KR100636989B1 - High-speed latch comparator - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래기술의 일예에 의한 비교기를 나타낸 회로도이다.1 is a circuit diagram showing a comparator according to one example of the prior art.
도 2는 일반적인 비교기의 입력파형에 대한 차동 출력을 나타낸 파형도이다. 2 is a waveform diagram illustrating a differential output with respect to an input waveform of a general comparator.
도 3은 본 발명에 의한 2단 고속 래치비교기를 도시한 회로도이다.3 is a circuit diagram showing a two-stage high speed latch comparator according to the present invention.
도 4는 본 발명에 의한 2단 고속 래치비교기의 입력 파형에 대한 차동 출력을 나타낸 파형도이다.4 is a waveform diagram showing a differential output with respect to the input waveform of the two-stage high speed latch comparator according to the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
110,120: 제 1 및 제 2 래치회로부110 and 120: first and second latch circuit portion
130,140: 제 1 및 제 2 입력회로부130, 140: first and second input circuit portion
150: 제 3 래치회로부150: third latch circuit portion
160,170: 제 1 및 제 2 공통전압유지부160,170: first and second common voltage holding unit
본 발명은 A/D변환기의 비교기에 관한 것으로, 특히 래치비교기가 비교기로서 동작을 하지 않는 반주기 클록 동안에도 '하이' 출력이 항상 일정하게 나오도록 함으로써, 고속 동작시 클록 스큐 현상이나 회로내의 지연시간 등으로 인해 타이밍이 맞지 않은 현상을 제거할 수 있는 2단 고속 래치비교기에 관한 것이다.The present invention relates to a comparator of an A / D converter. In particular, the 'high' output always remains constant even during a half-period clock when the latch comparator does not operate as a comparator. The present invention relates to a two-speed high speed latch comparator capable of eliminating timing mismatches.
아날로그-디지털 변환 기술(A/D변환기)은 일반적으로 동일 칩에서 아날로그와 디지털신호의 처리를 겸하는 것이 요구된다. 이는 CMOS 기술과 같은 MOS 기술에서 집적회로의 완성을 위해 적합하다. 회로의 수는 MOS 디바이스들을 갖는 변환기들의 디자인을 위해 개선되어 왔다.Analog-to-digital conversion technology (A / D converters) typically requires both analog and digital signal processing on the same chip. This is suitable for the completion of integrated circuits in MOS technology such as CMOS technology. The number of circuits has been improved for the design of converters with MOS devices.
종래기술로는 특허출원 제1998-30447호(A/D변환기의 시모스 비교기) 및 특허출원 제2000-84523호(명칭: 동작속도를 개선한 오토-제로 비교기) 등이 있으나, 이와 같은 종래기술들은 비교기 설계의 관점은 속도개선, 노이즈 감소에 의한 신뢰도 향상 그리고 저전력 설계에 초점을 맞추고 있는 것이다.Prior arts include Patent Application No. 1998-30447 (SMOS comparator for A / D converter) and Patent Application No. 2000-84523 (name: Auto-zero comparator with improved operating speed). The design of the comparator focuses on improving speed, improving reliability by reducing noise, and designing low power.
도 1은 종래기술의 일예에 의한 비교기를 나타낸 회로도이고, 도 2는 일반적인 비교기의 입력파형에 대한 차동 출력을 나타낸 파형도이다. 1 is a circuit diagram illustrating a comparator according to an example of the prior art, and FIG. 2 is a waveform diagram illustrating a differential output with respect to an input waveform of a general comparator.
비교기는 제 1 및 제 2 NMOS 차동쌍 회로(MN1, MN2), 십자로 연결되는 제 1 및 제 2 래치회로(MN3, MN4)(MP1, MP2), 리셋회로(MP3), 그리고 출력회로(INV1, INV2) 등으로 구성되어 있다. The comparator includes first and second NMOS differential pair circuits MN1 and MN2, first and second latch circuits MN3 and MN4 (MP1 and MP2), reset circuit MP3, and output circuit INV1, INV2) and the like.
상기 제 1 및 제 2 NMOS 차동쌍 회로(MN1, MN2)의 게이트는 제 1 입력신호(INPUT1)가 인가되는 제 1 입력단과 제 2 입력신호(INPUT2)가 인가되는 제 2 입력단에 각각 연결된다. 그리고 리셋회로(MP3)는 게이트로 클록신호(CLK)가 인가되고, 채널이 NMOS 트랜지스터들(MN1, MN2)의 드레인들에 대응되는 노드들(N1, N2) 사이에 형성되는 PMOS 트랜지스터(MP3)로 이루어져 있다.Gates of the first and second NMOS differential pair circuits MN1 and MN2 are respectively connected to a first input terminal to which the first input signal INPUT1 is applied and a second input terminal to which a second input signal INPUT2 is applied. In the reset circuit MP3, the clock signal CLK is applied to the gate, and the PMOS transistor MP3 having a channel formed between the nodes N1 and N2 corresponding to the drains of the NMOS transistors MN1 and MN2. Consists of
상기 제 1 래치회로(MN3, MN4)는 드레인들이 상기 리셋회로(MP3)의 양단에 각각 연결되고, 소오스는 상호 연결되는 NMOS 트랜지스터들(MN3, MN4)로 이루어져 있다. 상기 NMOS 트랜지스터들(MN3, MN4)의 게이트들은 타 NMOS 트랜지스터의 드레인에 각각 연결되어 십자 형태를 이루게 된다(cross coupled).The first latch circuits MN3 and MN4 are formed of NMOS transistors MN3 and MN4 having drains connected to both ends of the reset circuit MP3 and the sources connected to each other. Gates of the NMOS transistors MN3 and MN4 are cross coupled to the drains of other NMOS transistors, respectively.
다음으로, 제 2 래치회로는 소오스들이 전원 전압에 연결되고 드레인들이 상기 노드들(N1, N2)에 각각 연결되는 PMOS 트랜지스터들(MP1, MP2)로 이루어져 있다. 상기 PMOS 트랜지스터들(MP1, MP2)의 게이트는 타 PMOS 트랜지스터의 드레인에 대응되는 노드들(N1, N2)에 각각 연결되어 십자 형태를 이루게 된다. Next, the second latch circuit includes PMOS transistors MP1 and MP2 having sources connected to a power supply voltage and drains connected to the nodes N1 and N2, respectively. Gates of the PMOS transistors MP1 and MP2 are connected to nodes N1 and N2 corresponding to drains of other PMOS transistors, respectively, to form a cross shape.
상기 출력회로는 입력단이 상기 PMOS 트랜지스터들의 게이트가 연결되는 노드들에 각각 연결되는 인버터들(INV1, INV2)로 구성되어 있다.The output circuit is composed of inverters INV1 and INV2 having input terminals respectively connected to nodes to which gates of the PMOS transistors are connected.
이와 같이 구성된 비교기는 트래킹 모드(tracking mode)에서 '로우'레벨로 천이되는 클록신호(CLK)는 트랜지스터들(MP3, MN6, MN7)의 게이트로 각각 인가된다. 그 결과, PMOS 트랜지스터(MP3)만이 턴-온되고 나머지들(MN6, MN7)은 턴-오프된다. The comparator configured as described above is applied to the gates of the transistors MP3, MN6, and MN7, respectively, when the clock signal CLK, which transitions to the 'low' level in the tracking mode. As a result, only the PMOS transistor MP3 is turned on and the others MN6 and MN7 are turned off.
상기 PMOS 트랜지스터(MP3)는 '로우'레벨로 천이되는 클록신호(CLK)가 인가될 때 턴-온되어 노드들(N1, N2) 사이에 작은 저항으로서 작용한다. 이는 회로의 균형을 맞추기 위한 것으로서 바이어스 전류(bias current)가 크로스-커플된 래치회로의 NMOS 트랜지스터들(MN3, MN4)에 분배되어 흐른다. 이로 인해 회로 전체가 증폭기로서 동작하여 이득이 증가하게 된다.The PMOS transistor MP3 is turned on when the clock signal CLK transitioned to the 'low' level is applied and acts as a small resistance between the nodes N1 and N2. This is to balance the circuit and bias current is distributed to the NMOS transistors MN3 and MN4 of the cross-coupled latch circuit. This causes the entire circuit to act as an amplifier, increasing the gain.
다음으로, 클록신호(CLK)가 '하이'레벨로 천이될 때, PMOS 트랜지스터(MP3) 는 턴-오프된다. 입력 차동쌍인 NMOS 트랜지스터들(MN1, MN2)로부터의 차전류(differential current)는 노드들(N1, N2)의 차전압(differential voltage)에 기인된다. Next, when the clock signal CLK transitions to the 'high' level, the PMOS transistor MP3 is turned off. The differential current from the NMOS transistors MN1 and MN2, which are input differential pairs, is due to the differential voltages of the nodes N1 and N2.
차전압은 포지티브 증폭기(positive amplifier)에 의해 증폭된 것으로서 노드들(N1, N2)의 전압은 기준전압에 대한 입력 전압에 의해 미리 결정된 쪽으로 분기된다(diverge). 그 결과 노드들(N1, N2)의 전압 레벨은 더욱 증폭된다.The difference voltage is amplified by a positive amplifier so that the voltages of the nodes N1 and N2 diverge toward a predetermined value by the input voltage to the reference voltage. As a result, the voltage levels of the nodes N1 and N2 are further amplified.
일반적인 래치비교기의 경우 도 2와 같이 '하이' 출력시 클록이 반주기 동안만 '하이'로 나오고 나머지 반주기 동안은 '로우'로 떨어지게 된다.In the case of a general latch comparator, as shown in FIG. 2, when the output is 'high', the clock comes out as 'high' only for half a cycle and falls to 'low' for the other half cycle.
이와 같은 경우 한 주기가 1ns까지 떨어지는 고속 비교기에 있어서 이는 클록 스큐(skew) 등에 인한 오차를 유발하는 원인이 되었다.In this case, in a high speed comparator with one cycle falling to 1 ns, this causes an error due to clock skew.
따라서, 본 발명의 목적은 래치비교기가 비교기로서 동작을 하지 않는 반주기 클록 동안에도 '하이' 출력이 항상 일정하게 나오도록 함으로써, 고속 동작시 클록 스큐 현상이나 회로내의 지연시간 등으로 인해 타이밍이 맞지 않은 현상을 제거할 수 있는 2단 고속 래치비교기를 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to ensure that the 'high' output always comes out even during a half-period clock when the latch comparator does not operate as a comparator, so that timing is not corrected due to clock skew or delay time in a circuit during high speed operation. It is to provide a two-speed high speed latch comparator that can eliminate the phenomenon.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 수단은, 아날로그-디지털 변환기의 비교기에 있어서: 전원전압과 제 1 노드 및 제 2 노드 사이에 전류통로가 각 각 연결되며, 타측 드레인단에 게이트단이 연결되어 응답하는 제 1 래치회로부; 상기 제 1 노드와 접지전압 및 제 2 노드와 접지전압 사이에 전류통로가 각각 연결되며, 타측 드레인단에 게이트단이 연결되어 응답하는 제 2 래치회로부; 상기 제 1 노드와 접지전압 사이에 전류통로가 연결되되 제 2 래치회로부와 병렬로 설치되어 입력신호와 클록신호를 각각 제공받아 응답하는 제 1 입력회로부; 상기 제 2 노드와 접지전압 사이에 전류통로가 연결되되 제 2 래치회로부와 병렬로 설치되어 입력신호와 클록신호를 각각 제공받아 응답하는 제 2 입력회로부; 상기 전원전압과 제 1 출력단 및 제 2 출력단 사이에 전류통로가 각각 연결되되 타측 드레인단에 게이트단이 연결되며 제 1 래치회로부와 병렬로 연결된 제 3 래치회로부; 상기 제 1 출력단과 접지전압 사이에 전류통로가 연결되되, 상기 제 1 노드에 게이트단이 연결되어 응답하여 임계전압(threshold voltage)을 공통모드 전압에 가깝게 유지하는 제 1 공통전압유지부; 및 상기 제 2 출력단과 접지전압 사이에 전류통로가 연결되되, 상기 제 2 노드에 게이트단이 연결되어 응답하여 임계전압을 공통모드 전압에 가깝게 유지하는 제 2 공통전압유지부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.Technical means of the present invention for achieving the above object, in the comparator of the analog-to-digital converter: the current path is connected between the power supply voltage and the first node and the second node, respectively, the gate terminal is connected to the other drain end A first latch circuit portion that responds to the response; A second latch circuit unit having a current path connected between the first node and the ground voltage and a second node and the ground voltage, respectively, and having a gate terminal connected to the other drain terminal to respond; A first input circuit unit connected to a current path between the first node and a ground voltage and installed in parallel with a second latch circuit unit to receive and respond to an input signal and a clock signal, respectively; A second input circuit unit connected to the current path between the second node and the ground voltage and installed in parallel with the second latch circuit unit to receive and respond to input signals and clock signals, respectively; A third latch circuit unit having a current path connected between the power supply voltage and the first output terminal and the second output terminal, respectively, the gate terminal of which is connected to the other drain terminal, and connected in parallel with the first latch circuit unit; A first common voltage maintenance unit connected to the first output terminal and the ground voltage, and having a gate terminal connected to the first node to maintain a threshold voltage close to a common mode voltage; And a second common voltage maintaining unit connected to a current path between the second output terminal and the ground voltage, and having a gate terminal connected to the second node in response to maintain a threshold voltage close to a common mode voltage. It is done.
구체적으로, 상기 제 1 래치회로부는, 상기 전원전압과 제 1 노드 사이에 전류통로가 연결되고 상기 제 2 노드와 게이트단이 연결된 제 1 PMOS트랜지스터; 및 상기 전원전압과 제 2 노드 사이에 전류통로가 연결되고 상기 제 1 노드와 게이트단이 연결된 제 2 PMOS트랜지스터;로 이루어져 있고, 상기 제 2 래치회로부는, 상기 제 1 노드와 접지전압 사이에 전류통로가 연결되고 상기 제 2 노드와 게이트단이 연결된 제 1 NMOS트랜지스터; 및 상기 제 2 노드와 접지전압 사이에 전류통로가 연결되고 상기 제 1 노드와 게이트단이 연결된 제 2 NMOS트랜지스터;로 이루어진 것을 특징으로 한다.Specifically, the first latch circuit unit may include: a first PMOS transistor having a current path connected between the power supply voltage and the first node and having a gate terminal connected to the second node; And a second PMOS transistor having a current path connected between the power supply voltage and the second node and having the first node and a gate terminal connected thereto, wherein the second latch circuit part includes a current between the first node and the ground voltage. A first NMOS transistor having a passage connected thereto and a gate end connected to the second node; And a second NMOS transistor having a current path connected between the second node and a ground voltage and having the first node and a gate terminal connected thereto.
또한, 상기 제 1 입력회로부는, 상기 제 1 노드에 전류통로가 연결되되 제 1 NMOS트랜지스터와 병렬로 연결되어 클록신호를 제공받는 제 3 NMOS트랜지스터; 및 상기 제 3 NMOS트랜지스터의 소오스단과 접지전압 사이에 전류통로가 연결되되 입력신호를 제공받는 제 4 NMOS트랜지스터;로 이루어져 있고, 상기 제 2 입력회로부는, 상기 제 2 노드에 전류통로가 연결되되 제 2 NMOS트랜지스터와 병렬로 연결되어 클록신호를 제공받는 제 5 NMOS트랜지스터; 및 상기 제 5 NMOS트랜지스터의 소오스단과 접지전압 사이에 전류통로가 연결되되 입력신호를 제공받는 제 6 NMOS트랜지스터;로 이루어진 것을 특징으로 한다.The first input circuit unit may further include: a third NMOS transistor having a current path connected to the first node and connected in parallel with the first NMOS transistor to receive a clock signal; And a fourth NMOS transistor connected between a source terminal of the third NMOS transistor and a ground voltage and receiving an input signal, wherein the second input circuit unit includes a current path connected to the second node. A fifth NMOS transistor connected in parallel with the NMOS transistor to receive a clock signal; And a sixth NMOS transistor connected with a current path between the source terminal of the fifth NMOS transistor and a ground voltage and receiving an input signal.
상기 제 3 래치회로부는, 상기 전원전압과 제 1 출력단 사이에 전류통로가 연결되고 상기 제 2 출력단과 게이트단이 연결된 제 3 PMOS트랜지스터; 및 상기 전원전압과 제 2 출력단 사이에 전류통로가 연결되고 상기 제 1 출력단과 게이트단이 연결된 제 4 PMOS트랜지스터;로 이루어져 있고, 상기 제 1 공통전압유지부는, 상기 제 1 출력단에 전류통로가 연결되되 제 1 노드의 신호에 응답하는 제 7 NMOS트랜지스터; 및 상기 제 7 NMOS트랜지스터의 소오스단과 접지전압 사이에 전류통로가 연결되되 제 1 노드의 출력신호에 응답하는 제 8 NMOS트랜지스터;로 이루어져 있고, 상기 제 2 공통전압유지부는, 상기 제 2 출력단에 전류통로가 연결되되 제 2 노드의 신호에 응답하는 제 9 NMOS트랜지스터; 및 상기 제 9 NMOS트랜지스터의 소오스단과 접지전압 사이에 전류통로가 연결되되 제 2 노드의 신호에 응답하는 제 10 NMOS트랜지스터;로 이루어진 것을 특징으로 한다.The third latch circuit unit may include: a third PMOS transistor having a current path connected between the power supply voltage and the first output terminal and having a second output terminal and a gate terminal connected thereto; And a fourth PMOS transistor having a current path connected between the power supply voltage and the second output terminal and having a first output terminal and a gate terminal connected thereto, wherein the first common voltage holding unit has a current path connected to the first output terminal. A seventh NMOS transistor, the seventh NMOS transistor being responsive to the signal of the first node; And an eighth NMOS transistor having a current path connected between a source terminal of the seventh NMOS transistor and a ground voltage and responsive to an output signal of the first node. The second common voltage holding unit includes a current at the second output terminal. A ninth NMOS transistor coupled to the passage but responsive to a signal from a second node; And a tenth NMOS transistor connected to a current path between the source terminal of the ninth NMOS transistor and a ground voltage, and responding to a signal of a second node.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 살펴보고자 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명에 의한 2단 고속 래치비교기를 도시한 회로도이고, 도 4는 본 발명에 의한 2단 고속 래치비교기의 입력 파형에 대한 차동 출력을 나타낸 파형도로서, 제 1 래치회로부(110), 제 2 래치회로부(120), 제 1 입력회로부(130), 제 2 입력회로부(140), 제 3 래치회로부(150), 제 1 공통전압유지부(160) 및 제 2 공통전압유지부(170)로 이루어져 있다.3 is a circuit diagram illustrating a two-stage high speed latch comparator according to the present invention. FIG. 4 is a waveform diagram showing a differential output with respect to an input waveform of the two-stage high speed latch comparator according to the present invention. The second
상기 제 1 래치회로부(110)는 전원전압(VDD)과 제 1 노드(Nd1) 및 제 2 노드(Nd2) 사이에 전류통로가 각각 연결되며 타측 드레인단에 게이트단이 연결되어 응답하도록 구성되어 있고, 제 2 래치회로부(120)는 상기 제 1 노드(Nd1)와 접지전압(GND) 및 제 2 노드(Nd2)와 접지전압(GND) 사이에 전류통로가 연결되며 타측 드레인단에 게이트단이 연결되어 응답하도록 구성되어 있고, 제 1 입력회로부(130)는 상기 제 1 노드(Nd1)와 접지전압(GND) 사이에 전류통로가 연결되되 제 2 래치회로부(120)와 병렬로 설치되어 입력신호(inp)와 클록신호(clk)를 각각 제공받아 응답하도록 구성되어 있고, 제 2 입력회로부(140)는 상기 제 2 노드(Nd2)와 접지전압(GND) 사이에 전류통로가 연결되되 제 2 래치회로부(120)와 병렬로 설치되어 입력신호(inn)와 클록신호(clk)를 각각 제공받아 응답하도록 구성되어 있다.The first
그리고, 제 3 래치회로부(150)는 상기 전원전압(VDD)과 제 1 출력단(outp) 및 제 2 출력단(outn) 사이에 전류통로가 각각 연결되되 타측 드레인단에 게이트단이 연결되며 제 1 래치회로부(110)와 병렬로 연결되도록 구성되어 있고, 제 1 공통전압유지부(160)는 상기 제 1 출력단(outp)과 접지전압(GND) 사이에 전류통로가 연결되되 상기 제 1 노드(Nd1)에 게이트단이 연결되어 응답하여 임계전압(threshold voltage)을 공통모드 전압에 가깝게 유지하도록 연결되어 있고, 제 2 공통전압유지부(170)는 상기 제 2 출력단(outn)과 접지전압(GND) 사이에 전류통로가 연결되되 상기 제 2 노드(Nd2)에 게이트단이 연결되어 응답하여 임계전압(threshold voltage)을 공통모드 전압에 가깝게 유지하도록 구성되어 있다.In the third
상기 각 회로블록들의 세부 구성을 살펴보면 아래와 같다.Looking at the detailed configuration of each of the circuit blocks as follows.
상기 제 1 래치회로부(110)는 상기 전원전압(VDD)과 제 1 노드(Nd1) 사이에 전류통로가 연결되고 상기 제 2 노드(Nd2)와 게이트단이 연결된 제 1 PMOS트랜지스터(MP1), 및 상기 전원전압(VDD)과 제 2 노드(Nd2) 사이에 전류통로가 연결되고 상기 제 1 노드(Nd1)와 게이트단이 연결된 제 2 PMOS트랜지스터(MP2)로 이루어져 있고, 상기 제 2 래치회로부(120)는 상기 제 1 노드(Nd1)와 접지전압(GND) 사이에 전류통로가 연결되고 상기 제 2 노드(Nd2)와 게이트단이 연결된 제 1 NMOS트랜지스터(MN1), 및 상기 제 2 노드(Nd2)와 접지전압(GND) 사이에 전류통로가 연결되고 상기 제 1 노드(Nd1)와 게이트단이 연결된 제 2 NMOS트랜지스터(MN2)로 이루어져 있다.The first
상기 제 1 입력회로부(130)는 상기 제 1 노드(Nd1)에 전류통로가 연결되되 제 1 NMOS트랜지스터(MN1)와 병렬로 연결되어 클록신호(clk)를 제공받는 제 3 NMOS트랜지스터(MN3), 및 상기 제 3 NMOS트랜지스터(MN3)의 소오스단과 접지전압(GND) 사이에 전류통로가 연결되되 입력신호(inp)를 제공받는 제 4 NMOS트랜지스터(MN4)로 이루어져 있고, 제 2 입력회로부(140)는 상기 제 2 노드(Nd2)에 전류통로가 연결되되 제 2 NMOS트랜지스터(MN2)와 병렬로 연결되어 클록신호(clk)를 제공받는 제 5 NMOS트랜지스터(MN5), 및 상기 제 5 NMOS트랜지스터(MN5)의 소오스단과 접지전압(GND) 사이에 전류통로가 연결되되 입력신호(inn)를 제공받는 제 6 NMOS트랜지스터(MN6)로 이루어져 있다. A third NMOS transistor MN3 having a current path connected to the first node Nd1 and connected in parallel with a first NMOS transistor MN1 to receive a clock signal clk; And a fourth NMOS transistor MN4 having a current path connected between the source terminal of the third NMOS transistor MN3 and the ground voltage GND and receiving an input signal inp, and the second
그리고, 상기 제 3 래치회로부(150)는 상기 전원전압(VDD)과 제 1 출력단(outp) 사이에 전류통로가 연결되고 상기 제 2 출력단(outn)과 게이트단이 연결된 제 3 PMOS트랜지스터(MP3), 및 상기 전원전압(VDD)과 제 2 출력단(outn) 사이에 전류통로가 연결되고 상기 제 1 출력단(outp)과 게이트단이 연결된 제 4 PMOS트랜지스터(MP4)로 이루어져 있고, 제 1 공통전압유지부(160)는 상기 제 1 출력단(outp)에 전류통로가 연결되되 제 1 노드(Nd1)의 신호에 응답하는 제 7 NMOS트랜지스터(MN7), 및 상기 제 7 NMOS트랜지스터(MN7)의 소오스단과 접지전압(GND) 사이에 전류통로가 연결되되 제 1 노드(Nd1)의 출력신호에 응답하는 제 8 NMOS트랜지스터(MN8)로 이루어져 있고, 제 2 공통전압유지부(170)는 상기 제 2 출력단(outn)에 전류통로가 연결되되 제 2 노드(Nd2)의 신호에 응답하는 제 9 NMOS트랜지스터(MN9), 및 상기 제 9 NMOS트랜지스터(MN9)의 소오스단과 접지전압(GND) 사이에 전류통로가 연결되되 제 2 노드(Nd2)의 신호에 응답하는 제 10 NMOS트랜지스터(MN10)로 이루어져 있다.The third
상기 래치비교기는 아날로그 입력신호를 비교하여 '하이' 혹은 '로우'로 디 지털 회로에서 처리할 수 있는 신호레벨의 크기로 증폭시키는 역할을 하며, 일반적으로 A/D변환기에 적용되어 아날로그 회로의 최종단에 위치하게 된다. The latch comparator compares analog input signals and amplifies them to a level of signal level that can be processed in a digital circuit by 'high' or 'low', and is generally applied to an A / D converter so that the final It is located at the stage.
일반적인 래치비교기의 경우 상술한 도 2와 같이 출력으로 나온 '하이'신호는 클록의 반주기 동안만 디지털 '하이'신호 레벨인 예컨대, 1.8V의 공급전압으로 나오고 나머지 반주기 클록동안 0V 혹은 공통모드전압(1.8V 공급전압의 경우 0.9V임)으로 어느 일정 전압만큼 떨어지게 된다. 이는 고속비교기의 경우 점점 한 주기가 짧아지게 되고 고속 동작에서 클록 스큐(skew) 등에 인한 오차를 유발할 수 있게 된다.In the case of a general latch comparator, the 'high' signal outputted as shown in FIG. 2 described above is supplied with a digital 'high' signal level of 1.8 V, for example, only for a half cycle of a clock, and a voltage of 0 V or a common mode voltage (for a remaining half cycle clock). 1.8V supply voltage is 0.9V). In the case of the high speed comparator, one cycle becomes shorter and may cause errors due to clock skew in high speed operation.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명의 래치비교기는 제 1 래치회로부(110)와 제 2 래치회로부(120), 제 1 입력회로부(130) 및 제 2 입력회로부(140)로 이루어진 1단 회로부와, 제 3 래치회로부(150)와 제 1 공통전압유지부(160) 및 제 2 공통전압유지부(170)로 이루어진 2단 회로부를 결합 구성함에 따라 비교기의 동작을 하지 않는 반주기 클록 동안에도 '하이' 출력이 항상 일정하게 나오도록 함으로써, 고속 동작시 주기가 짧아져 클록 스큐 현상이나 회로내의 지연시간 등으로 인해 타이밍이 맞지 않은 현상을 제거하였고, 이로 인해 최종 디지털 출력이 50% 듀티 사이클을 가지고 정확한 등간격을 갖도록 하였으며, 최하위 LSB단(미 도시)에서도 정확한 디지털 출력이 나오도록 하였다.In order to solve this problem, the latch comparator includes a first stage circuit unit including a first
즉, 플래쉬 A/D변환기에서 비교기는 고속 동작을 위해 일반적으로 래치 비교기를 사용하는 데, 본 발명에서는 입력 트랜지스터(MN4, MN6), 클록 컨트롤 스위치(MN3, MN5), 인버터 체인으로 구성된 정궤환 회로(MN1, MN2, MP1, MP2)로 구성하였 고, 또한 고속 동작시 클록 스큐(skew)나 회로내의 지연시간에 의한 오차율을 줄이기 위하여 후단에 제 3 래치회로부(150)와 제 1 및 제 2 공통전압유지부(160, 170)의 회로를 추가하였다. That is, in the flash A / D converter, a comparator generally uses a latch comparator for high speed operation. In the present invention, a positive feedback circuit composed of input transistors MN4 and MN6, clock control switches MN3 and MN5, and an inverter chain is used. (MN1, MN2, MP1, MP2), and in order to reduce the error rate due to clock skew or delay time in the circuit during high-speed operation, the third
또한, 래치 비교기는 전단 증폭기의 출력을 샘플링하고 그 값을 디지털 단에서 요구하는 전압 레벨로 변환하는 역할을 하는 데, 본 발명에서는 두 번째 전단 증폭기의 뒷단의 래치에 이어 고속 래치비교기를 캐스코드(cascode) 형태로 연결하여 앞단에서의 0.7V의 전압 레벨을 디지털 신호처리가 가능하도록 신호를 증폭했으며, 에러율을 줄였다. 상기 에러율을 구하는 공식은 수학식 1과 같다.In addition, the latch comparator samples the output of the front end amplifier and converts the value to the voltage level required by the digital stage. In the present invention, a high speed latch comparator is used after the second end amplifier has a latch. Cascode type amplifies the signal to enable digital signal processing at the 0.7V voltage level at the front and reduces the error rate. The formula for calculating the error rate is shown in
단, A1은 전단 증폭기의 전압 이득, A2는 첫 번째 래치의 이득, T1, T2는 래치 각각의 정궤환 동작 시간(T/2), τ1, τ2 는 래치 각각의 재생 시간을 나타냄.Where A1 represents the voltage gain of the front-end amplifier, A2 represents the gain of the first latch, T1 and T2 represent the positive feedback operation time (T / 2) of each latch, and τ1 and τ2 represent the refresh time of each latch.
그럼, 본 발명에 의한 2단 래치비교기의 세부 구성 및 작동을 살펴보고자 한다.Then, it looks at the detailed configuration and operation of the two-stage latch comparator according to the present invention.
먼저, 2단 고속 래치비교기의 회로 구성은 입력스위치인 제 4 및 제 6 NMOS트랜지스터(MN4, MN6), 클록컨트롤 스위치인 제 3 및 제 5 NMOS트랜지스터(MN3, MN5), 인버터 체인으로 구성된 정궤환 제 1 및 제 2 래치회로부(MP1, MP2, MN1, MN2)로 구성되어 있으며, 고속 동작시 클록 스큐나 회로내의 지연시간에 의한 오차 율을 줄이기 위해 후단에 제 3 래치회로부(MP3, MP4)와 공통전압유지부(MN7∼MN10)를 추가하였다.First, the circuit configuration of the two-stage high speed latch comparator consists of the fourth and sixth NMOS transistors MN4 and MN6 as input switches, the third and fifth NMOS transistors MN3 and MN5 as clock control switches, and a positive feedback chain. The first and second latch circuits MP1, MP2, MN1, and MN2 have a third latch circuit (MP3, MP4) at the rear end to reduce the error rate due to clock skew or delay time in the circuit during high speed operation. Common voltage holding units MN7 to MN10 were added.
상기 래치비교기의 동작은 클록(clk)이 1일 때, 제 3 및 제 5 NMOS트랜지스터(MN3, MN5)는 턴-온되고, 제 4 및 제 6 NMOS트랜지스터(MN4, MN6)를 통해 입력신호(inp, inn)가 인버터 체인으로 구성된 정궤환 회로(MP1, MP2, MN1, MN2)로 들어오게 된다.In the operation of the latch comparator, when the clock clk is 1, the third and fifth NMOS transistors MN3 and MN5 are turned on, and the input signals (eg, through the fourth and sixth NMOS transistors MN4 and MN6) are turned on. inp and inn enter the positive feedback circuits MP1, MP2, MN1, and MN2 composed of inverter chains.
다음 클록(clk)이 0일 때 제 3 및 제 5 NMOS트랜지스터(MN3, MN5)는 턴-오프되고, 이전 반주기 동안에 입력된 신호는 정궤환 회로(MP1, MP2, MN1, MN2)에 순간 증폭되어 비교기의 출력단(Nd1, Nd2)으로 나오게 되고 클록(clk)의 반주기 안에 다시 복귀되어야 한다. When the next clock clk is 0, the third and fifth NMOS transistors MN3 and MN5 are turned off, and the signal input during the previous half cycle is instantaneously amplified by the positive feedback circuits MP1, MP2, MN1 and MN2. It comes out to the output terminals Nd1 and Nd2 of the comparator and must be returned again within half a period of the clock clk.
한편, 여기서 일반적으로 래치비교기는 아날로그 신호를 디지털 회로에서 처리할 수 있는 신호레벨의 크기로 증폭시키기 위해 아날로그 회로의 최종단에 위치하게 되는 데, 이 래치비교기의 출력으로 나온 '하이(high)'신호는 클록이 0일 때만 디지털 '하이'신호 레벨인 1.8V의 공급전압으로 나오고, 클록이 1일 때는 0V 혹은 공통모드 전압(1.8V 공급전압의 경우 0.9V)으로 어느 일정 전압만큼 떨어지게 된다. 이는 고속 비교기의 경우 점점 한주기가 짧아지게 되고, 또한 클록의 반주기 동안만 비교기의 출력이 '하이' 상태를 유지하게 되기 때문에 고속 동작에서 클록 스큐 등에 인한 오차를 유발할 수 있게 된다. 실제로 고속 A/D변환기에 적용시 최하위 LSB단에서는 이러한 이유로 신호동기화를 하더라도 코드가 정확하게 나오지 않고 에러가 발생하게 된다.On the other hand, in general, the latch comparator is positioned at the end of the analog circuit in order to amplify the analog signal to a signal level that can be processed by the digital circuit. Only when the clock is zero, the signal comes out at a supply voltage of 1.8V, the digital 'high' signal level, and when the clock is 1, it drops to a certain voltage to 0V or the common-mode voltage (0.9V for the 1.8V supply). In the case of the high speed comparator, one cycle becomes shorter, and the output of the comparator remains 'high' only for a half cycle of the clock, which may cause errors due to clock skew in high speed operation. In fact, when applied to a high speed A / D converter, even in the lowest LSB stage, even if signal synchronization occurs, the code does not come out correctly and an error occurs.
이러한 현상을 없애기 위해 본 발명의 비교기와 같이 후단에 회로(MP3∼MN10)를 추가하여 2단으로 구성한 것이다.In order to eliminate such a phenomenon, the circuits MP3 to MN10 are added to the rear stage like the comparator of the present invention and are configured in two stages.
제 7 NMOS트랜지스터 내지 제 10 NMOS트랜지스터(MN7∼MN8, MN9∼MN10)와 같이 두개의 트랜지스터를 직렬로 연결하여 임계전압을 공통모드 전압에 가깝게 유지함으로써, 도 4와 같이 비교기의 출력(outp, outn)이 클록(clk)에 대해 비활성일 때에도 전압을 '하이'신호 혹은 '로우'신호로 유지함으로써, 모든 클록(clk)에 대해 계속 '하이'신호 혹은 '로우'신호가 나오게 하였다. By connecting two transistors in series such as the seventh to tenth NMOS transistors MN7 to MN8 and MN9 to MN10 to maintain the threshold voltage close to the common mode voltage, the output of the comparator (outp, outn) as shown in FIG. By keeping the voltage as a 'high' signal or a 'low' signal even when the clock is inactive with respect to the clock clk, the signal 'high' or 'low' is continuously generated for all the clocks clk.
예를 들어, 제 7 및 제 8 NMOS트랜지스터(MN7, MN8)의 입력으로 '로우'신호가 들어가고, 제 9 및 제 10 NMOS트랜지스터(MN9, MN10)는 입력으로 '하이'신호가 들어갈 경우 제 7 및 제 8 NMOS트랜지스터(MN7, MN8)는 턴-오프되고, 제 9 및 제 10 NMOS트랜지스터(MN9, MN10)는 턴-온되어 제 2 출력단(outn)으로 '로우'신호인 0V가 나오게 되고, 제 3 PMOS트랜지스터(MP3)가 턴-온되고 제 4 PMOS트랜지스터(MP4)가 턴-오프되게 되어 제 1 출력단(outp)으로 '하이'신호인 1.8V가 나오게 된다. For example, when the 'low' signal enters the inputs of the seventh and eighth NMOS transistors MN7 and MN8, and the ninth and tenth NMOS transistors MN9 and MN10 enter the 'high' signal, the seventh. And the eighth NMOS transistors MN7 and MN8 are turned off, and the ninth and tenth NMOS transistors MN9 and MN10 are turned on so that a 'low' signal 0V is output to the second output terminal (outn). Since the third PMOS transistor MP3 is turned on and the fourth PMOS transistor MP4 is turned off, the high voltage signal 1.8V is output to the first output terminal outp.
따라서, 고속 동작시 주기가 짧아져 클록 스큐 현상이나 회로내의 지연시간 등으로 인해 타이밍이 맞지 않은 현상을 제거하였고, 이로 인해 최종 디지털 출력이 50% 듀티 사이클을 가지고 정확한 등간격을 갖도록 하였으며, 최하위 LSB단에서도 정확한 디지털 출력이 나오도록 하였다. As a result, the period is shortened during high-speed operation, eliminating timing mismatch due to clock skew or delay time in the circuit.This resulted in the final digital output having 50% duty cycle and accurate equal intervals. However, accurate digital output is also provided.
상기에서 본 발명의 특정한 실시예가 설명 및 도시되었지만, 본 발명이 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같 은 변형된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명에 첨부된 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.While specific embodiments of the present invention have been described and illustrated above, it will be apparent that the present invention may be embodied in various modifications by those skilled in the art. Such modified embodiments should not be understood individually from the technical spirit or the prospect of the present invention, but should fall within the claims appended to the present invention.
따라서, 본 발명에서는 래치비교기가 비교기로서 동작을 하지 않는 반주기 클록 동안에도 '하이' 출력이 항상 일정하게 나오도록 함으로써, 고속 동작시 클록 스큐 현상이나 회로내의 지연시간 등으로 인해 타이밍이 맞지 않은 현상을 제거하여 고속 동작시에도 정확하고 신뢰성있는 래치비교기를 제공할 수 있는 이점이 있다.Therefore, in the present invention, the 'high' output always remains constant even during the half-period clock when the latch comparator does not operate as a comparator, thereby preventing timing mismatch due to clock skew or delay time in a circuit during high speed operation. This eliminates the advantage of providing an accurate and reliable latch comparator even at high speeds.
Claims (8)
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CN113364435A (en) * | 2020-03-04 | 2021-09-07 | 北京钛方科技有限责任公司 | Latch comparator circuit and latch comparison implementation method |
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- 2005-05-23 KR KR1020050043141A patent/KR100636989B1/en not_active IP Right Cessation
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