專利名稱：全差分高速低功耗比較器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種全差分高速低功耗比較器，尤其是一種通過控制靜態電流以達到低功耗的高速比較器。
背景技術：
比較器是DC-DC開關電源系統中重要的子模塊之一，其性能尤其是速度、功耗、噪聲、失調對整個DC-DC系統的性能產生重要影響。為了提高基于交叉耦合對管線性OTA比較器的響應速度，在差分對輸入管的負載端引入線性-非線性自適應電流鏡結構，并且通過與交叉耦合對管結構的相互配合，使電流鏡在不增大寬長比的前提下產生更大的鏡像電 流，但這種結構作為比較器產生的靜態功耗很大。傳統的比較器具有高速、高精度、抗電源噪聲干擾能力強的特點，但是由于傳統比較器在比較狀態結束后仍有很大的靜態電流，導致傳統比較器靜態功耗大，這也是傳統比較器結構在低功耗應用中受到嚴重制約的重要原因。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種能夠能夠有效的降低靜態功耗，提高響應速度和精度，提出一種新型全差分高速低功耗比較器。本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案本發明所設的一種全差分高速低功耗比較器，包括由兩個開關管M4、M5構成的差分放大級，由八個開關管M13、M6、M10、M7、M14、M9、M11、M8構成的自適應電流鏡負載極，由兩個開關管M1、M2構成的電流傳輸級，其特征在于還包括一個支路電流開關，所述電流開關與輸出級通過至少一個推挽反相器相連。作為本發明的一種優化結構所述支路電流開關高電平導通時，與輸出級通過奇數個推挽反相器相連，所述支路電流開關低電平導通時，與輸出級通過偶數個推挽反相器相連。作為本發明的一種優化結構所述支路電流開關為NMOS管時，與輸出級通過奇數個推挽反相器相連，所述支路電流開關為PMOS管時，與輸出級通過偶數個推挽反相器相連。作為本發明的一種優化結構所述支路電流開關為N型開關管M12時，與輸出級通過一個推挽反相器相連；所述支路電流開關為PMOS管時，與輸出級通過兩個推挽反相器相連。作為本發明的一種優化結構所述開關管MlO的漏極與N型開關管M12的源極相連，開關管Ml的漏極與N型開關管M12的漏極相連，所述推挽反相器的輸出端與N型開關管M12的柵極相連。作為本發明的一種優化結構所述比較器的輸出端與至少一個推挽反相器連接，該推挽反相器的輸出端連接后續負載。作為本發明的一種優化結構所述開關管M20的漏極與輸出端相連，所述推挽反相器的輸出級與N型開關管M12的源極相連。作為本發明的一種優化結構所述推挽反相器由PMOS管和NMOS管構成。本發明采用以上技術方案與現有技術相比，解決了傳統的OTA比較器靜態功耗大的技術問題，并且大大提高比較器的輸出擺率，提高比較器的增益和速度。
圖I為傳統OTA比較器；圖2為本發明全差分高速低功耗比較器的結構；
圖3為本發明中的線性-非線性電流鏡；圖4為方波輸入信號的輸出延遲；圖5為在N型開關管M12作用下流過開關管Ml的電流；圖6為本發明交流小信號的增益。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明圖I是傳統OTA比較器電路，包括線性電流鏡負載和差分放大級。在動態小信號時，交叉耦合對NMOS管M7、M8構成正反饋，增大其增益，而在動態大信號的情況下，該電路的線性電流鏡并不能提供足夠大的瞬態電流，而改良OTA比較器的瞬態特性。另外，靜態時，該電路靜態電流由固定尾電流組成，故在同樣的增益、瞬態特性下，其靜態功耗很大。
如圖2所示本發明設計的全差分高速低功耗比較器包括開關管Ml、開關管M2、開關管M4至N型開關管M12，其中開關管Ml的柵極與開關管M2的柵極相連，且開關管Ml的柵極與自身的漏極相連，使Ml的電阻減小。開關管M2的漏極與開關管Mll的漏極、反相器Fl的輸入級相連。開關管M6至Mll的源極相連并接地，開關管M4的源極與開關管M5的源極相連，輸入信號Vinl和Vin2分別與開關管M4的柵極和開關管M5的柵極相連，開關管M4的漏極與開關管MlO的柵極、開關管M6的柵極,開關管M8的柵極相連,開關管M5的漏極與開關管M9的柵極、開關管Mll的柵極、開關管M7的柵極相連。N型開關管M12與反相器Fl的輸出端相連。開關管M13的柵極和開關管M14的柵極分別連接固定電位Vbn，開關管M13的漏極與開關管M4的漏極相連，開關管M14的漏極與開關管M5的漏極相連，開關管M14的源極與開關管M8的漏極、開關管M9的漏極相連，開關管M4的源極與開關管M15的漏極相連，開關管M5的源極與開關管M16的漏極相連，尾電流恒流偏值Vbp分別連接開關管M15的柵極和開關管M16的柵極，以提供恒定的尾電流。如圖3所示，本發明設計原理中所用到的線性-非線性自適應電流鏡結構是在傳統的電流鏡基礎上引入了一個開關管M13，其柵極電位Vbn為恒定偏置。在正常工作時開關管MlO工作在飽和區，開關管M6的工作狀態受開關管M13的控制。電流Il恒定時，開關管M13的寬長比不變，若Vbn足夠大，則開關管M13的漏極電位足夠高，開關管M6工作在飽和區；若Vbn足夠小，則開關管M13的漏極電位足夠低，開關管M6工作在線性或深線性電阻區。此外，電流Il恒定時，保持Vbn不變，通過調節M13管的寬長比也可以控制M6管的工作狀態。將M13管的寬長比調到足夠大，開關管M13的過驅動電壓就會相應減小，其漏極電位也就足夠高，開關管M6就會工作在飽和區；將開關管M13的寬長比調到足夠小，開關管M13的過驅動電壓就會相應增大，其漏極電位也就足夠低，開關管M6就會工作在線性電阻區。對下面的公式中用到的部分參數做說明U n為n溝道器件的表面遷移率，Cox為單位面積柵氧化物電容，W為有效溝道寬度，L為有效溝道長度，I1為流經開關管Ml的電流，其它以此類推。為柵源電壓，Vtn為N管的閾值電壓。正常工作時開關管M6工作在線性區或深線性電阻區，開關管M13、開關管MlO工作在飽和區。流過開關管M6的電流Il為
權利要求
1.一種全差分高速低功耗比較器，包括由兩個開關管M4、M5構成的差分放大級，由八個開關管M13、M6、M10、M7、M14、M9、M11、M8構成的自適應電流鏡負載極，由兩個開關管Ml、M2構成的電流傳輸級，其特征在于還包括一個支路電流開關，所述電流開關與輸出級通過至少一個推挽反相器相連。
2.根據權利要求I所述的全差分高速低功耗比較器，其特征在于所述支路電流開關高電平導通時，與輸出級通過奇數個推挽反相器相連，所述支路電流開關低電平導通時，與輸出級通過偶數個推挽反相器相連。
3.根據權利要求I所述的全差分高速低功耗比較器，其特征在于所述支路電流開關為NMOS管時，與輸出級通過奇數個推挽反相器相連，所述支路電流開關為PMOS管時，與輸出級通過偶數個推挽反相器相連。
4.根據權利要求I所述的全差分高速低功耗比較器，其特征在于所述支路電流開關為N型開關管M12時，與輸出級通過一個推挽反相器相連；所述支路電流開關為PMOS管時，與輸出級通過兩個推挽反相器相連。
5.根據權利要求4所述的全差分高速低功耗比較器，其特征在于所述開關管MlO的漏極與N型開關管M12的源極相連，開關管Ml的漏極與N型開關管M12的漏極相連，所述推挽反相器的輸出端與N型開關管M12的柵極相連。
6.根據權利要求I所述的全差分高速低功耗比較器，其特征在于所述比較器的輸出端與至少一個推挽反相器連接，該推挽反相器的輸出端連接后續負載。
7.根據權利要求I所述的全差分高速低功耗比較器，其特征在于所述開關管M20的漏極與輸出端相連，所述推挽反相器的輸出級與N型開關管M12的源極相連。
8.根據權利要求I所述的全差分高速低功耗比較器，其特征在于所述推挽反相器由PMOS管和NMOS管構成。
全文摘要
本發明公開了一種全差分高速低功耗比較器，包括由兩個開關管M4、M5構成的差分放大級,由八個開關管M13、M6、M10、M7、M14、M9、M11、M8構成的自適應電流鏡負載極，由兩個開關管M1、M2構成的電流傳輸級，其中，還包括一支路電流開關，所述支路電流開關與輸出級通過至少一個推挽反相器相連。本發明所設計的全差分高速低功耗比較器解決了傳統的OTA比較器靜態功耗大的技術問題，并且大大提高比較器的輸出擺率，提高了比較器的增益和速度。
文檔編號H03K5/22GK102769447SQ20121024222
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月12日 優先權日2012年7月12日
發明者付翔, 吳建剛, 吳金, 鄒新越, 鄭麗霞 申請人:東南大學