专利名称:一种高速集成电压比较器的制作方法
本发明涉及一种高速集成电压比较器电路。
集成电压比较器是模/数变换的基本功能器件。它广泛应用于电子通信、特别是以电子计算机为主要工具的数字通信系统。以及自动控制、电子测量、信息处理、雷达、无线电导航等各个领域。它是这些领域中数字信号处理、存贮、传输、显示过程中担负将模拟电信号变换成相应的数字电信号的基本电路器件。
对高速电压比较器电路性能主要的要求是输出响应快，并要求增益高、频带宽、功耗低。因此，可以采用一个综合的技术指标即优值D来全面衡量一种电压比较器电路的性能。D可定义为D＝(VS·tR·PC)-1式中VS-保证电路正常输出电平的输入信号电压;
tR-电路的输出信号响应时间;
PC-电路的静态直流功率损耗。
迄今为止，高速集成电压比较器电路存在着一个普遍性的问题是所有采用恒流源偏置的差动放大电路作为输入放大级的高速电压比较器在大信号输入时，都由于输入差动放大器存在时间延迟现象，导致输出响应缓慢。这种时间延迟在许多场合限制了电压比较器的作用。而在许多场合则是不能允许的。
已有技术中典型的电压比较器有①BG307(参考文献北京半导体器件研究所“集成电路产品手册”)，它是仿美国第一代同类产品μA710电路制成的。该电路的缺点是输出信号响应时间tR长。
②J630(参考文献同上)，它是北京半导体器件研究所研制的，其原理与美国的μA711相同。该电路采取了一些抗饱和措施，使tR有所减小，但效果仍不十分理想。
③FBC01(参考文献毛培法，“高速集成电压比较器的改进”，1982)，这一电路全部采用了差分对，避免了各放大管进入饱和工作区，从而大大缩短了电路输出响应时间，但功耗较大。该电路与BG307、J630都在射极跟随器输出级的恒流管基极处接地，故当输出低电平时该管仍要进入饱和工作状态，从而导致高电平输出响应时间延迟。
④CS01(参考文献“新型高速集成电压比较器”载“电子技术应用”1984年第7期)。它是由江苏常熟半导体器件厂试制的。该电路将美国LM360系列高速差动比较器中的第二级放大电路用作其输入放大级。以一个并联反馈放大电路作为输入差动放大器的有源负载，从而展宽了输入放大级的频带。但该电路还存在着增益太低、输出电压的摆幅不够等问题。
针对上述问题，规定本发明的任务是设计并研制一种高速集成电压比较器，(现将该电压比较器电路命名为HIC01)，其设计指标如下①当工作频率大于10MHZ时，电路总增益仍大于1000倍(60dB);
②电路的输出信号响应时间tR小于20ns;
③电路输出高电平VOH大于3V，输出低电平VOL小于OV。
④电路的共模输入电压范围大于-3V至+3V;
⑤供电电源为Vcc＝+6V，VEE＝-6V，电路的静态直流功率损耗Pc小于100mw。
上述任务由权利要求
1-8的特征部份的方案所解决。
本发明的高速集成电压比较器电路HIc01的电路图如附图1所示。该电压比较器电路设计的实质特点以及优异性能来自下列各点①其输入放大电路由一个以经过改进的吉尔伯特(GILBERT)增益单元(T4-To)作为有源负载的差分放大器(T1和T2)所组成，利用零极点抵消的原理使输入电路频带得以展宽(参考文献(1)Peter H.Saul，“A High SPeed COmParator Design Technique”，IEEE，S-SC，VOL.SC-17，NO.3，June 1982)。
②特别重要的是本发明电路在T1的基极与T2的集电极之间以及T2的基极与T1的集电极之间分别接有直馈加速电路R1C1和R2C2，这就保证了大信号输入时可跳过输入差放电路。将信号直接馈送至吉尔伯特增益单元，从而大大加快了输出信号响应时间。这样就有效地克服了迄今为止国内外所有采用恒流源偏置的差动放大电路作为输入放大级的高速电压比较器普遍存在的大信号输入时由于输入差放的时间延迟导致输出响应缓慢的缺点。
③本发明电路的优异性能还由于HIC01的直流供电电路是根据尽量节省功耗的原则设计的，它是一个带有温度补偿特性的电路;
④本发明电路的优异性能还由于HIC01的电平移动电路(T，-T11，R，-R11，DW1和DW2)运用了具有一定抗干扰能力的高速电路(参考文献(2)G.Erdi，“A Fast LatchingCOmParator for 12 bit A/D APPlications”，IEEE，S-SC，VOL.SC-15，DEC.1980);
⑤本发明电路的优异性能还来自HIC01的输出放大电路由一个以电压负反馈放大器(T15、T16和R12，R15)作为单端有源负载的差分放大器(T12和T13)所组成，利用电压负反馈特性展宽了输出电路的频带(参考文献(3)韦异，“新型高速集成电压比较器”。“电子技术应用”，1984，第七期)。
⑥本发明电路的优异性能还来自HIC01采用了两级(传统是采用三级)放大方案。Vcc取为+6V(传统是采用+12v)。这样有利于降低功耗Pc。
⑦本发明电路的优异性能还来自HIC01电路中的各无源元件的数值都经过容差分析和优化设计，在各元件值的相对误差小于50%的条件下，可保证电路达到设计指标的要求。
现将HIC01电路中关键元件的最佳数值范围公布如下C1＝C2＝2-5PF。
R1＝R2＝100-500Ω。
R4＝R3＝120-360Ω。
R9＝R10＝3-6kΩ。
R12＝1.5-2.5kΩ。
R15＝600-1300Ω。
本发明HIC01积极效果是，①本发明的HIC01电路进行集成生产时，若晶体管fT大于400MHZ 大约相当于6μm-8μm集成工艺)。则在总增益大于1000倍(60dB)的条件下，电路的频带宽度大于45MHZ;若晶体管fT大于4GHZ(大约相当于3um的集成工艺)则电路的频带宽度可高达350MHZ以上，远大于参考文献(1)中所述电路的带宽。
②在晶体管fT约为400-600MHz的相同集成工艺条件下，将HIC01电路和BG307电路、J630电路、FBC01电路及参考文献(3)所述的CS01电路(就电路输出响应时间tR和优值D)进行比较，其结果如表1所示
表1由表中数据可见无论是小信号(±2mV)、标准信号(±10mV)还是大信号(±3V)输入时，HIC01电路的优值D都是最高的。尤其在大信号激励条件下，其优越性更为显著。
③附图2揭示了晶体管fT为400-600MHZ的相同工艺条件下，上述五种电路V-端接地、V+端输入幅度为±10mV的方波信号时的输出信号波形。其中曲线0为输入信号波形，曲线1为BG307波形，曲线2为J630波形，曲线3为FBC01波形，曲线4为CS01波形，曲线5为HIC01波形。
④附图3揭示了晶体管fT约为5GHZ条件下两种高速集成比较器电路的交流小信号频率响应曲线。其中曲线1为参考文献1所述电路的频响特性，曲线2为HIC01电路的频响特性。
权利要求
1.一种高速集成电压比较器电路，由输入放大电路、电平移动电路、输出放大电路和直流供电电路所组成，其特征在于a)利用吉尔伯特增益单元(T4、T5、T6、T7、T8，R4、R5、R6、R7、R8)作为输入差放(T1、T2、T3、R3)的有源负载、利用电压并联负反馈放大器(T15、T16、R12、R15)作为输出差放(T12、T13、T14、R14)的有源负载，与高速电平移动电路(T9、T10、T11、DW1、DW2、R9、R10、R11)共同组成一宽频带放大电路结构。b)由两个RC串联电路构成了大信号直馈加速电路(R1、R2，C1、C2)。c)具有温度补偿特性的低功耗直流供电电路(T17、T10，D3、D4、D5、R16、R17、R18)。
2.根据权利要求
1所述的电路，其特征在于吉尔伯特增益单元中恒流管T6的偏流电阻R6接地而不是接负电源，使得该支路功耗减小一半。
3.根据权利要求
1所述的电路，其特征在于吉尔伯特增益单元中T7和T8基极所接电阻R4＝R5，其阻值在120Ω至360Ω之间。
4.根据权利要求
1所述的电路，其特征在于直馈加速电路是在T1基极与T2集电极之间接有R1C1串联电路，在T2基极与T1集电极之间接有R2C2串联电路。
5.根据权利要求
1所述的电路，其特征在于电阻R1＝R2的阻值在100Ω至500Ω之间，电容C1＝C2的容值在2PF至5PF之间。
6.根据权利要求
1所述的电路其特征在于T15负载电阻R15的阻值在600Ω至1.3kΩ之间，反馈电阻R12的阻值在1.5kΩ至2.5kΩ之间。
7.根据权利要求
1所述的电路，其特征在于电压并联负反馈放大器的输出电平经过两个二极管D1和D2而不是一个二极管进行电平移动送至电路输出端。
8.根据权利要求
1所述的电路，其特征在于电路的直流供电电源为Vcc＝+6V±2V，VEE＝-6V±2V。
专利摘要
集成电压比较器是进行A/D变换的基本功能器件。它广泛应用于电子通讯、自动控制、电子测量、信息处理、雷达及导航等各个领域。
文档编号H03K17/04GK85104156SQ85104156
公开日1986年6月10日 申请日期1985年5月31日
发明者刘明, 谢沅清 申请人:北京邮电学院导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan