CN114665849A - 一种高精度的电流比较器 - Google Patents

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Abstract

该发明公开了一种高精度电流比较器，涉及集成电路领域，特别涉及到比较器。针对传统比较器复杂的问题，本发明通过设计第一电流镜、第二电流镜、控制电容充电开关管MB9、MB10、开关MB12、NMOS管MB11、电容C1、理想电流源Iref以及电压比较器CMP；比较电流分别通过第一电流镜、第二电流镜输入，然后通过比较器进行比较输出，实现提升精度，降低功耗的目的。

Description

一种高精度的电流比较器
技术领域
本发明涉及集成电路领域，特别涉及到比较器。
背景技术
在无线通讯、信号处理等领域，模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)作为连接模拟与数字信号之间的桥梁，它的性能直接影响着整个系统，而比较器作为ADC中重要一环，对其的性能要求也更高。随着VLSI的不断发展，器件尺寸以及电压越来越小，IC中所集成的管子也越来越多，功耗也随着增加，在比较器的应用中，为了得到其高速度而牺牲了输入电压范围，器件的失配也会影响电压范围，这种情况下，电流式比较器逐渐出现，与电压式相比，电流式可以实现更快的速度以及更低的功耗。
Ro-Min Weng and Chia-Wei Chiang,"A low power and high-speed currentlatched comparator for weak current operations,"The 2004IEEE Asia-PacificConference on Circuits and Systems,2004.Proceedings.,2004,pp.245-247vol.1,doi:10.1109/APCCAS.2004.1412738，提出了一种电流比较器的比较方法，该方法的比较过程是由MA5、MA7、MA8、MA10、MA11组成的跨阻放大器TIA1，由MA18、MA19、MA20、MA21、MA22组成的跨阻放大器TIA2以及由MA13、MA14、MA15、MA16、MA17组成的差分运放将其电流差值Iin-Iip转换为电压差值Vin-Vip，最后进入由MA23、MA24、MA25、MA26、MA27、MA28、MA29、MA30、MA31、MA32、MA33、MA34、MA35、MA36组成的高速锁存电路，当CLK为低电平时，比较器输出置地，等待CLK高电平到来，当CLK为高电平时，latch进入正反馈，将模拟信号转换为满量程数字信号输出，该结构较为复杂，功耗较大，并且比较器的精度不能满足一些微小电流的比较，针对以上传统电流比较器的精度以及功耗，本发明提出一种更为简单的电流比较方法。
发明内容
本发明针对现有技术中比较器复杂的问题，提出了一种相对简单的电流比较器。
本发明技术方案包为一种高精度电流比较器，该电路比较器包括：第一电流镜、第二电流镜、控制电容充电开关管MB9、MB10、开关MB12、NMOS管MB11、电容C1、理想电流源Iref以及电压比较器CMP；
所述第一电流镜包括：第一PMOS管MB1、第二PMOS管MB2、第三PMOS管MB3、第四PMOS管MB4；所述MB1与MB2的源极共同连接电源VDD，MB1的栅极和漏极共接后连接MB2的栅极以及MB3的源级，MB3的栅极和漏极共接后连接MB4的栅极，MB2的漏极连接MB4的源级，MB3的漏极连接输入信号I1；
所述第二电流镜包括：第一NMOS管MB5、第二NMOS管MB6、第三NMOS管MB7、第四NMOS管MB8，MB7和MB8的源级共同连接GND，MB5的漏级和栅极共接后连接MB6的栅极，MB7的漏极和栅极共接后连接MB5的源级以及MB8的栅极，MB8的漏极连接MB6的源级，MB5的漏极连接输入信号I2；
第一电流镜中MB4的漏极和第二电流镜中MB6的漏极共接后连接到开关管MB9的漏极，MB9的栅极由信号S1控制，MB9的源级连接到MB10的漏极以及理想电流源的输出，MB10的栅极由信号S1控制，MB11的栅极与漏极共接后连接MB10的源级以及电压比较器CMP的正输入端VPB，MB11的源级连接GND，MB12的漏极连接到MB9的源级，MB12由信号S2控制，MB12的源级连接电容C1以及电压比较器CMP负输入端VNB，电容C1的下极板接GND，电压比较器CMP的输出端为电流比较器的输出。
本发明比较器提升了精度，降低了功耗。
附图说明
图1是传统电流比较器的预放大级。
图2是传统电流比较器的锁存输出电路。
图3是本发明提出的电流比较器。
图4是本发明提出电流比较器的仿真结果。
具体实施方式
以下结合附图，详细说明本发明的内容：
图1、图2是传统的电流比较器的两个部分，该方法的比较过程是由MA5、MA7、MA8、MA10、MA11组成的跨阻放大器TIA1，由MA18、MA19、MA20、MA21、MA22组成的跨阻放大器TIA2以及由MA13、MA14、MA15、MA16、MA17组成的差分运放将其电流差值Iin-Iip转换为电压差值Vin-Vip，图2是由MA23、MA24、MA25、MA26、MA27、MA28、MA29、MA30、MA31、MA32、MA33、MA34、MA35、MA36组成的高速锁存电路，当CLK为低电平时，比较器输出置地，等待CLK高电平到来，当CLK为高电平时，latch进入正反馈，将模拟信号转换为满量程数字信号输出。
图3是本次发明电流比较器的比较方法，比较器包括：第一电流镜、第二电流镜、控制电容充电开关管MB9、MB10、开关管MB12、NMOS管MB11、电容C1、理想电流源Iref以及电压比较器CMP。
S1为开关管MB9、MB10的栅极控制信号，S2为开关管MB12的栅极控制信号。当S1为高电平时，开关管MB9、MB10导通，当S1为低电平时，开关管MB9、MB10截止，当S2为高电平时，开关管MB12导通，当S2为低电平时，开关管MB12截止。
比较过程如下：
首先，将S2置为高电平，开关管MB12导通，S1置为低电平，开关管MB9、MB10截止，理想电流源Iref直接对电容C1进行充电，T为充电时间，将会在C1上产生电压Vref，VNB是电压比较器CMP的负输入端。
Figure BDA0003516105480000031
然后，将S2置为低电平，开关管MB12截止，将S1置为高电平，开关管MB9、MB10导通，电流I1和I2运算后产生电流(I1-I2)再与Iref加减之后。
I′＝Iref±Δ(I1-I2)
通过管子MB11，将电流转换成电压V′，VPB是电压比较器CMP的正输入端。
Figure BDA0003516105480000032
通过电压比较器CMP比较VPB以及VNB的大小。
若比较器输出VOUT为高电平，则I1>I2；若比较器输出VOUT为低电平，则I1<I2；
保持S2为低电平，使得电容C1上电压Vref保持不变，等待下一次比较。
如图4，I1、I2为输入电流，当S2为高电平的时候，理想电流源Iref对电容C1充电，在C1上产生Vref，然后将S2置为低电平，保持C1上电压不变，将S1置为高电平，电流经管子MB11转换成电压VPB后再与Vref进行比较，从而得到输出结果VOUT。
表1是传统电流比较器与本发明性能参数对比。
Figure BDA0003516105480000033

Claims (1)

1.一种高精度电流比较器，该电路比较器包括：第一电流镜、第二电流镜、控制电容充电开关管MB9、MB10、开关MB12、NMOS管MB11、电容C1、理想电流源Iref以及电压比较器CMP；
所述第一电流镜包括：第一PMOS管MB1、第二PMOS管MB2、第三PMOS管MB3、第四PMOS管MB4；所述MB1与MB2的源极共同连接电源VDD，MB1的栅极和漏极共接后连接MB2的栅极以及MB3的源级，MB3的栅极和漏极共接后连接MB4的栅极，MB2的漏极连接MB4的源级，MB3的漏极连接输入信号I1；
所述第二电流镜包括：第一NMOS管MB5、第二NMOS管MB6、第三NMOS管MB7、第四NMOS管MB8，MB7和MB8的源级共同连接GND，MB5的漏级和栅极共接后连接MB6的栅极，MB7的漏极和栅极共接后连接MB5的源级以及MB8的栅极，MB8的漏极连接MB6的源级，MB5的漏极连接输入信号I2；
第一电流镜中MB4的漏极和第二电流镜中MB6的漏极共接后连接到开关管MB9的漏极，MB9的栅极由信号S1控制，MB9的源级连接到MB10的漏极以及理想电流源的输出，MB10的栅极由信号S1控制，MB11的栅极与漏极共接后连接MB10的源级以及电压比较器CMP的正输入端VPB，MB11的源级连接GND，MB12的漏极连接到MB9的源级，MB12由信号S2控制，MB12的源级连接电容C1以及电压比较器CMP负输入端VNB，电容C1的下极板接GND，电压比较器CMP的输出端为电流比较器的输出。
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