專利名稱：回滯區(qū)間精密可控的比較器的控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及集成電路領域，特別是一種利用基準電壓源和電阻構成的回滯區(qū)間精密可控的比較器。
現在的集成電路設計技術發(fā)展迅速，伴隨著工藝水平的提高和芯片功能及性能改進，需要在許多基本設計單元中增加更多的功能和性能以適應發(fā)展的要求。比較器是一個將模擬信號轉換為數字信號的基本電路單元，由于芯片中噪聲的影響，在比較器的輸入閾值附近，出現的誤碼概率較高。一般情況下，使用帶有回滯區(qū)間的比較器，能夠較好地解決這一問題。
如圖1所示，目前的比較器設計中的回滯區(qū)間，是由鏡象電流源來完成的。PMOS晶體管M1、M2、M3、M4、M5的源極與電源連接，M2柵極、M2漏極、M4漏極、M6漏極構成節(jié)點NODE1，M3的柵極、M3的漏極、M1的漏極、M7的漏極、M5柵極和M8的柵極構成節(jié)點NODE2，M6的源極、M7的源極和電流源連接，M8的源極和電流源I1接地，IN1與M6的柵極連接而IN2與M7的柵極連接，M5的漏極與M8的漏極連接構成節(jié)點OUT。
當IN1大于IN2時，電流I1流經M6而M7中沒有電流流過，此時節(jié)點NODE高而輸出OUT為低電平；保持IN1不變，當IN2逐漸增大時，流經M7的電流在節(jié)點NODE處要先補償電流鏡M1、M2后，才能夠使得NODE2節(jié)點的電壓降低。因此，比較器將會有一個回滯區(qū)間產生。
此比較器產生的回滯區(qū)間主要缺陷為回滯區(qū)間大小不能夠精密控制；回滯區(qū)間不能夠超出范圍，此范圍由鏡象電流的比例確定，M1中電流一般要小于M2中電流，M4中電流要小于M3中電流；回滯區(qū)間隨著工藝不同而變化，其溫度特性等都較差。
鑒于現有電路結構的如上缺陷，本發(fā)明的目的是利用產生回滯區(qū)間的基本原理，利用精密的基準電壓與電阻的比例關系構造一個回滯區(qū)間精密可控的新的比較器電路結構，使得比較器能夠克服上述的缺陷。
本發(fā)明是通過如下方法實現的。
回滯區(qū)間精密可控比較器的控制方法，比較器電路由以下模塊構成信號輸入、連接電阻、輸入級、放大級、輸出級、電流源產生電路、電流源邏輯控制電路。輸入的信號經過電阻后與比較器的輸入級電路連接，其結果經過放大級電路處理后進入輸出級電路，然后產生最終的輸出結果；同時，該輸出的結果產生控制邏輯，用以控制電流源產生模塊中流出電流的方向；電流在連接電阻上的不同流向在信號的輸入與比較器的輸入級電路之間產生壓差，從而構成相應的回滯區(qū)間。
采用本發(fā)明控制方法的回滯區(qū)間比較器的優(yōu)點主要為回滯區(qū)間精密可控，回滯區(qū)間的設定取決于參考電壓的大小和電阻的比例系數。當改變電阻的比例系數或者改變參考電壓的大小時，都可以改變回滯區(qū)間的范圍。另外，回滯區(qū)間不隨著工藝和在硅圓上的位置而變化，其性能僅僅與電阻的匹配精度及參考電壓的性能相關。
假定當INPUT高時，最終輸出OUTPUT為高，此時，邏輯控制模塊使得電流源中的電流流向為從RB到LB，則此時比較器輸入級電路的真正電壓為INPUT+電流源電流*連接電阻假定當INPUT低時，最終輸出OUTPUT為低，此時，邏輯控制模塊使得電流源中的電流流向為從LB到RB，則此時比較器輸入級電路的真正電壓為INPUT-電流源電流*連接電阻則中的回滯區(qū)間為電流源電流*連接電阻*常數系數如圖11所示，電流源中的電流為電流源電流＝Vref/Rref由此，回滯區(qū)間區(qū)間的計算可以簡化為回滯區(qū)間＝(Vref/Rref)*連接電阻*常數系數電流支路LB與信號輸入連接在一個節(jié)點上，因此，LB支路可以根據輸入信號的特點而不同。當信號輸入為低阻輸入時，LB可以省略；當信號輸入為高阻或對比較器的輸入阻抗要求為高時，LB不能夠省略。
通過以上分析，新的比較器的回滯區(qū)間由參考電壓和電阻Rref及連接電阻的比例決定，回滯區(qū)間參數的指標也僅僅與它們有關。
如下圖1現有回滯區(qū)間比較器電路結構圖2精密回滯區(qū)間比較器原理3雙H平衡式N管輸入精密回滯區(qū)間比較器電路圖。
圖4雙H平衡式P管輸入精密回滯區(qū)間比較器電路圖。
圖5單H非平衡式N管輸入精密回滯區(qū)間比較器電路圖。
圖6雙L平衡式N管輸入精密回滯區(qū)間比較器電路圖。
圖7單H非平衡式P管輸入精密回滯區(qū)間比較器電路圖。
圖8雙L平衡式P管輸入精密回滯區(qū)間比較器電路圖。
圖9雙H平衡式N管輸入隱性開關精密回滯區(qū)間比較器電路圖。
圖10雙H平衡式P管輸入隱性開關精密回滯區(qū)間比較器電路圖。
圖11電流源產生電路示意圖電路圖。
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明的內容作進一步的詳述。
如圖3所示為雙H平衡式N管輸入精密回滯區(qū)間比較器示意圖。
圖中信號輸入為IN1，IN2。連接電阻為R1，R2。輸入級為晶體管M6，M7(輸入管可以是雙極晶體管，也可以是MOS晶體管)。和電流源I7。放大級為晶體管M1，M2，M3，M4，M8，M9。輸出級為晶體管M5，M10和輸出端點OUTB。電流源產生電路如圖11所示。電流源邏輯控制電路為電流源I1，I2，I3，I4，I5，I6，I8，I9和電流開關SW1，SW2，SW3，SW4，SW5，SW6，SW8，SW9構成。
連接關系電流源I1、I2、I3、I4的一端和MOS管M1、M2、M3、M4、M5的柵極與電源VDD連接，電流源I5、I6、I7、I8、I9的一端和MOS管M8、M9、M10的柵極與地線連接，M6的漏極與M2的漏極、M2的柵極、M1的柵極連接，M7的漏極與M3的漏極、M3的柵極、M4的柵極連接，M8的柵極、M8的漏極、M1的漏極、M9的柵極連接，M4的漏極、M9的漏極、M5的柵極、M10的柵極連接，I1的另外一端與開關SW1一端連接，I2的另外一端與開關SW2一端連接，I3的另外一端與開關SW3一端連接，I4的另外一端與開關SW4一端連接，I5的另外一端與開關SW5一端連接，I6的另外一端與開關SW6一端連接，I8的另外一端與開關SW8一端連接，I9的另外一端與開關SW9一端連接，IN1與電阻R1的一端及SW1和SW5的另外一端連接，IN2與電阻R2的一端及SW4和SW9的另外一端連接，R1的另外一端與SW2、SW6及M6的柵極連接，R2的另外一端與SW3、SW8及M7的柵極連接，M6的源極、M7的源極與I7連接。OUTB控制開關SW1、SW3、SW6、SW9而OUT控制開關SW2、SW4、SW5、SW8工作原理設定初始條件為IN1遠遠大于IN2，則OUTB為低而OUT為高，此時，電流開關SW2、SW4、SW5、SW8導通而SW1、SW3、SW6、SW9截止。
M6柵極的電壓為IN1+I2*R1M7柵極的電壓為IN2-I8*R2
當IN2電壓逐漸升高時，要先克服電阻R2上的壓差I8*R2，然后再克服電阻R1上的壓差I2*R1，才能夠將比較器翻轉。
比較器翻轉后，OUTB為高而OUT為低，電流開關SW2、SW4、SW5、SW8截止而電流開關SW1、SW3、SW6、SW9導通。
M6柵極的電壓為IN1-I6*R1M7柵極的電壓為IN2+I3*R2當IN1電壓逐漸升高時，要先克服電阻R1上的壓差I6*R1，然后再克服電阻R1上的壓差I3*R2，才能夠將比較器翻轉。
總的回滯區(qū)間電壓為(I2+I6)*R1+(I3+I8)*R2當電流源I1＝I6，I2＝I5時，任何情況下，IN1端口的輸入阻抗為為無窮大；當電流源I3＝I9，I4＝I8時，任何情況下，IN2端口的輸入阻抗為為無窮大。在實際應用中，雖然電流不可能完全相等，但是其輸入阻抗仍然是相當高的。
如圖4所示為雙H平衡式P管輸入精密回滯區(qū)間比較器的電路結構示意圖。其連接關系與圖3所示的雙H平衡式N管輸入精密回滯區(qū)間比較器是互補的。其工作原理與N管輸入相同，回滯區(qū)間也可以表示為回滯區(qū)間電壓＝(I2+I6)*R1+(I3+I8)*R2當電流源I1＝I6，I2＝I5時，任何情況下，IN1端口的輸入阻抗為無窮大；當電流源I3＝I9，I4＝I8時，任何情況下，IN2端口的輸入阻抗為無窮大。
信號的輸入端與輸入晶體管之間也可以一個電阻連接。如圖5所示單H非平衡式N管輸入精密回滯區(qū)間比較器電路結構示意圖，此電路與圖3所示平衡結構電路的差別為與電阻R1相連接的所有電流源及開關都取消了。圖中信號輸入為IN1，IN2。連接電阻為R2。輸入級為晶體管M6，M7和電流源I7。放大級為晶體管M1，M2，M3，M4，M8，M9。輸出級為晶體管M5，M10和輸出端點OUTB。電流源產生電路如圖11所示。電流源邏輯控制電路為電流源I3，I4，I8，I9和電流開關SW3，SW4，SW8，SW9構成。
設定初始條件為IN1遠遠大于IN2，則OUTB為低而OUT為高，電流開關SW4和SW8導通而SW3與SW9截止。
M7柵極的電壓＝IN2-I8*R2當IN2電壓升高使得比較器翻轉時，必須先補償電阻上的壓差I8*R2后才有可能。比較器翻轉后，OUT為低而OUTB為高，電流開關SW3和SW9導通而SW4與SW8截止。
M7柵極的電壓＝IN2+I8*R2
當IN1電壓升高使得比較器翻轉時，必須先補償電阻上的壓差I3*R2后才有可能。
回滯區(qū)間電壓＝(I3+I8)*R2圖7所示為單H非平衡式P管輸入精密回滯區(qū)間比較器的電路結構示意圖。其連接關系與圖5所示的雙H平衡式N管輸入精密回滯區(qū)間比較器是互補的。其工作原理與N管輸入相同，回滯區(qū)間也可以表示為回滯區(qū)間電壓＝(I3+I8)*R2圖5和圖7所示的比較器，其IN1輸入端為高阻抗，IN2輸入端也可以工作在高阻抗模式下。
如圖6所示為雙L平衡式N管輸入精密回滯區(qū)間比較器電路結構示意圖。其與圖3所示H結構的不同之處在于將跨接于電阻R1與R2上的H形結構電流源與開關轉換為了L形結構。電流源邏輯控制電路為電流源I2，I3，I5，I9和電流開關SW2，SW3，SW5，SW9構成。
設定初始條件為IN1遠遠小于IN2，則OUTB為高而OUT為低，電流開關SW3和SW9導通而SW2和SW5截止。
M7柵極電壓＝IN2+I3*R2當IN1逐漸升高將比較器翻轉后，OUT為高而OUTB為低，電流開關SW3和SW9截止而SW2和SW5導通。
M6的柵極電壓＝IN1+I2*R1回滯區(qū)間電壓＝I2*R1+I3*R2如圖8所示為雙L平衡式N管輸入精密回滯區(qū)間比較器電路結構示意圖，其與圖6所示的P管電路結構的連接是互補的。
回滯區(qū)間電壓＝I2*R1+I3*R2雙L平衡式精密回滯區(qū)間比較器可以采用其他的L結構來進行，同時，如果輸入信號對比較器的輸入阻抗要求不高，則與IN1和IN2直接連接的電流源可以去除。
電流開關網絡的邏輯由比較器的輸出決定如以上實施例談到的電流開關是顯性的，包括傳輸門、單管開關等，也可以是隱性的，即利用電路結構自動實現開關的邏輯而不需要真正的開關。所述顯性開關需要邏輯控制信號而隱性開關不需要邏輯控制信號，其功能都是實現電流的流向根據比較器的最終輸出而決定。
如圖9所示為雙H平衡式N管輸入隱性開關精密回滯區(qū)間比較器電路結構示意圖。
信號輸入為IN1，IN2。連接電阻為R1，R2。輸入級為晶體管M21，M20和電流源I。放大級為晶體管M1，M11，M4，M14，M5，M15，M8，M18，M9，M19，M22，M33，M27，M32，M28，M36。輸出級為晶體管M29，M10和輸出端點OUTB。電流源產生電路如圖11所示。電流源邏輯控制電路為晶體管M2，M12，M3，M13，M6，M16，M7，M17，M23，M24，M25，M26，M30，M31，M34，M35構成。連接關系為晶體管M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M10的源極與VDD電源連接，晶體管M1、M2、M3、M4的漏極分別與M11、M12、M13、M14的柵極連接，M1、M2、M3、M4的柵極與M14漏極、M20的漏極連接，M5、M6、M7、M8、M9的漏極分別與M15、M16、M17、M18、M19的漏極連接，M5、M6、M7、M8、M9的柵極與M15的漏極、M21的漏極連接，晶體管M11、M12、M13、M14、M15、M16、M17、M18、M19的柵極與節(jié)點VbiasP連接，電阻R1的一端連接節(jié)點IN1和M17、M23的漏極，電阻R1的另外一端連接M20的柵極和M13、M25的漏極，電阻R2的一端連接節(jié)點IN2和M12、M26的漏極，電阻R1的另外一端連接M21的柵極和M16、M24的漏極，M22、M23、M24、M25、M26、M27、M28的柵極與電壓偏置節(jié)點VbiasN連接，M30、M31、M32、M33、M34、M35、M36的源極與地線連接，M30、M31、M32的柵極M18、M27的漏極連接，M33、M34、M35、M36的柵極與M11、M22的漏極連接。節(jié)點OUTB與M19、M28的漏極、M10、M29的柵極連接，OUT與M10、M29的漏極連接。
工作原理為設定初始條件IN1遠遠大于IN2，比較器的輸出OUTB為低而OUT為高。電阻R1上電流的流向為從M13的漏極經R1到達M23的漏極，電阻R2上電流的流向為從M12的漏極經R2到達M24的漏極，其他的電流源沒有電流。
M20柵極電壓＝IN1+K1*I*R1，M21柵極電壓＝IN2-K2*I*R2，其中K1、K2為電流鏡的比例常數。
當IN2逐漸升高將比較器翻轉后，OMT為低而OUTB為高。電阻R1上電流的流向為從M17的漏極經R1到達M25的漏極，電阻R2上電流的流向為從M16的漏極經R2到達M26的漏極，其他的電流源沒有電流。
M20柵極電壓＝IN1-K3*I*R1，M21柵極電壓＝IN2+K4*I*R2其中K3、K4為電流鏡的比例常數。
回滯區(qū)間電壓＝(K1+K3)*I*R1+(K2+K4)*I*R2如圖10所示為雙H平衡式P管輸入隱性開關精密回滯區(qū)間比較器電路結構示意圖，其連接關系與圖9所示的雙H平衡式N管輸入隱性開關精密回滯區(qū)間比較器是互補的，工作原理相同。
利用圖9和圖10的電路結構，可以非常容易得到單H非平衡式的N管輸入隱性開關精密回滯區(qū)間比較器，單H非平衡式的P管輸入隱性開關精密回滯區(qū)間比較器，以及雙L平衡式P管輸入隱性開關精密回滯區(qū)間比較器，雙L平衡式N管輸入隱性開關精密回滯區(qū)間比較器。
隱性開關精密回滯區(qū)間比較器也可以實現高輸入阻抗的性能，在不需要高阻抗輸入的情況下，某些與IN1及IN2連接的電流源可以省略。
如圖11所示為電流源產生電路示意圖，運算放大器opAMP與晶體管M1、M2分別構成跟隨器，運算放大器的正輸入端與參考電壓連接，負輸入端分別與M1、M2的源極及電阻Rref連接，運算放大器的輸出端分別與M1、M2的柵極連接。
產生的參考偏置電流為I＝Vref/Rref將電流產生的公式代入上述的回滯區(qū)間電壓公式中，可以得到回滯區(qū)間電壓＝K*Vref*(R/Rref)其中，K為常數，Vref為基準參考電壓，R為比較器中產生回滯區(qū)間使用的電阻，如上述電路結構中的與輸入端晶體管連接的電阻R1與R2，Rref為產生參考基準電流源使用的電阻。回滯區(qū)間的大小既可以通過改變參考電壓的大小來設定，也可以通過改變兩個電阻的比例來設定。
本發(fā)明所述的比較器，其回滯區(qū)間電壓僅僅與參考基準電壓源、兩個電阻的比例呈線性關系，是精密可控的。
權利要求
1.回滯區(qū)間精密可控比較器的控制方法，其特征在于，比較器電路由以下模塊構成信號輸入、連接電阻、輸入級、放大級、輸出級、電流源產生電路、電流源邏輯控制電路；輸入的信號經過電阻后與比較器的輸入級電路連接，其結果經過放大級電路處理后進入輸出級電路，然后產生最終的輸出結果；同時，該輸出的結果產生控制邏輯，用以控制電流源產生模塊中流出電流的方向；電流在連接電阻上的不同流向在信號的輸入與比較器的輸入級電路之間產生壓差，從而構成相應的回滯區(qū)間。
2.根據權利要求1所述的回滯區(qū)間精密可控比較器的控制方法，其特征在于，回滯區(qū)間的大小與參考電壓和兩個電阻的比例呈線性關系，其精度取決于參考電壓的精度和兩個電阻的匹配程度；參考電壓采用帶隙基準電壓。
3.根據權利要求1所述的回滯區(qū)間精密可控比較器的控制方法，其特征在于，輸入管可以是雙極晶體管，也可以是MOS晶體管。
4.根據權利要求1所述的回滯區(qū)間精密可控比較器的控制方法，其特征在于，至少一個信號的輸入端與輸入晶體管之間以一個電阻連接。
5.根據權利要求1所述回滯區(qū)間精密可控比較器的控制方法，其特征在于，電流開關網絡的邏輯由比較器的輸出決定；電流開關可以是顯性的，包括傳輸門、單管開關等，也可以是隱性的，即利用電路結構自動實現開關的邏輯而不需要真正的開關。
6.根據權利要求5所述的回滯區(qū)間精密可控比較器的控制方法，其特征在于所述顯性開關需要邏輯控制信號而隱性開關不需要邏輯控制信號，其功能都是實現電流的流向根據比較器的最終輸出而決定。
7.根據權利要求1所述的回滯區(qū)間精密可控比較器的控制方法，其特征在于，回滯區(qū)間的大小可以根據需要精密設定。
8.根據權利要求7所述的回滯區(qū)間精密可控比較器的控制方法，其特征在于，回滯區(qū)間的大小既可以通過改變參考電壓的大小來設定，也可以通過改變兩個電阻的比例來設定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種回滯區(qū)間精密可控的比較器的控制方法。比較器電路由以下模塊構成信號輸入、連接電阻、輸入級、放大級、輸出級、電流源產生電路、電流源邏輯控制電路；輸入的信號經過電阻后與比較器的輸入級電路連接，其結果經過放大級電路處理后進入輸出級電路，然后產生最終的輸出結果；同時，該輸出的結果產生控制邏輯，用以控制電流源產生模塊中流出電流的方向；電流在連接電阻上的不同流向在信號的輸入與比較器的輸入級電路之間產生壓差，從而構成相應的回滯區(qū)間。本發(fā)明使回滯區(qū)間大小能夠精密控制。
文檔編號H03K19/003GK1499718SQ0213402
公開日2004年5月26日 申請日期2002年11月8日 優(yōu)先權日2002年11月8日
發(fā)明者尹登慶 申請人:尹登慶