差分比较器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种差分比较器，包括正端主体电路、负端主体电路、共模检测电路、主偏置电路及复制偏置电路，正端主体电路与负端主体电路相互连接并均与共模检测电路、复制偏置电路连接，正信号与正基准电压输入正端主体电路，负信号与负基准电压输入负端主体电路；共模检测电路还与复制偏置电路连接，共模检测电路检测正端主体电路与负端主体电路输出共模电压的变化；复制偏置电路还与主偏置电路连接，主偏置电路为整个差分比较器提供偏置信号，复制偏置电路对正端主体电路与负端主体电路进行等比例的复制。发明的差分比较器输出共模电压稳定在一定值，不会因为输入差分信号抖动而出现偏差，有效地保证了比较器的输出精度。
【专利说明】
差分比较器
技术领域
[0001] 本发明涉及集成电路领域，更具体地涉及一种差分比较器。
【背景技术】
[0002] 请参考图1，图1为现有差分比较器电路。该差分比较器中，四个场效应管(M1、M2、 M3、M4)作为输入管;其中，外部差分信号VIP和VIN分别输入场效应管Ml与场效应管M4，正、 负基准电压VRP、VRN分别输入场效应管M2与场效应管M3,且，V0P和V0N为输出差分信号。另 外，IB为偏置电流，场效应管M8为镜像电流源管，场效应管M9、M10、M11将产生一与IB成比例 的静态电流，该比例的比值为场效应管M9、M10、M11的宽长比与M8宽长比的比值。同样的，场 效应管M5为镜像管，场效应管M6、M7将产生与场效应管M5的偏置电流成比例的静态电流。在 现有的差分比较器电路中，若VIP-VIN>VRN-VRP，那么V0P>V0N;若VIP-VIN〈VRN-VRP，那么 V0P〈V0N;且V0P、V0N被输入到锁存比较器(图未示)进行最终大小判定。
[0003] 但是在现有技术的差分比较器中，若比较器在工作过程中，输入信号VIP、VIN或 VRP、VRN出现抖动，很可能导致C、D两点的电位均升高或降低，这样场效应管ΜΠΚΜ11与镜像 管M8的漏端电位出现差异，使得场效应M10、M11的镜像电流11、12出现偏差，进而使比较器 输出产生失调，降低了比较精度。
[0004] 因此，有必要提供一种改进的差分比较器来克服上述缺陷。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种差分比较器，本发明的差分比较器输出共模电压稳定在 一定值，不会因为输入差分信号抖动而出现偏差，有效地保证了比较器的输出精度。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供一种差分比较器，包括正端主体电路、负端主体电 路、共模检测电路、主偏置电路及复制偏置电路，所述正端主体电路分别与负端主体电路、 共模检测电路、复制偏置电路连接，正信号与正基准电压输入所述正端主体电路，所述正端 主体电路对所述正信号与正基准电压的电压值进行比较，并输出一共模电压信号;所述负 端主体电路分别与正端主体电路、共模检测电路、复制偏置电路连接，负信号与负基准电压 输入所述负端主体电路，所述负端主体电路对所述负信号与负基准电压的电压值进行比较 并输出另一共模电压信号;所述共模检测电路还与所述复制偏置电路连接，所述共模检测 电路检测所述正端主体电路与负端主体电路输出共模电压的变化，以调节复制偏置电路的 工作点;所述复制偏置电路还与所述主偏置电路连接，所述主偏置电路为整个差分比较器 提供偏置信号，所述复制偏置电路为所述正端主体电路与负端主体电路的复制电路，并将 所述主偏置电路输出的偏置信号提供至正端主体电路与负端主体电路。
[0007] 较佳地，所述正端主体电路包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管及第 四场效应管；外部正信号输入所述第一场效应管的栅极，所述第一场效应管的源极与所述 第四场效应管的漏极连接，且所述第一场效应管的漏极输出一共模电压信号，且所述第一 场效应管的漏极、第三场效应管的漏极、第二场效应管的漏极共同连接并与所述共模检测 电路连接;所述正基准电压输入所述第二场效应管的栅极，所述第二场效应管的源极与所 述负端主体电路连接;所述第三场效应管的栅极与所述复制偏置电路连接，所述第三场效 应管的源极与外部电源连接;所述第四场效应管的源极接地，所述第四场效应管的栅极与 共模检测电路、复制偏置电路连接。
[0008] 较佳地，所述负端主体电路包括第五场效应管、第六场效应管、第七场效应管及第 八场效应管，负基准电压输入所述第五场效应管的栅极，所述第五场效应管的源极与所述 第四场效应管的漏极连接，且所述第五场效应管的漏极输出另一共模电压信号，且所述第 五场效应管的漏极、第六场效应管的漏极、第七场效应管的漏极共同连接并与所述共模检 测电路连接;负信号输入所述第六场效应管的栅极，所述第六场效应管的源极与所述第八 场效应管的漏极连接并与所述第二场效应管的源极连接;所述第七场效应管的栅极与所述 复制偏置电路连接，所述第七场效应管的源极与外部电源连接;所述第八场效应管的源极 接地，所述第八场效应管的栅极与共模检测电路、复制偏置电路连接。
[0009] 较佳地，所述共模检测电路包括第九场效应管、第十场效应管、第十一场效应管、 第十二场效应管、第十三场效应管、第一电阻及第二电阻;所述第九场效应管的栅极与所述 第一场效应管的漏极连接，所述第九场效应管的漏极、第十场效应管的漏极、第十三场效应 管的漏极共同连接，所述第九场效应管的源极与所述第十一场效应管的漏极连接;所述第 十场效应管的栅极与所述第五场效应管的漏极连接，所述第十场效应管的源极与所述第十 二场效应管的漏极连接;所述第十一场效应管的栅极、第十二场效应管的栅极、第四场效应 管的栅极及第八场效应管的栅极共同连接，第十一场效应管的源极、第十二场效应管的源 极均接地;第十三场效应管的栅极、漏极共同连接，第十三场效应管的源极与外部电源连 接;第一电阻的一端与第十一场效应管的漏极连接，第一电阻的另一端与复制偏置电路连 接;第二电阻的一端与第十二场效应管的漏极连接，第二电阻的另一端与复制偏置电路连 接。
[0010] 较佳地，所述第九场效应管、第十场效应管具有完全相同的参数特征。
[0011] 较佳地，所述复制偏置电路包括第十四场效应管、第十五场效应管、第十六场效应 管、第十七场效应管及第十八场效应管;所述第十四场效应管的栅极、第十五场效应管的栅 极共同连接并与所述主偏置电路连接，所述第十四场效应管的源极、第十五场效应管的源 极均接地;所述第十四场效应管的漏极与第十六场效应管的源极连接并与所述第一电阻的 另一端连接;所述第十五场效应管的漏极与第十七场效应管的源极连接并与所述第二电阻 的另一端连接;所述第十六场效应管的栅极、第十七场效应管的栅极共同连接并与所述主 偏置电路连接;所述第十六场效应管的漏极、第十七场效应管的漏极、第十八场效应管的漏 极共同连接;第十八场效应管的栅极与漏极共同连接并与第七场效应管的栅极、第三场效 应管的栅极共同连接;第十八场效应管的源极与外部电源连接。
[0012] 较佳地，所述主偏置电路包括第十九场效应管、第二十场效应管及第三电阻，所述 第十九场效应管的源极与外部电源连接，所述第十九场效应管的漏极与第十七场效应管的 栅极连接并与第三电阻的一端连接，所述第三电阻的另一端与第二十场效应管的漏极连 接，第二十场效应管的栅极、漏极共同连接，第二十场效应管的源极接地。
[0013] 与现有技术相比，本发明的差分比较器通过共模检测电路和复制偏置电路的控制 使比较器输出的共模电压稳定在一个定值，而不会因为输入信号抖动而出现偏差，有效地 保证了比较器输出的精度。
[0014] 通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明 的实施例。
【附图说明】
[0015] 图1为现有技术的差分比较器的电路结构图。
[0016] 图2为本发明差分比较器的结构框图。
[0017] 图3为本发明差分比较器的电路结构图。
【具体实施方式】
[0018] 现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如 上所述，本发明提供了一种差分比较器，本发明的差分比较器输出共模电压稳定在一定值， 不会因为输入差分信号抖动而出现偏差，有效地保证了比较的精度。
[0019] 请参考图2,图2为本发明差分比较器的结构框图。如图所示，本发明的差分比较器 包括正端主体电路、负端主体电路、共模检测电路、主偏置电路及复制偏置电路;所述正端 主体电路分别与负端主体电路、共模检测电路、复制偏置电路连接，正信号VIP与正基准电 压VRP输入所述正端主体电路，所述正端主体电路对所述正信号VIP与正基准电压VRP的电 压值进行比较，并输出比较后的一共模电压信号;所述负端主体电路分别与正端主体电路、 共模检测电路、复制偏置电路连接，负信号VIN与负基准电压VRN输入所述负端主体电路，所 述负端主体电路对所述负信号VIN与负基准电压VRN的电压值进行比较，并输出比较后的另 一共模电压信号;所述共模检测电路还与所述复制偏置电路连接，所述共模检测电路检测 所述正端主体电路与负端主体电路输出的共模电压的变化，产生相应变化的电压信号，之 后再转换为变化的电流信号，使复制偏置电路的工作点发生变化，复制偏置电路为正端主 体电路及负端主体电路提供变化的偏置电流，形成负反馈环路，进而使比较器输出共模电 压稳定;所述复制偏置电路还与所述主偏置电路连接，从而使得复制偏置电路被偏置在准 确的工作点，以保证其工作的准确性;所述主偏置电路为整个差分比较器提供偏置信号，所 述复制偏置电路为所述正端主体电路与负端主体电路的复制电路，并将所述主偏置电路输 出的偏置信号提供至正端主体电路与负端主体电路。在本发明的差分比较器中，所述共模 检测电路能探测到正端主体电路与负端主体电路输出共模电压信号的变化，并输出相应的 检测信号，该检测信号将转换为电流的变化，该变化的电流用来调控复制偏置电路的工作 点，进而实现对比较器输出的动态实时偏置调控。从而，本发明的差分比较器通过共模检测 电路和复制偏置电路的控制使比较器输出共模电压稳定在一定值，而不会因为输入信号抖 动而出现偏差，能有效保证比较器输出的精度。
[0020] 具体地，请再结合参考图3,图3为本发明差分比较器的电路结构图。如图所示，所 述正端主体电路包括第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场效应管M3及第四场效应管 M4;外部正信号VIP输入所述第一场效应管Ml的栅极，所述第一场效应管Ml的源极与所述第 四场效应管M4的漏极连接，且所述第一场效应管Ml的漏极、第三场效应管M3的漏极、第二场 效应管M2的漏极共同连接并与所述共模检测电路连接;所述正基准电压VRP输入所述第二 场效应管M2的栅极，所述第二场效应管M2的源极与所述负端主体电路连接;所述第三场效 应管M3的栅极与所述复制偏置电路连接，所述第三场效应管M3的源极与外部电源VDD连接； 所述第四场效应管M4的源极接地，所述第四场效应管M4的栅极与共模检测电路、复制偏置 电路连接。从而，所述正端主体电路对输入的所述正信号VIP与正基准电压VRP的电压值进 行比较，并输出比较后的一共模电压信号VON，且所述共模电压信号VON从第一场效应管Ml 的漏极输出。
[0021]所述负端主体电路包括第五场效应管M5、第六场效应管M6、第七场效应管M7及第 八场效应管M8;负基准电压VRN输入所述第五场效应管M5的栅极，所述第五场效应管M5的源 极与所述第四场效应管M4的漏极连接，且所述第五场效应管M5的漏极、第六场效应管M6的 漏极、第七场效应管M7的漏极共同连接并与所述共模检测电路连接;负信号VIP输入所述第 六场效应管M6的栅极，所述第六场效应管M6的源极与所述第八场效应管M8的漏极连接并与 所述第二场效应管M2的源极连接;所述第七场效应管M7的栅极与所述复制偏置电路连接， 所述第七场效应管M7的源极与外部电源VDD连接;所述第八场效应管M8的源极接地，所述第 八场效应管M8的栅极与共模检测电路、复制偏置电路连接。从而，所述负端主体电路对输入 的所述负信号VIN与负基准电压VRN的电压值进行比较，并输出比较后的另一共模电压信号 V0P，且所述共模电压信号V0P从第五场效应管M5的漏极输出。
[0022]所述共模检测电路包括第九场效应管M9、第十场效应管M10、第^^一场效应管Mil、 第十二场效应管M12、第十三场效应管M13、第一电阻R1及第二电阻R2;所述第九场效应管M9 的栅极与所述第一场效应管Ml的漏极连接，所述第九场效应管M9的漏极、第十场效应管M10 的漏极、第十三场效应管M13的漏极共同连接，所述第九场效应管M9的源极与所述第十一场 效应管Ml 1的漏极连接;所述第十场效应管M10的栅极与所述第五场效应管M5的漏极连接， 所述第十场效应管M10的源极与所述第十二场效应管M12的漏极连接;所述第十一场效应管 Mil的栅极、第十二场效应管M12的栅极、第四场效应管M4的栅极及第八场效应管M8的栅极 共同连接，第十一场效应管Ml 1的源极、第十二场效应管Ml 2的源极均接地;第十三场效应管 Ml 3的栅极、漏极共同连接，第十三场效应管Ml 3的源极与外部电源VDD连接;第一电阻R1的 一端与第十一场效应管Mil的漏极连接，第一电阻R1的另一端与复制偏置电路连接;第二电 阻R2的一端与第十二场效应管M12的漏极连接，第二电阻R2的另一端与复制偏置电路连接。 且，在本发明的优选实施例中，所述第九场效应管M9、第十场效应管M10具有完全相同的参 数特征，也即两个场效应管的结构特征完全相同。
[0023]所述复制偏置电路包括第十四场效应管M14、第十五场效应管M15、第十六场效应 管M16、第十七场效应管M17及第十八场效应管M18;所述第十四场效应管M14的栅极、第十五 场效应管M15的栅极共同连接并与所述主偏置电路连接，所述第十四场效应管M14的源极、 第十五场效应管M15的源极均接地;所述第十四场效应管M14的漏极与第十六场效应管M16 的源极连接并与所述第一电阻R1的另一端连接;所述第十五场效应管M15的漏极与第十七 场效应管M17的源极连接并与所述第二电阻R2的另一端连接;所述第十六场效应管M16的栅 极、第十七场效应管M17的栅极共同连接并与所述主偏置电路连接;所述第十六场效应管 M16的漏极、第十七场效应管M17的漏极、第十八场效应管M18的漏极共同连接;第十八场效 应管M18的栅极与漏极共同连接并与第七场效应管M7的栅极、第三场效应管M3的栅极共同 连接;第十八场效应管M18的源极与外部电源VDD连接。具体如图3所示，本发明的复制偏置 电路结构与正端主体电路及负端主体电路结构一致，且各器件尺寸一样，从而实现所述复 制偏置电路对正端主体电路及负端主体电路的1:1复制。
[0024] 所述主偏置电路包括第十九场效应管M19、第二十场效应管M20及第三电阻R3,所 述第十九场效应管M19的源极与外部电源VDD连接，所述第十九场效应管M19的漏极与第十 七场效应管M17的栅极连接并与第三电阻R3的一端连接，所述第十九场效应管M19的栅极输 入外部基准电压vbl，从而在所述十九场效应管M19的漏极输出偏置电压vb2,所述偏置电压 vb2输入至所述第十七场效应管M17;所述第三电阻R3的另一端与第二十场效应管M20的漏 极连接，第二十场效应管M20的栅极、漏极共同连接，第二十场效应管M20的源极接地。
[0025] 请再结合参考图2与图3,描述本发明差分比较器的工作过程。
[0026] 第三场效应管M3、第四场效应管M4、第七场效应管M7、第八场效应管M8均为电流源 管。以为所述正端主体电路及负端主体电路提供静态偏置电流。如上所述，本发明的差分比 较器主要是实现VIP-VIN与VRN-VRP的差值比较。具体地，当本发明的差分比较器被偏置在 理想工作点上，其输出共模电压信号V0N、V0P平均值等于预设值，此时第一电阻R1、第二电 阻R2两端无电压差，也即第一电阻R1、第二电阻R2上没有电流流过。当差分比较器输出共模 电压偏高时（大于设计值），即（V0N+V0P)/2电压偏高并大于预设值，也即是节点A、B电位平 均值升高，由于第九场效应管M9、第十场效应管M10都工作在饱和区，有：
[0027]
[0028]其中，洲是第九场效应管M9的迀移率，CQX是第九场效应管M9的栅氧化层厚度，W/L 是第九场效应管M9的宽长比，VGS为第九场效应管M9的栅源电压，VDS为第九场效应管M9的漏 源电压，V TH为第九场效应管M9的阈值电压，λ为一常量。第九场效应管M9、第十场效应管M10 为输入对管，其宽长比相等。设此时Α、Ε点电位分别为V A、VE，那么第九场效应管Μ9的栅源电 压Vgs可以表不为：
[0029] Vgs = Va-Ve (2)
[0030] 若A、B节点电位平均值升高，假设VA、VB都升高AV，设此时第九场效应管M9的栅源 电压为V CS，，有：
[0031] Vgs7 =Va+ A V-Ve (3)
[0032] 因为第九场效应管M9、第十场效应管M10正常工作，漏源电流Ids保持不变，并且此 时Vds也不变，所以VE也会升高Δ V;同理，VF电位也将升高Δ V。这样使得第一电阻R1、第二电 阻R2两端存在电压差，将形成由节点E至G、F至Η的电流，该电流流入G、H点，根据基尔霍夫定 律，G、H点电位将升高。这会使第十六场效应管M16、第十七场效应管M17的栅源电压V GS减小， 而此时第十六场效应管M16、第十七场效应管M17的漏源电流IDS不变，根据公式（1)，第十六 场效应管M16、第十七场效应管M17的漏端电位将升高，也即K点电位将升高，这样使得第三 场效应管M3、第七场效应管M7的栅电位升高，栅源电压V GS将减小，同样根据公式(1 )，此时第 三场效应管M3、第七场效应管M7漏源电流Ids不变，其漏源电压VDS将增大，所以A、B两点电位 将降低。同理，当A、B两点电位平均值低于理想设置值，上述共模反馈环路会使这两点电压 升高到设置值。这样通过共模负反馈环路的控制，使得A、B两点电位得以稳定，也即是使得 输出共模电压VON、V0P稳定。
[0033] 以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施 例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。
【主权项】
1. 一种差分比较器，其特征在于，包括正端主体电路、负端主体电路、共模检测电路、主 偏置电路及复制偏置电路，所述正端主体电路分别与负端主体电路、共模检测电路、复制偏 置电路连接，正信号与正基准电压输入所述正端主体电路，所述正端主体电路对所述正信 号与正基准电压的电压值进行比较，并输出一共模电压信号;所述负端主体电路分别与正 端主体电路、共模检测电路、复制偏置电路连接，负信号与负基准电压输入所述负端主体电 路，所述负端主体电路对所述负信号与负基准电压的电压值进行比较并输出另一共模电压 信号;所述共模检测电路还与所述复制偏置电路连接，所述共模检测电路检测所述正端主 体电路与负端主体电路输出共模电压的变化，以调节复制偏置电路的工作点；所述复制偏 置电路还与所述主偏置电路连接，所述主偏置电路为整个差分比较器提供偏置信号，所述 复制偏置电路为所述正端主体电路与负端主体电路的复制电路，并将所述主偏置电路输出 的偏置信号提供至正端主体电路与负端主体电路。2. 如权利要求1所述的差分比较器，其特征在于，所述正端主体电路包括第一场效应 管、第二场效应管、第三场效应管及第四场效应管;外部正信号输入所述第一场效应管的栅 极，所述第一场效应管的源极与所述第四场效应管的漏极连接，且所述第一场效应管的漏 极输出一共模电压信号，且所述第一场效应管的漏极、第三场效应管的漏极、第二场效应管 的漏极共同连接并与所述共模检测电路连接;所述正基准电压输入所述第二场效应管的栅 极，所述第二场效应管的源极与所述负端主体电路连接;所述第三场效应管的栅极与所述 复制偏置电路连接，所述第三场效应管的源极与外部电源连接;所述第四场效应管的源极 接地，所述第四场效应管的栅极与共模检测电路、复制偏置电路连接。3. 如权利要求2所述的差分比较器，其特征在于，所述负端主体电路包括第五场效应 管、第六场效应管、第七场效应管及第八场效应管，负基准电压输入所述第五场效应管的栅 极，所述第五场效应管的源极与所述第四场效应管的漏极连接，且所述第五场效应管的漏 极输出另一共模电压信号，且所述第五场效应管的漏极、第六场效应管的漏极、第七场效应 管的漏极共同连接并与所述共模检测电路连接；负信号输入所述第六场效应管的栅极，所 述第六场效应管的源极与所述第八场效应管的漏极连接并与所述第二场效应管的源极连 接;所述第七场效应管的栅极与所述复制偏置电路连接，所述第七场效应管的源极与外部 电源连接;所述第八场效应管的源极接地，所述第八场效应管的栅极与共模检测电路、复制 偏置电路连接。4. 如权利要求3所述的差分比较器，其特征在于，所述共模检测电路包括第九场效应 管、第十场效应管、第十一场效应管、第十二场效应管、第十三场效应管、第一电阻及第二电 阻;所述第九场效应管的栅极与所述第一场效应管的漏极连接，所述第九场效应管的漏极、 第十场效应管的漏极、第十三场效应管的漏极共同连接，所述第九场效应管的源极与所述 第十一场效应管的漏极连接;所述第十场效应管的栅极与所述第五场效应管的漏极连接， 所述第十场效应管的源极与所述第十二场效应管的漏极连接;所述第十一场效应管的栅 极、第十二场效应管的栅极、第四场效应管的栅极及第八场效应管的栅极共同连接，第十一 场效应管的源极、第十二场效应管的源极均接地;第十三场效应管的栅极、漏极共同连接， 第十三场效应管的源极与外部电源连接;第一电阻的一端与第十一场效应管的漏极连接， 第一电阻的另一端与复制偏置电路连接;第二电阻的一端与第十二场效应管的漏极连接， 第二电阻的另一端与复制偏置电路连接。5. 如权利要求4所述的差分比较器，其特征在于，所述第九场效应管、第十场效应管具 有完全相同的参数特征。6. 如权利要求4所述的差分比较器，其特征在于，所述复制偏置电路包括第十四场效应 管、第十五场效应管、第十六场效应管、第十七场效应管及第十八场效应管;所述第十四场 效应管的栅极、第十五场效应管的栅极共同连接并与所述主偏置电路连接，所述第十四场 效应管的源极、第十五场效应管的源极均接地;所述第十四场效应管的漏极与第十六场效 应管的源极连接并与所述第一电阻的另一端连接;所述第十五场效应管的漏极与第十七场 效应管的源极连接并与所述第二电阻的另一端连接;所述第十六场效应管的栅极、第十七 场效应管的栅极共同连接并与所述主偏置电路连接;所述第十六场效应管的漏极、第十七 场效应管的漏极、第十八场效应管的漏极共同连接;第十八场效应管的栅极与漏极共同连 接并与第七场效应管的栅极、第三场效应管的栅极共同连接;第十八场效应管的源极与外 部电源连接。7. 如权利要求6所述的差分比较器，其特征在于，所述主偏置电路包括第十九场效应 管、第二十场效应管及第三电阻，所述第十九场效应管的源极与外部电源连接，所述第十九 场效应管的漏极与第十七场效应管的栅极连接并与第三电阻的一端连接，所述第三电阻的 另一端与第二十场效应管的漏极连接，第二十场效应管的栅极、漏极共同连接，第二十场效 应管的源极接地。
【文档编号】H03K5/22GK106026997SQ201610453661
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】蔡化
【申请人】四川和芯微电子股份有限公司