專利名稱：變共模寬電源范圍的高速比較器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，具體涉及一種變共模寬電源范圍的高速比較器。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代先進(jìn)電子系統(tǒng)的前端廣泛的應(yīng)用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/DC)，以充分利用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理，在各種A/DC中，逐次逼近A/DC是中等至高等分辨率應(yīng)用的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)，有著很寬的應(yīng)用范圍，例如便攜/電池供電儀表、筆輸入量化器、工業(yè)控制和數(shù)據(jù)/信號(hào)采集系統(tǒng)等。在大多數(shù)應(yīng)用中，ADC工作的電源電壓范圍僅限于特定電源電壓下±10%的波動(dòng)范圍，比如常見(jiàn)的3.3±10% V，這就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足寬電源范圍內(nèi)工作的要求。比如基于MCU數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，要求ADC在2. 2V到5. 5V都能有效的工作。除寬電源范圍外，低功耗也是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的核心競(jìng)爭(zhēng)力之一。單調(diào)變化的逐次逼近ADC算法以其芯片面積小和較低功耗，得以廣泛的應(yīng)用。其特點(diǎn)是內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出共模電平在轉(zhuǎn)換的第一個(gè)周期到最后一個(gè)周期，從二分之一電源逐漸趨近于零電平。其致命缺陷是在寬電源范圍下，由于比較器共模電平的變化，預(yù)放大器輸入端在比較的第一個(gè)周期或者最后幾個(gè)周期，性能弱化乃至根本不能工作，這導(dǎo)致比較器難以提供高的分辨率。故設(shè)計(jì)一款能工作在寬電源電壓范圍下，可變共模電平的高速比較器非常重要，以保證模數(shù)轉(zhuǎn)換器都能提供高的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供一種應(yīng)用于單調(diào)變化的逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器算法下的寬電源電壓范圍、可變共模輸入的高速比較器，該電路可以工作在很寬的電源電壓范圍，同時(shí)保證各種電源電壓下比較器都能提供高的帶寬和高的分辨率。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為，一種變共模寬電源范圍的高速比較器，其特征在于所述高速比較器電路包括一第一預(yù)放大器Al、一第二預(yù)放大器A2、一第三預(yù)放大器A3、一第四預(yù)放大器A4、一動(dòng)態(tài)比較器DC、一 RS觸發(fā)器RSl、一第一異或門XORl、一第二異或門X0R2、一反相器INV，所述第一預(yù)放大器Al保證高共模電平時(shí)比較器能有效工作，所述第二預(yù)放大器A2保證在低共模電平時(shí)比較器能有效工作。所述第一預(yù)放大器Al的Vip輸入端與所述第二預(yù)放大器A2的輸入端Vip相連；所述第一預(yù)放大器Al的Vin輸入端與所述第二預(yù)放大器A2的輸入端Vin相連；所述第一預(yù)放大器Al的Von輸出端與所述第二預(yù)放大器A2的輸出端Von、與所述第三預(yù)放大器A3的輸入端Vip，相連于vonl ;所述第一預(yù)放大器Al的Vop輸出端與所述第二預(yù)放大器A2的輸出端Vop、與所述第三預(yù)放大器A3的輸入端Vin，相連于vopl ;所述第三預(yù)放大器A3的輸出端Von與所述第四預(yù)放大器A4的輸入端Vip相連；所述第三預(yù)放大器A3的輸出端Vop與所述第四預(yù)放大器A4的輸入端Vin相連；所述第四預(yù)放大器A4的輸出端Von與所述動(dòng)態(tài)比較器DC的輸入端Vin相連；所述第四預(yù)放大器A4的輸出端Vop與所述動(dòng)態(tài)比較器DC的輸入端Vip相連；所述動(dòng)態(tài)比較器DC的輸出端Qn與所述RS觸發(fā)器RSl的輸入端R、與所述第一異或門XORl的輸入端A，相連于Q ;所述動(dòng)態(tài)比較器DC的輸出端Qp與所述RS觸發(fā)器RSl的輸入端S、與所述第一異或門XORl的輸入端B,相連于Qb ;所述第一異或門XORl的輸出端Y與所述第一預(yù)放大器Al的輸入端Don、與所述第二預(yù)放大器A2的輸入端Don、所述第三預(yù)放大器A3的輸入端Don、所述第四預(yù)放大器A4的輸入端Don、相連于Over ;所述第二異或門X0R2的輸出端與所述反相器NI的輸入端A、與所述第二預(yù)放大器A2的輸入端EN，相連于Fip ;所述反相器NI的輸出端Y與所述第一預(yù)放大器Al的輸入端EN相連。本發(fā)明的比較器工作原理如下
在N bit (N為數(shù)模轉(zhuǎn)換器的精度)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的第一個(gè)到第i (i介于I與N之間，且為固定值)個(gè)比較周期，所述第二預(yù)放大器A2關(guān)閉，所述第一預(yù)放大器Al開(kāi)啟。在前i個(gè)比較周期內(nèi)，比較器輸入共模電平相對(duì)較高，由所述第一預(yù)放大器Al提供第一級(jí)預(yù)放大作用。在N bit的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的第i+Ι到第N-1個(gè)比較周期，所述第一預(yù)放大器Al關(guān)閉，所述第二預(yù)放大器A2開(kāi)啟，該Ν-1-l個(gè)周期內(nèi)，比較器輸入共模電平相對(duì)較低，由所述第二預(yù)放大器A2提供第一級(jí)預(yù)放大作用。所述第二異或門X0R2和所述反相器NI —起根據(jù)是否完成第i個(gè)比較周期，產(chǎn)生控制信號(hào)關(guān)閉或者開(kāi)啟所述第一預(yù)放大器Al和所述第二預(yù)放大器A2。i的值可以根據(jù)具體項(xiàng)目電源電壓范圍選定，當(dāng)電源電壓范圍較寬時(shí)，i值靠近N，當(dāng)電源電壓較窄時(shí)，i值靠近I。在N bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器的每個(gè)比較周期內(nèi)，輸入信號(hào)經(jīng)所述第一預(yù)放大器Al或者所述第二放大器A2第一級(jí)放大后，由所述第三預(yù)放大器A3、所述第四預(yù)放大器A4依次放大，然后經(jīng)過(guò)所述動(dòng)態(tài)比較器將輸入信號(hào)放大到邏輯差分輸出，得到的邏輯差分輸出經(jīng)過(guò)所述的RS觸發(fā)器RSl鎖存，得到本周期的比較結(jié)果，同時(shí)所述的差分輸出信號(hào)Q和Qn邏輯相反時(shí)，經(jīng)過(guò)所述第一異或門XORl得到所述的比較完成標(biāo)志Over，表示本周期的比較完成，復(fù)位所述各預(yù)放大器的輸出端，提高下一比較周期的速度。本發(fā)明提供了一種可動(dòng)態(tài)調(diào)整第一級(jí)預(yù)放大器信號(hào)路徑的高速比較器，該電路可以保證電源電壓較低和輸入共模電平變化時(shí)仍能有效工作，當(dāng)與單調(diào)變化的逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器算法結(jié)合時(shí)，不僅可以提供低功耗，小面積，還可以保證寬電源電壓范圍內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)。


圖1為本發(fā)明高速比較器實(shí)現(xiàn)電路的結(jié)構(gòu)框圖。圖2為本發(fā)明高速比較器之預(yù)放大器Al電路實(shí)現(xiàn)。圖3為本發(fā)明高速比較器之預(yù)放大器A2電路實(shí)現(xiàn)。圖4為本發(fā)明高速比較器之預(yù)放大器A3、A4電路實(shí)現(xiàn)。圖1中1.預(yù)放大器Al ；2.預(yù)放大器A2 ；3.預(yù)放大器A3 ；4.預(yù)放大器A4 ；5.動(dòng)態(tài)比較器DC ;6· RS觸發(fā)器RSl ;7.異或門XORl ;8·異或門X0R2 ;9·反相器NI。圖2中帶復(fù)位、使能控制的電阻負(fù)載PMOS差分輸入，差分輸出放大器。圖3中帶電平位移、復(fù)位、使能控制的電阻負(fù)載PMOS差分輸入，差分輸出放大器。圖4中常規(guī)電阻負(fù)載PMOS差分輸入,差分輸出放大器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。請(qǐng)參見(jiàn)圖1，本發(fā)明中的變共模寬電源高速比較器電路包括預(yù)放大器(Al)、預(yù)放大器(A2)、預(yù)放大器(A3)、預(yù)放大器(A4)、動(dòng)態(tài)比較器(DC)、RS觸發(fā)器(RSl)、異或門(X0R1)、異或門(X0R2)、反相器(NI)。預(yù)放大器(Al)的Vip輸入端與預(yù)放大器(A2)的輸入端Vip相連；預(yù)放大器(Al)的Vin輸入端與預(yù)放大器(A2)的輸入端Vin相連；預(yù)放大器(Al)的Von輸出端與預(yù)放大器(A2)的輸出端Von、與預(yù)放大器(A3)的輸入端Vip,相連于vonl ;預(yù)放大器(Al)的Vop輸出端與預(yù)放大器(A2)的輸出端Vop、與預(yù)放大器(A3)的輸入端Vin,相連于vopl ;預(yù)放大器(A3)的輸出端Von與預(yù)放大器(A4)的輸入端Vip相連；預(yù)放大器(A3)的輸出端Vop與預(yù)放大器(A4)的輸入端Vin相連；預(yù)放大器(A4)的輸出端Von與動(dòng)態(tài)比較器(DC)的輸入端Vin相連；預(yù)放大器(A4)的輸出端Vop與動(dòng)態(tài)比較器(DC)的輸入端Vip相連；動(dòng)態(tài)比較器(DC)的輸出端Qn與RS觸發(fā)器(RSl)的輸入端R、與異或門(X0R1)的輸入端A，相連于Q ;動(dòng)態(tài)比較器(DC)的輸出端Qp與RS觸發(fā)器(RSl)的輸入端S、與異或門(XORl)的輸入端B，相連于Qb ;異或門(XORl)的輸出端Y與預(yù)放大器(Al)的輸入端Don、與預(yù)放大器(A2)的輸入端Don、預(yù)放大器(A3)的輸入端Don、預(yù)放大器(A4)的輸入端Don、相連于Over ;異或門(X0R2)的輸出端與反相器(NI)的輸入端A、與預(yù)放大器(A2)的輸入端EN，相連于Fip ;反相器(NI)的輸出端Y與預(yù)放大器(Al)的輸入端EN相連。預(yù)放大器(Al)、(A2)、(A3)、(A4) 一起構(gòu)成高速比較器的預(yù)放大部分，其中預(yù)放大器(Al )、(A2)—起構(gòu)成預(yù)放大器的第一級(jí)，保證共模電平變化時(shí)，第一級(jí)都能有效提供該級(jí)的增益；預(yù)放大器(A3)、(A4)分別構(gòu)成高速比較器的第二級(jí)、第三級(jí)預(yù)放大。盡管預(yù)放大器(A3)、(A4)可以設(shè)計(jì)時(shí)提供較高的增益，但是由于運(yùn)放的增益帶寬乘積一定，增益的提高必然導(dǎo)致帶寬的減小，故三級(jí)預(yù)放大都必須有效控制且能有效提供每級(jí)的增益。由于輸入共模電平的變化，若僅僅使用預(yù)放大(Al)、(A2)的其中一個(gè)，都不能保證第一級(jí)的有效增益預(yù)放大器(Al)在高壓低共模電平輸入時(shí)，增益接近OdB，但在低壓高共模電平輸入時(shí)能有效工作，而預(yù)放大器(A2)在低壓高共模電平時(shí)基本不能工作，但在低共模電平時(shí)能有效工作。預(yù)放大器(Al)、預(yù)放大器(A2)的共同作用，保證輸入共模電平變化時(shí)都能有效提供該級(jí)的有效增益。同時(shí)，為了減少預(yù)放大器(Al)、(A2)之間的相互影響和降低比較器的功耗，根據(jù)共模電平的變化關(guān)閉其中一個(gè)模塊。而使能信號(hào)由來(lái)自于表征比較周期的SP[i]、SN[i]提供，在第i個(gè)比較周期結(jié)束前，SP[i]、SN[i]為同向信號(hào)，故經(jīng)異或門(X0R2)后Fip(前i個(gè)周期的縮寫)在前i個(gè)周期一直為低電平，關(guān)閉預(yù)放大器(A2)，由于比較器輸入共模電平從二分之一電源逐漸降低為地，前i個(gè)比較周期的共模電平相對(duì)后N-1個(gè)比較周期的共模電平高得多，預(yù)放大器(Al)正好能提供有效的放大；在第i+Ι到N-1個(gè)周期，SP[i]、SN[i]為反向信號(hào)，故經(jīng)異或門(X0R2)后Fip為高電平，開(kāi)啟預(yù)放大器(A2)。Fip經(jīng)反相器(NI)后為低電平，關(guān)閉預(yù)放大器(Al)，該Ν-1-l個(gè)周期輸入共模電平更接近于地，而預(yù)放大器(A2)正好能提供有效的放大。經(jīng)過(guò)三級(jí)預(yù)放大后的信號(hào)，經(jīng)動(dòng)態(tài)比較器(DC)比較產(chǎn)生邏輯電平，再經(jīng)RS觸發(fā)器(RSl)鎖存得到每次比較周期的比較結(jié)果，同時(shí)每次比較結(jié)束時(shí)，動(dòng)態(tài)比較器(DC)都會(huì)輸出差分邏輯信號(hào)Q、Qb，經(jīng)異或門(X0R1)后產(chǎn)生高電平信號(hào)Over，復(fù)位預(yù)放大器(Al)、(A2)、(A3)、(A4)的輸出，使得下一次比較時(shí)預(yù)放大器能更快的工作。請(qǐng)參見(jiàn)圖2，預(yù)放大器(Al)為PMOS輸入電阻負(fù)載的全差分輸入差分輸出放大器，其中M3為輸出復(fù)位開(kāi)關(guān)，在每個(gè)比較周期結(jié)束時(shí)，復(fù)位差分輸出端Von和Vop。M8a和M8b為預(yù)放大器(Al)的使能管，當(dāng)輸入端EN為高電平時(shí)，本預(yù)放大器工作，否則關(guān)閉。選擇電阻負(fù)載為的是提高預(yù)放大器的帶寬，如果采用MOS管做負(fù)載，MOS管的寄生將限制放大器的帶寬。這對(duì)于設(shè)計(jì)比較周期在IOns左右的比較器相當(dāng)困難。請(qǐng)參見(jiàn)圖3，預(yù)放大器(A2)由電平位移電路(Mla/M4a和Mlb/M4c構(gòu)成)和PMOS輸入電阻負(fù)載的全差分輸入差分輸出放大器。電平位移電路的作用是共模電平靠近地時(shí)，抬高輸入信號(hào)直流電平，使差分輸入對(duì)管PMOS對(duì)能工作在飽和區(qū)。其中M3b為輸出復(fù)位開(kāi)關(guān)，在每個(gè)比較周期結(jié)束時(shí)，復(fù)位差分輸出端Von和Vop。Mllallld為預(yù)放大器(A2)的使能管，當(dāng)輸入端EN為高電平時(shí)，本預(yù)放大器工作，否則關(guān)閉。選擇電阻負(fù)載為的是提高預(yù)放大器的帶寬，如果采用MOS管做負(fù)載，MOS管的寄生將限制放大器的帶寬。這對(duì)于設(shè)計(jì)比較周期在IOns左右的比較器相當(dāng)困難。請(qǐng)參見(jiàn)圖4，預(yù)放大器(A3)、預(yù)放大器(A4)都為常規(guī)結(jié)構(gòu)的PMOS輸入電阻負(fù)載的全差分輸入差分輸出放大器，其中M3為輸出復(fù)位開(kāi)關(guān)。
權(quán)利要求
1.一種變共模寬電源范圍的高速比較器，其特征在于所述高速比較器電路包括一第一預(yù)放大器Al、一第二預(yù)放大器A2、一第三預(yù)放大器A3、一第四預(yù)放大器A4、一動(dòng)態(tài)比較器DC、一 RS觸發(fā)器RSl、一第一異或門XORl、一第二異或門X0R2和一反相器INV。
2.如權(quán)利要求1中所述的變共模寬電源范圍的高速比較器，其特征在于所述第一預(yù)放大器Al的Vip輸入端與所述第二預(yù)放大器A2的輸入端Vip相連；所述第一預(yù)放大器Al的Vin輸入端與所述第二預(yù)放大器A2的輸入端Vin相連；所述第一預(yù)放大器Al的Von輸出端與所述第二預(yù)放大器A2的輸出端Von、與所述第三預(yù)放大器A3的輸入端Vip，相連于vonl ;所述第一預(yù)放大器Al的Vop輸出端與所述第二預(yù)放大器A2的輸出端Vop、與所述第三預(yù)放大器A3的輸入端Vin，相連于vopl ;所述第三預(yù)放大器A3的輸出端Von與所述第四預(yù)放大器A4的輸入端Vip相連；所述第三預(yù)放大器A3的輸出端Vop與所述第四預(yù)放大器A4的輸入端Vin相連；所述第四預(yù)放大器A4的輸出端Von與所述動(dòng)態(tài)比較器DC的輸入端Vin相連；所述第四預(yù)放大器A4的輸出端Vop與所述動(dòng)態(tài)比較器DC的輸入端Vip相連；所述動(dòng)態(tài)比較器DC的輸出端Qn與所述RS觸發(fā)器RSl的輸入端R、與所述第一異或門XORl的輸入端A,相連于Q ;所述動(dòng)態(tài)比較器DC的輸出端Qp與所述RS觸發(fā)器RSl的輸入端S、與所述第一異或門XORl的輸入端B,相連于Qb ;所述第一異或門XORl的輸出端Y與所述第一預(yù)放大器Al的輸入端Don、與所述第二預(yù)放大器A2的輸入端Don、所述第三預(yù)放大器A3的輸入端Don、所述第四預(yù)放大器A4的輸入端Don、相連于Over ;所述第二異或門X0R2的輸出端與所述反相器NI的輸入端A、與所述第二預(yù)放大器A2的輸入端EN，相連于Fip ;所述反相器NI的輸出端Y與所述第一預(yù)放大器Al的輸入端EN相連。
3.如權(quán)利要求2中所述，在Nbit (N為數(shù)模轉(zhuǎn)換器的精度)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的第一個(gè)到第i (i介于I與N之間，且為固定值)個(gè)比較周期，在前i個(gè)比較周期內(nèi)，比較器輸入共模電平相對(duì)較高，所述第二預(yù)放大器A2關(guān)閉，所述第一預(yù)放大器Al開(kāi)啟，由所述第一預(yù)放大器Al提供第一級(jí)預(yù)放大作用；在N bit的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的第i+Ι到第N-1個(gè)比較周期，該Ν-1-l個(gè)周期內(nèi)，比較器輸入共模電平相對(duì)較低，所述第一預(yù)放大器Al關(guān)閉，所述第二預(yù)放大器A2開(kāi)啟，由所述第二預(yù)放大器A2提供第一級(jí)預(yù)放大作用。
4.如權(quán)利要求3中所述，所述第一預(yù)放大器Al和所述第二預(yù)放大器A2需要開(kāi)啟或者關(guān)閉，使能信號(hào)由所述第二異或門X0R2和所述反相器NI產(chǎn)生，所述第二異或門X0R2和所述反相器NI —起根據(jù)是否完成第i個(gè)比較周期，產(chǎn)生控制信號(hào)關(guān)閉或者開(kāi)啟所述第一預(yù)放大器Al和所述第二預(yù)放大器A2。
全文摘要
一種變共模寬電源范圍的高速比較器，所述高速比較器電路包括一第一預(yù)放大器A1、一第二預(yù)放大器A2、一第三預(yù)放大器A3、一第四預(yù)放大器A4、一動(dòng)態(tài)比較器DC、一RS觸發(fā)器RS1、一第一異或門XOR1、一第二異或門XOR2、和一反相器INV。所述第一預(yù)放大器A1保證高共模電平時(shí)比較器能提供較高的分辨率和帶寬，所述第二預(yù)放大器A2保證在低共模電平時(shí)比較器能提供較高的分辨率和帶寬。該電路可以工作在很寬的電源電壓范圍，同時(shí)保證各種電源電壓下比較器都能提供高的帶寬和高的分辨率。
文檔編號(hào)H03M1/34GK103066966SQ201210579399
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月27日
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