本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及半導(dǎo)體集成電路與標(biāo)準(zhǔn)cmos工藝兼容的低功耗高速高精度比較器電路。

背景技術(shù)：

比較器將輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，是模擬到數(shù)字的一個(gè)重要接口，廣泛運(yùn)用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器等電路。在金屬氧化物半導(dǎo)體器件中，電子元件易發(fā)生工作特性變化，該變化通常表現(xiàn)為閾值電壓電平的移動(dòng)。例如，在比較器電路中,差分對(duì)中的失配和電流源中的失配可以導(dǎo)致比較器偏移，所述比較器偏移是電壓偏移，其通過(guò)影響輸入電壓與基準(zhǔn)電壓之間的比較性能而限制了比較器的精度。比較器偏移量不僅作為隨機(jī)器件失配的結(jié)果出現(xiàn)，而且還是器件尺寸的函數(shù)。降低偏移量的一個(gè)已知方法是增大器件尺寸。但是，這需要增加功率以維持增益帶寬和更新期。對(duì)于小的、低功率的比較器來(lái)說(shuō)，增大器件尺寸可能不是實(shí)用的選擇，因此需要偏移補(bǔ)償或者偏移抵消方案。

比較器按作原理大體可以分為兩類：運(yùn)放結(jié)構(gòu)比較器和鎖存器。運(yùn)放結(jié)構(gòu)比較器可以分辨較小的輸入信號(hào)，但是速度較慢；鎖存器的速度較快，但是只能分辨較大的輸入信號(hào)，同時(shí)失調(diào)和回程噪聲也較大在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，比較器對(duì)速度和精度都有較高的要求，單獨(dú)使用任一種比較器都不能滿足要求，往往將兩種比較器級(jí)聯(lián)組成高速高精度比較器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有比較器電路性能的不足，本發(fā)明提供一種與標(biāo)準(zhǔn)cmos工藝兼容的一種低功耗高速高精度的比較器，能夠有效地減小比較器失調(diào)電壓的影響，在控制平均功耗的基礎(chǔ)上提高比較器的速度以及精度。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所涉及的一種低功耗低高速高精度比較器電路，包括順序連接的輸入采樣開(kāi)關(guān)，前置放大器，二級(jí)預(yù)放大器，動(dòng)態(tài)輸出鎖存器，其中所述輸入采樣開(kāi)關(guān)，包括一對(duì)采樣輸入信號(hào)的開(kāi)關(guān)和一對(duì)采樣參考電壓的開(kāi)關(guān)，用于在復(fù)位階段將輸入接固定參考電平vref，在比較階段將輸入接差分輸入差分信號(hào)vn，vp；所述前置放大器，用于放大差分輸入信號(hào)，需要保證該前置放大器有足夠的帶寬和增益，以減小高速比較器等效在輸入端的總失調(diào)電壓，提高比較器的精度。

上述所說(shuō)的前置放大器，采用交叉結(jié)構(gòu)的p晶體管負(fù)載，由晶體管mn0，mn1，mn2，mn3，晶體管mp0，mp1，mp2，mp3組成，晶體管mn0和晶體管mn1組成差分輸入對(duì)管，晶體管mp3和晶體管mp2組成耦合對(duì)管，用于放大差分輸入信號(hào)。

上述所說(shuō)的耦合電容，在復(fù)位階段用于存儲(chǔ)前置放大器的失調(diào)電壓，在比較階段用于將前置放大器輸出變化量耦合到二級(jí)預(yù)放大器輸入端。

上述所說(shuō)的二級(jí)預(yù)放大器，采用兩級(jí)放大結(jié)構(gòu)；用于提高放大器的增益，其第一級(jí)放大器的負(fù)載采用了帶弱正反饋的交叉耦合結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的晶體管mp6和mp7的寬長(zhǎng)比應(yīng)該小于晶體管mp4和mp5，有效減少對(duì)前置放大器的回程噪聲，否則構(gòu)成強(qiáng)反饋；通過(guò)二級(jí)預(yù)放大器的mp10，mp11的輸入信號(hào)來(lái)控制輸出鎖存器的狀態(tài)，降低鎖存器的設(shè)計(jì)難度和功耗。

上述所說(shuō)的輸出鎖存器，用于鎖存比較輸出的結(jié)構(gòu)，其前端采用反相器結(jié)構(gòu)，用于輸出結(jié)果的整形，提高比較速度,兩個(gè)反相器級(jí)聯(lián)，后接一個(gè)交叉耦合的反相器，將前級(jí)輸出迅速建立到數(shù)字邏輯輸出電平，并能鎖存輸出。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所涉一種低功耗高速高精度比較器電路的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是本發(fā)明所涉一種低功耗高速高精度比較器電路的前置放大器的電路圖；

圖3是本發(fā)明所涉一種低功耗高速高精度比較器電路的二級(jí)預(yù)放大器的電路圖；

圖4是本發(fā)明所涉一種低功耗高速高精度比較器電路的輸出鎖存器電路圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

一種低功耗高速高精度比較器電路(見(jiàn)圖1)，包括順序連接的四個(gè)輸入采樣開(kāi)關(guān)s1，s2，s3，s4，前置放大器，耦合電容c1，c2，二級(jí)預(yù)放大器，輸出鎖存器，其中采樣開(kāi)關(guān)s1，s2，s3，s4，用于在復(fù)位階段將輸入接固定參考電平vref，在比較時(shí)間將輸入接差分輸入信號(hào)vn，vp。

前置放大器采用交叉結(jié)構(gòu)的p晶體管負(fù)載，用于放大差分輸入信號(hào)，需要保證該前置放大器有足夠的帶寬和增益，以減小超高速比較器等效在輸入端的總失調(diào)電壓，提高該比較器的精度。

耦合電容c1，c2，在復(fù)位階段用于存儲(chǔ)前置放大器的失調(diào)電壓，在比較階段用于將前置放大器輸出變化量耦合到二級(jí)預(yù)放大器輸入端。

二級(jí)預(yù)放大器，輸入是耦合電容耦合到輸入端的前置放大器輸出變化量，用于再一次放大，輸入信號(hào)與參考信號(hào)的差值，通過(guò)全動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的二級(jí)放大，不消耗靜態(tài)電流，降低了功耗，進(jìn)一步提高了比較器的精度；由二級(jí)放大器的輸出狀態(tài)控制輸出鎖存器的狀態(tài)

輸出鎖存器，兩個(gè)反相器級(jí)聯(lián)，后接一個(gè)交叉耦合的反相器，將前級(jí)輸出迅速建立到數(shù)字邏輯輸出電平，并能鎖存輸出。由于該動(dòng)態(tài)鎖存器的輸入失調(diào)電壓vosl等效到比較器輸出端要經(jīng)過(guò)兩個(gè)增益級(jí)的衰減，該失調(diào)電壓的影響可以忽略。由此完成了對(duì)輸入信號(hào)的比較放大和失調(diào)電壓的存儲(chǔ)和補(bǔ)償。

根據(jù)圖1結(jié)構(gòu)，在復(fù)位階段，輸入采樣開(kāi)關(guān)s1，s4閉合，復(fù)位開(kāi)關(guān)s5閉合，輸入采樣開(kāi)關(guān)s2，s3斷開(kāi)，輸入端接到固定參考電平vref，第一級(jí)前置放大器的輸入失調(diào)電壓vos1被存儲(chǔ)在耦合電容c1，c2上，與此同時(shí)，由于二級(jí)預(yù)放大器被接成單位增益的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，該二級(jí)預(yù)放大器的失調(diào)電壓vos2也被耦合電容采樣并存儲(chǔ)；在比較階段，復(fù)位開(kāi)關(guān)s5斷開(kāi)，輸入采樣開(kāi)關(guān)s1，s4斷開(kāi)，s2，s3閉合，輸入端接收真正的輸入信號(hào)vn，vp,該輸入信號(hào)被放大并傳遞給輸出鎖存器，在放大傳輸?shù)耐瑫r(shí),存儲(chǔ)在耦合電容上的失調(diào)電壓被補(bǔ)償。在輸出階段鎖存器將前級(jí)輸出迅速建立到數(shù)字邏輯輸出電平，由于該動(dòng)態(tài)鎖存器的輸入失調(diào)電壓vosl等效到比較器輸出端要經(jīng)過(guò)兩個(gè)增益級(jí)的衰減，在圖1結(jié)構(gòu)中，該失調(diào)電壓的影響可以忽略，由此完成了對(duì)輸入信號(hào)的比較放大和失調(diào)電壓的存儲(chǔ)和補(bǔ)償。

上述所說(shuō)的前置放大器(見(jiàn)圖2)，由晶體管mn0，mn1，mn2，mn3，晶體管mp0，mp1，mp2，mp3組成，晶體管mn0和晶體管mn1組成差分輸入對(duì)管，晶體管mp3和晶體管mp2組成耦合對(duì)管，前置放大器不需要太大的放大倍數(shù)，為提供較寬的帶寬，因?yàn)檩^寬的帶寬既可以加快放大器傳輸時(shí)間，也可以加快整體比較器的響應(yīng)速度。

上述所說(shuō)的二級(jí)預(yù)放大器(見(jiàn)圖3)，二級(jí)預(yù)防大器是兩級(jí)動(dòng)態(tài)放大器，晶體管mn3，mn4組成第一級(jí)差分輸入對(duì)管，晶體管mn7作為尾電流管，柵極接偏置電壓vb，晶體管mn7的源極接晶體管mn8的漏極，晶體管mn8的柵極接clk,在比較階段，晶體管mn8工作在深線性區(qū)，在clk為低時(shí)晶體管mn8工作在截止區(qū)，比較完成后第一級(jí)放大器不消耗靜態(tài)電流，降低功耗，晶體管mp4，mp5，mp6，mp7組成帶弱正反饋的交叉耦合結(jié)構(gòu)負(fù)載，用以提高運(yùn)放的增益，晶體管mp6和mp7的寬長(zhǎng)比應(yīng)該小于晶體管mp4和mp5寬長(zhǎng)比，否則構(gòu)成強(qiáng)正反饋，對(duì)前置放大器的回程噪聲就比較大。晶體管mp9，mp8和晶體管mn6，mn5組成其第二級(jí)，其中晶體管mn5的漏極和柵極連接，把雙端輸入轉(zhuǎn)單端輸出，使的一段輸出的增益增大一倍。晶體管mp10，mp11接在一級(jí)放大器與二級(jí)放大器之間，晶體管mp10，mp11的柵極接控制信號(hào)ena，當(dāng)ena為高電平時(shí)，晶體管mp10，mp11工作在截止區(qū)，二級(jí)預(yù)防大器正常輸出放大結(jié)果，其后的鎖存器也輸出比較結(jié)果，當(dāng)ena為低電平時(shí)，晶體管mp10，mp11工作在飽和區(qū)，此時(shí)，晶體管mp9的柵極和漏極都接高電平，工作在截止區(qū)，此時(shí)二級(jí)預(yù)防大器輸出為高阻態(tài)，鎖存器鎖存再生上次比較結(jié)果。通過(guò)二級(jí)預(yù)放大器控制鎖存器的狀態(tài)，減小了鎖存器的設(shè)計(jì)難度和功耗。

上述所說(shuō)的輸出鎖存器(見(jiàn)圖4)，所述鎖存器由晶體管mp12，mp13，mp1，mp15，mp16和晶體管mn9，mn10，mn11，mn12，mn13組成，晶體管mp13和晶體管mn10組成反相器級(jí)聯(lián)由晶體管mp16和晶體管mn9組成的反相器，加快比較速度和比較結(jié)果整形。晶體管mn12，mn13和晶體管mp12，mp15組成正反饋的交叉耦合的反相器，對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行鎖存。