CN103684454B - 偏移调整方法以及偏移调整电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于一动态比较器的偏移调整方法以及偏移调整电路，该偏移调整电路包含有一检测单元以及一控制单元。该检测单元会检测该动态比较器的一比较器偏移是否偏离一目标偏移设定，并据以产生一检测结果。当该检测结果显示该比较器偏移偏离该目标偏移设定时，该控制单元会调整该动态比较器所接收的至少一输入的一电压设定。通过本发明，可达到减轻/抑制比较器偏移比较器偏移变化及/或将偏离的比较器偏移回复为一期望偏移设定的功效。

Description

偏移调整方法以及偏移调整电路

技术领域

本发明所揭露的实施例是关于动态比较器(dynamic comparator)，更具体地说，本发明是关于可针对动态比较器来进行偏移调整的一种偏移调整方法以及偏移调整电路。

背景技术

现今对于利用电池供电的便携式装置的需求越来越高，高解析度和高速应用使得设计者不得不持续追求低功耗方案，例如往下缩小工艺，然而，缩小工艺可能会使得工艺变异以及其他非理想特性严重地影响整体效能。模拟数字转换器（analog-to-digitalconverter，ADC）便是其中一项亟需低功耗、高解析度以及高速运算的应用。在过去，会使用基于前置放大器（pre-amplifier）的比较器来作为模拟数字转换器的主要架构，例如快闪式模拟数字转换器（flash ADC），但基于前置放大器的比较器的主要缺点在于恒定功耗较高。为克服此一问题，便可使用动态比较器，其只有在进行信号比较时才会消耗功率，没有静态电流，因此相较于基于前置放大器的比较器来说，消耗的功率会较低。

相较于使用基于前置放大器的比较器的快闪式数字模拟转换器，一个完全动态的(fully dynamic)快闪式数字模拟转换器不需使用到追踪/保持电路（track/holdcircuit）、电阻串(resistor string)以及前置放大器，且唯一的模拟信号为欲转换为数字输出的输入信号，而每一动态比较器会感测时钟脉冲缘前后的输入信号，并且将该输入信号和其内建偏移值进行比较，其中该内建偏移值等同于基于前置放大器的比较器所使用的参考电压。

一般来说，动态比较器的偏压条件会影响动态比较器本身具有的比较器偏移。动态比较器的偏压条件可能会受某些因素影响而产生变化，举例来说，比较器偏移对于供应电压、温度等因素的变化相当敏感。因此，在实务应用上，比较器偏移便成为一个主要的考量因素。

发明内容

依据本发明的示范性实施例，提出一种可针对动态比较器来进行偏移调整的一种偏移调整方法以及偏移调整电路，以解决上述问题。

依据本发明的第一实施例，揭露一种用于一动态比较器的偏移调整电路，包含有一检测单元以及一控制单元。该检测单元用来检测该动态比较器的一比较器偏移是否偏离一目标偏移设定，并据以产生一检测结果。该控制单元在当该检测结果显示该比较器偏移偏离该目标偏移设定时，用来调整该动态比较器所接收的至少一输入的一电压设定。

依据本发明的第二实施例，揭露一种用于一动态比较器的偏移调整方法，包含有：检测该动态比较器的一比较器偏移是否偏离一目标偏移设定，并据以产生一检测结果；以及当该检测结果显示该比较器偏移偏离该目标偏移设定时，调整该动态比较器所接收的至少一输入的一电压设定。

通过使用本发明所提出的机制，可达到减轻/抑制比较器偏移比较器偏移变化及/或将偏离的比较器偏移回复为一期望偏移设定（例如一期望偏移值或是一期望偏移范围）的功效。

附图说明

图1是依据本发明一实施例的一偏移调整电路的示意图；

图2是使用两种常用的方法来将一比较器偏移引入一动态比较器的电路图；

图3是依据本发明一实施例的一动态比较器的电路图；

图4是依据本发明另一实施例的一偏移调整电路的示意图；

图5是基于图4所示的复制比较器的一示范性背景校正回路的示意图。

附图标记

具体实施方式

在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的元件。所属领域中普通技术人员应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同样的元件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。另外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。

图1是依据本发明一实施例的一偏移调整电路的示意图。偏移调整电路100可用于调整量化器10中的动态比较器20_1、20_2、20_3、…、20_N的比较器偏移，其中N可以是任何正数，也就是说，视实际设计考量而定，量化器10可具有一个或是多个动态比较器，且偏移调整电路100能够调整至少一动态比较器的比较器偏移。量化器10可以是一模拟数字转换器（例如一快闪模拟数字转换器），或者单纯只是需要进行模拟数字转换的一信号处理电路的一部分。

图2是使用两种常用的方法来将一比较器偏移引入一动态比较器的电路图。其一是建立一不平衡输入对，如虚线矩形201。其二是增加不平衡电容负载，如可调电容C1以及C2。除此之外，尚有其他方法来产生不平衡架构以引入比较器偏移。以下说明书中的ΔW代表该输入对之间的差异、该些电容值之间的差异或是其他不平衡元件之间的差异。

请参阅图3，图3是依据本发明一实施例的一动态比较器的电路图。图3所示的示范性动态比较器200可用来实现图1中的动态比较器20_1、20_2、20_3、…、20_N，但本发明并不以此为限，也就是说，本发明所揭露的偏移调整机制亦可运用在不同电路架构的动态比较器上。

如图3所示，动态比较器200操作在不同的供应电压V_DD和V_SS。具体地说，可将供应电压V_DD和V_SS视为具有不同电压位准的参考电压，而V_DD>V_SS。除此之外，动态比较器200的操作尚需接收其他输入，如图3所示，动态比较器200包含有由多个反相器212、214所组成的一闩锁器（latch）级202、由多个晶体管M₁、M₂所组成的一第一输入级204、由多个晶体管M₃、M₄所组成的一第二输入级206以及由一时钟脉冲信号CK所控制的多个尾晶体管(tailtransistor)M₅、M₆。在时钟脉冲信号CK的一个时钟脉冲周期中，动态比较器200会执行一次信号比较，因此，在时钟脉冲信号CK的单一时钟脉冲周期中，动态比较器200会通过第一输入级204接收一输入信号V₁、通过第二输入级206接收一参考电压V_REF、以及对输入信号V₁和其比较器偏移进行比较以产生一输出信号（例如V_OP和V_ON所构成的一差动输出）。在此实施例中，是通过V_IP和V_IN所构成的一差动输入来传送输入信号V₁，其中V_IP=V_CMI+(V_IN/2)、V_IN=V_CMI-(V_IN/2)且V_CMI是欲进行比较的该差动输入的一共模电压(common-mode voltage)。此外，是通过V_RP和V_RN所构成的一差动电压来传送参考电压V_REF，其中V_RP=V_CMR+(V_REF/2)、V_RN=V_CMR-(V_REF/2)且V_CMR是该差动参考电压的一共模电压。当输入信号V₁大于该比较器偏移，则一比较器输出会指示一第一逻辑值（例如“1”），而当输入信号V₁不大于该比较器偏移，则该比较器输出会指示一第二逻辑值（例如“0”）。由于熟习此相关技术者应能了解图3中动态比较器200的电路操作原理，为简洁起见，在此便不作更进一步的叙述。

又，基于量化器10所需的比较器偏移，特别将动态比较器20_1～20_N的硬件分别设计为具有不同固有比较器偏移(inherent comparator offset)（即不同的内建偏移(built-in offset)），然而，在动态比较器20_1～20_N的正常操作模式下，动态比较器20_1～20_N的偏压条件可能会受到某些因素影响而变化，并因而使得比较器偏移亦产生变化。量化器10中的第i个动态比较器的比较器偏移OFFSET_i可以表示为：

K×ΔW_i=OFFSET_i (1)

在上述方程式中，K为一参数，而ΔW_i为固有比较器偏移。举例来说，固有比较器偏移ΔW_i可能是来自于晶体管对的不匹配。参数K包含有多种不同因素所造成的效应，并主要由偏压条件(包含工艺、电压、温度等)来决定。由于动态比较器20_1～20_N具有相同偏压条件，故动态比较器20_1～20_N的实际比较器偏移仍会和个别的固有比较器偏移ΔW_i保持一定的比例关系，换言之，当K的值增加时，每一比较器偏移便会依比例增加。本发明因此提出使用偏移调整电路100来检测比较器偏移变化的出现并且调整偏压条件的一个或是多个设定，来将K的值还原为一期望值。

如图1所示，偏移调整电路100具有一检测单元102以及一控制单元104。检测单元102用于检测比较器偏移的变化，也就是说，检测单元102的检测功能能够判断比较器偏移是否等于一期望值或是落在一期望范围之内。检测单元102会监控动态比较器20_1～20_N的其中之一的一比较器输出，并通过检测该动态比较器（例如20_1）的该比较器偏移是否偏离一目标偏移设定（例如一期望值或是一期望范围），并产生一检测结果DR。举例来说（但本发明不以此为限），检测单元102会在一段预定时间（即一预定数目的时钟脉冲周期）内检查所监控的动态比较器的连续比较器输出是否都具有相同的逻辑值（1或是0）。若是所监控的动态比较器具有一正确的偏移设定，则该些连续比较器输出应该会有相同数目的不同的逻辑值，因此，当检测到该些连续比较器输出具有不同数目的不同逻辑值时，则检测单元102便判定该比较器偏移发生变化。

控制单元104耦接至检测单元102，且依据检测单元102所产生的检测结果DR而进行相对应的操作。当检测结果DR指出受监控的动态比较器（例如20_1）的比较器偏移并没有偏离该目标偏移设定时，控制单元104并不会致能偏移调整/补偿；然而，当检测结果DR指出受监控的动态比较器（例如20_1）的比较器偏移偏离该目标偏移设定时，则控制单元104便会调整动态比较器20_1～20_N所接收的至少一输入的一电压设定。应注意的是，每一动态比较器20_1～20_N的偏压条件都受到若干因素的影响，例如供应电压V_DD、V_SS以及共模电压V_CMI、V_CMR。从上述方程式（1）中可得知，在供应电压V_DD、V_SS以及共模电压V_CMI、V_CMR中的至少一个发生变化时，连接至相同供应电压V_DD、V_SS以及共模电压V_CMI、V_CMR的动态比较器20_1～20_N的临界值（即比较器偏移）均会同时发生变化。

如图1和图3所示，每一动态比较器20_1～20_N会接收一输入信号V_IN来和一内部比较器偏移进行比较。在控制单元104的一第一示范性设计中，前述的该至少一输入可包含输入信号V_IN，更具体地说，在输入信号V_IN为V_IP和V_IN所构成的一差动信号的情况下，受控制单元104所调整的该电压设定可以是该差动信号的共模电压V_CMI。

在一动态比较器中，该比较器偏移表示该比较器临界值（或称参考电压）。如图3所示，该参考电压也能由真实电压来提供，可通过将另一输入对连接至一参考电压来实现。在此情况下，是通过V_CMI、V_CMR而非V_DD、V_SS来进行偏移校正。

如图1和图3所示，每一动态比较器20_1～20_N亦可接收一参考电压V_REF。在控制单元104的一第二示范性设计中，前述的该至少一输入可包含参考电压V_REF，更具体地说，在参考电压V_REF是由V_RP和V_RN所构成的一差动电压的情况下，受控制单元104所调整的该电压设定可以是该差动电压的共模电压V_CMR。

如图1和图3所示，每一动态比较器20_1～20_N操作在两个供应电压V_DD和V_SS之下，其中V_DD和V_SS可以被视为具有不同电压位准的参考电压。在控制单元104的一第三示范性设计中，前述的该至少一输入可包含供应电压V_DD，更具体地说，在欲调整的一参考电压是供应电压V_DD的情况下，受控制单元104所调整的该电压设定可以是供应电压V_DD的一电压位准。在控制单元104的一第四示范性设计中，前述的该至少一输入可包含另一供应电压V_SS，更具体地说，在欲调整的一参考电压是供应电压V_SS的情况下，受控制单元104所调整的该电压设定可以是供应电压V_SS的一电压位准。

在上述控制单元104的每一示范性设计中，控制单元104仅会调整供应电压V_DD、V_SS以及共模电压V_CMI、V_CMR的其中之一。于一设计变化中，控制单元104也可以调整供应电压V_DD、V_SS以及共模电压V_CMI、V_CMR之中一个以上的电压，亦可同样达到减轻/抑制比较器偏移变化及/或将偏离的比较器偏移回复为一期望的偏移设定（例如一期望偏移值或是一期望偏移范围）的功效。

关于图1所示的实施例，检测单元102必须监控动态比较器20_1～20_N的其中之一的输出，来检测是否出现比较器偏移变化，因此，在比较器偏移变化的检测过程中，量化器10的正常操作会被打断，且基于该受监控的动态比较器的一目标偏移设定的一特别输入会被输入至该受监控的动态比较器，因此，检测单元102会参考该受监控的动态比较器的多个连续比较器输出，来判断比较器偏移是否产生变化。然而，以上仅供说明用途，本发明不以此为限，于其他的设计中，该检测功能的输入可以是来自一复制比较器（replicacomparator），亦即一虚设比较器（dummy comparator）而不是该量化器所实际使用的一动态比较器。该检测功能在背景执行，并不会干扰量化器10的正常操作，这样一来，量化器10便不需要提供一动态比较器的一输出来当作该检测功能的一输入。

图4是依据本发明另一实施例的一偏移调整电路的示意图。在此实施例中，偏移调整电路300包含有一复制比较器301、一检测单元302以及上述的控制单元104。检测单元102和检测单元302的差异主要在于：检测单元302是通过检测复制比较器301的一比较器偏移是否偏离一目标偏移设定（例如一期望值或是一期望范围）来检测动态比较器20_1～20_N是否发生比较器偏移的变化。举例来说（但本发明不以此为限），检测单元302会在一段预定时间（即一预定数目的时钟脉冲周期）内检查所监控的复制比较器301的连续比较器输出是否都具有相同的逻辑值（1或是0）。由于复制比较器301被设计为具有和动态比较器20_1～20_N相同的偏压条件，因此当检测单元302在该段预定时间内发现到受监控的复制比较器301的连续比较器输出都具有相同逻辑值时，则检测单元302便因此检测到动态比较器20_1～20_N的比较器偏移变化。

为了更清楚地说明本案所揭示的背景偏移调整/校正机制，图5中绘示了基于复制比较器301的一示范性背景校正回路。通过多个电阻R1、R2以及一电流源401产生相等于复制比较器301的一目标偏移值的一预定电压V_R。检测单元302以及控制单元104会藉由通过调整可变电阻R3来改变共模电压V_CMI，以共同合作来使得实际的比较器偏移被设定为一固定参考值（即预定电压V_R）。如图5所示，共模电压V_CMI是通过一输入缓冲器403的一共模回授电路402来施加到量化器10的动态比较器20_1～20_N，这样一来，便可通过所提出的背景偏移校正机制来将动态比较器20_1～20_N的该些比较器偏移分别调整至期望值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求书所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (20)

1.一种用于一动态比较器的偏移调整电路，其特征在于，所述偏移调整电路包含有：

一检测单元，用来通过检测所述动态比较器的比较器输出来检测该动态比较器的一比较器偏移是否偏离一目标偏移设定，并据以产生一检测结果，其中，所述比较器输出包括所述动态比较器接收的一输入信号和所述比较器偏移进行比较后产生的输出信号；以及

一控制单元，用以于所述检测结果显示所述比较器偏移偏离所述目标偏移设定时，调整所述动态比较器所接收的至少一输入的一电压设定。

2.根据权利要求1所述的偏移调整电路，其特征在于，所述至少一输入包含有所述输入信号。

3.根据权利要求2所述的偏移调整电路，其特征在于，所述输入信号是一差动信号，以及所述电压设定是所述差动信号的一共模电压。

4.根据权利要求1所述的偏移调整电路，其特征在于，所述动态比较器会接收一参考电压；以及所述至少一输入包含有所述参考电压。

5.根据权利要求4所述的偏移调整电路，其特征在于，所述参考电压是一差动信号，以及所述电压设定是所述差动信号的一共模电压。

6.根据权利要求4所述的偏移调整电路，其特征在于，所述动态比较器操作在一第一供应电压以及一第二供应电压之下；以及所述参考电压是所述第一供应电压。

7.根据权利要求6所述的偏移调整电路，其特征在于，所述电压设定是所述第一供应电压的一电压位准。

8.根据权利要求6所述的偏移调整电路，其特征在于，所述第一供应电压高于所述第二供应电压。

9.根据权利要求6所述的偏移调整电路，其特征在于，所述第一供应电压低于所述第二供应电压。

10.根据权利要求1所述的偏移调整电路，其特征在于，所述偏移调整电路另包含有：

一复制比较器；

其中所述检测单元用来监控所述复制比较器的一比较输出来产生所述检测结果。

11.一种用于一动态比较器的偏移调整方法，其特征在于，所述偏移调整方法包含有：

通过检测所述动态比较器的比较器输出来检测该动态比较器的一比较器偏移是否偏离一目标偏移设定，并据以产生一检测结果，其中，所述比较器输出包括所述动态比较器接收的一输入信号和所述比较器偏移进行比较后产生的输出信号；以及

当所述检测结果显示所述比较器偏移偏离所述目标偏移设定时，调整所述动态比较器所接收的至少一输入的一电压设定。

12.根据权利要求11所述的偏移调整方法，其特征在于，所述调整所述至少一输入的所述电压设定的步骤包含有：

调整所述输入信号的所述电压设定。

13.根据权利要求12所述的偏移调整方法，其特征在于，所述输入信号是一差动信号，以及所述电压设定是所述差动信号的一共模电压。

14.根据权利要求11所述的偏移调整方法，其特征在于，所述动态比较器会接收一参考电压；以及调整所述至少一输入的所述电压设定的步骤包含有：

调整所述参考电压的所述电压设定。

15.根据权利要求14所述的偏移调整方法，其特征在于，所述参考电压是一差动信号，以及所述电压设定是所述差动信号的一共模电压。

16.根据权利要求14所述的偏移调整方法，其特征在于，所述动态比较器是操作在一第一供应电压以及一第二供应电压之下；以及所述参考电压是一第一供应电压。

17.根据权利要求16所述的偏移调整方法，其特征在于，所述电压设定是所述第一供应电压的一电压位准。

18.根据权利要求16所述的偏移调整方法，其特征在于，所述第一供应电压高于所述第二供应电压。

19.根据权利要求16所述的偏移调整方法，其特征在于，所述第一供应电压低于所述第二供应电压。

20.根据权利要求11所述的偏移调整方法，其特征在于，检测所述动态比较器的所述比较器偏移是否偏离所述目标偏移设定的步骤包含有：

监控一复制比较器的一比较输出，来产生所述检测结果。