专利名称：低偏移量比较器及其偏移消除方法
技术领域：
本发明涉及一种低偏移量比较器及其偏移消除方法，且特别涉及一种更 有效消除偏移电压且具有高电路操作速度的低偏移量比较器及其偏移消除 方法。
背景技术：
在比较器中，少量的噪声都可能影响到电路运算结果，而因为元件不匹 配的原因，比较器进行放大操作的时候会产生偏移电压，故必须要采用偏移
消除(offset cancellation)的技术来进行补偿的操作。偏移消除的技术常用的有 两种，分别是输入偏移存储(input offset storage, IOS)和输出偏移存储(output offset storage, OSS)。
请参照图1，其绘示乃传统釆用输入偏移存储技术的比较器的电路图。 比较器100包括前级放大器110、锁存器120、输入偏移存储C1 C2及开关 S1 S6。输入偏移存储C1 C2例如为电容。当比较器100在一偏移消除模式 时，开关S1 S4被打开(on),开关S5 S6被关掉(off)。输入偏移存储Cl及 C2的一端会耦接至一地电压，此时单一增益的反馈回路会建立在前级放大 器110上，于是前级放大器110的输入偏移(inputoffset)会^皮存储于输入偏移 存储C1及C2上。
当比较器100在一追迹(tracking)模式时，开关S1 S4被关掉(off),而开 关S5 S6被打开(on)。此时前级放大器110将会放大输入电压Vin，而存储 于输入偏移存储Cl及C2上的输入偏移则会与比较器100所产生的偏移电 压相抵消。然后，在一锁存模式，锁存器120被放大后的输入电压触发并据 以输出一逻辑电平Vout。由于输入偏移存储Cl及C2的值需够大以有效消 除偏移，使得比较器100于电路实现上的面积需求变大，且其输入端的等效 电容亦4艮大。
请参照图2,其绘示乃传统采用输出偏移存储技术的比较器的电路图。 比较器200包括前级放大器210、锁存器220、输出偏移存储C1 C2及开关S1 S6。输出偏移存储C1 C2例如为电容。当比较器200在一偏移消除模式 时，开关S1 S4被打开(on),开关S5 S6则被关掉(off)，输出偏移存储Cl 及C2的一端将会耦接至地电压，前级放大器210的输入端亦耦接至地电压， 此时前级放大器210的输出偏移(output offset)将会被存储于输出偏移存储Cl 及C2上。
当比较器200在一追迹模式时，开关Sl S4被关掉(off)，而开关S5 S6 被打开(on),此时前级放大器210将放大输入电压Vin，而存储于输出偏移 存储Cl及C2上的输出偏移则会与比较器200产生的偏移电压相抵消。然 后，在一锁存模式，锁存器220被放大后的输入电压触发并据以输出一逻辑 电平Vout。由在比较器200所接收的输入电压Vin系采用直流耦合的形式馈 入，故比较器200的输入范围较小。此外，前级放大器210的增益值A亦不 能太大，若增益值A过大，将使得偏移电压经过放大后导致前级放大器210 挂掉。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的就是在提供一种低偏移量比较器其及偏移消除 方法，结合输入偏移存储技术和输出偏移存储技术，使得低偏移量比较器能 更有效地消除偏移电压，并具有较高的电路操作速度。
根据本发明的第一方面，提出一种低偏移量比较器，包括前级放大器以 及锁存器。前级放大器包括第一输出偏移存储级、串联形式的多个输入偏移 存储级及第二输出偏移存储级。第一输出偏移存储级接收一输入电压。串联 形式的多个输入偏移存储级连接在第一输出偏移存储级后。第二输出偏移存 储级连接在多个输入偏移存储级之后。锁存器连接在前级放大器之后。其特 征在于，串联形式的多个输入偏移存储级、第二输出偏移存储级及第一输出 偏移存储级被设定为依序脱离 一偏移消除模式，且当多个输入偏移存储级脱 离偏移消除模式，这些输入偏移存储级在本身的输入偏移存储与一地电压分 离前，打开本身的单位增益反馈回路。
根据本发明的第二方面，提出一种比较器的偏移消除方法。比较器包括 一前级放大器，前级放大器包括一第一输出偏移存储级、 一串联形式的多个 输入偏移存储级及一第二输出偏移存储级，第一输出偏移存储级用以接收一 输入电压。此方法包括，首先，设定串联形式的这些输入偏移存储级、第二输出偏移存储级及第一输出偏移存储级依序脱离一偏移消除模式。之后，当 这些输入偏移存储级脱离偏移消除模式，这些输入偏移存储级于本身的输入 偏移存储与一地电压分离前，打开本身的单位增益反馈回路。
为让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一优选 实施例，并配合所附附图，作详细说明如下
图1绘示传统釆用输入偏移存储技术的比较器的电路图。
图2绘示传统采用输出偏移存储技术的比较器电路的电路图。 图3绘示依照本发明优选实施例的低偏移量比较器的电路图。 图4绘示依照本发明优选实施例的低偏移量比较器的时序图。主要元件符号说明
100、 200:比较器 110、 210、 305:前级》文大器 120、 220、 340:锁存器 300:偏移量比较器 310:第一输出偏移存储级 321-32N:输入偏移存储级 330:第二输出偏移存储级 3101:第一轨对轨放大器 3211~32N1:放大器 3301:第二轨对轨放大器 Sfl SfN、 Siosl SiosN、 Soosl Soos2:开关 Col Co2: ir入偏移存4诸
具体实施例方式
本发明提供一种低偏移量比较器，以一串联(cascade)的架构，结合输入 偏移存储技术和输出偏移存储技术，使得低偏移量比较器能更有效地消除偏 移电压，并具有较高的电路操作速度，可广泛地应用于各种比较器电路。
请参照图3,其绘示乃依照本发明优选实施例的低偏移量比较器的电路 图。低偏移量比较器300包括前级放大器305以及锁存器340。前级放大器
8305包括第一输出偏移存储级310、串联形式的N个输入偏移存储级321 32N 及第二输出偏移存储级330,其中，N为正整数。第一输出偏移存储级310 用以接收一输入电压Vin。输入偏移存储级321-32N以一串联(cascade)的形 式依序耦接并连接在第一输出偏移存储级310之后。其中，输入偏移存储级 321耦接至第一输出偏移存储级310。
第二输出偏移存储级330连接在输入偏移存储级321-32N之后。锁存器 340连接在第二输出偏移存储级330之后。其中，在一偏移消除模式，首先， N个输入偏移存储级321 32N依序打开本身的单位增益反馈回路以存储各 自的输入偏移于本身的输入偏移存储。然后，第二输出偏移存储级330及第
然后，在一追迹模式，串联形式的输入偏移存储级321 32N、第二输出 偏移存储级330及第 一输出偏移存储级310依序脱离偏移消除模式，然后， 前级放大器305放大输入电压Vin。在偏移消除模式所存储的输入偏移及输 出偏移分别与低偏移量比较器300所产生的多个偏移电压相抵消。之后，在 一锁存模式，锁存器340被前级放大器305所输出的放大后输入信号所触发 (strobe)，并据以输出一逻辑电平Vout,此逻辑电平Vout为一可识别电压电 平。
第一输出偏移存储级310包括第一轨对轨(rail-to-rail)放大器3101、 2个 第一输出偏移存储Col、 2个第一输出偏移存储开关Soosl以及2个第一开 关S1。第一轨对轨放大器3101具有2个输入端及2个输出端。第一输出偏 移存储Col,例如为电容，其第一端分别耦接至第一轨对轨放大器3101的 输出端，第一输出偏移存储Col的第二端分别耦接至输入偏移存储级321。 第一输出偏移存储开关Soosl的第一端耦接至地电压，第二端分别耦接至第 一轨对轨放大器3101的输入端。第一开关Sl的第一端用以接收输入电压 Vin，第二端分别耦接至第一轨对轨放大器3101的输入端。
输入偏移存储级321-32N为相同电路架构，于此1又以输入偏移存储级 321作说明。输入偏移存储级321包括放大器3211、 2个输入偏移存储Cil， 2个反馈开关Sfl以及2个输入偏移存储开关Siosl。放大器3211具有2个 输入端及2个输出端。输入偏移存储Cil，例如为电容，其第二端分别耦接 至放大器3211的输入端。反馈开关Sfl的第一端分别耦接至放大器3211的 输入端，第二端分别耦接至》文大器3211的输出端。输入偏移存储开关Siosl的第一端耦接至地电压，第二端分别耦接至输入偏移存储Cil的第一端。在
输入偏移存储级321 32N中，输入偏移存储级321的输入偏移存储开关Siosl 的第二端分别耦接至第 一输出偏移存储级310。
第二输出偏移存储级330包括第二轨对轨放大器3301、 2个第二输出偏 移存储Co2、 2个第二输出偏移存储开关Soos2、 2个第一开关Sl以及2个 第二开关S2。第二轨对轨放大器3301具有2个输入端及2个输出端。第二 输出偏移存储Co2,例如为电容，其第一端分别耦接至第二轨对轨放大器 3301的输出端，第二端分别耦接至锁存器340。
第二输出偏移存储开关Soos2的第一端耦接至地电压，第二端分别耦接 至第二轨对轨放大器3301的输入端。第一开关Sl的第一端耦接至输入偏移 存储级32N的放大器32N1的输出端，第二端分别耦接至第二轨对轨放大器 3301的输入端。第二开关S2的第一端耦接至地电压，第二端分别耦接至锁 存器340。
请参照图4,其绘示乃依照本发明优选实施例的低偏移量比较器的时序 图。其中，在一偏移消除模式，输入偏移存储级321 32N中的反馈开关 Sfl SfN及输入偏移存储开关Siosl SiosN依序交互被打开(on),其顺序如下 反馈开关Sfl々输入偏移存储开关Siosl)反馈开关Sf2》输入偏移存储开关 Sios2-〉…-〉反馈开关SW》输入偏移存储开关SiosN。亦即，输入偏移存储 级321~32N依序打开本身的单位增益反馈回路以存储各自的输入偏移于本 身的输入偏移存储Cil CiN。
然后，第二输出偏移存储级330的第二输出偏移存储开关Soos2被打开。 接着，第二输出偏移存储级330的第二开关S2被打开。于是第二输出偏移 存储级330的输出偏移被存储于本身的输出偏移存储Co2。之后，第一输出 偏移存储级310的第一输出偏移存储开关Soosl被打开。因此第一输出偏移 存储级310的输出偏移被存储于本身的输出偏移存储Col。在此偏移消除模 式中，第一输出偏移存储级310及第二输出偏移存储级330的第一开关Sl 被关掉。
在偏移消除模式，N个输入偏移存储电路321 32N依序将相对应的输入 偏移存储于输入偏移存储Cil CiN,第二输出偏移存储级330及第一输出偏 移存储级310亦依序将相对应的输出偏移存储于第一输出偏移存储Col及第 二输出偏移存储Co2。其中，两两相对应的偏移存储，例如为2个输入偏移存储Cil，其偏移存储值的大小可以相等，亦可以不相等，只要能存储相对 应的llT入偏移或输出偏移即可。
然后，在一追迹模式，串联形式的输入偏移存储级321 32N、第二输出 偏移存储级330及第 一输出偏移存储级310依序脱离偏移消除模式。亦即， 如图4所示，输入偏移存储级321~32N中的反馈开关Sfl SfN及输入偏移 存储开关Siosl SiosN、第二输出偏移存储级330的第二输出偏移存储开关 Soos2及第二开关S2以及第 一输出偏移存储级310的第 一输出偏移存储开关 Soosl依序被关掉(off)。
接着，第一输出偏移存储级310及第二输出偏移存储级330的第一开关 Sl被打开(on)。于是，前级放大器305放大输入电压Vin。此时，于偏移消 除模式所被存储的输入偏移及输出偏移分别与低偏移量比较器300所产生的 多个偏移电压相抵消。之后，在锁存模式，锁存器340被前级放大器305所 输出的放大后输入信号所触发(strobe),并根据前级放大器305输出端的电压 电平以输出 一逻辑电平Vout。
本发明上述实施例所公开的低偏移量比较器实质上由多级放大器以一 串联的架构形成，故具有极低的载子注入(chargeinjection)效应，且其输入端 的等效电容较小，而串联的多级放大器亦使得低偏移量比较器具有较大的增 益值，故低偏移量比较器能更有效地消除偏移电压。此外，由于，低偏移量 比较器中的第 一输出偏移存储级使用 一第一轨对轨(rail-to-rail)放大器，故可 以有较大的输入范围。而相较于相同增益值的传统比较器，本发明所揭露的 低偏移量比较器，由于以一串联的架构，结合输入偏移存储技术和输出偏移 存储技术，故具有较高的电路操作速度，可广泛地应用于各种比较器电路。
本发明亦提供一种比较器的偏移消除方法。比较器包括前级放大器以及 锁存器。前级放大器包括第一输出偏移存储级、串联形式的多个输入偏移存 储级及第二输出偏移存储级。第一输出偏移存储级接收一输入电压。多个输 入偏移存储级连接在第 一输出偏移存储级之后，第二输出偏移存储级连接在 多个输入偏移存储级之后。锁存器连接在第二输出偏移存储级之后。
首先，设定串联形式的多个输入偏移存储级、第二输出偏移存储级及第 一输出偏移存储级依序脱离一偏移消除模式。接着，当多个输入偏移存储级 脱离偏移消除模式，多个输入偏移存储级在本身的输入偏移存储与 一地电压 分离前，依序打开本身的单位增益反馈回路。然后，在一追迹模式，前级放大器放大输入电压。之后，在一锁存模式，锁存器被放大后输入信号所触发, 并据以输出一逻辑电平。
本发明所公开的比较器的偏移消除方法，其操作原理已详述于低偏移量
比较器300中，故在此不再重述。
综上所述，虽然本发明已以一优选实施例公开如上，然其并非用以限定 本发明。本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的 更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定者为准。
权利要求
1. 一种低偏移量比较器，包括一前级放大器，包括一第一输出偏移存储级，用以接收一输入电压；一串联形式的多个输入偏移存储级，连接在该第一输出偏移存储级后；及一第二输出偏移存储级，连接在所述输入偏移存储级之后；以及一锁存器，连接在该前级放大器之后；其特征在于，该串联形式的所述输入偏移存储级、该第二输出偏移存储级及该第一输出偏移存储级被设定为依序脱离一偏移消除模式，且当所述输入偏移存储级脱离该偏移消除模式，所述输入偏移存储级于本身的输入偏移存储与一地电压分离前，打开本身的单位增益反馈回路。
2. 如权利要求1所述的低偏移量比较器，其中，在该偏移消除模式，所 述输入偏移存储级存储各自的输入偏移在本身的输入偏移存储，然后第二输 出偏移存储级及第一输出偏移存储级依序存储各自的输出偏移在本身的输 出偏移存储。
3. 如权利要求1所述的低偏移量比较器，其中，当该串联形式的所述输 入偏移存储级、该第二输出偏移存储级及该第一输出偏移存储级依序脱离该 偏移消除模式后，在一追迹模式，该前级放大器放大该输入电压。
4. 如权利要求3所述的低偏移量比较器，其中，在一锁存模式，该锁存 器被放大后的该输入电压触发并据以输出 一逻辑电平。
5. 如权利要求1所述的低偏移量比较器，其中，该第一输出偏移存储级 包括一第一轨对轨放大器，具有2个输入端及2个输出端；2个第一输出偏移存储，所述第一输出偏移存储的第一端分别耦接至该 第 一轨对轨放大器的所述输出端；2个第一输出偏移存储开关，所述第一输出偏移存储开关的第一端分别 耦接至该地电压，所述第一输出偏移存储开关的第二端分别耦接至该第一轨 对轨放大器的所述输入端；以及2个第一开关，所述第一开关的第一端用以接收该输入电压，所述第一开关的第二端分别耦接至该第 一轨对轨放大器的所述输入端；其中，在该偏移消除模式，所述第一开关被关掉，所述第一输出偏移存 储开关被打开。
6. 如权利要求5所述的低偏移量比较器，其中，当该串联形式的所述输 入偏移存储级、该第二输出偏移存储级及该第一输出偏移存储级依序脱离该 偏移消除模式后，在一追迹模式，所述第一开关被打开，所述第一输出偏移 存储开关被关掉。
7. 如权利要求1所述的低偏移量比较器，其中，所述输入偏移存储级分 别包括一放大器，具有2个输入端及2个输出端；2个输入偏移存储，所述输入偏移存储的第二端分别耦接至该放大器的 所述输入端；2个反馈开关，所述反馈开关的第一端分别耦接至该放大器的所述输入 端，所述反馈开关的第二端分别耦接至该放大器的所述输出端；以及2个输入偏移存储开关，所述输入偏移存储开关的第一端耦接至该地电 压，所述输入偏移存储开关的第二端分别耦接至所述输入偏移存储的第一 端；其中，在该偏移消除模式，所述输入偏移存储开关及所述反馈开关依序 被打开。
8. 如权利要求7所述的低偏移量比较器，其中，当该串联形式的所述输 入偏移存储级、该第二输出偏移存储级及该第 一输出偏移存储级依序脱离该 偏移消除模式后，在一追迹模式，所述输入偏移存储开关及所述反馈开关被 关掉。
9. 如权利要求1所述的低偏移量比较器，其中，该第二输出偏移存储级 包括一第二轨对轨放大器，具有2个输入端及2个输出端；2个第二输出偏移存储，所述第二输出偏移存储的第一端分别耦接至该第二轨对轨放大器的所述输出端，所述第二输出偏移存储的第二端分别耦接至该锁存器；2个第二输出偏移存储开关，所述第二输出偏移存储开关的第一端耦接 至该地电压，所述第二输出偏移存储开关的第二端分别耦接至该第二轨对轨放大器的所述输入端；2个第一开关，所述第一开关的第一端耦接至所述输入偏移存储级之最 后 一级，所述第 一开关的第二端分别耦接至该第二轨对轨放大器的所述输入 端；以及2个第二开关，所述第二开关的第一端耦接至该地电压，所述第二开关 的第二端耦接至该锁存器；其中，在该偏移消除模式，所述第一开关被关掉，所述第二输出偏移存 储开关及所述第二开关被打开。
10. 如权利要求9所述的低偏移量比较器，其中，当该串联形式的所述 输入偏移存储级、该第二输出偏移存储级及该第 一输出偏移存储级依序脱离 该偏移消除模式后，在一追迹模式，所述第一开关被打开，所述第二输出偏 移存储开关及所述第二开关被关掉。
11. 一种比较器的偏移消除方法，该比较器包括一前级放大器，该前级 放大器包括一第一输出偏移存储级、 一 串联形式的多个输入偏移存储级及一 第二输出偏移存储级，该第一输出偏移存储级用以接收一输入电压，该方法 包括设定该串联形式的所述输入偏移存储级、该第二输出偏移存储级及该第 一输出偏移存储级依序脱离一偏移消除模式；以及当所述输入偏移存储级脱离该偏移消除模式，所述输入偏移存储级在本 身的输入偏移存储与一地电压分离前，打开本身的单位增益反馈回路。
12. 如权利要求11所述的比较器的偏移消除方法，其中该串联形式的所 述输入偏移存储级连接在该第一输出偏移存储级后，该第二输出偏移存储级 连接在所述输入偏移存储级之后。
13. 如权利要求11所述的比较器的偏移消除方法，其中，在该偏移消除 模式，所述输入偏移存储级存储各自的输入偏移于本身的输入偏移存储，然 后第二输出偏移存储级及第 一输出偏移存储级依序存储各自的输出偏移于本身的输出偏移存储。
14. 如权利要求1所述的比较器的偏移消除方法，其中，当该串联形式 的所述输入偏移存储级、该第二输出偏移存储级及该第一输出偏移存储级依 序脱离该偏移消除模式后，在一追迹模式，该前级放大器放大该输入电压。
15. 如权利要求14所述的比较器的偏移消除方法，其中该比较器还包括一连接在该前级放大器之后的锁存器，且在一锁存模式，该锁存器被放大后 的该输入电压触发并据以输出 一逻辑电平。
全文摘要
本发明提供了一种低偏移量比较器及其偏移消除方法。该低偏移量比较器，包括前级放大器以及锁存器。前级放大器包括第一输出偏移存储级、串联形式的多个输入偏移存储级及第二输出偏移存储级。第一输出偏移存储级接收一输入电压。串联形式的多个输入偏移存储级连接在第一输出偏移存储级后。第二输出偏移存储级连接在多个输入偏移存储级之后。锁存器连接在前级放大器之后。其特征在于，串联形式的多个输入偏移存储级、第二输出偏移存储级及第一输出偏移存储级被设定为依序脱离一偏移消除模式，且当多个输入偏移存储级脱离偏移消除模式，这些输入偏移存储级在本身的输入偏移存储与一地电压分离前，打开(open)本身的单位增益反馈回路。
文档编号H03K5/22GK101447782SQ20081009232
公开日2009年6月3日 申请日期2008年4月22日 优先权日2007年11月27日
发明者黄志豪 申请人:奇景光电股份有限公司