CN1720661A - 差分电路 - Google Patents

Abstract

一种单晶体管电流镜像与适当的负载相接合，其中结合了适当的开关集合，以实现比较器功能。具体地，差分电路包括单晶体管电流镜像，所述单晶体管电流镜像包括通过开关与晶体管相连的电容器以及通过各自独立的开关与电流镜像相连的两个电流源，与电容器开关一起操作电流源之一的开关，以便充电电容器，并且操作另一个电流源的开关，以便所述电路作为具有电流源负载的源极跟随放大器进行操作。因此，晶体管特性的空间分布不会影响比较器功能。

Description

差分电路

技术领域

本发明涉及一种差分电路。例如，这种差分电路用于包括有源矩阵显示设备的较宽范围电子设备中。

背景技术

图1(a)和1(b)分别给出了传统的差分电压比较器的电路符号和图形定义。输出电压V_OUT与节点P和N(即，V_P和V_N)的两个输入电压的关系如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{V}_{\mathrm{OUT}}=V_{\mathrm{DD}}& \mathrm{if}(V_P-V_N-V_{\mathrm{OS}})<V_{\mathrm{Sensitivity}}\\ V_{\mathrm{OUT}}=V_{\mathrm{SS}}& \mathrm{if}(V_P-V_N-V_{\mathrm{OS}})<V_{\mathrm{Sensitivity}}\end{array}\right.$

V_SS＜V_OUT＜V_DD  if|V_P-V_N-V_OS|＜V_Sensitivity

其中V_DD和V_SS是电源导轨(supply rail)的电压，V_OS是由非理想晶体管特性引起的输入偏移电压，以及V_Sensitivity是在完全输出摆动(swing)(V_DD-V_SS)出现之前，输入电压之间的最小差。

如本领域公知的，传统的差分电压比较器包括两级放大器。其包括如图2和3所示的差分放大器电路，以执行其两个输入V_P和V_N之间的电压差的放大。为了最优操作，需要一对特性理想的输入晶体管T₃和T₄与一对相同电流镜像晶体管T₁和T₂相连。在图2中，输入是NMOS，而在图3中，输入是PMOS。

理论上，具有相同沟道宽度和长度(W和L)尺寸的晶体管应当行为相同。通常这是单晶技术的情况。然而，当设备特征尺寸达到亚微米级时，尽管其绝对项较小，但晶体管特性的空间变化成为问题。这是因为相对于操作电压，变化变大。然而，当能够利用位置的线性函数来描述变化时，通过选择适当的拓扑用于晶体管以便平均该变化效果，能够解决这一问题。在薄膜晶体管(TFT)技术的情况下，晶体管特性的空间变化较大(在绝对和相对项上)并且随机分布。不能使用该拓扑方法。本发明的目的是解决这一问题。

晶体管特性的随机空间变化对包括差分对的传统比较器电路的影响是不可预测的V_OS。提出的一种解决方案在于，实现附加的开关和用于检测并抵消由于比较器电路的非理想晶体管特性引起的任意输入偏移电压V_OS的电容器网络。这是有效的，但增加了元件数量。

另一种解决方案在于不使用差分对。电荷平衡差分电压比较器只需要对电容进行匹配。电容比晶体管更易于匹配。

解决电流镜像对问题的一种解决方案在于：使用如图4a所示的单晶体管电流镜像。该电路需要两个非重叠时钟脉冲Ф1和Ф2来操作。当开关S₁和S₂导通时，输入电流I_IN设置针对晶体管T₁的栅极偏置电压V_GS1。当S₃导通时，将该偏置条件加在C₁两端，并将I_IN镜像为T₁上的输出电流I_OUT。图4b图形地说明了该操作。当Ф1为高时点A处的电流水平近似于当Ф2为高时点B处的电流水平(即，I_OUT≈I_IN)，由此实现了电流镜像功能。在所示的电路中，负载是无源设备。

发明内容

根据本发明，一种单晶体管电流镜像结合适当的开关组与适当的负载进行接口，以实现比较器功能。因此，晶体管特性的空间分布不会影响比较器功能。

附图说明

参考附图，现在将仅作为实例来说明本发明的实施例，其中：

图1(a)和1(b)分别示出了传统差分电压比较器的电路符号和图形定义；

图2示出了利用具有NMOS输入的差分对的传统比较器电路的输入级；

图3示出了利用具有PMOS输入的差分对的传统比较器电路的输入级；

图4(a)和4(b)分别示出了单晶体管电流镜像和该电路的操作的图形描述；

图5(a)和5(b)分别示出了根据本发明实施例的电路以及该电路操作的图形表述；

图6象征性地示出了根据本发明实施例的差分比较器的内部机制；

图7示出了图6的电路的驱动波形；

图8示出了根据本发明实施例的电路；

图9示出了根据本发明另一个实施例的电路；

图10示出了根据本发明另一个实施例的电路；

图11示出了具有电子设备中后续级的实施例之一的电路接口；

图12示出了具有电子设备中后续级的实施例之一的电路接口的另一个实例；

图13(a)示出了根据本发明的电路的另一个实施例，以及图13(b)示出了该电路的驱动波形；

图14示出了图8的电路的修改形式；

图15示出了图9的电路的仿真结果；

图16是根据包括输出级的本发明的差分比较器的符号表示；

图17是图16的变体；

图18是根据本发明的详细电路图；

图19是示出了有源矩阵传感器单元的输入级的电路图；

图20是示出了具有鉴别电路和输出级的电流传感器的电路图；

图21是用于解释指纹传感器中使用的复用电流传感器的驱动方法的电路图；以及

图22是用于指纹传感器中使用的复用电流传感器的时序图。

具体实施方式

现在将说明与差分比较器电路相关的本发明的实施例。随后，将说明将该电路转换为差分电压比较器的方法。

图5a示出了根据本发明实施例的方法。单晶体管电流镜像包括晶体管T₁，其中电容器C₁连接在其源极和栅极之间，以及开关S₃连接在其栅极和漏极之间。由控制信号操作开关S₃。单晶体管电流镜像电路分别通过由非重叠时钟信号Ф1和Ф2驱动的开关S₁₀和S₁₁，与汇入(sink)电流I_REF和I_SEN的两个电流源相连。到单晶体管电流镜像电路的控制信号与Ф1相连。该电路的输出处于节点C处，并且将该节点处的电压称作V_C。

该电路的操作如下：

步骤1：

Ф1变为高，而Ф2保持为低。现在闭合开关S₃和S₁₀。这使得电流I_REF流过连接为二极管形式的晶体管T₁，并使电压(等于V_GS1，晶体管T₁的栅源极电压)出现在电容器C₁的两端。C₁的值和开关S₃的瞬时电阻控制充电时间。在该周期的末尾，V_C确定为电压V_C1。

中间步骤：

Ф1和Ф2均为低。所有开关开启。电流源均与单晶体管电流镜像电路断开。输出电压V_C正在浮置(floating)，或通过利用与节点C相连的输出负载(未示出)放电，来确定该输出电压V_C。

步骤2：

Ф2变为高，而Ф1保持为低。闭合开关S₁₁。现在将电路配置为具有电流源负载的源极跟随放大器。由电流源I_SEN来确定输出电压。如图5b所示，在稳定状态，如果I_SEN＝I_SEN2，其中I_SEN2大于I_REF，则V_C小于V_C1。然而，如果I_SEN＝I_SEN1，其中I_SEN1小于I_REF，则V_C将大于V_C1。

图6示出了用于具有电压输出的该差分电流比较器电路的符号。图7给出了所需的驱动波形。

图8示出了作为如图5a所示的基本示意的特定实例实施例。分别利用n沟道晶体管T₃、T₁₀和T₁₁替换了图5a中的开关S₃、S₁₀和S₁₁。原理上，还可以使用P沟道晶体管，但最好使用n沟道晶体管，这是因为n沟道晶体管具有较低的导通电阻因此需要较小的晶体管尺寸。结果，减小了到节点C和M的Ф1和Ф2的电压馈通(feed-through)效果。

电流源的实现取决于实际应用。可以将其之一或全部实现为独立晶体管，例如如图9所示的实施例2中的T₁₂和T₁₃，对其进行偏置以便在饱和区域中进行操作。在实施例2中，电压V_P和V_N控制T₁₂和T₁₃以分别产生I_REF和I_SEN。尽管电路看起来类似差分电压比较器，由于晶体管T₁₂和T₁₃的跨导不具有相同的特性(尽管其具有相同的尺寸)，如果将其用作一个则必须加以小心。图10所示的电路示出了如何将电路用作差分电压比较器。将晶体管T₁₂和T₁₃合并为单个晶体管T₁₄，其栅极端子通过分别由Ф1和Ф2控制的晶体管开关T₁₀和T₁₁连接到V_P或V_N。

图5a和图8到10所示的电路预先放大输入信号之间的差值，并将差值信号传递到下一级。为了进一步增大输出电压摆动并保证将最小输出负载附在节点C上，可以使用传统的MOS输入放大器(例如单端源极跟随放大器)。图11示出了这种放大器。可选地，可以将节点C附在用于其它应用的另一个单晶体管电流镜像电路上，如图12所示。实质上，节点C连接到晶体管T₃₅的栅极，所述晶体管T₃₅连接在VSS和第二单晶体管电流镜像的输出之间。此外，参考图10并且如图13a所示，通过引入附加的晶体管开关可以扩展基本电路。在图13a中，晶体管T₁₂连接在V_BIAS和晶体管T₁₄的栅极之间。还将需要附加的非重叠时钟脉冲，例如如图13b所示。在图13a中，将Ф1施加到T₁₂的栅极，将Ф2施加到T₁₀的栅极，并且将Ф3施加到T₁₁的栅极。

可以修改与图5和13相关的上述电路，以改进性能。当Ф1下降时，在T3和T10处电压馈通效果下拉了节点C和M处的节点电压。节点C受到来自T3和T10的电压馈通效果，因此出现更大的扰动结果。该扰动在第二比较器级处导致不希望的输出尖峰信号(spike)。为了避免该问题，可以引入附加的晶体管T6和T7，来将节点C与晶体管T1相隔离。图14示出了按照该方式修改的图8的电路。彼此并联地连接附加的晶体管T6和T7，并且每一个栅极有效地分别与两个电流源开关(T10和T11)之一相连，以便接收施加到电流源开关的各个驱动信号(Ф1和Ф2)。

图15示出了其中添加了该修改的图9所示电路的仿真结果，其中电路利用了多晶硅TFT。在Ф1的下降沿期间，VC下降，但是在Ф2的上升沿期间上升了相同量，因此没有影响Ф2期间的VC的初始操作点。

图16和17示意地示出了输入级如何与下一级相接。图18是根据本发明优选实施例的输入和自偏置比较器的详细电路图。确切地，电路的第一级是图14的电路。输出节点C与自偏置比较器的输入相连，其主体包括晶体管T₂、T₄、T₅、T₁₂、T₁₃、T₁₄和T₁₇以及电容器C₂和C₃。自偏置比较器的输出级包括晶体管T₈和T₉。节点C与晶体管T₄和T₁₂的源极相连。其漏极分别通过电容器C₂和C₃连接到T₂和T₁₇的各个栅极。T₄和T₁₂的漏极还分别连接到T₅和T₁₃的源极。T₅和T₁₃的漏极与VSS相连。将控制信号Ф1施加到T₄和T₁₃的栅极。将控制信号Ф2施加到T₅和T₁₂的栅极。T₂和T₁₇的栅极彼此相连并且与晶体管T₁₄的源极相连，晶体管T₁₄的漏极与T₁₇的源极相连，并且其栅极接收信号Ф1。T₂的源极连接到VDD，其漏极连接到T₁₇的源极。T₁₇的漏极连接到VSS。T₂的漏极和T₁₇的源极的互连向T₈和T₉的栅极提供输出。T₈的源极连接到VDD。T₉的漏极连接到VSS，并且T₈的漏极和T₉的源极之间的互连提供了最终的电路输出。

本发明可以用于检测指纹传感器中的波峰和波谷。图19示出了指纹传感器电路的一个实例。用于I_SEN的电流源是来自有源矩阵传感器阵列的传感器象素的输出信号。因此，将图19与图14相比，可以看出，由其栅极接收电压V₁的晶体管T₂₀提供参考电流源，并且由其栅极接收电压V₂的晶体管T₂₁提供读出电流源。分别设置在T₂₀和T₁₀以及T₂₁和T₁₁之间的是有源矩阵选择开关T₁₅和T₁₈以及T₁₆和T₁₉。当选择了传感单元时，将电压VDD施加到所有晶体管T₁₅、T₁₈、T₁₆和T₁₉的栅极。

图20示出了具有自偏置电荷平衡比较器作为输出级的电流传感器电路的实施例。输入级是图19的电路，并且与图18所示相同的自偏置比较器形成了输出级。图21示出了驱动方案。非重叠波形发生器输出Ф1和Ф2，将Ф1和Ф2作为输入施加到第一和第二电流传感器以及复用器和锁存电路。两个电流传感器接收输入电流I_in，并使其各个输出连接到复用器和锁存电路。通过输出缓冲器级馈送复用器和锁存电路的输出，以便提供最终的电路输出。图22示出了图20和21所述的电路的时序图。

已经仅作为实例给出了前述说明，本领域技术人员可以理解的是，在不脱离本发明范围的前提下，可以进行修改。例如，在图20中，如果利用N型晶体管来代替P型晶体管或反之亦然，则V_DD变为V_SS，而V_SS变为V_DD。

Claims (11)

1.一种包括单晶体管电流镜像的差分电路，包括：通过开关与晶体管相连的电容器、以及通过各自独立的开关与电流镜像相连的两个电流源，所述电流源之一的开关与电容器开关一起操作，从而对电容器进行充电，以及对另一个电流源的开关进行操作，从而所述电路作为具有电流源负载的源极跟随放大器进行操作。

2.根据权利要求1所述的差分电路，其特征在于，将所述开关中的每一个实现为n沟道晶体管。

3.根据权利要求1或2所述的差分电路，其特征在于，将电流源中的一个或多个实现为独立晶体管。

4.根据权利要求1或2所述的差分电路，其特征在于，通过单个的晶体管来实现电流源，所述晶体管的栅极通过两个所述电流源开关与各个电压输入相连。

5.根据权利要求4所述的差分电路，其特征在于，将至少一个附加开关连接到所述电流源单晶体管的栅极，由驱动信号来操作所述附加开关，其中所述驱动信号独立于施加到所述电流源开关上的驱动信号且与其不重叠，所述驱动信号可操作地将独立电压施加到所述电流源单晶体管的栅极。

6.根据前述权利要求任一个所述的差分电路，其特征在于，电流镜像的输出与MOS输入放大器相连。

7.根据权利要求1到5任一个所述的差分电路，其特征在于，电流镜像的输出与第二单晶体管电流镜像的输入相连。

8.根据前述权利要求任一个所述的差分电路，其特征在于，所述两个电流源开关通过晶体管对与单晶体管电流镜像相连，所述晶体管对包括两个彼此并联的晶体管，并且其每一个栅极有效地与所述两个电流源开关之一相连，以便接收施加到所述两个电流源开关上的各个驱动信号。

9.根据权利要求8所述的差分电路，其特征在于，所述单晶体管电流镜像的输出通过所述晶体管对与自偏置比较器相连。

10.根据前述权利要求任一个所述的差分电路，其特征在于，可进行连接从而使所述电路作为具有电流源负载的源极跟随放大器进行操作的电流源是有源矩阵传感器阵列的传感器象素的输出。

11.一种具有根据前述权利要求任一个所述的差分电路的电子设备。

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