专利名称：：具有多增益级的比较器的制作方法
技术领域：
：本发明是有关于一种具有多增益级的比较器，特别是有关于一种可精确比较信号与接地端电位的比较器。
背景技术：
：比较器通常是用来比较两电压或两电流，通常为模拟电路并且其应用非常广泛。比较器有许多不同的种类，每一种比较器皆具有不同的优点与缺点。一般来说，应用于脉冲频率调制(pulse-frequency-modulation，PFM)模式的转换式电源稳定器(switchingpowerregulator)中的比较器用来检测输入信号与接地端电位(零伏特)。通常是使用具有开放式回路(openloop)、未补偿的两级运算放大器(operationalamplifier，OP)结构的比较器来检测接地端电位，其输入是使用P沟道金属氧化物半导体(P-channelMetalOxideSemiconductor，PMOS)。通常采用上述结构的比较器具有较高的增益，但由于其消耗较低的功率，因此速度也较慢。另外，还有一种比较器通常可检测接地端电位，其具有PMOS输入端以及高增益的电流镜结构，此种比较器也常应用于转换式电源稳定器中以检测接地端电位。图1是显示此种比较器100的实施例。比较器100具有源极耦合的PMOS晶体管差动输入对102与104，且比较器100采用正反馈结构以提供高增益并且增加反应时间。然而令人意外的是，比较器100在电路模拟中提供的增益并不高。举例来说，当应用比较器100来检测接地端电位时，输入端Vin-122是耦接至接地端电位，也就是零伏特的参考电压。当输入端Vin+124低于接地端电位(例如为-10mV)且PMOS晶体管102的栅极-源极电压VGS为1V时，由于输入端Vin-122仍为零伏特的参考电压，因此节点A的电压为1V，且PMOS晶体管102的漏极-源极电压VDS会追随节点A的电压。一般来说，PMOS晶体管102与104并不会饱和，所以使得比较器100提供的直流增益非常低。低直流增益将会导致比较器100具有高偏移量且其操作效能也较低。因此，如何提供一种具有低偏移量、高增益以及高效能的比较器，正是当前重要的课题之一。
发明内容在一组实施例中，数个增益级可被定义为一种具有快速、精确且低偏移量的比较器。低增益、低输入阻抗并且完全差动共同栅极放大器可以被设定为多级比较器中的第一级，用以提供适用于较小功率消耗的较大频宽。比较器的输入端可包括差动输入对，分别定义为共同栅极放大器的输入级中栅极耦合金属氧化物半导体装置的源极。第一级的差动输出端可耦接至第二增益级的差动输入端，其中第二增益级可以为用以执行双端至单端转换的差动输入电流镜放大器。第二增益级的单端输出可作为锁存器的输入，锁存器可以为双稳态设定/重设锁存器，用以于保护许多转换的同时增加增益以及反应时间，锁存器的单端输出是作为比较器的输出。多级比较器可通过提供电流输入至第一级而达到较高的功率/速度比值以及较低的偏移量，在第一级中的两个栅极耦合NMOS晶体管的源极可分别作为对应于比较器的输入的差动输入对。在一些实施例中，功率/速度比值可因此而提升为至少5，并且至少于第一级的内部节点不会产生大的电压振幅。比较器的总增益可通过设置多个增益级(例如至少两级)而增加，多个增益即可包括串接的低增益级，用以提供比具有等效增益的单级为更大的频宽。例如，三级10×10×10增益可使比较器的设计具有比增益为1000的单级更大的频宽。本发明的比较器可用以设定为转换式电力稳定器，当反相的开关(PMOS)被致能时可将转换式电力稳定器去能。再者，比较器可操作于较快的反应时间，较小的偏移量以及较低的静态电流，以保护多级开关。根据本发明的一个方面，提供了一种比较器，具有第一输入、第二输入以及输出，包括第一级放大器，具有第一差动输出对以及第一差动输入对，上述第一差动输入对是耦接至上述比较器的上述第一输入与第二输入，其中上述第一级放大器具有低输入阻抗；以及第二增益级放大器，具有第二差动输入对，耦接至上述第一级放大器的上述第一差动输出对，其中上述第二增益级放大器用以产生单端输出，且上述第二增益级放大器具有比上述第一级放大器更大的增益；其中上述第二增益级放大器的上述单端输出用以产生上述比较器的上述输出。为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。图1是显示使用于转换式稳定器中用以检测接地端电位的传统比较器。图2是显示一具有多增益级串联结构。图3是显示本发明实施例的比较器中的第一增益级。图4是显示本发明实施例的具有二增益级的比较器。图5是显示本发明实施例的具有二增益级与一输出级的比较器。100、400、500～比较器300～第一增益级202、204、206～增益级402～第二增益级200～多增益级串联结构EN～共同致能信号Vdd～供应电压VREF～参考电压526、532～反相器528、530～与非门550、552～负载554～共栅极输入级556～PMOS晶体管对558～共源极差动对540～SR锁存器302、312～电阻122、124、322、324～输入端602～输出级106、108、128、308、410～电流源126、326、328、430、431～输出端A、562、564、566、568、570～节点102、104、114、116、412、414、416、418、502、504、506、508、510、512、518、520、522、524～PMOS晶体管110、112、118、120、304、306、310、314、420、422、424、426、514、516～NMOS晶体管具体实施方式此处所使用的“一对差动输入”定义为差动输入对的一对输入，且“一对差动输出”定义为差动输出对的一对输出。举例来说，差动放大器具有一对差动输入Vin+与Vin-以及一对差动输出Vout+与Vout-。“单端输出”定义为单一输出。“二极管连接(diode-connected)”晶体管定义为其控制端(例如MOS晶体管的栅极)耦接至输入端(例如MOS晶体管的漏极)的晶体管。本发明的具有多增益级的比较器其可用来检测接地端电位，且具有快速、精确、低偏移量的比较器。在一实施例中，第一增益级为低增益、低输入阻抗的共栅极(common-gate)放大器。图2所示为多增益级串联结构200，与具有等效增益(equivalentgain)的单一增益级相比之下，此多增益级串联结构200具有更大的频宽与增益。例如，三个增益级202、204与206的每一者皆具有增益10，将增益级202、204与206串联如图2所示便可得到10×10×10(＝1000)的增益，与具有等效增益1000的单一增益级相比之下，此多增益级串联结构200具有更大的频宽。相较于使用单一级的等效需求，使用多个增益级亦可更容易地达到每一级的需求(例如每一级的增益、速度与频宽)。本发明的具有多增益级的比较器包括至少两个益级。图3是显示本发明实施例的第一增益级300。第一增益级300为低增益、低输入阻抗、具有一对差动输入的共栅极放大器。NMOS晶体管306与310皆为二极管连接的晶体管，其中NMOS晶体管306与310的栅极耦合并且耦接至电流源308。电流源308将电流流至NMOS晶体管306与310。NMOS晶体管306与310的源极是分别耦接至NMOS晶体管304与314的源极，且NMOS晶体管306与310的共栅极是分别耦接至NMOS晶体管304与314的栅极。NMOS晶体管304与306的源极是定义为第一增益级300的差动输入端Vin-322，而NMOS晶体管310与314的源极是定义为第一增益级300的差动输入端Vin+324。当改变连接至差动输入端Vin-322与Vin+324的源极电压(图未示)，则NMOS晶体管304、306、310、314的栅极-源极电压VGS也会改变。例如，当差动输入端Vin-322与Vin+324的电压达到既定值时便会导通NMOS晶体管306。电流源308提供电流由NMOS晶体管306镜射至NMOS晶体管304，其中镜射至NMOS晶体管304的电流是取决于NMOS晶体管306与304的尺寸比例。例如，当NMOS晶体管306与NMOS晶体管304的尺寸比例为1∶1时，由NMOS晶体管306所导通的电流便镜射至NMOS晶体管304。同样的，当差动输入端Vin-322与Vin+324的电压达到另一既定值时便会导通NMOS晶体管310。电流源308提供电流由NMOS晶体管310镜射至NMOS晶体管314，其中镜射至NMOS晶体管314的电流系取决于NMOS晶体管310与314的尺寸比例。当NMOS晶体管304导通时，负载电阻302(在其它实施例中，亦可使用晶体管来当作负载)，导通来自NMOS晶体管306的镜射电流，镜射电流可为由NMOS晶体管306所导通的电流的倍数。因此，第一增益级300的差动输出端Vout-326的电压可以更接近差动输入端Vin-322的电压，且差动输出端Vout+328的电压可以更接近供应电压Vdd，因而导致差动电压输出端Vout-326与Vout+328之间的大电压差。同样的，当NMOS晶体管314导通时，负载电阻312导通来自NMOS晶体管310的镜射电流，镜射电流可为由NMOS晶体管310所导通的电流的倍数。因此，差动输出端Vout+328的电压可以更接近差动输入端Vin+324的电压，且差动输出端Vout-326的电压可以更接近供应电压Vdd，因而导致差动电压输出端Vout-326与Vout+328之间的大电压差，此处的大电压差的极性是相反于当电流流入负载电阻302时所产生的大电压差。通过于NMOS晶体管306与310的栅极与漏极耦合的共同节点连接电流源308以提供电流，并且将NMOS晶体管306与310的源极设定为一对差动输入，将会大大的改善功率/速度的比值，同时也消除第一增益级300的内部节点处的大电压摆动(voltageswings)。第一增益级300是具有低增益与较大频宽以适用于低功率消耗的应用，其是通过将数个低增益级串联(如图2所示)来实现，以达到适用于比较器的总增益。第一增益级300的直流增益可以下列式子来表示(1)直流增益＝gm304×(R||rds304)，其中gm304为NMOS晶体管304的跨导，(R||rds304)代表电阻302与操作于饱和区的NMOS晶体管304的小信号电阻的总并联电阻。换句话说，(R||rds304)为NMOS晶体管304的漏极的有效等效阻抗。第一增益级300的增益是相同于图1的共源极放大器的增益。然而，由于第一增益级300中的差动输入端是施加至共栅极放大器的源极(相反于施加至共源极晶体管结构的栅极)，因此增益的正负号为正号，而不是负号。图4是显示本发明实施例的具有二增益级的比较器400。第二增益级402为具有比第一增益级300更大增益的差动输入电流镜放大器。第二增益级402是具有双端电压输入转换至单端电压输出的结构，从分别提供至PMOS晶体管412与414的栅极的差动输入对产生单端电压输出Vout430，其中PMOS晶体管412与414是耦合为共源极差动对。在此实施例中，来自第一增益级300的差动输出端Vout-326与Vout+328是分别耦接至PMOS晶体管414与412的栅极。NMOS晶体管422与424为二极管连接的晶体管并且耦合为共源极差动对PMOS晶体管412与414的负载。NMOS晶体管420的栅极与源极是分别耦接至NMOS晶体管422的栅极与源极以形成电流镜，因此由NMOS晶体管420所导通的电流是反射由NMOS晶体管422所导通的电流。同样的，NMOS晶体管426的栅极与源极是分别耦接至NMOS晶体管424的栅极与源极以形成电流镜，因此由NMOS晶体管426所导通的电流是反射由NMOS晶体管424所导通的电流。PMOS晶体管416与418分别是作为NMOS晶体管420与426的负载，电流系由二极管连接的PMOS晶体管416所导通，PMOS晶体管418为PMOS晶体管416的镜射，以于PMOS晶体管418与NMOS晶体管426的共漏极节点提供单端电压输出Vout430。图5是显示本发明实施例的比较器500，其包括第一增益级300、第二增益级402以及以双稳态(bistable)SR锁存器(latch)540实现的输出级602。根据本发明实施例，比较器500中的第一增益级300为完全差动共栅极放大器(fullydifferentialcommon-gateamplifier)(如图3、图4所示)。在此实施例中，电阻302与312形成电阻负载552。串联的二极管连接的PMOS晶体管506与508用以表示第一增益级300的输出端Vout-326的负载，而串联的二极管连接的PMOS晶体管510与512用以表示第一增益级300的输出端Vout+328的负载。输入至比较器500的差动输入端Vin-322与Vin+324是分别通过NMOS晶体管514与516耦接至NMOS晶体管306与310的源极。NMOS晶体管514与516是作为电流追随器(currentfollower)，且NMOS晶体管514与516的栅极皆连接至供应电压Vdd，显示于图3与图4中的电流源308是通过PMOS晶体管518镜射至PMOS晶体管502的电流来实现，而PMOS晶体管502的漏极是耦接至参考电压VREF。比较器500中的每一级可独立地被致能，其中PMOS晶体管504用以致能第一增益级300，PMOS晶体管522用以致能第二增益级402，且PMOS晶体管524用以致能输出级602。根据本发明的一实施例，PMOS晶体管504、522、524的栅极是共同耦接至共同致能信号EN，以同时致能比较器的各级电路。串联二极管负载550包含串联的二极管连接的PMOS晶体管506与508以及串联的二极管连接的PMOS晶体管510与512。串联二极管负载550用以排除可能出现于供应电压Vdd的噪声，而第一增益级300的差动输入端Vin-322与Vin+324亦有排除共模噪声(common-modenoiserejection)的功能。在一实施例中，第一增益级300的功率消耗约为10μA。差动输出端Vout-326与Vout+328是分别耦接至PMOS晶体管414与412的栅极，其中PMOS晶体管414与412形成一共源极差动对558。PMOS晶体管412与414是作为比较器500的第二增益级402的输入级，其中第二增益级402是用以执行双端电压输入至单端电压输出转换的电流镜放大器，如图4所示，以产生单端电压输出430。二极管连接的NMOS晶体管422与424为共源极差动对558的主动负载，NMOS晶体管420与426是分别与NMOS晶体管422与424形成电流镜。另外，由二极管连接的PMOS晶体管416所导通的电流是镜射至PMOS晶体管418，以于PMOS晶体管418与NMOS晶体管426的共漏极处提供单端电压输出430。在此，图4中的电流源410是通过PMOS晶体管520镜射流入PMOS晶体管502的电流来实现，其中PMOS晶体管502的漏极是耦接至参考电压VREF。为了增加比较器500的整体频宽，第二增益级402比第一增益级300具有更大的增益，因此其功率消耗也比第一增益级300的功率消耗多。举例来说，当第一增益级300的功率消耗约为10μA时，第二增益级402的功率消耗约为60μA。在本实施例中，为了增加比较器500的总体增益以及反应时间，也为了避免电位倍数切换(potentialmultipleswitching)的问题，双稳态锁存器，例如SR锁存器540，是耦接至单端电压输出430以作为输出级602。SR锁存器540包括交叉耦接反及(cross-coupledNAND)门528与530。另外，反相器526与532是分别用以匹配SR锁存器540的输入端的设定电平(assertionlevel)以及用以校准SR锁存器540的输出端的设定电平。通过式子1可取得第一增益级300的增益，并将第一增益级300的增益与第二增益级402的增益相乘以取得比较器500的总体增益。在一实施例中，设定第一增益级300的增益为20且设定第二增益级402的增益为100，将得到比较器500的总体增益为2000。在本发明的实施例中，经由上述两增益级(第一增益级300与第二增益级402)所取得的较高的总体增益2000再结合分别提供至第一增益级300的共栅极输入级554的源极的差动输入端，可得到较快速、较精确以及低偏移量的比较器，其可用以检测接地端电位。根据上述，本发明所举的较佳实施例虽以第一增益级300结合第二增益级402实现的具有多增益级的比较器500，然其并非用以限定本发明的范围。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做更多增益级的数目的变化。因此本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。权利要求1.一种比较器，具有第一输入、第二输入以及输出，包括第一级放大器，具有第一差动输出对以及第一差动输入对，上述第一差动输入对是耦接至上述比较器的上述第一输入与第二输入，其中上述第一级放大器具有低输入阻抗；以及第二增益级放大器，具有第二差动输入对，耦接至上述第一级放大器的上述第一差动输出对，其中上述第二增益级放大器用以产生单端输出，且上述第二增益级放大器具有比上述第一级放大器更大的增益；其中上述第二增益级放大器的上述单端输出用以产生上述比较器的上述输出。2.根据权利要求1所述的比较器，还包括双稳态锁存器，具有耦接至上述第二增益级放大器的上述单端输出的第一输入端，耦接至上述第二增益级放大器的上述单端输出的反相的第二输入端，以及用以产生上述比较器的上述输出的输出端。3.根据权利要求1所述的比较器，其中上述第一级放大器包括第一晶体管装置对，具有第一共同栅极节点并且形成差动输入级，其中上述第一差动输入对是分别由上述第一晶体管装置对的源极所形成。4.根据权利要求3所述的比较器，其中上述第一级放大器还包括共同栅极差动电流镜对每个上述电流镜具有输入端、输出端以及耦接至上述第一共同栅极节点并且设定用以接收第一电流的第二共同栅极节点，其中每个上述电流镜的输入端分别耦接至上述第一差动输入对的输入端，以根据介于上述第一差动输入对之间的相对电压而产生对应于上述电流镜输入端的上述电流镜中的电流。5.根据权利要求4所述的比较器，其中上述第一级放大器还包括电流源，用以产生上述第一电流，其中上述第一电流为常数。6.根据权利要求4所述的比较器，其中上述第一级放大器还包括第一负载电路，耦接至上述电流镜对的输出端的一者，以根据由上述电流镜对的一者所导通的电流于上述电流镜对的输出端的一者处产生电压；以及第二负载电路，耦接至上述电流镜对的输出端的另一者，以根据由上述电流镜对的另一者所导通的电流于上述电流镜对的输出端的另一者处产生电压。7.根据权利要求1所述的比较器，其中上述第二增益级放大器包括第一晶体管装置对，形成具有第二差动输出对的差动输入级，上述具有第一共同源极节点的第一晶体管装置对用以接收第一电流，其中上述第二差动输入对是分别由上述第一晶体管装置对的栅极所形成。8.根据权利要求7所述的比较器，其中上述第二增益级放大器还包括电流源，用以产生上述第一电流，其中上述第一电流为常数。9.根据权利要求7所述的比较器，其中上述第二增益级放大器还包括第一负载电路对，上述第一负载电路对的每个负载电路是分别耦接至上述第二差动输出对的一者，以根据流经上述负载电路所耦接的上述第二差动输出对的一者的电流分别于上述负载电路所耦接的上述第二差动输出对的一者处产生电压。10.根据权利要求9所述的比较器，其中上述第二增益级放大器还包括共同源极差动电流镜对，每个上述电流镜皆具有输入端以及输出端，且共同源极节点是耦接至接地点，其中每个上述电流镜的输入端是分别耦接至上述第二差动输出对的一者，以根据介于上述第二差动输出对之间的相对电压而产生对应于上述电流镜输入端的上述电流镜中的电流。全文摘要数个增益级可定义为一种具有快速、精确且低偏移量的比较器。低增益、低输入阻抗并且完全差动共同栅极放大器可以为多级比较器中的第一级，用以提供适用于较小功率消耗的较大的频宽。比较器的输入端可包括差动输入对，分别定义为共同栅极放大器的输入级中栅极耦合金属氧化物半导体装置的源极。第一级的差动输出对可耦接至第二增益级的差动输入对，其中第二增益级可以为用以执行双端至单端转换的差动输入电流镜放大器。第二增益级的单端输出可作为锁存器的输入，锁存器可以为双稳态设定/重设锁存器，用以增加增益以及反应时间，以保护多级开关，锁存器的单端输出是作为比较器的输出。文档编号H03F3/45GK1921310SQ200610092450公开日2007年2月28日申请日期2006年6月2日优先权日2005年6月2日发明者何丹尼申请人:威盛电子股份有限公司