CN106026938A - 全差分比较器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全差分比较器，包括差分输入级与差分输出级，差分输入级包括正反馈通路、负反馈通路及偏置场效应管，差分输出级包括正输出单元与负输出单元，外部差分信号均输入负反馈通路与正反馈通路，负反馈通路、正反馈通路均分别与正反馈通路、偏置场效应管的漏极、正输出单元、负输出单元连接，外部一固定偏置电压输入偏置场效应管的栅极，偏置场效应管的源极接地，偏置场效应管为正反馈通路与负反馈通路提供偏置电流，正反馈通路与负反馈通路对输入的差分信号进行放大并输出至差分输出级，正输出单元输出经差分放大后的正信号，负输出单元输出经差分放大后的负信号。本发明的全差分比较器，节省了电路的功耗和面积，增强了放大器抵抗噪声的能力，增加了比较器的增益。

Description

全差分比较器

技术领域

本发明涉及集成电路领域，更具体地涉及一种全差分比较器。

背景技术

请参考图1，图1为现有技术全差分比较器的电路结构图。如图所示，该电路由两级放大器级联而成，第一级为MOS管M1、M2、M3、M4、M5构成的差分放大器，第二级为分别由MOS管M6和M7，M8和M9构成的共源极放大器构成。第一级当中N型MOS管M1、M2作为输入对管将其栅极节点的差分电压信号△Vi(△Vi＝Vip-Vin),转化流过其漏极差分电流信号△I1(△I1＝I1-I2)，其中△I1满足以下关系：

ΔI1＝gm1*ΔVi(gm1为MOS管M1的跨导)

P型MOS管M3、M4作为电流镜负载将差分电流信号△I1转化为其漏极节点的差分电压信号△Vo1(△Vo1＝Vd2-Vd1)。△Vo1满足以下关系：

ΔVo1＝ΔI1*(ro1//ro3)(ro1,ro3分别表示M1,M3的小信号电阻)

N型MOS管M5为第一级差分放大器提供直流偏置。P型MOS管M3、M4的漏极节点分别连接至第二级共源放大器的输入端P型MOS管M7和P型MOS管M9的栅极上，M7和M9将差分电压信号△Vo1转化为流过其漏端的差分电流△I2(△I2＝I6-I7)，并通过电流镜负载M6和M8再次转化为差分电压信号△Vo2(△Vo2＝Vop-Von)，并通过输出端的正极和负极差分输出。其中△Vo1、△Vo2、△I2满足以下关系：

ΔVo2＝ΔI2*(ro6//ro7)＝ΔVo1*gm7*(ro6//ro7)(ro1,ro3分别表示M6,M7的小信号电阻，gm7表示M7的跨导)

N型MOS管M5、M6、M8偏置在外接电压VBN上，P型MOS管M3、M4偏置在外接电压VBP上。为保证该电路的差分特性，MOS管M1和M2,M3和M4,M7和M9,M6和M8的模型和尺寸均相同。在直流状态下，该全差分比较器的增益为

Av＝gm1*(ro3//ro1)*gm7*(ro6//ro7)

但是，上述电路第一级差分放大器的电流镜负载M3和M4的栅极需要外接偏置电压VBP，该电压大小必须通过对M1,M2漏极电压的平均值进行采样的共模反馈电路来确定，否则第一级差分放大器的输出共模电压会因为流过M3的直流偏置电流和流过M1的直流偏置电流之间的不匹配而无法确定，从而使得比较器无法正常工作；且共模反馈电路的引入会消耗额外的功耗、增加电路的面积以及降低比较器的增益。另外，该比较器的差分输入转折点电压为0，即当输入差分电压△Vi>0时，△Vo2为高电平，当△Vi<0时，输出△Vo2低电平。当△Vi的大小处于0附近时，若输入节点Vip或Vin受到电路内部或者外部的噪声干扰，致使△Vi在0附近产生等于噪声幅度的振荡，那么该比较器将会直接因为噪声而输出纯粹由噪声引起的高低电平信号，造成比较器输出信号的失真，如图2所示，在图2中，V1为低电平，V2为高电平，V3为△Vi＝0时的电平，图2A为未受到噪声干扰的波形图，图2B为受到噪声as干扰的波形图；因此，该放大器抵抗噪声的能力较弱。当该电路在静态工作(即没有交流信号输入)条件下，第二级电路中的MOS管M6、M8受到外接固定电压偏置VBN的作用，会产生固定偏置电流，从而增加了一定的功耗。

因此，有必要提供一种改进的全差分比较器来克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种全差分比较器，本发明的全差分比较器，节省了电路的功耗和面积，增强了放大器抵抗噪声的能力，增加了比较器的增益。

为实现上述目的，本发明提供了一种全差分比较器，包括差分输入级与差分输出级，所述差分输入级包括正反馈通路、负反馈通路及偏置场效应管，所述差分输出级包括正输出单元与负输出单元，外部差分信号均输入所述负反馈通路与正反馈通路，所述负反馈通路、正反馈通路均分别与正反馈通路、偏置场效应管的漏极、正输出单元、负输出单元连接，外部一固定偏置电压输入所述偏置场效应管的栅极，所述偏置场效应管的源极接地，所述偏置场效应管为所述正反馈通路与负反馈通路提供偏置电流，所述正反馈通路与负反馈通路对输入的差分信号进行放大并输出至所述差分输出级，所述正输出单元输出经差分放大后的正信号，所述负输出单元输出经差分放大后的负信号。

较佳地，所述正反馈通路包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管与第四场效应管，外部正向信号输入所述第一场效应管的栅极，外部负向信号输入所述第二场效应管的栅极，所述第一场效应管的源极与第二场效应管的源极共同连接并与所述偏置场效应管的漏极连接，所述第一场效应管的漏极分别与所述负反馈通路、第四场效应管的漏极、负输出单元连接，第二场效应管的漏极分别与所述负反馈通路、第三场效应管的漏极、正输出单元连接，所述第三场效应管的源极与第四场效应管的源极均与外部电源连接，所述第三场效应管的栅极与第四场效应管的栅极均与所述负反馈通路连接。

较佳地，所述负反馈通路包括，第一场效应管、第二场效应管、第五场效应管与第六场效应管，所述第一场效应管的源极与第二场效应管的源极共同连接并与所述偏置场效应管的漏极连接，所述第一场效应管的漏极分别与所述第五场效应管的栅极、第五场效应管的漏极、第四场效应管的漏极、负输出单元连接，第二场效应管的漏极分别与所述第六场效应管的栅极、第六场效应管的漏极、第三场效应管的漏极、正输出单元连接，所述第五场效应管的源极与第六场效应管的源极均与外部电源连接，所述第五场效应管的栅极、漏极均与第三场效应管的栅极连接，所述第六场效应管的栅极、漏极均与第四场效应管的栅极连接。

较佳地，所述负输出单元包括第七场效应管、第八场效应管、第九场效应管及第十场效应管，所述第七场效应管的源极与第八场效应管的源极均与外部电源连接，所述第七场效应管的栅极与所述第一场效应管的漏极连接，所述第七场效应管的漏极与所述第九场效应管的漏极、栅极连接；所述第八场效应管的栅极与所述第二场效应管的漏极连接，所述第八场效应管的漏极与所述第十场效应管的漏极连接并输出负信号；所述第九场效应管的栅极与第十场效应管的栅极连接，所述第九场效应管的源极与第十场效应管的源极均接地。

较佳地，所述正输出单元包括第十一场效应管、第十二场效应管、第十三场效应管及第十四场效应管，所述第十一场效应管的源极与第十二场效应管的源极均与外部电源连接，所述第十一场效应管的栅极与所述第二场效应管的漏极连接，所述第十一场效应管的漏极与所述第十三场效应管的漏极、栅极连接；所述第十二场效应管的栅极与所述第一场效应管的栅极连接，所述第十二场效应管的漏极与所述第十四场效应管的漏极连接并输出正信号；所述第十三场效应管的栅极与第十四场效应管的栅极连接，所述第十三场效应管的源极与第十四场效应管的源极均接地。

较佳地，所述第一场效应管和第二场效应管具有相同的结构特征，所述第三场效应管和第四场效应管具有相同的结构特征，所述第五场效应管和第六场效应管具有相同的结构特征，所述第七场效应管和第十一场效应管具有相同的结构特征，所述第八场效应管和第十二场效应管具有相同的结构特征，所述第九场效应管和第十三场效应管具有相同的结构特征，所述第十场效应管和第十四场效应管具有相同的结构特征。

较佳地，所述第一场效应管与第二场效应管为N型场效应管，所述第五场效应管、第七场效应管、第八场效应管、第十一场效应管、第十二场效应管为P型场效应管。

与现有技术相比，本发明的全差分比较器除外接偏置电压VBN以外，不再需要其它外接偏置电压，不需要共模反馈电路，节省了电路的功耗和面积；增强放大器抵抗噪声的能力，使得电路输出信号不会因为输入端口的噪声信号而发生改变；且降低了第二级电路中的静态工作电流，进一步增加比较器的增益。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为现有技术的全差分比较器的电路结构图。

图2有技术的全差分比较器的输出波形图。

图3为本发明全差分比较器的电路结构图。

图4为本发明全差分比较器受到噪声干扰的输出波形图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，本发明提供了一种全差分比较器，节省了电路的功耗和面积，增强了放大器抵抗噪声的能力，增加了比较器的增益。

请参考图3，图3为本发明全差分比较器的电路结构图。如图所示，本发明的全差分比较器包括差分输入级与差分输出级，所述差分输入级包括正反馈通路、负反馈通路及偏置场效应管Ms；所述差分输出级包括正输出单元与负输出单元。外部差分信号(Vip、Vin)均输入所述负反馈通路与正反馈通路，所述负反馈通路、正反馈通路均分别与正反馈通路、偏置场效应管Ms的漏极、正输出单元、负输出单元连接，从而所述正反馈通路与负反馈通路将外部输入的差分信号(Vip、Vin)进行差分放大并输出至所述差分输出级。外部一固定偏置电压VBN输入所述偏置场效应管Ms的栅极，所述偏置场效应管Ms的源极接地，所述偏置场效应管Ms为所述正反馈通路与负反馈通路提供偏置电流，以保证所述正反馈通路与负反馈通路的正常工作。所述正输出单元输出经差分放大后的正信号outp，所述负输出单元输出经差分放大后的负信号outn。如上所述，本发明的全差分比较器除外接偏置电压VBN以外，不再需要其它外接偏置电压，不需要共模反馈电路，节省了电路的功耗和面积；增强放大器抵抗噪声的能力，使得电路输出信号不会因为输入端口的噪声信号而发生改变；且降低了所述差分输出级电路中的静态工作电流，进一步增加比较器的增益。

具体地:

所述正反馈通路包括第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场效应管M3与第四场效应管M4，外部正向信号Vip输入所述第一场效应管M1的栅极，外部负向信号Vin输入所述第二场效应管M2的栅极，所述第一场效应管M1的源极与第二场效应管M2的源极共同连接并与所述偏置场效应管Ms的漏极连接，所述第一场效应管M1的漏极分别与所述负反馈通路、第四场效应管M4的漏极、负输出单元连接，第二场效应管M2的漏极分别与所述负反馈通路、第三场效应管M3的漏极、正输出单元连接，所述第三场效应管M3的源极与第四场效应管M4的源极均与外部电源VDD连接，所述第三场效应管M3的栅极与第四场效应管M4的栅极均与所述负反馈通路连接。所述负反馈通路包括，第一场效应管M1、第二场效应管M2、第五场效应管M5与第六场效应管M6，所述第一场效应管M1的源极与第二场效应管M2的源极共同连接并与所述偏置场效应管Ms的漏极连接，所述第一场效应管M1的漏极分别与所述第五场效应管M5的栅极、第五场效应管M5的漏极、第四场效应管M4的漏极、负输出单元连接，第二场效应管M2的漏极分别与所述第六场效应管M6的栅极、第六场效应管M6的漏极、第三场效应管M3的漏极、正输出单元连接，所述第五场效应管M5的源极与第六场效应管M6的源极均与外部电源VDD连接，所述第五场效应管M5的栅极、漏极均与第三场效应管M3的栅极连接，所述第六场效应管M6的栅极、漏极均与第四场效应管M4的栅极连接。

所述负输出单元包括第七场效应管M7、第八场效应管M8、第九场效应管M9及第十场效应管M10，所述第七场效应管M7的源极与第八场效应管M8的源极均与外部电源VDD连接，所述第七场效应管M7的栅极与所述第一场效应管M1的漏极连接，所述第七场效应管M7的漏极与所述第九场效应管M9的漏极、栅极连接；所述第八场效应管M8的栅极与所述第二场效应管M2的漏极连接，所述第八场效应管M8的漏极与所述第十场效应管M10的漏极连接并输出负信号outn；所述第九场效应管M9的栅极与第十场效应管M10的栅极连接，所述第九场效应管M9的源极与第十场效应管M10的源极均接地。

所述正输出单元包括第十一场效应管M11、第十二场效应管M12、第十三场效应管M13及第十四场效应管M14，所述第十一场效应管M11的源极与第十二场效应管M12的源极均与外部电源VDD连接，所述第十一场效应管M11的栅极与所述第二场效应管M2的漏极连接，所述第十一场效应管M11的漏极与所述第十三场效应管M12的漏极、栅极连接；所述第十二场效应管M12的栅极与所述第一场效应管M1的栅极连接，所述第十二场效应管M12的漏极与所述第十四场效应管M14的漏极连接并输出正信号outp；所述第十三场效应管M13的栅极与第十四场效应管M14的栅极连接，所述第十三场效应管M13的源极与第十四场效应管M14的源极均接地。

作为本发明的优选实施方式，所述第一场效应管M1和第二场效应管M2具有相同的结构特征，所述第三场效应管M3和第四场效应管M4具有相同的结构特征，所述第五场效应管M5和第六场效应管M6具有相同的结构特征，所述第七场效应管M7和第十一场效应管M11具有相同的结构特征，所述第八场效应管M8和第十二场效应管M12具有相同的结构特征，所述第九场效应管M9和第十三场效应管M13具有相同的结构特征，所述第十场效应管M10和第十四场效应管M14具有相同的结构特征；从而使得全发明的全差分电路左右对称，可有效抑制共模信号，保证了输出信号的精度。

请再结合参考图3，描述本发明全差分比较器的工作原理：

N型场效应管的第一场效应管M1、第二场效应管M2为输入级的输入对管，将差分电压输入信号△Vi(△Vi为输入差分信号Vip与Vin的电位差，即△Vi＝Vip-Vin)转化为流过其漏极的差分电流信号△I1(△I1＝I1-I2),且△I1满足以下关系：

ΔI1＝gm1*ΔVi(gm1为第一场效应管M1的跨导)

P型场效应管的第五场效应管M5为栅极和漏极相连的自偏置负载晶体管，其无需外接电压提供偏置，可将差分电流信号△I1转换为第一级的差分输出信号△Vo1(△Vo1＝Vd2-Vd1),

△Vo1满足以下关系：

ΔVo1＝ΔI1*R_k(R_k为由第一场效应管M1、第三场效应管M3及第五场效应管M5的尺寸和电特性共同决定的一常量)

本发明全差分比较器的差分输入级具有迟滞特性，所谓迟滞特性是指其差分输入转折点电压是输入电压的函数。具体在本发明中，当△Vi大于0时，转折点电压为一大于0的常数VTRP+，即，当且仅当△Vi>VTRP+时，比较器输出由低变为高。当△Vi小于0时，转折点电压为一小于0的常数VTRP-，即，当且仅当△Vi<VTRP-时，比较器输出由高变为低。在本发明中，有|VTRP+|＝|VTRP-|＝VTRP，当VTRP大于△Vi位于0时所受到的噪声幅度的大小时，比较器输出△Vo2(△Vo2＝outp-outn)不会因为噪声而发生改变(如图4所示，V1为低电平，V2为高电平，V3为△Vi＝0时的电平，as为噪声)。

由上述可知，本发明的差分输入级中有正反馈通路与负反馈通路：在负反馈通路中，第五场效应管M5和第六场效应管M6管的存在会抑制△Vo1随输入△Vi的变化，令其负反馈系数为β1，则有

β1∝gm5(∝表示正比例，gm5为第五场效应管M5的跨导)

在正反馈通路中，第三场效应管M3和第四场效应管M4的存在会增强△Vo1随输入△Vi的变化，令其正反馈系数为β2，则有

β2∝gm3(gm3为第三场效应管M3的跨导)

当β2>β1时，电路表现出迟滞特性，VTRP>0，并且VTRP的大小正比于gm3/gm5,即

$V_{TRP}\&Proportional;\frac{gm3}{gm5}$

因此本电路的可以通过调整gm3和gm5的比例，改变电路对于噪声的抗性，以增强电路的抗干扰性。

P型场效应管第七场效应管M7、第八场效应管M8、第十一场效应管M11、第十二场效应管M12的栅极为本发明差分输出级的输入端口。该差分输出级将差分输入级输出的差分电压信号△Vo1进一步放大输出，形成比较器最终的差分输出信号△Vo2(△Vo2＝outp-outn)。△Vo2满足以下关系：

ΔVo2＝G*ΔVo1(G为本发明差分输出级的增益，由第七场效应管M7、第八场效应管M8、第十一场效应管M11、第十二场效应管M12的尺寸和电特性共同唯一确定)。

综上所述，本发明的差分比较器，不需要外接电压VBN进行偏置，不需要消耗固定的静态电流，节省了功耗，另外所述差分输出级采用了推挽结构，采用同样的器件时，差分输出级具有更大的增益。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (7)

1.一种全差分比较器，包括差分输入级与差分输出级，其特征在于，所述差分输入级包括正反馈通路、负反馈通路及偏置场效应管，所述差分输出级包括正输出单元与负输出单元，外部差分信号均输入所述负反馈通路与正反馈通路，所述负反馈通路、正反馈通路均分别与正反馈通路、偏置场效应管的漏极、正输出单元、负输出单元连接，外部一固定偏置电压输入所述偏置场效应管的栅极，所述偏置场效应管的源极接地，所述偏置场效应管为所述正反馈通路与负反馈通路提供偏置电流，所述正反馈通路与负反馈通路对输入的差分信号进行放大并输出至所述差分输出级，所述正输出单元输出经差分放大后的正信号，所述负输出单元输出经差分放大后的负信号。

2.如权利要求1所述的全差分比较器，其特征在于，所述正反馈通路包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管与第四场效应管，外部正向信号输入所述第一场效应管的栅极，外部负向信号输入所述第二场效应管的栅极，所述第一场效应管的源极与第二场效应管的源极共同连接并与所述偏置场效应管的漏极连接，所述第一场效应管的漏极分别与所述负反馈通路、第四场效应管的漏极、负输出单元连接，第二场效应管的漏极分别与所述负反馈通路、第三场效应管的漏极、正输出单元连接，所述第三场效应管的源极与第四场效应管的源极均与外部电源连接，所述第三场效应管的栅极与第四场效应管的栅极均与所述负反馈通路连接。

3.如权利要求2所述的全差分比较器，其特征在于，所述负反馈通路包括，第一场效应管、第二场效应管、第五场效应管与第六场效应管，所述第一场效应管的源极与第二场效应管的源极共同连接并与所述偏置场效应管的漏极连接，所述第一场效应管的漏极分别与所述第五场效应管的栅极、第五场效应管的漏极、第四场效应管的漏极、负输出单元连接，第二场效应管的漏极分别与所述第六场效应管的栅极、第六场效应管的漏极、第三场效应管的漏极、正输出单元连接，所述第五场效应管的源极与第六场效应管的源极均与外部电源连接，所述第五场效应管的栅极、漏极均与第三场效应管的栅极连接，所述第六场效应管的栅极、漏极均与第四场效应管的栅极连接。

4.如权利要求3所述的全差分比较器，其特征在于，所述负输出单元包括第七场效应管、第八场效应管、第九场效应管及第十场效应管，所述第七场效应管的源极与第八场效应管的源极均与外部电源连接，所述第七场效应管的栅极与所述第一场效应管的漏极连接，所述第七场效应管的漏极与所述第九场效应管的漏极、栅极连接；所述第八场效应管的栅极与所述第二场效应管的漏极连接，所述第八场效应管的漏极与所述第十场效应管的漏极连接并输出负信号；所述第九场效应管的栅极与第十场效应管的栅极连接，所述第九场效应管的源极与第十场效应管的源极均接地。

5.如权利要求4所述的全差分比较器，其特征在于，所述正输出单元包括第十一场效应管、第十二场效应管、第十三场效应管及第十四场效应管，所述第十一场效应管的源极与第十二场效应管的源极均与外部电源连接，所述第十一场效应管的栅极与所述第二场效应管的漏极连接，所述第十一场效应管的漏极与所述第十三场效应管的漏极、栅极连接；所述第十二场效应管的栅极与所述第一场效应管的栅极连接，所述第十二场效应管的漏极与所述第十四场效应管的漏极连接并输出正信号；所述第十三场效应管的栅极与第十四场效应管的栅极连接，所述第十三场效应管的源极与第十四场效应管的源极均接地。

6.如权利要求5所述的全差分比较器，其特征在于，所述第一场效应管和第二场效应管具有相同的结构特征，所述第三场效应管和第四场效应管具有相同的结构特征，所述第五场效应管和第六场效应管具有相同的结构特征，所述第七场效应管和第十一场效应管具有相同的结构特征，所述第八场效应管和第十二场效应管具有相同的结构特征，所述第九场效应管和第十三场效应管具有相同的结构特征，所述第十场效应管和第十四场效应管具有相同的结构特征。

7.如权利要求6所述的全差分比较器，其特征在于，所述第一场效应管与第二场效应管为N型场效应管，所述第五场效应管、第七场效应管、第八场效应管、第十一场效应管、第十二场效应管为P型场效应管。