟输入信号与第二模拟输入信号进行比较，所述比较器包括：

-第一差分输入级，其包括形成输入差分对的两个输入开关，所述第一差分输入级用于比较所述第一模拟输入信号和所述第二模拟输入信号之间的转变；

-输出级，用于根据所述第一模拟输入信号和所述第二模拟输入信号之间的差来提供所述比较器的数字输出；

-偏置电流级，用于向所述差分输入级提供偏置电流，其特征在于，所述偏置电流级与所述第一模拟输入信号和所述第二模拟输入信号相对应地提供所述偏置电流。

2.根据权利要求1所述的比较器，其中，所述偏置电流级被布置用于在所述第一模拟输入信号和所述第二模拟输入信号之间的转变减小时使向所述差分输入级的偏置电流增大。

3.根据权利要求1或2所述的比较器，所述比较器还包括：

-另外的差分输入级，其包括形成另外的差分对的两个输入开关，并且所述另外的差分对与所述第一差分输入级并联地连接至所述输出级。

4.根据前述权利要求中任一项所述的比较器，所述比较器还包括：

-起动级，其与所述第一差分输入级并联地连接至所述输出级以用于起动所述比较器。

5.根据权利要求3和4所述的比较器，所述比较器还包括：

-电流镜级，其与所述起动级并联连接并与所述另外的差分输入级串联连接。

6.根据前述权利要求中任一项所述的比较器，所述比较器还包括：

-第二差分输入级，其包括形成第二输入差分对的两个输入开关，并且所述第二差分输入级串联连接在所述第一差分对和所述输出级之间。

7.根据前述权利要求中任一项所述的比较器，所述比较器还包括：

-稳定级，其包括开关和电阻器，并且所述稳定级连接在所述另外的差分对和所述第二输入差分对之间。

8.根据前述权利要求中任一项所述的比较器，其中，所述比较器的开关由MOSFET组成。

9.根据前述权利要求中任一项所述的比较器，其中，所述比较器是异步比较器。

10.一种传感器装置，包括：

-数字控制单元，其被布置用于处理传感器测量数据；

-比较器电路，用于将传感器数据的模拟输入信号转换为所述数字控制单元所用的数字传感器测量数据，以及其中，所述比较器电路包括根据权利要求1至9中任一项所述的比较器。

11.一种比较器，其被布置用于在低平均功耗下操作以将第一模拟输入信号与第二模拟输入信号进行比较，所述比较器包括：

-第一晶体管，其用于向所述比较器提供偏置电流，所述第一晶体管的栅极连接至第二晶体管的栅极和漏极、并且所述第一晶体管的漏极连接至第三晶体管的源级和第四晶体管的源极；

-所述第三晶体管和所述第四晶体管，其形成第一差分对，并且所述第三晶体管的栅极和所述第四晶体管的栅极连接至所述比较器的输入节点，所述第三晶体管的漏极和所述第四晶体管的漏极分别连接至第五晶体管的栅极和源级以及第六晶体管的栅极和源极，并且所述第三晶体管的漏极和所述第四晶体管的漏极连接至所述比较器的输出级或第二级；

-所述第六晶体管，其栅极和源极连接至第七晶体管的栅极；

-所述第七晶体管，其漏极连接至所述第二晶体管的源极和栅极。

12.根据权利要求11所述的比较器，还包括：

-第一电阻元件，其连接至所述第七晶体管的源极。

13.根据权利要求11或12所述的比较器，还包括：

-第八晶体管和第九晶体管，所述第八晶体管的源级和所述第九晶体管的源级一起连接至所述第七晶体管的漏极。

14.根据权利要求11、12或13所述的比较器，还包括：

-第十晶体管，其源级和栅极一起连接至所述第九晶体管的漏极。