两步高速自动调零和自校准比较器制造技术

提供了两步高速自动调零和自校准比较器。一种控制比较器的方法包括：在第一时间段期间，使得自动调零环路能够提供包括差分存储器电容器的差分前置放大器的初始失调校准；以及在第一窗口之后的第二时间段期间，使得自校准电路能够提供差分前置放大器的失调校准，并且最小化动态锁存器的输出失调。其中动态锁存器被配置为以采样频率锁存差分前置放大器的输出，自动调零环路包括辅助放大器，所述辅助放大器被配置为基于跨差分存储器电容器的电压将校正信号注入差分前置放大器中，并且自校准电路包括电荷泵，所述电荷泵被配置为基于动态锁存器的输出来调整跨差分存储器电容器的电压。

【技术实现步骤摘要】
两步高速自动调零和自校准比较器
本专利技术总体上涉及自动调零和自校准比较器的电路和方法。
技术介绍
模拟电压或电流比较器是电子电路中广泛使用的构建块，其具有针对低失调（low-offset）操作进行优化的输入级。例如，比较器是用于无线和超大规模集成（VLSI）系统、模拟/混合IC和模数转换器（ADC）的基本模数接口元件。比较器可以是一种设备，该设备将一个输入上的信号电压（VIN）与其另一个输入上的参考电压（接地）进行比较，当一个信号电平大于另一个时，其生成为逻辑1或0的数字输出。比较器的外部引脚包括差分对，该差分对具有非反相输入（+）、反相输入（-），并且比较器一般还包括输出引脚。
技术实现思路
一种比较器电路包括差分前置放大器、动态锁存器、自动调零环路、自校准电路和控制逻辑。差分前置放大器包括差分存储器电容器。动态锁存器被配置为以采样频率锁存差分前置放大器的输出。自动调零环路包括辅助放大器，该辅助放大器被配置为基于跨差分存储器电容器的电压将校正信号注入差分前置放大器中。自校准电路包括电荷泵，该电荷泵被配置为基于动态锁存器的输出来调整跨差分存储器电容器的电压。控制逻辑可以被配置为在第一时间段期间发送第一信号以使得自动调零环路能够提供差分前置放大器的初始失调校准，并且在第一时间段之后发生的第二时间段期间发送第二信号以使得自校准电路能够提供差分前置放大器的失调校准，最小化动态锁存器的失调。一种控制比较器的方法包括：在第一时间段期间，使得自动调零环路能够提供包括差分存储器电容器的差分前置放大器的初始失调校准；以及在第一窗口之后的第二时间段期间，使得自校准电路能够提供差分前置放大器的失调校准，并且最小化动态锁存器的输出失调。一种比较器电路包括差分前置放大器、动态锁存器、自动调零环路、自校准电路和控制逻辑。差分前置放大器包括差分存储器电容器。动态锁存器被配置为以采样频率锁存差分前置放大器的输出。自动调零环路包括辅助放大器，该辅助放大器被配置为基于跨差分存储器电容器的电压将校正信号注入差分前置放大器中。自校准电路包括电荷泵，该电荷泵被配置为基于动态锁存器的输出来调整到差分存储器电容器的电流。控制逻辑可以被配置为在第一时间段期间发送第一信号以使得自动调零环路能够提供差分前置放大器的初始失调校准，并且在第一时间段之后发生的第二时间段期间发送第二信号以使得自校准电路能够提供差分前置放大器的失调校准，最小化动态锁存器的失调。附图说明图1A是具有失调的放大器的框图。图1B是图1A的放大器的输入电压与输出电压关系的图形表示。图2A是具有失调的比较器的框图。图2B是图2A的比较器的输入电压与输出电压关系的图形表示。图3是不具有失调的模拟输入信号和结果比较器输出相对于时间的图形表示。图4是具有失调的模拟输入信号和结果比较器输出相对于时间的图形表示。图5是具有自动调零电路的比较器的示意图。图6是图5中所示电路的相位和时钟信号相对于时间的图形图示。图7是仅使用电荷泵电路的自校准比较器的示意图。图8是仅使用图7的电荷泵电路的自校准比较器的信号相对于时间的图形图示。图9是图7采用减小的残余失调的自校准电荷泵电路的信号相对于时间的图形图示。图10是两步自动调零自校准比较器的示意图。图11A是图10的两步自动调零自校准比较器的相位和时钟信号相对于时间的图形表示。图11B是图10的两步自动调零自校准比较器的信号相对于时间的图形表示。图12是两步失调补偿电流域比较器电路的示意图。具体实施方式如所要求的，本文公开了本专利技术的详细实施例；然而，应理解，所公开的实施例仅仅是可以以各种和替代形式体现的本专利技术的范例。各图不一定是按比例的；一些特征可能被放大或最小化以示出特定组件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式采用本专利技术的代表性基础。术语“基本上”可以在本文中用于描述公开或要求保护的实施例。术语“基本上”可以修饰本公开中公开或要求保护的值或相对特性。在这样的实例中，“基本上”可以表明它修饰的值或相对特性在该值或相对特性的0%、0.1%、0.5%、1%、2%、3%、4%、5%或10%之内。诸如汽车Lidar（光测距和检测）之类的应用要求既以高速又以高精度操作的电子电路。这与用于传送的接收信号动态范围和调制速度有关。这样的系统形成收发器，其中检测能力依赖于高保真电子器件。诸如强度调制激光传送脉冲串中的相位编码之类的技术改进了总体系统性能，但是在需要组合低失调和高速操作例如以防止信息丢失方面对电子电路施加矛盾性要求。作为结果，这样的系统的接收信号路径可能要求在噪声水平之下的有效输入参考失调水平。用于仪器应用的电子器件受益于较低的带宽，其允许进行权衡来改进准确度，主要是由于诸如晶体管之类的组件的失配。这样的权衡允许通过增加器件大小来改进匹配。进一步的改进可以通过诸如自动调零之类的动态误差校正技术来实现。对于高速应用，器件大小必须针对速度进行优化，以便最小化寄生电容，然而这导致不良的失调性能。常规的自动调零方案也可能导致潜在的高残余失调，这是由于在比较器输出级处使用的高速动态锁存器所引起的失调效应并未被自动调零环路处置。比较器失调也可以被校准，然而工厂校准不足够鲁棒以保证电路在汽车条件下的寿命性能。这意味着应该寻求超越常规自动调零和校准的自校准技术。由于诸如电子组件失配之类的多种非理想效应，放大器或比较器的实际实现将具有有效的输入失调电压。图1A是具有失调100的放大器的框图。放大器的输入参考失调（VOS）可以用与其输入串联的DC电压源来建模。图1B是放大器100的输入电压154与输出电压152的关系150的图形表示。在零输入信号的情况下，在输入处要求该电压来创建零输出电压。作为这点的结果，放大器的输入-输出特性不过零。相同的构思可以应用于比较器，其中为了能够准确区分输入信号的极性，比较器包括与其输入串联放置的净输入参考DC电压（VOS）。图2A是具有失调200的比较器的框图。图2B是比较器200的输入电压254与输出电压252的关系250的图形表示。因此，诸如斩波、自动调零、相关双采样、修整和校准方法等失调减小技术已经广泛使用在集成电路中。每种方法具有益处和缺点，并且每种方法具有其对某些应用的最佳配合。这些可能牵涉到关于如下的考虑：对具体应用而言可能是重要的连续操作、干扰和毛刺的引入、在温度和寿命之上的鲁棒性等。强度调制的相位编码Lidar是其中比较器失调可能严重地影响性能的系统的一个示例。在这种情况下，通过将比较器的输出位流与传送相位模式相互关联来检测飞行时间。图3是不具有失调的模拟输入信号302和结果比较器输出304相对于时间306的图形表示300。模拟输入信号302包括意图的数字信号308和如接收的实际模拟信号310。图4是具有失调的模拟输入信号402和结果比较器输出404相对于时间406的图形表示4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种比较器电路，包括：/n包括差分存储器电容器的差分前置放大器；/n动态锁存器，被配置为以采样频率锁存差分前置放大器的输出；/n自动调零环路，包括辅助放大器，所述辅助放大器被配置为基于跨差分存储器电容器的电压将校正信号注入差分前置放大器中；/n自校准电路，包括电荷泵，所述电荷泵被配置为基于动态锁存器的输出来调整跨差分存储器电容器的电压；以及/n控制逻辑，被配置为，/n在第一时间段期间发送第一信号以使得自动调零环路能够提供差分前置放大器的初始失调校准，/n在第一时间段之后发生的第二时间段期间发送第二信号以使得自校准电路能够提供差分前置放大器的失调校准，最小化动态锁存器的失调。/n

【技术特征摘要】
20191127 US 16/6986261.一种比较器电路，包括：
包括差分存储器电容器的差分前置放大器；
动态锁存器，被配置为以采样频率锁存差分前置放大器的输出；
自动调零环路，包括辅助放大器，所述辅助放大器被配置为基于跨差分存储器电容器的电压将校正信号注入差分前置放大器中；
自校准电路，包括电荷泵，所述电荷泵被配置为基于动态锁存器的输出来调整跨差分存储器电容器的电压；以及
控制逻辑，被配置为，
在第一时间段期间发送第一信号以使得自动调零环路能够提供差分前置放大器的初始失调校准，
在第一时间段之后发生的第二时间段期间发送第二信号以使得自校准电路能够提供差分前置放大器的失调校准，最小化动态锁存器的失调。


2.根据权利要求1所述的比较器电路，其中第一时间段具有基于差分前置放大器的带宽的持续时间。


3.根据权利要求2所述的比较器电路，其中所述持续时间小于或等于仅自校准的比较器的稳定时间，所述稳定时间由下式表述

，
其中，CH是差分存储器电容器的平均电容，VOS,preamp是差分前置放大器的初始输入失调，并且ICHP是电荷泵的电流。


4.根据权利要求2所述的比较器电路，其中第一时间段和第二时间段的持续时间等于或小于自校准比较器，并且比较器电路的残余失调小于仅自校准比较器的残余失调。


5.根据权利要求2所述的比较器电路，其中所述持续时间基于稳定时间，所述稳定时间由下式表述

，
其中N是在1和100之间的时间常数的数量。


6.根据权利要求5所述的比较器电路，其中时间常数的数量在1和10之间。


7.根据权利要求1所述的比较器电路，其中初始失调校准基于存储在差分存储器电容器上的第一校正值，并且在第二时间段期间，最小化由于动态锁存器所致的失调包括将附加校正值添加到存储在差分存储器电容器上的第一校正值。


8.根据权利要求1所述的比较器电路，其中，比较器电路在第二时间段之后的残余失调与电路的校准时间分离。


9.一种控制比较器的方法，包括：
在第一时间段期间，使得自动调零环路能够提供包括差分存储器电容器的差分前置放大器的初始失调校准；以及
在第一时间段之后的第二时间段期间，使得自校准电路能够提供差分前置放大器的失调校准，并且最小化动态锁存器的输出失调。


10.根据权利要求9所述的方法，其中动态锁存器被配置为以采样频率锁存差分前置放大器的输出，自动调零环路包括辅助放大器，所述辅助放大器被配置为基于跨差分存储器电容器的电压将校正信号注入差分前置放大器中，并且自校准电路...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·M·克什米尔，R·布莱希施米特，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE