一种比较器及其控制方法

技术领域

本发明涉及比较器技术领域，具体为一种高精度低失调比较器及其控制方法。

背景技术

目前，常用的模数转换器为SAR ADC(逐次逼近寄存器型模数转换器)，其占据了大部分的中等至高分辨率ADC市场。SAR ADC作为将模拟信号转换成数字信号的接口电路，主要包括采样保持电路、比较器、SAR控制逻辑电路、D/A转换电路等，比较器是SAR ADC的重要模块之一，用于比较一个模拟信号和另一个模拟信号的大小，输出二进制数字信号，简而言之，一个比较器就是一个一位的ADC，其精度、速度、失调等指标直接影响整个SAR ADC的性能。随着CMOS工艺的特征尺寸不断减小，电路的电源电压不断下降，以及工艺变量等其他非线性因素影响，使得晶体管的噪声变得更大，从而比较器的噪声对ADC的影响变得更加显著。

比较器按原理可分为运放结构比较器和动态锁存比较器。运放结构比较器可辨别较小输入电压差，但速度慢；动态锁存比较器速度快，但只可分辨较大电压差，同时输入失调电压和回踢噪声也较大，单独使用上述两种比较器难以满足在高速下分辨较小输入电压差的要求。

发明内容

针对现有技术中存在的SAR ADC的比较器运行速度慢，对较小输入电压差的分辨能力差的问题，本发明提供了一种比较器及其控制方法，其可实现失调消除，可提高运行速度和精度。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种比较器，其包括放大器、传输门开关，其特征在于，其还包括动态锁存比较器，所述放大器包括第一前置放大器、第二前置放大器，所述第一前置放大器、第二前置放大器、动态锁存比较器顺次连接，所述传输门开关包括差分信号传输门开关、参考信号传输门开关，所述差分信号传输门开关与所述第一前置放大器连接，所述参考信号传输门开关分别与所述第一前置放大器、第二前置放大器、动态锁存比较器连接，所述差分信号传输门开关、参考信号传输门开关分别用于差分信号、参考信号的输入；其还包括耦合电容，所述第一前置放大器与所述第二前置放大器之间，所述第二前置放大器与所述动态锁存比较器之间分别连接有所述耦合电容，所述动态锁存比较器的输出端VOUT连接SAR控制逻辑电路，所述第一前置放大器、第二前置放大器、动态锁存比较器分别连接使能信号ENC、ENB，所述第一前置放大器、第二前置放大器分别连接有使能信号ENA，所述动态锁存比较器连接有使能信号END，所述使能信号ENC、ENB、ENA、END为高电平或低电平。

其进一步特征在于，

所述传输门开关包括开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8，其中所述差分信号传输门开关包括所述开关S1、S2，所述参考信号传输门开关包括开关S3、S4、S5、S6、S7、S8；

所述耦合电容包括电容C1～C4；

所述第一前置放大器包括场效应晶体管M1～M21，将所述场效应晶体管M1～M8分为四组作为所述第一前置放大器的传输门开关，分别为：第一传输门开关、第二传输门开关、第三传输门开关、第四传输门开关，所述第一传输门开关包括场效应晶体管M1和M3，所述第二传输门开关包括场效应晶体管M2和M4，所述第三传输门开关包括场效应晶体管M5和M7，所述第四传输门开关包括场效应晶体管M6和M8；所述场效应晶体管M1、M4、M6和M7的栅极接使能信号ENC，所述场效应晶体管M2、M3、M5和M8的栅极接所述使能信号ENB，所述场效应晶体管M12、M17的栅极连接所述使能信号ENA；

所述场效应晶体管M9为尾电流管，栅极接偏置电压Vb；所述场效应晶体管M10、M11组成差分对管；

所述场效应晶体管M13～M16为交叉耦合连接结构，所述场效应晶体管M13和M16为二极管连接的负载，所述晶体管M14和M15交叉耦合，形成负反馈，所述晶体管M12、M17作为开关管，栅极连接所述使能信号ENA，所述晶体管M18、M19、M20、M21构成第二级放大电路，所述场效应晶体管M13和M16的宽长比大于所述场效应晶体管M14和M15的宽长比。

所述第二前置放大器的结构与所述第一前置放大器的结构一致；

所述第二前置放大器包括场效应晶体管M22～M38，将所述场效应晶体管M22～M25分为两组作为所述第二前置放大器的传输门开关，分别为：第五传输门开关、第六传输门开关，所述第五传输门开关包括所述场效应晶体管M22和M23，所述第六传输门开关包括所述场效应晶体管M24和M25，所述场效应晶体管M22和M24的栅极连接使能信号ENB，所述场效应晶体管M23和M25的栅极连接所述使能信号ENC，所述场效应晶体管M29、M34的栅极连接所述使能信号ENA；

所述晶体管M26为尾电流管，栅极接所述偏置电压Vb，所述晶体管M27和M28组成差分对管，

所述场效应晶体管M30～M33为交叉耦合连接结构，所述晶体管M30和M33为二极管连接的负载，所述晶体管M31和M32交叉耦合，形成负反馈，所述晶体管M29和M34为开关管，栅极接所述使能信号ENA，所述晶体管M35、M36、M37、M38构成第二级放大电路；所述场效应晶体管M30和M33的宽长比大于所述场效应晶体管M31和M32的宽长比；

所述动态锁存比较器包括场效应晶体管M39～M57，所述场效应晶体管M39～M42分为两组作为所述动态锁存比较器的传输门开关，分别为第七传输门开关、第八传输门开关，所述第七传输门开关包括场效应晶体管M39和M40，所述第八传输门开关包括场效应晶体管M41和M42，所述场效应晶体管M39和M41的栅极连接所述使能信号ENB，所述场效应晶体管M40和M42的栅极连接所述使能信号ENC，所述场效应晶体管M43、M46、M47、M52、M53的栅极连接所述使能信号END；

所述晶体管M43为尾电流管；

所述场效应晶体管M49～M51为反相器交叉耦合式结构，所述晶体管M46、M47、M52和M53为复位管，栅极均与所述使能信号END连接，所述场效应晶体管M49、M51均为交叉耦合反相器的NMOS管，所述场效应晶体管M48、M49、M50、M51组成交叉耦合反相器，所述晶体管M54、M55、M56、M57分别组成反相器，所述输出端VOUT连接SAR控制逻辑电路。

一种比较器控制方法，将该方法应用于所述比较器，将所述比较器连接至所述SAR控制逻辑电路中，SAR控制逻辑电路为所述SAR ADC的一部分，其特征在于，所述方法包括：步骤一、所述采样电路采样时，所述开关S1、S2断开，所述开关S3～S8闭合，所述第一前置放大器、第二前置放大器、动态锁存比较器的差动输入端连接所述参考信号VCM；

所述使能信号ENB为高电平，所述使能信号ENC为低电平；

步骤二、所述比较电路比较时，所述开关S1、S2闭合，所述开关S3～S8断开，所述第一前置放大器的输入连接所述差分信号VINN、VINP；

所述使能信号ENB为低电平，所述使能信号ENC为高电平，所述使能信号ENA为高电平，所述场效应晶体管M12、M17、M29、M34处于截止状态；

所述比较电路比较时，所述动态锁存比较器包括两种工作状态：复位阶段、再生阶段，当处于所述复位阶段时，所述使能信号END为低电平，当处于再生阶段时，所述使能信号END为高电平，此时，若所述差分信号VINN大于VINP，所述输出端VOUT输出低电平，若所述差分信号VINN小于VINP，则所述输出端VOUT输出高电平。

步骤三、当所述比较电路停止工作时，所述使能信号ENA为低电平，此时所述场效应晶体管M18、M20、M29、M34均处于截止区，输出为高阻态。

采用本发明上述结构和方法可以达到如下有益效果：1、本申请高精度低失调比较器包括第一前置放大器、第二前置放大器、动态锁存比较器，第一前置放大器、第二前置放大器、动态锁存比较器构成三级比较器结构，前置放大器对输入信号逐级放大，放大到动态锁存比较器能够有效识别的幅度，然后动态锁存比较器通过正反馈将信号迅速放大到数字电路能够有效识别的幅度。该结构不仅提高了比较器的运行速度和精度，且实现低失调，能基本准确分辨出0.1mV的电压差，实现了较小输入电压差的准确分辨。

2、本申请方法通过传输门开关S1～S8对比较器的输入信号：差分信号、参考信号进行控制，并根据SAR控制逻辑电路使比较器的使能信号ENC、ENB、ENA、END工作在高电平状态或低电平状态，从而实现了比较器的输出电压的有效控制。采用本申请方法对比较器进行控制，不仅提高了比较器的运行速度和精度，减小失调，而且能基本准确分辨出0.1mV的电压差，实现了较小输入电压差的准确分辨。

附图说明

图1为本发明比较器中的第一前置放大器、第二前置放大器、动态锁存比较器的连接结构图；

图2为本发明第一前置放大器的电路原理图；

图3为本发明第二前置放大器的电路原理图；

图4为本发明动态锁存比较器的电路原理图；

图5为对本发明比较器的差分信号、参考信号、使能信号、输出端VOUT的输出信号进行仿真的仿真波形图。

具体实施方式

见图1，一种比较器，其包括放大器、传输门开关、动态锁存比较器，放大器包括第一前置放大器1、第二前置放大器2，第一前置放大器1、第二前置放大器2、动态锁存比较器3顺次连接，传输门开关包括差分信号传输门开关、参考信号传输门开关，差分信号传输门开关与第一前置放大器1连接，参考信号传输门开关分别与第一前置放大器1、第二前置放大器2、动态锁存比较器3连接，差分信号传输门开关、参考信号传输门开关分别用于差分信号VINP和VINN、参考信号VCM的输入；其还包括耦合电容，第一前置放大器1与第二前置放大器2之间，第二前置放大器2与动态锁存比较器3之间分别连接有耦合电容，动态锁存比较器3的输出端VOUT连接SAR控制逻辑电路。第一前置放大器1、第二前置放大器2、动态锁存比较器3分别连接使能信号ENC、ENB，第一前置放大器1、第二前置放大器2还分别连接使能信号ENA，动态锁存比较器3还连接使能信号END，使能信号ENC、ENB、ENA、END为高电平或低电平。

传输门开关包括开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8，其中输入信号传输门开关包括开关S1、S2，参考信号传输门开关包括开关S3、S4、S5、S6、S7、S8；耦合电容包括电容C1～C4。当采样电路在采样时，开关S1和S2断开，开关S3～S8都处于闭合状态，此时第一前置放大器1、第二前置放大器2和动态锁存比较器3的差动输入端都连接至参考信号VCM，此时，使能信号ENB为高电平，使能信号ENC为低电平；比较阶段，开关S1、S2闭合，开关S3～S8断开，第一前置放大器的输入连接差分信号VINN、VINP，使能信号ENB为低电平，使能信号ENC为高电平，使能信号ENA为高电平，场效应晶体管M12、M17、M29、M34处于截止状态；

比较电路比较时，动态锁存比较器包括两种工作状态：复位阶段、再生阶段，当处于复位阶段时，使能信号END为低电平，当处于再生阶段时，使能信号END为高电平，此时，若差分信号VINN大于VINP，输出端VOUT输出低电平，若差分信号VINN小于VINP，则输出端VOUT输出高电平。

上述三级结构高速高精度低失调的比较器可以将增益分配到各个运算放大器，每个运算放大器增益无需太大，同时采用输入失调存储和输出失调存储级联的方法消除输入失调电压的影响，具体表现为将输入失调电压存储在第一前置放大器、第二前置放大器和动态锁存比较器之间连接的输入输出耦合电容C1～C4上。

见图2，第一前置放大器1包括场效应晶体管M1～M21，将场效应晶体管M1～M8分为四组作为第一前置放大器的传输门开关，分别为：第一传输门开关、第二传输门开关、第三传输门开关、第四传输门开关，第一传输门开关包括场效应晶体管M1和M3，第二传输门开关包括场效应晶体管M2和M4，第三传输门开关包括场效应晶体管M5和M7，第四传输门开关包括场效应晶体管M6和M8；场效应晶体管M1、M4、M6和M7的栅极接使能信号ENC，场效应晶体管M2、M3、M5和M8的栅极接使能信号ENB，场效应晶体管M12、M17的栅极连接使能信号ENA；场效应晶体管M9为尾电流管，栅极接偏置电压Vb；场效应晶体管M10、M11组成差分对管；晶体管M1源极、晶体管M3漏极连接差分信号VINP，晶体管M6漏极、晶体管M8源极连接差分信号VINN，晶体管M2漏极、晶体管M4源极、晶体管M5源极、晶体管M7漏极连接参考信号VCM，当比较器开始比较时，使能信号ENB为低电平，使能信号ENC为高电平，比较器差分对分别接由DAC生成的差分信号VINP和VINN电压；

场效应晶体管M13～M16为带二极管连接负载栅漏交叉耦合连接的结构，场效应晶体管M13和M16是二极管连接的负载，晶体管M14和M15交叉耦合，形成负反馈，晶体管M12、M17作为开关管，栅极连接使能信号ENA，晶体管M18、M19、M20、M21构成第二级放大电路，场效应晶体管M13和M16的宽长比大于场效应晶体管M14和M15的宽长比，就能保证整体的负反馈，不会出现迟滞现象，否则构成强正反馈；比较器比较时，连接于晶体管M12和晶体管M17的使能信号ENA为高电平，两晶体管截止状态，当比较器不工作时，使能信号ENA为低电平，此时晶体管M18和晶体管M20将处于截止区，输出为高阻态。

见图3，第二前置放大器2的结构与第一前置放大器1的结构一致，第二前置放大器2包括场效应晶体管M22～M38，将场效应晶体管M22～M25分为两组作为第二前置放大器2的传输门开关，分别为：第五传输门开关、第六传输门开关，第五传输门开关包括场效应晶体管M22和M23，第六传输门开关包括场效应晶体管M24和M25，场效应晶体管M22和M24的栅极连接使能信号ENB，场效应晶体管M23和M25的栅极连接使能信号ENC，场效应晶体管M29、M34的栅极连接使能信号ENA；晶体管M26为尾电流管，栅极接偏置电压Vb，晶体管M27和M28组成差分对管，

见图4，场效应晶体管M30～M33为带二极管连接负载栅漏交叉耦合连接的结构，晶体管M30和M33为二极管连接的负载(即将场效应晶体管M30和M33的栅极和漏极短接，起到小信号电阻的作用)，晶体管M31和M32交叉耦合，形成负反馈，晶体管M29和M34为开关管，栅极接使能信号ENA，晶体管M35、M36、M37、M38构成第二级放大电路；当电路在采样时，使能信号ENB为高电平，使能信号ENC为低电平，让差分对的输入端接参考信号VCM，当比较器开始比较时，使能信号ENB为低电平，使能信号ENC为高电平，差分对分别接第一前置放大器1的输出；场效应晶体管M30和M33的宽长比大于场效应晶体管M31和M32的宽长比，就能保证整体的负反馈，不会出现迟滞现象，否则构成强正反馈，对于第一前置放大器1的回踢噪声就比较大；当比较器比较时，开关管M29和M34栅极的使能信号ENA为高电平，两晶体管截止状态，当比较器不工作时，使能信号ENA为低电平，此时，晶体管M29和M34将处于截止区，输出为高阻态。

动态锁存比较器包括场效应晶体管M39～M57，场效应晶体管M39～M42分为两组作为动态锁存比较器的传输门开关，分别为第七传输门开关、第八传输门开关，第七传输门开关包括场效应晶体管M39和M40，第八传输门开关包括场效应晶体管M41和M42，场效应晶体管M39和M41的栅极连接使能信号ENB，场效应晶体管M40和M42的栅极连接使能信号ENC，场效应晶体管M46、M53的栅极连接使能信号END；晶体管M43为尾电流管；

场效应晶体管M49～M57为反相器交叉耦合式结构，晶体管M46、M47、M52和M53为复位管，栅极均与使能信号END连接，场效应晶体管M49、M51均为交叉耦合反相器的NMOS管，场效应晶体管M48、M49、M50、M51组成交叉耦合反相器，晶体管M54、M55、M56、M57分别组成反相器，输出端VOUT连接SAR控制逻辑电路。当电路在采样时，使能信号ENB为高电平，使能信号ENC为低电平，差分对的输入端接参考信号VCM，当比较器开始比较时，使能信号ENB为低电平，使能信号ENC为高电平，差分对分别接入第二前置放大器2的输出；该比较器有两种工作状态，分别是复位阶段和再生阶段，当处于复位阶段时，使能信号END为低电平，尾电流管M43断开，电源电压VDD通过复位管M47和M53将晶体管M48和M50管的栅极和漏极都拉直高电平VDD，且通过复位管M46和M53将差分输入对管M44和M45的漏极充电到VDD，从而增加了输入对管M44和M45在再生阶段处于饱和区的时间，这也说明可以获得更大的增益，进而能减小等效输入失调电压；在再生阶段，晶体管M43导通，动态锁存比较器的输入对管开始以不同放电速度对俩对管的漏极开始放电，当其中一个管子的漏极下降至VDD-VTH(M49或M51)，则交叉耦合反相器的NMOS管M49或者M51开始导通，继而对该管的漏极放电，动态锁存比较器进入正反馈阶段，当该管的漏极降至VDD-VTH(M48或M50)，交叉偶尔反相器PMOS管M48或者M50开始导通，最终通过正反馈将PMOS管M48和M50管的栅极和漏极中的一端拉至低电平，一端保持为高电平。

采用EDA软件仿真验证对上述比较器的差分信号、参考信号、使能信号以及信号输出端VOUT的输出信号进行仿真，见图5，差分信号VINN输入2.5V电压，VINP输入一条sin波形，VINN1和VINP1的波形受ENB和ENC两个使能信号影响，当ENB高电平，ENC低电平时，VINN1和VINP1大小等于VCM，当ENB为低电平，ENC为高电平时，VINN1和VINP1的值分别等于VINN和VINP。当动态锁存比较器正常工作时，ENA保持为高电平。当END为低电平时，为动态锁存比较器的复位阶段，当END为高电平时，为再生阶段，若此时VINN大于VINP，VOUT输出低电平，若VINN小于VINP，VOUT输出高电平。

采用仿真软件对其进行Tran noise分析(传输噪声分析)。Tran noise分析与传统的Tran分析类似，只是在每个时间步长都注入了随机设备噪声信号。本实施例中，对当VINN和VINP差为0.1mV时做50组Tran noise分析，也就是分别加入50组随机数生成器的噪声种子，进行分析。每一组比较37次，一共比较1850次。出现错误的组数有8组，错误个数累计12次，错误率仅为0.64％。结论表明本申请比较器可以基本准确分辨出0.1mV的电压差，实现了较小电压差的准确分辨；第一前置放大器、第二前置放大器以及动态锁存比较器组合成高速高精度比较器，且低失调，从而提高了比较器的运行速度和精度。

以上的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。