專利名稱：一種具有失調(diào)校準的低功耗比較器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于模擬電路領域，特別涉及一種用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的比較器 背景技術逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Successive Approximation Analog Digital Converter)在中等速 度，中等精度的情況下，能夠夠?qū)崿F(xiàn)很低的功耗。比較器是這種結(jié)構(gòu)的核心部分，也是設 計的難點。比較器在設計中要考慮失調(diào)的影響，同時要滿足速度的要求。在滿足了速度以 及精度的要求下盡量降低比較器的功耗。Behzad Razavi,在"數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設計原理" ("Principles of Data Convertyion System Design")中提出了如何實現(xiàn)高速高精度的比較 器。這種結(jié)構(gòu)采用多級預放大器進行失調(diào)校準，最后加上一級鎖存器(LATCH)通過正 反饋將信號放大到數(shù)字處理的電平。這種電路結(jié)合了級聯(lián)運放比較器負指數(shù)響應特性和 Latch比較器正指數(shù)響應特性的特點。這種結(jié)構(gòu)可以達到較高的速度，但是由于需要3~4 預放大器進行失調(diào)校準，所以消耗的功耗比較大，這就不適合低功耗比較器的設計。同時 多個放大器也會占據(jù)很大的面積，增加成本。比較器的結(jié)構(gòu)如圖l所示，該比較器包括 電容C1、 C2、前置放大器、鎖存器(LATCH)，及開關S1 S6;各器件的聯(lián)接關系為 輸入信號通過開關S1， S2連接電容C1， C2的一端，同時分別通過開關S3， S4連接地， 電容C1， C2的另一端分別連接前置放大器的兩端，前置放大器通過開關S5， S6將輸入 輸出連接，前置放大器的輸出連接著鎖存器。常用的前置放大器如圖2所示，NMOS管 Ml的源極連接地，柵極連接固定電平VB，控制整體電路的電流，Ml的漏極連接NMOS 管M2， M3的源極，M2， M3的柵極分別連接輸入信號(VIN)的兩個輸入端，同時M2 的漏極連接PMOS管M4和M6的漏極和M4的柵極。M3的漏極連接PMOS管M5和 M7的漏極和M7的柵極。M4， M5， M6， M7的源極連接電源電壓VDD上。圖2是典型 的前置放大器的結(jié)構(gòu)，但是這種結(jié)構(gòu)的增益不夠高，為了達到更高的精度，往往需要多級 的級聯(lián)，這樣會消耗過多的功耗，也會占據(jù)很大的面積。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為克服已有技術的不足之處，提出一種具有失調(diào)校準的低功耗比較 器，采用一級前置放大器，在保證精度的情況下，降低了功耗，減少了面積。本發(fā)明提出的一種具有失調(diào)校準的低功耗比較器，該比較器包括電容C1、 C2、前 置放大器、鎖存器，及開關S1 S6;各器件的聯(lián)接關系為輸入信號通過開關S1， S2連接電容C1， C2的一端，同時分別通過開關S3， S4連接地，電容C1， C2的另一端分別連接前置放大器的兩端，開關S5， S6與前置放大器的輸入、輸出端相連，前置放大器的 輸出端與鎖存器相連；其特征在于，所述前置放大器主要由9個MOS管組成；其中， Ml、 M2、 M3、 M4、 M9為NMOS管，M5、 M6、 M7、 M8為PMOS管；所述各NMOS 的襯底接地，所述各PMOS的襯底接到電源電壓VDD上；其連接關系為NMOS管M9 源極接地，柵極接外部電壓IC1; NMOS管Ml與M2的源極連接在一起，同時與M9的 漏極相連；Ml與M2的柵極分別與輸入信號的兩端VIN2、 VIN1相連；M4的源極連接 M2的漏極，M3的源極連接Ml的漏極，M3與M4的柵極均連接固定電平VB2; M6的 漏極連接M4的漏極和M8的柵極，M5的漏極連接M3的漏極和M7的柵極，M5與M6 的柵極均連在固定電平VB1上；M5與M6的源極連接在一起，同時與M7與M8的漏極 相連；M7和M8的源極均連接到固定電平VDD上。 本發(fā)明的特點及技術效果本發(fā)明針對于傳統(tǒng)比較器的大功耗，大面積，提出了采用一級前置放大器來實現(xiàn)高精 度、低功耗比較器，通過調(diào)節(jié)前置放大器的增益，該裝置可以對Latch的失調(diào)進行校準， 這樣就能夠滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器對于精度的要求，同時可以調(diào)節(jié)前置放大器的帶寬來滿足速度 的要求。而且使用一級前置放大器，這樣功耗就僅僅由這一級放大器決定。


圖1為已有的一種比較器的結(jié)構(gòu)圖。 圖2為圖1中比較器的前置放大器結(jié)構(gòu)圖。 圖3為本發(fā)明的比較器的前置放大器結(jié)構(gòu)圖。具體實現(xiàn)方式本發(fā)明提出的一種具有失調(diào)校準的低功耗比較器，結(jié)合附圖及實施例詳細說明如下本發(fā)明提出的比較器，總體結(jié)構(gòu)如圖l，該比較器包括電容C1、 C2、前置放大器、鎖存器(LATCH)，及開關S1 S6;各器件的聯(lián)接關系為輸入信號通過開關S1， S2連 接電容C1， C2的一端，同時分別通過開關S3， S4連接地，電容C1， C2的另一端分別 連接前置放大器的兩端，前置放大器通過開關S5， S6將輸入輸出連接，前置放大器的輸 出連接著鎖存器。
本發(fā)明的前置放大器電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，該電路的主要有9個MOS管(Metal Oxide Semiconductor,金屬氧化物半導體)M1 M9組成；其中，Ml、 M2、 M3、 M4、 M9為 NMOS管(Negative Channel Metal Oxide Semiconductor,陰極金屬氧化物半導體)，M5、 M6、 M7、 M8為PMOS管(Positive Channel Metal Oxide Semiconductor,陽極金屬氧化物 半導體)。各NMOS的襯底接地，PMOS的襯底接到電源電壓VDD上；其連接關系為 NMOS管M9為尾電流源，該源極接地，柵極接外部電壓IC1，控制著流過M9的電流； NMOS管Ml與M2 (為輸入管)源極連接在一起同時與M9的漏極連在一起；Ml與M2的柵極分別連接輸入信號VIN的兩端VIN2、 VIN1; M4的源極連接M2的漏極，M3的 源極連接Ml的漏極，M3與M4的柵極連接相同的固定電平VB2; M6的漏極連接M4 的漏極和M8的柵極，M5的漏極連接M3的漏極和M7的柵極，M5與M6的柵極連在同 一固定電平VB1上。M5與M6的源極連接在一起，同時連接M7與M8的漏極；M7和M8 的源極均連接到固定電平VDD上。本發(fā)明的工作原理比較器的失調(diào)校準與比較過程是分開進行的，首先在比較之前進行失調(diào)校準開關S1、 S2打開，開關S3、 S4、 S5、 S6閉合，這樣前置放大器得失調(diào)電壓 就存儲在電容C1、 C2上，這樣前置放大器等效在輸入端得失調(diào)電壓為^ ，可以表示為y 一A 。開關S5、 S6的存儲電荷效應也會對比較器的失調(diào)產(chǎn)生影響，AQ4,5分別是開關S4與S5 注入到電容上的電荷失調(diào)量，而且。1<:2= C，那么開關S4， S5等效在輸入端的失調(diào)為△a,6C 。 LATCH的失調(diào)電壓通過前置放大器的放大進行等效縮小。例如LATCH的「 二畫—.r。見失調(diào)電壓為^s" LATCH在信號輸入端看到的等效失調(diào)為K^， ^ 4 ，通過校準可 以得到的整個比較器等效在輸入端的失調(diào)電壓為&5 。
<formula>formula see original document page 5</formula>
由上可知，本發(fā)明的前置放大器的結(jié)構(gòu)是非常關鍵的，它對失調(diào)電壓進行校正，是實 現(xiàn)精度的關鍵部分，同時也是整個比較器消耗功耗最大的部分。前置放大器結(jié)構(gòu)選擇，如 果采用多級放大器，或者單級放大器的級聯(lián)，這樣可以滿足速度與精度的要求，但是多級會消耗很多的功耗，從功耗方面考慮，本發(fā)明選擇如圖2所示的單級放大器是最佳選擇。 根據(jù)公式(l)得到前置防大器的增益要求。同時由于前置放大器是工作在開環(huán)狀態(tài)，根據(jù) 速度的要求，可以得到BW(帶寬)必須大于比較器的工作頻率f。,2/ (2) 增益^的確定<formula>formula see original document page 5</formula> (3)g^為輸入NMOS的跨導，g^為M4的跨導，Q為M2的漏源等效電阻，^為M4的漏 源等效電阻，^為M6的漏源等效電阻，M7和M8是共模反饋的作用，這樣在共模的時 候就可以穩(wěn)定住輸出電壓。M3與M4構(gòu)成cascode結(jié)構(gòu)。根據(jù)4與BW的要求可以得到4;*5『=:C^^=^" (4)GBW為放大器的增益帶寬積，^s為柵源電壓，^為MOS管的開啟電壓，一般取^^一^為(UV，其中G為前置放大器的等效負載。由于々和BW的數(shù)值可以根據(jù)要求得出，同時負載電容^也是固定的，這樣根據(jù)公式(4) 和(5)得到電流/的數(shù)值。所以根據(jù)比較器精度和速度的要求就能夠確定前置放大器的 整體功耗。
權利要求
1、一種具有失調(diào)校準的低功耗比較器，該比較器包括電容(C1、C2)、前置放大器、鎖存器，及開關(S1～S6)；其中，輸入信號通過開關(S1，S2)連接電容(C1，C2)的一端，同時分別通過開關(S3，S4)連接地，電容(C1，C2)的另一端分別連接前置放大器的兩端，開關(S5，S6)與前置放大器的輸入、輸出端相連，前置放大器的輸出端與鎖存器相連；其特征在于，所述前置放大器主要由9個MOS管組成；其中，M1、M2、M3、M4、M9為NMOS管，M5、M6、M7、M8為PMOS管；所述各NMOS的襯底接地，所述各PMOS的襯底接到電源電壓(VDD)上；其連接關系為NMOS管M9源極接地，柵極接外部電壓(IC1)；NMOS管M1與M2的源極連接在一起，同時與M9的漏極相連；M1與M2的柵極分別與輸入信號的兩端(VIN2、VIN1)相連；M4的源極連接M2的漏極，M3的源極連接M1的漏極，M3與M4的柵極均連接固定電平(VB2)；M6的漏極連接M4的漏極和M8的柵極，M5的漏極連接M3的漏極和M7的柵極，M5與M6的柵極均連在固定電平(VB1)上；M5與M6的源極連接在一起，同時與M7與M8的漏極相連；M7和M8的源極均連接到固定電平(VDD)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有失調(diào)校準的低功耗比較器，屬于模擬電路領域，該比較器包括電容、前置放大器、鎖存器，及多個開關；其中，輸入信號通過開關S1，S2連接電容C1，C2的一端，同時分別通過開關S3，S4連接地，電容C1，C2的另一端分別連接前置放大器的兩端，開關S5，S6與前置放大器的輸入、輸出端相連，前置放大器的輸出端與鎖存器相連；所述前置放大器主要由9個MOS管組成；其中，M1、M2、M3、M4、M9為NMOS管，M5、M6、M7、M8為PMOS管；本發(fā)明通過合適的失調(diào)校準結(jié)構(gòu)以及設計前置防大器的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了在100kHz的工作速度下，精度為10bit的比較器。與其他比較器相比，該裝置具有失調(diào)電壓小，功耗小的特點，適合應用于低功耗的逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
文檔編號H03M1/10GK101217279SQ200810055879
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月11日 優(yōu)先權日2008年1月11日
發(fā)明者喬峻石, 李冬梅, 李文杰 申請人:清華大學