(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 110912542 A(43)申请公布日 2020.03.24
(21)申请号 201911062150.4(22)申请日 2019.11.02
(71)申请人 复旦大学
地址 200433 上海市杨浦区邯郸路220号(72)发明人 李宗源 穆庚 叶大蔚 张怡云
史传进 (74)专利代理机构 上海正旦专利代理有限公司
31200
代理人 陆飞 陆尤(51)Int.Cl.
H03K 5/24(2006.01)
权利要求书1页 说明书3页 附图3页
(54)发明名称
一种低功耗动态偏置比较器
(57)摘要
本发明属于模拟电路信号处理技术领域，具体为一种低功耗动态偏置比较器。本发明动态偏置比较器主要包括前置放大器、锁存器以及时序控制电路。本发明通过增加所述尾电容Ctail与所述复位电容Cp1、Cp2之间的放电通路和相关的时序控制电路，使得在比较器复位阶段开始时，通过将尾电容上的剩余电荷转移到两个复位电容，达到能量复用的目的，以提高比较器的能效；在时序控制电路中，在比较器复位阶段可保证不会出现短路。
CN 110912542 ACN 110912542 A
权 利 要 求 书
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1.一种低功耗动态偏置比较器，其特征在于，该比较器电路包括：前置放大器、锁存器和时序控制电路；其中：
所述前置放大器中，输入对管M1、M2源极接晶体管M14漏极，晶体管M14源极接尾电容Ctail上极板，尾电容Ctail下极板分别接晶体管M15漏极和晶体管M16漏极，晶体管M15源极接VDD，晶体管M16源极接地；输入对管M1、M2漏极分别接晶体管M3、晶体管M4漏极，晶体管M3、晶体管M4源极接晶体管M17漏极和尾电容Ctail上极板，晶体管M17源极接VDD；输入对管M1、M2漏极分别接复位电容Cp1、Cp2上极板，复位电容Cp1、Cp2下极板接地；复位电容Cp1、Cp2上极板分别接锁存器输入管M11、M10；
所述锁存器中，输入管对M11、M10源极分别接晶体管M13、M12漏极，晶体管M13、M12源极接VDD，晶体管M13栅极接晶体管M7栅极和晶体管M10漏极，晶体管M12栅极接晶体管M8栅极和晶体管M11漏极，晶体管M11漏极接晶体管M5、M7漏极，晶体管M10漏极接晶体管M8、M6漏极，晶体管M5、M7、M8、M6源极接地；
所述时序控制电路中，时钟信号clk接晶体管M3、M4、M14、M16栅极，时钟信号clkn接晶体管M5、M6栅极，时钟信号clk1接晶体管M15管栅极。
2.根据权利要求1所述的低功耗动态偏置比较器，其特征在于，在比较器比较阶段，复位电容Cp1和Cp2上极板的电荷通过输入对管M1、M2以及导通的晶体管M14对Ctail进行充电，同时随着Cp1和Cp2上极板电压的降低开启锁存器，迅速比较出结果；在复位阶段，晶体管M16断开，切断Ctail与地的连接，Ctail上极板的电量通过导通的晶体管M13和M14管传输到Cp1和Cp2的上极板，给Cp1和Cp2充电，达到能量复用的目的，从而节省功耗。
3.根据权利要求1所述的低功耗动态偏置比较器，其特征在于，所述的前置放大器电路中，尾电容Ctail的下极板接NMOS开关管M15漏极，NMOS开关管M15的源极接VDD，使得在比较器复位阶段提供驱动电压VDD；晶体管M17管连接的电源电压，通过导通的晶体管M17和M3、M4将Cp1和Cp2上的电压最终充电到VDD，保证下一次比较与前一次比较有相同的初始状态。
4.根据权利要求1所述的低功耗动态偏置比较器，其特征在于，所述的时序控制电路中，在比较器复位阶段开始前，时钟信号clk先变为低电平，关断晶体管M16，切断所述Ctail与地的通路，然后时钟信号clk1变为低电平；复位阶段开始，保证开关切换过程中不出现短路情况；同理，复位阶段结束时，时钟信号clk1先变为高电平，时钟信号clk再变为高电平，保证不出现短路。
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说 明 书
一种低功耗动态偏置比较器
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技术领域
[0001]本发明属于模拟电路信号处理技术领域，具体涉及一种低功耗动态偏置比较器。背景技术
[0002]比较器是现代集成电路芯片中基本的模拟电路模块之一，在AD/DA转换系统、信号检测系统、生物医疗电子等领域均有广泛应用。随着低功耗技术的发展以及人们对芯片性能的要求不断提高，比较器性能不断提升的同时，各个指标之间的矛盾显得更加突出，尤其是功耗和速度之间的关系。
[0003]要使比较器分辨出更细微的电压差异，通常需要降低比较器的速度，来换取更多的比较时间，让比较器有更充足的时间得出正确的结果，这种方法使得比较器在导通状态的时间更长，从而动态功耗也就越大。动态偏置比较器就利用了这一方法，通过改变输入对管的工作状态使其进入亚阈值区，从而减小导通电流，节省动态功耗（例如在2018年JSSC期刊上Harijot等人发表的《A1.2V Dynamic Bias Latch-Type Comparator in 65nm CMOS With 0.4mV Input Noise》）。但是在比较阶段结束后，尾电容上的电量被直接放电到地，造成了这一部分电量未被充分利用。
[0004]在不改变比较器比较速度的前提下，我们就需要最大限度地利用比较阶段结束后尾电容上剩余的电量给接下来的复位阶段进行复用，从而达到能量的高效利用，这也是模拟集成电路中一个重要的降低功耗的方法。
发明内容
[0005]本发明的目的是提供一种安全性好、可操作性强的低功耗动态偏置比较器。[0006]本发明提供的低功耗动态偏置比较器，其电路结构如图1所示，包括：前置放大器、锁存器和时序控制电路；其中：
所述前置放大器中，输入对管M1、M2源极接晶体管M14漏极，晶体管M14源极接尾电容Ctail上极板，尾电容Ctail下极板分别接晶体管M15漏极和晶体管M16漏极，晶体管M15源极接VDD，晶体管M16源极接地；输入对管M1、M2漏极分别接晶体管M3、晶体管M4漏极，晶体管M3、晶体管M4源极接晶体管M17漏极和尾电容Ctail上极板，晶体管M17源极接VDD；输入对管M1、M2漏极分别接复位电容Cp1、Cp2上极板，复位电容Cp1、Cp2下极板接地；复位电容Cp1、Cp2上极板分别接锁存器输入管M11、M10。[0007]所述锁存器中，输入管M11、M10源极分别接晶体管M13、M12漏极，晶体管M13、M12源极接VDD，晶体管M13栅极接晶体管M7栅极和晶体管M10漏极，晶体管M12栅极接晶体管M8栅极和晶体管M11漏极，晶体管M11漏极接晶体管M5、M7漏极，晶体管M10漏极接晶体管M8、M6漏极，晶体管M5、M7、M8、M6源极接地。[0008]所述时序控制电路中，时钟信号clk接晶体管M3、M4、M14、M16栅极，clkn信号接晶体管M5、M6栅极，clk1信号接晶体管M15管栅极。[0009]在比较器比较阶段，复位电容Cp1和Cp2上极板的电荷通过输入对管M1、M2以及导
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说 明 书
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通的晶体管M14对Ctail进行充电，同时随着Cp1和Cp2上极板电压的降低开启锁存器，迅速比较出结果。在复位阶段，对于传统的动态偏置比较器，即没有晶体管M15，Ctail上极板不接晶体管M3、M4的源极，以及晶体管M16漏极和源极分别接Ctail的上下极板、源极接地的情况下，晶体管M16导通后Ctail上极板存储的电荷被直接放电到地，造成了功耗的损失。对于所述低功耗动态偏置比较器，在复位阶段，晶体管M16断开，切断Ctail与地的连接，Ctail上极板的电量可以通过导通的晶体管M13和M14管传输到Cp1和Cp2的上极板，给Cp1和Cp2充电，达到能量复用的目的，从而节省了功耗。[0010]所述的前置放大器电路中，尾电容Ctail的下极板接NMOS开关管M15漏极，NMOS开关管M15的源极接VDD，使得在比较器复位阶段提供驱动电压VDD。晶体管M17管连接的电源电压，通过导通的晶体管M17和M3、M4将Cp1和Cp2上的电压最终充电到VDD，以保证下一次比较与前一次比较有相同的初始状态。[0011]所述的时序控制电路中，在比较器复位阶段开始前，时钟信号clk先变为低电平，关断晶体管M16，切断所述Ctail与地的通路，然后时钟信号clk1变为低电平，复位阶段开始，保证开关切换过程中不会出现短路情况。同理，复位阶段结束时，时钟信号clk1先变为高电平，时钟信号clk再变为高电平，也是保证不会出现短路。[0012]本发明提供的低功耗动态偏置比较器，是通过构建尾电容Ctail上极板与复位电容Cp1和Cp2之间的连接通路，即通过晶体管M3和M4，使得在复位阶段，尾电容上的剩余电量可以转移到复位电容上，从而被下一次的比较阶段利用，节省了原本尾电容上消耗的功耗。[0013]本发明在进一步降低比较器功耗的基础上，保证时序逻辑电路的简单性和可操作性。
附图说明
[0014]图1为低功耗动态偏置比较器电路原理图。[0015]图2 为比较器比较阶段工作电路简化示意图。[0016]图3 为比较器复位阶段工作电路简化示意图。[0017]图4 为时钟信号时序示意图。
具体实施方式
[0018]本发明的目的是通过复用尾电容上的剩余电量达到节省动态偏置比较器功耗的目的。
[0019]图2显示了动态偏置比较器比较阶段的简化结构。复位电容Cp1和Cp2的上极板在复位阶段已被充到了电源电压VDD。首先，时钟信号clk1先变为高电平，使Ctail与电源电压断开，时钟信号clk再变为高电平，使Ctail下极板接地，保证不会出现电路短路的情况。接着，Cp1和Cp2分别通过输入对管M1、M2，再经过晶体管M14，给尾电容Ctail上极板充电。随着尾电容上极板电压的升高，输入对管栅源电压减小，输入对管逐渐进入亚阈值状态。与此同时，Cp1、Cp2上极板电压的减小导致晶体管M11和M10导通，使得锁存器开启，进入锁存状态，快速比较出结果。之后进入复位阶段。
[0020]图3显示了复位阶段的简化结构。首先，时钟信号clk先变为低电平，clk1间隔很小的时间再变为低电平，以确保开关转换时不会发生短路。此时，电源电压VDD通过开启的晶
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体管M15连接在了Ctail的下极板，驱动Ctail将上极板的电荷通过开启的晶体管M3、M4流入Cp1、Cp2的上极板，为复位电容充电，对Ctail上极板剩余的电荷进行复用。电源电压同时通过M17晶体管给Cp1、Cp2充电，保证复位阶段结束时复位电容上极板的电压为VDD，使得复位完全。另外，在复位阶段，时钟信号clkn变为高电平，使得锁存器复位。[0021]本发明只在动态偏置比较器的基础上增加了两个晶体管开关，由此引起的功耗的增加很小，此外尽管Ctail上极板电荷移动过程中也会有能量损失，但上述两者之和远小于所节省的功耗，所以比较器总的功耗性能是提高的。[0022]所述时钟信号clkn与clk反相。图4显示了clk、clkn和clk1的时序图。
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说 明 书 附 图
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图1
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说 明 书 附 图
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图2
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说 明 书 附 图
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图3
图4
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