一种低功耗动态比较器

技术领域

本发明涉及模拟集成电路技术领域，特别涉及一种低功耗动态比较器。

背景技术

比较器是模拟集成电路极其重要的模拟电路模块之一，广泛应用于AD/DA转换系统、汽车电子、生物医疗等领域。比较器作为模数转换器不可或缺的组成模块，其功耗时整个模数转换器功耗的主要来源之一，而比较器锁存速度的提升也将大大改善模数转换器性能。图1为传统的动态比较器，其工作过程可以分为两个阶段:复位和锁存。当时钟为低电平时，预放大电路和latch都完成复位操作，此时A、B节点被充电至VDD，节点VOP、VON被放电至地；当时钟变为高电平时，预放大器部分由于输入信号差模的存在，导致A、B两点放电速度不同，存在较小电压差，再经过后级latch通过正反馈锁存出稳定的输出结果。传统动态放大器存在两个问题，一是当比较器复位时，输出端VOP、VOP均被放电至地，而在锁存阶段输出端必须有一端被充电至VDD，所消耗的功耗为0.5CVDD

发明内容

本发明的目的是提供一种低功耗比较器，该低功耗比较器能够大大提高锁存输出速度。

一种低功耗动态比较器，包括：预放大级和latch锁存级，预放大级的A1端连接latch锁存级的A2端，预放大级的B1端连接latch锁存级的B2端；

latch锁存级的电容C1的上极板与MOS管M5的源极相连，电容C1的下极板接地，电容C2的上极板与MOS管M6的源极相连，电容C2的下极板接地，mos管M12接地、MOS管M13接地、传输门I2的VOP2端连接latch锁存级的VOP1，传输门I2的VON2端连接latch锁存级的VON1。

预放大级包括：

MOS管M0、MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3和MOS管M4；

MOS管M0的栅极接输入信号VIP，MOS管M0的源极连接MOS管M4的漏极，MOS管M1的栅极接输入信号VIN，MOS管M1的源极连接MOS管M4的漏极，MOS管M4的栅极接时钟信号CLK，MOS管M4的源极接地；

MOS管M0的漏极与MOS管M2的漏极相连，MOS管M1的漏极与MOS管M3漏极相连，MOS管M2的栅极接时钟信号CLK，MOS管M2的源极接VDD，MOS管M3的栅极接时钟信号CLK，MOS管M3的的源极接VDD。

latch锁存级包括：

MOS管M5、MOS管M6、MOS管M7、MOS管M8、MOS管M9、MOS管M10、MOS管M11、MOS管M12、MOS管M13、电容C1、电容C2、反相器I1和传输门I2；

MOS管M5的栅极接预放大级的输出端A2，MOS管M6的栅极接预放大级的输出端B2，MOS管M5的源极与MOS管M12的漏极、电容C1上极板相连，MOS管M6的源极与MOS管M13、电容C2的上极板相连，MOS管M12的源极接地，MOS管M13的源极接地，电容C1下极板接地，电容C2下极板接地，MOS管M7的栅极和MOS管M10的漏极相连，MOS管M8的栅极和MOS管M10的漏极相连，MOS管M9的漏极和MOS管M10的漏极相连，MOS管M10的栅极和MOS管M8的漏极相连，MOS管M9的栅极和MOS管M8的漏极相连，MOS管M7的漏极和MOS管M8的漏极相连，MOS管M11的漏极与MOS管M7、MOS管M10的源极相连，MOS管M11的源极接VDD，MOS管M11的栅极接反相器的输出CLKB，反相器I1的输入接时钟信号CLK，传输门I2的VOP2端接锁存级的VOP1，传输门I2的VON2端接锁存级的VON1，传输门I2NMOS控制端接CLKB，传输门I2PMOS控制端接CLK。

一种低功耗动态比较器控制方法，包括：使用低功耗动态比较器进行复位和锁存。

使用低功耗动态比较器进行复位包括：

复位阶段，时钟信号CLK为低电平，MOS管M4关闭，MOS管M2和MOS管M3导通，将预放大级的输出端A1、B1复位至VDD。；

latch锁存级的输入管M5和M6导通，而MOS管M12和M13关闭，传输门I2导通，输出端VOP和VON连通，输出端VOP和VON的等效电容在上一工作阶段保存的电荷与电容C1、C2共享，使得在复位阶段输出端VOP和VON的电压复位到0.3VDD。

使用低功耗动态比较器进行锁存包括：

在锁存阶段，时钟信号CLK为高电平，CLKB为低电平，MOS管M2和M3关闭，MOS管M4导通，输入管M0和M1根据输入信号的大小以不同的速度对输出端A1、B1放电；

latch锁存级的MOS管M11、M12和M13导通，输出端VOP、VON在0.3VDD的基础上被充电，直至其中一端被充电至阈值电压，触发latch正反馈效应，一端上拉至VDD一端下拉至地，锁存输出结果。

一种电子设备，应用任意一项所述的一种低功耗动态比较器。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现任一项所述的一种低功耗动态比较器控制方法。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现任一项所述的一种低功耗动态比较器控制方法。

本发明在latch锁存级增加两个电容和三个开关，使得比较器的输出端在复位阶段不再是通过开关导通直接复位到地，而是通过开关与增加的电容发生电荷共享，输出端复位到约0.3VDD，如此一来，在比较器在锁存阶段消耗的功耗从0.5CVDD

本发明除了可以降低功耗，还可以提高比较器锁存输出速度，因为锁存阶段输出端也不需要从地开始充电了，而是从0.3VDD

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，标示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的预放大级示意图；

图2为本发明的latch锁存级示意图；

图3为本发明的电路图；

图4为本发明的传统比较器和本发明比较器的输出波形和时钟随时间的变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一种该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

由于传统比较器复位时，输出端VOP、VOP均被放电至地，而在锁存阶段输出端必须有一端被充电至VDD，所消耗的功耗为0.5CVDD2，C为该节点等效电容，使得比较器功耗比较大，复位阶段输出端均放电至地，在锁存阶段需要从地开始充电，直至一端超过阈值电压才能得到比较器锁存结果，输出端从地充电至阈值电压这一过程降低了比较器锁存输出的速度。

为了克服传统比较器的缺点，本发明在动态比较器复位阶段在输出端引入一组电容和开关，使其复位阶段输出端电压不再是地，而是约等于0.3VDD，如此一来，在动态比较器在锁存阶段消耗的功耗降低为(1-0.3)×0.5CVDD

实施例1

一种低功耗动态比较器，如图1，包括：预放大级和latch锁存级，预放大级的A1端连接latch锁存级的A2端，预放大级的B1端连接latch锁存级的B2端；

latch锁存级的电容C1的上极板与MOS管M5的源极相连，电容C1的下极板接地，电容C2的上极板与MOS管M6的源极相连，电容C2的下极板接地，MOS管M12接地、MOS管M13接地、传输门I2的VOP2端连接latch锁存级的VOP1，传输门I2的VON2端连接latch锁存级的VON1。

预放大级如图2，包括：

MOS管M0、MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3和MOS管M4；

MOS管M0的栅极接输入信号VIP，MOS管M0的源极连接MOS管M4的漏极，MOS管M1的栅极接输入信号VIN，MOS管M1的源极连接MOS管M4的漏极，MOS管M4的栅极接时钟信号CLK，MOS管M4的源极接地；

MOS管M0的漏极与MOS管M2的漏极相连，MOS管M1的漏极与MOS管M3漏极相连，MOS管M2的栅极接时钟信号CLK，MOS管M2的源极接VDD，MOS管M3的栅极接时钟信号CLK，MOS管M3的的源极接VDD。

latch锁存级如图3，包括：

MOS管M5、MOS管M6、MOS管M7、MOS管M8、MOS管M9、MOS管M10、MOS管M11、MOS管M12、MOS管M13、电容C1、电容C2、反相器I1和传输门I2；

MOS管M5的栅极接预放大级的输出端A2，MOS管M6的栅极接预放大级的输出端B2，MOS管M5的源极与MOS管M12的漏极、电容C1上极板相连，MOS管M6的源极与MOS管M13、电容C2的上极板相连，MOS管M12的源极接地，MOS管M13的源极接地，电容C1下极板接地，电容C2下极板接地，MOS管M7的栅极和MOS管M10的漏极相连，MOS管M8的栅极和MOS管M10的漏极相连，MOS管M9的漏极和MOS管M10的漏极相连，MOS管M10的栅极和MOS管M8的漏极相连，MOS管M9的栅极和MOS管M8的漏极相连，MOS管M7的漏极和MOS管M8的漏极相连，MOS管M11的漏极与MOS管M7、MOS管M10的源极相连，MOS管M11的源极接VDD，MOS管M11的栅极接反相器的输出CLKB，反相器I1的输入接时钟信号CLK，传输门I2的VOP2端接锁存级的VOP1，传输门I2的VON2端接锁存级的VON1，传输门I2NMOS控制端接CLKB，传输门I2PMOS控制端接CLK。

实施例2

一种低功耗动态比较器控制方法，包括：使用低功耗动态比较器进行复位和锁存。

使用低功耗动态比较器进行复位包括：

复位阶段，时钟信号CLK为低电平，MOS管M4关闭，MOS管M2和MOS管M3导通，将预放大级的输出端A1、B1复位至VDD。；

latch锁存级的输入管M5和M6导通，而MOS管M12和M13关闭，传输门I2导通，输出端VOP和VON连通，输出端VOP和VON的等效电容在上一工作阶段保存的电荷与电容C1、C2共享，使得在复位阶段输出端VOP和VON的电压复位到0.3VDD。

使用低功耗动态比较器进行锁存包括：

在锁存阶段，时钟信号CLK为高电平，CLKB为低电平，MOS管M2和M3关闭，MOS管M4导通，输入管M0和M1根据输入信号的大小以不同的速度对输出端A1、B1放电；

latch锁存级的MOS管M11、M12和M13导通，输出端VOP、VON在0.3VDD的基础上被充电，直至其中一端被充电至阈值电压，触发latch正反馈效应，一端上拉至VDD一端下拉至地，锁存输出结果。

本发明提出给低功耗、快速锁存的比较器工作过程可分为复位阶段和锁存阶段两个过程，在复位阶段，时钟信号CLK为低电平，MOS管M4关闭，MOS管M2和MOS管M3导通，将预放大级的输出端A、B复位至VDD。此时，latch锁存级的输入管M5和M6也导通，而MOS管M12和M13关闭，传输门I2导通，输出端VOP和VON连通，输出端VOP和VON的等效电容在上一阶段所保存的电荷与电容C1、C2共享，使得在复位阶段输出端VOP和VON的电压复位到约0.3VDD，与传统动态比较器在复位阶段输出端VOP和VON均复位至地不同。

在锁存阶段，时钟信号CLK为高电平，CLKB为低电平，MOS管M2和M3关闭，MOS管M4导通，输入管M0和M1根据输入信号的大小以不同的速度对输出端A、B放电。此时，latch锁存级的MOS管M11、M12和M13导通，输出端VOP、VON在0.3VDD的基础上被充电，直至其中一端被充电至阈值电压，触发latch正反馈效应，一端上拉至VDD一端下拉至地，锁存输出结果。由于比较阶段输出端不需要从地开始充电了，而是从约0.3VDD充电至阈值电压即可触发后级latch正反馈锁存输出结果，相比于传统动态比较器，提高了比较器锁存输出速度。

为了进一步验证本发明的技术效果，本申请采用65nmCMOS工艺，对传统动态比较器和本发明的低功耗、快速锁存输出的动态比较器做相同的仿真实验，如图4，相同部分的管子如输入/输出管，采用相同的尺寸，负载电容也一样。时钟信号CLK的频率为1Mhz,电源电压为1V，共模电压为0.5V，差分输入ΔV＝2mV,传统比较器和本发明比较器是输出波形和时钟随时间的变化曲线如图3所示。可以看到在时钟信号CLK为低电平即比较器复位阶段，传统动态比较器的输出端被复位到地，而本发明的动态比较器复位到约0.3VDD，而在时钟信号CLK为高电平即比较器锁存阶段，本发明的动态比较器比传统动态比较器更先得到锁存输出结果，表明了本发明的动态比较器具有快速锁存输出的优点。分别对传统动态比较器和本发明求其瞬态仿真时的平均功耗，传统动态比较器的功耗为1.85uw，本发明的动态比较器为1.35uW，，功耗减小了27％，与理论上的减小30％基本符合，表明了本发明的动态比较器具有低功耗的优点。

实施例3

一种电子设备，应用任意一项所述的一种低功耗动态比较器。

实施例4

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现任一项所述的一种低功耗动态比较器控制方法。

实施例5

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现任一项所述的一种低功耗动态比较器控制方法。

本发明在通过latch锁存级增加两个电容和三个开关，使得比较器的输出端在复位阶段不再是通过开关导通直接复位到地，而是通过开关与增加的电容发生电荷共享，输出端复位到约0.3VDD，如此一来，在比较器在锁存阶段消耗的功耗从0.5CVDD

本发明除了可以降低功耗，还可以提高比较器锁存输出速度，因为锁存阶段输出端也不需要从地开始充电了，而是从0.3VDD

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。