本實(shí)用新型涉及一種集成比較器，特別是一種消除失調(diào)電壓和在噪聲環(huán)境下的單轉(zhuǎn)換方面性能出色的集成兩級(jí)開環(huán)比較器，屬于電子技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

比較器廣泛應(yīng)用于模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中。在模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，首先必須對(duì)輸入進(jìn)行采樣，接著經(jīng)過(guò)采樣的信號(hào)通過(guò)比較器以決定模擬信號(hào)的數(shù)字值。最簡(jiǎn)單的情況，比較器可以看為1位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

在比較器設(shè)計(jì)中，特別困難的問題就是輸入失調(diào)電壓，即輸入差過(guò)零時(shí)，輸出沒有發(fā)生變化，如果直到輸入電壓之差達(dá)到一定值時(shí)，輸出才發(fā)生變化，這個(gè)時(shí)候的輸入之差就被定義為輸入失調(diào)電壓。如果失調(diào)電壓能夠被預(yù)測(cè)，則不會(huì)有任何問題，但是在給定設(shè)計(jì)的情況下，一個(gè)電路和另一個(gè)電路的失調(diào)將隨即改變。在諸如高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及微量傳感系統(tǒng)中需要專門對(duì)失調(diào)電壓進(jìn)行特殊處理。一般典型的處理方案都是利用斬波技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是該技術(shù)方案存在因?yàn)闀r(shí)鐘饋通引起的電荷注入等問題,這種方案可能會(huì)產(chǎn)生新的失調(diào)。

另外，通常情況下，比較器工作于噪聲環(huán)境中，并且在閾值點(diǎn)檢測(cè)信號(hào)變化。如果比較器足夠快，且噪聲的幅度足夠大的話，其輸出端也將存在噪聲。這種情況下，我們希望對(duì)比較器的傳輸特性進(jìn)行修改，比較通用的做法是增加遲滯電路。即比較器輸入從負(fù)值開始向正值變化時(shí)，輸出不變，直至輸入達(dá)到正向轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)，比較器輸出才開始變化。一旦輸出變化，實(shí)際轉(zhuǎn)折點(diǎn)才被改變。當(dāng)輸入向負(fù)值減小時(shí)，輸出保持不變，直至輸入達(dá)到負(fù)向轉(zhuǎn)折點(diǎn)，比較器輸出才開始轉(zhuǎn)換。在噪聲環(huán)境中，閾值點(diǎn)附件的噪聲使得比較器的輸出充滿著噪聲，添加遲滯電路可以很好的改進(jìn)比較器的輸出特性。需要注意的是遲滯電壓必須等于或大于最大噪聲幅度。

現(xiàn)有遲滯電路通常采用比較器結(jié)構(gòu)外接無(wú)源器件或者比較器內(nèi)部增加一組多器件正反饋結(jié)構(gòu)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。外接無(wú)源器件的方式使得應(yīng)用復(fù)雜，體積較大，成本提高；而多器件的正反饋結(jié)構(gòu)一般反饋通路中器件數(shù)較多，會(huì)使得設(shè)計(jì)難度增加，版圖實(shí)現(xiàn)面積較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種集成消失調(diào)、抗干擾的比較器電路，利用隔直電容、自動(dòng)校零技術(shù)以及遲滯電路有效消除失調(diào)電壓以及增加抗噪能力。

本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是：一種集成消失調(diào)、抗干擾的比較器電路，該包括輸入放大單元、偏置單元、比較放大單元和整形輸出單元；輸入放大單元將外部輸入的差分信號(hào)進(jìn)行放大輸出至比較放大單元，比較放大單元將放大后的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端信號(hào)并放大，將放大后的單端信號(hào)與閾值比較，比較結(jié)果輸出到整形輸出單元，整形輸出單元將比較結(jié)果進(jìn)行整形后輸出，偏置單元為輸入放大單元和比較放大單元提供直流偏置；

所述輸入放大單元包括P型MOS管MP1、MP11、MP12和N型MOS 管MN1、MN2、MN3、MN4以及電容C1、C2、C3、C4、C5、C6組成；差分輸入端INA和INB分別與電容C1、C2的一端相連，電容C1的另一端連接 MP11的柵端、MN1的漏端，電容C2的另一端連接MP12的柵端、MN2的漏端，MP11、MP12的源端相連并與MP1管的漏端相連，MP1的柵端與偏置信號(hào)線BIAS相連，MP1的源端與電源線VCC相連，MP11的漏端與MN3的源端相連，MP12的漏端與MN4的源端相連，MN3、MN4的柵端相連，MN3、 MN4的源端分別與地線GND相連，MN1和MN2的柵端同時(shí)與消失調(diào)時(shí)鐘信號(hào)INP相連，MN1的源端與電容C5的一端、MP11的漏端以及MN3的漏端相連于節(jié)點(diǎn)L1，MN2的源端與電容C6的一端、MP12的漏端以及MN4的漏端相連于節(jié)點(diǎn)L2，電容C5、C6的另一端與地線GND相連，MN3、MN4的柵端相連于節(jié)點(diǎn)L3，節(jié)點(diǎn)L1和節(jié)點(diǎn)L2的信號(hào)為輸入放大單元的輸出。

所述輸入放大單元還包括閾值調(diào)節(jié)輸入端INC、IND，電容C3，C4，閾值調(diào)節(jié)輸入端INC和IND分別與電容C3和C4的一端相連，C3的另一端與 C1的另一端并聯(lián)連接至P型MOS管MP11的柵端，C4的另一端與C2的另一端并聯(lián)連接至P型MOS管MP12的柵端，通過(guò)調(diào)節(jié)INC、IND的電壓幅值調(diào)整比較器的閾值。

所述INP為周期性方波信號(hào)，其頻率與差分輸入信號(hào)頻率相同。

所述偏置單元包含P型MOS管MP2、MP3、MP4，N型MOS管MN5、 MN6、MN7、MN8、MN9、MN10、MN11、MN12組成；MP2、MP3、MP4 的柵端均與偏置信號(hào)線BIAS相連，MP2、MP3、MP4的源端與電源線VCC 相連，MP2的漏端與MN8的漏端相連，MN8的源端與MN5的漏端和柵端以及輸入放大單元的節(jié)點(diǎn)L3相連，MN5的源端與地線GND相連，MN8的柵端、 MN9的源端、MN6的漏端和柵端相連，MN6的源端與地線GND相連，MN9 的漏端與MP3的漏端相連，MN9的柵端與MN7的漏端和柵端、MN10的源端、MN11的源端、MN12的源端相連，MN7的源端與地線GND相連，MN10 的柵端和漏端、MN11的柵端、MN12的柵端、MP4的漏端相連，MN11的漏端與輸入放大單元的節(jié)點(diǎn)L1相連，為輸入放大單元提供直流偏置，MN12的漏端與輸入放大單元的節(jié)點(diǎn)L2相連，為比較放大單元提供直流偏置。

所述偏置單元中所有P型MOS管的柵長(zhǎng)相等，所有N型MOS管的柵長(zhǎng)相等。

所述比較放大單元包括P型MOS管MP5、MP6、MP13、MP14，N型 MOS管MN13、MN14、MN15和電容C7組成；MP5的柵端與MP6的柵端和偏置信號(hào)線BIAS相連，MP5和MP6的源端與電源線VCC相連，MP13 的柵端與輸入放大單元的節(jié)點(diǎn)L1相連，MP14的柵端與輸入放大單元的節(jié)點(diǎn) L2相連，MP13和MP14的源端、MP5的源端相連，MP13的漏端與MN13 的漏端和柵端相連，MP14的漏端與MN14的漏端、電容C7的一端、MN15的柵端相連，MN13、MN14的源端與地線GND相連，MN15的源端與地線GND 相連，MN15的漏端、電容C7的一端與MP6的漏端相連于節(jié)點(diǎn)L4，作為比較放大單元的輸出。

所述整形輸出單元包括P型MOS管MP7、MP8、MP9，N型MOS管 MN16、MN17、MN18、MN19；MN16和MN17的柵端與比較放大單元的節(jié)點(diǎn)L4相連，MN16、MN17的源端與地線GND相連，MN6的漏端與MP7的漏端、MN20的漏端、MP8和MN18的柵端相連，MP7的柵端與偏置信號(hào)線 BIAS相連，MP7的源端與電源線VCC相連，MN17的漏端與MN20的源端相連，MN20的柵端與MP9和MN19的柵端、MN18和MP8的漏端相連，MN18、 MN19的源端與地線GND相連，MP8和MP9的源端與電源線VCC相連，MN19 與MP9的漏端相連，作為整形輸出單元的輸出。

所述整形輸出單元通過(guò)調(diào)節(jié)MP7的鏡像電流I₀大小、MN17與MN16的寬長(zhǎng)比比值、MN16的寬長(zhǎng)比來(lái)調(diào)節(jié)整遲滯窗口大小，所述遲滯窗口大小為：

其中，I₀為通過(guò)MP7的鏡像電流，n為MN17與MN16的寬長(zhǎng)比比值，為MN16的寬長(zhǎng)比，V_s為該比較器的遲滯窗口，μ_n為電子遷移率，c_ox單位柵電容系數(shù)。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

(1)、本實(shí)用新型輸入放大單元采用隔直電容過(guò)濾外部輸入信號(hào)，結(jié)合自動(dòng)校零技術(shù)，實(shí)現(xiàn)只傳輸交流小信號(hào)，前級(jí)直流失調(diào)以及低頻1/f噪聲被隔斷，不能進(jìn)入比較器；

(2)、本實(shí)用新型輸入放大單元增加了閾值調(diào)節(jié)輸入端，通過(guò)該閾值調(diào)節(jié)輸入端電壓幅值調(diào)整比較器的閾值，可以實(shí)現(xiàn)比較器閾值的隨意調(diào)節(jié)；

(3)、本實(shí)用新型采用的偏置單元采用全MOS管實(shí)現(xiàn)，盡量采用柵長(zhǎng)相等的器件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)簡(jiǎn)化版圖的布局布線以及對(duì)稱性；

(4)、本實(shí)用新型比較放大單元采用米勒電容，以犧牲工作帶寬的代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)低通濾波，阻止高頻噪聲的傳遞；

(5)、本實(shí)用新型整形輸出單元采用內(nèi)部正反饋結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)遲滯，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單有效，不需要外部反饋，避免噪聲干擾比較器的閾值。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型集成消失調(diào)、抗干擾的比較器電路原理圖；

圖2為本實(shí)用新型輸入放大單元電路圖；

圖3為本實(shí)用新型偏置單元電路圖；

圖4為本實(shí)用新型比較放大單元電路圖；

圖5為本實(shí)用新型整形輸出單元電路圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述：

如圖1所示，本實(shí)用新型提供了一種集成消失調(diào)、抗干擾的比較器電路原理圖，該比較器采用兩級(jí)開環(huán)比較器結(jié)構(gòu)，由輸入放大單元、偏置單元、比較放大單元和整形輸出單元組成。主要針對(duì)輸入失調(diào)電壓和在噪聲環(huán)境下的單轉(zhuǎn)換兩方面做了改進(jìn)。輸入放大單元采用隔直電容以及自動(dòng)校零電路，只傳輸交流小信號(hào)，運(yùn)放的直流失調(diào)以及低頻1/f噪聲被隔斷，不能進(jìn)入比較器，同時(shí)利用周期性的重復(fù)自動(dòng)校零技術(shù)消除輸入失調(diào)電壓；偏置單元提供整體電路的直流工作點(diǎn)，利用全MOS管來(lái)實(shí)現(xiàn)；比較放大單元，提供足夠的增益使得比較器能夠達(dá)到足夠的精度，犧牲部分帶寬的情況下增加濾除噪聲特性；整形輸出單元采用內(nèi)部正反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)比較窗口的遲滯，從而提高了比較器的抗噪聲能力。

如圖2所示，輸入放大單元為比較器電路的第一級(jí)，包括P型MOS管MP1、 MP11、MP12和N型MOS管MN1、MN2、MN3、MN4以及電容C1、C2、 C3、C4、C5、C6組成；差分輸入端INA和INB分別與電容C1、C2的一端相連，電容C1的另一端連接MP11的柵端、MN1的漏端，電容C2的另一端連接MP12的柵端、MN2的漏端，MP11、MP12的源端相連并與MP1管的漏端相連，MP1的柵端與偏置信號(hào)線BIAS相連，MP1的源端與電源線VCC 相連，MP11的漏端與MN3的源端相連，MP12的漏端與MN4的源端相連， MN3、MN4的柵端相連，MN3、MN4的源端分別與地線GND相連，MN1和 MN2的柵端同時(shí)與消失調(diào)時(shí)鐘信號(hào)INP相連，MN1的源端與電容C5的一端、 MP11的漏端以及MN3的漏端相連于節(jié)點(diǎn)L1，MN2的源端與電容C6的一端、 MP12的漏端以及MN4的漏端相連于節(jié)點(diǎn)L2，電容C5、C6的另一端與地線 GND相連，MN3、MN4的柵端相連于節(jié)點(diǎn)L3，節(jié)點(diǎn)L1和節(jié)點(diǎn)L2的信號(hào)為輸入放大單元的輸出。

輸入放大單元還包括閾值調(diào)節(jié)輸入端INC、IND，電容C3，C4，閾值調(diào)節(jié)輸入端INC和IND分別與電容C3和C4的一端相連，C3的另一端與C1的另一端并聯(lián)連接至P型MOS管MP11的柵端，C4的另一端與C2的另一端并聯(lián)連接至P型MOS管MP12的柵端，通過(guò)調(diào)節(jié)INC、IND的電壓幅值調(diào)整比較器的閾值。

INA和INB為比較器的輸入接口，一般為前級(jí)放大器輸出的差分信號(hào)信號(hào)， INC、IND為偏置信號(hào)輸入接口，通過(guò)調(diào)節(jié)INC和IND輸入信號(hào)的電壓幅值來(lái)調(diào)整比較器的閾值窗口的基本原理如下所示：

ΔV₊＝ΔV_INA+ΔV_INC×C₃/C₁

ΔV_-＝ΔV_INB+ΔV_IND×C₄/C₂

由上式可以看出，在C1、C2、C3、C4確定的情況下，可以通過(guò)調(diào)節(jié)INC 和IND輸入信號(hào)的電壓幅值來(lái)調(diào)整由比較器的閾值窗口，INC、IND輸入信號(hào)一般取與INA、INB輸入信號(hào)相位相反的差分信號(hào)，INC輸入信號(hào)的相位與INA 輸入信號(hào)相位相差180°，IND輸入信號(hào)的相位與INB輸入信號(hào)相位相差180°。

INP為周期性方波信號(hào)，其頻率與差分輸入信號(hào)頻率相同。在一個(gè)周期的前半個(gè)周期，N型MOS管MN1、MN2導(dǎo)通，設(shè)置直流偏置點(diǎn)，同時(shí)將儲(chǔ)存在電容C5和C6中的輸出失調(diào)電壓疊加到輸入端，因?yàn)槭д{(diào)電壓與輸入信號(hào)相位相反，故正好實(shí)現(xiàn)失調(diào)電壓的自動(dòng)調(diào)零；下半周期M1、M2關(guān)斷，信號(hào)V+和V-傳輸，此時(shí)電容C1、C2起到的是隔直電容的作用，只傳輸交流小信號(hào)，所以運(yùn)放的直流失調(diào)以及低頻1/f噪聲被隔斷，不能進(jìn)入比較器，該結(jié)構(gòu)很好消除了輸入信號(hào)的失調(diào)電壓。

如圖3所示，偏置單元包含P型MOS管MP2、MP3、MP4，N型MOS 管MN5、MN6、MN7、MN8、MN9、MN10、MN11、MN12組成；MP2、 MP3、MP4的柵端均與偏置信號(hào)線BIAS相連，MP2、MP3、MP4的源端與電源線VCC相連，MP2的漏端與MN8的漏端相連，MN8的源端與MN5的漏端和柵端以及輸入放大單元的節(jié)點(diǎn)L3相連，MN5的源端與地線GND相連，MN8 的柵端、MN9的源端、MN6的漏端和柵端相連，MN6的源端與地線GND相連，MN9的漏端與MP3的漏端相連，MN9的柵端與MN7的漏端和柵端、 MN10的源端、MN11的源端、MN12的源端相連，MN7的源端與地線GND 相連，MN10的柵端和漏端、MN11的柵端、MN12的柵端、MP4的漏端相連， MN11的漏端與輸入放大單元的節(jié)點(diǎn)L1相連，為輸入放大單元提供直流偏置， MN12的漏端與輸入放大單元的節(jié)點(diǎn)L2相連，為比較放大單元提供直流偏置。

MOS管MP2、MP3、MP4構(gòu)成鏡像電流源結(jié)構(gòu)，MN10、MN11、M12 構(gòu)成鏡像電流源結(jié)構(gòu)，MN7和MN9連接成二級(jí)管結(jié)構(gòu)，MN7、MN9和MP4 構(gòu)成主偏置支路，MN7、MN9、MN10、MN11構(gòu)成第二級(jí)的輸入直流偏置， MN5、MN6、MN8、MN9構(gòu)成第一級(jí)的共模偏置，利用正反饋穩(wěn)定第一級(jí)的直流共模偏置點(diǎn)，保證較寬第一級(jí)的共模偏置范圍。

如圖4所示，比較放大單元包括P型MOS管MP5、MP6、MP13、MP14， N型MOS管MN13、MN14、MN15和電容C7組成；MP5的柵端與MP6的柵端和偏置信號(hào)線BIAS相連，MP5和MP6的源端與電源線VCC相連，MP13 的柵端與輸入放大單元的節(jié)點(diǎn)L1相連，MP14的柵端與輸入放大單元的節(jié)點(diǎn) L2相連，MP13和MP14的源端、MP5的源端相連，MP13的漏端與MN13 的漏端和柵端相連，MP14的漏端與MN14的漏端、電容C7的一端、MN15的柵端相連，MN13、MN14的源端與地線GND相連，MN15的源端與地線GND 相連，MN15的漏端、電容C7的一端與MP6的漏端相連于節(jié)點(diǎn)L4，作為比較放大單元的輸出。差分對(duì)管的負(fù)載是一對(duì)簡(jiǎn)單的NMOS電流鏡，輸入級(jí)和輸出級(jí)之間接電容C7，采用了簡(jiǎn)單的米勒補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的運(yùn)放噪聲特性好，共模范圍下限較低，范圍較寬。米勒補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的電容C7，在采用不同的電容數(shù)值時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)放帶寬的調(diào)整。比較放大單元是典型的P溝道輸入差分運(yùn)放單元，是由PMOS差分對(duì)管輸入級(jí)和倒相輸出級(jí)組成。

如圖5所示，整形輸出單元包括P型MOS管MP7、MP8、MP9，N型 MOS管MN16、MN17、MN18、MN19；MN16和MN17的柵端與比較放大單元的節(jié)點(diǎn)L4相連，MN16、MN17的源端與地線GND相連，MN6的漏端與 MP7的漏端、MN20的漏端、MP8和MN18的柵端相連，MP7的柵端與偏置信號(hào)線BIAS相連，MP7的源端與電源線VCC相連，MN17的漏端與MN20 的源端相連，MN20的柵端與MP9和MN19的柵端、MN18和MP8的漏端相連，MN18、MN19的源端與地線GND相連，MP8和MP9的源端與電源線VCC 相連，MN19與MP9的漏端相連，作為整形輸出單元的輸出。MOS管MN18 和MP8，以及MN19和MP9構(gòu)成的反向器，根據(jù)輸出驅(qū)動(dòng)要求可以調(diào)整寬長(zhǎng)比來(lái)調(diào)整比較器輸出的驅(qū)動(dòng)能力與延遲時(shí)間，MN17構(gòu)成正反饋支路，提供遲滯窗口，同時(shí)增加驅(qū)動(dòng)能力，穩(wěn)定輸出電壓。該結(jié)構(gòu)可以驅(qū)動(dòng)較大的容性負(fù)載，并且不犧牲比較器的速度，這一原理在數(shù)字緩沖器中很容易理解。與普通的開環(huán)比較器相比，本單元結(jié)構(gòu)引入MN17構(gòu)成正反饋支路，由此引入遲滯現(xiàn)象并加快轉(zhuǎn)換速度。工作過(guò)程如下：當(dāng)L4的電平為零時(shí)，MOS管MN16和MN17 處于截止?fàn)顟B(tài)，MN20也處于截止?fàn)顟B(tài)，反饋回路不起作用。隨著L4電平逐漸增加，達(dá)到MN16、MN17的閾值后，MN16、MN17逐漸開啟，反相器結(jié)構(gòu)的 MN18和MP8的柵端電壓(P點(diǎn))逐漸降低，從而MN18和MP8的漏端電壓 (Q點(diǎn))逐漸增加，導(dǎo)致MN20逐漸開啟，正反饋開始起作用，加快節(jié)點(diǎn)電荷的泄放速度。隨著L4電位的增加，MN16、MN17以及MN20均工作于深線性區(qū)，正反饋?zhàn)饔孟В籐4電位從VDD開始減小時(shí)，MN16、MN17、MN20由深線性區(qū)逐漸向飽和區(qū)過(guò)渡，反饋支路也開始起作用，隨著L4電位的降低， MN16、MN17以及MN20開始截止，反饋支路反饋?zhàn)饔孟?。?jiǎn)而言之，當(dāng) L4電位從低電平向高電平轉(zhuǎn)換時(shí)，反饋支路的工作狀態(tài)是由飽和區(qū)向線性區(qū)轉(zhuǎn)換，而當(dāng)L4電平從高電平向低電平轉(zhuǎn)換時(shí)，反饋支路的工作狀態(tài)是由線性區(qū)向飽和區(qū)轉(zhuǎn)換，因此便可以通過(guò)改變反饋支路的工作點(diǎn)來(lái)產(chǎn)生遲滯。遲滯窗口大小為：

其中，I₀為MP7提供的鏡像電流，n為MN17與MN16的寬長(zhǎng)比比值，為MN16的寬長(zhǎng)比，V_s為該比較器的遲滯窗口，μ_n為電子遷移率，c_ox單位柵電容系數(shù)。通過(guò)公式可知，可以通過(guò)調(diào)節(jié)MP7的鏡像電流I₀大小以及 MN16、MN17的寬長(zhǎng)比來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)整遲滯窗口大小的目的。

該比較器結(jié)構(gòu)采用了兩級(jí)開環(huán)比較器結(jié)構(gòu)，主要針對(duì)輸入失調(diào)電壓和在噪聲環(huán)境下的單轉(zhuǎn)換兩方面做了改進(jìn)。采用隔直電容以及自動(dòng)校零電路，只傳輸交流小信號(hào)，運(yùn)放的直流失調(diào)以及低頻1/f噪聲被隔斷，不能進(jìn)入比較器，同時(shí)利用周期性的重復(fù)自動(dòng)校零技術(shù)消除輸入失調(diào)電壓；采用內(nèi)部正反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)比較窗口的遲滯，從而提高了比較器的抗噪聲能力。

本實(shí)用新型說(shuō)明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。