JP2007520941A - 高速比較器 - Google Patents

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Abstract

本発明は、高周波データ信号のための一定のデューティーサイクルを有する比較器に関する。このような比較器は、しばしば集積回路の一部であり、特に、携帯電話技術において有用である。高周波データ信号のための所望の一定のデューティーサイクルを達成するために、本発明に係る比較器は、比較器入力を形成する差動入力(IN1,IN2)と、第1の比較器ステージの比較器出力を形成する第1および第2の増幅器出力(Vo,Vo−)とを有する差動増幅器(M1,M2)を備える。さらに、その入力を介して増幅器出力(Vo,Vo−)に接続され、その出力を介して第1の増幅器出力(Vo)に接続されている、第1の差動電流増幅器(Al)が設けられている。最後に、第2の差動電流増幅器(Al)が、その入力を介して増幅器出力(Vo,Vo−)に接続され、その出力を介して第2の増幅器出力(Vo−)に接続されている。

Description

本発明は、高周波データ信号のための比較器に関し、この比較器は、集積回路の一部であってもよく、特に、携帯電話技術において有用となり得る。
携帯電話の分野のみならず、多くの利用分野が、比較が成功する度に切り替わる高速比較器を必要とする。しばしば、扱われる信号は差分であり、比較は、変換“ダブル/シングルエンド(double/single ended)”フォーマットに存する。ここでは、“ダブルエンド”は、比較器が逆フェイズ(counter-phase)にある2つの信号を扱うことを意味し、これに対して“シングルエンド”は、比較の結果を含む1つの出力信号のみが、比較器によって提供されることを意味する。当然ながら、高速の信号を処理/比較するために、比較器は十分に速くなければならず、すなわち、信号入力変化を追うために、通常は信号シーケンスよりも高速である。その上、動作周波数が増加すると、セットアップ/ホールド時間に関する制約が、システム全体の機能性についてのキーポイントとなる。このような状況下では、集積回路(IC)領域の外部および内部信号の間のインターフェースにおいて、内部クロックのデューティーサイクルを50%に可能な限り近く保つことが、システムレベルでの必須の条件である。
デューティーサイクルは、ここでは電気信号の特性の説明に使用され、デジタルまたは方形波形を有する信号に特に関係する。デジタルまたは方形波形は、ローレベルおよびハイレベルの間をまたはフェイズを交互に切り換え、レベル間の遷移は、実質的に瞬時に起こる。ターム期間(term period)は、1つのサイクルの持続時間を指す。デジタル信号のデューティーサイクルは、通常、ハイフェイズとデジタル信号の周期の比率として定義され、通常は、パーセンテージで述べられる。例えば、20%ハイフェイズのパターンを有するデジタル信号は、20/100のデューティーサイクルを有する。一般に、デジタルクロック信号のデューティーサイクルは、“純粋に50%のサイクル”であることが望ましく、このような純粋な50%のデューティーサイクルは、ハイおよびロー部分が等しい波形を有する。
所望の高いパフォーマンス、すなわち比較器の高い比較レートすなわち速度を達成するために、2つ以上のステージを有する演算増幅器を使用することが知られている。図1は、2ステージ比較器の従来の構造のブロック図を示している。第1のステージは、差動増幅器によって形成され、図1では左側に示されている。第1ステージの2つの差分入力IN1およびIN2が、第1および第2のトランジスタM1およびM2の制御入力に、それぞれ導通されている。第1の入力端子IN1は、差動増幅器の反転入力として使用することができ、第2の入力端子IN2は、非反転入力として使用することができる。第1および第2のトランジスタM1およびM2の出力は、一定のテール電流(tail current)I_tailを提供する定電流源と、負荷ダイオードとして動作する2つのさらなるトランジスタM3およびM4との間に接続されている。この第1のステージに、出力増幅器を備える第2のステージが続く。合計の電流消費を減少させるために、クラスAB出力ステージを、特にその電流効率が高いという理由により、第2のステージとして選択してもよい。第2のステージは、次いで、信号再成形ユニット(signal reshape unit)に接続してもよい。
この信号再成形ユニットは、クラスABステージの出力を、例えばインバータステージによって、デジタル信号に適合させる回路である。これは、高速動作条件の場合に特に有用である。このような場合、クラスABステージが、正弦波形の出力波形を提供することが起こり得る。再成形ユニットは、次いで、上述の出力の方形化を行い、任意の後続のデジタル回路と適合させる。
残念ながら、比較器全体の速度を上げるため、すなわち高い処理速度に適合させるために、高いテール電流I_tailが第1ステージで要求される。これには2つの理由がある。第1の理由は、高い利得が必要なことである。第2の理由は、入力IN1およびIN2での小さな信号変化に対する感度が、十分に大きくなければならないことである。
高速動作のためには、入力ステージ内の決定プロセスが、高速に行なわれるべきである。入力IN1およびIN2での小さな信号変化についての決定が早いほど、システムが高速になる。
さらなる問題が、第2のステージで発生する。この第2のステージが、完全に切り替わると、そのトランジスタの少なくとも1つが、そのアクティブ領域から外れ、ほとんどの場合、オフにすらなる。そして、このトランジスタは、回復にいくらかの時間を必要とし、第2のステージに“回復時間”を導入または必要とさせる。この“回復時間”は、長い静的状態の後には、必ず必要となるであろう。明らかに、これは比較器全体の速度を落とす。
従って、本発明の目的は、電力消費の低い高速比較器、特に集積回路への実施に容易に適合できる比較器を提供することである。このような集積化は、また、適当な比較器の電力消費を最小に保たなければならない、ということも要求する。
特定の目的は、機能に必要な利得だけでなく、入力の小さな変化に対する十分な感度も提供する比較器を考案することである。
さらなる目的は、大きな入力レンジに適した、電力消費が低い、高速、高感度の比較器を設計することである。
上述の目的は、独立の装置クレーム1に係る特性を有する比較器によって解決される。要約すれば、本発明に係る比較器は、2つの増幅器ステージを備える。比較器入力を形成する差動入力と、第1の比較器ステージの比較器出力を形成する第1および第2の増幅器出力とを有する差動増幅器が設けられている。第2のステージは、2つの差動増幅器を含んでいる。すなわち、その入力を介して増幅器出力に接続され、その出力を介して第1の増幅器出力に接続される、第1の差動電流増幅器と、その入力を介して増幅器出力に接続され、その出力を介して第2の増幅器出力に接続される、第2の差動電流増幅器とを、含んでいる。
従属請求項は、本発明のさらなる有利な特徴および展開を識別する。
本発明の一実施形態において、本発明に係る比較器は、入力が第1の比較器ステージの比較器出力に接続され、出力が第2の比較器ステージの比較器出力を形成する出力増幅器を有する、第2の比較器ステージを備える。
本発明の他の実施形態において、本発明に係る比較器は、制御入力が第2の比較器ステージの比較器出力に接続され、制御出力が差動増幅器の第1の出力に接続される、スイッチング手段をさらに備える。これにより、比較信号のデューティーサイクルの変動を、減少させることができる。
比較器のさらなる改善として、スイッチング手段は、トランジスタであり、より有利には、出力信号が第2の比較器ステージの比較器出力に到達するまでに長い時間が必要となる差動増幅器の一方の出力に接続してもよい。
本発明に係る比較器の他の好適な実施形態において、スイッチング手段は、電流ミラートランジスタに直列に接続されており、この電流ミラートランジスタは、スイッチング手段を流れる所定の電流を調整するために設けられている。
また、本発明に係る比較器の差動増幅器は、制御出力が補助電流源に接続されている第1および第2の入力トランジスタを備えてもよい。これにより、比較器の高い性能を、非常に低い供給電圧に対しても実現することができる。
さらなる変形として、比較器の補助電流源は、電流ミラーを介して入力トランジスタに接続してもよく、さらに、この電流ミラーは、さらなる電流ミラーを介して、入力トランジスタに接続してもよい。
さらに、比較器の補助電流源は、スイッチングトランジスタを介して電流ミラーに接続可能である。
より有利には、比較器のスイッチングトランジスタは、供給電圧が所定の基準電圧よりも下がった場合はいつでも、スイッチオンされるように構成してもよい。
本発明の追加的な目的および利点は、以下の説明から明確となり、あるいは、本発明を実施する際に明白となるであろう。
続いて本発明を、図面に基づいてさらに説明する。
図1は、従来の2ステージの比較器回路のブロック図を示している。この従来の回路は、“発明の背景”部分において上に述べられている。
図2は、本発明の第1の実施形態を示している。図に示される比較器回路は、基本的に、2ステージの比較器である。第1の比較器ステージは、差動増幅器M1およびM2と、2つの差動電流増幅器AlおよびAlとを含む。第2の比較器ステージは、出力増幅器であり、トランジスタM7〜M10を含む。
第1の比較器ステージの差動増幅器は、制御入力が比較器の入力IN1およびIN2に結合されている2つの入力トランジスタM1およびM2を有する。第1の入力端子IN1は、差動増幅器の反転入力として、第2の入力端子IN2は、非反転入力として使用することができる。第1および第2のトランジスタM1およびM2の出力は、一定のテール電流(tail current)I_tailを提供する定電流源と、負荷ダイオードとして動作する2つのさらなるトランジスタM3およびM4との間に接続されている。ここまでは、差動増幅器は、図1に示される従来技術の差動増幅器と類似する構造を有する。
大きな違いは、第1の比較器ステージが、第1および第2の差動電流増幅器AlおよびAlを追加的に含むことである。第1の差動電流増幅器Alの2つの入力は、それぞれ、差動増幅器の出力VoおよびVo−に結合されている。第2の差動電流増幅器Alの入力も、同様となっている。
第1の差動電流増幅器Alの出力は、差動増幅器の第1の出力Voに接続されており、一方で、第2の差動電流増幅器Alの出力は、差動増幅器の第2の出力Vo−に接続されている。差動増幅器と第1の差動電流増幅器Alの共通出力は、トランジスタM6の制御入力に接続されている。このトランジスタM6の制御出力の一方が、供給電圧VDDに接続されており、一方で、このトランジスタM6の他方の制御出力が、ダイオードとして機能するトランジスタM5の制御出力と、トランジスタM8の制御入力とに接続されている。トランジスタM6の制御出力は、第1の比較器ステージの第1の出力O1として使用可能である。差動増幅器と第2の差動電流増幅器Alの共通出力は、第1の比較器ステージの第2の出力O2を形成する。
第2の比較器ステージのトランジスタM7およびM8の制御入力は、第1の比較器ステージの出力O1およびO2に接続されている。トランジスタM7およびM8それぞれを用いて、供給電圧VDDまたはグランドGNDを出力増幅器に接続する。出力増幅器の出力OUTにおいて、入力IN1およびIN2における信号電圧の間の比較の結果である比較器信号を得ることができる。
図2に示されている比較器は、以下のように動作する。電流は、必要な場合にのみ第2の比較器ステージを通して増強(boost)される。残留電流を用いて、第2の比較器ステージ内のトランジスタが完全にスイッチオフされることを防止する。正電流フィードバックを用いて、負荷として動作するトランジスタM3およびM4が、追加的な電流によって“ソフトオン”となるよう強制される。これは、以下にさらに説明される。結果として、第2の比較器ステージの制御電圧が加速される。残留電流は、以下に説明されるように、遷移が完了した後でも流れ続ける。
差動電流増幅器AlおよびAlには、トランジスタM3およびM4を流れる電流が供給され、差増電流増幅器AlおよびAl内の同サイズのトランジスタによってミラーされる。電流増幅器AlおよびAlの伝達関数は、
Figure 2007520941
である。
ここで、
Iplusは、差動電流増幅器AlまたはAlの非反転入力における電流であり、
Iminusは、差動電流増幅器AlまたはAlの反転入力における電流であり、
OUTは、AlまたはAlの出力電流である。
正電圧ステップが、負の入力IN1において生じ、一方で正の入力IN2には生じないと仮定する。これにより、負荷トランジスタM3を流れる電流が増加する。第2の電流増幅器Alは、この差を検知し、電流IM3およびIM4の間の差に比例する出力電流IOUT2を供給する。ここでIM3は、トランジスタM3を流れる電流であり、IM4は、トランジスタM4を流れる電流である。余剰の負電流が、トランジスタM4から漏れ、結果としてドレイン−ソース電圧Vds4の絶対値に小さな増加を生じ、一方で、ドレイン−ソース電圧Vds2は減少し、トランジスタM1に、トランジスタM2から小さな電流を強制的に引き出させる。この小さな電流は、トランジスタM3内の合計の残留電流の増加に寄与し、よってこの正のフィードバックを加速させる。処理が完了した場合でも、残留負電流は、トランジスタM4を、つまり出力O2に対して、依然として流れる。このいわゆる“ソフトオン”は、トランジスタM4が完全にスイッチオフされていないために、次のスイッチングフェイズを助ける。
図1に係る従来技術の実施形態においては、トランジスタM4は、完全にスイッチオフされ、すなわちトランジスタM4を通る電流IM4がゼロとなる。長い静的状態の後に、図1に係る従来技術の実施形態でのトランジスタM4をスイッチオンするには、長い時間がかかる。
正の入力IN2において正電圧ステップが生じる場合は、比較器回路の挙動は、基本的に、上述と同様である。しかしここで、トランジスタM4の代わりに、トランジスタM3が“ソフトオン”にスイッチされる。
合計の電流消費を減少させるために、クラスAB演算増幅器を、出力ステージでの電流効率が高いという理由により選択してもよい。出力ステージは、遷移が起こる場合にのみ電流を使用し、全ての他の場合においては、零入力電流のみが、出力ステージを流れる。
全体的に、図2に示されている比較器は、高速で動作し、図1に示される実施形態よりも低い電流消費を有する。
図2に示される2重にミラーリングされた(double-mirrored)演算増幅器は、図2において2つの矢印P1およびP2で示されている入力から出力ステージへ経路の長さが異なるために、出力波形において固有の非対称性を有する場合がある。他の経路よりも多くのトランジスタを含む特定の経路は、より長い経路として定義されている。明らかに、これは、図2に示される実施形態における経路P1である。この非対称性は、結果として、デューティーサイクル変化δCLKを有する不均衡なデューティーサイクルをもたらす場合がある。
特定のケースでは、この変化δCLKは、システム全体の機能性に対して問題となり得る。例えば、mLVDS/RSDSインターフェーシングのような適用において、すなわち“ミニ低電圧差動信号”(mLVDS:mini low voltage differential signal)と、“減少スイッチング差動信号”(RSDS:reduced switching differential signal)とをインターフェイスさせる場合に、両方のプロトコルがクロックの立ち上がりおよび立ち下がりエッジの両方に作用し、かつ、セットアップ/ホールド仕様が両方の処理を意図しているため、大きな衝撃係数変化δCLKは、仕様の適合を複雑にする可能性がある。
図3は、この問題を解決する比較器を示している。この比較器は、上述の制限を克服するために、より遅い経路P1のデジタル加速を含む。従って、衝撃係数変化δCLKは、供給電圧、温度および処理の拡がりの関数として、約+/−5%の適度な範囲に保持できる。
以下では、図3に示される比較器の作動原理が説明される。電圧ステップが、正の入力IN2で生じ、一方で、負の入力IN1では生じないと仮定する。短い経路P2を通じた伝播時間の後に、第2の比較器ステージの出力OUTが、“オン”にスイッチする。これにより、スイッチトランジスタM11がオンとなり、負荷トランジスタM3から電流を低減させることを可能にする。何も生じない場合は、回路はこの新たな状態に止まり、長い経路P1内の全ての寄生要素を充電する。実際には、トランジスタM3を流れる、増加電流が、経路P1においてミラーチェーンによってミラーされ、強制される。ミラーチェーンは、トランジスタM6、M5およびM8から成り、トランジスタM6およびトランジスタM5を流れる電流を、トランジスタM8に対してミラーする。
入力が変化するとすぐに、負の入力端子IN1における電圧ステップが、第2の比較器ステージを、強制的に、しかし遅い経路P1が既に加速された開始点から、スイッチさせる。これは、2重ミラー構造によって導入される遅延を補うことを可能にする。
この目的で、図3によると、スイッチングトランジスタM11および電流ミラートランジスタM12が設けられ、これらは共に直列に接続され、差動増幅器の出力Voに結合されている。スイッチングトランジスタM11の制御入力は、第2の比較器ステージの出力OUTによって制御され、一方で、電流ミラートランジスタM12は、電流源I_tailによって制御される。電流ミラートランジスタM12は、スイッチオンされている場合、スイッチングトランジスタM11に続いて、電流aI_tailを供給する。
デューティーサイクル変化δCLKのための追加的な理由は、回路が動作する必要がある広い電圧範囲となり得る。まず、比較器を高速にし、かつ小さな入力変化を検知できるようにするために、テール電流I_tailは、入力トランジスタM1およびM2の利得に影響するので、つまり帯域幅に影響するので、十分に大きくなければならない。残念ながら、供給電圧VDDが、例えば<2.3Vのように非常に低い場合には、特に共通モード電圧VCMがその低い境界に近い場合に、大きな電流が、トランジスタM1およびM2の入力ペアを、それらの直線領域に押し進めることがある。この状態においては、大きなオフセットが導入され、従って、デューティーサイクル変化δCLKが増加する。
上述の弱い状況は、動作電流がRSDSよりも高いmLVDSインターフェイスに対しては、さらに悪化する。電流を供給電圧VDDに対するこの種のインターフェイスおよび共通モードレベルVCMに適合するための解決策は、大きなデューティーサイクル変化δCLKを強制的に避けることである。
供給電圧VDDが、トランジスタM2およびM3で固定されているしきい値電圧Vthreshよりも小さい場合、トランジスタには電流が流れず、“オン”信号を使用して、トランジスタM18をオンにスイッチすることができる。トランジスタM23を流れる追加的な電流Ixは、次いでゼロとなる。低い供給電圧VDDで電流を下げることは、一対の入力トランジスタM1およびM2が、それらの直線領域に達することを防止し、よってオフセットが増加する。
この目的で、電流源Ibiasを活用し、回路全体に亘って全ての必要な電流を提供させる。トランジスタM18を介してトランジスタM19およびM20から成る第1の電流ミラーに接続されている、この電流源は、ここでM22を流れるテール電流の電圧依存部を提供する。トランジスタM21およびM23から成る第2の電流ミラーは、入力トランジスタM1およびM2のためのテール電流の電圧非依存部を提供する。供給電圧VDDが、しきい値電圧Vthreshよりも低い場合、トランジスタM18は、スイッチオフされる。その後、補助電流Ibiasは、電流ミラートランジスタM19を流れず、従って、第2の電流ミラーM21,M23の出力での電流Ix=m×Ibiasは、供給されない。次いで、電流(n−m)×Ibiasは、トランジスタM22を流れる。
前述のように、低い供給電圧Vddでの入力ステージにおいて電流を減少させることにより、オフセット増加に寄与する入力トランジスタM1およびM2がそれらの直線領域に入ることを防ぐことができる。この後者のケースでは、入力ステージによるオフセットが大きい場合、比較器が最終結果を決定する瞬間は、デューティーサイクルが50%である理想のケースとは異なる。これが、オフセットを減少または除去さえさせるように、入力ステージで電流を下げなければならない理由である。
集積回路のための新規な比較器保護手段のために、いくつかの好適な実施形態を例示および説明したが、装置および方法における変形および修正を、本発明の核心または添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、行うことができることに留意すべきである。
図1は、従来技術に係る比較器の実施形態の概略図である。 図2は、本発明に係る比較器の第1の実施形態の概略図である。 図3は、本発明に係る比較器の第2の実施形態の概略図である。 図4は、本発明に係る比較器の第3の実施形態の概略図である。
符号の説明
IN1 第1の入力
IN2 第2の入力
VDD 供給電圧
GND グランドまたは基準電位
thresh しきい値電圧
Ibias バイアス電流
IOUT2 Al2の出力電流
M1 第1の入力トランジスタ
M2 第2の入力トランジスタ
M3 第1の負荷
M4 第2の負荷
M5〜M23 トランジスタ
AI 第1の電流増幅器
AI 第2の電流増幅器
P1 長い信号経路
P2 短い信号経路
O1 第1の比較器ステージの第1の出力
O2 第1の比較器ステージの第2の出力
OUT 第2の比較器ステージの出力

Claims (11)

  1. 比較器であって、
    比較器入力を形成する差動入力と、第1の比較器ステージの比較器出力を形成する第1および第2の増幅器出力とを有する、差動増幅器と、
    その入力が前記第1および第2の増幅器出力に接続され、その出力が前記第1の増幅器出力に接続されている、第1の差動電流増幅器と、
    その入力が前記第1および第2の増幅器出力に接続され、その出力が前記第2の増幅器出力に接続されている、第2の差動電流増幅器と、
    を備えることを特徴とする比較器。
  2. 第2の比較器ステージであって、入力が前記第1の比較器ステージの前記比較器出力に接続され、出力が当該第2の比較器ステージの比較器出力を形成する出力増幅器を有する、第2の比較器ステージをさらに備える、ことを特徴とする請求項1に記載の比較器。
  3. 制御入力が前記第2の比較器ステージの前記比較器出力に接続され、制御出力が前記差動増幅器の前記第1の増幅器出力に接続される、スイッチング手段をさらに備える、ことを特徴とする請求項2に記載の比較器。
  4. 前記スイッチング手段は、トランジスタである、ことを特徴とする請求項3に記載の比較器。
  5. 前記スイッチング手段は、その出力信号が前記第2の比較器ステージの前記比較器出力に到達するまでに長い時間が必要となる前記差動増幅器の出力に接続されている、ことを特徴とする請求項3または請求項4に記載の比較器。
  6. 前記スイッチング手段は、電流ミラートランジスタに直列に接続されており、前記電流ミラートランジスタは、前記スイッチング手段を流れる所定の電流を調整するために設けられている、ことを特徴とする請求項3、請求項4または請求項5に記載の比較器。
  7. 前記差動増幅器は、制御出力が補助電流源に接続されている第1および第2の入力トランジスタを備える、ことを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の比較器。
  8. 前記補助電流源は、電流ミラーを介して前記第1および第2の入力トランジスタに接続されている、ことを特徴とする請求項7に記載の比較器。
  9. 前記電流ミラーは、さらなる電流ミラーを介して前記第1および第2の入力トランジスタに接続されている、ことを特徴とする請求項8に記載の比較器。
  10. 前記補助電流源は、スイッチングトランジスタを介して前記電流ミラーに接続可能である、ことを特徴とする請求項9に記載の比較器。
  11. 前記スイッチングトランジスタは、供給電圧が特定の基準電圧よりも下がった場合にスイッチオンされるように設けられている、ことを特徴とする請求項10に記載の比較器。
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