一种阈值可调型比较器及其阈值调节方法
【专利摘要】本发明公开了一种阈值可调型比较器及其阈值调节方法。人为改变比较器两段的匹配性，从而改变比较器发生翻转的阈值电压。所述的电路模块主要包括：1)动态比较器电路，接收时钟信号以及输入电压。当时钟信号为高时，比较器对输入电压进行比较，并且将结果输出，当时钟信号为低时，比较器对各个状态进行置位。2)电容阵列电路，分别连接在比较器的两个输出端，可以造成比较器两边的失配，从而改变比较器的阈值。3)电容阵列控制电路，连接在电容阵列上，通过控制连接到比较器上的电容个数来改变比较器的阈值电压。本发明所提出的阈值可调比较器，可取代SAR ADC中的电容阵列，并且降低数字电路设计的复杂性，减少SAR ADC电路的尺寸。
【专利说明】
-种闕值可调型比较器及其闕值调节方法
技术领域
[0001] 本发明属于数模混合集成电路设计领域，设及一种阔值可调型比较器及其阔值调 节方法。
【背景技术】
[0002] 比较器电路是逐次逼近型模数转换电路的关键模块。模数转换电路，主要分为电 荷重分配电容阵列、比较器和数字逻辑电路。其中，由于电容本身的尺寸在集成电路中消耗 的面积较大，从而整个模数转换电路的大部分面积消耗在电容阵列上。为此，我们设计了一 种新型的阔值可调型比较器。运种比较器将电荷重分配和比较器在模数转换电路中的功能 结合在一起，从而可W大大减小逐次比较型模数转换器的忍片面积，降低成本。
[0003] 图1所示为逐次逼近型模数转换器的典型结构，其中采样保持电路接收模拟输入， 同时受到采样时钟的控制，逐次逼近逻辑电路提供数字输出，同时控制数模转换器产生1/ 2DVREF(其中η为任意正整数，Vref为模数转换器供电电压）的比较电压，通过二分算法，比较 器比较采样保持电路和数模转换器电路的输出电压，并将结果反馈到逐次逼近逻辑电路， 直至比较结果达到逐次逼近型模数转换器的设计精度。
[0004] 在图1所示的逐次逼近型模数转换器的典型结构中，电容阵列负责电荷的重分配， 从而产生每次比较的基准电压。但是运个电容阵列的面积非常大。高位的电容必须是前一 位电容的两倍值，也就是电容呈二进制，同时由于电容本身就非常消耗面积，故整个阵列占 据了模数转换电路的绝大部分的面积。
[0005] 针对因为电荷重分配而引入的大尺寸的电容阵列，阔值可调型比较器提供了可行 的改进方案。图2所示为6位逐次逼近型模数转换电路，由采样保持电路、阔值可调比较器电 路和数字逻辑电路组成。新型的模数转换器减少了电容阵列，大大减小了忍片的面积。
【发明内容】
[0006] 基于上述背景，本发明提出了一种阔值可调型比较器，通过在比较器的两端不平 衡的增加挂载电容，从而达到改变比较器阔值的作用。运个功能可W用来取代逐次逼近型 模数转换器电路中的电荷重分配电容阵列，有效的减少忍片的面积。
[0007] 图3显示了整个比较器的电路结构。从差分对管Ml和M2输入比较电压，从而使得电 流流入交叉禪合的CMOS管子对M3-M6。运个交叉禪合对将输入的差分电压放大到近似于逻辑 电平的电位。在比较器的两边输出端分别挂载了两组pMOS电容Ctca和Ctcb。比较器阔值的跳 变是由比较器两边的输出端挂载的电容值不平衡引起的。同时，挂载的电容值是可W通过 控制信号TCa和TCb调节的。
[000引假设CAeff和CBeff是挂载在比较器两端的有效电容，流过Ml和M2的漏电流分别是II和 12,从而我们可得阔值跳变和挂载电容不平衡之间的关系如下：
[0009]
(1)
[0010] C=(CAeff+CBeff)/2 (2)
[0011] AC = CAeff-CBeff (3)
[0012] I = (Ii+l2)/2 (4)
[0013] gm是输入差分对在回转阶段的平均跨导，Vgs和Vth是输入对管的刪源电压和阔值电 压。同时，CAeff和CBeff可W通过数字信号TCa和TCb来进行控制。
[001 4] Ceff 二 Ileff ( C〇+WLCox) + (ntota：l-Ileff )C〇 二 ntotalCo+HeffWLCox ( 5 )
[001引Ceff是有效电容值，ntotal是比较器两边所有pMOS电容个数的总和，neff是有效的单 位电容的个数，Co是交叠 pMO视容的容值，Cox是单位面积的氧化物容值，W和L是单位pMOS的 宽和长。当控制信号是低电平的时候，每个pMOS管子的容值是Co。当控制信号变高的时候， 每个pMOS管子的容值是Co+WLCdx。根绝方程(5)，可得：
[0016] AC=(nAeff+nBeff)WLC〇x (6)
[0017] riAeff和Meff分别是比较器两端由控制信号触发的有效电容个数。根据方程（1)可 得：
[001引
巧)
[0019] 根据方程（7)可知，运并不能保证AVin和AC之间的线性关系。因为(Aeff+邮eff) LCox并不是一个常量。为了弥补运种非线性关系，又加入了两组pMOS电容，COFA和COFB。运两组 电容和CtCA和CtCB是完全相同的。同时加入了两组反相器使得加在电容组COFA和COFB两边的数 字信号和加在Ctcb和Ctca的信号正好相反。因此，AVin和AC之间的关系可W描述为：
[0020]
(8)
[0021 ] 从而使得AVin和AC之间成线性关系。
[0022] 本发明公开了一种阔值可调的比较器电路包括：
[0023] 动态比较器；
[0024] 与动态比较器相连的电容阵列；
[0025] 与电容阵列相连的控制电路；
[0026] 所述的控制电路通过改变动态比较器两端挂载电容的个数，来调节比较器的翻转 电压，从而达到比较器阔值可调的目的。
[0027] 所述的动态比较器，在输出的两端挂载电容阵列，整个动态比较器的阔值电压，即 翻转电压，可W通过改变比较器两端挂载的电容阵列中的电容个数来调节。
[0028] 电容阵列控制电路与电容阵列的连接具体为:所述的电容阵列分成四个单元，每 个单元包含5组电容，其中两个单元的一端连接在动态比较器上，另一端连接在单刀双掷开 关的一端上，另两个单元一端连接在动态比较器上，另一端连接在反相器的一端上，反相器 另一端连接单刀双掷开关的一端，所有单刀双掷开关的另一端均与控制电路相连。
[0029] 所述的电容阵列是由pMOS管子构成的，每个单元包含5组电容，5组电容之间呈二 进制的关系，即后一组电容的个数是前一组电容个数的两倍，并且第一组电容只有一个，电 容阵列中的每个电容的大小都相等。
[0030] 所述阔值可调的比较器电路的阔值调节方法是：
[0031] 电容阵列的控制电路控制着动态比较器上连接的电容的个数；
[0032] 在采样周期，控制电路闭合开关，输入电压连接到电容Ch的上极板；
[0033] 在转换周期：
[0034] 1)控制电路首先在比较器的一边挂载上每个单元总数一半的电容，然后进行比 较，若此时挂载电容边的输出是高，则执行步骤2);若挂载电容边的输出为低，则执行步骤 3);
[0035] 2)当前位输出1，并在同一边加上C/2D的电容，其中C为每个单元的电容总量，η为 当前的位数，进行下一位比较，若此时挂载电容边的输出是高，则重复执行步骤2);若挂载 电容边的输出为低，则该位输出0，并执行步骤3);
[0036] 3)当前位输出0,并在同一边减去C/2D的电容，其中C为每个单元的电容总量，η为 当前的位数，进行下一位的比较，若此时挂载电容边的输出是高，则执行步骤2);若挂载电 容边的输出为低，则该位输出0,并重复执行步骤3)。
[0037] 相对与现有的校正技术，本发明的优点在于：
[0038] 比较的速度更快;每次比较的功耗更小;控制电路的控制方法更加简单;不需额外 的电荷重分配电容电路，有效的减小的逐次逼近型模数转换器忍片的面积。
【附图说明】
[0039] 图1是传统的逐次逼近型模数转换器的系统框图；
[0040] 图2是采用阔值可调型比较器设计的逐次逼近型模数转换电路示意图；
[0041] 图3是本发明一一阔值可调型比较器的电路原理图。
【具体实施方式】
[0042] 下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步详细的描述。
[0043] 本发明提出的一种阔值可调型比较器电路结构，应用于高精度的逐次逼近型模数 转换器。W下将结合逐次逼近型模数转换器的工作原理，对阔值比较器的具体应用进行详 细的说明。如图2示，为本发明应用于逐次逼近模数转换电路的系统框图。
[0044] 图2和图3所示的框图中各部分模块的功能及其相互关系说明如下：
[0045] 本发明公开的一种阔值可调的比较器电路包括：
[0046] 动态比较器；
[0047] 与动态比较器相连的电容阵列；
[0048] 与电容阵列相连的控制电路；
[0049] 所述的控制电路通过改变动态比较器两端挂载电容的个数，来调节比较器的翻转 电压，从而达到比较器阔值可调的目的。
[0050] 所述的动态比较器，在输出的两端挂载电容阵列，整个动态比较器的阔值电压，即 翻转电压，可W通过改变比较器两端挂载的电容阵列中的电容个数来调节。
[0051] 电容阵列控制电路与电容阵列的连接具体为:所述的电容阵列分成四个单元，每 个单元包含5组电容，其中两个单元的一端连接在动态比较器上，另一端连接在单刀双掷开 关的一端上，另两个单元一端连接在动态比较器上，另一端连接在反相器的一端上，反相器 另一端连接单刀双掷开关的一端，所有单刀双掷开关的另一端均与控制电路相连。
[0052] 所述的电容阵列是由pMOS管子构成的，每个单元包含5组电容，5组电容之间呈二 进制的关系，即后一组电容的个数是前一组电容个数的两倍，并且第一组电容只有一个，电 容阵列中的每个电容的大小都相等。
[0053] 下面具体说明本发明阔值可调比较器在逐次逼近型模数转换电路中的工作过程：
[0054] 电容阵列的控制电路控制着动态比较器上连接的电容的个数；
[0055] 在采样周期，控制电路闭合开关，输入电压连接到电容Ch的上极板；
[0056] 在转换周期：
[0057] 1)控制电路首先在比较器的一边挂载上每个单元总数一半的电容，然后进行比 较，若此时挂载电容边的输出是高，则执行步骤2);若挂载电容边的输出为低，则执行步骤 3);
[005引2)当前位输出1，并在同一边加上C/2n的电容，其中C为每个单元的电容总量，η为 当前的位数，进行下一位比较，若此时挂载电容边的输出是高，则重复执行步骤2);若挂载 电容边的输出为低，则该位输出0，并执行步骤3);
[0059] 3)当前位输出0,并在同一边减去C/2D的电容，其中C为每个单元的电容总量，η为 当前的位数，进行下一位的比较，若此时挂载电容边的输出是高，则执行步骤2);若挂载电 容边的输出为低，则该位输出0,并重复执行步骤3)。
[0060] 4)重复W上过程直到最后一位输出。
【主权项】
1. 一种阈值可调的比较器电路，其特征在于包括： 动态比较器； 与动态比较器相连的电容阵列； 与电容阵列相连的控制电路； 所述的控制电路通过改变动态比较器两端挂载电容的个数，来调节比较器的翻转电 压，从而达到比较器阈值可调的目的。2. 根据权利要求1所述的阈值可调比较器电路，其特征在于：所述的动态比较器，在输 出的两端挂载电容阵列，整个动态比较器的阈值电压，即翻转电压，可以通过改变比较器两 端挂载的电容阵列中的电容个数来调节。3. 根据权利要求1所述的阈值可调比较器电路，其特征在于：电容阵列控制电路与电容 阵列的连接具体为:所述的电容阵列分成四个单元，每个单元包含5组电容，其中两个单元 的一端连接在动态比较器上，另一端连接在单刀双掷开关的一端上，另两个单元一端连接 在动态比较器上，另一端连接在反相器的一端上，反相器另一端连接单刀双掷开关的一端， 所有单刀双掷开关的另一端均与控制电路相连。4. 根据权利要求3所述的阈值可调比较器电路，其特征在于:所述的电容阵列是由pMOS 管子构成的，每个单元包含5组电容，5组电容之间呈二进制的关系，即后一组电容的个数是 前一组电容个数的两倍，并且第一组电容只有一个，电容阵列中的每个电容的大小都相等。5. -种根据权利要求1所述阈值可调的比较器电路的阈值调节方法，其特征在于： 电容阵列的控制电路控制着动态比较器上连接的电容的个数； 在采样周期，控制电路闭合开关，输入电压连接到电容Ch的上极板； 在转换周期， 1) 控制电路首先在比较器的一边挂载上每个单元总数一半的电容，然后进行比较，若 此时挂载电容边的输出是高，则执行步骤2);若挂载电容边的输出为低，则执行步骤3); 2) 当前位输出1，并在同一边加上C/2n的电容，其中C为每个单元的电容总量，η为当前的 位数，进行下一位比较，若此时挂载电容边的输出是高，则重复执行步骤2);若挂载电容边 的输出为低，则该位输出〇，并执行步骤3); 3) 当前位输出0,并在同一边减去C/2n的电容，其中C为每个单元的电容总量，η为当前的 位数，进行下一位的比较，若此时挂载电容边的输出是高，则执行步骤2);若挂载电容边的 输出为低，则该位输出〇,并重复执行步骤3)。
【文档编号】H03M1/38GK105871380SQ201610185897
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月29日
【发明人】朱晓雷, 孙国权, 张茵
【申请人】浙江大学