一种无复位功耗双向动态比较器及其信号采集系统和应用技术方案

本发明专利技术公开一种无复位功耗双向动态比较器及其信号采集系统和应用，所述比较器结构采用预防大级与锁存级分离的两级结构，所述比较器包括用于双向比较的预防大级、用于充电速度比较的第一锁存级和用于放电速度比较的第二锁存级，本发明专利技术首先通过由全动态时序来控制比较器的工作，仅在比较阶段存在对地通路，当不处于比较阶段时，晶体管关断，不存在对地通路，无静态功耗，极大的减小了比较器的功耗；同时，由于双向比较策略的存在，NMOS输入对与PMOS输入对交替执行比较功能，前一次比较结束正好为后一次比较提供了复位状态，比较阶段无需额外的复位步骤，无复位功耗，减少了比较器预防大级别一半的功耗。级别一半的功耗。级别一半的功耗。

【技术实现步骤摘要】
一种无复位功耗双向动态比较器及其信号采集系统和应用


[0001]本专利技术涉及集成电路
，具体是一种无复位功耗双向动态比较器及其信号采集系统和应用。

技术介绍

[0002]在能量受限的应用领域，如无线传感器和生物医学植入物，功率高效的模数转换器（ADC）具有重要意义，在这些场景中，ADC 扮演着关键角色，用于将感测信号转换为数字形式进行处理。此时，选择适当的ADC类型对于实现长时间的稳定运行和高效能量管理至关重要。而逐次逼近模数转换器（SAR ADC）在这方面具备明显的优势，能够平衡性能和功耗需求，为无线传感器和生物医学植入物等领域提供可靠的数字信号转换解决方案。
[0003]SAR ADC的工作原理以逐步逼近为基础，通过逐个比特位的精确逼近，完成对输入模拟信号的精确数字化表示。起初，模拟信号经过采样后被保持，随后逼近寄存器的比特位从最高位开始逐一设定。在每一步中，都需要逼近值与输入信号进行比较，指引比特位是保持为1还是重置为0。这个逐步比较的过程会持续进行，直到所有比特位都经过处理。
[0004]由于SAR ADC这一特殊的工作原理，导致比较器的功耗非常大，通常占整个ADC的40%，这对减少功耗十分不利。强臂（StrongARM）动态比较器由于没有静态电流，减小了比较器本身需要的功耗。但由于其单级的架构，锁存级与预放大级之间没有隔离，StrongARM比较器的噪声性能受到锁存级回踢噪声的影响而变差。双尾电流型（double
‑
tail）静态比较器预防大级不存在动态开关的，不存在晶体管的导通与关断，所以不受回踢噪声的影响，但由于其一直存在对地通路，静态功耗也相当显著。
[0005]针对强臂比较器噪声性能差而静态比较器的功耗过高这一问题，目前通常采用双尾电流型（double
‑
tail）动态比较器。该比较器通过预防大级别与锁存级分离的两级结构，减小锁存级的回踢噪声；同时，通过开关控制，仅在比较阶段存在对地电流通路，仅有动态功耗不存在静态功耗。但其复位功耗无法避免，每一次比较结束之后都需要对预防大级的输出节点电容进行充放电复位，造成了额外功耗。
[0006]为此，针对以上各种比较器目前存在的缺陷，本专利技术提出了一种应用于逐次逼近模数转换器中的无复位功耗双向动态比较器解决上述技术问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种无复位功耗双向动态比较器及其信号采集系统和应用，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种无复位功耗双向动态比较器，所述比较器结构采用预防大级与锁存级分离的两级结构，所述比较器包括用于双向比较的预防大级、用于充电速度比较的第一锁存级和用于放电速度比较的第二锁存级。
[0009]进一步的，所述预防大级包括用于采样阶段复位的PMOS管M6/M7、用于控制放电电流通路与充电电流通路的尾电流管M0/M5、用于对P/N节点电容放电速度比较的NMOS输入对
管M1/M2以及用于充电速度比较的PMOS输入对管M3/M4；所述M5的栅极连接时钟信号CLKP，M5的漏极连接所述M3和M4的源极;所述M3的漏极节点P,同时连接M1和M6的漏极；所述M3和M1的栅极连接输入信号Vinp；所述M4的漏极节点N,同时连接M2和M7的漏极；所述M4和M2的栅极连接输入信号Vinn；所述M6和M7的栅极连接时钟信号CLKS；所述M1和M2的源极连接M0的漏极，所述M0的栅极连接时钟信号CLKN；所述M6/M7在采样阶段导通，将P/N节点电容充电到VDD。
[0010]进一步的，所述第一锁存级包括PMOS管M8、PMOS管M9、PMOS管M10、NMOS管M11、NMOS管M12、NMOS管M13和NMOS管M14；所述M8源极连接与VDD连接,所述M8的漏极连接所述M9和M10的源极，所述M8的栅极与时钟控制信号相连接，所述M9的漏极连接到输出节点Outp1，同时连接到所述M11、M12的漏极以及所述M10和M13的栅极；所述M10漏极连接到输出节点Outn1，同时连接到所述M13、M14的漏极以及所述M9和M12的栅极；所述M11栅极连接节点P，所述M8栅极连接节点N。
[0011]进一步的，所述第二锁存级包括NMOS管M15、NMOS管M16、NMOS管M17、PMOS管M18、PMOS管M19、PMOS管M20、PMOS管M21；所述M11、M12、M13、M14的源极与VDD连接，所述M15的漏极连接所述M16和M17的源极，所述M15的栅极与时钟控制信号相连接，所述M16的漏极连接到输出节点Outp2，同时连接到所述M18、M19的漏极以及所述M20和M17的栅极；所述M17漏极连接到输出节点Outn2，同时连接到所述M20、M21的漏极以及所述M16和M19的栅极；所述M18栅极连接节点P,所述M21栅极连接节点N。
[0012]进一步的，所述用于放电速度比较的第一锁存级，当P/N节点电容处的电位下降（VDD
‑
Vthn）时，输入对管NMOS管M11/M14关断，第一锁存级启动，将比较结果锁存输出；其中，VDD为电源电压，Vthn为NMOS管M11/M14的阈值电压（Vthn）。
[0013]进一步的，所述用于充电速度比较的第二锁存级，当P/N节点电容处的电位上升Vthp时，PMOS管M18/M21关断，第二锁存级启动，将比较结果锁存输出；其中，Vthp为PMOS管M18/M21的阈值电压（Vthp）。
[0014]进一步的，所述的一种应用于逐次逼近模数转换器中的无复位功耗双向动态比较器，其特征在于，所述的预防大级增益（Pre Amp）与P/N节点电容、锁存级输入对管的启动电压关系的表达式为：；
[0015]；
[0016]；
[0017]其中，为第一锁存级/ 第二锁存级输入对管关断、锁存器启动时的启动电压；为预防大级尾电流管M0/M5的导通电流；为预防大级P/N节点的节点电容；为从比较阶段开始到锁存级启动所需要的时间；为预防大级输入对M1/M2或M3/M4的跨导；为预防大级的增益。
[0018]进一步的，所述的一种应用于逐次逼近模数转换器中的无复位功耗双向动态比较
器，其特征在于，所述比较器的等效输入噪声（）与P/N节点电容()、锁存级输入对管的启动电压()和跨导（）关系的表达式为：；
[0019]；
[0020]；
[0021]其中，为预防大级输入对管M1/M2和M3/M4栅极的等效热电阻；为MOS管的噪声系数；为噪声的积分带宽；K是玻尔兹曼常数；T是绝对温度。
[0022]进一步的，所述一种应用于逐次逼近模数转换器中的无复位功耗双向动态比较器，其特征在于，比较器无需额外的复位阶段，该比较器通过NMOS输入对与PMOS输入对交替执行比较功能，前一次比较结束正好为后一次比较提供了复位状态，比较阶段无需额外的复位步骤，减少了比较器预防大级别一半的功耗，所述比较本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无复位功耗双向动态比较器，其特征在于：所述比较器结构采用预防大级与锁存级分离的两级结构，所述比较器包括用于双向比较的预防大级、用于充电速度比较的第一锁存级和用于放电速度比较的第二锁存级。2.根据权利要求1所述的一种无复位功耗双向动态比较器，其特征在于：所述预防大级包括用于采样阶段复位的PMOS管M6/M7、用于控制放电电流通路与充电电流通路的尾电流管M0/M5、用于对P/N节点电容放电速度比较的NMOS输入对管M1/M2以及用于充电速度比较的PMOS输入对管M3/M4；所述M5的栅极连接时钟信号CLKP，M5的漏极连接所述M3和M4的源极;所述M3的漏极节点P,同时连接M1和M6的漏极；所述M3和M1的栅极连接输入信号Vinp；所述M4的漏极节点N,同时连接M2和M7的漏极；所述M4和M2的栅极连接输入信号Vinn；所述M6和M7的栅极连接时钟信号CLKS；所述M1和M2的源极连接M0的漏极，所述M0的栅极连接时钟信号CLKN；所述M6/M7在采样阶段导通，将P/N节点电容充电到VDD。3.根据权利要求2所述的一种无复位功耗双向动态比较器，其特征在于：所述第一锁存级包括PMOS管M8、PMOS管M9、PMOS管M10、NMOS管M11、NMOS管M12、NMOS管M13和NMOS管M14；所述M8源极连接与VDD连接,所述M8的漏极连接所述M9和M10的源极，所述M8的栅极与时钟控制信号相连接，所述M9的漏极连接到输出节点Outp1，同时连接到所述M11、M12的漏极以及所述M10和M13的栅极；所述M10漏极连接到输出节点Outn1，同时连接到所述M13、M14的漏极以及所述M9和M12的栅极；所述M11栅极连接节点P，所述M8栅极连接节点N。4.根据权利要求3所述的一种无复位功耗双向动态比较器，其特征在于：所述第二锁存级包括NMOS管M15、NMOS管M16、NMOS管M17、PMOS管M18、PMOS管M19、PMOS管M20和PMOS管M21；所述M11、M12、M13、M14的源极与VDD连接，所述M15的漏极连接所述M16和M17的源极，所述M15的栅极与时钟控制信号相连接，所述M16的漏极连接到输出节点Outp2，同时连接到所述M18、M19的漏极以及所述M20和M17的栅极；所述M17漏极连接到输出节点Outn2，同时连接到所述M20、M21的漏极以及所述M16和M19的栅极；所述M18栅极连接节点P，所述M21栅极连接节点N。5.根据权利要求4所述的一种无复位功耗双向动态比较器，其特征在于：第一锁存级中，当P/N节点电容处的电位下降时，所述M11/M14关断，第一锁存级启动，将比较结果锁存输出；第二锁存级中，当P/N节点电容处的电位上升时，所述M18/M21关断，第二锁存级启动，将比较结果锁存输出。6.根据权利要求4所述的一种无复位功耗双向动态比较器，其特征在于：所述的预大级增益与P/N节点电容、锁存级输入对管的启动电压关系的表达式为：；；；其中，为第一锁存级/第一锁存级输入对管关断、锁存器启动时的启动电压；为预防大级尾电流管M0/M5的导通电流；为预防大级P/N节点的节点电容；为从比较阶
段开始到锁存级启动所需要的时间；为预防大级输入对M1/M2或M3/M4的跨导；为预防大级的增益。7.根据权利要求4所述的一种无复位功耗双向动态比较器，其特征在于：所述比较器的等效输入噪声与P/N节点电容、锁存级输入对管的启...

【专利技术属性】
技术研发人员：李阳志，王锋，苏子生，林全，任世佳，
申请(专利权)人：泉州师范学院，
类型：发明
国别省市：