比较器电路

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种比较器电路。

背景技术

比较器电路是一种常用的信号处理电路，能够将输入电压与参考电压进行比较，并将比较的结果输出，其输出的结果有逻辑高电平和逻辑低电平两种状态。在自动控制及自动测量系统中，常常将比较器电路应用于越限报警、模数转换以及各种非正弦波的产生和变化等，因而比较器电路广泛应用于通信、PC、消费、汽车和工业等领域。

许多应用场景下对比较器电路的响应速度有一定要求，例如在模数转换器中，比较器电路的性能能够决定模数转换器整体性能的优劣。现有技术大多采用增加功耗的方法提高比较器电路的响应速度，不仅限制了比较器电路的应用场景，还增加电路或者系统的整体功耗。

因此，期待一种改进的比较器电路，能够解决现有技术中响应速度快和功耗低不可兼得的问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种响应速度快且功耗低的比较器电路。

根据本发明的一方面，提供一种比较器电路，包括：输入级电路，具有用于接收第一输入电压的第一输入端、用于接收第二输入电压的第二输入端以及与第一节点连接的输出端，所述输入级电路用于将所述第一输入电压和所述第二输入电压进行比较，并将比较信号提供至所述第一节点；输出级电路，与所述第一节点连接，用于根据所述第一节点的电位产生输出电压信号；以及反馈钳位电路，与所述输入级电路的第一输入端连接，用于根据所述输出电压信号对所述第一输入端反馈充电，以将所述第一输入电压钳位于预设电压范围下。

可选地，所述预设电压范围大于零且小于所述第二输入电压。

可选地，所述反馈钳位电路包括：第一晶体管，其第一端与所述输出电压信号连接，第二端与所述第一节点连接，控制端与偏置电压连接；第二晶体管，其第一端与所述输出电压信号连接，控制端与所述偏置电压连接；参考电流源，其第一端与所述第二晶体管的第二端连接，第二端接地；一电容，其第一端与所述第二晶体管和所述参考电流源的公共端连接，第二端接地；以及第三晶体管，其第一端与电源电压连接，控制端与所述电容的第一端连接，第二端与所述输入级电路的第一输入端连接，其中，所述第三晶体管导通时根据所述电源电压对所述输入级电路的第一输入端进行充电。

可选地，当流经所述第二晶体管的电流大于所述参考电流源的电流时，所述电容的第一端的电压上升，以导通所述第三晶体管，其中，流经所述第二晶体管的电流受控于所述输出电压信号。

可选地，所述输入级电路包括：第一电流源，所述第一电流源的第一端与所述电源电压连接；第四晶体管，所述第四晶体管的第一端连接至所述第一电流源的第二端，控制端即为接收所述第一输入电压的第一输入端；第五晶体管，所述第五晶体管的第一端连接至所述第一电流源的第二端，控制端即为接收所述第二输入电压的第二输入端；电流源负载，具有分别连接至所述第四晶体管和所述第五晶体管的电流端和接地端，其中，所述第五晶体管的第二端还与所述第一节点连接。可选地，所述电流源负载包括：第六晶体管，所述第六晶体管的第一端与所述第四晶体管的第二端连接，第二端接地；第七晶体管，所述第七晶体管的第一端与所述第五晶体管的第二端连接，第二端接地；其中，所述第六晶体管以及所述第七晶体管的控制端连接至所述第六晶体管的第一端。

可选地，所述输出级电路包括：第二电流源，所述第二电流源的第一端与所述电源电压连接；第八晶体管，所述第八晶体管的第一端与所述第二电流源的第二端连接，第二端接地，控制端连接至所述第一节点；其中，所述第八晶体管的第一端产生所述输出电压信号。

可选地，所述第一晶体管导通时，所述第一节点的电位被钳位在所述第八晶体管的栅源电压。

可选地，可通过设置所述电容的容值和/或所述参考电流源的参考电流，调整所述电容的充电电压及其电压上升速度。

可选地，被钳位的所述第一输入电压略小于所述第二输入电压，并且二者的差值能够使得被钳位的所述第一输入电压即使发生波动也不会达到或者超过所述第二输入电压。

本发明提供的比较器电路，在第一输入电压小于第二输入电压时，能够根据输出电压信号将第一输入电压反馈钳位在大于零小于第二输入电压的预设电压范围内，当第一输入电压大于第二输入电压时，第一输入电压无需从零开始升高，只需从被钳位的电平开始升高，上升至大于第二输入电压所需时间更短，输出电压信号翻转所需时间也更短，提高比较器电路的响应速度，且比较器电路没有额外功耗。

在一些实施例中，通过合理设置电路参数，第一输入电压被钳位在大于零小于第二输入电压的预设电压范围内，从而避免对第一输入端充电的过程中，第一输入电压大于第二输入电压导致输出电压信号误翻转的问题。

在一些实施例中，当第一输入电压小于第二输入电压时，反馈钳位电路将第一节点的电压钳位在第八晶体管的栅源电压，当第一输入电压大于第二输入电压时，第一节点的电压无需从零开始变化，进一步提高比较器电路的响应速度。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出了根据现有技术的比较器电路的电路结构图；

图2示出了根据本发明实施例的比较器电路的电路结构图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件或者模块采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

应当理解，在以下的描述中，“电路”可包括单个或多个组合的硬件电路、可编程电路、状态机电路和/或能存储由可编程电路执行的指令的元件。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件或电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的，或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

同时，在本专利说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域普通技术人员应当可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本专利说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。

在本申请中，晶体管可以工作在开关模式或者线性模式，包括选自双极晶体管或场效应晶体管的一种。晶体管的第一端和第二端分别是电流路径上的高电位端和低电位端，控制端用于接收驱动信号以控制晶体管。MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)包括第一端、第二端和控制端，在MOSFET的导通状态，电流从第一端流至第二端。P型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为源极、漏极和栅极，N型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为漏极、源极和栅极。

此外，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它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、物品或者设备不仅包括那些要素，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、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

图1示出了根据现有技术的比较器电路的电路结构图。比较器电路100包括输入级电路110、晶体管Mp1以及输出级电路130。

输入级电路110接收第一输入电压Vin和第二输入电压Vref，用于将第一输入电压Vin和第二输入电压Vref比较，并将比较信号Scomp提供至第一节点Q。

输出级电路130连接至第一节点Q，根据第一节点Q的电位产生输出电压信号Vout。

晶体管Mp1根据输出电压信号Vout的电平值钳位第一节点Q的电平。

具体的，输入级电路110包括跨导放大器111以及第一电流源Ib1。跨导放大器111的正电源端经过第一电流源Ib1连接至电源电压Vdd，负电源端接地，两输入端分别接收第一输入信号Vin和第二输入信号Vref，跨导放大器111用于比较第一输入信号Vin和第二输入信号Vref，并将比较信号Scomp提供至第一节点Q。

输出级电路130包括依次串联连接在电源电压Vdd和地之间的第二电流源Ib2和晶体管Mn1。第二电流源Ib2和晶体管Mn1的中间节点为比较器电路100的输出端，晶体管Mn1的控制端连接至第一节点Q，根据第一节点Q的电平产生输出电压信号Vout。

晶体管Mp1的控制端与偏置电压Vb连接，第一端连接至比较器电路100的输出端，第二端与连接至第一节点Q，当输出电压Vout大于预设电压时，晶体管Mp1导通，从而将比较信号Scomp钳位于晶体管Mn1的栅源电压Vgs1。

当第一输入电压Vin小于第二输入电压Vref时，现有技术通过晶体管Mp1将比较信号Scomp钳位于晶体管Mn1的栅源电压Vgs1，使得第一输入电压Vin大于第二输入电压Vref时，比较信号Scomp无需从0开始增加，一定程度上加快比较器电路100的输出电压信号Vout的翻转速度。

图2示出了根据本发明实施例的比较器电路的电路结构图。比较器电路200包括输入级电路210、反馈钳位电路220以及输出级电路230。

输入级电路210具有用于接收第一输入电压Vin的第一输入端、用于接收第二输入电压Vref的第二输入端以及与第一节点Q连接的输出端。输入级电路210将第一输入电压Vin和第二输入电压Vref进行比较，并将比较信号VA提供至第一节点Q。

输出级电路230与第一节点Q连接，根据第一节点Q的电压产生输出电压信号Vout。

反馈钳位电路220与输入级电路210的第一输入端连接，根据输出电压信号Vout对第一输入端反馈充电，以将第一输入电压Vin钳位于预设电压范围下。其中，所述预设电压范围大于零且小于第二输入电压Vref。在本实施例中，通过合理设置比较器电路200各元器件的参数，能够使得被钳位在预设电压范围的第一输入电压Vin略小于第二输入电压Vref。

可选地，反馈钳位电路220还与第一节点Q连接，反馈钳位电路220根据输出电压信号Vout对第一节点Q充电，以钳位第一节点Q的电压。

具体地，输入级电路210包括第一电流源Ib1、晶体管Mp3、晶体管Mp4、晶体管Mn3以及晶体管Mn4。

第一电流源Ib1的第一端连接至电源电压Vdd，晶体管Mp3和晶体管Mn3依次串联连接在第一电流源Ib1的第二端和地之间，晶体管Mp3的控制端即为输入级电路210的第一输入端，接收第一输入电压Vin。晶体管Mp4和晶体管Mn4依次串联连接在第一电流源Ib1的第二端和地之间，晶体管Mp4的控制端为输入级电路210的第二输入端，接收第二输入电压Vref。其中，晶体管Mn3和晶体管Mn4的控制端均连接至晶体管Mn3的第一端。晶体管Mp4和晶体管Mn4的中间节点连接至第一节点Q，用于提供比较信号VA。

在本实施例中，晶体管Mn3和晶体管Mn4为电流源负载，二者构成镜像电流源。应当理解，此处可以采用其它类型的镜像电流源代替由晶体管Mn3和晶体管Mn4构成的镜像电流源。

输出级电路230包括依次串联连接在电源电压Vdd和地之间的第二电流源Ib2和晶体管Mn1。晶体管Mn1的第一端产生输出电压信号Vout，控制端与第一节点Q连接。

反馈控制电路220包括晶体管Mp1、晶体管Mp2、晶体管Mn2、参考电流源Iref以及电容C。

晶体管Mp1的第一端与输出电压信号Vout连接，第二端与第一节点Q连接，控制端与偏置电压Vb连接。晶体管Mp2的第一端与输出电压信号Vout连接，控制端与偏置电压Vb连接。参考电流源Iref的第一端与晶体管Mp2的第二端连接，第二端接地。电容C的第一端与晶体管Mp2的第二端连接，第二端接地。晶体管Mn2的第一端与电源电压Vdd连接，控制端与电容C的第一端连接，第二端与输入级电路210的第一输入端，即晶体管Mp3的控制端连接。

当第一输入电压Vin小于第二输入电压Vref时，比较信号VA减小，晶体管Mn1根据比较信号VA的变化改变导通状态，输出电压信号Vout上升，晶体管Mp1和晶体管Mp2导通。晶体管Mp1导通时，将第一节点Q的电压钳位在晶体管Mn1的栅源电压Vgs1。晶体管Mp2导通时，流经晶体管Mp2的第三电流Imp2等于流经晶体管Mp1的第四电流Imp1，当第三电流Imp2大于参考电流Iref时，对电容C进行充电，电容C第一端的电压VB上升，以导通晶体管Mn2。晶体管Mn2导通后，根据电源电压Vdd对输入级电路210的第一输入端进行充电，令第一输入电压Vin上升。其中，电容C能够起到频率补偿的作用。

应当理解，通过合理设置参考电流源Iref的参考电流Iref，能够调整电容C第一端的电压VB，以及第三电流Imp2大于参考电流Iref时，电容C第一端电压VB的上升速度。

在本实施例中，为保证第四电流Imp1和第三电流Imp2相等，晶体管Mp1和晶体管Mp2选用相同规格的晶体管。

随着第一输入电压Vin上升，比较信号VA改变，抬高第一节点Q的电压，晶体管Mp1关断，间接使得晶体管Mn2关断，停止对输入级电路210的第一输入端充电，通过合理调整电路参数，可以在晶体管Mn2关断时，第一输入电压Vin略小于第二输入电压Vref，最终将第一输入电压Vin钳位在大于零且小于第二输入电压Vref的预设电压范围内。因而在第一输入电压Vin大于第二输入电压Vref时，第一输入电压Vin能够从被钳位的电压开始升高，其上升至大于第二输入电压Vref所需的时间更短，使输出电压信号Vout翻转所需时间也更短，能够更快地响应第一输入电压Vin和第二输入电压Vref的变化。

进一步地，通过合理设置电路参数，可以将第一电压Vin钳位在某个接近但略小于第二输入电压Vref的电平，使得比较器电路200具有更快的响应速度的同时又不会因误判导致输出电压信号Vout误翻转。

综上，本发明提供的比较器电路，在第一输入电压小于第二输入电压时，能够根据输出电压信号将第一输入电压反馈钳位在大于零小于第二输入电压的预设电压范围内，当第一输入电压大于第二输入电压时，第一输入电压无需从零开始升高，只需从被钳位的电平开始升高，上升至大于第二输入电压所需时间更短，输出电压信号翻转所需时间也更短，有效提高比较器电路的响应速度，且比较器电路没有增加额外功耗。

可选地，通过合理设置电路参数，第一输入电压被钳位在大于零小于第二输入电压的预设电压范围内，从而避免对第一输入端充电的过程中，第一输入电压大于第二输入电压导致输出电压信号误翻转的问题。

可选地，当第一输入电压小于第二输入电压时，反馈钳位电路将第一节点的电压钳位在晶体管Mn1的栅源电压，当第一输入电压大于第二输入电压时，第一节点的电压无需从零开始变化，进一步提高比较器电路的响应速度。

应当说明，本领域普通技术人员可以理解，本文中使用的与电路运行相关的词语“期间”、“当”和“当……时”不是表示在启动动作开始时立即发生的动作的严格术语，而是在其与启动动作所发起的反应动作(reaction)之间可能存在一些小的但是合理的一个或多个延迟，例如各种传输延迟等。本文中使用词语“大约”或者“基本上”意指要素值(element)具有预期接近所声明的值或位置的参数。然而，如本领域所周知的，总是存在微小的偏差使得该值或位置难以严格为所声明的值。本领域已恰当的确定了，至少百分之十(10％)(对于半导体掺杂浓度，至少百分之二十(20％))的偏差是偏离所描述的准确的理想目标的合理偏差。当结合信号状态使用时，信号的实际电压值或逻辑状态(例如“1”或“0”)取决于使用正逻辑还是负逻辑。

依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求及其等效物所界定的范围为准。