CN114326895B - 一种可扩展输入范围的比较器电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可扩展输入范围的比较器电路，包括：第一级比较电路，连接供电电压VCC，用于将差分电压转换成差分电流；第二级比较电路，连接第一级比较电路，用于将差分电流进行镜像和比较；第一级比较电路和第二级比较电路的第一公共端连接至差分信号的正端电压VP，第二公共端连接至负端电压VN；第三级比较电路，上端连接第二级比较电路，下端接至电路参考地GND，用于将第一级比较电路和第二级比较电路的差分输出电压的供电电压VCC～正端电压VP或负端电压VN的电压阈，转换到正常的供电电压VCC～电路参考地GND的电压阈。本发明支持正负压比较器输入，扩展常规比较器的输入范围，具有共模输入范围宽，集成度高，灵活度高等特点。

Description

一种可扩展输入范围的比较器电路
技术领域
本公开涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种可扩展输入范围的比较器电路。
背景技术
传统比较器电路如图1所示，其中Vb提供尾电流源偏置电压，设MOS管的阈值电压为VTH，MOS管漏源两端的电压为VDS，MOS管栅源两端的电压为VGS，则保证PM1管没有进入截止区的条件为：VP+VTHPM1≤VCC-VDSPM3；即：VP≤VCC-VDSPM3-VTHPM1；保证PM1管没有进入线性区的条件为：VP+VTHPM1≥VGSNM1，即：VP≥VGSNM1-VTHPM1。
综上所述，比较器VP的输入范围为：VGSNM1-VTHPM1≤VP≤VCC-VDSPM3-VTHPM1。通常而言，如果PMOS管和NMOS管的阈值电压相等或接近，则VP的最小输入电压范围是接近于0的。因此，当比较器两端的输入电压接近于0或者为负电压时，传统比较器就不能很好的比较二者的大小，甚至不能比较二者的大小，从而导致比较器电路失效。
发明内容
有鉴于此，本公开实施例提供一种可扩展输入范围的比较器电路，该比较器电路采用浮地架构，支持正负压比较器输入，扩展常规比较器的输入范围，在比较器的输入范围较低或者为负压时，比较器的输入差分对管依然处在饱和区，具有最大的Gm跨导值，从而保证比较器的翻转速率不受影响，具有共模输入范围宽，集成度高，灵活度高等特点。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种可扩展输入范围的比较器电路，包括：
第一级比较电路，所述第一级比较电路连接供电电压VCC，用于将差分电压转换成差分电流；
第二级比较电路，所述第二级比较电路连接所述第一级比较电路，用于将所述差分电流进行镜像和比较；
其中，所述第一级比较电路和所述第二级比较电路的第一公共端经过电阻R1连接至差分信号的正端电压VP，第二公共端经过电阻R2连接至差分信号的负端电压VN；
所述比较器电路还包括第三级比较电路，所述第三级比较电路的上端连接所述第二级比较电路，下端接至电路参考地GND，用于将所述第一级比较电路和第二级比较电路的差分输出电压的供电电压VCC～正端电压VP或负端电压VN的电压阈，转换到正常的供电电压VCC～电路参考地GND的电压阈。
进一步地，所述第一级比较电路包括MOS管PM1、MOS管PM2、MOS管PM9、MOS管NM1、MOS管NM2、MOS管NM3和MOS管NM4，所述MOS管PM9的源极接入供电电压VCC，漏极分别连接所述MOS管PM1和MOS管PM2的源极，所述MOS管PM1的漏极连接所述MOS管NM1的漏极和栅极、所述MOS管NM2的栅极，以及所述MOS管NM3的漏极，所述MOS管PM2的漏极连接所述MOS管NM4的漏极和栅极、所述MOS管NM3的栅极，以及所述MOS管NM2的漏极，所述MOS管NM1、MOS管NM2、MOS管NM3和MOS管NM4的源极分别连接至所述第一公共端。
进一步地，所述MOS管PM9的栅极连接尾电流源偏置电压。
进一步地，所述MOS管PM1的栅极连接差分信号的正端电压VP，所述MOS管PM2的栅极连接差分信号的负端电压VN。
进一步地，所述第二级比较电路包括由MOS管PM3、MOS管PM4、MOS管PM5、MOS管PM6、MOS管NM5、MOS管NM6、MOS管NM7和MOS管NM8构成的电流镜，所述第一级比较电路的差分输出电压V1连接至所述MOS管NM5和所述MOS管NM8的栅极，所述第一级比较电路的差分输出电压V2连接至所述MOS管NM6和所述MOS管NM7的栅极，所述MOS管NM5、MOS管NM6、MOS管NM7和MOS管NM8的漏极分别连接所述MOS管PM3、MOS管PM4、MOS管PM5和MOS管PM6的漏极，形成镜像，所述MOS管NM5、MOS管NM6、MOS管NM7和MOS管NM8的源极分别连接至所述第二公共端。
进一步地，所述第三级比较电路包括MOS管PM7、MOS管PM8、MOS管NM9和MOS管NM10，所述第二级比较电路的差分输出电压V3连接至所述MOS管NM10的栅极，所述第二级比较电路的差分输出电压V4连接至所述MOS管NM9的栅极，所述NM9的漏极连接所述MOS管PM7的漏极和所述MOS管PM8的栅极，所述MOS管NM10的漏极连接所述MOS管PM8的漏极、所述MOS管PM7的栅极和所述比较器电路的输出，所述MOS管NM9和MOS管NM10的源极连接至所述电路参考地GND。
进一步地，所述MOS管NM1的宽长比小于所述MOS管PM1的宽长比。
进一步地，所述MOS管NM1的阈值电压小于所述MOS管PM1的的阈值电压。
进一步地，所述MOS管PM1、MOS管PM2、MOS管PM3、MOS管PM4、MOS管PM5、MOS管PM6、MOS管PM7、MOS管PM8、MOS管PM9均为P型MOS晶体管。
进一步地，所述MOS管NM1、MOS管NM2、MOS管NM3、MOS管NM4、MOS管NM5、MOS管NM6、MOS管NM7、MOS管NM8、MOS管NM9和MOS管NM10均为N型MOS晶体管。
本发明的可扩展输入范围的比较器电路，相比于传统的比较器电路，本发明可以实现比较器较低的输入电压甚至负压，极大的扩展了比较器的输入范围，在比较器的输入范围较低或者为负压时，比较器的输入差分对管依然处在饱和区，具有最大的Gm跨导值，从而保证比较器的翻转速率不受影响，具有共模输入范围宽，集成度高，灵活度高等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为传统的比较器电路；
图2为本发明实施例中可扩展输入范围的比较器电路结构。
具体实施方式
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
本公开实施例提供一种可扩展输入范围的比较器电路，包括：
第一级比较电路，所述第一级比较电路连接供电电压VCC，用于将差分电压转换成差分电流；
第二级比较电路，所述第二级比较电路连接所述第一级比较电路，用于将所述差分电流进行镜像和比较；
其中，所述第一级比较电路和所述第二级比较电路的第一公共端经过电阻R1连接至差分信号的正端电压VP，第二公共端经过电阻R2连接至差分信号的负端电压VN；
所述比较器电路还包括第三级比较电路，所述第三级比较电路的上端连接所述第二级比较电路，下端接至电路参考地GND，用于将所述第一级比较电路和第二级比较电路的差分输出电压的供电电压VCC～正端电压VP或负端电压VN的电压阈，转换到正常的供电电压VCC～电路参考地GND的电压阈。
如图2所示，图2中示出了本公开实施例所提出的扩展输入范围的比较器电路。
所述第一级比较电路包括MOS管PM1、MOS管PM2、MOS管PM9、MOS管NM1、MOS管NM2、MOS管NM3和MOS管NM4，所述MOS管PM9的源极接入供电电压VCC，MOS管PM9的栅极连接尾电流源偏置电压，漏极分别连接所述MOS管PM1和MOS管PM2的源极，所述MOS管PM1的栅极连接差分信号的正端电压VP，所述MOS管PM2的栅极连接差分信号的负端电压VN；所述MOS管PM1的漏极连接所述MOS管NM1的漏极和栅极、所述MOS管NM2的栅极，以及所述MOS管NM3的漏极，所述MOS管PM2的漏极连接所述MOS管NM4的漏极和栅极、所述MOS管NM3的栅极，以及所述MOS管NM2的漏极，所述MOS管NM1、MOS管NM2、MOS管NM3和MOS管NM4的源极分别连接至所述第一公共端。
所述第二级比较电路包括由MOS管PM3、MOS管PM4、MOS管PM5、MOS管PM6、MOS管NM5、MOS管NM6、MOS管NM7和MOS管NM8构成的电流镜，所述第一级比较电路的差分输出电压V1连接至所述MOS管NM5和所述MOS管NM8的栅极，所述第一级比较电路的差分输出电压V2连接至所述MOS管NM6和所述MOS管NM7的栅极，所述MOS管NM5、MOS管NM6、MOS管NM7和MOS管NM8的漏极分别连接所述MOS管PM3、MOS管PM4、MOS管PM5和MOS管PM6的漏极，形成镜像，所述MOS管NM5、MOS管NM6、MOS管NM7和MOS管NM8的源极分别连接至所述第二公共端。
所述第三级比较电路包括MOS管PM7、MOS管PM8、MOS管NM9和MOS管NM10，所述第二级比较电路的差分输出电压V3连接至所述MOS管NM10的栅极，所述第二级比较电路的差分输出电压V4连接至所述MOS管NM9的栅极，所述NM9的漏极连接所述MOS管PM7的漏极和所述MOS管PM8的栅极，所述MOS管NM10的漏极连接所述MOS管PM8的漏极、所述MOS管PM7的栅极和所述比较器电路的输出，所述MOS管NM9和MOS管NM10的源极连接至所述电路参考地GND。
上述第一级比较电路中，当正端电压VP小于负端电压VN时，差分输出电压节点V1电压大于差分输出电压节点V2电压；当正端电压VP大于负端电压VN时，差分输出电压节点V1电压小于差分输出电压节点V2电压。
上述第二级比较电路中，当差分输出电压节点V1电压大于差分输出电压节点V2电压时，差分输出电压节点V3电压大于差分输出电压节点V4电压；当差分输出电压节点V1电压小于差分输出电压节点V2电压时，差分输出电压节点V3电压小于差分输出电压节点V4电压。
上述第三级比较电路中，当差分输出电压节点V3电压大于差分输出电压节点V4电压时，VOUT输出为低电平；当差分输出电压节点V3电压小于差分输出电压节点V4电压时，VOUT输出为高电平。
当正端电压VP＝负端电压VN时候，VOUT输出状态不定。
此比较器电路输入范围推导如下，设MOS管的阈值电压为VTH，MOS管漏源两端的电压为VDS，MOS管栅源两端的电压为VGs，流过MOS管PM9尾电流的偏置电流为IB，R1＝R2＝R。
(1)保证MOS管PM1没有进入截止区的条件为式1：
VP+VTHPM1≤VCC-VDSPM9 (式1)
即：VP≤VCC-VDSPM9-VTHPM1
(2)保证MOS管PM1没有进入线性区的条件为式2：
VP+VTHPM1≥VGSNM1+V5 (式2)
而：
Figure BDA0003415972900000091
由以上两个公式可得：
Figure BDA0003415972900000092
而一般情况下，在比较器的翻转点附近，正端电压VP和负端电压VN是近似相等的，所以上式可近似转变为式3：
Figure BDA0003415972900000093
进一步消去VP得式4：
Figure BDA0003415972900000094
由上式可知，只要合理选择MOS管NM1和MOS管PM1的阈值电压、尾电流IB、电阻R及宽长比等参数，如设置MOS管NM1的宽长比远小于MOS管PM1的宽长比，MOS管NM1的阈值电压小于MOS管PM1的阈值电压，较小的尾电流I B和电阻R等，即可保证上式有解，从而做到在保证器件正常耐压范围以内，正端电压VP的输入范围可以低到任意值。
综上本公开实施例采用浮地结构，可极大的扩展比较器的输入范围，尤其对低压和负压范围，支持较低电压输入和负压输入，具有集成度高、电路结构简单、可靠性高等优点。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种可扩展输入范围的比较器电路，其特征在于，包括：
第一级比较电路，所述第一级比较电路连接供电电压VCC，用于将差分电压转换成差分电流，所述第一级比较电路包括MOS管PM1、MOS管PM2、MOS管PM9、MOS管NM1、MOS管NM2、MOS管NM3和MOS管NM4，所述MOS管PM9的源极接入供电电压VCC，漏极分别连接所述MOS管PM1和MOS管PM2的源极，所述MOS管PM1的漏极连接所述MOS管NM1的漏极和栅极、所述MOS管NM2的栅极、以及所述MOS管NM3的漏极，所述MOS管PM2的漏极连接所述MOS管NM4的漏极和栅极、所述MOS管NM3的栅极、以及所述MOS管NM2的漏极，所述MOS管NM1、MOS管NM2、MOS管NM3和MOS管NM4的源极分别连接至第一公共端，其中，所述MOS管PM9的栅极连接尾电流源偏置电压，所述MOS管PM1的栅极连接差分信号的正端电压VP，所述MOS管PM2的栅极连接差分信号的负端电压VN；
第二级比较电路，所述第二级比较电路连接所述第一级比较电路，用于将所述差分电流进行镜像和比较；
其中，所述第一级比较电路和所述第二级比较电路的第一公共端经过电阻R1连接至差分信号的正端电压VP，第二公共端经过电阻R2连接至差分信号的负端电压VN；
所述比较器电路还包括第三级比较电路，所述第三级比较电路的上端连接所述第二级比较电路，下端接至电路参考地GND，用于将所述第一级比较电路和第二级比较电路的差分输出电压的供电电压VCC～正端电压VP或负端电压VN的电压阈，转换到正常的供电电压VCC～电路参考地GND的电压阈。
2.根据权利要求1所述的可扩展输入范围的比较器电路，其特征在于，所述第二级比较电路包括由MOS管PM3、MOS管PM4、MOS管PM5、MOS管PM6、MOS管NM5、MOS管NM6、MOS管NM7和MOS管NM8构成的电流镜，所述第一级比较电路的差分输出电压V1连接至所述MOS管NM5和所述MOS管NM8的栅极，所述第一级比较电路的差分输出电压V2连接至所述MOS管NM6和所述MOS管NM7的栅极，所述MOS管NM5、MOS管NM6、MOS管NM7和MOS管NM8的漏极分别连接所述MOS管PM3、MOS管PM4、MOS管PM5和MOS管PM6的漏极，形成镜像，所述MOS管NM5、MOS管NM6、MOS管NM7和MOS管NM8的源极分别连接至所述第二公共端。
3.根据权利要求2所述的可扩展输入范围的比较器电路，其特征在于，所述第三级比较电路包括MOS管PM7、MOS管PM8、MOS管NM9和MOS管NM10，所述第二级比较电路的差分输出电压V3连接至所述MOS管NM10的栅极，所述第二级比较电路的差分输出电压V4连接至所述MOS管NM9的栅极，所述NM9的漏极连接所述MOS管PM7的漏极和所述MOS管PM8的栅极，所述MOS管NM10的漏极连接所述MOS管PM8的漏极、所述MOS管PM7的栅极和所述比较器电路的输出，所述MOS管NM9和MOS管NM10的源极连接至所述电路参考地GND。
4.根据权利要求3所述的可扩展输入范围的比较器电路，其特征在于，所述MOS管NM1的宽长比小于所述MOS管PM1的宽长比。
5.根据权利要求3所述的可扩展输入范围的比较器电路，其特征在于，所述MOS管NM1的阈值电压小于所述MOS管PM1的阈值电压。
6.根据权利要求4或5所述的可扩展输入范围的比较器电路，其特征在于，所述MOS管PM1、MOS管PM2、MOS管PM3、MOS管PM4、MOS管PM5、MOS管PM6、MOS管PM7、MOS管PM8、MOS管PM9均为P型MOS晶体管。
7.根据权利要求4或5所述的可扩展输入范围的比较器电路，其特征在于，所述MOS管NM1、MOS管NM2、MOS管NM3、MOS管NM4、MOS管NM5、MOS管NM6、MOS管NM7、MOS管NM8、MOS管NM9和MOS管NM10均为N型MOS晶体管。
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