专利名称：回滞区间精密可控的比较器的控制方法
技术领域：
本发明涉及集成电路领域，特别是一种利用基准电压源和电阻构成的回滞区间精密可控的比较器。
现在的集成电路设计技术发展迅速，伴随着工艺水平的提高和芯片功能及性能改进，需要在许多基本设计单元中增加更多的功能和性能以适应发展的要求。比较器是一个将模拟信号转换为数字信号的基本电路单元，由于芯片中噪声的影响，在比较器的输入阈值附近，出现的误码概率较高。一般情况下，使用带有回滞区间的比较器，能够较好地解决这一问题。
如图1所示，目前的比较器设计中的回滞区间，是由镜象电流源来完成的。PMOS晶体管M1、M2、M3、M4、M5的源极与电源连接，M2栅极、M2漏极、M4漏极、M6漏极构成节点NODE1，M3的栅极、M3的漏极、M1的漏极、M7的漏极、M5栅极和M8的栅极构成节点NODE2，M6的源极、M7的源极和电流源连接，M8的源极和电流源I1接地，IN1与M6的栅极连接而IN2与M7的栅极连接，M5的漏极与M8的漏极连接构成节点OUT。
当IN1大于IN2时，电流I1流经M6而M7中没有电流流过，此时节点NODE高而输出OUT为低电平；保持IN1不变，当IN2逐渐增大时，流经M7的电流在节点NODE处要先补偿电流镜M1、M2后，才能够使得NODE2节点的电压降低。因此，比较器将会有一个回滞区间产生。
此比较器产生的回滞区间主要缺陷为回滞区间大小不能够精密控制；回滞区间不能够超出范围，此范围由镜象电流的比例确定，M1中电流一般要小于M2中电流，M4中电流要小于M3中电流；回滞区间随着工艺不同而变化，其温度特性等都较差。
鉴于现有电路结构的如上缺陷，本发明的目的是利用产生回滞区间的基本原理，利用精密的基准电压与电阻的比例关系构造一个回滞区间精密可控的新的比较器电路结构，使得比较器能够克服上述的缺陷。
本发明是通过如下方法实现的。
回滞区间精密可控比较器的控制方法，比较器电路由以下模块构成信号输入、连接电阻、输入级、放大级、输出级、电流源产生电路、电流源逻辑控制电路。输入的信号经过电阻后与比较器的输入级电路连接，其结果经过放大级电路处理后进入输出级电路，然后产生最终的输出结果；同时，该输出的结果产生控制逻辑，用以控制电流源产生模块中流出电流的方向；电流在连接电阻上的不同流向在信号的输入与比较器的输入级电路之间产生压差，从而构成相应的回滞区间。
采用本发明控制方法的回滞区间比较器的优点主要为回滞区间精密可控，回滞区间的设定取决于参考电压的大小和电阻的比例系数。当改变电阻的比例系数或者改变参考电压的大小时，都可以改变回滞区间的范围。另外，回滞区间不随着工艺和在硅圆上的位置而变化，其性能仅仅与电阻的匹配精度及参考电压的性能相关。
假定当INPUT高时，最终输出OUTPUT为高，此时，逻辑控制模块使得电流源中的电流流向为从RB到LB，则此时比较器输入级电路的真正电压为INPUT+电流源电流*连接电阻假定当INPUT低时，最终输出OUTPUT为低，此时，逻辑控制模块使得电流源中的电流流向为从LB到RB，则此时比较器输入级电路的真正电压为INPUT-电流源电流*连接电阻则中的回滞区间为电流源电流*连接电阻*常数系数如图11所示，电流源中的电流为电流源电流＝Vref/Rref由此，回滞区间区间的计算可以简化为回滞区间＝(Vref/Rref)*连接电阻*常数系数电流支路LB与信号输入连接在一个节点上，因此，LB支路可以根据输入信号的特点而不同。当信号输入为低阻输入时，LB可以省略；当信号输入为高阻或对比较器的输入阻抗要求为高时，LB不能够省略。
通过以上分析，新的比较器的回滞区间由参考电压和电阻Rref及连接电阻的比例决定，回滞区间参数的指标也仅仅与它们有关。
如下图1现有回滞区间比较器电路结构图2精密回滞区间比较器原理3双H平衡式N管输入精密回滞区间比较器电路图。
图4双H平衡式P管输入精密回滞区间比较器电路图。
图5单H非平衡式N管输入精密回滞区间比较器电路图。
图6双L平衡式N管输入精密回滞区间比较器电路图。
图7单H非平衡式P管输入精密回滞区间比较器电路图。
图8双L平衡式P管输入精密回滞区间比较器电路图。
图9双H平衡式N管输入隐性开关精密回滞区间比较器电路图。
图10双H平衡式P管输入隐性开关精密回滞区间比较器电路图。
图11电流源产生电路示意图电路图。
下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的详述。
如图3所示为双H平衡式N管输入精密回滞区间比较器示意图。
图中信号输入为IN1，IN2。连接电阻为R1，R2。输入级为晶体管M6，M7(输入管可以是双极晶体管，也可以是MOS晶体管)。和电流源I7。放大级为晶体管M1，M2，M3，M4，M8，M9。输出级为晶体管M5，M10和输出端点OUTB。电流源产生电路如图11所示。电流源逻辑控制电路为电流源I1，I2，I3，I4，I5，I6，I8，I9和电流开关SW1，SW2，SW3，SW4，SW5，SW6，SW8，SW9构成。
连接关系电流源I1、I2、I3、I4的一端和MOS管M1、M2、M3、M4、M5的栅极与电源VDD连接，电流源I5、I6、I7、I8、I9的一端和MOS管M8、M9、M10的栅极与地线连接，M6的漏极与M2的漏极、M2的栅极、M1的栅极连接，M7的漏极与M3的漏极、M3的栅极、M4的栅极连接，M8的栅极、M8的漏极、M1的漏极、M9的栅极连接，M4的漏极、M9的漏极、M5的栅极、M10的栅极连接，I1的另外一端与开关SW1一端连接，I2的另外一端与开关SW2一端连接，I3的另外一端与开关SW3一端连接，I4的另外一端与开关SW4一端连接，I5的另外一端与开关SW5一端连接，I6的另外一端与开关SW6一端连接，I8的另外一端与开关SW8一端连接，I9的另外一端与开关SW9一端连接，IN1与电阻R1的一端及SW1和SW5的另外一端连接，IN2与电阻R2的一端及SW4和SW9的另外一端连接，R1的另外一端与SW2、SW6及M6的栅极连接，R2的另外一端与SW3、SW8及M7的栅极连接，M6的源极、M7的源极与I7连接。OUTB控制开关SW1、SW3、SW6、SW9而OUT控制开关SW2、SW4、SW5、SW8工作原理设定初始条件为IN1远远大于IN2，则OUTB为低而OUT为高，此时，电流开关SW2、SW4、SW5、SW8导通而SW1、SW3、SW6、SW9截止。
M6栅极的电压为IN1+I2*R1M7栅极的电压为IN2-I8*R2
当IN2电压逐渐升高时，要先克服电阻R2上的压差I8*R2，然后再克服电阻R1上的压差I2*R1，才能够将比较器翻转。
比较器翻转后，OUTB为高而OUT为低，电流开关SW2、SW4、SW5、SW8截止而电流开关SW1、SW3、SW6、SW9导通。
M6栅极的电压为IN1-I6*R1M7栅极的电压为IN2+I3*R2当IN1电压逐渐升高时，要先克服电阻R1上的压差I6*R1，然后再克服电阻R1上的压差I3*R2，才能够将比较器翻转。
总的回滞区间电压为(I2+I6)*R1+(I3+I8)*R2当电流源I1＝I6，I2＝I5时，任何情况下，IN1端口的输入阻抗为为无穷大；当电流源I3＝I9，I4＝I8时，任何情况下，IN2端口的输入阻抗为为无穷大。在实际应用中，虽然电流不可能完全相等，但是其输入阻抗仍然是相当高的。
如图4所示为双H平衡式P管输入精密回滞区间比较器的电路结构示意图。其连接关系与图3所示的双H平衡式N管输入精密回滞区间比较器是互补的。其工作原理与N管输入相同，回滞区间也可以表示为回滞区间电压＝(I2+I6)*R1+(I3+I8)*R2当电流源I1＝I6，I2＝I5时，任何情况下，IN1端口的输入阻抗为无穷大；当电流源I3＝I9，I4＝I8时，任何情况下，IN2端口的输入阻抗为无穷大。
信号的输入端与输入晶体管之间也可以一个电阻连接。如图5所示单H非平衡式N管输入精密回滞区间比较器电路结构示意图，此电路与图3所示平衡结构电路的差别为与电阻R1相连接的所有电流源及开关都取消了。图中信号输入为IN1，IN2。连接电阻为R2。输入级为晶体管M6，M7和电流源I7。放大级为晶体管M1，M2，M3，M4，M8，M9。输出级为晶体管M5，M10和输出端点OUTB。电流源产生电路如图11所示。电流源逻辑控制电路为电流源I3，I4，I8，I9和电流开关SW3，SW4，SW8，SW9构成。
设定初始条件为IN1远远大于IN2，则OUTB为低而OUT为高，电流开关SW4和SW8导通而SW3与SW9截止。
M7栅极的电压＝IN2-I8*R2当IN2电压升高使得比较器翻转时，必须先补偿电阻上的压差I8*R2后才有可能。比较器翻转后，OUT为低而OUTB为高，电流开关SW3和SW9导通而SW4与SW8截止。
M7栅极的电压＝IN2+I8*R2
当IN1电压升高使得比较器翻转时，必须先补偿电阻上的压差I3*R2后才有可能。
回滞区间电压＝(I3+I8)*R2图7所示为单H非平衡式P管输入精密回滞区间比较器的电路结构示意图。其连接关系与图5所示的双H平衡式N管输入精密回滞区间比较器是互补的。其工作原理与N管输入相同，回滞区间也可以表示为回滞区间电压＝(I3+I8)*R2图5和图7所示的比较器，其IN1输入端为高阻抗，IN2输入端也可以工作在高阻抗模式下。
如图6所示为双L平衡式N管输入精密回滞区间比较器电路结构示意图。其与图3所示H结构的不同之处在于将跨接于电阻R1与R2上的H形结构电流源与开关转换为了L形结构。电流源逻辑控制电路为电流源I2，I3，I5，I9和电流开关SW2，SW3，SW5，SW9构成。
设定初始条件为IN1远远小于IN2，则OUTB为高而OUT为低，电流开关SW3和SW9导通而SW2和SW5截止。
M7栅极电压＝IN2+I3*R2当IN1逐渐升高将比较器翻转后，OUT为高而OUTB为低，电流开关SW3和SW9截止而SW2和SW5导通。
M6的栅极电压＝IN1+I2*R1回滞区间电压＝I2*R1+I3*R2如图8所示为双L平衡式N管输入精密回滞区间比较器电路结构示意图，其与图6所示的P管电路结构的连接是互补的。
回滞区间电压＝I2*R1+I3*R2双L平衡式精密回滞区间比较器可以采用其他的L结构来进行，同时，如果输入信号对比较器的输入阻抗要求不高，则与IN1和IN2直接连接的电流源可以去除。
电流开关网络的逻辑由比较器的输出决定如以上实施例谈到的电流开关是显性的，包括传输门、单管开关等，也可以是隐性的，即利用电路结构自动实现开关的逻辑而不需要真正的开关。所述显性开关需要逻辑控制信号而隐性开关不需要逻辑控制信号，其功能都是实现电流的流向根据比较器的最终输出而决定。
如图9所示为双H平衡式N管输入隐性开关精密回滞区间比较器电路结构示意图。
信号输入为IN1，IN2。连接电阻为R1，R2。输入级为晶体管M21，M20和电流源I。放大级为晶体管M1，M11，M4，M14，M5，M15，M8，M18，M9，M19，M22，M33，M27，M32，M28，M36。输出级为晶体管M29，M10和输出端点OUTB。电流源产生电路如图11所示。电流源逻辑控制电路为晶体管M2，M12，M3，M13，M6，M16，M7，M17，M23，M24，M25，M26，M30，M31，M34，M35构成。连接关系为晶体管M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M10的源极与VDD电源连接，晶体管M1、M2、M3、M4的漏极分别与M11、M12、M13、M14的栅极连接，M1、M2、M3、M4的栅极与M14漏极、M20的漏极连接，M5、M6、M7、M8、M9的漏极分别与M15、M16、M17、M18、M19的漏极连接，M5、M6、M7、M8、M9的栅极与M15的漏极、M21的漏极连接，晶体管M11、M12、M13、M14、M15、M16、M17、M18、M19的栅极与节点VbiasP连接，电阻R1的一端连接节点IN1和M17、M23的漏极，电阻R1的另外一端连接M20的栅极和M13、M25的漏极，电阻R2的一端连接节点IN2和M12、M26的漏极，电阻R1的另外一端连接M21的栅极和M16、M24的漏极，M22、M23、M24、M25、M26、M27、M28的栅极与电压偏置节点VbiasN连接，M30、M31、M32、M33、M34、M35、M36的源极与地线连接，M30、M31、M32的栅极M18、M27的漏极连接，M33、M34、M35、M36的栅极与M11、M22的漏极连接。节点OUTB与M19、M28的漏极、M10、M29的栅极连接，OUT与M10、M29的漏极连接。
工作原理为设定初始条件IN1远远大于IN2，比较器的输出OUTB为低而OUT为高。电阻R1上电流的流向为从M13的漏极经R1到达M23的漏极，电阻R2上电流的流向为从M12的漏极经R2到达M24的漏极，其他的电流源没有电流。
M20栅极电压＝IN1+K1*I*R1，M21栅极电压＝IN2-K2*I*R2，其中K1、K2为电流镜的比例常数。
当IN2逐渐升高将比较器翻转后，OMT为低而OUTB为高。电阻R1上电流的流向为从M17的漏极经R1到达M25的漏极，电阻R2上电流的流向为从M16的漏极经R2到达M26的漏极，其他的电流源没有电流。
M20栅极电压＝IN1-K3*I*R1，M21栅极电压＝IN2+K4*I*R2其中K3、K4为电流镜的比例常数。
回滞区间电压＝(K1+K3)*I*R1+(K2+K4)*I*R2如图10所示为双H平衡式P管输入隐性开关精密回滞区间比较器电路结构示意图，其连接关系与图9所示的双H平衡式N管输入隐性开关精密回滞区间比较器是互补的，工作原理相同。
利用图9和图10的电路结构，可以非常容易得到单H非平衡式的N管输入隐性开关精密回滞区间比较器，单H非平衡式的P管输入隐性开关精密回滞区间比较器，以及双L平衡式P管输入隐性开关精密回滞区间比较器，双L平衡式N管输入隐性开关精密回滞区间比较器。
隐性开关精密回滞区间比较器也可以实现高输入阻抗的性能，在不需要高阻抗输入的情况下，某些与IN1及IN2连接的电流源可以省略。
如图11所示为电流源产生电路示意图，运算放大器opAMP与晶体管M1、M2分别构成跟随器，运算放大器的正输入端与参考电压连接，负输入端分别与M1、M2的源极及电阻Rref连接，运算放大器的输出端分别与M1、M2的栅极连接。
产生的参考偏置电流为I＝Vref/Rref将电流产生的公式代入上述的回滞区间电压公式中，可以得到回滞区间电压＝K*Vref*(R/Rref)其中，K为常数，Vref为基准参考电压，R为比较器中产生回滞区间使用的电阻，如上述电路结构中的与输入端晶体管连接的电阻R1与R2，Rref为产生参考基准电流源使用的电阻。回滞区间的大小既可以通过改变参考电压的大小来设定，也可以通过改变两个电阻的比例来设定。
本发明所述的比较器，其回滞区间电压仅仅与参考基准电压源、两个电阻的比例呈线性关系，是精密可控的。
权利要求
1.回滞区间精密可控比较器的控制方法，其特征在于，比较器电路由以下模块构成信号输入、连接电阻、输入级、放大级、输出级、电流源产生电路、电流源逻辑控制电路；输入的信号经过电阻后与比较器的输入级电路连接，其结果经过放大级电路处理后进入输出级电路，然后产生最终的输出结果；同时，该输出的结果产生控制逻辑，用以控制电流源产生模块中流出电流的方向；电流在连接电阻上的不同流向在信号的输入与比较器的输入级电路之间产生压差，从而构成相应的回滞区间。
2.根据权利要求1所述的回滞区间精密可控比较器的控制方法，其特征在于，回滞区间的大小与参考电压和两个电阻的比例呈线性关系，其精度取决于参考电压的精度和两个电阻的匹配程度；参考电压采用带隙基准电压。
3.根据权利要求1所述的回滞区间精密可控比较器的控制方法，其特征在于，输入管可以是双极晶体管，也可以是MOS晶体管。
4.根据权利要求1所述的回滞区间精密可控比较器的控制方法，其特征在于，至少一个信号的输入端与输入晶体管之间以一个电阻连接。
5.根据权利要求1所述回滞区间精密可控比较器的控制方法，其特征在于，电流开关网络的逻辑由比较器的输出决定；电流开关可以是显性的，包括传输门、单管开关等，也可以是隐性的，即利用电路结构自动实现开关的逻辑而不需要真正的开关。
6.根据权利要求5所述的回滞区间精密可控比较器的控制方法，其特征在于所述显性开关需要逻辑控制信号而隐性开关不需要逻辑控制信号，其功能都是实现电流的流向根据比较器的最终输出而决定。
7.根据权利要求1所述的回滞区间精密可控比较器的控制方法，其特征在于，回滞区间的大小可以根据需要精密设定。
8.根据权利要求7所述的回滞区间精密可控比较器的控制方法，其特征在于，回滞区间的大小既可以通过改变参考电压的大小来设定，也可以通过改变两个电阻的比例来设定。
全文摘要
本发明涉及一种回滞区间精密可控的比较器的控制方法。比较器电路由以下模块构成信号输入、连接电阻、输入级、放大级、输出级、电流源产生电路、电流源逻辑控制电路；输入的信号经过电阻后与比较器的输入级电路连接，其结果经过放大级电路处理后进入输出级电路，然后产生最终的输出结果；同时，该输出的结果产生控制逻辑，用以控制电流源产生模块中流出电流的方向；电流在连接电阻上的不同流向在信号的输入与比较器的输入级电路之间产生压差，从而构成相应的回滞区间。本发明使回滞区间大小能够精密控制。
文档编号H03K19/003GK1499718SQ0213402
公开日2004年5月26日 申请日期2002年11月8日 优先权日2002年11月8日
发明者尹登庆 申请人:尹登庆