CN111313871B - 动态预放大电路和动态比较器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种动态预放大电路和动态比较器。动态预放大电路包括第一信号转换模块以及信号放大模块，第一信号转换模块与信号放大模块连接；第一信号转换模块用于接入时钟信号，并将时钟信号进行翻转，得到时钟转换信号并输出至信号放大模块；信号放大模块用于连接动态锁存电路，信号放大模块用于接入第一比较电压以及第二比较电压；信号放大模块根据时钟转换信号对第一比较电压以及第二比较电压进行增益放大并输出至动态锁存电路。上述动态预放大电路，通过信号放大模块能够对大第一比较电压以及第二比较电压进行增益放大，使得第一比较电压以及第二比较电压在进行比较时，两者的电压差值也会相应的被放大，从而提高比较器的比较精度。

Description

动态预放大电路和动态比较器

技术领域

本申请涉及比较器技术领域，特别是涉及一种动态预放大电路和动态比较器。

背景技术

随着集成电路工艺的日益发展，集成电路中各种元器件越来越小型化，集成电路的也集成度越来越高，提供给集成电路的电源电压也越来越低，以避免过高的电源电压对集成电路造成损坏，而比较器作为一种能够进行电压比较的器件，在低电源低压下实现高精度低功耗的比较器是非常重要的，尤其是在逐次逼近型模数转换器中，比较器的精度决定了模数转换器的转换精度。而比较器在工作的过程中，其一般是先通过预放大电路来对输入信号Vin以及Vip进行增益放大，其增益越大，就能够放大越小的信号差，从而使得比较器的比较精度越高。

传统的比较器仅仅是采用一组输入对管来控制输入信号Vin以及Vip的输入，而无法对输入信号Vin以及Vip进行增益放大，使得比较器的精度低。

发明内容

基于此，有必要针对比较器比较精度低问题，提供一种动态预放大电路和动态比较器。

一种动态预放大电路，包括：第一信号转换模块以及信号放大模块，第一信号转换模块与信号放大模块连接；第一信号转换模块用于接入时钟信号，并将时钟信号进行翻转，得到时钟转换信号并输出至信号放大模块；信号放大模块用于连接动态锁存电路，信号放大模块用于接入第一比较电压以及第二比较电压；信号放大模块根据时钟转换信号对第一比较电压以及第二比较电压进行增益放大并输出至动态锁存电路。

上述动态预放大电路，通过信号放大模块能够对大第一比较电压以及第二比较电压进行增益放大，使得第一比较电压以及第二比较电压在进行比较时，两者的电压差值也会相应的被放大，从而提高比较器的比较精度。

在其中一个实施例中，动态预放大电路还包括第一开关管模块，与信号放大模块以及接地端连接，第一开光管模块用于接入时钟信号，并根据时钟信号导通或关断。

在其中一个实施例中，第一信号转换模块包括第一反相器组件，第一反相器组件的输入端接入时钟信号，第一反相器组件的输出端与信号放大模块连接。

在其中一个实施例中，信号放大模块包括第一信号放大单元以及第二信号放大单元，第一信号放大单元与第一信号转换模块连接，第一信号放大单元用于接入第一比较电压，且第一信号放大单元还用于与动态锁存电路连接；第二信号放大单元与第一信号转换模块连接，第二信号放大单元用于接入第二比较电压，且第二信号放大单元还用于与动态锁存电路连接。

在其中一个实施例中，第一信号放大单元包括第二反相器组件，第二反相器组件的电源端与第一信号转换模块连接，第二反相器组件的输入端用于接入第一比较电压，第二反相器组件的输出端用于与动态锁存电路连接，第一反相器组件的接地端接地。

在其中一个实施例中，第二信号放大单元包括第三反相器组件，第三反相器组件的电源端与第一信号转换模块连接，第三反相器组件的输入端用于连接第二比较电压，第三反相器组件的输出端用于与动态锁存电路连接，第三反相器组件的接地端与接地。

在其中一个实施例中，一种动态比较器，包括动态锁存电路以及上述的动态预放大电路，动态锁存电路包括第二信号转换模块以及动态锁存模块，第二信号转换模块与动态预放大电路中的信号放大模块以及动态锁存模块连接；当第二信号转换模块接入增益放大之后的第一比较电压以及第二比较电压时，对增益放大之后的第一比较电压以及第二比较电压进行翻转，输出翻转信号至动态锁存模块以使得动态锁存模块根据翻转信号输出锁存结果。

上述动态比较器，通过第二信号转换模块与动态预放大电路连接，将增益放大之后的第一比较电压以及第二比较电压进行翻转，输出翻转信号至动态锁存模块，使得动态锁存模块能够输出最终精确度高的比较结果。

在其中一个实施例中，第二信号转换模块包括第四反相器组件以及第五反相器组件，第四反相器组件的输入端接入增益放大之后的第一比较电压，第四反相器组件的输出端与动态锁存模块连接，第五反相器组件的输入端接入增益放大之后的第二比较电压，第五反相器组件的输出端与动态锁存模块连接。

在其中一个实施例中，动态锁存模块包括第六反相器组件以及第七反相器组件，第六反相器组件的电源端与第四反相器的输出端连接，第六反相器组件的输出端与第七反相器组件的输入端连接，第七反相器组件的电源端与第五反相器的输出端连接，第七反相器组件的输出端与第六反相器的输入端连接。

在其中一个实施例中，动态锁存电路还包括第二开关管模块以及第三开关管模块，第二开关管模块的输入端与动态锁存模块连接，第二开关管模块的控制端用于接入时钟转换信号，第二开关管的输出端用于接地；第三开关管模块的输入端与动态锁存模块连接，第三开关管模块的控制端用于接入时钟转换信号，第三开关管模块的输出端用于接地。

附图说明

图1为传统的动态比较器内部电路结构示意图；

图2为一实施例提供的动态预放大电路的结构框图；

图3为一实施例提供的动态预放大电路的电路结构示意图；

图4为一实施例提供的动态预放大电路的等效电路原理图；

图5为一实施例提供的动态比较器的结构框图；

图6为一实施例提供的动态比较器的电路结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一实施例中，如图1所示，图1提供了一种传统的动态比较器，其中，Vip以及Vin作为输入端，Vdd作为电源电压，M1-M15为开关管,M3以及M4为NMOS管，clkc作为时钟信号，在初始状态时，clkc为“0”(即低电平)，此时比较器处于复位状态，当clkc从“0”(即低电平)变为“1”(即高电平)时，比较器开始工作，由于输入端vip和vin之间的输入信号存在差异，会导致vop1和von1的下降速度(即从“1”变为“0”的下降速度)存在差异，从而导致A和B两端的上升速度(即从“0”变为“1”的上升速度)存在差异，最终使得输出的比较结果vop和von之间的值存在差异。

在一个实施例中，如图2所示，本申请的动态预放大电路包括第一信号转换模块100以及信号放大模块200，第一信号转换模块100与信号放大模块200连接；第一信号转换模块100用于接入时钟信号clk_c，并将时钟信号clk_c进行翻转，得到时钟转换信号clk_cb并输出至信号放大模块200；信号放大模块200用于连接动态锁存电路，信号放大模块200用于接入第一比较电压以及第二比较电压；信号放大模块200根据时钟转换信号clk_cb对第一比较电压以及第二比较电压进行增益放大并输出至动态锁存电路。

其中，Vip以及Vin作为输入端，输入端Vin输入第一比较电压，输入端Vip输入第二比较电压，第一信号转换模块100将时钟信号clk_c进行翻转之后，得到时钟转换信号clk_cb，时钟转换信号clk_cb与时钟信号clk_c的状态正好相反(即当时钟信号clk_c为“0”时，转换时钟信号clk_cb对应为“1”。当时钟信号clk_c为“1”时，转换时钟信号clk_cb对应为“0”)。进一步的，在一个实施例中，信号放大模块200还具有接地端，信号放大模块200的接地端可以直接与接地端连接，也可以通过控制开关与接地端连接。

动态预放大电路的工作原理为：时钟信号clk_c在初始状态时为“0”(即低电平)，clk_cb对应为“1”(即高电平)，此时信号放大模块200的输出端Vop以及Von均为“1”，而当时钟信号clk_c在从“0”变为“1”的过程中，clk_cb相应的从“1”变为“0”，此时信号放大模块200的输出端Vop以及Von则开始下降，从“1”开始慢慢变为“0”，而在下降的过程中，由于输入端Vip以及Vin的电压不相同，所以对应的输出端Vop以及Von的下降速度也不相同(当Vip>Vin时，Vop下降速度比Von的下降速度快)，而由于信号放大模块200的增益放大，使得输出端Vop以及Von的下降速度的差异更加明显，而动态锁存电路接收到下降速度存在差异的Vop以及Von之后，会输出不同的结果(输出的结果包括“1”和“0”)，通过信号放大模块200的增益放大，从而能够更加精确的比较输入端Vip以及Von的差值。

需要说明的是，信号放大模块200的增益公式为Av＝Gm*(ron//rop)，公式中，Gm为输入级的跨导，ron以及rop为输出阻抗，通过增加跨导Gm的数值，可以提高信号放大模块200的增益，例如信号放大模块200可以采用反相器来提供跨导Gm，也可采用双极晶体管或者场效应管来提供跨导Gm，可以理解，采用不同的元器件提供跨导Gm时，跨导Gm的数值是有差异的，跨导Gm的数值越大，就会使得信号放大模块200的增益越高，从而能够更加精确的比较输入端Vip以及Vin的差值。

上述动态预放大电路，通过信号放大模块200能够对大第一比较电压以及第二比较电压进行增益放大，使得第一比较电压以及第二比较电压在进行比较时，两者的电压差值也会相应的被放大，从而提高比较器的比较精度。

在一个实施例中，如图3所示，动态预放大电路还包括第一开关管模块300，与信号放大模块200以及接地端连接，第一开光管模块用于接入时钟信号clk_c，并根据时钟信号clk_c，导通或关断。

其中，第一开关管模块300可以为N沟道MOS管，N沟道MOS管的漏极与信号放大模块200连接，N沟道MOS管的源极接地，N沟道MOS管的栅极接入时钟信号clk_c。通过设置N沟道MOS管，当时钟信号clk_c为“0”(即低电平时)，N沟道MOS管会关断，从而关断电路的电流，此时不会有静态功耗产生，从而降低了预放大电路的功耗，只有当时钟信号clk_c为“1”(即高电平时)，N沟道MOS管才会导通，为信号放大模块200提供微电流。进一步的，在其它实施例中，第一开关管模块300还可以是P沟道MOS管，若采用P沟道MOS管，则需要接入翻转之后的时钟信号clk_c。

在一个实施例中，如图3所示，第一信号转换模块100包括第一反相器组件101，第一反相器组件101的输入端接入时钟信号，第一反相器组件101的输出端与信号放大模块200连接。

其中，第一反相器组件101用于对时钟信号进行翻转，即当时钟信号的状态为“0”时，则翻转为“1”，故第一反相器组件101可以是由若干单数个反相器组成，例如1个或者3个等等。

在一个实施例中，如图3所示，信号放大模块200包括第一信号放大单元201以及第二信号放大单元202，第一信号放大单元201与第一信号转换模块100中的第一反相器组件101连接，第一信号放大单元201用于接入第一比较电压，且第一信号放大单元201还用于与动态锁存电路连接；第二信号放大单元202与第一信号转换模块100中的第一反相器组件101连接，第二信号放大单元202用于接入第二比较电压，且第二信号放大单元202还用于与动态锁存电路连接。

其中，第一信号放大单元201的输入端Vin输入第一比较电压，第一信号放大单元201的输出端Von输出增益放大之后的第一比较电压至动态锁存电路，第二信号放大单元202的输入端Vip输入第二比较电压，第二信号放大单元202的输出端Vop输出增益放大之后的第二比较电压至动态锁存电路，第一信号输入单元以及第二信号输入单元组成一组输入对管，动态锁存电路参见后续的后文说明，在此不做赘述。进一步的，在其它实施例中，第一信号放大单元201以及第二信号放大单元202可以采用反相器或者场效应管。

在一个实施例中，第一信号放大单元201包括第二反相器组件，第二反相器组件的电源端与第一信号转换模块100中的第一反相器组件101连接，第二反相器组件的输入端作为输入端Vin，用于接入第一比较电压，第二反相器组件的输出端作为输出端Von，用于与动态锁存电路连接，第二反相器组件的接地端接地。在一个实施例中，第二信号放大单元202包括第三反相器组件，第三反相器组件的电源端与第一信号转换模块100中的第一反相器组件101连接，第三反相器组件的输入端作为输入端Vin，用于连接第二比较电压，第三反相器组件的输出端作为输出端Von，用于与动态锁存电路连接，第三反相器组件的接地端与接地。

其中，第二反相器组件可以是由若干单数个反相器组成，第三反相器组件也可以是由若干单数个反相器组成，进一步的，在其它实施例中，如图3所示，第二反相器组件以及第三反相器组件分别都是由一个反相器组件组成的，第二反相器组件的接地端可以是先与第一开关管模块300连接，然后再通过第一开关管模块300接地，第三反相器组件的接地端也可以是先与第一开关管模块300连接，然后再通过第一开关管模块300接地。

通过采用第二反相器组件以及第三反相器组件，使得预放大电路在对输入端Vip以及Vin输入的第一比较电压以第二比较电压进行比较的过程中，第二反相器组件以及第三反相器组件可以作为CLASS AB放大器(即AB类放大器)，提供较大的跨导Gm，而通过上述的增益公式Av＝Gm*(ron//rop)可知，由于第二反相器以及第三反相器能够提供较大的跨导，从而可以提供很大的增益，进一步提高整个比较器的比较精度。

在一个实施例中，如图4所示，提供了一种动态预放大电路的内部等效原理图，以第二反相器组件内部是由一个N沟道MOS管M1以及一个P沟道MOS管M3构成的，第三反相器组件内部也是由一个N沟道MOS管M2以及一个P沟道MOS管M4构成的，第一信号转换模块100也是由一个N沟道MOS管M5以及一个P沟道MOS管M6构成的，在clk_c从“0”变成“1”的过程中，相比于图1中传统的比较器，图4中的第二反相器组件以及第三反相器组件内部的N沟道MOS管(包括N沟道MOS管M1以及N沟道MOS管M2)以及P沟道MOS管(包括P沟道MOS管M以及P沟道MOS管M4)均能够提供跨导Gm，具备较大的增益，从而提高了整个比较器的比较精度。

在一个实施例中，如图5所示，提供了一种动态比较器，该动态比较器包括有动态预放大电路以及动态锁存电路，在图3中已经示出了动态预放大电路，图5中的动态锁存电路包括第二信号转换模块400以及动态锁存模块500，第二信号转换模块400与动态预放大电路中的信号放大模块200以及动态锁存模块500连接；当第二信号转换模块400接入增益放大之后的第一比较电压以及第二比较电压时，对增益放大之后的第一比较电压以及第二比较电压进行翻转，输出翻转信号至动态锁存模块500以使得动态锁存模块500根据翻转信号输出锁存结果。其中，在其它实施例中，动态锁存模块500还具有接地端，动态锁存模块500的接地端可以直接接地，也可以先与控制开关连接，再接地。

上述动态比较器，通过第二信号转换模块400与动态预放大电路连接，将增益放大之后的第一比较电压以及第二比较电压进行翻转，输出翻转信号至动态锁存模块500，使得动态锁存模块500能够输出最终精确度高的比较结果。

在一个实施例中，如图6所示，提供了一种动态比较器，第二信号转换模块400包括第四反相器组件402以及第五反相器组件401，第四反相器组件402的输入端与输出端Von连接，接入增益放大之后的第一比较电压，第四反相器组件402的输出端与动态锁存模块500连接，第五反相器组件401的输入端与输出端Vop连接，接入增益放大之后的第二比较电压，第五反相器组件401的输出端与动态锁存模块500连接。

其中，第四反相器组件402以及第五反相器组件401是对信号进行翻转的，例如当接入的第一比较电压以及第二比较器的状态为“1”时，通过第四反相器组件402或第五反相器组件401进行翻转之后得到的翻转信号的状态就为“0”。

在一个实施例中，如图6所示，动态锁存模块500包括第六反相器组件501以及第七反相器组件502，第六反相器组件501的电源端与第四反相器组件402的输出端连接，第六反相器组件501的输出端与第七反相器组件502的输入端连接，第七反相器组件502的电源端与第五反相器组件401的输出端连接，第七反相器组件502的输出端与第六反相器组件501的输入端连接。

其中，需要说明的是，第四反相器组件402的输出端输出的是增益放大之后的第一比较电压被翻转，输出的翻转信号，第五反相器组件401的输出端输出的是增益放大之后的第二比较电压被翻转，输出的翻转信号，由于第一比较电压与第二比较电压存在差异，所以当clk_c的状态从“0”变成“1”时，clk_cb相应的从“1”变成“0”，此时输出端Von和Vop均从“1”变成“0”，由于动态预放大电路的输入端Vin和Vip输入的第一比较电压以及第二比较电压存在偏差，所以输出端Von和Vop的电压从“1”变到“0”的速度也存在差异(例如当Vip>Vin时，Vop下降速度快)，从而使得A、B两点的上升速度也存在差异，从而使得Voutn和Voutp的最终输出结果不一样(当Vip>Vin时，Voutp＝“1”，Vout＝“0”)。

通过将第六反相器组件501的输出端与第七反相器组件502的输入端连接，第七反相器组件502的输出端与第六反相器组件501的输入端连接，使得最终的输出结果锁存在了动态锁存模块500中。

在一个实施例中，如图6所示，动态锁存电路还包括第二开关管模块601以及第三开关管模块602，第二开关管模块601的输入端与第六反相器组件501的输入端以及第七反相器组件502的输出端连接，第二开关管模块601的控制端用于接入时钟转换信号clk_cb，第二开关管模块602的输出端用于接地；第三开关管模块602的输入端与第六反相器组件501的输出端以及第七反相器组件502的输入端连接，第三开关管模块602的控制端用于接入时钟转换信号clk_cb，第三开关管模块602的输出端用于接地。

其中，第二开关管模块601可以采用N沟道MOS管，该N沟道MOS管的漏极与第六反相器组件501的输入端以及第七反相器组件502的输出端连接，该N沟道MOS管的源极接地，该N沟道MOS管的栅极接入时钟转换信号clk_cb，相应的，第三开关管模块602也可以采用N沟道MOS管，该N沟道MOS管的漏极与第六反相器组件501的输出端以及第七反相器组件502的输入端连接，该N沟道MOS管的源极接地，该N沟道MOS管的栅极接入时钟转换信号clk_cb。当时钟转换信号clk_cb为“1”时(即高电平时)，N沟道MOS管就会导通，当时钟转换信号clk_cb为“0”时(即为低电平时)，N沟道MOS管就会关断。

在一个实施例中，结合图6对本申请进行详细的解释说明，当clk_c为“0”(即低电平状态，后续不再说明)时，clk_cb为“1”(即高电平状态，后续不再说明)，预放大电路的输出端Von和Vop均输出为“1”，动态比较器的输出voutn和voutp为“0”，此时比较器处于复位状态。当clk_c从“0”变成“1”时，clk_cb从“1”变成“0”，此时预放大器的输出端Von和Vop的输出开始由“1”变成“0”，由于比较器的输入端Vin和Vip的电压存在偏差，所以输出端Von和Vop输出的电压从“1”变到“0”的速度也存在差异(Vip>Vin时，输出端Vop的下降速度更快)，从而使得A、B两点的上升速度也存在差异，从而使得voutn和voutp的最终输出结果不一样(当Vip>Vin时，voutp＝“1”，vout＝“0”)。从电路中可以看出，该动态比较器不存在静态功耗，只有在clk_c翻转时，才存在动态功耗，与此同时，该动态比较器中的信号放大模块是由反相器组成的，能够在低电压下工作。比较器只有在动态时对输入电压(即第一比较电压和第二比较电压)进行比较，在比较时，预放大电路中由反相器构成的信号放大模块均作为CLASS AB放大器存在，能够提供很大的跨导Gm，使得增益能够很大，因此动态比较器能够精确比较输入端Vin和Vip输入的电压的差值，能够实现非常高的精度。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种动态预放大电路，其特征在于，所述动态预放大电路包括：第一信号转换模块以及信号放大模块，所述第一信号转换模块与所述信号放大模块连接；

所述第一信号转换模块用于接入时钟信号，并将所述时钟信号进行翻转，得到时钟转换信号并输出至所述信号放大模块；

所述信号放大模块用于连接动态锁存电路，所述信号放大模块用于接入第一比较电压以及第二比较电压；所述信号放大模块根据所述时钟转换信号对所述第一比较电压以及第二比较电压进行增益放大并输出至所述动态锁存电路；

所述第一信号转换模块包括第一反相器组件，所述第一反相器组件的输入端接入所述时钟信号，所述第一反相器组件的输出端与所述信号放大模块连接；

所述信号放大模块包括第一信号放大单元以及第二信号放大单元，所述第一信号放大单元包括第二反相器组件，所述第二反相器组件的电源端与所述第一信号转换模块连接，所述第二反相器组件的输入端用于接入所述第一比较电压，所述第二反相器组件的输出端用于与所述动态锁存电路连接，所述第一反相器组件的接地端接地；

所述第二信号放大单元包括第三反相器组件，所述第三反相器组件的电源端与所述第一信号转换模块连接，所述第三反相器组件的输入端用于连接所述第二比较电压，所述第三反相器组件的输出端用于与所述动态锁存电路连接，所述第三反相器组件的接地端接地。

2.根据权利要求1所述的动态预放大电路，其特征在于，所述动态预放大电路还包括第一开关管模块，与所述信号放大模块以及接地端连接，所述第一开关管模块用于接入所述时钟信号，并根据所述时钟信号导通或关断。

3.一种动态比较器，其特征在于，包括动态锁存电路以及权利要求1-2任意一项所述的动态预放大电路，所述动态锁存电路包括第二信号转换模块以及动态锁存模块，所述第二信号转换模块与所述动态预放大电路中的信号放大模块以及所述动态锁存模块连接；

当所述第二信号转换模块接入增益放大之后的第一比较电压以及第二比较电压时，对增益放大之后的第一比较电压以及第二比较电压进行翻转，输出翻转信号至所述动态锁存模块以使得所述动态锁存模块根据所述翻转信号输出锁存结果。

4.根据权利要求3所述的动态比较器，其特征在于，所述第二信号转换模块包括第四反相器组件以及第五反相器组件，所述第四反相器组件的输入端接入所述增益放大之后的第一比较电压，所述第四反相器组件的输出端与所述动态锁存模块连接，所述第五反相器组件的输入端接入所述增益放大之后的第二比较电压，所述第五反相器组件的输出端与所述动态锁存模块连接。

5.根据权利要求4所述的动态比较器，其特征在于，所述动态锁存模块包括第六反相器组件以及第七反相器组件，所述第六反相器组件的电源端与所述第四反相器的输出端连接，所述第六反相器组件的输出端与所述第七反相器组件的输入端连接，所述第七反相器组件的电源端与所述第五反相器的输出端连接，所述第七反相器组件的输出端与所述第六反相器的输入端连接。

6.根据权利要求3所述的动态比较器，其特征在于，所述动态锁存电路还包括第二开关管模块以及第三开关管模块，所述第二开关管模块的输入端与所述动态锁存模块连接，所述第二开关管模块的控制端用于接入所述时钟转换信号，所述第二开关管的输出端用于接地；所述第三开关管模块的输入端与所述动态锁存模块连接，所述第三开关管模块的控制端用于接入所述时钟转换信号，所述第三开关管模块的输出端用于接地。