專(zhuān)利名稱(chēng)：具有對(duì)稱(chēng)電路布局的電壓比較器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電壓比較器電路，并且具體地說(shuō)，涉及一種適于高速差動(dòng)信號(hào)接口的電壓比較器電路。
背景技術(shù)：
差動(dòng)信號(hào)傳送是一種公知的用于獲得高速信號(hào)接口的方法。例如，RSDSTM(縮減擺幅差動(dòng)信號(hào)傳送)和迷你LVDSTM(低壓差動(dòng)信號(hào)傳送)將要被標(biāo)準(zhǔn)化為L(zhǎng)CD(液晶顯示器)裝置內(nèi)的LCD驅(qū)動(dòng)器與定時(shí)控制器之間的接口連接方案。
用于差動(dòng)信號(hào)傳送的接收機(jī)電路通常將電壓比較器電路與差動(dòng)輸入結(jié)合在一起。由差動(dòng)信號(hào)接收機(jī)接收到的差動(dòng)信號(hào)的頻率通常在RSDSTM情況下為大約85MHz，并且在迷你LVDSTM情況下大約為200MHz。差動(dòng)信號(hào)的差模信號(hào)分量的幅度大約為±50mV，并且共模信號(hào)分量的幅度范圍從0.3V到VDD-0.5V，其中VDD是電源電壓。接收機(jī)電路內(nèi)的電壓比較器電路必須滿(mǎn)足上述規(guī)格。然而，利用目前發(fā)布的電路配置，難以同時(shí)滿(mǎn)足共模信號(hào)分量和工作速度的規(guī)格。
適于差動(dòng)信號(hào)的電壓比較器電路通?；诓顒?dòng)放大器布局。圖1是圖示了日本早期公開(kāi)專(zhuān)利申請(qǐng)(JP-A-Heisei，03-62712)中所公開(kāi)的差動(dòng)放大器電路的結(jié)構(gòu)的電路圖。傳統(tǒng)的差動(dòng)放大器電路具有第一和第二差動(dòng)晶體管對(duì)DF11和DF12、第一至第五電流鏡電路CM11至CM15、以及第一和第二恒流源I11和I12。
第一差動(dòng)晶體管對(duì)DF11由第一和第二P溝道MOS晶體管MP11和MP12組成。相應(yīng)地，第二差動(dòng)晶體管對(duì)DF12由第一和第二N溝道MOS晶體管MN11和MN12組成。
第一電流鏡電路CM11的輸入端連接到第一P溝道MOS晶體管MP11的漏極，公共端連接到接地端(VSS端)，并且輸出端連接到第五電流鏡電路CM15的輸入端。另一方面，第二電流鏡電路CM12的輸入端連接到第二P溝道MOS晶體管MP12的漏極，公共端連接到VSS端，并且輸出端連接到差動(dòng)放大器電路的輸出端OUT。
第三電流鏡電路CM13的輸入端連接到第一N溝道MOS晶體管MN11的漏極，公共端連接到電源端(VDD端)，并且輸出端連接到第二P溝道MOS晶體管MP12并且還連接到第二電流鏡電路CM12的輸入端。第四電流鏡電路CM14的輸入端連接到第二N溝道MOS晶體管MN12的漏極，公共端連接到VDD端，并且輸出端連接到第一電流鏡電路CM11的輸入端并且還連接到第一P溝道MOS晶體管MP11的漏極。最后，第五電流鏡電路CM15的輸入端連接到第一電流鏡電路CM11的輸出端，公共端連接到VDD端，并且輸出端連接到第二電流鏡電路CM12的輸出端并且還連接到差動(dòng)放大器電路的輸出端OUT。
第一恒流源I11連接在VDD端與第一和第二P溝道MOS晶體管MP11和MP12共同連接的源極之間。第二恒流源I12連接在VSS端與第一和第二N溝道MOS晶體管MN11和MN12共同連接的源極之間。
第一P溝道MOS晶體管MP11和第一N溝道MOS晶體管MN11的柵極共同連接到差動(dòng)放大器電路的反相輸入端In-。相應(yīng)地，第二P溝道MOS晶體管MP12和第二N溝道MOS晶體管MN12的柵極共同連接到非反相輸入端In+。
下面給出圖1所示的傳統(tǒng)差動(dòng)放大器電路的操作分析。
首先，參考圖2和3描述差動(dòng)晶體管對(duì)的基本操作。圖2示出了差動(dòng)晶體管對(duì)的基本電路配置，并且圖3示出了差動(dòng)晶體管對(duì)的輸入-輸出特性。所研究的差動(dòng)晶體管對(duì)由源極共同連接的N溝道MOS晶體管MN21和MN22組成。用于提供電流Iss的恒流源ISS連接在共同連接的源極與VSS端之間。當(dāng)分別向N溝道MOS晶體管MN21和MN22提供一組DC電壓Vi1和Vi2時(shí)，下列公式(1)成立Vi1-VGS1+VGS2-Vi2＝0 …(1)其中，VGS1和VGS2分別是N溝道MOS晶體管MN21和MN22的柵源電壓。
另外，柵源電壓VGS1和VGS2由下列公式表示
β=WLμC0---(2)]]>VGS12Id1β+VT---(3)]]>VGS2=2Id2β+VT---(4)]]>其中，Id1和Id2分別是通過(guò)MOS晶體管MN21和MN22的漏極電流，并且W和L分別是N溝道MOS晶體管MN21和MN22的柵極寬度和長(zhǎng)度；μ是遷移率，并且C0是每單位面積的柵極氧化膜電容；最后，VT是N溝道MOS晶體管MN21和MN22的閾值電壓。
根據(jù)公式(1)至(4)，輸入電壓Vi1和Vi2之間的最小電壓差ΔVid(此時(shí)，來(lái)自恒流源ISS的全部偏置電流Iss只流過(guò)N溝道MOS晶體管MN21)由如下公式(5)表示ΔVid=Vi1-Vi2(2ISSβ+VT)-VT=2ISSβ---(5)]]>下面，將公共柵源電壓VGSO定義為Vi1＝Vi2時(shí)N溝道MOS晶體管MN21和MN22的柵源電壓。因?yàn)橥ㄟ^(guò)N溝道MOS晶體管MN21和MN22的漏極電流Id1和Id2每個(gè)都等于偏置電流Iss的一半，所以公共柵源電壓VGSO由如下公式(6)表示VGS0=ISSβ+VT---(6)]]>根據(jù)公式(5)和(6)，差動(dòng)晶體管對(duì)適當(dāng)工作的最小電壓差ΔVid表示如下ΔVid=2(VGS0-VT)---(7)]]>公式(7)表示在差動(dòng)晶體管對(duì)內(nèi)偏置電流只流過(guò)一個(gè)MOS晶體管的情況。
這樣，當(dāng)輸入電壓差等于或大于公式(7)所定義的值時(shí)，在差動(dòng)晶體管對(duì)內(nèi)，偏置電流只流過(guò)一個(gè)晶體管，而不流過(guò)另一晶體管。這種操作是比較器操作的基本原理。差動(dòng)晶體管對(duì)表現(xiàn)出圖3所示的輸入-輸出特性；水平軸代表輸入電壓Vi1和Vi2之間的電壓差，并且垂直軸代表通過(guò)N溝道MOS晶體管MN21和MN22的漏極電流。
應(yīng)該注意，取決于與差動(dòng)晶體管對(duì)相連接的下一電路級(jí)的配置，當(dāng)電壓差等于或低于公式(7)所定義的值時(shí)，足以獲得比較器操作；這是因?yàn)椴顒?dòng)晶體管對(duì)具有足夠的增益。
接著，下面分析圖1中的傳統(tǒng)差動(dòng)放大器電路。圖1所示的電路響應(yīng)于輸入電壓電平，以工作于三種操作模式中的選中一種(1)第一和第二差動(dòng)晶體管對(duì)DF11和DF12都激活的操作模式；(2)只有第一差動(dòng)晶體管對(duì)DF11激活的操作模式；以及(3)只有第二差動(dòng)晶體管對(duì)DF12激活的操作模式。
(1)第一和第二差動(dòng)晶體管對(duì)DF11和DF12都激活時(shí)的情形當(dāng)滿(mǎn)足如下公式所定義的條件時(shí)，第一和第二差動(dòng)晶體管對(duì)DF11和DF12都激活VDD-(VGS(MP)+VDS(sat)(I11))＞Vin＞VGS(MN)+VDS(sat)(I12)…(8)其中，Vin是分別提供給反相和非反相輸入端In-和In+的輸入電壓Vin-和Vin+中任意一個(gè)；VGS(MP)是P溝道MOS晶體管MP11或MP12的柵源電壓，并且VGS(MN)是N溝道MOS晶體管MN11或MN12的柵源電壓；VDS(sat)(I11)是在電流源I11內(nèi)的P溝道MOS晶體管(未示出)飽和時(shí)的漏源電壓；并且VDS(sat)(I12)是在電流源I12內(nèi)的N溝道MOS晶體管(未示出)飽和時(shí)的漏源電壓。應(yīng)該注意，MOS晶體管飽和時(shí)的漏源電壓剛剛足以讓MOS晶體管工作于五極管(pentode)區(qū)域。
(1-a)Vin-＞Vin+時(shí)的操作首先，描述輸入電壓Vin-高于輸入電壓Vin+并且輸入電壓Vin-和Vin+之間差大于公式(7)所定義的電壓ΔVid的情形。應(yīng)該注意，輸入電壓Vin-和Vin+被分別定義為施加于反相輸入端In-和非反相輸入端In+的電壓。在這種情形中，差動(dòng)放大器電路執(zhí)行電壓比較器操作，于是偏置電流I1只流過(guò)差動(dòng)晶體管對(duì)DF11內(nèi)的P溝道MOS晶體管MP12；通過(guò)第一P溝道MOS晶體管MP11的電流為零。相應(yīng)地，偏置電流I2只流過(guò)差動(dòng)晶體管對(duì)DF12內(nèi)的N溝道MOS晶體管MN11，并且通過(guò)N溝道MOS晶體管MN12的電流為零。
在這種情形中，每個(gè)電流鏡電路如下操作。電流鏡電路CM13所產(chǎn)生的輸出電流的電平等同于偏置電流I2的電平，因?yàn)镹溝道MOS晶體管MN11允許偏置電流I2從電流鏡電路CM13的輸入端流出；應(yīng)該注意，被稱(chēng)作每個(gè)電流鏡電路的每個(gè)方框上所附加的圓圈代表輸入端。第二電流鏡電路CM12接收到的輸入電流是第二P溝道MOS晶體管MP12的漏極電流I1與第三電流鏡電路CM13的輸出電流I2加在一起的和。電流鏡電路CM12被設(shè)計(jì)為具有鏡像比k；即，電流鏡電路CM12產(chǎn)生的輸出電流電平是輸入到其中的輸入電流電平的k倍。因此，電流鏡電路CM12的輸出電流IO(CM12)由如下公式表示IO(CM12)＝k(I1+I2)…(9)另一方面，電流鏡電路CM14的輸入電流為零，因?yàn)橥ㄟ^(guò)N溝道MOS晶體管MN12的電流為零。這導(dǎo)致電流鏡電路CM14的輸出電流被設(shè)置為零。另外，電流鏡電路CM11接收的輸入電流是電流鏡電路CM14的輸出電流和P溝道MOS晶體管MP11的漏極電流加在一起的和。電流鏡電路CM14的輸出電流和P溝道MOS晶體管MP11的漏極電流都是零，因此，電流鏡電路CM11的輸入電流也是零。因此，電流鏡電路CM11的輸出電流被設(shè)置為零。因?yàn)殡娏麋R電路CM11的輸出電流為零，所以電流鏡電路CM15的輸入電流為零，因此電流鏡電路CM15的輸出電流也是零。
從前面的描述可以理解，由于電流鏡電路CM12的操作，差動(dòng)放大器電路的操作從輸出端OUT抽取電流。輸出端OUT上的電流電平IOUT由如下公式表示IOUT＝k(I1+I2)…(10)這導(dǎo)致輸出端OUT上的電壓電平被下拉到低電平(GND)。
(1-b)Vin-＜Vin+時(shí)的操作接著，描述輸入電壓Vin+高于輸入電壓Vin-并且輸入電壓Vin+和Vin-之間差等于或大于公式(7)所定義的值的情形。在這種情形中，差動(dòng)放大器電路執(zhí)行比較器電路操作，因此偏置電流I1只流過(guò)差動(dòng)晶體管對(duì)DF11內(nèi)的P溝道MOS晶體管MP11，并且通過(guò)P溝道MOS晶體管MP12的電流被設(shè)置為零。相應(yīng)地，偏置電流I2只流過(guò)差動(dòng)晶體管對(duì)DF12內(nèi)的N溝道MOS晶體管MN12，并且通過(guò)N溝道MOS晶體管MN11的電流被設(shè)置為零。
在這種情形中，每個(gè)電流鏡電路如下操作。電流鏡電路CM14所產(chǎn)生的輸出電流的電平等同于偏置電流I2的電平，因?yàn)镹溝道MOS晶體管MN12允許偏置電流I2從電流鏡電路CM14的輸入端流出。電流鏡電路CM11接收到的輸入電流是P溝道MOS晶體管MP11的漏極電流I1與電流鏡電路CM14的輸出電流I2加在一起的和。因此，電流鏡電路CM11的輸出電流IO(CM11)由如下公式表示IO(CM11)＝I1+I2…(11)電流鏡電路CM11的輸出與電流鏡電路CM15的輸入連接在一起，因此電流鏡電路CM15的輸入電流是(I1+I2)。電流鏡電路CM15被設(shè)計(jì)為具有鏡像比k；即，電流鏡電路CM15產(chǎn)生的輸出電流的電平是輸入到其中的輸入電流電平的k倍。因此，電流鏡電路CM15的輸出電流IO(CM15)由如下公式表示IO(CM15)＝k(I1+I2)…(12)另一方面，電流鏡電路CM13的輸入電流為零，因?yàn)镹溝道MOS晶體管MN11的漏極電流被設(shè)置為零。因此，電流鏡電路CM13的輸出電流也被設(shè)置為零。電流鏡電路CM12接收的輸入電流是電流鏡電路CM13的輸出電流和P溝道MOS晶體管MP12的漏極電流加在一起的和。因?yàn)檫@些電流都是零，所以電流鏡電路CM12的輸入電流是零，并且其輸出電流也被設(shè)置為零。
根據(jù)前面的描述，由于電流鏡電路CM15的操作，差動(dòng)放大器電路進(jìn)行操作，以從輸出端OUT提供電流。輸出端OUT上產(chǎn)生的電流IOUT由如下公式表示IOUT＝k(I1+I2)…(13)這導(dǎo)致輸出端OUT上的電壓電平被上拉到高電平(VDD)。
總之，當(dāng)?shù)谝缓偷诙顒?dòng)晶體管對(duì)DF11和DF12都激活時(shí)，響應(yīng)于反相輸入端In-和非反相輸入端In+之間的電壓電平差，差動(dòng)放大器電流進(jìn)行操作，以抽取或提供通過(guò)輸出端的電流IOUT。輸出端OUT上的電流電平由公式(10)和(13)表示。
(2)只有第一差動(dòng)晶體管對(duì)DF11激活時(shí)的情形當(dāng)輸入電壓Vin-和Vin+滿(mǎn)足如下公式所定義的條件時(shí)，只有第一差動(dòng)晶體管對(duì)DF11激活0＜Vin＜VGS(MN)+VDS(sat)(I12)…(14)其中，VGS(MN)是N溝道MOS晶體管MN11或MN12的柵源電壓，并且VDS(sat)(I12)是在電流源I12內(nèi)的N溝道MOS晶體管(未示出)飽和時(shí)的漏源電壓。
在這種輸入電壓范圍中，在恒流源I12內(nèi)的MOS晶體管兩端沒(méi)有建立足夠的漏源電壓，因此偏置電流I2被設(shè)置為零。結(jié)果，差動(dòng)晶體管對(duì)DF12沒(méi)有激活。
(2-a)Vin-＞Vin+時(shí)的操作首先，描述輸入電壓Vin-高于輸入電壓Vin+并且輸入電壓Vin-和Vin+之間差等于大于公式(7)所定義的最小電壓差ΔVid的情形。在這些條件下，偏置電流I1只流過(guò)差動(dòng)晶體管對(duì)DF11內(nèi)的P溝道MOS晶體管MP12，因此通過(guò)第一P溝道MOS晶體管MP11的電流為零。另外，通過(guò)差動(dòng)晶體管對(duì)DF12的偏置電流I2為零。
在這種情形中，每個(gè)電流鏡電路如下操作沒(méi)有電流流過(guò)電流鏡電路CM13和CM14，因?yàn)槠秒娏鱅2為零。電流鏡電路CM11的輸入電流被設(shè)置為零，因?yàn)殡娏麋R電路CM14的輸出電流以及P溝道MOS晶體管MP11的漏極電流為零。因此，電流鏡電路CM11的輸出電流(與電流鏡電路CM15的輸入電流相同)也被設(shè)置為零。因?yàn)殡娏麋R電路CM15的輸入電流為零，所以其輸出電流也被設(shè)置為零。
另一方面，電流鏡電路CM12接收差動(dòng)晶體管對(duì)DF11內(nèi)P溝道MOS晶體管MP12的漏極電流，而電流鏡電路CM13的輸出電流為零。即，電流鏡電路CM12的輸入電流與P溝道MOS晶體管MP12的漏極電流I1相同，因此電流鏡電路CM12產(chǎn)生的輸出電流的電平是該輸入電流電平的k倍。因此，由于電流鏡電路CM12的操作，差動(dòng)放大器電路進(jìn)行操作，以從輸出端OUT抽取電流。輸出端OUT上的電流電平IOUT等于k·I1，并且輸出端OUT上的輸出電壓被下拉到低電平(GND)。
(2-b)Vin-＜Vin+時(shí)的操作接著，描述輸入電壓Vin+高于輸入電壓Vin-并且輸入電壓Vin+和Vin-之間差等于或大于公式(7)所定義的最下電壓差的情形。在這些條件下，偏置電流I1只流過(guò)差動(dòng)晶體管對(duì)DF11內(nèi)的P溝道MOS晶體管MP11，并且通過(guò)P溝道MOS晶體管MP12的電流為零。另外，差動(dòng)晶體管對(duì)DF12的偏置電流I2為零。
在這種情形中，每個(gè)電流鏡電路如下操作沒(méi)有電流流過(guò)電流鏡電路CM13和CM14，因?yàn)椴顒?dòng)晶體管對(duì)DF12的偏置電流I2為零。因?yàn)殡娏麋R電路CM13的輸出電流以及P溝道MOS晶體管MP12的漏極電流都是零，所以電流鏡電路CM12的輸入電流也是零，并且電流鏡電路CM12的輸出電流被設(shè)置為零。
另一方面，電流鏡電路CM11接收差動(dòng)晶體管對(duì)DF11內(nèi)P溝道MOS晶體管MP11的漏極電流，而電流鏡電路CM14的輸出電流為零。即，電流鏡電路CM11的輸入電流與P溝道MOS晶體管MP11的漏極電流I1相同，并且電流鏡電路CM12產(chǎn)生的輸出電流的電平與該輸入電流I1的電平相同，該電流被提供給電流鏡電路CM15的輸入端。
電流鏡電路CM15在輸入端接收電流鏡電路CM11的輸出電流，因此產(chǎn)生電流電平是向其輸入的輸入電流電平k倍的輸出電流。由于電流鏡電路CM15的操作，差動(dòng)放大器電路從輸出端OUT提供電流。輸出端OUT上的電流電平IOUT等于k·I1。這導(dǎo)致輸出端OUT上的電壓電平被上拉到高電平(VDD)。
總之，差動(dòng)放大器電路響應(yīng)于反相輸入端In-和非反相輸入端In+之間的輸入電壓差，進(jìn)行操作，以抽取或提供通過(guò)輸出端OUT的電流。在兩種情形中，輸出端OUT上的電流電平都由如下公式表示IOUT＝KI1…(15)(3)只有第二差動(dòng)晶體管對(duì)DF12激活時(shí)的情形當(dāng)輸入電壓Vin-和Vin+滿(mǎn)足如下公式所定義的條件時(shí)，只有第二差動(dòng)晶體管對(duì)DF12激活VDD＞Vin＞VDD-(VGS(MP)+VDS(sat(I11)…(16)其中，VGS(MP)是P溝道MOS晶體管MP11或MP12的柵源電壓，并且VDS (sat)(I11)是在電流源I11內(nèi)的P溝道MOS晶體管(未示出)飽和時(shí)的漏源電壓。
在這種輸入電壓范圍中，在恒流源I12內(nèi)的MOS晶體管兩端沒(méi)有建立足夠的漏源電壓，因此偏置電流I2被設(shè)置為零。結(jié)果，差動(dòng)晶體管對(duì)DF11沒(méi)有激活。
通過(guò)與前面相同的分析，相應(yīng)地獲得輸出端OUT上的電流電平，并且無(wú)論差動(dòng)放大器電路操作來(lái)抽取還是提供通過(guò)輸出端的電流，輸出端OUT上的電流電平都由如下公式表示IOUT＝KI2…(17)上述分析證明了差動(dòng)放大器電路的驅(qū)動(dòng)能力直接取決于提供給差動(dòng)晶體管對(duì)的偏置電流；增加驅(qū)動(dòng)能力要求增加偏置電流。另外，輸出端上產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)電流用來(lái)對(duì)與差動(dòng)放大器電路的輸出端OUT相連接的負(fù)載電容進(jìn)行充電或放電。因此，差動(dòng)放大器電路的操作速度取決于偏置電流。換言之，提高差動(dòng)放大器電路的操作速度需要增加差動(dòng)輸入端的偏置電流。
接著，在下面分析圖1所示的差動(dòng)放大器電路的功耗。
當(dāng)輸入電壓Vin-高于輸入電壓Vin+并且輸入電壓Vin-和Vin+之間差等于大于公式(7)所定義的最小電壓差ΔVid時(shí)，電源VDD向恒流源I11提供電流電平為I1的偏置電流，并且還向電流鏡電路CM13的公共端提供電流電平為2·I2的電流。因此，如果忽略通過(guò)輸出端OUT的電流，則總的靜態(tài)功耗P(Total)由如下公式表示P(Total)＝VDD(I1+2I2)…(18)另一方面，當(dāng)輸入電壓Vin-低于輸入電壓Vin+并且輸入電壓Vin-和Vin+之間差等于大于公式(7)所定義的最小電壓差ΔVid時(shí)，電源VDD向恒流源I11提供電流電平為I1的偏置電流，向電流鏡電路CM14的公共端提供電流電平為2·I2的電流，并且向電流鏡電路CM15的輸入端提供電流電平為I1+I2的電流。因此，如果忽略通過(guò)輸出端OUT的電流，則總的靜態(tài)功耗P(Total)由如下公式表示P(Total)＝VDD(2I1+3I2)…(19)圖1所示的傳統(tǒng)差動(dòng)放大器存在多個(gè)缺點(diǎn)。首先，提高操作速度需要增加恒流源I11和I12產(chǎn)生的偏置電流。
另外，傳統(tǒng)差動(dòng)放大器的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜；例如，傳統(tǒng)差動(dòng)放大器內(nèi)的兩組差動(dòng)晶體管對(duì)DF11和DF12必然需要執(zhí)行更多的電流鏡像步驟。
此外，更多的電流鏡電路響應(yīng)于恒流源I11和I12所分發(fā)的偏置電流，產(chǎn)生輸出電流，這不受歡迎地增加了功耗。
另外，沿著從差動(dòng)晶體管對(duì)DF11到輸出端OUT的信號(hào)路徑以及沿著從差動(dòng)晶體管對(duì)DF12到輸出端OUT的另一信號(hào)路徑存在不同數(shù)目的晶體管。即，從晶體管對(duì)DF12開(kāi)始的信號(hào)路徑需要額外的一個(gè)電流鏡像步驟(通過(guò)使用電流鏡電路CM13或CM14)，來(lái)產(chǎn)生輸出電流，以加入到與差動(dòng)晶體管對(duì)DF11相關(guān)聯(lián)的輸出電流中。換言之，從差動(dòng)晶體管對(duì)DF12到輸出端OUT的信號(hào)路徑比從差動(dòng)晶體管對(duì)DF11開(kāi)始的信號(hào)路徑長(zhǎng)。這意味著傳統(tǒng)的差動(dòng)晶體管電路在只有差動(dòng)晶體管對(duì)DF11激活的情形中與只有差動(dòng)晶體管對(duì)DF12激活的情形中表現(xiàn)出不同的特性。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個(gè)方面中，一種電壓比較器電路由接收一對(duì)輸入信號(hào)以在輸出端產(chǎn)生輸出信號(hào)的差動(dòng)放大器電路以及對(duì)從差動(dòng)放大器接收到的輸出信號(hào)進(jìn)行波形整形的波形整形電路組成。差動(dòng)放大器電路包括響應(yīng)于一對(duì)輸入信號(hào)以輸出第一和第二輸出電流的第一差動(dòng)晶體管對(duì)；與第一差動(dòng)晶體管對(duì)互補(bǔ)并且響應(yīng)于一對(duì)輸入信號(hào)以輸出第三和第四輸出電流的第二差動(dòng)晶體管對(duì)；響應(yīng)于第一輸出電流產(chǎn)生第一內(nèi)部電流的第一電流鏡電路；與第一電流鏡電路互補(bǔ)并響應(yīng)于第三輸出電流產(chǎn)生第三內(nèi)部電流的第三電流鏡電路；響應(yīng)于第三輸出電流和第三內(nèi)部電流產(chǎn)生第二內(nèi)部電流的第二電流鏡電路；以及與第一電流鏡電路互補(bǔ)并響應(yīng)于第四輸出電流及第一內(nèi)部電流產(chǎn)生第四內(nèi)部電流的第四電流鏡電路。從差動(dòng)放大器電路的輸出端抽取或向該輸出端提供結(jié)果電流(是第二和第四電流加在一起的和)。
在如此構(gòu)建的電壓比較器電路中，允許沿著從第一差動(dòng)晶體管對(duì)到輸出端的第一信號(hào)路徑的電路元件數(shù)目與沿著從第二差動(dòng)晶體管對(duì)到輸出端的第二信號(hào)路徑的電路元件數(shù)目相同。這種結(jié)構(gòu)有效地改進(jìn)了電路對(duì)稱(chēng)性，由此提高了電壓比較器電路的性能。


結(jié)合附圖，從下面的描述中將更加清楚本發(fā)明的上述以及其他優(yōu)點(diǎn)和特征，附圖中圖1示出了傳統(tǒng)差動(dòng)放大器電路；圖2是圖示了差動(dòng)放大器級(jí)的示例性結(jié)構(gòu)的電路圖；圖3是圖示了圖2所示的差動(dòng)放大器級(jí)的輸入-輸出特性的圖表；圖4是圖示了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中結(jié)合了差動(dòng)放大器電路的電壓比較器電路的示例性結(jié)構(gòu)的電路圖；圖5圖示了CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)示例；圖6圖示了根據(jù)本發(fā)明的差動(dòng)放大器電路的示例性電路結(jié)構(gòu)的電路圖；圖7A和7B圖示了一個(gè)實(shí)施例中電流鏡電路的具體電路結(jié)構(gòu)；圖8A和8B圖示了一個(gè)實(shí)施例中電流鏡電路的具體電路結(jié)構(gòu)；圖9是圖示了在差動(dòng)放大器電路結(jié)合了圖8A和8B所示的電流鏡電路時(shí)根據(jù)本發(fā)明的差動(dòng)放大器電路的電路結(jié)構(gòu)的電路圖；圖10是圖示了在差動(dòng)放大器電路結(jié)合了圖7A和7B所示的電流鏡電路時(shí)根據(jù)本發(fā)明的差動(dòng)放大器電路的電路結(jié)構(gòu)的電路圖；圖11是圖示了根據(jù)本發(fā)明的電壓比較器電路的電路仿真所獲得的輸入和輸出電壓的波形的圖表。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參考說(shuō)明性實(shí)施例描述本發(fā)明。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，使用本發(fā)明的教導(dǎo)，可以實(shí)現(xiàn)許多可替代的實(shí)施例，并且本發(fā)明并不限于為了解釋目的而說(shuō)明的實(shí)施例。
根據(jù)本發(fā)明的電壓比較器電路的設(shè)計(jì)基于對(duì)傳統(tǒng)差動(dòng)放大器電路的分析。在一個(gè)實(shí)施例中，如圖4所示，電壓比較器電路由差動(dòng)放大器電路40和一組CMOS反相器41至43組成。CMOS反相器41至43串連連接到差動(dòng)放大器電路40的輸出。串連連接的CMOS反相器41至43用于波形整形。CMOS反相器43充電電壓比較器電路的輸出級(jí)。
圖5示出了CMOS反相器41至43的示例性電路配置。參考圖5，CMOS反相器41至43每個(gè)都具有N溝道MOS晶體管MN51和P溝道MOS晶體管MP51。N溝道MOS晶體管MN51和P溝道MOS晶體管MP51的柵極共同連接到輸入端，并且它們的漏極共同連接到輸出端。P溝道MOS晶體管MP51的源極連接到電源VDD(或VDD端)，并且N溝道MOS晶體管MN51的源極連接到接地端VSS(或VSS端)。
圖6是圖示了根據(jù)本發(fā)明的差動(dòng)放大器電路40的電路結(jié)構(gòu)的電路圖。差動(dòng)放大器電路40具有第一差動(dòng)晶體管對(duì)DF61(具有P溝道MOS晶體管MP61和MP62)、第二差動(dòng)晶體管對(duì)DF62(具有N溝道MOS晶體管MN61和MN62)、第一至第四電流鏡電路CM61至CM64、以及恒流源I61和I62。
電流鏡電路CM61的輸入端連接到差動(dòng)晶體管對(duì)DF61內(nèi)的P溝道MOS晶體管MP61的漏極，公共端連接到接地端(或VSS端)，并且輸出端連接到電流鏡電路CM64的輸入端。
電流鏡電路CM62的輸入端連接到差動(dòng)晶體管對(duì)DF61內(nèi)的P溝道MOS晶體管MP62的漏極，公共端連接到負(fù)電源VSS(GND)，并且輸出端連接到差動(dòng)放大器的輸出端。
電流鏡電路CM63的輸入端連接到差動(dòng)晶體管對(duì)DF62內(nèi)的N溝道MOS晶體管MN61的漏極，公共端連接到電源端(或VDD端)，并且輸出端連接到P溝道MOS晶體管MP62的漏極并且還連接到電流鏡電路CM62的輸入端。
電流鏡電路CM64的輸入端連接到電流鏡電路CM61的輸出并且還連接到差動(dòng)晶體管對(duì)DF62內(nèi)的N溝道MOS晶體管MN62的漏極，公共端連接到電源端，并且輸出端連接到電流鏡電路CM62的輸出端并且還連接到差動(dòng)放大器的輸出端OUT。
恒流源I61連接在VDD端與P溝道MOS晶體管MP61和MP62共同連接的源極之間。另一方面，恒流源I62連接在VSS端與N溝道MOS晶體管MN61和MN62共同連接的源極之間。
在該差動(dòng)放大器電路中，P溝道MOS晶體管MP61和N溝道MOS晶體管MN61的柵極共同連接到反相輸入端In-，并且P溝道MOS晶體管MP62和N溝道MOS晶體管MN62的柵極共同連接到非反相輸入端In+。該差動(dòng)放大器電路采用將結(jié)合兩個(gè)互補(bǔ)差動(dòng)晶體管對(duì)的電路結(jié)構(gòu)，由此使允許輸入電壓范圍增大到大約在電壓電平VSS和VDD之間。
電流鏡電路CM61和CM62為差動(dòng)晶體管對(duì)DF61的各個(gè)漏極輸出提供電流鏡像。相應(yīng)地，電流鏡電路CM63和CM64為差動(dòng)晶體管對(duì)DF62的各個(gè)漏極輸出提供電流鏡像。電流鏡電路CM61的輸出連接到電流鏡電路CM64的輸入。電流鏡電路CM63的輸出連接到電流鏡電路CM62的輸入。電流鏡電路CM62和CM64的輸出共同連接到輸出端OUT。
電流鏡電路CM62和CM64被設(shè)計(jì)為具有鏡像比k(＞1)；在電流鏡電路CM62和CM64內(nèi)輸入電流與輸出電流之比為1∶k。將鏡像比k設(shè)置為大于1的值有效地改進(jìn)了差動(dòng)放大器電路的驅(qū)動(dòng)能力。另外，這種電路結(jié)構(gòu)有效地改進(jìn)了電路結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，其中沿著與P溝道差動(dòng)晶體管對(duì)相關(guān)聯(lián)的信號(hào)路徑的電路級(jí)數(shù)與沿著與N溝道差動(dòng)晶體管對(duì)相關(guān)聯(lián)的信號(hào)路徑的電路級(jí)數(shù)相同。
下面描述圖6所示的差動(dòng)放大器電路的操作。圖6所示的電路采用線(xiàn)對(duì)線(xiàn)(rail-to-rail)差動(dòng)放大器結(jié)構(gòu)。該實(shí)施例中的差動(dòng)放大器電路取決于輸入電壓的電壓電平，不同地操作，尤其是恒流源I61和I62的操作。
為了激活恒流源I61，必須在恒流源I61內(nèi)的P溝道MOS晶體管(未示出)兩端建立足夠的漏源電壓。為了達(dá)到這一目的，反相及非反相輸入端In-和In+的輸入電壓Vin-和Vin+必須滿(mǎn)足如下公式Vin＜VDD-(VGS(MP)+VDS(sat)(I61))，其中，Vin是輸入電壓Vin-和Vin+中任一個(gè)，VDS(sat)(I61)是恒流源I61內(nèi)的P溝道MOS晶體管飽和時(shí)的漏源電壓，并且VGS(MP)是P溝道MOS晶體管MP61或MP62的柵源電壓。
相應(yīng)地，為了激活恒流源I62，必須在恒流源I62內(nèi)的N溝道MOS晶體管(未示出)兩端建立足夠的漏源電壓。反相及非反相輸入端In-和In+的輸入電壓Vin-和Vin+必須滿(mǎn)足如下公式Vin＞VGS(MN61)+VDS(sat)(I62)，其中，VDS(sat)(I62)是恒流源I62內(nèi)的N溝道MOS晶體管飽和時(shí)的漏源電壓，并且VGS(MN)是N溝道MOS晶體管MN61或MN62的柵源電壓。
換句話(huà)說(shuō)，當(dāng)如下公式成立時(shí)差動(dòng)晶體管對(duì)DF61和DF62都激活VGS(MN)+VDS(sat)(I62)＜Vin＜VDD-(VGS(MP)+VDS(sat)(I61))。
另外，當(dāng)如下公式成立時(shí)，只有晶體管對(duì)DF62激活而晶體管對(duì)DF61不激活Vin＞VDD-(VGS(MP61)+VDS(sat)(I61))。
最后，當(dāng)如下公式成立時(shí)，只有晶體管對(duì)DF61激活而晶體管對(duì)DF62不激活Vin＜VGS(MN)+VDS(sat)(I62)。
(1)第一和第二差動(dòng)晶體管對(duì)DF61和DF62都激活時(shí)的情形描述如下情形中該實(shí)施例的差動(dòng)放大器電路的操作輸入電壓Vin-高于輸入電壓Vin+并且輸入電壓Vin-和Vin+之間的差等于或大于公式(7)所定義的最小電壓差ΔVid，這時(shí)差動(dòng)晶體管對(duì)DF61和DF62都激活。
在這種情形中，偏置電流I1只流過(guò)第一差動(dòng)晶體管對(duì)DF61內(nèi)的P溝道MOS晶體管MP62，并且通過(guò)P溝道MOS晶體管MP61的電流被設(shè)置為零。另一方面，偏置電流I2只流過(guò)第二差動(dòng)晶體管對(duì)DF62內(nèi)的N溝道MOS晶體管MN61，并且通過(guò)N溝道MOS晶體管MN62的電流被設(shè)置為零。
在這種操作中，每個(gè)電流鏡電路如下操作。電流鏡電路CM61的輸出電流被設(shè)置為零，因?yàn)殡娏麋R電路CM61的輸入端連接到P溝道MOS晶體管MP61的漏極，并且P溝道MOS晶體管MP61的漏極電流為零。電流鏡電路CM63的輸入端連接到N溝道MOS晶體管MN61的漏極。N溝道MOS晶體管MN61的漏極電流被設(shè)置為I2，因此電流鏡電路CM63的輸出電流IOUT(CM63)也被設(shè)置為I2。
電流鏡電路CM62的輸入端連接到P溝道MOS晶體管MP62的漏極，并且還連接到電流鏡電路CM63的輸出端。因?yàn)镻溝道MOS晶體管MP62的漏極電流是I1并且電流鏡電路CM63的輸出電流是I2，所以電流鏡電路CM62在其輸入端接收到電流(I1+I2)。另外，因?yàn)殡娏麋R電路CM62的鏡像比是k，所以電流鏡電路CM62的輸出電流IOUT(CM62)由如下公式表示IOUT(CM62)＝k(I1+I2)…(20)換言之，電流鏡電路CM62從其輸出端抽取輸出電流IOUT(CM62)，并且輸出端上的電壓電平被下拉到低電平，即，下拉到電勢(shì)電平VSS。
電流鏡電路CM64的輸入端連接到N溝道MOS晶體管MN62的漏極，并且還連接到電流鏡電路CM61的輸出端。因?yàn)镹溝道MOS晶體管MN62的漏極電流以及電流鏡電路CM61的輸出電流都是零，所以電流鏡電路CM64的輸出電流也是零。
因此，該實(shí)施例中的差動(dòng)放大器電路從輸出端OUT抽取電流電平為k·(I1+I2)的電流，并且輸出端上的電壓電平被下拉到低電平，即，下拉到電勢(shì)電平VSS。
接著，描述這種情形輸入電壓Vin-低于輸入電壓Vin+并且輸入電壓Vin-和Vin+之間的差等于或大于公式(7)所定義的最小電壓差ΔVid。
在這種情形中，偏置電流I1只流過(guò)第一差動(dòng)晶體管對(duì)DF61內(nèi)的P溝道MOS晶體管MP61，并且通過(guò)P溝道MOS晶體管MP62的電流被設(shè)置為零。另一方面，偏置電流I2只流過(guò)第二差動(dòng)晶體管對(duì)DF62內(nèi)的N溝道MOS晶體管MN62，并且通過(guò)N溝道MOS晶體管MN61的電流被設(shè)置為零。
在這種情形中，每個(gè)電流鏡電路如下操作。P溝道MOS晶體管MP61的漏極電流是I1，并且其漏極連接到電流鏡電路CM61的輸入端。因此，第一電流鏡電路CM61的輸出電流也是I1。
N溝道MOS晶體管MN61的漏極電流是0，并且其漏極連接到電流鏡電路CM63的輸入端。因此第三電流鏡電路CM63的輸出電流也是0。第二電流鏡電路CM62接收到的輸入電流是P溝道MOS晶體管MP62的漏極電流與第三電流鏡電路CM63的輸出電流加在一起的和。因?yàn)檫@些電流都是零，所以第二電流鏡電路CM62的輸入電流和輸出電流都是零。
第四電流鏡電路CM64的輸入端連接到N溝道MOS晶體管MN62的漏極，并且還連接到第一電流鏡電路CM61的輸出端。第四電流鏡電路CM64接收到的輸入電流具有(I2+I1)的電流電平，這是N溝道MOS晶體管MN62的漏極電流與第一電流鏡電路CM61的輸出電流加在一起的和。因?yàn)榈谒碾娏麋R電路CM64的鏡像比是k，所以第四電流鏡電路CM64的輸出電流IOUT(CM64)由如下公式表示IOUT(CM64)＝k(I1+I2)…(21)因此，差動(dòng)放大器電路從其輸出端OUT提供電流IOUT(＝k·(I1+I2))，并且輸出端上的電壓電平被上拉到高電平，即，上拉到電源電平VDD。
從公式(20)和(21)可以理解，在輸出端OUT上，下拉電流的電流電平與上拉電流的電流電平相同。因此，即使在輸出端連接到更大的負(fù)載電容時(shí)，也能以對(duì)稱(chēng)的方式來(lái)對(duì)上升和下降沿進(jìn)行整形。這通過(guò)波形整形有利地幫助電壓比較器產(chǎn)生占空比為50％的數(shù)字信號(hào)。
上面描述了差動(dòng)晶體管對(duì)DF61和DF62都激活的情形。減小輸入差動(dòng)信號(hào)中共模信號(hào)電壓導(dǎo)致由N溝道晶體管構(gòu)成的差動(dòng)晶體管對(duì)DF62不激活。另一方面，增加輸入差動(dòng)信號(hào)中共模信號(hào)電壓導(dǎo)致由P溝道晶體管構(gòu)成的差動(dòng)晶體管對(duì)DF61不激活。下面描述這些情形中各自的操作。
(2)只有第一差動(dòng)晶體管對(duì)DF61激活時(shí)的情形首先，描述如下情形減小輸入差動(dòng)信號(hào)的共模信號(hào)電壓，從而只有第一差動(dòng)晶體管對(duì)DF61激活，而第二差動(dòng)晶體管對(duì)DF62不激活。
參考圖6，恒流源I62(為N溝道差動(dòng)晶體管對(duì)DF62提供偏置電流I2)由N溝道MOS晶體管構(gòu)成。通過(guò)控制該N溝道MOS晶體管柵極上的電壓，來(lái)將偏置電流I2控制在所希望的電流電平。
在這種情形中，激活N溝道差動(dòng)晶體管對(duì)DF62的最小輸入電壓Vin(min)由如下公式表示Vin(min)＝VGS(MN)+VDS(sat)(I62)…(22)其中，VGS(MN)是N溝道MOS晶體管MN61或MN62的柵源電壓，并且VDS(sat)(I62)是在電流源I62內(nèi)的N溝道MOS晶體管飽和時(shí)的漏源電壓。N溝道MOS晶體管飽和時(shí)的漏源電壓被定義為剛好足以工作于五極管區(qū)域的電壓。
當(dāng)任一輸入電壓等于或低于Vin(min)時(shí)N溝道差動(dòng)晶體管對(duì)DF62不激活；在這種情形中，只有P溝道差動(dòng)晶體管對(duì)DF61激活。
首先，描述如下情形輸入電壓Vin-(反相輸入端In-的輸入電壓)高于輸入電壓Vin+(非反相輸入端In+的輸入電壓)，這時(shí)只有P溝道差動(dòng)晶體管對(duì)DF61激活。在這種情形中，偏置電流I1只流過(guò)第一差動(dòng)晶體管對(duì)DF61內(nèi)的P溝道MOS晶體管MP62，并且通過(guò)P溝道MOS晶體管MP61的電流被設(shè)置為零。另一方面，第二差動(dòng)晶體管對(duì)DF62沒(méi)有激活，因此第一和第二N溝道MOS晶體管MN61和MN62的漏極電流都被設(shè)置為零。
這種情形中，每個(gè)電流鏡電路如下操作。因?yàn)榈诙顒?dòng)晶體管對(duì)DF62沒(méi)有激活，所以與第二差動(dòng)晶體管對(duì)DF62連接的第三電流鏡電路CM63的輸入電流為零。因此，電流鏡電路CM63的輸出電流為零。電流鏡電路CM64的輸入電流也是零，因?yàn)镹溝道MOS晶體管MN62的漏極電流為零。
第一電流鏡電路CM61(輸入端連接到P溝道MOS晶體管MP61的漏極)的輸入電流為零，因此其輸出電流為零。因此，電流鏡電路CM64的輸入電流(是電流鏡電路CM61的輸出電流與N溝道MOS晶體管MN62的漏極電流加在一起的和)為零。因此，電流鏡電路CM64的輸出電流也被設(shè)置為零。
第二電流鏡電路CM62的輸入電流與P溝道MOS晶體管MP62的漏極電流相同，因?yàn)榈诙娏麋R電路CM62的輸入端連接到P溝道MOS晶體管MP62的漏極，并且還連接到第三電流鏡電路CM63的輸出端，并且第三電流鏡電路CM63的輸出電流為零。因此，第二電流鏡電路CM62的輸出電流IOUT(CM62)由如下公式表示IOUT(CM62)＝KI1…(23)換言之，差動(dòng)放大器電路40從輸出端OUT抽取輸出電流IOUT(＝k·I1)。輸出端OUT上的電壓電平被下拉到低電平，即，下拉到地電平VSS。
接著，描述這種情形輸入電壓Vin-低于輸入電壓Vin+。當(dāng)輸入電壓Vin-和Vin+之間的差大于公式(7)所定義的最小電壓差ΔVid時(shí)，偏置電流I1只流過(guò)第一差動(dòng)晶體管對(duì)DF61內(nèi)的P溝道MOS晶體管MP61，并且通過(guò)P溝道MOS晶體管MP62的電流為零。另一方面，第二差動(dòng)晶體管對(duì)DF62沒(méi)有激活，于是第一N溝道MOS晶體管MN61和第二N溝道MOS晶體管MN62的漏極電流都被設(shè)置為零。
在這種情形中，每個(gè)電流鏡電路如下操作。因?yàn)榈诙顒?dòng)晶體管對(duì)DF62沒(méi)有激活，所以輸入端與第二差動(dòng)晶體管對(duì)DF62連接的第三電流鏡電路CM63的輸入電流被設(shè)置為零。因此，電流鏡電路CM63的輸出電流為零。電流鏡電路CM64的輸入電流也是零，因?yàn)殡娏麋R電路CM64的輸入端連接到N溝道MOS晶體管MN62的漏極，而其漏極電流為零。
第一電流鏡電路CM61(輸入端連接到第一P溝道MOS晶體管MP61的漏極)的輸入電流的電流電平為I1，這與P溝道MOS晶體管MP61的漏極電流相同，因此第一電流鏡電路CM61的輸出電流的電流電平為I1。
第二電流鏡電路CM62(輸入端連接到第二P溝道MOS晶體管MP62的漏極以及第三電流鏡電路CM63的輸出端)的輸入電流被設(shè)置為零，因?yàn)榈诙溝道MOS晶體管MP62的漏極電流以及第三電流鏡電路CM63的輸出電流都是零。因此，第二電流鏡電路CM62的輸出電流也被設(shè)置為零。
第四電流鏡電路CM64(輸入端連接到第二N溝道MOS晶體管MN62的漏極以及第一電流鏡電路CM61的輸出端)的輸入電流的電流電平為I1，因?yàn)榈诙﨨溝道MOS晶體管MN62的漏極電流為零而第一電流鏡電路CM61的輸出電流的電流電平為I1。另外，第四電流鏡電路CM64的鏡像比為k。因此，第四電流鏡電路CM64的輸出電流IOUT(CM64)由如下公式表示IOUT(CM64)＝KI1…(24)在這種操作中，差動(dòng)放大器電路40從輸出端OUT提供電流IOUT(＝k·I1)。輸出端OUT上的電壓電平被上拉到高電平，即，上拉到電源電平VDD。
從公式(23)和(24)可以理解，在輸出端OUT上，下拉電流的電流電平與上拉電流的電流電平相同。因此，即使在輸出端連接到更大的負(fù)載電容時(shí)，也能以對(duì)稱(chēng)的方式來(lái)對(duì)上升和下降沿進(jìn)行整形。通過(guò)波形整形，有利地幫助電壓比較器產(chǎn)生占空比為50％的數(shù)字信號(hào)。(3)只有第二差動(dòng)晶體管對(duì)DF62激活時(shí)的情形接著，描述如下情形增加輸入電壓Vin-和Vin+的共模信號(hào)電壓，從而第一差動(dòng)晶體管對(duì)DF61不激活，而只有第二差動(dòng)晶體管對(duì)DF62激活。
參考圖6，恒流源I61(為P溝道差動(dòng)晶體管對(duì)DF61提供偏置電流I1)由P溝道MOS晶體管構(gòu)成。通過(guò)控制該P(yáng)溝道MOS晶體管柵極上的電壓，來(lái)將偏置電流I1控制在所希望的電流電平。
在這種情形中，激活P溝道差動(dòng)晶體管對(duì)DF61的最大輸入電壓Vin(max)由如下公式表示Vin(max)＝VDD-(VGS(MP)+VDS(sat)(I61))…(25)其中，VGS(MP)是P溝道MOS晶體管MP61或MP62的柵源電壓，并且VDS(sat)(I61)是在電流源I61內(nèi)的P溝道MOS晶體管飽和時(shí)的漏源電壓。P溝道MOS晶體管飽和時(shí)的漏源電壓被定義為剛好足以工作于五極管區(qū)域的電壓。
當(dāng)任一輸入電壓等于或高于Vin(max)時(shí)P溝道差動(dòng)晶體管對(duì)DF61不激活；在這種情形中，只有N溝道差動(dòng)晶體管對(duì)DF62激活。
首先，描述如下情形輸入電壓Vin-高于輸入電壓Vin+，這時(shí)只有N溝道差動(dòng)晶體管對(duì)DF62激活。在這種情形中，偏置電流I2只流過(guò)第二差動(dòng)晶體管對(duì)DF62內(nèi)的N溝道MOS晶體管MN61，并且通過(guò)第二N溝道MOS晶體管MN62的電流被設(shè)置為零。另一方面，第一差動(dòng)晶體管對(duì)DF61沒(méi)有激活，因此第一P溝道MOS晶體管MP61和第二P溝道MOS晶體管MP62的漏極電流都是零。
這種情形中，每個(gè)電流鏡電路如下操作。因?yàn)榈谝徊顒?dòng)晶體管對(duì)DF61沒(méi)有激活，所以輸入端與第一差動(dòng)晶體管對(duì)DF61連接的第一電流鏡電路CM61的輸入電流為零。因此，電流鏡電路CM61的輸出電流被設(shè)置為零。第三電流鏡電路CM63(輸入端連接到第一N溝道MOS晶體管MN61的漏極)的輸入電流的電流電平為I2，因?yàn)榈谝籒溝道MOS晶體管MN61的漏極電流的電流電平為I2。因此，第三電流鏡電路CM63的輸出電流的電流電平也是I2。
第二電流鏡電路CM62的輸入端連接到第三電流鏡電路CM63的輸出端，并且還連接到第二P溝道MOS晶體管MP62的漏極。P溝道差動(dòng)晶體管對(duì)MP61沒(méi)有激活，于是第二P溝道MOS晶體管MP62的漏極電流為零。因此，第二電流鏡電路CM62的輸入電流的電流電平為I2，并且第二電流鏡電路CM62的輸出電流的電流電平IOUT(CM62)由如下公式表示IOUT(CM62)＝KI2…(26)第四電流鏡電路CM64(輸入端連接到第二N溝道MOS晶體管MN62的漏極以及第一電流鏡電路CM61的輸出端)的輸入電流為零，因?yàn)榈诙﨨溝道MOS晶體管MN62的漏極電流以及第一電流鏡電路CM61的輸出電流都是零。因此，第四電流鏡電路的輸出電流也是零。
因此，差動(dòng)放大器電路40從輸出端OUT抽取輸出電流IOUT(＝k·I2)，并且輸出端OUT上的電壓電平被下拉到低電平，即，下拉到地電平VSS。
接著，描述這種情形輸入電壓Vin-低于輸入電壓Vin+，這時(shí)只有第二差動(dòng)晶體管對(duì)DF62激活。當(dāng)輸入電壓Vin-和Vin+之間的差大于公式(7)所定義的最小電壓差ΔVid時(shí)，偏置電流I2只流過(guò)第二差動(dòng)晶體管對(duì)DF62內(nèi)的第二N溝道MOS晶體管MN62，并且通過(guò)第一N溝道MOS晶體管MN61的電流被設(shè)置為零。另一方面，第一差動(dòng)晶體管對(duì)DF61沒(méi)有激活，因此第一和第二P溝道MOS晶體管MP61和MP62的漏極電流都是零。
這種情形中，每個(gè)電流鏡電路如下操作。因?yàn)榈谝徊顒?dòng)晶體管對(duì)DF61沒(méi)有激活，所以與第一差動(dòng)晶體管對(duì)DF61連接的第一電流鏡電路CM61的輸入電流為零。第一電流鏡電路CM61的輸出電流為零。
另外，第三電流鏡電路CM63(輸入端連接到第一N溝道MOS晶體管MN61的漏極)的輸入電流被設(shè)置為零，因?yàn)榈谝籒溝道MOS晶體管MN61的漏極電流為零。因此，第三電流鏡電路CM63的輸出電流也被設(shè)置為零。
第二電流鏡電路CM62的輸入端連接到第三電流鏡電路CM63的輸出端以及第二P溝道MOS晶體管MP62的漏極。因?yàn)镻溝道差動(dòng)晶體管對(duì)MP61沒(méi)有激活，所以第二P溝道MOS晶體管MP62的漏極電流為零。第三電流鏡電路CM63的輸出電流也是零。因此，第二電流鏡電路CM62的輸入電流為零，因此其輸出電流IOUT(CM62)為零。
第四電流鏡電路CM64的輸入端連接到第一電流鏡電路CM61的輸出端以及第二N溝道MOS晶體管MN62的漏極。因?yàn)榈谝浑娏麋R電路CM61的輸出電流為零，并且第二N溝道MOS晶體管MN62的漏極電流的電流電平為I2，所以第四電流鏡電路CM64的輸入電流的電流電平為I2。另外，第四電流鏡電路CM64的鏡像比為k。因此，第四電流鏡電路CM64的輸出電流IOUT(CM64)由如下公式表示IOUT(CM64)＝KI2…(27)換言之，差動(dòng)放大器電路40從輸出端OUT提供電流IOUT(＝k·I2)。輸出端OUT上的電壓電平被上拉到高電平，即，上拉到電源電平VDD。
從公式(26)和(27)可以理解，在輸出端OUT上，下拉電流的電流電平與上拉電流的電流電平相同。因此，即使在輸出端連接到更大的負(fù)載電容時(shí)，也能以對(duì)稱(chēng)的方式來(lái)對(duì)上升和下降沿進(jìn)行整形。通過(guò)波形整形有利地幫助電壓比較器產(chǎn)生占空比為50％的數(shù)字信號(hào)。
這樣，即使在切換第一差動(dòng)晶體管對(duì)DF61與第二差動(dòng)晶體管對(duì)DF62的操作時(shí)，下拉電流的電流電平也與上拉電流的電流電平相同。這允許輸出數(shù)字信號(hào)在波形整形之后由于波形對(duì)稱(chēng)性而具有50％的占空比。
然后分析圖6所示的差動(dòng)放大器電路40的功耗。該分析針對(duì)差動(dòng)晶體管對(duì)DF61和DF62都激活的情形。
當(dāng)輸入電壓Vin-高于輸入電壓Vin+并且輸入電壓Vin-和Vin+之間差等于大于公式(7)所定義的最小電壓差ΔVid時(shí)，通過(guò)電流鏡電路CM64的電流為零。電源VDD向恒流源I61提供電流電平為I1的偏置電流，并且向電流鏡電路CM63的公共端提供電流電平為2I2的電流。因此，總的靜態(tài)功耗P(Total)由如下公式表示
P(Total)＝VDD(I1+2I2)…(28)應(yīng)該注意，在該分析中忽略了通過(guò)輸出端OUT的電流。
另一方面，當(dāng)輸入電壓Vin-低于輸入電壓Vin+并且輸入電壓Vin-和Vin+之間差等于大于公式(7)所定義的最小電壓差ΔVid時(shí)，通過(guò)第三電流鏡電路CM63的電流為零。電源VDD向恒流源I61提供電流電平為I1的偏置電流，向第四電流鏡電路CM64的輸入端提供電流電平為I1+I2的電流。應(yīng)該注意，通過(guò)第四電流鏡電路CM64的輸出端的電流是從輸出端OUT流出的電流。因此，總的靜態(tài)功耗P(Total)由如下公式表示P(Total)＝VDD(2I1+I2)…(29)應(yīng)該注意，在該分析中忽略了通過(guò)輸出端OUT的電流。
從公式(28)和(29)與公式(18)和(19)的比較中可以理解，公式(29)所表示的功耗低于公式(19)所表示的功耗。換言之，圖6所示的差動(dòng)放大器電路40的功耗低于圖1所示的差動(dòng)放大器電路的功耗。
雖然希望電壓比較器電路產(chǎn)生矩形波，但是圖6所示的差動(dòng)放大器電路40的輸出信號(hào)隨著頻率的增加表現(xiàn)出波形失真。因此，在該實(shí)施例中，一組CMOS反相器電路41至43串連連接到差動(dòng)放大器電路40的輸出，如圖4所示。串連連接的CMOS反相器電路41至43提供波形整形，以產(chǎn)生矩形波。具體地說(shuō)，將CMOS反相器電路41至43的閾值電平設(shè)置為大約是VDD的一半。當(dāng)每個(gè)反相器的輸入電平低于閾值電平時(shí)，每個(gè)反相器將其輸出上拉到高電平(VDD)。另一方面，當(dāng)每個(gè)反相器的輸入電平高于閾值電平時(shí)，每個(gè)反相器將其輸出下拉到低電平(VSS)。這種操作實(shí)現(xiàn)了波形整形。與僅使用一個(gè)CMOS反相器來(lái)進(jìn)行波形整形相比，使用多個(gè)CMOS反相器有利于獲得改進(jìn)的波形整形。
下面描述在圖6所示的差動(dòng)放大器電路40內(nèi)結(jié)合的電流鏡電路。圖7A和7B示出了Widlar類(lèi)型電流鏡電路。圖7A圖示了電流鏡電路CM7a，其被配置來(lái)抽取一對(duì)輸入和輸出電流。電流鏡電路CM7a具有N溝道MOS晶體管MN71和N溝道MOS晶體管MN72。N溝道MOS晶體管MN71和MN72的柵極共同連接到N溝道MOS晶體管MN71的漏極。N溝道MOS晶體管MN71的漏極連接到電流鏡電路CM7a的輸入端。N溝道MOS晶體管MN71和MN72的源極共同連接到電流鏡電路CM7a的公共端。N溝道MOS晶體管MN72的漏極連接到電流鏡電路CM7a的輸出端。
圖7B圖示了電流鏡電路CM7b，其被配置來(lái)輸出一對(duì)輸入和輸出電流。電流鏡電路CM7b具有P溝道MOS晶體管MP71和MP72。P溝道MOS晶體管MP71和MP72的柵極共同連接到P溝道MOS晶體管MP71的漏極。P溝道MOS晶體管MP71的漏極連接到電流鏡電路CM7b的輸入端。P溝道MOS晶體管MP71和MP72的源極共同連接到電流鏡電路CM7b的公共端。P溝道MOS晶體管MP72的漏極連接到輸出端。
電流鏡電路CM7a的鏡像比k取決于N溝道MOS晶體管MN71和MN72的柵極寬度和長(zhǎng)度的尺寸。當(dāng)N溝道MOS晶體管MN71或P溝道MOS晶體管MP71的柵極寬度和長(zhǎng)度分別為WM1和LM1，并且N溝道MOS晶體管MN72的柵極寬度和長(zhǎng)度分別為WM2和LM2時(shí)，如下公式成立WM1LM1:WM2LM2=1:k---(30)]]>這對(duì)電流鏡電路CM7b同樣適用。
此時(shí)，電流鏡電路CM7a的輸入和輸出電流Iin和IOUT之間的關(guān)系由如下公式給出IOUT＝KIin…(31)這是基于這一事實(shí)如公式(2)至(4)(表示MOS晶體管的柵源電壓VGS與漏極電流ID之間的關(guān)系)所示，漏極電流ID正比于W/L。調(diào)節(jié)MOS晶體管的柵極寬度(W)與柵極長(zhǎng)度(L)的比，以獲得所希望的鏡像比k。
圖10是圖示了其中結(jié)合了圖7A和7B所示的電流鏡作為圖6所示的差動(dòng)放大器電路40內(nèi)的電流鏡電路CM61至CM64的具體電路結(jié)構(gòu)的電路圖。圖10所示的差動(dòng)放大器電路內(nèi)的電路元件與圖6所示的差動(dòng)放大器電路內(nèi)的電路元件之間的關(guān)聯(lián)如下。
圖6中的第一差動(dòng)晶體管對(duì)DF61對(duì)應(yīng)于圖10中的差動(dòng)晶體管對(duì)DF101，并且差動(dòng)晶體管對(duì)DF61內(nèi)的P溝道MOS晶體管MP61和MP62分別對(duì)應(yīng)于P溝道MOS晶體管MP101和MP102。第二差動(dòng)晶體管對(duì)DF62對(duì)應(yīng)于差動(dòng)晶體管對(duì)DF102，并且差動(dòng)晶體管對(duì)DF62內(nèi)的N溝道MOS晶體管MN61和MN62分別對(duì)應(yīng)于N溝道MOS晶體管MN101和MN102。
第一電流鏡電路CM61對(duì)應(yīng)于電流鏡電路CM101，并且第一電流鏡電路CM61的輸入和輸出端分別對(duì)應(yīng)于N溝道MOS晶體管MN103和MN104的漏極。第二電流鏡電路CM62對(duì)應(yīng)于電流鏡電路CM102，并且第二電流鏡電路CM62的輸入和輸出端分別對(duì)應(yīng)于N溝道MOS晶體管MN105和MN106的漏極。第三電流鏡電路CM63對(duì)應(yīng)于電流鏡電路CM103，并且第三電流鏡電路CM63的輸入和輸出端分別對(duì)應(yīng)于P溝道MOS晶體管MP103和MP104的漏極。第四電流鏡電路CM64對(duì)應(yīng)于電流鏡電路CM104，并且輸入和輸出端分別對(duì)應(yīng)于P溝道MOS晶體管MP105和MP106的漏極。恒流源I61和I62分別對(duì)應(yīng)于恒流源I101和I102。
嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，由于各個(gè)電流鏡電路上的壓降，圖10所示的差動(dòng)放大器電路的允許輸入電壓范圍不能覆蓋地電平VSS與電源電平VDD之間的整個(gè)電壓范圍。也就是說(shuō)，在地電平VSS(GND)與電源電平VDD附近存在該差動(dòng)放大器電路不工作的工作區(qū)域。這意味著圖10所示的差動(dòng)放大器電路沒(méi)有實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格意義上的線(xiàn)對(duì)線(xiàn)操作。
例如，在地電平VSS(GND)附近的允許輸入范圍由如下公式表示Vin＞V(CM)-VGS(MP)+VDS(sat)…(32)其中，Vin是輸入電壓Vin-和Vin+中任意一個(gè)，并且V(CM)是電流鏡電路上的壓降，VGS(MP)是P溝道MOS晶體管MP101或MP102的柵源電壓，并且VDS(sat)是P溝道MOS晶體管MP101或MP102飽和時(shí)的漏源電壓。P溝道MOS晶體管MP101或MP102飽和時(shí)的漏源電壓被定義為剛剛足以工作于五極管區(qū)域的電壓。
如果輸入的輸入電壓不滿(mǎn)足公式(32)所定義的要求，則會(huì)導(dǎo)致不能獲得所希望的特性。圖7B中的電流鏡電路上的壓降V(CM)由如下公式表示V(CM)＝VGS…(33)其中，VGS是MOS晶體管的柵源電壓，由如下公式表示
VGS=2IDβ+VT]]>β=WLμC0---(34)]]>其中，VT是MOS晶體管的閾值電壓，并且ID是漏極電流。
公式(33)中的壓降V(CM)與N溝道MOS晶體管的柵源電壓VGS相同，并且公式(32)中的電壓VGS(MP)與P溝道MOS晶體管的柵源電壓VGS相同。因此，公式(32)意味著由于電路元件的變化而不允許輸入電壓Vin降低到地電平VSS。對(duì)于在電源電平VDD附近的工作范圍同樣如此。也就是說(shuō)，由于電路元件的變化而不允許輸入電壓Vin增加到電源電平VDD。
圖8A和8B所示的電流鏡電路結(jié)構(gòu)有效地減小了電流鏡電路上的壓降V(CM)，即，與圖7A和7B所示的電流鏡電路結(jié)構(gòu)相比，有效地增大了允許輸入電壓范圍。
下面描述圖8A和8B所示的電流鏡電路結(jié)構(gòu)。圖8A圖示了電流鏡電路CM8a的結(jié)構(gòu)，其被配置來(lái)抽取一對(duì)輸入和輸出電流。電流鏡電路CM8a具有N溝道MOS晶體管MN81、MN82和MN83、以及恒流源I8a和恒壓源V8a。電流鏡電路CM8a的輸入端連接到N溝道MOS晶體管MN81的漏極，并且還連接到N溝道MOS晶體管MN83的源極。N溝道MOS晶體管MN83的漏極連接到N溝道MOS晶體管MN81和MN82的柵極，并且還連接到恒流源I8a。N溝道MOS晶體管MN83的柵極連接到恒壓源V8a，并且相對(duì)于公共端被上拉到電壓V1的電壓電平。N溝道MOS晶體管MN82的漏極連接到電流鏡電路CM8a的輸出端。N溝道MOS晶體管MN82和MN81的源極共同連接到電流鏡電路CM8a的公共端。
圖8B圖示了電流鏡電路CM8b，其被配置來(lái)提供一對(duì)輸入和輸出電流。電流鏡電路CM8b具有P溝道MOS晶體管MP81、MP82和MP83、以及恒流源I8b和恒壓源V8b。電流鏡電路CM8b的輸入端連接到P溝道MOS晶體管MP81的漏極以及P溝道MOS晶體管MP83的源極。P溝道MOS晶體管MP83的漏極連接到P溝道MOS晶體管MPN81和MP82的柵極以及恒流源I8b。P溝道MOS晶體管MP83的柵極連接到恒壓源V8b，并且被設(shè)置為比公共端的電壓電平低V1的電壓電平。P溝道MOS晶體管MP82的漏極連接到電流鏡電路CM8b的輸出端。P溝道MOS晶體管MP82和MP81的源極連接在一起，并且連接點(diǎn)是電流鏡電路CM8b的公共端。
下面描述電流鏡電路CM8a/CM8b的輸入-輸出特性。來(lái)自輸入端的電流Iin以及來(lái)自恒流源I8a(或I8b)的電流I1流過(guò)N溝道MOS晶體管MN81或P溝道MOS晶體管MP81的漏極。因此，N溝道MOS晶體管MN81或P溝道MOS晶體管MP81的漏極電流ID(M1)是電流Iin與I1加在一起的和，因此漏極電流ID(M1)由如下公式表示ID(M1)＝Iin+I1…(35)當(dāng)如公式(30)所定義的那樣來(lái)設(shè)計(jì)N溝道MOS晶體管MN81和MN82的尺寸時(shí)，電流鏡電路CM8a和CM8b的輸入和輸出電流Iin和IOUT之間的關(guān)系由如下公式表示IOUT＝k(Iin+I1)…(36)當(dāng)輸入電流Iin遠(yuǎn)大于恒定電流I1時(shí)，如下公式成立IOUT＝KIin…(37)公式(37)表明圖8A中的電流鏡電路工作時(shí)表現(xiàn)出鏡像比k。
圖8A和8B所示的電流鏡電路結(jié)構(gòu)與圖7A和7B所示的電流鏡電路的結(jié)構(gòu)相比有效地減小了它們兩端的壓降。圖8A和8B所示的電流鏡電路兩端的壓降由如下公式表示V(CM)＝V1-VGS(M3)…(38)其中，V1是恒壓源V8a或V8b所產(chǎn)生的電壓，并且VGS(M3)是N溝道MOS晶體管MN83或P溝道MOS晶體管MP83的柵源電壓。
由于電壓V1必須滿(mǎn)足一定的要求這一事實(shí)，電流鏡電路兩端的壓降V(CM)的減小存在限制。具體地說(shuō)，電壓V1必須滿(mǎn)足如下條件N溝道MOS晶體管MN81或P溝道MOS晶體管MP81工作于五極管區(qū)域。該條件由如下公式表示VDS(sat)(M1)＜V1-VGS(M3)…(39)其中，VGS(M3)是MOS晶體管MN83或MP83的柵源電壓，并且VDS(sat)(M1)是MOS晶體管MN81/MP81飽和時(shí)的漏源電壓，這被定義為剛好足以工作于五極管區(qū)域的電壓。
公式(39)描述了恒壓源電壓V1的下限，并且還存在上限。恒壓源電壓V1的過(guò)度增大會(huì)不希望地導(dǎo)致MOS晶體管MN83和MP83進(jìn)入三極管區(qū)域，這會(huì)引起這樣的問(wèn)題MOS晶體管MN83和MP83不能進(jìn)行所希望的操作。定義恒壓源電壓V1上限的條件由如下公式表示VDS(sat)(M3)＜VGS(M1)-(V1-VGS(M3))…(40)其中，VGS(M1)是MOS晶體管MN81或MP81的柵源電壓，VGS(M3)是MOS晶體管MN83或MP83的柵源電壓，并且VDS(sat)(M3)是MOS晶體管MN83/MP83飽和時(shí)的漏源電壓，這被定義為剛好足以工作于五極管區(qū)域的電壓。
必須將電壓V1配置為滿(mǎn)足公式(39)和(40)所定義的兩個(gè)要求。當(dāng)將電壓V1配置為滿(mǎn)足這些要求時(shí)，電流鏡電路的壓降V(CM)可以降低到大約0.2V。結(jié)果，允許差動(dòng)放大器電路的輸入電壓Vin-和Vin+的范圍大約從地電平VSS到電源電平VDD。換言之，在圖6的差動(dòng)放大器電路40內(nèi)使用圖8所示的電流鏡電路有效地?cái)U(kuò)大了允許輸入電壓范圍。
圖9是圖示了圖8A和8B所示的電流鏡電路被結(jié)合作為圖6所示的差動(dòng)放大器電路40中的電流鏡電路CM61至CM61的具體電路結(jié)構(gòu)的電路圖；圖8A所示的電流鏡電路被結(jié)合作為圖6所示的電流鏡電路CM61和CM62，并且圖8B所示的電流鏡電路被結(jié)合作為電流鏡電路CM63和CM64。圖9所示的差動(dòng)放大器電路內(nèi)的電路元件與圖6所示的差動(dòng)放大器電路內(nèi)的電路元件之間的關(guān)聯(lián)如下。
圖6中的第一差動(dòng)晶體管對(duì)DF61對(duì)應(yīng)于圖9中的差動(dòng)晶體管對(duì)DF91，并且形成差動(dòng)晶體管對(duì)的P溝道MOS晶體管MP61和MP62對(duì)應(yīng)于P溝道MOS晶體管MP91和MP92。第二差動(dòng)晶體管對(duì)DF62對(duì)應(yīng)于差動(dòng)晶體管對(duì)DF92，并且形成差動(dòng)晶體管對(duì)的N溝道MOS晶體管MN61和MN62對(duì)應(yīng)于N溝道MOS晶體管MN91和MN92。恒流源I61和I62對(duì)應(yīng)于恒流源I91和I92。
第一電流鏡電路CM61對(duì)應(yīng)于N溝道MOS晶體管MN93、MN94和MN95、恒流源I95以及恒壓源V91。第一電流鏡電路CM61的輸入端對(duì)應(yīng)于N溝道MOS晶體管MN94的漏極與N溝道MOS晶體管MN95的源極的連接點(diǎn)，并且第一電流鏡電路CM61的輸出端對(duì)應(yīng)于N溝道MOS晶體管MN93的漏極。與圖8A中的電流鏡電路的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下。恒流源I95和恒壓源V91分別對(duì)應(yīng)于圖8A中的恒流源I8a和恒壓源V8a。N溝道MOS晶體管MN93、MN94和MN95分別對(duì)應(yīng)于圖8A中的N溝道MOS晶體管MN81、MN82和MN83。
第二電流鏡電路CM62對(duì)應(yīng)于N溝道MOS晶體管MN96、MN97和MN98、恒流源I96以及恒壓源V91。恒壓源V91提供偏置電壓，并且由第一和第二電流鏡電路CM61和CM62共享。第二電流鏡電路CM62的輸入端對(duì)應(yīng)于N溝道MOS晶體管MN96的漏極與N溝道MOS晶體管MN98的源極的連接點(diǎn)，并且輸出端對(duì)應(yīng)于N溝道MOS晶體管MN97的漏極。來(lái)自第三電流鏡電路的電流通過(guò)N溝道MOS晶體管MN98輸入。與圖8A中的電流鏡電路的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下。恒流源I96和恒壓源V91分別對(duì)應(yīng)于圖8A中的恒流源I8a和恒壓源V8a。N溝道MOS晶體管MN96、MN97和MN98分別對(duì)應(yīng)于N溝道MOS晶體管MN81、MN82和MN83。
第三電流鏡電路CM63對(duì)應(yīng)于P溝道MOS晶體管MP93、MP94和MP95、恒流源I93以及恒壓源V92。輸入端對(duì)應(yīng)于P溝道MOS晶體管MP94的漏極與P溝道MOS晶體管MP95的源極的連接點(diǎn)，并且輸出端對(duì)應(yīng)于P溝道MOS晶體管MP93的漏極。與圖8B中的電流鏡電路的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下。恒流源I93和恒壓源V92分別對(duì)應(yīng)于圖8B中的恒流源I8b和恒壓源V8b。P溝道MOS晶體管MP94、MP93和MP95分別對(duì)應(yīng)于圖8B中的P溝道MOS晶體管MP81、MP82和MP83。
第四電流鏡電路CM64對(duì)應(yīng)于P溝道MOS晶體管MP96、MP97和MP98、恒流源I94以及恒壓源V92。恒壓源V92只提供偏置電壓，并且由第三和第四電流鏡電路CM63和CM64共享。第四電流鏡電路CM64的輸入端對(duì)應(yīng)于P溝道MOS晶體管MP96的漏極與P溝道MOS晶體管MP98的源極的連接點(diǎn)，并且第四電流鏡電路CM64的輸出端對(duì)應(yīng)于P溝道MOS晶體管MP97的漏極。來(lái)自第一電流鏡電路的電流通過(guò)P溝道MOS晶體管MP98輸入；該電流從P溝道MOS晶體管MP98流向N溝道MOS晶體管MN93。與圖8B中的電流鏡電路的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下。恒流源I94和恒壓源V92分別對(duì)應(yīng)于圖8B中的恒流源I8b和恒壓源V8b。P溝道MOS晶體管MP96、MP97和MP98分別對(duì)應(yīng)于圖8B中的P溝道MOS晶體管MP81、MP82和MP83。
圖11圖示了如上所述進(jìn)行設(shè)計(jì)的差動(dòng)放大器電路的輸入電壓、輸出信號(hào)以及串連CMOS反相器所產(chǎn)生的結(jié)果輸出信號(hào)的仿真波形。
如這里所述，本發(fā)明的電壓比較器電路尤其適于在低電源電壓下操作的高速差動(dòng)接口電路，并且表現(xiàn)出寬的允許輸入電壓范圍。使用根據(jù)本發(fā)明的電路使得可以實(shí)現(xiàn)低功耗、寬允許輸入范圍、高速且元件數(shù)更少的電壓比較器電路。
顯然，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明的范圍的前提下，能夠?qū)@些實(shí)施例做出修改和改變。
權(quán)利要求
1.一種電壓比較器電路，包括差動(dòng)放大器電路，接收一對(duì)輸入信號(hào)，以在輸出端產(chǎn)生輸出信號(hào)；和波形整形電路，對(duì)從所述差動(dòng)放大器電路接收到的所述輸出信號(hào)進(jìn)行波形整形，其中所述差動(dòng)放大器電路包括第一差動(dòng)晶體管對(duì)，響應(yīng)于所述一對(duì)輸入信號(hào)，輸出第一和第二輸出電流；第二差動(dòng)晶體管對(duì)，與所述第一差動(dòng)晶體管對(duì)互補(bǔ)，并且響應(yīng)于所述一對(duì)輸入信號(hào)，輸出第三和第四輸出電流；第一電流鏡電路，響應(yīng)于所述第一輸出電流，產(chǎn)生第一內(nèi)部電流；第三電流鏡電路，與所述第一電流鏡電路互補(bǔ)，并且響應(yīng)于所述第三輸出電流，產(chǎn)生第三內(nèi)部電流；第二電流鏡電路，響應(yīng)于所述第三輸出電流和所述第三內(nèi)部電流，產(chǎn)生第二內(nèi)部電流；以及第四電流鏡電路，與所述第一電流鏡電路互補(bǔ)，并且響應(yīng)于所述第四輸出電流以及所述第一內(nèi)部電流，產(chǎn)生第四內(nèi)部電流，其中從所述差動(dòng)放大器電路的所述輸出端抽取或向所述差動(dòng)放大器電路的所述輸出端提供結(jié)果電流，所述結(jié)果電流是所述第二和第四電流加在一起的和。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓比較器電路，其中所述第一電流鏡電路被設(shè)計(jì)為產(chǎn)生所述第一內(nèi)部電流，從而所述第一內(nèi)部電流的電流電平與所述第一輸出電流的電流電平相同，其中所述第三電流鏡電路被設(shè)計(jì)為產(chǎn)生所述第三內(nèi)部電流，從而所述第一內(nèi)部電流的電流電平與所述第三輸出電流的電流電平相同，所述第二電流鏡電路被設(shè)計(jì)為產(chǎn)生所述第二內(nèi)部電流，從而所述第二內(nèi)部電流的電流電平是所述第三輸出電流與所述第三內(nèi)部電流加在一起的電流電平的k倍，其中k大于1，并且其中所述第四電流鏡電路被設(shè)計(jì)為產(chǎn)生所述第二內(nèi)部電流，從而所述第二內(nèi)部電流的電流電平是所述第四輸出電流與所述第一內(nèi)部電流加在一起的電流電平的k倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓比較器電路，其中所述波形整形電路包括至少一個(gè)反相器電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓比較器電路，其中所述第一差動(dòng)晶體管對(duì)包括第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一和第二MOS晶體管，其中所述第二差動(dòng)晶體管對(duì)包括第二導(dǎo)電類(lèi)型的第三和第四MOS晶體管，其中所述第二導(dǎo)電類(lèi)型與所述第一導(dǎo)電類(lèi)型互補(bǔ)，其中所述差動(dòng)放大器電路還包括第一恒流源，連接到所述第一和第二MOS晶體管的共同連接的源極；和第二恒流源，連接到所述第三和第四MOS晶體管的共同連接的源極，其中所述第一MOS晶體管的漏極連接到所述第一電流鏡電路的輸入，其中所述第二MOS晶體管的漏極連接到所述第二電流鏡電路的輸入，其中所述第三MOS晶體管的漏極連接到所述第三電流鏡電路的輸入，其中所述第四MOS晶體管的漏極連接到所述第四電流鏡電路的輸入，其中所述第一和第三MOS晶體管的柵極共同連接到所述差動(dòng)放大器電路的輸入端之一，并且其中所述第二和第四MOS晶體管的柵極共同連接到所述差動(dòng)放大器電路的所述輸入端的另一個(gè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓比較器電路，其中所述第一至第四電流鏡電路中每一個(gè)包括第五和第六MOS晶體管，它們具有共同連接的柵極和共同連接的源極；第七M(jìn)OS晶體管，其漏極連接到所述第五和第六MOS晶體管的所述共同連接?xùn)艠O，并且其源極連接到所述第五MOS晶體管的漏極，所述第七M(jìn)OS晶體管的柵極連接到恒壓源；恒流源，連接到所述第七M(jìn)OS晶體管的所述漏極；電流輸入端，連接到所述第五MOS晶體管的所述漏極以及所述第七M(jìn)OS晶體管的所述源極；公共端，連接到所述第五和第六MOS晶體管的所述共同連接源極；以及電流輸出端，連接到所述第六MOS晶體管的漏極。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電壓比較器電路，其中所述至少一個(gè)反相器電路包括P溝道MOS晶體管；和N溝道MOS晶體管，其中所述P溝道和N溝道晶體管的漏極共同連接到所述反相器電路的輸出，其中所述P溝道和N溝道晶體管的柵極共同連接到所述反相器電路的輸入，其中所述P溝道MOS晶體管的源極連接到電源端，并且其中所述N溝道MOS晶體管的源極連接到接地端。
7.一種電壓比較器電路，包括差動(dòng)放大器電路，和一組串連連接到所述差動(dòng)放大器電路的輸出端的CMOS反相器電路，其中所述差動(dòng)放大器電路包括第一差動(dòng)晶體管對(duì)，包括第一和第二P溝道MOS晶體管；第二差動(dòng)晶體管對(duì)，包括第一和第二N溝道MOS晶體管；第一電流鏡電路，對(duì)所述第一P溝道MOS晶體管的漏極輸出進(jìn)行鏡像；第二電流鏡電路，對(duì)所述第二P溝道MOS晶體管的漏極輸出進(jìn)行鏡像；第三電流鏡電路，對(duì)所述第一N溝道MOS晶體管的漏極輸出進(jìn)行鏡像；第四電流鏡電路，對(duì)所述第二N溝道MOS晶體管的漏極輸出進(jìn)行鏡像；其中所述第一電流鏡電路的輸出連接到所述第四電流鏡電路的輸入，其中所述第三電流鏡電路的輸出連接到所述第二電流鏡電路的輸入，其中所述第二和第四電流鏡電路的輸出共同連接到所述差動(dòng)放大器電路的所述輸出端，其中所述第一P溝道MOS晶體管和所述第一N溝道MOS晶體管的柵極共同連接到反相輸入端，并且其中所述第二P溝道MOS晶體管和所述第二N溝道MOS晶體管的柵極共同連接到非反相輸入端。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電壓比較器電路，其中所述第二和第四電流鏡電路的鏡像比為k，k大于1。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電壓比較器電路，其中所述第一至第四電流鏡電路中每一個(gè)包括第一和第二MOS晶體管，它們具有共同連接的柵極和共同連接的源極；第三MOS晶體管，其源極連接到所述第一MOS晶體管的漏極，其漏極連接到所述第一和第二MOS晶體管的所述共同連接?xùn)艠O，并且所述第七M(jìn)OS晶體管的柵極連接到恒壓源；恒流源，連接到所述第三MOS晶體管的所述漏極；電流輸入端，連接到所述第一MOS晶體管的所述漏極以及所述第三MOS晶體管的所述源極；公共端，連接到所述第一和第二MOS晶體管的所述共同連接源極；以及電流輸出端，連接到所述第二MOS晶體管的漏極。
全文摘要
一種電壓比較器電路，由接收一對(duì)輸入信號(hào)以在輸出端產(chǎn)生輸出信號(hào)的差動(dòng)放大器電路以及與輸出端連接的波形整形電路組成。差動(dòng)放大器電路包括響應(yīng)于一對(duì)輸入信號(hào)以輸出第一和第二輸出電流的第一差動(dòng)晶體管對(duì)；響應(yīng)于一對(duì)輸入信號(hào)以輸出第三和第四輸出電流的第二差動(dòng)晶體管對(duì)；響應(yīng)于第一輸出電流產(chǎn)生第一內(nèi)部電流的第一電流鏡電路；與第一電流鏡電路互補(bǔ)并響應(yīng)于第三輸出電流產(chǎn)生第三內(nèi)部電流的第三電流鏡電路；響應(yīng)于第三輸出電流和第三內(nèi)部電流產(chǎn)生第二內(nèi)部電流的第二電流鏡電路；以及與第二電流鏡電路互補(bǔ)并響應(yīng)于第四輸出電流及第一內(nèi)部電流產(chǎn)生第四內(nèi)部電流的第四電流鏡電路。從差動(dòng)放大器電路的輸出端抽取或向該輸出端提供結(jié)果電流。
文檔編號(hào)G01R19/165GK1777026SQ20051012670
公開(kāi)日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2005年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月17日
發(fā)明者西村浩一 申請(qǐng)人:恩益禧電子股份有限公司