专利名称：全差分高速低功耗比较器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种全差分高速低功耗比较器，尤其是一种通过控制静态电流以达到低功耗的高速比较器。
背景技术：
比较器是DC-DC开关电源系统中重要的子模块之一，其性能尤其是速度、功耗、噪声、失调对整个DC-DC系统的性能产生重要影响。为了提高基于交叉耦合对管线性OTA比较器的响应速度，在差分对输入管的负载端引入线性-非线性自适应电流镜结构，并且通过与交叉耦合对管结构的相互配合，使电流镜在不增大宽长比的前提下产生更大的镜像电 流，但这种结构作为比较器产生的静态功耗很大。传统的比较器具有高速、高精度、抗电源噪声干扰能力强的特点，但是由于传统比较器在比较状态结束后仍有很大的静态电流，导致传统比较器静态功耗大，这也是传统比较器结构在低功耗应用中受到严重制约的重要原因。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够能够有效的降低静态功耗，提高响应速度和精度，提出一种新型全差分高速低功耗比较器。本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案本发明所设的一种全差分高速低功耗比较器，包括由两个开关管M4、M5构成的差分放大级，由八个开关管M13、M6、M10、M7、M14、M9、M11、M8构成的自适应电流镜负载极，由两个开关管M1、M2构成的电流传输级，其特征在于还包括一个支路电流开关，所述电流开关与输出级通过至少一个推挽反相器相连。作为本发明的一种优化结构所述支路电流开关高电平导通时，与输出级通过奇数个推挽反相器相连，所述支路电流开关低电平导通时，与输出级通过偶数个推挽反相器相连。作为本发明的一种优化结构所述支路电流开关为NMOS管时，与输出级通过奇数个推挽反相器相连，所述支路电流开关为PMOS管时，与输出级通过偶数个推挽反相器相连。作为本发明的一种优化结构所述支路电流开关为N型开关管M12时，与输出级通过一个推挽反相器相连；所述支路电流开关为PMOS管时，与输出级通过两个推挽反相器相连。作为本发明的一种优化结构所述开关管MlO的漏极与N型开关管M12的源极相连，开关管Ml的漏极与N型开关管M12的漏极相连，所述推挽反相器的输出端与N型开关管M12的栅极相连。作为本发明的一种优化结构所述比较器的输出端与至少一个推挽反相器连接，该推挽反相器的输出端连接后续负载。作为本发明的一种优化结构所述开关管M20的漏极与输出端相连，所述推挽反相器的输出级与N型开关管M12的源极相连。作为本发明的一种优化结构所述推挽反相器由PMOS管和NMOS管构成。本发明采用以上技术方案与现有技术相比，解决了传统的OTA比较器静态功耗大的技术问题，并且大大提高比较器的输出摆率，提高比较器的增益和速度。
图I为传统OTA比较器；图2为本发明全差分高速低功耗比较器的结构；
图3为本发明中的线性-非线性电流镜；图4为方波输入信号的输出延迟；图5为在N型开关管M12作用下流过开关管Ml的电流；图6为本发明交流小信号的增益。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明图I是传统OTA比较器电路，包括线性电流镜负载和差分放大级。在动态小信号时，交叉耦合对NMOS管M7、M8构成正反馈，增大其增益，而在动态大信号的情况下，该电路的线性电流镜并不能提供足够大的瞬态电流，而改良OTA比较器的瞬态特性。另外，静态时，该电路静态电流由固定尾电流组成，故在同样的增益、瞬态特性下，其静态功耗很大。
如图2所示本发明设计的全差分高速低功耗比较器包括开关管Ml、开关管M2、开关管M4至N型开关管M12，其中开关管Ml的栅极与开关管M2的栅极相连，且开关管Ml的栅极与自身的漏极相连，使Ml的电阻减小。开关管M2的漏极与开关管Mll的漏极、反相器Fl的输入级相连。开关管M6至Mll的源极相连并接地，开关管M4的源极与开关管M5的源极相连，输入信号Vinl和Vin2分别与开关管M4的栅极和开关管M5的栅极相连，开关管M4的漏极与开关管MlO的栅极、开关管M6的栅极,开关管M8的栅极相连,开关管M5的漏极与开关管M9的栅极、开关管Mll的栅极、开关管M7的栅极相连。N型开关管M12与反相器Fl的输出端相连。开关管M13的栅极和开关管M14的栅极分别连接固定电位Vbn，开关管M13的漏极与开关管M4的漏极相连，开关管M14的漏极与开关管M5的漏极相连，开关管M14的源极与开关管M8的漏极、开关管M9的漏极相连，开关管M4的源极与开关管M15的漏极相连，开关管M5的源极与开关管M16的漏极相连，尾电流恒流偏值Vbp分别连接开关管M15的栅极和开关管M16的栅极，以提供恒定的尾电流。如图3所示，本发明设计原理中所用到的线性-非线性自适应电流镜结构是在传统的电流镜基础上引入了一个开关管M13，其栅极电位Vbn为恒定偏置。在正常工作时开关管MlO工作在饱和区，开关管M6的工作状态受开关管M13的控制。电流Il恒定时，开关管M13的宽长比不变，若Vbn足够大，则开关管M13的漏极电位足够高，开关管M6工作在饱和区；若Vbn足够小，则开关管M13的漏极电位足够低，开关管M6工作在线性或深线性电阻区。此外，电流Il恒定时，保持Vbn不变，通过调节M13管的宽长比也可以控制M6管的工作状态。将M13管的宽长比调到足够大，开关管M13的过驱动电压就会相应减小，其漏极电位也就足够高，开关管M6就会工作在饱和区；将开关管M13的宽长比调到足够小，开关管M13的过驱动电压就会相应增大，其漏极电位也就足够低，开关管M6就会工作在线性电阻区。对下面的公式中用到的部分参数做说明U n为n沟道器件的表面迁移率，Cox为单位面积栅氧化物电容，W为有效沟道宽度，L为有效沟道长度，I1为流经开关管Ml的电流，其它以此类推。为栅源电压，Vtn为N管的阈值电压。正常工作时开关管M6工作在线性区或深线性电阻区，开关管M13、开关管MlO工作在饱和区。流过开关管M6的电流Il为
权利要求
1.一种全差分高速低功耗比较器，包括由两个开关管M4、M5构成的差分放大级，由八个开关管M13、M6、M10、M7、M14、M9、M11、M8构成的自适应电流镜负载极，由两个开关管Ml、M2构成的电流传输级，其特征在于还包括一个支路电流开关，所述电流开关与输出级通过至少一个推挽反相器相连。
2.根据权利要求I所述的全差分高速低功耗比较器，其特征在于所述支路电流开关高电平导通时，与输出级通过奇数个推挽反相器相连，所述支路电流开关低电平导通时，与输出级通过偶数个推挽反相器相连。
3.根据权利要求I所述的全差分高速低功耗比较器，其特征在于所述支路电流开关为NMOS管时，与输出级通过奇数个推挽反相器相连，所述支路电流开关为PMOS管时，与输出级通过偶数个推挽反相器相连。
4.根据权利要求I所述的全差分高速低功耗比较器，其特征在于所述支路电流开关为N型开关管M12时，与输出级通过一个推挽反相器相连；所述支路电流开关为PMOS管时，与输出级通过两个推挽反相器相连。
5.根据权利要求4所述的全差分高速低功耗比较器，其特征在于所述开关管MlO的漏极与N型开关管M12的源极相连，开关管Ml的漏极与N型开关管M12的漏极相连，所述推挽反相器的输出端与N型开关管M12的栅极相连。
6.根据权利要求I所述的全差分高速低功耗比较器，其特征在于所述比较器的输出端与至少一个推挽反相器连接，该推挽反相器的输出端连接后续负载。
7.根据权利要求I所述的全差分高速低功耗比较器，其特征在于所述开关管M20的漏极与输出端相连，所述推挽反相器的输出级与N型开关管M12的源极相连。
8.根据权利要求I所述的全差分高速低功耗比较器，其特征在于所述推挽反相器由PMOS管和NMOS管构成。
全文摘要
本发明公开了一种全差分高速低功耗比较器，包括由两个开关管M4、M5构成的差分放大级,由八个开关管M13、M6、M10、M7、M14、M9、M11、M8构成的自适应电流镜负载极，由两个开关管M1、M2构成的电流传输级，其中，还包括一支路电流开关，所述支路电流开关与输出级通过至少一个推挽反相器相连。本发明所设计的全差分高速低功耗比较器解决了传统的OTA比较器静态功耗大的技术问题，并且大大提高比较器的输出摆率，提高了比较器的增益和速度。
文档编号H03K5/22GK102769447SQ20121024222
公开日2012年11月7日 申请日期2012年7月12日 优先权日2012年7月12日
发明者付翔, 吴建刚, 吴金, 邹新越, 郑丽霞 申请人:东南大学