本發(fā)明總體上涉及集成電路，具體而言，涉及軌對(duì)軌比較器電路。

背景技術(shù)：

比較器是在許多應(yīng)用中使用的常見電路類型，一些應(yīng)用要求比較器在寬共模輸入電壓范圍操作。由于技術(shù)改進(jìn)導(dǎo)致更低器件電源電壓和更小閾值電壓比，集成電路設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)越來(lái)越難以設(shè)計(jì)并制造在寬共模輸入電壓范圍操作的比較器。典型地，隨著在比較器的輸入處的共模電壓接近器件的正電源軌或負(fù)電源軌，比較器不再適當(dāng)?shù)毓ぷ鳎瑢?dǎo)致輸出信號(hào)不能表示在比較器的輸入處的信號(hào)。

在美國(guó)專利No.7,576,572中論述的一個(gè)已知的比較器設(shè)計(jì)，通過并聯(lián)兩個(gè)互補(bǔ)、對(duì)稱、可操作跨導(dǎo)放大器(OTA)來(lái)實(shí)現(xiàn)軌對(duì)軌比較器。但這個(gè)設(shè)計(jì)具有多余的組件并且使用了不必要的更多有源負(fù)載。而且，由多余負(fù)載引入的寄生電容減慢了比較器。

在“A rail-to-rail input-range CMOS voltage comparator”(1997Proceedings of the 40th Midwest Symposium on Circuits and Systems，Vol.1)中論述的另一個(gè)已知的比較器設(shè)計(jì)，使用具有交叉耦合負(fù)載的兩個(gè)對(duì)稱OTA來(lái)實(shí)現(xiàn)軌對(duì)軌比較器。在該設(shè)計(jì)中，交叉耦合負(fù)載可以增大電路的DC增益，導(dǎo)致較差的共模電壓抑制。此外，如果將內(nèi)部節(jié)點(diǎn)箝位到電源軌或接地軌，就增大了設(shè)計(jì)的傳播延遲。另外，這個(gè)電路需要開關(guān)來(lái)克服電路不能自動(dòng)管理高和低共模電壓。開關(guān)增加了更多寄生電容。

希望提供一種比較器，其可以在全軌對(duì)軌共模輸入電壓范圍操作，滿足高速操作需要，實(shí)現(xiàn)低功耗且對(duì)于制造工藝要求較少。

附圖說(shuō)明

通過示例的方式說(shuō)明了本發(fā)明，并且其不受限于附圖，在附圖中，相似的參考標(biāo)記表示相似的要素。出于簡(jiǎn)單清楚而示出了附圖中的要素，并且不必要按照比例繪制。例如，為了清楚，可以夸大層和區(qū)域的厚度。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的比較器的示意性方框圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖1的比較器的示意性電路圖；

圖3是圖2的比較器的一部分的示意性電路圖，其中當(dāng)輸入INN和INP的共模電壓接近于電源軌時(shí)比較器可操作；

圖4是圖2的比較器的一部分的示意性電路圖，其中當(dāng)輸入INN和INP的共模電壓接近于接地軌時(shí)比較器可操作。

具體實(shí)施方式

本文公開了本發(fā)明的詳細(xì)示例性實(shí)施例。但本文公開的特定結(jié)構(gòu)性和功能性細(xì)節(jié)僅僅表示為了描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。本發(fā)明可以體現(xiàn)在許多可替換的形式中，不應(yīng)解釋為僅局限于本文闡述的實(shí)施例。此外，本文使用的術(shù)語(yǔ)僅是為了描述特定實(shí)施例，并非旨在限定本發(fā)明的示例性實(shí)施例。

如本文使用的單數(shù)形式“一(a)”、“一個(gè)(an)”和“該(the)”旨在同樣包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文明確地另有表示。還應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步理解，術(shù)語(yǔ)“包括”和/或“包含”指明所述的特征、步驟或組件的存在，但不排除一個(gè)或多個(gè)其他特征、步驟或組件的存在或添加。還應(yīng)注意，在一些可替換的實(shí)現(xiàn)方式中，提及的功能/動(dòng)作可以不按照附圖中所示的順序進(jìn)行。例如，取決于涉及的功能/動(dòng)作，連續(xù)示出的兩個(gè)附圖實(shí)際上可以基本上同時(shí)執(zhí)行或者有時(shí)可以按照相反的順序執(zhí)行。

在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明是一種比較器，其包括n型輸入級(jí)、p型輸入級(jí)、共享負(fù)載級(jí)、以及輸出級(jí)，其中n型輸入級(jí)連接以接收具有負(fù)輸入分量和正輸入分量的差分輸入信號(hào)，p型輸入級(jí)連接以接收差分輸入信號(hào)，共享負(fù)載級(jí)連接到n型輸入級(jí)和p型輸入級(jí)并包括由n型輸入級(jí)和p型輸入級(jí)共用的負(fù)載器件，輸出級(jí)連接到共享負(fù)載級(jí)并提供表示差分輸入信號(hào)的相對(duì)電壓水平的比較器輸出信號(hào)。

在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種比較器，包括NMOS輸入級(jí)、PMOS輸入級(jí)、共享負(fù)載級(jí)以及輸出級(jí)，NMOS輸入級(jí)包括源極耦合n型晶體管的差分對(duì)與一個(gè)或多個(gè)NMOS輸入級(jí)有源負(fù)載晶體管，第一源極耦合n型晶體管借助其柵極電連接到正差分輸入節(jié)點(diǎn)，第二n型晶體管借助其柵極電連接到負(fù)輸入節(jié)點(diǎn)，PMOS輸入級(jí)包括源極耦合p型晶體管的差分對(duì)與一個(gè)或多個(gè)PMOS輸入級(jí)有源負(fù)載晶體管，第一源極耦合p型晶體管借助其柵極電連接到正差分 輸入節(jié)點(diǎn)，第二源極耦合p型晶體管借助其柵極電連接到負(fù)輸入節(jié)點(diǎn)，共享負(fù)載級(jí)包括有源負(fù)載晶體管，其電連接在PMOS輸入級(jí)與NMOS輸入級(jí)之間；輸出級(jí)電連接到共享負(fù)載級(jí)。

在一個(gè)實(shí)施例中，輸出級(jí)僅具有兩個(gè)晶體管。在操作中，當(dāng)NMOS輸入級(jí)運(yùn)行時(shí)，其使得通過共享負(fù)載級(jí)內(nèi)的有源負(fù)載晶體管中的至少一個(gè)汲取電流，而當(dāng)PMOS輸入級(jí)運(yùn)行時(shí)，其使得通過共享負(fù)載級(jí)內(nèi)相同的有源負(fù)載晶體管中的至少一個(gè)汲取電流。

現(xiàn)在參考圖1，示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的比較器100的框圖。比較器100包括NMOS和PMOS輸入級(jí)110和120、共享負(fù)載級(jí)130和輸出級(jí)140。每一個(gè)NMOS和PMOS輸入級(jí)110和120都被連接到負(fù)差分輸入節(jié)點(diǎn)INN 150和正差分輸入節(jié)點(diǎn)INP 155。

NMOS輸入級(jí)110經(jīng)由連接160和165電連接到共享負(fù)載級(jí)130，而PMOS輸入級(jí)120經(jīng)由連接170和175電連接到共享負(fù)載級(jí)130。共享負(fù)載級(jí)130經(jīng)由連接180和185電連接到輸出級(jí)140。輸出級(jí)140連接到輸出節(jié)點(diǎn)Vout 190。

每一級(jí)都包括適當(dāng)?shù)碾娫?Vdd)和接地連接(未示出)。在多個(gè)實(shí)現(xiàn)方式中，Vdd典型地在1.8與3.6伏之間，本文中可以稱為“上軌”或“電源軌”。同時(shí)，接地連接會(huì)接近于0伏，本文中可以稱為“下軌”或“接地軌”。

比較器100通常如下操作。如果正輸入INP 155的電壓高于負(fù)輸入INN 150的電壓，那么比較器100的輸出Vout 190將被驅(qū)動(dòng)為高(即，接近于上軌)?？商鎿Q地，如果正輸入INP 155的電壓小于負(fù)輸入INN 150的電壓，那么比較器100的輸出Vout 190將被驅(qū)動(dòng)為低(即接近于下軌)。

當(dāng)與輸入INN 150和INP 155相關(guān)的共模電壓(CMV)接近于上軌或接近于下軌時(shí)，使用NMOS和PMOS輸入級(jí)110和120允許比較器100正確操作。具體而言，如果輸入INN 150和INP 155的CMV接近于上軌，取決于輸入INN 150和INP 155相對(duì)于彼此的電壓，那么PMOS輸入級(jí)120就會(huì)不工作，部分NMOS輸入級(jí)110和共享負(fù)載電路130會(huì)負(fù)責(zé)將輸出級(jí)140的輸出電壓Vout 190驅(qū)動(dòng)到電源軌或接地軌。

類似地，如果輸入INN 150和INP 155的CMV接近于接地軌，取決于輸入INN 150和INP 155相對(duì)于彼此的電壓，那么NMOS輸入級(jí)110就會(huì)不工作，部分PMOS輸入級(jí)120和共享負(fù)載電路130會(huì)負(fù)責(zé)將輸出級(jí)140的輸出電壓 Vout 190驅(qū)動(dòng)到電源軌或接地軌。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的圖1的比較器100的示意性電路圖。

NMOS輸入級(jí)110包括輸入n溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)M1N和M1P，以及有源負(fù)載p溝道FET M3和M5。PMOS輸入級(jí)120包括輸入p型FET M2N和M2P，以及有源負(fù)載n溝道FET M9和M10。共享負(fù)載級(jí)130包括p溝道FET M4和n溝道FET M7；以及輸出級(jí)140包括p溝道FET M6和n溝道FET M8。

在NMOS輸入級(jí)110內(nèi)，n溝道FET M1N和M1P在其源極節(jié)點(diǎn)電連接到電流宿(current sink)210。FET M1N的柵極節(jié)點(diǎn)電連接到負(fù)差分輸入節(jié)點(diǎn)INN，F(xiàn)ET M1P的柵極節(jié)點(diǎn)電連接到正差分輸入節(jié)點(diǎn)INP。FET M1N的漏極節(jié)點(diǎn)電連接到p溝道FET M3的漏極節(jié)點(diǎn)，與FET M3和M5的柵極節(jié)點(diǎn)相同。

在比較器100的操作期間，如果差分輸入INN和INP到NMOS輸入級(jí)110的CMV基本上接近于電源與接地軌電壓之間的中點(diǎn)，且INP節(jié)點(diǎn)的電壓高于INN節(jié)點(diǎn)的電壓，那么通過FET M1P汲取的電流就會(huì)比通過FET M1N汲取的電流多。相應(yīng)地，通過FET M4汲取的電流就會(huì)比通過FET M3汲取的電流多。這個(gè)較高的電流會(huì)鏡像到輸出級(jí)140中的FET M6，會(huì)將輸出Vout 190上拉向電源軌。

可替換地，如果INP節(jié)點(diǎn)的電壓低于INN節(jié)點(diǎn)的電壓，那么通過FET M1N汲取的電流就會(huì)比通過FET M1P汲取的電流多。相應(yīng)地，通過FET M3汲取的電流就會(huì)比通過FET M4汲取的電流多。這個(gè)電流會(huì)鏡像到輸出級(jí)140中的FET M5、M7和M8，會(huì)將輸出Vout 190下拉向接地軌。

在PMOS輸入級(jí)120內(nèi)，p溝道FET M2N和M2P在其源極節(jié)點(diǎn)電連接到電流源(current source)220。FET M2N的柵極節(jié)點(diǎn)電連接到負(fù)差分輸入節(jié)點(diǎn)INN，F(xiàn)ET M2P的柵極節(jié)點(diǎn)電連接到正差分輸入節(jié)點(diǎn)INP。FET M2N的漏極節(jié)點(diǎn)電連接到n溝道FET M10的漏極節(jié)點(diǎn)，與n溝道FET M9和M10的柵極節(jié)點(diǎn)相同。

在比較器100的操作期間，如果差分輸入INN和INP到PMOS輸入級(jí)120的CMV基本上接近于電源與接地軌電壓之間的中點(diǎn)，且INP節(jié)點(diǎn)的電壓高于INN節(jié)點(diǎn)的電壓，那么通過FET M2N汲取的電流就會(huì)比通過FET M2P汲取的電流多。相應(yīng)地，通過FET M10、M9、M4和M6汲取的電流就會(huì)比通過 FET M7和M8汲取的電流多。通過FET M6的較高電流會(huì)使得將輸出Vout 190上拉向電源軌。

可替換地，如果INP節(jié)點(diǎn)的電壓低于INN節(jié)點(diǎn)的電壓，那么通過FET M1P汲取的電流就會(huì)比通過FET M1N汲取的電流多。相應(yīng)地，通過FET M7汲取的電流就會(huì)比通過FET M10汲取的電流多，通過鏡像，通過FET M5、M7和M8汲取的電流就會(huì)比通過FET6汲取的電流多。通過FET M8的較高電流會(huì)使得將輸出Vout 190下拉向接地軌。

注意，F(xiàn)ET M4和M7分別充當(dāng)NMOS和PMOS輸入級(jí)110和120的有源負(fù)載，因而構(gòu)成這些輸入級(jí)的共享負(fù)載。這與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相反，其使用具有獨(dú)立負(fù)載的雙并聯(lián)PMOS和NMOS輸入級(jí)。這種現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)遭受到組件冗余和較長(zhǎng)傳播延遲的影響。

如果差分輸入INN和INP的CMV大于(Vdd-V_dsatP-V_thP)，那么PMOS輸入級(jí)120就關(guān)閉，比較器100的操作由NMOS輸入級(jí)110、共享負(fù)載級(jí)130和輸出級(jí)140控制。V_dsatP是當(dāng)電流源220正確操作時(shí)在電流源220兩端的最小壓降，V_thP是PMOS晶體管的閾值電壓。

圖3是圖2的比較器100的部分300示意性電路圖，當(dāng)輸入INN和INP的CMV接近于電源軌時(shí)比較器可操作。

部分300包括NMOS輸入級(jí)110、共享負(fù)載級(jí)130和輸出級(jí)140。注意，省略了不工作的PMOS輸入級(jí)120。

如果CMV為高，那么部分300基本上如上相對(duì)于比較器100的NMOS輸入級(jí)110的操作所述的執(zhí)行。

具體而言，如果差分輸入INN和INP對(duì)NMOS輸入級(jí)110的CMV接近于電源軌電壓，且INP節(jié)點(diǎn)的電壓高于INN節(jié)點(diǎn)的電壓，那么通過FET M1P汲取的電流就會(huì)比通過FET M1N汲取的電流多。相應(yīng)地，通過FET M4汲取的電流就會(huì)比通過FET M3汲取的電流多。這個(gè)較高的電流將會(huì)鏡像到輸出級(jí)140中的FET M6，會(huì)將輸出Vout 190上拉向電源軌。

可替換地，如果INP節(jié)點(diǎn)的電壓低于INN節(jié)點(diǎn)的電壓，那么通過FET M1N汲取的電流就會(huì)比通過FET M1P汲取的電流多。相應(yīng)地，通過FET M3汲取的電流就會(huì)比通過FET M4汲取的電流多。這個(gè)電流會(huì)鏡像到輸出級(jí)140中的FET M5、M7和M8，會(huì)將輸出Vout 190下拉向接地軌。

會(huì)注意到，PMOS輸入級(jí)120及其非共享有源負(fù)載不工作。這對(duì)比較器100的快速傳播時(shí)間和低功率操作做出貢獻(xiàn)。

回來(lái)參考圖2的比較器電路100，如果差分輸入INN和INP的CMV小于(V_dsatN+V_thN)，那么NMOS輸入級(jí)110就有效關(guān)閉，比較器100的操作由PMOS輸入級(jí)120、共享負(fù)載級(jí)130和輸出級(jí)140控制。V_dsatN是當(dāng)電流宿210正確操作時(shí)在電流宿210兩端的最小壓降，V_thN是NMOS晶體管的閾值電壓。

圖4是圖2的比較器100的部分400的示意性電路圖，當(dāng)輸入INN和INP的CMV接近于接地軌時(shí)比較器可操作。

部分400包括PMOS輸入級(jí)120、共享負(fù)載級(jí)130和輸出級(jí)140。注意，省略了不工作的NMOS輸入級(jí)110。

如果CMV為低，那么部分400基本上如上關(guān)于比較器100的PMOS輸入級(jí)120的操作所述的執(zhí)行。

具體而言，如果差分輸入INN和INP對(duì)PMOS輸入級(jí)120的CMV接近于接地軌電壓，且INP節(jié)點(diǎn)的電壓高于INN節(jié)點(diǎn)的電壓，那么通過FET M2N汲取的電流就會(huì)比通過FET M2P汲取的電流多。相應(yīng)地，通過FET M10汲取的電流就會(huì)比通過FET M7汲取的電流多。這個(gè)較高的電流會(huì)鏡像到輸出級(jí)140中的FET M9、M4和M6，會(huì)將輸出Vout 190上拉向電源軌。

可替換地，如果INP節(jié)點(diǎn)的電壓低于INN節(jié)點(diǎn)的電壓，那么通過FET M2P汲取的電流就會(huì)比通過FET M2N汲取的電流多。相應(yīng)地，通過FET M7汲取的電流就會(huì)比通過FET M10(相應(yīng)地借助通過FET M9、M4和M6的鏡像)汲取的電流多。因而，復(fù)制到FET M8的電流會(huì)多于復(fù)制到輸出級(jí)140的FET M6的電流，會(huì)將輸出Vout 190下拉向接地軌。

會(huì)注意到，NMOS輸入級(jí)110及其非共享有源負(fù)載在這個(gè)操作模式中不工作。這對(duì)比較器100的快速傳播時(shí)間和低功率操作做出貢獻(xiàn)。

注意，在所有操作模式中，比較器100的輸出級(jí)140都僅包括兩個(gè)FET M6和M8。這個(gè)布置提供了極低的寄生電容、較小的晶片尺寸以及更短的傳播時(shí)間。

在權(quán)利要求書內(nèi)，可以將p型晶體管認(rèn)為與p溝道晶體管同義，可以將n型晶體管認(rèn)為與n溝道晶體管同義。

除非另有表述，術(shù)語(yǔ)如“第一”、“第二”和“第三”用于在此類術(shù)語(yǔ)描述的要素之間加以任意區(qū)分。因而，這些術(shù)語(yǔ)不必然表示這種要素的時(shí)間或其他優(yōu)先 順序，不應(yīng)解釋為必然參考說(shuō)明書的實(shí)施例中類似編號(hào)的要素。

盡管本文參考特定實(shí)施例說(shuō)明了本發(fā)明，但在不脫離以下權(quán)利要求書中闡述的本發(fā)明的范圍的情況下，可以做出多個(gè)修改和變化。因此，說(shuō)明書和附圖應(yīng)認(rèn)為是示例性而非限制性意義的，并且所有此類修改都旨在包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。本文相對(duì)于特定實(shí)施例所述的對(duì)問題的任何益處、優(yōu)點(diǎn)或解決方案都并非旨在解釋為任何或全部權(quán)利要求的關(guān)鍵、必需或必不可少的特征或要素。