低压低功耗共模电压变化不敏感的二级全动态比较器的制作方法

本发明涉及一种低压低功耗共模电压变化不敏感的二级全动态比较器。

背景技术：

随着cmos技术的不断发展与进步，工艺制程正在不断的缩小，这大大的提高了晶体管的运行速度、能效和电路系统的集成规模；数字电路在这个趋势下显现出前所未有的优势。模数转换器作为模拟与数字的桥梁，它的功耗高低在这个系统的功耗占比中显得尤为重要；而比较器作为绝大部分模数转换器的核心组成部分和功耗的核心来源，低功耗比较器的研究，对于在整个物联网节点的发展至关重要。

比较器主要有前级放大器和锁存器组成，主要分为静态比较器和动态比较器。静态比较器和动态比较器相比一般功耗较高，其两种工作状态（比较状态和复位状态）决定了动态比较器适合应用于智能家居和低功耗的可穿戴传感器应用。不过目前的动态比较器使用了前置放大器加动态锁存器的方式，有动态锁存器的存在，所以也被称为动态比较器。但是前置放大器部分的静态功耗依旧无法减少，再加上有些情况下比较器的输入共模电压是变化的并且工作在低压情况下，因此对adc整体的功耗和精度影响很大，使得比较器性能下降。为了解决以上动态比较器的不足，研究学者们致力于研究低压低功耗共模电压变化不敏感的的全动态比较器。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种低压低功耗共模电压变化不敏感的二级全动态比较器，无需考虑静态功耗，可工作在低压环境下，并且可以对抗共模电压的变化，实现低压低功耗共模电压变化不敏感。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种低压低功耗共模电压变化不敏感的二级全动态比较器，包括依次连接的第一级前置动态放大器、第二级前置动态放大器和动态锁存器，第一级前置动态放大器的一对输入端作为所述二级全动态比较器的一对输入端，动态锁存器的一对输出端作为所述二级全动态比较器的一对输出端，第一级前置动态放大器的时钟信号输入端与第二级前置动态放大器的时钟信号输入端相连接作为所述二级全动态比较器的第一时钟信号输入端，动态锁存器的时钟信号输入端作为所述二级全动态比较器的第二时钟信号输入端，第一时钟信号输入端输入的时钟信号与第二时钟信号输入端输入的时钟信号反相。

在本发明一实施例中，所述第一级前置动态放大器连接有一第一偏置电压电路，第二级前置放大器连接有一第二偏置电压电路。

在本发明一实施例中，所述第一级前置动态放大器包括晶体管m1、m2、m3、m4、m5、m6，电容c1、c2，m1的源极与m3的漏极、c1的一端相连接并作为所述第一级前置动态放大器的第一输出端，m2的源极与m4的漏极连接、c2的一端相连接并作为所述第一级前置动态放大器的第二输出端，m1的栅极、m2的栅极分别作为所述第一级前置动态放大器的第一输入端、第二输入端，m1的漏极、m2的漏极相连接至m5的漏极，m3的栅极、m4的栅极、m5的栅极相连接作为所述第一级前置动态放大器的时钟信号输入端，m3的源极、m4的源极相连接至电源电位，m5的源极与m6的漏极相连接，m6的栅极与第一偏置电压电路连接，m6的源极与c1的另一端、c2的另一端相连接至地电位。

在本发明一实施例中，所述第二级前置动态放大器包括晶体管m7、m8、m9、m10、m11、m12，电容c3、c4，m7的栅极、m8的栅极分别作为所述第二级前置动态放大器的第一输入端、第二输入端，m7的漏极与m9的漏极、c3的一端相连接并作为所述第二级前置动态放大器的第一输出端，m8的漏极与m10的漏极连接、c4的一端相连接并作为所述第二级前置动态放大器的第二输出端，m7的源极、m8的源极相连接至m11的漏极，m9的栅极、m10的栅极、m11的栅极相连接作为所述第二级前置动态放大器的时钟信号输入端，m9的源极、m10的源极相连接至电源电位，m11的源极与m12的漏极相连接，m12的栅极与第二偏置电压电路连接，m12的源极与c3的另一端、c4的另一端相连接至地电位。

在本发明一实施例中，所述动态锁存器包括晶体管m13、m14、m15、m16、m17、m18、m19、m20，m13的源极、m14的源极相连接至电源电位，m13的栅极与m16的漏极、m18的栅极、m19的漏极、m20的漏极相连接并作为所述动态锁存器的第一输出端，m13的漏极与m15的源极相连接，m14的栅极与m15的漏极、m17的漏极、m18的漏极、m19的栅极相连接并作为所述动态锁存器的第二输出端，m14的漏极与m16的源极相连接，m16的栅极、m15的栅极分别作为所述动态锁存器的第一输入端、第二输入端，m17的栅极、m20的栅极相连接作为所述动态锁存器的时钟信号输入端，m17的源极、m18的源极、m19的源极、m20的源极相连接至地电位。

在本发明一实施例中，所述二级全动态比较器的控制方式如下：

在给定时钟信号clk和与其反相的时钟信号clkb时，若clk为低电平，clkb为高电平时，所述二级全动态比较器处于比较状态，两个模拟输入信号通过所述二级全动态比较器进行比较，输出正常的比较结果；若clk为高电平，clkb为低电平时，所述二级全动态比较器处于复位状态；

在复位状态时，m3和m4导通，m5截止，m1、m2的源极电压直接被拉至电源电位，第一级前置动态放大器不工作，第一级前置动态放大器两输出端输出信号为电源电位，m9、m10导通，m11截止，第二级前置动态放大器两输出端输出信号被拉至电源电位，m17、m20导通，m18、m19截止，动态锁存器两输出端输出信号为零电位，同时m13、m14导通，m15、m16的源端电压被拉至电源电位；

在比较状态时，m1、m2导通，第一级前置动态放大器两输入端输入电压存在电压差值，因此m1、m2的漏电流不同，导致m1、m2的源端电位下降的速度不同，过驱动电压较大的晶体管源端电位下降速度快，第一级前置动态放大器两输出端输出信号瞬时电位不同，若第一级前置动态放大器第二输出端输出信号电位下降时间大于第一级前置动态放大器第一输出端输出信号电位下降时间，由于第二级前置动态放大器两输出端输出信号在复位状态被拉至电源电位，导致m7的过驱动电压比m8的过驱动电压大，第二级前置动态放大器第一输出端输出信号电位从电源电位下降的速度大于第二级前置动态放大器第二输出端输出信号电位从电源电位下降的速度，因此m16比m15先到达导通条件，动态锁存器第一输出端输出信号电位先上升，动态锁存器第二输出端输出信号后上升，一旦动态锁存器第一输出端输出信号上升至导致m18导通的电位时，m18导通将动态锁存器第二输出端输出信号拉至地电位，因此所述二级全动态比较器输出正确比较结果；即，当所述二级全动态比较器第一输入端输入信号电位＞所述二级全动态比较器第二输入端输入信号电位时，所述二级全动态比较器第一输出端输出信号电位＞所述二级全动态比较器第二输出端输出信号电位；反之当所述二级全动态比较器第二输入端输入信号电位＞所述二级全动态比较器第一输入端输入信号电位时，所述二级全动态比较器第二输出端输出信号电位＞所述二级全动态比较器第一输出端输出信号电位。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明为一种低压低功耗共模电压变化不敏感的二级全动态比较器，包括第一级前置动态放大器、第二级前置动态放大器和sa动态锁存器三个模块。相比于传统的比较器本发明比较器无静态功耗，可工作在低压环境下，并且可以对抗共模电压的变化，实现比较器低压低功耗共模电压变化不敏感，本发明比较器可以在相对较低的电源电压下工作，大大降低了整个比较器的功耗并且提高了比较器的性能。本发明在低电压低功耗共模电压变化的模数转换器中拥有巨大的应用前景。

附图说明

图1为低压低功耗共模电压变化比较器动态比较器整体框图。

图2为低压低功耗共模电压变化比较器系统框图。

图3为第一级前置动态放大器电路图。

图4为第二级前置动态放大器电路图。

图5为sa动态锁存器电路图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供了一种低压低功耗共模电压变化不敏感的二级全动态比较器，包括依次连接的第一级前置动态放大器、第二级前置动态放大器和动态锁存器，第一级前置动态放大器的一对输入端作为所述二级全动态比较器的一对输入端，动态锁存器的一对输出端作为所述二级全动态比较器的一对输出端，第一级前置动态放大器的时钟信号输入端与第二级前置动态放大器的时钟信号输入端相连接作为所述二级全动态比较器的第一时钟信号输入端，动态锁存器的时钟信号输入端作为所述二级全动态比较器的第二时钟信号输入端，第一时钟信号输入端输入的时钟信号与第二时钟信号输入端输入的时钟信号反相。

以下为本发明的具体实现实例。

为了移除saradc比较器前置放大器的静态功耗，减小比较器对共模电平的依赖性，本发明提出了低压低功耗共模电压变化不敏感全动态比较器如图1所示。该全动态比较器1（comparator）包含比较器的两个输入端电压2（vip,vin）、一对反相时钟信号3(clk、clkb）和一对输出信号4（outp、outn）。其系统框图如图2所示，其中包括三个部分，第一级前置动态放大器5（1^st_amp）、第二级前置动态放大器6（2^nd_amp）和动态锁存器7（sa-latch），其中输入信号2与第一级动态前置放大器5相连接，输出信号4与sa动态锁存器7相连接。另外，其中一个时钟输入信号clkb与第一级前置动态放大器5、第二级前置动态放大器6相连接，clkb的反相输入信号clk与sa动态锁存器7相连接，第一级前置动态放大器5的一对输出信号8（on1，op1）作为第二级前置动态放大器6的输入端与之相连接，同样第二级前置动态放大器6的一对输出信号9（on2，op2）作为sa动态锁存器7的输入端与之相连接，偏置电压10（vbias1）作用于第一级预放大器5上并与之相连接，偏置电压11（vbias2）作用于第二级预放大器6上并与之相连接。

第一级前置动态放大器5具体结构如图3所示，由晶体管m1，m2，m3，m4，m5，m6，电容c1和电容c2组成。其中m1的源极连至m3的漏极，m2的源极连至m4的漏极，其作为差分输入对管，栅极连接比较器输入信号vip和vin。clkb作用于m5的栅极，m5的源极与m6漏极相连，m5的漏极与m1、m2的漏极相连。vbias1作用于m6的栅极，m6的源极与地电位相连，其作为电流源恒处于饱和区，尾部的共源共栅结构，提高了比较器电路对抗共模电压变化的能力，并且提高了比较器的线性度。m1，m2的源极分别作为第一级的输出信号8（on1，op1）与电容c1、c2连接，m3，m4的源极都与电源电位连接，栅极相连并由时钟信号clkb控制。

第二级前置动态放大器6具体结构如图4所示，由晶体管m7，m8，m9，m10，m11，m12，电容c3和c4组成。第一级输出信号8（on1，op1）作为第二级的输入与差分输入对管m7,m8的栅极连接。m7,m9漏极相连并连至电容c3，同样m8,m10也是如此，二者也分别作为第二级输出信号9（on2，op2）。m9,m10源极连至电源电位。输入对管m7,m8源端与m11漏极相连，m11源极与m12漏极相连，m12的源极与地相连。vbias2与m12的栅极相连，m12的漏极m11的源极相连，m12的源极与地电位相连接。m12作为电流源恒处于饱和区，尾部的共源共栅结构，提高了比较器电路对抗共模电压变化的能力，并且提高了比较器的线性度。时钟信号clkb作用于m9,m10,m11的栅极。

sa动态锁存器7具体结构如图5所示，由m13，m14，m15，m16，m17，m18，m19，m20组成。第二级输出信号9（on2，op2）作为输入信号分别与m16,m15栅极相连接，m15,m16源极分别与m13,m14的漏极相连接。m13,m18的栅极与m16,m19,m20的漏极连接，m14,m19的栅极与m15,m17,m18的漏极连接，并分别作为输出信号4（outp，outn）。m17~m20的源极相连至地，m13,m14的源极相连至电源电位。时钟信号clk控制m17,m20的栅极，控制其导通与关闭。clk为低电平时，电路进行比较工作，结果由锁存器进行储存。

在给定clk和clkb的情况下，两个模拟输入信号通过比较器进行比较，输出正常的比较结果，clk为低电平，clkb为高电平的时候处于比较状态，反之处于复位状态。在复位状态时，第一级前置动态放大器5中m3和m4导通，m5截止，m1,m2的源极电压直接被拉至电源电位，第一级前置动态放大器电路不工作，第一级输出信号8（on1，op1）为电源电位。第二级前置动态放大器6中m9,m10导通，m11截止，第二级输出信号9（on2，op2）被拉至电源电位。sa动态锁存器7中m17,m20导通，m18,m19截止，输出信号4（outp，outn）为地电位，同时m13,m14导通，m15,m16的源端电压被拉至电源电位。

在比较状态时，第一级前置动态放大器5中m1,m2导通，由于输入端电压2（vip,vin）存在电压差值，因此两个晶体管的漏电流不同，导致了源端电位下降的速度不同，过驱动电压较大的晶体管漏端电位上升速度快，因此第一级输出信号8（on1，op1）瞬时电位不同，以op1电位下降时间大于on1电位下降时间（即vip<vin）为例进行说明。第二级前置动态放大器6中，由于输出信号9（on2，op2）在复位状态被拉至电源电位，由于第一级输出电位下降时间不一致，导致m7的过驱动电压比m8的过驱动电压大，on2电位从电源电位下降的速度大于op2电位从电源电位下降的速度。sa动态锁存器7中，on2电位下降的速度更快，因此m16比m15先到达导通条件，outn电位先上升，outp后上升。一旦outn上升至导致m18导通的电位时，m18导通将outn拉至地电位，因此比较器输出信号4（outp，outn）输出正确比较结果。

综上所述，当vip＞vin时，比较器输出outp＞outn，比较结果正确，反之当vin＞vip时，比较器工作分析过程如上述同理一致。

在clk和clkb的一个时钟周期内，该比较器进行了一次比较，一次复位阶段，并输出比较结果，结果正确。经研究表明此发明的比较器，相比于传统的比较器无静态功耗，可工作在低压环境下，并且可以对抗共模电压的变化，实现低压低功耗共模电压变化不敏感。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。