一种具有输出级加速功能的电压比较器

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种具有输出级加速功能的电压比较器。

背景技术：

电压比较器是集成电路中的重要模块，电压比较器主要实现电压的比较功能，广泛应用于振荡器、开关电源保护电路以及adc电路等。尤其是在过温保护、过流保护、过压保护等保护电路的应用中，一方面要求电压比较器具有高精度，即对输入电压的分辨率高，以保证实现准确的保护点；另一方面还要求电压比较器具有高速度，以保证快速地进入保护状态，防止电路由于长时间处于过温、过流或者过压状态导致电路损坏。例如，对于某一过流保护电压比较器而言，其正向输入端连接固定的参考电压，负向输入端连接过流保护采样电压，未发生过流时，采样电压低于参考电压，过流保护比较器输出高电平，整个电路正常工作；发生过流时，采样电压高于参考电压，过流比较器输出翻转为低电平，这种情况下就要求过流比较器输出从高电平翻转为低电平的速度快，以迅速关断整个电路，防止长时间过流造成电路损坏。

而传统的高精度电压比较器采用开环运算放大器结构，其特点是开环增益高，对输入电压的分辨率高，缺点是速度慢。传统的高速比较器采用锁存器结构，速度较快，但是对输入电压的分辨率低，失调电压大。为了提升速度，降低传输延时，传统的高精度电压比较器往往需要增加输出级的电流，这就导致功耗增加。为了降低失调电压，提高对输入电压的分辨率，可以在传统的高速比较器中增加预放大级或者失调消除电路，但是会导致功耗增加，同时也加大了设计复杂度。

因此，需要一种新颖的电压比较器电路架构，解决现有技术中存在的精度、速度和功耗等问题。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提出一种具有输出级加速功能的电压比较器，以解决传统电压比较器功能不完善，不能同时实现高精度、高速度和低功耗的性能的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供一种具有输出级加速功能的电压比较器，包括偏置电路、两级比较器和加速电路；所述偏置电路作用于所述两级比较器和所述加速电路，提供电压偏置；

所述两级比较器包括第一级比较电路和第二级比较电路；所述加速电路包括加速通路、第一加速支路和第二加速支路；

所述第一级比较电路接入待比较电压和固定的参考电压，所述第二级比较电路对所述第一级比较电路的一级输出进行放大，放大后获得二级输出，所述二级输出作为所述两级比较器的输出，作用于所述第一加速支路和所述第二加速支路；所述第一加速支路和所述第二加速支路作用于加速通路，所述加速电路作用于所述两级比较器的输出；

其中，所述两级比较器的输出恒定为高电平或低电平时，所述第一加速支路或所述第二加速支路导通；

所述两级比较器的输出从高电平翻转为低电平时，所述第一加速支路和所述第二加速支路使所述加速通路导通，所述第二级比较电路的下拉电流增大，提高所述两级比较器的输出的拉低速度。

可选地，所述第一级比较电路包括负向输入端、正向输入端和第一级输出端，所述第二级比较电路包括第二级输入端和第二级输出端，所述负向输入端接入待比较电压、所述正向输入端接入固定的参考电压，所述第一级输出端连接所述第二级输入端，所述第二级输出端输出二级输出；

所述第一级比较电路包括第一mos管、第二mos管、第三mos管、第四mos管和第五mos管；所述第二级比较电路包括第六mos管和第七mos管；

所述第一mos管、所述第四mos管和所述第六mos管的源极连接电源，所述第一mos管的栅极和漏极相连，并且连接所述第二mos管的漏极以及所述第四mos管的栅极；所述第二mos管的栅极作为所述负向输入端，源极与所述第五mos管的源极相连，并且连接所述第三mos管的漏极；所述第三mos管的源极接地，栅极连接所述偏置电路；所述第四mos管的漏极连接第五mos管的漏极和所述第六mos管的栅极；所述第五mos管的栅极作为所述正向输入端；所述第六mos管的栅极作为所述第二级输入端，所述第六mos管的漏极和所述第七mos管的漏极相连，作为所述二级比较电路的第二级输出端，作用于所述第一加速支路和第二加速支路，并与所述加速通路连接；所述第七mos管的源极接地，所述第七mos管的栅极连接所述偏置电路。

可选地，所述加速通路包括第八mos管、第九mos管、第十mos管和第十一mos管，所述第一加速支路包括第十二mos管和第十三mos管，所述第二加速支路包括第十四mos管和第十五mos管；

所述第八mos管的源极、第十mos管的源极、第十四mos管的栅极、第十二mos管的栅极相连，并且连接所述第二级比较电路的第二级输出端；

所述第八mos管的源极连接所述第九mos管的漏极，所述第八mos管的栅极连接所述第十四mos管的漏极和所述第十五mos管的漏极；所述第十mos管的源极连接所述第十一mos管的漏极，所述第十mos管的栅极连接所述第十二mos管的漏极和所述第十三mos管的漏极；所述第九mos管的源极、所述第十一mos管的源极、所述第十二mos管的源极、所述第十五mos管的源极接地；所述第十四mos管和所述第十三mos管的源极连接电源；所述第九mos管的栅极、所述第十一mos管的栅极、所述第十三mos管的栅极和所述第十五mos管的栅极连接所述偏置电路。

可选地，所述偏置电路包括第一电压输出端和第二电压输出端，所述第一电压输出端作用于所述第一加速支路，所述第二电压输出端作用于所述第一级比较电路、所述第二级比较电路、所述加速通路和所述第二加速支路。

可选地，所述偏置电路包括第一电压输出端和第二电压输出端，所述第一电压输出端作用于所述第一加速支路，所述第二电压输出端作用于所述第一级比较电路、所述第二级比较电路、所述加速通路和所述第二加速支路。

可选地，所述偏置电路包括电流源、第十六mos管、第十七mos管和第十八mos管；

所述电流源的上端连接电源，所述电流源的下端连接所述第十六mos管的栅极和漏极，并且和所述第十八mos管的栅极相连，作为所述第二电压输出端，与所述第三mos管的栅极、所述第七mos管的栅极、所述第九mos管的栅极、所述第十一mos管的栅极和所述第十五mos管的栅极连接，以作用于所述第一级比较电路、所述第二级比较电路、所述加速通路和所述第二加速支路，所述第十七mos管的源极连接电源；

所述第十六mos管的源极和所述第十八mos管的源极接地；所述第十八mos管的漏极连接所述第十七mos管的栅极和漏极，作为所述第一电压输出端，与所述第十三mos管的栅极连接，以作用于所述第一加速支路。

可选地，所述偏置电路包括电流源、第十六mos管、第十七mos管和第十八mos管；

所述电流源的上端连接电源，所述电流源的下端连接所述第十六mos管的栅极和漏极，并且和所述第十八mos管的栅极相连，作为所述第二电压输出端，与所述第三mos管的栅极、所述第七mos管的栅极、所述第九mos管的栅极、所述第十一mos管的栅极和所述第十五mos管的栅极连接，以作用于所述第一级比较电路、所述第二级比较电路、所述加速通路和所述第二加速支路，所述第十七mos管的源极连接电源；

所述第十六mos管的源极和所述第十八mos管的源极接地；所述第十八mos管的漏极连接所述第十七mos管的栅极和漏极，作为所述第一电压输出端，与所述第十三mos管的栅极连接，以作用于所述第一加速支路。

本发明实施例提出一种具有输出级加速功能的电压比较器，包括偏置电路、两级比较器和加速电路，偏置电路用于向两级比较器和加速电路提供电压偏置，保证其正常工作。加速电路包括加速通路、第一加速支路和第二加速支路，加速电路作用于两级比较器的输出，其中，两级比较器的输出恒定为高电平或者低电平时，仅有单条支路导通，即两级比较器的输出恒定为高电平或低电平时，第一加速支路或第二加速支路导通，消耗的电流小，具有低功耗的特点。两级比较器的输出从高电平翻转为低电平时，加速电路能够提高两级比较器的输出的拉低速度，从而提升两级比较器的输出从高电平翻转为低电平时的速度。且两级比较器包括第一级比较电路和第二级比较电路，第一级比较电路接入固定的参考电压和待比较电压，第二级比较电路对第一级比较电路的一级输出进行放大，可以在提升电压比较器速度的同时，保持其对所接入的待比较电压的分辨率。因此，本发明实施例提供的具有输出级加速功能的电压比较器，具有高精度、低功耗、高速度的性能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的具有输出级加速功能的电压比较器的组成结构示意图；

图2为本发明实施例提供的具有输出级加速功能的电压比较器的另一组成结构示意图；

图3为本发明实施例提供的具有输出级加速功能的电压比较器的电路结构示意图；

图4为本发明实施例提供的具有输出级加速功能的电压比较器的电路结构示意图；

图5本发明实施例提供的具有输出级加速功能的电压比较器的电路结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

在本文中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义。因此，"模块"与"部件"可以混合地使用。

如图1所示，本发明实施例提供了一种具有输出级加速功能的电压比较器100，包括偏置电路10、两级比较器20和加速电路30。

在本发明实施例中，两级比较器20包括第一级比较电路21和第二级比较电路22；加速电路30包括加速通路31、第一加速支路32和第二加速支路33。

偏置电路10作用于两级比较器20和加速电路30，向其提供电压偏置。

在两级比较器20中，第一级比较电路21接入待比较电压和固定的参考电压，第二级比较电路22对第一级比较电路21的一级输出进行放大，放大后获得二级输出，二级输出作为两级比较器20的输出，作用于第一加速支路32和第二加速支路33，其中，两级比较器20可以在下述的提升电压比较器速度的同时，保持其对所接入的待比较电压的分辨率。

在加速电路30中，第一加速支路32和第二加速支路33作用于加速通路31，加速通路31作用于两级比较器20的输出，详细如下：

两级比较器20的输出恒定为高电平后者低电平时，第一加速支路32或第二加速支路33导通。

在具体应用中，两级比较器20的输出恒定为高电平或低电平时，加速电路30的第一加速支路32和第二加速支路33，仅有一个导通，消耗的电流小，此时两级比较器20的工作具有低功耗的特点，则本发明实施例提供的具有输出级加速功能的电压比较器100也具有低功耗的特点。

两级比较器20的输出从高电平翻转为低电平时，第一加速支路32和第二加速支路33使加速通路31导通，第二级比较电路22的下拉电流增大，提高两级比较器20的输出的拉低速度。

在具体应用中，加速电路30作用于两级比较器20的输出，实际上为加速通路31使其下拉电流增大，则两级比较器20的输出的拉低速度变快，即两级比较器20的输出从高电平翻转为低电平的翻转速度变快。

可见，本实施例中，通过加速电路30，提高了两级比较器20的从高电平翻转到低电平的翻转速度，从而，本发明实施例提供的具有输出级加速功能的电压比较器100，也具有高速度的性能。

综上，本发明实施例提供的具有输出级加速功能的电压比较器100，可以解决传统电压比较器功能不完善，不能同时实现高精度、高速度和低功耗的性能的问题。

如图2所示，在一个实施例中，偏置电路10包括第一电压输出端vbp和第二电压输出端vbn，因此，图1所示的具有输出级加速功能的电压比较器100中，偏置电路10作用于两级比较器20和加速电路30的一种实现方式为：

第一电压输出端vbp作用于第一加速支路32，第二电压输出端vbn作用于第一级比较电路21、第二级比较电路22、加速通路31和第二加速支路33，从而向其提供电压偏置，保证电路的正常工作。

如图3所示，本发明实施例中，还示出了两级比较器20的详细电路结构，说明上述图1和图2所示的具有输出级加速功能的电压比较器100的一种电路结构实现方式。

图3中，两级比较器20的第一级比较电路21包括负向输入端vn、正向输入端vp和第一级输出端vout1，第二级比较电路22包括与第一级输出端vout1连接的第二级输入端和第二级输出端vout。其中，负向输入端vn接入待比较电压、正向输入端vp接入固定的参考电压，即需要进行比较的两个输入电压，且本发明实施例中，将第一级输出端vout1的输出记为一级输出，将第二级输出端vout的输出记为二级输出，第二级比较电路22的作用为将一级输出放大，从而获得二级输出。

在图3中并未将两级比较器20的第一级比较电路21和第二级比较电路22标示出来，图2中，第一级比较电路21包括第一mos管m1、第二mos管m2、第三mos管m3、第四mos管m4和第五mos管m5；第二级比较电路22包括第六mos管m6和第七mos管m7，其连接关系如下：

第一mos管m1、第四mos管m4和第六mos管m6的源极连接电源vdd，第一mos管m1的栅极和漏极相连，并且连接第二mos管m2的漏极以及第四mos管m4的栅极；第二mos管m2的栅极作为负向输入端，源极与第五mos管m5的源极相连，并且连接第三mos管m3的漏极；第三mos管m3的源极接地gnd，栅极连接偏置电路10；第四mos管m4的漏极连接第五mos管m5的漏极和第六mos管m6的栅极；第五mos管m5的栅极作为正向输入端vp；第六mos管m6的栅极作为第二级输入端，第六mos管m6的漏极和第七mos管m7的漏极相连，作为二级比较电路的第二级输出端vout，作用于第一加速支路32和第二加速支路33，并与加速通路31连接；第七mos管m7的源极接地gnd，第七mos管m7的栅极连接偏置电路10。

其中，偏置电路10包括第一电压输出端vbp和第二电压输出端vbn，且第一电压输出端vbp作用于第一加速支路32，第二电压输出端vbn作用于第一级比较电路21、第二级比较电路22、加速通路31和第二加速支路33，因此，图3中，第七mos管m7的栅极连接偏置电路10的第二电压输出端vbn。

基于上述的两级比较器20的详细结构，本发明实施例中，两级比较器20的第一级比较电路21中，电压增益a1表示为：

a1＝vout1/(vp-vn)＝-gm16/17ro4//ro5(1)

其中，gm16/17为第十六mos管m16或者第十七mos管m17的跨导，ro4、ro5分别为第四mos管m4、第五mos管m5的输出阻抗。

在本发明实施例中，两级比较器20的第二级比较电路22为单端输入、单端输出的共源级放大结构，其中，第六mos管为输入管，第七mos管为有源负载，因此，第二级比较电路22的直流增益a2表示为：

a2＝vout/vout1＝-gm6ro6//ro7(2)

其中，gm6为第六mos管m6的跨导，ro6、ro7分别为第六mos管m6、第七mos管m7的输出阻抗。

那么，本发明实施例中，两级比较器的总增益a表示为：

a＝a1×a2＝gm16/17gm6(ro4//ro5)(ro6//ro7)(3)

在实际应用中，两级比较器的总增益一般可以达到60db左右，足以保证比较器的高精度特性。

如图4所示，本发明实施例中，还示出了两级比较器20和加速电路30的详细电路结构，说明上述图1和图2所示的具有输出级加速功能的电压比较器100的一种电路结构实现方式。

其中，两级比较器20的结构与上述图3所示的结构相同，因此不再赘述。而图4中，也并未将加速电路30的加速通路31、第一加速支路32和第二加速支路33标示出来，图4中，加速通路31包括第八mos管m8、第九mos管m9、第十mos管m10和第十一mos管m11，第一加速支路32包括第十二mos管m12和第十三mos管m13，第二加速支路33包括第十四mos管m14和第十五mos管m15，其连接关系如下：

第八mos管m8的源极、第十mos管m10的源极、第十四mos管m14的栅极、第十二mos管m12的栅极相连，并且连接第二级比较电路22的第二级输出端vout；

第八mos管m8的源极连接第九mos管m9的漏极，第八mos管m8的栅极连接第十四mos管m14的漏极和第十五mos管m15的漏极；第十mos管m10的源极连接第十一mos管m11的漏极，第十mos管m10的栅极连接第十二mos管m12的漏极和第十三mos管m13的漏极；第九mos管m9的源极、第十一mos管m11的源极、第十二mos管m12的源极、第十五mos管m15的源极接地gnd；第十四mos管m14和第十三mos管m13的源极连接电源vdd；第九mos管m9的栅极、第十一mos管m11的栅极、第十三mos管m13的栅极和第十五mos管m15的栅极连接偏置电路10。

可见，在本发明实施例中，加速通路31包括两个加速通道，一个加速通道包括第八mos管m8和第九mos管m9，另一个加速通道包括第十mos管m10和第十一mos管m11。

其中，偏置电路10包括第一电压输出端vbp和第二电压输出端vbn，且第一电压输出端vbp作用于第一加速支路32，第二电压输出端vbn作用于第一级比较电路21、第二级比较电路22、加速通路31和第二加速支路33，因此，图4中，第十三mos管m13的栅极连接偏置电路10的第一电压输出端vbp，第九mos管m9的栅极、第十一mos管m11的栅极、第十二mos管m12的栅极和第十五mos管m15的栅极连接偏置电路10的第二电压输出端vbn。

基于上述的两级比较器20及加速电路30的详细结构，本发明实施例中，加速电路30作用于两级比较器的输出的工作原理为：

在加速电路30中，当两级比较器20的输出，即第二级输出端vout的输出电压为高电平时，第十四mos管m14截止，第十五mos管m15将第八mos管m8栅极电压拉低，第十二mos管m12导通，将第十mos管m10栅极电压拉低，所以第八mos管m8、第九mos管m9、第十mos管m10、第十一mos管m11均没有电流流过，也就是加速通路31中没有电流流过。

当两级比较器20的输出vout为低电平时，第十四mos管m14导通，其漏极电流大于第十五mos管m15的漏极电流，将第八mos管m8栅极电压拉高，第十二mos管m12截止，第十三mos管m13将第十mos管m10栅极电压拉高，但由于vou1为高电平，第六mos管m6关断，所以第八mos管m8、第九mos管m9、第十mos管m10、第十一mos管m11均没有电流流过，也就是加速通路31中没有电流流过。

而在两级比较器20的输出vout从高电平翻转为低电平的过程中，第十四mos管m14的漏极电流慢慢增加，而第十二mos管m12的漏极电流慢慢减小，在某一个vout电压值下，第十四mos管m14的漏极电流大于第十五mos管m15的漏极电流，第十二mos管m12的漏极电流小于第十三mos管m13的漏极电流，从而将第八mos管m8和第十mos管m10的栅极电压拉高，第八mos管m8和第十mos管m10导通，即第一加速支路32和第二加速支路33使加速通路31导通，使得两级比较器20的第二级比较电路22的下拉电流增大，加速将两级比较器20的输出vout拉低。

因此，本发明实施例中，加速电路30通过两条加速通路：m8→m9和m10→m11，可以提升两级比较器的输出从高电平翻转为低电平时的速度。

本发明实施例中，当两级比较器20的输出vout恒定为高电平或低电平时，第一加速支路32或第二加速支路33导通的工作原理为：

两级比较器20的输出vout为高电平时，仅有第十三mos管m13→第十二mos管m12这一支路导通，即第二加速支路32导通；当两级比较器20的输出电压vout为低电平时，仅有第十四mos管m14→第十五mos管m15这一支路导通，即第一加速支路32导通。因此，无论两级比较器20正常工作时的输出电压vout是高电平还是低电平，加速电路30中都仅有一条支路导通，使得加速电路30的功耗低。

如图5所示，本发明实施例中，还示出了偏置电路10的详细电路结构，并结合如图4所示的具有输出级加速功能的电压比较器100进行说明。

其中，两级比较器20及加速电路30的结构与上述图4所示的结构相同，因此不再赘述。图5中，偏置电路10包括电流源i1、第十六mos管m16、第十七mos管m17和第十八mos管m18；

电流源i1的上端连接电源vdd，电流源i1的下端连接第十六mos管m16的栅极和漏极，并且和第十八mos管m18的栅极相连，作为第二电压输出端vbn，与第三mos管m3的栅极、第七mos管m7的栅极、第九mos管m9的栅极、第十一mos管m11的栅极和第十五mos管m15的栅极连接，以作用于第一级比较电路21、第二级比较电路22、加速通路31和第二加速支路33，第十七mos管m17的源极连接电源vdd；

第十六mos管m16的源极和第十八mos管m18的源极接地gnd；第十八mos管m18的漏极连接第十七mos管m17的栅极和漏极，作为第一电压输出端vbp，与第十三mos管m13的栅极连接，以作用于第一加速支路32。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。