工艺、电压和温度耐受差分电路的制作方法

工艺、电压和温度耐受差分电路的制作方法
【专利摘要】公开了一种自动校准的差分放大器，其包括：输入级差分放大器，被配置为接收输入差分信号、差分放大所述输入差分信号以生成输入级输出差分信号、以及具有输入级偏置电流；以及复制级差分放大器，被配置为响应于工艺或环境变化而自动地校准输入级偏置电流。例如，差分放大器可以被包括在比较器和多电平接收器中。
【专利说明】工艺、电压和温度耐受差分电路

【技术领域】
[0001] 本发明的各方面涉及工艺、电压和温度（process, voltage, and temperature) (PVT)耐受（tolerant)差分电路以及包括PVT耐受差分电路的比较器。

【背景技术】
[0002] 差分电路（或差分放大器）是一种放大两个输入信号之间的差的电子电路。差分 电路的普遍配置是差分对，其包括具有公共退化（common degeneration)的两个放大级。
[0003] 许多电子设备使用差分电路。例如，比较器，一种比较两个输入信号并输出基于这 个比较的信号的设备，可以使用差分电路。在一个配置中，比较器接收两个输入信号并输出 指示所接收的信号中的哪一个更大的信号。在另一个配置中，比较器接收两个信号（例如， 两个互补信号）并输出指示所接收的两个信号之间的差是否大于检测电平的信号。
[0004] 被实施成执行上述电平检测的比较器具有许多应用，包括多电平（multilevel) 串行/并行链路、模数转换器、以及峰值检测。失配（mismatched)差分电路（例如，具有失 配放大器级的电路）可以用在比较器中以设定偏移电压调整以及用于电平检测。希望启用 大范围的检测电平以便扩展比较器电路的可使用范围（例如，以便增大检测范围）。
[0005] 另外，希望得到对于环境或工艺变化具有弹性（resilient)的差分电路。例如，在 多电平系统中，各种检测电平电压在工艺、电压和温度（PVT)变化的情况下应当理想地保 持恒定；否则该系统可能失败、可能易出错、或者可能要求过设计（over-designing)以适 应所述变化。如上所述，检测电平电压可以使用失配差分电路来设定；但是，失配差分电路 的检测电平是失配差分电路的过驱动的函数，其可以随PVT条件而变化。


【发明内容】

[0006] 本发明的各方面提供一种失配差分电路，其对于工艺和环境变化保持弹性。例如， 本发明的各方面提供一种工艺、电压和温度（PVT)耐受差分电路。例如，根据本发明的实施 例的差分电路可以用于比较器和多电平接收器中。
[0007] 根据本发明的实施例，PVT耐受差分电路是具有预定义的检测电平的失配差分电 路。失配差分电路的检测电平可以通过使用调整差分电路的偏置电流的反馈环而保持恒 定，即使是在工艺和环境发生变化的情况下。反馈环可以包括复制级（r印lica stage)差 分电路，并使用参考电压来补偿工艺和环境变化。
[0008] 比较器的检测电平的范围能够通过控制放大器级之间的失配来扩展。例如，可以 通过使比较器的差分电路中的器件的体电势（bulk potential)或尺寸失配或者通过创建 偏置电流失配来控制这个失配。在一个实施例中，包括具有失配的体电势、尺寸、和电流的 器件的三重失配（triple-mismatched)差分电路被提供来使得比较器的检测电平的范围 较宽。
[0009] 根据本发明的实施例，提供了在环境和工艺变化的情况下具有稳定的检测电平的 多电平接收器。多电平接收器可以包括多个比较器，每个比较器包括具有预定义的检测电 平的失配差分电路，所述预定义的检测电平通过使用调整失配差分电路的偏置电流的反馈 环在工艺和环境变化的情况下被维持恒定。反馈环可以包括复制级失配差分电路，并使用 参考电压来补偿工艺和环境变化。
[0010] 根据本发明的实施例，作为用于显示器的数字通信链路的一部分，提供一种对于 工艺和环境变化保持弹性的失配差分电路。
[0011] 根据本发明的实施例，提供一种自动校准的差分放大器，包括：输入级差分放大 器，被配置为接收输入差分信号、差分放大所述输入差分信号以生成输入级输出差分信号、 以及具有输入级偏置电流；以及复制级差分放大器，被配置为响应于工艺或环境变化而自 动校准输入级偏置电流。
[0012] 复制级差分放大器可以被配置为：接收参考差分信号；差分放大所述参考差分信 号以提供复制级输出差分信号；并且基于复制级输出差分信号提供参考电流。这里，复制级 偏置电流和输入级偏置电流可以是基于参考电流的。
[0013] 复制级差分放大器可以包括：第一放大器腿（amplifier leg);第二放大器腿；以 及反馈电路，耦合到第一放大器腿和第二放大器腿，并且被配置为输出参考电流。第一放大 器腿和第二放大器腿可以一起被配置为差分放大所述参考差分信号以提供复制级输出差 分信号，反馈电路可以接收复制级输出差分信号，并且可以根据复制级输出差分信号来输 出参考电流，并且第一放大器腿的第一放大器腿电流和第二放大器腿的第二放大器腿电流 的和可以等于复制级偏置电流。
[0014] 反馈电路可以包括比较器和电流发生器，并且比较器可以被配置为接收复制级输 出差分信号，并且根据复制级输出差分信号来控制电流发生器以增大或减小参考电流。
[0015] 反馈电路可以包括放大器和晶体管，晶体管被配置为输出参考电流，而放大器可 以被配置为接收复制级输出差分信号，并且根据复制级输出差分信号控制晶体管的栅极电 压以调整参考电流。
[0016] 复制级差分放大器还可以包括：第一电阻器，具有耦合到电压源的第一端子、以及 第二端子；第二电阻器，具有耦合到电压源的第一端子、以及第二端子；第一电流宿，被配 置为吸收（Sink)第一电流；第二电流宿，被配置为吸收第二电流；第一晶体管，具有耦合到 第一电阻器的第二端子的第一端子、耦合到第一电流宿的第二端子、和被配置为接收参考 差分信号的第一参考信号的栅极端子；第二晶体管，具有耦合到第二电阻器的第二端子的 第一端子、耦合到第一电流宿的第二端子、和被配置为接收参考差分信号的第二参考信号 的栅极端子；第三晶体管，具有耦合到第二电阻器的第二端子的第一端子、耦合到第二电流 宿的第二端子、和被配置为接收参考差分信号的第二参考信号的栅极端子；第四晶体管，具 有耦合到第一电阻器的第二端子的第一端子、耦合到第二电流宿的第二端子、和被配置为 接收参考差分信号的第一参考信号的栅极端子；以及反馈电路，被配置为从第一晶体管的 第一端子和第二晶体管的第一端子接收复制级输出差分信号，并输出参考电流。这里，第一 电流和第二电流可以是基于参考电流的，并且第一电流和第二电流的和可以等于复制级偏 置电流。
[0017] 自动校准的差分放大器还可以包括耦合到输入级差分放大器和复制级差分放大 器的电流镜（current mirror)。这里，电流镜可以复制参考电流以控制输入级偏置电流。
[0018] 输入级差分放大器可以包括：包括第一晶体管的第一放大器腿和包括第二晶体管 的第二放大器腿，并且输入级差分放大器可以被配置为位于比较器的输入级。这里，第一放 大器腿和第二放大器腿可以一起被配置为差分放大所述输入差分信号，输入级差分放大器 可以被配置为具有输入偏移电压，并且输入偏移电压可以对应于第一晶体管的体电势和第 二晶体管的体电势之间的差。
[0019] 根据本发明的一个方面，提供一种多电平信号接收器，包括：输入端子，被配置为 接收多电平差分信号；数据分割器，耦合到输入端子，并且被配置为确定多电平差分信号的 电压电平，数据分割器包括复制级比较器和多个输入级比较器；以及解码器，耦合到数据分 割器的输出，并且被配置为解码多电平差分信号的比特。这里，输入级比较器中的每一个包 括输入级差分放大器，输入级差分放大器包括：第一放大器腿；和第二放大器腿，第一放大 器腿和第二放大器腿一起被配置为差分放大所述多电平差分信号以提供阈值确定信号，输 入级差分放大器被配置为具有输入偏移电压和输入级偏置电流，并且输入级比较器中的每 一个被配置为具有不同于输入级比较器中的其他输入级比较器的阈值电平的阈值电平。而 且，输入级比较器中的每一个被配置为将其阈值确定信号输出到解码器以指示多电平差分 信号是否大于其阈值电平，对于输入级比较器中的每一个，阈值电平对应于输入级差分放 大器的输入偏移电压。复制级比较器包括复制级差分放大器，复制级差分放大器包括：第一 放大器腿；第二放大器腿；以及反馈电路，被配置为根据复制级输出差分信号自动地调整 复制级偏置电流。对于输入级比较器中的每一个，输入级差分放大器的输入级偏置电流是 基于复制级偏置电流的。
[0020] 复制级差分放大器可以被配置为：接收参考差分信号；差分放大所述参考差分信 号以提供复制级输出差分信号；并且基于复制级输出差分信号提供参考电流。复制级偏置 电流和输入级偏置电流可以是基于参考电流的。
[0021] 反馈电路可以耦合到复制级差分放大器的第一放大器腿和第二放大器腿，并且被 配置为输出参考电流，复制级差分放大器的第一放大器腿和第二放大器腿可以一起被配置 为差分放大所述参考差分信号以提供复制级输出差分信号，反馈电路可以接收复制级输出 差分信号，并且可以根据复制级输出差分信号来输出参考电流，并且第一放大器腿的第一 放大器腿电流和第二放大器腿的第二放大器腿电流的和可以等于复制级偏置电流。
[0022] 反馈电路可以包括比较器和电流发生器。比较器可以被配置为接收复制级输出差 分信号，并且根据复制级输出差分信号来控制电流发生器以增大或减小参考电流。
[0023] 反馈电路可以包括放大器和晶体管，晶体管被配置为输出参考电流。放大器可以 被配置为接收复制级输出差分信号，并且根据复制级输出差分信号来控制晶体管的栅极电 压以调整参考电流。
[0024] 多电平信号接收器还可以包括耦合到输入级比较器中的每一个的输入级差分放 大器、和复制级差分放大器的电流镜。电流镜可以复制参考电流以控制输入级比较器中的 每一个的输入级差分放大器的输入级偏置电流。
[0025] 复制级差分放大器还可以包括：第一电阻器，具有耦合到电压源的第一端子、以及 第二端子；第二电阻器，具有耦合到电压源的第一端子、以及第二端子；第一电流宿，被配 置为吸收第一电流；第二电流宿，被配置为吸收第二电流；第一晶体管，具有耦合到第一电 阻器的第二端子的第一端子、耦合到第一电流宿的第二端子、和被配置为接收参考差分信 号的第一参考信号的栅极端子；第二晶体管，具有耦合到第二电阻器的第二端子的第一端 子、耦合到第一电流宿的第二端子、和被配置为接收参考差分信号的第二参考信号的栅极 端子；第三晶体管，具有耦合到第二电阻器的第二端子的第一端子、耦合到第二电流宿的第 二端子、和被配置为接收参考差分信号的第二参考信号的栅极端子；第四晶体管，具有耦合 到第一电阻器的第二端子的第一端子、耦合到第二电流宿的第二端子、和被配置为接收参 考差分信号的第一参考信号的栅极端子；以及反馈电路，被配置为从第一晶体管的第一端 子和第二晶体管的第一端子接收复制级输出差分信号，并输出参考电流。这里，第一电流 和第二电流可以是基于参考电流的，并且第一电流和第二电流的和可以等于复制级偏置电 流。
[0026] 输入级比较器中的至少一个的输入级差分放大器的输入偏移电压可以对应于第 一晶体管的体电势和第二晶体管的体电势之间的差。

【专利附图】

【附图说明】
[0027] 附图示出了本发明的示范性实施例，并且与说明书一起，用来解释本发明的特征 和各方面。
[0028] 图1示出了根据本发明实施例的多电平接收器。
[0029] 图2示出了根据本发明实施例的失配差分电路。
[0030] 图3描绘了示出根据本发明实施例的三个差分电路的I-V特性的图形。
[0031] 图4描绘了示出PVT变化对差分电路器件的偏移电压的影响的图形。
[0032] 图5示出了根据本发明实施例的复制级差分电路。
[0033] 图6描绘了示出根据本发明实施例的对于PVT变化对差分电路器件的偏移电压的 影响的弹性的图形。
[0034] 图7示出了根据本发明的另一个实施例的复制级差分电路。
[0035] 图8是根据本发明实施例的用于显示器的数字通信链路的框图。

【具体实施方式】
[0036] 本发明的各方面提供一种对工艺和环境变化保持弹性的差分电路。
[0037] 根据本发明的实施例的差分电路可以实施为失配差分电路，失配差分电路可以包 括在比较器中。例如，失配差分电路可以用来设定比较器的检测电平。失配差分电路可以 实施为差分放大器对（一般称为"差分对（differential pair)")，其中，具有公共（射极、 源极、阴极等等）退化的两个放大级（或腿（leg))具有不同（或失配）性质。这种性质失 配在放大级中创建了固有的偏移。因此，通过改变性质失配，偏移改变；因此，可以调整比较 器的检测电平。
[0038] 比较器的检测电平也是其输入器件的过驱动电压（overdrive voltage)的函数， 该过驱动电压根据输入器件（例如，晶体管）的阈值电压而变化。具体地说，过驱动电压可 以通过等式V w = Ves-Vt来定义。其中，Vw是输入器件的过驱动电压，Ves是输入器件的栅 极到源极（gate-to-source)电压，而V t是器件的阈值电压。
[0039] 器件的阈值电压可以根据工艺和环境（例如，电压和温度）变化而波动 (fluctuate);因此，比较器的检测电平可以接着（in turn)根据工艺和环境变化而波动。 然而，波动的检测电平可以显著地损害比较器的性能。例如，波动的检测电平可以引起检测 错误。补偿这种检测电平波动的一种方式是对系统进行过设计以便解决所述波动。然而， 这可能导致不希望的设计或功率开销。
[0040] 因此，本发明的各方面自动校准差分电路以维持比较器的检测电平，而不管工艺、 电压或温度（PVT)变化。根据实施例，通过反馈环来维持比较器的检测电平，反馈环调整差 分电路的偏置电流以补偿PVT变化。
[0041] 例如，反馈环可以采用复制级差分电路和参考电压来调整差分电路的偏置电流以 便补偿PVT变化。参考电压可以在已知的操作条件（例如，最大检测设定）下被施加到复 制级差分电路的输入。复制级差分电路的输出可以由放大器（例如，模拟放大器）或比较 器（例如，数字比较器）接收，所述放大器或比较器控制偏置电流以迫使（force)复制级差 分电路的输出处于与位于其输入的给定参考电压相同的电压。复制级偏置电流可以被复制 到差分电路。
[0042] 因此，反馈环在各种温度和电压条件下或者在各种工艺角（process corner)下维 持比较器的检测电平。上述校准与持续的摆动负载（constant swing load) -起使得差分 电路器件的阈值电压以及有效增益在PVT范围上保持恒定。根据本发明的一个方面，在单 一检测电平的校准足以保证在所有点上的跟踪（tracking)，因为阈值对于偏置电流具有温 和的非线性依赖性（mild nonlinear dependence)。
[0043] 根据本发明的实施例，提供一种包括多个比较器的多电平接收器，其中，每个比较 器具有不同的检测电平，并且每个比较器包括差分电路。多电平接收器还可以包括复制级 差分电路，用来校准其它差分电路，从而使它们是PVT耐受的。为此，复制级差分电路可以 控制其它差分电路的偏置电流以补偿PVT变化。
[0044] 以下，以图示的方式示出和描述了本发明的某些实施例。如本领域技术人员将认 识到的，本发明可以以许多不同的形式来具体实现，并且不应被解释为受限于这里所阐述 的实施例。取而代之的是，详细的描述应当被解释为涵盖所附权利要求及其等效物的范围。 同时，在本申请中，当一个元素被称为"耦合"（例如，电耦合或电连接）到另一个元素时，其 可以直接耦合到另一个元素或者在其间插入了一个或多个插入元素的情况下间接地耦合 到另一个元素。以下，相似的参考标号指代相似的元素。
[0045] 当诸如"……中的至少一个"的表达方式出现在一列元素之后时，其改动整列元素 而不是改动该列中的单个元素。而且，在描述本发明的实施例时对"可以"的使用是指"一 个或多个本发明的实施例"。
[0046] 为了便于说明，以下示例实施例是在多电平数据系统的上下文中进行描述。然而， 本领域普通技术人员将认识到本发明的范围不限于此。
[0047] 多电平数据系统将数据量化为多于两个电平，从而比同样容量的二进制数据系统 使用更少的信道带宽。一个这样的多电平数据系统是PAM_4(脉冲幅度调制-4电平）数据 系统。PAM-4数据系统可以包括发送器、传输链路和接收器。PAM-4发送器将一对比特编码 为四电平信号，例如，L、V 2、V3和V4 (例如，-0. 66V、-0. 33V、0. 33V和0. 66V)，并将编码后的 多电平信号通过传输链路传送给PAM-4接收器。PAM-4接收器通过将接收到的信号与三个 不同的检测电平电压V K1、VK2和VK3进行比较来重新构建所发送的多电平信号。
[0048] 在PAM-4接收器的一个实施例中，根据以下逻辑确定检测电平电压： 例如，在多电平信号的四个电平是-〇· 66V、-(X 33V、0. 33V和(λ 66V 的情况下，检测电平电压可以是-o. 5V、OV和0. 5V (例如，差分配置）。在另一个示例中，在多 电平信号的四个电平是〇V、0. 33V、0. 66V和IV的情况下，检测电平电压可以是0. 25V、0. 5V 和0. 75V (例如，单端配置）。
[0049] 这里，如果接收到的多电平信号小于VK1，则接收器确定多电平信号发送与％相关 联的逻辑电平（例如，00)。如果接收到的多电平信号大于V K1，但是小于VK2，则接收器确定 多电平信号发送与v2相关联的逻辑电平（例如，01)。如果接收到的多电平信号大于V K2，但 是小于VK3，则接收器确定多电平信号发送与V3相关联的逻辑电平（例如，10)。并且，如果 接收到的多电平信号大于V K3，则接收器确定多电平信号发送与ν4相关联的逻辑电平（例 如，11)。
[0050] 在ΡΑΜ-4接收器的实施方式中，通过使用三个比较器和解码器来重新构建多电平 信号，每个比较器具有不同的检测电平。
[0051] 图1示出了根据本发明实施例的多电平接收器。
[0052] 根据本发明的实施例，脉冲幅度调制（ΡΑΜ)接收器100包括用于接收多电平数据 信号S m的传输链路110 (其编码多于一个比特的数据）、包括多个比较器130的数据分割器 120、以及解码器140。PAM接收器还可以包括前置放大器150,前置放大器150在多电平数 据信号s"^lj达数据分割器120之前向其提供增益电平移位和均衡（gain level shifting and equalization)。根据本发明的实施例，多电平数据信号Sm是差分信号。
[0053] 根据本发明的一个方面，数据分割器120包括第一比较器130A、第二比较器130B 和第三比较器130C，第一比较器130A建立第一检测电平电压VK1，第二比较器130B建立第 二检测电平电压V K2，而第三比较器130C建立第三检测电平电压VK3。如上所述，第二检测电 平电压V K2可以大于第一检测电平电压VK1并且小于第三检测电平电压VK3。
[0054] 根据本发明的另一个方面，数据分割器120包括复制级（或伪）比较器130D。复 制级比较器130D自动地校准比较器130AU30B和130C以维持它们的检测电平，而不管工 艺、电压和温度（PVT)的变化。以下给出复制级比较器130D的详细描述。
[0055] 现在参考比较器130A、130B和130C，比较器130A、130B和130C建立三个检测电平 以便根据多电平数据信号S m与三个检测电平的关系来提供四个不同的（distinct)输出。 因此，比较器130A、130B和130C的输入被耦合在一起以形成用于接收多电平数据信号S m的 公共差分输入端子。
[0056] 而且，比较器130A、130B和130C中的每一个具有耦合到解码器140的差分输出端 子。解码器140从比较器130A、130B和130C的各个差分输出端子接收比较器130A、130B 和130C中的每一个的差分输出信号（例如，电平确定信号），并且基于接收到的差分输出信 号解码经由多电平数据信号Sm发送的数据。
[0057] 如上所述，比较器130A、130B和130C共同地提供四个不同的输出给解码器。这些 输出中的每一个对应于由编码两比特的数据的PAM-4发送器生成的四个信号电平中的特 定的一个。因此，解码器能够解码通过PAM-4多电平数据信号S m&送的两比特的数据。
[0058] 根据本发明的一个方面，使用失配差分电路来控制比较器130AU30B和130C的检 测电平。
[0059] 例如，第一比较器130A可以包括第一失配差分电路，其具有用于启用第一检测电 平电压V K1的第一偏移电压，第二比较器130B可以包括第二失配差分电路，其具有用于 启用第二检测电平电压VK2的第二偏移电压，而第三比较器130C可以包括第三失配差分 电路，其具有用于启用第三检测电平电压VK3的第三偏移电压八33。
[0060] 根据本发明的一个实施例，包括在各个比较器130A、130B或130C中的失配差分电 路中的每一个具有彼此不同的偏移电压V。,，以便提供三个不同的检测电平。
[0061] 现在参考图2,图2示出了根据本发明实施例的失配差分电路。
[0062] 图2的失配差分电路10示出了本发明的提供三重失配（triple-mismatched)差 分对的实施例。也就是说，失配差分电路10示出了在器件体电势、器件尺寸和偏置电流方 面可以具有性质失配的差分放大器电路。本领域普通技术人员将认识到，本发明不局限于 三重失配差分电路，而是可以使用各种差分电路中的任意一个。
[0063] 根据本实施例的失配差分电路10包括两个差分放大器对。
[0064] 具体地说，图2的失配差分电路10包括第一晶体管?\到第四晶体管T4，其中每个 晶体管对应于两个放大器对之一的一个放大器级。这里，第一晶体管?\和第二晶体管Τ 2将 它们的源极共同地耦合到第一电流宿L，并且它们分别通过电阻器札和R2耦合到电压源 Vs。第一晶体管?\和第二晶体管T2对应于第一差分放大器对。第三晶体管T3和第四晶体 管Τ 4类似地将它们的源极共同地耦合到第二电流宿12，并且它们分别通过电阻器&和R2耦 合到电压源V s。第三晶体管T3和第四晶体管T4对应于第二差分放大器对。
[0065] 第一和第二差分放大器对被耦合在一起，以便作为单一的差分放大器对来高效地 操作。也就是说，第一和第二差分对共同地接收相同的差分输入信号并且一起操作以产生 单一的差分输出信号。
[0066] 使用两个耦合的差分放大器对的特征是不同的电流宿可以是失配的，从而提供额 外的偏移电压范围。例如，第一电流宿L的电流的值可以被设定为大于第二电流宿12的电 流的值，这造成了不对称的放大腿（amplifying leg),从而导致对针对偏移电压的控制的 探索。
[0067] 使用两个耦合的差分放大器对的另一个特征是存在更多的可以用来调整的器件 参数，这扩展了偏移电压灵活性。例如，晶体管的体电势和/或尺寸（例如，宽度^到^) 可以是失配的，以便使得可用的偏移电压更加灵活。
[0068] 体电势可以静态地或动态地失配。静态体电势失配可以通过直接将晶体管的基体 (bulk)连接到其源极、地电势、或静态电压源来实现。动态体电势失配可以通过将晶体管的 基体连接到可变电压源或者通过启用基体与各种节点（例如，地、电压源、或器件源极）的 动态连接来实现。
[0069] 差分电路还包括两个输入节点和两个输出节点，两个输入节点分别接收互补的输 入信号对vp和Vn，而两个输出节点分别输出互补的输出信号对V#和Vy。在本实施例中，两 个输入节点处于晶体管?\到T4的栅极，而输出节点处于晶体管?\到T4的漏极。
[0070] 互补的输入信号对Vp和Vn(合起来，差分输入信号）被差分对差分地放大（S卩，相 减并相乘），以生成互补的输出信号对V。.和(合起来，差分输出信号）。
[0071] 由于放大器对中的失配，差分放大关于不同的输入是非对称的。这种非对称引入 了如上所述的偏移电压，并导致建立比较器的检测电平。
[0072] 可实现的偏移电压范围的示例被示出在图3中。图3示出了示出根据本发明实施 例的差分电路的ι-v特性的图形。
[0073] 图3示出了三个差分电路的I-V特性范围。这三个I-V特性图形可以对应于以上 结合图1描述的比较器130A、130B和130C的三个差分电路。如这些图形中所示，三个失配 差分电路可被配置为提供下部组、中间组和上部组的偏移电压范围，以对应于多电平接收 器中使用的比较器的下部、中间和上部检测电平。
[0074] 根据一个实施例，下部和上部失配差分电路是三重失配差分电路，三重失配差分 电路可被配置为具有体电势、器件尺寸、以及偏置电流的失配。下部和上部失配差分电路可 以是彼此的镜像。也就是说，下部失配差分电路中的放大器腿可以具有特定的电路性质失 配，而上部失配差分电路中的放大器腿可以具有对应的、但是相反的电路性质失配（例如， 在哪个腿具有哪些电路性质方面相反）。
[0075] 例如，再次参考图2,下部失配差分电路可以被配置成使得：第一晶体管?\和第四 晶体管Τ 4具有基体-源极（bulk-to-source)连接，第二晶体管Τ2和第三晶体管Τ3具有基 体-地连接，而第一晶体管宽度Α和第三晶体管宽度W 3是相同的大小，并且大于第二晶体 管宽度W2和第四晶体管宽度W4 (第二晶体管宽度W2和第四晶体管宽度W4是相同的大小）。 这个配置导致第一偏移电压。例如，在第一晶体管宽度A和第三晶体管宽度W 3为大约 4. 8 μ m而第二晶体管宽度W2和第四晶体管宽度W4为大约1. 2 μ m的实施例中，第一偏移电 压可以为大约_203mV。
[0076] 通过以与下部失配差分电路相对应但相反的方式来配置上部失配差分电路，其可 以具有与第一偏移电压幅度相同但是极性相反的第三偏移电压。例如，上部失配差 分电路可以被配置成使得：第一晶体管?\和第四晶体管T 4具有基体-地连接，第二晶体管 Τ2和第三晶体管Τ3具有基体-源极连接，而第一晶体管宽度Α和第三晶体管宽度W3是相 同的大小，并且小于第二晶体管宽度W 2和第四晶体管宽度W4(第二晶体管宽度W2和第四晶 体管宽度W 4是相同的大小）。在第一晶体管宽度A和第三晶体管宽度W3为大约1. 2 μ m而 第二晶体管宽度W2和第四晶体管宽度W4为大约4. 8 μ m的实施例中，第三偏移电压可 以为大约+203mV。
[0077] 因此，利用这种镜像的失配配置，下部失配差分电路和上部失配差分电路可以具 有幅度相同但极性不同的偏移电压。
[0078] 同时，根据一个实施例，中间差分电路可以被配置成使得其器件性质匹配（即，是 平衡的），从而其偏移电压处于0V。
[0079] 而且，如上所述，这些差分电路可被配置为通过调整偏置电流而具有三重失配。例 如，再次参考图2,电流宿^和1 2(共同地，设定偏置电流）可以失配，以便进一步扩展偏移 电压范围。这可以动态地或静态地实施。图3的I-V图形示出了这个场景的实施例。
[0080] 在图3中，X轴表不差分输入电压，而y轴表不差分电路的差分输出电流。在每个 图形中，实线表示其中偏置电流全部由第一电流宿Ii供应的配置，而虚线表示其中偏置电 流全部由第二电流宿1 2供应的配置。这两条线之间的区域在失配差分电路的可操作范围 内，并且是通过调整第一电流宿Ii和第二电流宿1 2的失配来实现的。根据一个实施例，偏 置电流根据以下表达式可变：偏置电流=Ii+I2。
[0081] 在一个实施例中，偏移电压范围以偏置电流在第一电流宿Ii和第二电流宿12之间 平衡的配置的偏移电压为中心。同样地，偏移电压范围的中心对应于分别对应于以上对第 一偏移电压和第三偏移电压以及第二偏移电压的描述，第一偏移电压和第 三偏移电压分别对应于镜像的下部和上部失配差分电路，第二偏移电压对应于平 衡的中间差分电路。
[0082] 根据一个实施例，偏置电流为大约400 μ Α。因此，第一电流宿L和第二电流宿12 的电流的值合计达400 μ A。这里，偏移电压范围的幅度可以为大约600mV。
[0083] 因此，下部失配差分电路的实施例可以具有以大约-203mv为中心的偏移电压和 大约-409mV到大约206mV的范围，中间失配差分电路的实施例可以具有以大约0V为中心 的偏移电压和大约_306mV到大约306mV的范围，而上部失配差分电路的实施例可以具有以 大约203mV为中心的偏移电压和大约-206mV到大约409mV的范围。
[0084] 同样地，当配置具有根据本发明实施例的失配差分电路的比较器以用在多电平信 号接收器中时，大范围的检测电平是可用的。
[0085] 再次参考图1，根据本发明的一个实施例，比较器130A、130B和130C中的每一个 包括对应于以上结合图2描述的差分电路10的电路。这里，包括在各个比较器130A、130B 或130C内的差分电路10中的每一个具有彼此不同的偏移电压V。,，以便提供三个不同的检 测电平。
[0086] 例如，第一比较器130A可以包括宽度失配差分电路以提供第一检测电平电压VK1， 第二比较器130B可以包括基体失配差分电路以提供第二检测电平电压V K2，而第三比较器 可以包括宽度和基体失配的差分电路以提供第三检测电平电压VK3。
[0087] 如上所述，特定比较器的检测电平电压是基于其差分电路的偏移电压。差分电路 的偏移电压进一步基于差分电路中的输入器件（例如，放大器腿中的晶体管）的过驱动电 压。具体地说，过驱动电压可以通过等式vw = ves-vt来定义。其中vw是输入器件的过驱 动电压，v es是输入器件的栅极-源极电压，而vt是是器件的阈值电压。
[0088] 输入器件的阈值电压可以根据工艺、电压和温度（PVT)变化而波动。因此，比较器 的检测电平可以接着根据PVT变化而波动。举例来说，工艺变化包括由制造引起的器件中 的变化，其可以包括芯片之间以及芯片之内的差异；电压变化可以包括由不同的电源电压、 噪声或电阻性电压降所造成的变化；而温度变化可以包括环境、芯片或局部温度变化。
[0089] 现在参考图4,图4描绘了示出PVT变化对于差分电路器件的偏移电压的影响的图 形。
[0090] 图4示出了九（9)个波形，用以示出PVT变化可能对未补偿的差分电路器件的偏 移电压产生的影响。在这个示例中，假定波形对应于各种工艺和环境条件下图2中示出的 失配差分电路。而且，假定第一电流宿L根据等式Ι+Λ I吸收电流；而第二电流宿12根据 等式I-Λ I吸收电流。
[0091] 在图4中，X轴示出了电流失配与总偏置电流的比率。具体地说，X轴对应于Λ 1/ I。另外，y轴对应于差分电路的偏移电压。
[0092] 九（9)个波形中的每一个具有以下命名规则：NPVXTX。其中，N对应于N型晶体管， 其可以被指定为T、S或F ;T指示典型的器件，S指示慢速器件（slow device)，而F指示快 速器件（fast device)。其中，P对应于P型晶体管，其可以被指定为T、S或F;T、S和F具 有与上述类似的含义。对N和P的指定是用来表示工艺变化。V用来表示电压变化，其可以 被指定为T、L或Η ;T指示典型的电压，L指示低电压，而Η指示高电压。最后的T用来表示 温度变化，其可以被指定为T、L或Η ;Τ指示典型的温度，L指示低温，而Η指示高温。
[0093] 第一波形TTVtTt示出了典型的（或平均水平的）工艺和操作条件，并且用带有圆 圈的黑色实线示出。第二波形SSVJY示出了具有低温和低电压操作条件的慢速器件，并且 用带有方块的黑色实线示出。第三波形SSVJ H示出了具有高温和低电压操作条件的慢速器 件，并且用带有菱形的黑色实线示出。第四波形SSVHIY示出了具有低温和高电压操作条件 的慢速器件，并且用带有圆圈的灰色实线示出。第五波形ssv HTH示出了具有高温和高电压 操作条件的慢速器件，并且用带有菱形的灰色实线示出。第六波形FFVJY示出了具有低温 和低电压操作条件的快速器件，并且用带有菱形的黑色虚线示出。第七波形FFVJ H示出了 具有高温和低电压操作条件的快速器件，并且用带有圆圈的黑色虚线示出。第八波形ffvhiy 示出了具有低温和高电压操作条件的快速器件，并且用带有方块的黑色虚线示出。第九波 形ffvhth示出了具有高温和高电压操作条件的快速器件，并且用带有菱形的灰色虚线示 出。
[0094] 如图4中所见，在不同的条件之间存在不一致。下面的图表通过示出在两个偏置 电流条件下的偏移电压中的变化，来示出了这种不一致。
[0095]

【权利要求】
1. 一种自动校准的差分放大器，包括： 输入级差分放大器，被配置为接收输入差分信号、差分放大所述输入差分信号以生成 输入级输出差分信号、以及具有输入级偏置电流；以及 复制级差分放大器，被配置为响应于工艺或环境变化而自动校准所述输入级偏置电 流。
2. 如权利要求1所述的自动校准的差分放大器， 其中，所述复制级差分放大器被配置为： 接收参考差分信号； 差分放大所述参考差分信号以提供复制级输出差分信号；以及 基于所述复制级输出差分信号提供参考电流，并且 其中，复制级偏置电流和所述输入级偏置电流是基于所述参考电流的。
3. 如权利要求2所述的自动校准的差分放大器， 其中，所述复制级差分放大器包括： 第一放大器腿； 第二放大器腿；以及 反馈电路，耦合到第一放大器腿和第二放大器腿，并且被配置为输出所述参考电流， 其中，第一放大器腿和第二放大器腿一起被配置为差分放大所述参考差分信号以提供 所述复制级输出差分信号， 其中，所述反馈电路接收所述复制级输出差分信号，并根据所述复制级输出差分信号 来输出所述参考电流，并且 其中，第一放大器腿的第一放大器腿电流和第二放大器腿的第二放大器腿电流的和等 于所述复制级偏置电流。
4. 如权利要求3所述的自动校准的差分放大器， 其中，所述反馈电路包括比较器和电流发生器，并且 其中，所述比较器被配置为接收所述复制级输出差分信号，并根据所述复制级输出差 分信号控制所述电流发生器增大或减小所述参考电流。
5. 如权利要求3所述的自动校准的差分放大器， 其中，所述反馈电路包括放大器和晶体管，该晶体管被配置为输出所述参考电流，并且 其中，所述放大器被配置为接收所述复制级输出差分信号，并根据所述复制级输出差 分信号控制所述晶体管的栅极电压以调整所述参考电流。
6. 如权利要求2所述的自动校准的差分放大器， 其中，所述复制级差分放大器还包括： 第一电阻器，具有耦合到电压源的第一端子、以及第二端子； 第二电阻器，具有耦合到所述电压源的第一端子、以及第二端子； 第一电流宿，被配置为吸收第一电流； 第二电流宿，被配置为吸收第二电流； 第一晶体管，具有耦合到第一电阻器的第二端子的第一端子、耦合到第一电流宿的第 二端子、和被配置为接收所述参考差分信号的第一参考信号的栅极端子； 第二晶体管，具有耦合到第二电阻器的第二端子的第一端子、耦合到第一电流宿的第 二端子、和被配置为接收所述参考差分信号的第二参考信号的栅极端子； 第三晶体管，具有耦合到第二电阻器的第二端子的第一端子、耦合到第二电流宿的第 二端子、和被配置为接收所述参考差分信号的第二参考信号的栅极端子； 第四晶体管，具有耦合到第一电阻器的第二端子的第一端子、耦合到第二电流宿的第 二端子、和被配置为接收所述参考差分信号的第一参考信号的栅极端子；以及 反馈电路，被配置为从第一晶体管的第一端子和第二晶体管的第一端子接收所述复制 级输出差分信号，并输出所述参考电流， 其中，第一电流和第二电流是基于所述参考电流的，并且 其中，第一电流和第二电流的和等于所述复制级偏置电流。
7. 如权利要求2所述的自动校准的差分放大器，还包括耦合到所述输入级差分放大器 和所述复制级差分放大器的电流镜， 其中，所述电流镜复制所述参考电流以控制所述输入级偏置电流。
8. 如权利要求1所述的自动校准的差分放大器， 其中，所述输入级差分放大器包括：包括第一晶体管的第一放大器腿，和包括第二晶体 管的第二放大器腿，并且所述输入级差分放大器被配置为位于比较器的输入级， 其中，第一放大器腿和第二放大器腿一起被配置为差分放大所述输入差分信号， 其中，所述输入级差分放大器被配置为具有输入偏移电压，并且 其中，所述输入偏移电压对应于第一晶体管的体电势和第二晶体管的体电势之间的 差。
9. 一种多电平信号接收器，包括： 输入端子，被配置为接收多电平差分信号； 数据分割器，耦合到所述输入端子，并被配置为确定所述多电平差分信号的电压电平， 所述数据分割器包括复制级比较器和多个输入级比较器；以及 解码器，耦合到所述数据分割器的输出，并被配置为解码所述多电平差分信号的比特， 其中，所述输入级比较器中的每一个包括输入级差分放大器，所述输入级差分放大器 包括： 第一放大器腿；和 第二放大器腿， 其中，第一放大器腿和第二放大器腿一起被配置为差分放大所述多电平差分信号以提 供阈值确定信号， 其中，所述输入级差分放大器被配置为具有输入偏移电压和输入级偏置电流，并且 其中，所述输入级比较器中的每一个被配置为具有不同于所述输入级比较器中的其他 输入级比较器的阈值电平的阈值电平， 其中，所述输入级比较器中的每一个被配置为将其阈值确定信号输出到所述解码器以 指示所述多电平差分信号是否大于其阈值电平， 其中，对于所述输入级比较器中的每一个，所述阈值电平对应于所述输入级差分放大 器的输入偏移电压， 其中，所述复制级比较器包括复制级差分放大器，所述复制级差分放大器包括： 第一放大器腿； 第二放大器腿；以及 反馈电路，被配置为根据复制级输出差分信号自动地调整复制级偏置电流，并且 其中，对于所述输入级比较器中的每一个，所述输入级差分放大器的输入级偏置电流 是基于所述复制级偏置电流的。
10. 如权利要求9所述的多电平信号接收器： 其中，所述复制级差分放大器被配置为： 接收参考差分信号； 差分放大所述参考差分信号以提供所述复制级输出差分信号；以及 基于所述复制级输出差分信号提供参考电流，并且 其中，所述复制级偏置电流和所述输入级偏置电流是基于所述参考电流的。
11. 如权利要求10所述的多电平信号接收器， 其中，所述反馈电路耦合到所述复制级差分放大器的第一放大器腿和第二放大器腿， 并被配置为输出所述参考电流， 其中，所述复制级差分放大器的第一放大器腿和第二放大器腿一起被配置为差分放大 所述参考差分信号以提供所述复制级输出差分信号， 其中，所述反馈电路接收所述复制级输出差分信号，并根据所述复制级输出差分信号 输出所述参考电流，并且 其中，第一放大器腿的第一放大器腿电流和第二放大器腿的第二放大器腿电流的和等 于所述复制级偏置电流。
12. 如权利要求11所述的多电平信号接收器， 其中，所述反馈电路包括比较器和电流发生器，并且 其中，所述比较器被配置为接收所述复制级输出差分信号，并根据所述复制级输出差 分信号控制所述电流发生器增大或减小所述参考电流。
13. 如权利要求11所述的多电平信号接收器， 其中，所述反馈电路包括放大器和晶体管，所述晶体管被配置为输出所述参考电流，并 且 其中，所述放大器被配置为接收所述复制级输出差分信号，并根据所述复制级输出差 分信号控制所述晶体管的栅极电压以调整所述参考电流。
14. 如权利要求11所述的多电平信号接收器，还包括耦合到所述输入级比较器中的每 一个的输入级差分放大器和所述复制级差分放大器的电流镜， 其中，所述电流镜复制所述参考电流以控制所述输入级比较器中的每一个的输入级差 分放大器的输入级偏置电流。
15. 如权利要求9所述的多电平信号接收器， 其中，所述复制级差分放大器还包括： 第一电阻器，具有耦合到电压源的第一端子、以及第二端子； 第二电阻器，具有耦合到所述电压源的第一端子、以及第二端子； 第一电流宿，被配置为吸收第一电流； 第二电流宿，被配置为吸收第二电流； 第一晶体管，具有耦合到第一电阻器的第二端子的第一端子、耦合到第一电流宿的第 二端子、和被配置为接收所述参考差分信号的第一参考信号的栅极端子； 第二晶体管，具有耦合到第二电阻器的第二端子的第一端子、耦合到第一电流宿的第 二端子、和被配置为接收所述参考差分信号的第二参考信号的栅极端子； 第三晶体管，具有耦合到第二电阻器的第二端子的第一端子、耦合到第二电流宿的第 二端子、和被配置为接收所述参考差分信号的第二参考信号的栅极端子； 第四晶体管，具有耦合到第一电阻器的第二端子的第一端子、耦合到第二电流宿的第 二端子、和被配置为接收所述参考差分信号的第一参考信号的栅极端子；以及 反馈电路，被配置为从第一晶体管的第一端子和第二晶体管的第一端子接收所述复制 级输出差分信号，并输出所述参考电流， 其中，第一电流和第二电流是基于所述参考电流的，并且 其中，第一电流和第二电流的和等于所述复制级偏置电流。
16.如权利要求9所述的多电平信号接收器，其中，所述输入级比较器中的至少一个的 输入级差分放大器的输入偏移电压对应于第一晶体管的体电势和第二晶体管的体电势之 间的差。
【文档编号】H03K5/22GK104283518SQ201410331648
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2013年7月11日
【发明者】M.赫克马特, A.阿米尔克哈尼 申请人:三星显示有限公司