載電阻、NMOS管Mm和匪03管11"為電 荷栗偏置電流、VB4和VB5為電荷栗偏置電壓、NM0S管Me5、NM0S管Mra為校準控制信號Vc+和 校準控制信號Ve控制的電荷栗開關管、Ce為電荷栗電容，失調(diào)校準電路的輸出信號VA+和 輸出信號乂4分別反饋到預放大電路負載管^和負載管^的襯底。整個電路中除了負載管 M5和負載管Μ4的襯底以外，其余所有NM0S管的襯底都連接到地、所有PM0S管的襯底都連 接到電源電壓。雙相非交疊時鐘Φ1和雙相非交疊時鐘2 .為雙相非交疊時鐘；雙相非交 疊時鐘Φtf的下降沿領先于雙相非交疊時鐘爭1的下降沿；雙相非交疊時鐘Φ2D略微落后 于雙相非交疊時鐘φ2;校準時鐘爭為雙相非交疊時鐘φ2D的反相時鐘，并在雙相非交 疊時鐘Φ』的低電平期間有一段時間被拉到低電平用于校準；校準采樣時鐘φCs為雙相 非交疊時鐘φ$的同頻時鐘，其上升沿采樣校準時鐘φm的校準輸出。整個電路的工作情 況如下。
[0026] 當雙相非交疊時鐘φ1和雙相非交疊時鐘Φ1P為高電平時，開關Si、開關s2、開關 s3、開關S4、開關S5、開關S6閉合、開關S7、開關Ss、開關S9、開關Si。斷開，這時輸入信號V IN+ 和信號VIN分別對電容C i和電容C2充電、參考信號VREF+和參考信號VREF分別對電容C4和 電容c3充電。雙相非交疊時鐘φΦ比雙相非交疊時鐘φ提前跳變?yōu)榈碗娖剑岄_關&、開 關s6領先與開關si、開關s2、開關s3、開關s4斷開，從而讓電容ci、電容c2、電容c3、電容c4 的右極板懸空，實現(xiàn)電荷鎖定。當雙相非交疊時鐘Φ1跳變?yōu)榈碗娖胶螅娙軶、電容c2、電 容(：3、(：4上存儲的電荷分別為（假設電容的容值都為c):
[0028] 當雙相非交疊時鐘φ2跳變?yōu)楦唠娖胶?，電容Q、電容C2、電容C3、電容(：4的電荷進 行重新分配，此時電容Ci、電容c2、電容c3、電容c4上存儲的電荷分別為：
[0030] 由于電容Ci、電容c2、電容c3、電容c4的右極板懸空，根據(jù)電荷守恒原理可知：
[0032] 由此可得到預放大電路的差分輸入電壓為：
[0034] 這個差分電壓經(jīng)過預放大電路放大后，交由鎖存輸出電路。
[0035] 鎖存輸出電路的工作分為兩個過程：鎖存輸出過程和校準過程。
[0036] 1)雙相非交疊時鐘Φ2和雙相非交疊時鐘φ1為高電平的期間為鎖存輸出過程， 此時校準時鐘Φ咖為低電平，開關管Ms關斷。鎖存電路輸入管Μ6、鎖存電路輸入管馬和 正反饋負載Μ9、負載I。將預放大電路的輸出迅速放大為鎖存輸出數(shù)字信號V。1+和數(shù)字信號 V。由于雙相非交疊時鐘φ3為高電平，與門Gi、與門g2開啟，并將鎖存輸出信號v。1+和鎖 存輸出信號I輸出為比較器輸出信號V。+和輸出信號V。。
[0037] 2)雙相非交疊時鐘φ2和雙相非交疊時鐘f2D為低電平的期間為校準過程，此時 預放大電路的正負輸入vx+和正負輸入￥：(都接到共模電平νεΜ，預放大電路的輸入信號即輸 入失調(diào)電壓。校準時鐘Φ^先為高電平，開關管仏導通，PM0S管MpPMOS管M2、PM0S管Μ3、 PM0S管M4、PM0S管M5、PM0S管M6、PM0S管M7、NM0S管Ms、NM0S管M9、NM0S管 ％。形成兩級 放大電路對輸入失調(diào)電壓進行放大。然后校準時鐘Φ?變?yōu)榈碗娖?，開關管仏關斷，輸入 失調(diào)電壓被迅速放大為數(shù)字信號VM+和數(shù)字信號VM，并通過觸發(fā)器G3、觸發(fā)器64被校準采 樣時鐘Φ(、萇樣得到校準控制信號vc+和校準控制信號\^。隨后校準時鐘φ?再次變?yōu)?高電平，為后面比較器對正常的輸入信號放大做準備。
[0038] 失調(diào)校準電路的偏置管Με4和失調(diào)校準電路的偏置管Μ"提供相等的偏置電流，開 關管Με5和開關管Με6在校準控制信號Vε+和信號Vε的控制下交替打開，讓上下偏置電流分 別對電容Ce充放電產(chǎn)生電荷栗輸出電壓VPUMP。此電壓與參考電壓VB2通過差分放大電路放 大后產(chǎn)生調(diào)整電壓VA+和電壓VA，用來調(diào)整預放大電路負載管M4和負載管Μ5的襯底電壓， 從而形成比較器失調(diào)校準的負反饋回路。
[0039] 當比較器產(chǎn)生正的輸入失調(diào)電壓，即Vx+高于Vx時，在校準階段比較器會產(chǎn)生高電 平Ve+和低電平^^。這時電荷栗對電容(^充電讓電荷栗輸出電壓VPUMP升高，進而讓校準電 壓VA升高、校準電壓VA+降低。通過這種對負載管Μ4和負載管Μ5襯底電壓的調(diào)整，會影響 他們的閾值電壓，從而導致預放大電路負載反方向的失配，從而抵消輸入失調(diào)電壓。當環(huán)路 穩(wěn)定后，校準控制信號Ve+和校準控制信號Ve會輸出交替的高低電平，電荷栗輸出電壓VPUMP 趨于穩(wěn)定。當比較器產(chǎn)生負的輸入失調(diào)電壓時，環(huán)路仍然按照上述過程向反方向調(diào)整。
[0040] 圖4a和4b給出了比較器工作在100MHz時的仿真波形。其中圖4 (a)為存在+10mV 輸入失調(diào)電壓的情況，由于輸入失調(diào)的影響，起初vc+始終輸出高電平，電荷栗輸出電壓VPUMP 不斷升高，失調(diào)調(diào)整電SvA升高、失調(diào)調(diào)整電壓vA+降低。當失調(diào)校準完成后，vPUMP在一個 穩(wěn)定電壓附近小幅波動，而失調(diào)調(diào)整電壓￥4與失調(diào)調(diào)整電壓VA+也在一個穩(wěn)定的壓差附近 小幅波動，vc+交替輸出高低電平。圖4(b)為存在-10mV輸入失調(diào)電壓的情況，可以看到在 經(jīng)歷了相似的調(diào)整過程后，環(huán)路實現(xiàn)穩(wěn)定。
【主權項】
1. 一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器中開關電容比較器電路，其特征在于：包括開關電容電路、預放大 電路、鎖存輸出電路、失調(diào)校準電路；所述開關電容電路連接所述預放大電路的輸入端，所 述鎖存輸出電路連接所述預放大電路的輸出端，所述失調(diào)校準電路與預放大連路相連接。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器中開關電容比較器電路，其特征在于：包 括雙相非交疊時鐘f 1 /雙相非交疊時鐘卬#/雙相非交疊時鐘f & /雙相非交疊時鐘 爭at、校準時鐘染m、校準采樣時鐘f esr雙相非交疊時鐘爭1和雙相非交疊時鐘<P 2為雙 相非交疊時鐘，雙相非交疊時鐘f ip的下降沿略微領先于雙相非交疊時鐘f 的下降沿， 雙相非交疊時鐘9 2D整體略微落后于雙相非交疊時鐘CR 2,校準時鐘爭為雙相非交疊 時鐘卬@的反相時鐘、并在雙相非交疊時鐘卬20的低電平期間有一段時間被拉到低電平 用于校準，校準采樣時鐘為雙相非交疊時鐘<P 2D的同頻時鐘、其上升沿采樣校準時鐘 爭植,的校準輸出。3. 根據(jù)權利要求1或2所述的一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器中開關電容比較器電路，其特征在于： 在開關電容電路對輸入信號進行采樣的期間，插入一段失調(diào)校準時間，在校準時間段里，鎖 存輸出電路將預放大電路的輸入失調(diào)電壓放大產(chǎn)生校準控制方波信號，并通過失調(diào)校準電 路反饋調(diào)整預放大電路負載管的閾值電壓，從而實現(xiàn)輸入失調(diào)電壓的抵消，整個電路中除 了負載管M5和負載管M 4的襯底以外，其余所有NMOS管的襯底都連接到地、所有PMOS管的 襯底都連接到電源電壓。4. 根據(jù)權利要求1所述的一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器中開關電容比較器電路，其特征在于：所述 預放大電路，包括尾電流偏置電流管I、尾電流偏置電壓VB1、輸入差分管M2、輸入差分管M 3、 二極管連接的負載管M4、二極管連接的負載管仏，在開關電容電路對輸入信號進行采樣的 期間，差分輸入Vx+和V x均接到共模電平V eM，相當于等效輸入預放大電路的輸入失調(diào)電壓， 負載管M4、負載管仏的閾值電壓可根據(jù)輸入失調(diào)電壓的情況實時調(diào)整，以抵消輸入失調(diào)電 壓的影響，實現(xiàn)失調(diào)電壓校準。5. 根據(jù)權利要求1所述的一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器中開關電容比較器電路，其特征在于：所述 鎖存輸出電路，包括輸入放大管M6、輸入放大管M7、開關管Ms、正反饋連接的負載管M 9、正反 饋連接的負載管I。、與門Gi、與門G2、D觸發(fā)器G3、D觸發(fā)器G4，在開關電容電路對輸入信號 進行采樣即雙相非交疊時鐘$ 1?和雙相非交疊時鐘f ip為高電平的期間，校準時鐘f姐 提供一段校準輸出時間，負載管仏在其控制下將輸入失調(diào)電壓放大為數(shù)字信號，并由校準 采樣時鐘f es采樣輸出為校準控制信號VeJPVe，當雙相非交疊時鐘cp 2D為高電平時，對輸 入信號的正常比較結果通過與門A、與門G2后產(chǎn)生為比較器輸出信號V。+和輸出信號V。。6. 根據(jù)權利要求1所述的一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器中開關電容比較器電路，其特征在于：所述 失調(diào)校準電路，包括尾電流偏置管Mei、尾電流偏置電壓VB3、輸入差分管Me2、輸入差分管M C3、 校準參考電壓VB2、負載電阻Rei、負載電阻Re2、電荷栗偏置電流管M e4和電荷栗偏置電流管 M"、電荷栗偏置電壓VB4和電荷栗偏置電壓V B5、電荷栗開關管Me5、電荷栗開關管Mra、電荷栗 電容Ce，偏置管Me4和偏置管M "提供相等的偏置電流，開關管M e5和開關管M e6在校準控制 信號Ve+和校準控制信號V e的控制下交替打開，讓上下偏置電流分別對電容Ce充放電產(chǎn)生 電荷栗輸出電壓VPUMP，電荷栗輸出電壓VPUM#P校準參考電壓V B2經(jīng)過比較放大后產(chǎn)生校準輸 出信號VA+和校準輸出信號V A并分別反饋到預放大電路負載管M 5和負載管M 4的襯底，實現(xiàn) 輸入失調(diào)電壓校準。
【專利摘要】本實用新型公開一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器中開關電容比較器電路，其特征在于：包括開關電容電路、預放大電路、鎖存輸出電路、失調(diào)校準電路；所述開關電容電路連接所述預放大電路的輸入端，所述鎖存輸出電路連接所述預放大電路的輸出端，所述失調(diào)校準電路與預放大連路相連接。本實用新型此校準技術不會在比較器的信號節(jié)點上引入任何寄生參數(shù)，可以提高比較器的響應速度，適合于高速ADC的應用場合。
【IPC分類】H03M1/38
【公開號】CN204967797
【申請?zhí)枴緾N201520663556
【發(fā)明人】嚴偉, 廖浩勤
【申請人】西安啟微迭儀半導體科技有限公司
【公開日】2016年1月13日
【申請日】2015年8月28日