專利名稱：一種cmos低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲比較器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種CMOS電壓比較器，它應(yīng)用于便攜式設(shè)備模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一種低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲比較器。

背景技術(shù)：
在當(dāng)代許多無線通信系統(tǒng)前端接收機中，需要采用高速、高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對于采用電池供電的便攜式設(shè)備應(yīng)用場合的模數(shù)轉(zhuǎn)換器則對功耗十分苛求，各國無線通信行業(yè)致力于高速、高分辨率、低功耗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的研究和設(shè)計。眾所周知，比較器是所有模數(shù)轉(zhuǎn)換器的核心電路模塊，它的失調(diào)電壓、功耗、回程噪聲、比較速度等特性會對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能產(chǎn)生極其重要的影響。如失調(diào)電壓直接決定了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率，在Flash模數(shù)轉(zhuǎn)換器中大量比較器同時開或關(guān)，比較器的回程噪聲對輸入信號的干擾會直接導(dǎo)致量化輸出的誤差，而在流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，比較器的回程噪聲也會延長運算放大器的建立時間，直接影響其高頻響應(yīng)和速度性能。
目前現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中有多種電路結(jié)構(gòu)特點的比較器，按其不同工作方式可分為靜態(tài)鎖存比較器與動態(tài)鎖存比較器兩類。H.Fiedler，et al.，“A 5-bitbuilding block for 20MHz A/D converters，”IEEE J.of Solid-State Circuits，vol.16，提出的典型的靜態(tài)鎖存比較器如圖1所示，雖然回程噪聲較低，但存在明顯的缺點①兩條電源到地的直流通路的存在，功耗較大；②采用A類交叉耦合反相器作為正反饋鎖存器，受到擺率限制，工作速度低；③采用NMOS管做輸入差分對，二極管連接的PMOS管做負(fù)載的電路結(jié)構(gòu)，不僅增益較低，正反饋鎖存器失調(diào)電壓的貢獻(xiàn)較大，使其精度限制在6Bit。已有技術(shù)的典型動態(tài)鎖存比較器示于圖2(L.Sumanen，et al“A MismatchInsensitive CMOS Dynamic Comparator for Pipeline A/D Converters，”Proc.ICECS’00，pp.I-32-35，Dec.2000)，該動態(tài)鎖存器只在再生轉(zhuǎn)變階段存在電流，故其功耗低，它采用CMOS反相器的正反饋鎖存器，無擺率限制而速度高，但其回程噪聲和失調(diào)電壓太大，精度限制在4Bit以下。
現(xiàn)有的失調(diào)取消技術(shù)是一種應(yīng)用廣泛的減小比較器失調(diào)電壓的方法，它通過將前置放大器的輸入短接，用電容存儲輸出的失調(diào)電壓。當(dāng)前置放大器對輸入信號進(jìn)行放大時，電容上存儲的失調(diào)電壓與前置放大器的失調(diào)電壓相抵消。但由于集成工藝制作的開關(guān)存在泄露電流極易導(dǎo)致電容漏電，而且，失調(diào)取消必須按時刷新，刷新處理要么加大時鐘花銷，要么控制時鐘相位復(fù)雜，難以獲得高的轉(zhuǎn)換速度。
隨著無線通信系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展，面向6～8Bit中高精度的低功耗、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用需求，研究設(shè)計一種新的CMOS電壓比較器電路結(jié)構(gòu)已是無線通信技術(shù)領(lǐng)域非常重要的課題。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的缺陷，提出一種CMOS低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲的電壓比較器，不需采用失調(diào)取消技術(shù)，能夠滿足6～8Bit中高精度的低功耗、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用要求。
本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn) 一種CMOS低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲比較器，包含前置放大器、一對NMOS開關(guān)管、正反饋鎖存器、兩個CMOS反相器和SR鎖存器。前置放大器是以PMOS雙差分對管為輸入差分對，以二極管連接的NMOS管與一對正反饋連接的NMOS管并行連接為負(fù)載的電路結(jié)構(gòu)。由于CMOS工藝的固有問題，制作的正反饋鎖存器和SR鎖存器的失調(diào)電壓比較大，而正反饋鎖存器和SR鎖存器引入的失調(diào)電壓與前置放大器的增益成反比，所以對前置放大器提高增益，使比較器的失調(diào)電壓主要取決于前置放大器本身的失調(diào)電壓。
所述的正反饋鎖存器是兩個交叉耦合的NMOS管、PMOS管對，通過兩個時鐘控制的NMOS使能管連接到地，并在兩個輸出再生節(jié)點之間連接一只復(fù)位管的電路結(jié)構(gòu)。當(dāng)時鐘信號為邏輯高電平時，比較器處于復(fù)位階段，NMOS使能管斷開，兩個交叉耦合的NMOS管、PMOS管對不存在到地的直流通路，靜態(tài)功耗為零，當(dāng)時鐘信號為邏輯低電平時，NMOS使能管打開，兩個交叉耦合的NMOS管、PMOS管對才存在電流，因此降低了比較器的功耗； 前置放大器和正反饋鎖存器之間接入一對NMOS開關(guān)管，比較器在復(fù)位到鎖存階段，開關(guān)管斷開，使再生節(jié)點與輸入節(jié)點隔離，消除了回程噪聲的影響； 正反饋鎖存器與SR鎖存器之間接入兩個CMOS反相器，正反饋鎖存器的輸出再生節(jié)點連接兩個CMOS反相器的輸入端，兩個CMOS反相器的輸出端分別與SR鎖存器的輸入端相連，SR鎖存器的二路輸出端為Q+和Q-，接入兩個CMOS反相器可對正反饋鎖存器的輸出信號進(jìn)行緩沖。
所述的CMOS低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲比較器，其在于所述的正反饋鎖存器的輸出再生節(jié)點并接CMOS反相器的輸入端和復(fù)位管，其復(fù)位電壓設(shè)置為電源電壓的一半，而不是電源電壓或地。
所述的CMOS低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲比較器，其在于所述的正反饋鎖存器的PMOS管對與NMOS管對的晶體管尺寸比值小于其載流子遷移率之比，有利于提高比較器的再生速度。
所述的CMOS低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲比較器，其在于所述的正反饋鎖存器的兩個輸出再生節(jié)點之間的復(fù)位管是NMOS管。
所述的CMOS低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲比較器，其在于所述的SR鎖存器為由兩個二輸入與非門構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)。
所述的CMOS低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲比較器，其在于所述的SR鎖存器的兩個CMOS反相器的閾值電壓大于比較器的復(fù)位電壓。
所述的CMOS低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲比較器，其在于一對NMOS開關(guān)管與復(fù)位管連接同一時鐘信號，兩個NMOS使能管連接另一時鐘信號，兩個時鐘信號為互補信號。
所述的CMOS低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲比較器，其在于所述的正反饋鎖存器的復(fù)位管和NMOS使能管以及前置放大器和正反饋鎖存器之間接入的一對NMOS開關(guān)管，柵長均采用最小特征工藝尺寸。
所述的CMOS低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲比較器，其在于所述的兩個CMOS反相器的晶體管，柵長均采用最小特征工藝尺寸。
所述的CMOS低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲比較器，其在于所述的SR鎖存器的構(gòu)成晶體管，柵長均采用最小特征工藝尺寸。
本發(fā)明具有下列實質(zhì)性的效果 (1)本發(fā)明前置放大器電路結(jié)構(gòu)，采用PMOS管比NMOS管具有更低的失配工藝參數(shù)，減小了其本身的失調(diào)電壓，同時提高了前置放大器的增益，減小了正反饋鎖存器和SR鎖存器引入的失調(diào)電壓。前置放大器自身的失調(diào)電壓隨輸入晶體管尺寸的增大而減小，在滿足比較器的工作速度前提下，借助電路仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計晶體管尺寸，得到低的失調(diào)電壓。
(2)在前置放大器和正反饋鎖存器之間接入一對開關(guān)管，比較器在復(fù)位到鎖存階段，開關(guān)管斷開使再生節(jié)點與輸入節(jié)點隔離，消除了回程噪聲的影響。
(3)比較器的正反饋鎖存器采用背靠背的CMOS反相器，消除了靜態(tài)功耗及擺率限制問題；同時，還在正反饋鎖存器兩反相器的再生節(jié)點之間連接一只復(fù)位管，可以減小過驅(qū)動恢復(fù)時間，提高了比較器的速度；再者，使正反饋鎖存器處于復(fù)位階段時，復(fù)位電壓等于電源電壓的一半，進(jìn)一步提高了比較器的速度。
(4)兩個CMOS反相器對正反饋鎖存器的輸出進(jìn)行緩沖將其驅(qū)動到全數(shù)字電平，SR鎖存器使比較器處于復(fù)位階段時，保持前面的狀態(tài)，這樣可使得在整個時鐘周期內(nèi)都存在有效的數(shù)字輸出。
(5)由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的CMOS鎖存比較器具有低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲的優(yōu)點，可應(yīng)用于6～8Bit中高精度的低功耗高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器中。



圖1是現(xiàn)有技術(shù)的靜態(tài)鎖存比較器的電路原理圖； 圖2是現(xiàn)有技術(shù)的動態(tài)鎖存比較器的電路原理圖； 圖3是本發(fā)明的CMOS低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲比較器的原理框圖； 圖4是本發(fā)明實施例的CMOS低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲比較器的電路原理圖； 圖5是本發(fā)明實施例的比較器中CMOS反相器的電路圖； 圖6是本發(fā)明實施例的比較器中二輸入與非門的電路圖；
具體實施例方式 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。
本發(fā)明的CMOS低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲比較器的原理框圖如圖3所示，它包含前置放大器、一對NMOS開關(guān)管、正反饋鎖存器、兩個CMOS反相器和SR鎖存器。前置放大器是以PMOS雙差分對管為輸入差分對，以一對二極管連接的NMOS管與一對正反饋連接的NMOS管并行連接為有源負(fù)載的電路結(jié)構(gòu)，PMOS雙差分對管的輸入端分別連接Vinp和Vinn端子、Vrefp和Vrefn端子，前置放大器和正反饋鎖存器之間接入一對NMOS開關(guān)管，正反饋鎖存器的兩個輸出再生節(jié)點P與N之間連接一復(fù)位管，正反饋鎖存器的輸出再生節(jié)點P連接兩個CMOS反相器，兩個CMOS反相器的輸出端分別連接SR鎖存器的輸入端，SR鎖存器的兩個輸出端為Q和Q-。
本發(fā)明實施例CMOS低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲比較器的電路原理圖見圖4。前置放大器以PMOS雙差分對管M1～M4為輸入差分對，以一對二極管連接的NMOS管M7～M8與一對正反饋連接的NMOS管M9～M10并行連接為有源負(fù)載。正反饋鎖存器由M15與M20和M14與M19構(gòu)成的動態(tài)鎖存器、M13和M16構(gòu)成的差分對以及M18和M21構(gòu)成的開關(guān)電流源組成。前置放大器與正反饋鎖存器之間接入一對NMOS開關(guān)管M11和M12，正反饋鎖存器的兩個輸出再生節(jié)點P與N之間連接一復(fù)位管M17，正反饋鎖存器的輸出再生節(jié)點P、N連接兩個CMOS反相器的輸入端，SR鎖存器由兩個二輸入端與非門AND2組成，與非門AND2的一輸入端連接兩個CMOS反相器INV的輸出端。該比較器電路工作過程如下 當(dāng)CLK＝1時，復(fù)位管M17閉合，比較器處于復(fù)位階段，前置放大器對輸入信號進(jìn)行放大，同時開關(guān)管M11和M12閉合，前置放大器輸出信號加到差分對管M13和M16，向再生節(jié)點P、N注入正比于前置放大器輸出信號的非平衡電流。處于閉合的復(fù)位管M17將兩個輸出再生節(jié)點P、N短路，對正反饋鎖存器輸出電壓進(jìn)行復(fù)位。同時，兩個時鐘信號是互補的，此時CLKB＝0，M18、M21斷開，由晶體管M15與M20和M14與M19構(gòu)成的動態(tài)鎖存器不工作，通過的直流電流為零。
當(dāng)CLK＝0時，比較器處于再生階段，復(fù)位管M17斷開，同時，CLKB＝1，晶體管M18、M21閉合，兩個背對背的CMOS反相器構(gòu)成的動態(tài)鎖存器將存于再生節(jié)點P、N的非平衡電壓迅速放大到數(shù)字邏輯電平。同時，由于CLK＝0，開關(guān)管M11和M12斷開，此階段前置放大器輸出端與正反饋鎖存器輸入端或者說再生輸出結(jié)點與輸入結(jié)點被隔離。值得指出的是，在再生階段回程噪聲的影響得到了消除。
當(dāng)CLK＝1時，比較器處于復(fù)位階段，正反饋鎖存器的NMOS使能管斷開，使兩個交叉耦合的NMOS管、PMOS管對到地的直流通路斷開，靜態(tài)功耗為零，當(dāng)CLKB＝1時，NMOS使能管打開，兩個交叉耦合的NMOS管、PMOS管對才存在電流，因此降低了比較器的功耗。
下面對前置放大器、正反饋鎖存器和SR鎖存器的設(shè)計思路作進(jìn)一步說明。為了得到更好的電源抑制比和共模抑制比，前置放大器采用PMOS雙差分輸入管對M1～M4，負(fù)載管采用二極管連接的NMOS管M7和M8與正反饋連接的NMOS管M9和M10并行連接的方式。該前置放大器的增益近似為 式中Av為置放大器增益；gm是MOS管的跨導(dǎo)。實際中綜合考慮比較器的輸入帶寬和失調(diào)電壓，前置放大器的增益可設(shè)計為Av＝20dB，通過調(diào)整M7和M8與M9和M10的晶體管的尺寸和偏置電流比，使得gm7，8大于gm9，10的值為gm1，2的十分之一即可。如前所述，在前置放大器高增益條件下，比較器的失調(diào)電壓主要由前置放大器本身的失調(diào)電壓決定。前置放大器輸入失調(diào)電壓方差可由下式近似給出 這里， 其中，AVTp和AKp是失配工藝參數(shù)。之所以采用PMOS輸入管對，一方面是由于PMOS管失配工藝參數(shù)AVTp和AKp要比NMOS管小，另一方面采用NMOS管作為負(fù)載使得輸出結(jié)點的總負(fù)載電容CL更小，不僅可顯著降低失調(diào)電壓，而且有利于提高工作速度。
正反饋鎖存器采用的是兩個交叉耦合的CMOS反相器構(gòu)成的動態(tài)鎖存器，再生時間常數(shù)近似為 式中CEQ為再生節(jié)點的總電容，gEQ為再生節(jié)點總跨導(dǎo)。
CEQ＝Cgd13，16+Cdb13，16+Cgs14，15+Cdb14，15+Cgs19，20+Cdb19，20+Cgd17+Cdb17+CgsINV (7) gEQ＝gm14，15+gm19，20 (8) 顯然，NMOS和PMOS再生環(huán)都對總電容和總跨導(dǎo)有貢獻(xiàn)。如果PMOS環(huán)尺寸相對NMOS環(huán)尺寸較大，再生速度會由于下述原因顯著減小首先，PMOS管對再生節(jié)點增加太大電容，而增加跨導(dǎo)有限；其次，比較器閾值電壓移向VDD，導(dǎo)致NMOS管過驅(qū)動電壓增加，使得跨導(dǎo)減小。因此，采用PMOS再生晶體管和NMOS再生晶體管尺寸比值小于其載流子遷移率之比，可以提高再生速度。此外，比較器處于復(fù)位階段時，設(shè)置的復(fù)位電壓等于電源電壓的一半，相比與通常復(fù)位于電源電壓或地的情況，這時的再生速度更快。
CMOS反相器電路如圖5所示，由PMOS管M51、NMOS管M52構(gòu)成。兩個CMOS反相器的閾值電壓均設(shè)置為大于比較器的復(fù)位電壓，它們對正反饋鎖存器的輸出進(jìn)行緩沖并將其驅(qū)動到全數(shù)字電平。
構(gòu)成SR鎖存器的二輸入與非門(AND2)電路如圖6所示，它由并行連接的PMOS管M61、M62和串行連接的NMOS管M63、M64構(gòu)成。當(dāng)比較器處于復(fù)位階段時，SR鎖存器使比較器保持前面的狀態(tài)，這樣使比較器在整個時鐘周期內(nèi)都存在有效的數(shù)字輸出。
對于高速數(shù)字電路，CMOS反相器和SR鎖存器中的晶體管，柵長均采用最小特征工藝尺寸，以減小由其引入的時間延遲。
綜上所述，本發(fā)明采用了上述技術(shù)方案，性能優(yōu)于已有技術(shù)，可應(yīng)用于6～8Bit中高精度低功耗高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器中。
表一給出了本發(fā)明的比較器和圖1所示已有技術(shù)的靜態(tài)鎖存器及圖2所示已有技術(shù)的動態(tài)鎖存器主要性能的比較結(jié)果。
表一
權(quán)利要求
1.一種CMOS低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲比較器，包括前置放大器和正反饋鎖存器以及SR鎖存器，其特征在于
所述的前置放大器是以PMOS雙差分對管為輸入差分對，以一對二極管連接的NMOS管與一對正反饋連接的NMOS管并行連接為有源負(fù)載的電路結(jié)構(gòu)；
所述的正反饋鎖存器是兩個交叉耦合的NMOS管、PMOS管對，通過兩個時鐘控制的NMOS使能管連接到地，并在兩個輸出再生節(jié)點P與N之間連接一只復(fù)位管的電路結(jié)構(gòu)；
前置放大器和正反饋鎖存器之間接入一對NMOS開關(guān)管；
正反饋鎖存器與SR鎖存器之間接入兩個CMOS反相器，正反饋鎖存器的輸出再生節(jié)點連接兩個CMOS反相器的輸入端，兩個CMOS反相器的輸出端分別與SR鎖存器的輸入端相連，SR鎖存器的二路輸出端為Q+和Q-。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲比較器，其特征在于所述的正反饋鎖存器的輸出再生節(jié)點并接CMOS反相器的輸入端和復(fù)位管，其復(fù)位電壓設(shè)置等于電源電壓的一半。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲比較器，其特征在于所述的正反饋鎖存器的PMOS管對與NMOS管對的晶體管尺寸比值小于其載流子遷移率之比。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的CMOS低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲比較器，其特征在于所述的正反饋鎖存器的兩個輸出再生節(jié)點之間的復(fù)位管是NMOS管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲比較器，其特征在于所述的SR鎖存器為由兩個二輸入與非門構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的CMOS低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲比較器，其特征在于所述的SR鎖存器的兩個CMOS反相器的閾值電壓大于比較器的復(fù)位電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲比較器，其特征在于一對NMOS開關(guān)管與復(fù)位管連接同一時鐘信號，兩個NMOS使能管連接另一時鐘信號，兩個時鐘信號為互補信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲比較器，其特征在于所述的正反饋鎖存器的復(fù)位管和NMOS使能管以及前置放大器和正反饋鎖存器之間接入的一對NMOS開關(guān)管，柵長均采用最小特征工藝尺寸。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的CMOS低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲比較器，其特征在于所述的兩個CMOS反相器的晶體管，柵長均采用最小特征工藝尺寸。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的CMOS低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲比較器，其特征在于所述的SR鎖存器的構(gòu)成晶體管，柵長均采用最小特征工藝尺寸。
全文摘要
本發(fā)明屬于無線通信系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，公開一種CMOS低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲比較器，包括前置放大器，一對開關(guān)管，正反饋鎖存器，CMOS反相器，SR鎖存器。前置放大器采用PMOS管作輸入差分對，二極管連接NMOS管與正反饋連接NMOS管并行連接作負(fù)載的電路結(jié)構(gòu)，可減小比較器失調(diào)電壓；在前置放大器和正反饋鎖存器之間插入一對開關(guān)管，可減小比較器回程噪聲；正反饋鎖存器采用交叉耦合CMOS反相器電路結(jié)構(gòu)，并在再生節(jié)點之間連接一個復(fù)位管，不僅減小比較器功耗，而且提高再生速度。本發(fā)明的比較器良好的低功耗、低失調(diào)電壓、低回程噪聲特性，不需采用失調(diào)取消技術(shù)，就可廣泛應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)的6～8Bit中高精度的低功耗高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
文檔編號H03M1/34GK101355351SQ20071007017
公開日2009年1月28日 申請日期2007年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月23日
發(fā)明者莫太山, 馬成炎, 葉甜春 申請人:杭州中科微電子有限公司