一種新型的高性能CMOS電流比較器電路

1 引言

隨著VLSI 特征尺寸的不斷縮小和高速?低功耗應(yīng)用需求的不斷增加， 電流型電路逐漸受到廣泛的重視。 與傳統(tǒng)的電壓型電路相比， 電流型電路具有面積小、速度快、可在低電壓下工作和與數(shù)字CMOS 集成電路工藝完全兼容的特點(diǎn)， 成為取代電壓型電路的一種有效方式， 現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于A /D變換器、濾波器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的VL S I 實(shí)現(xiàn)中。

作為電流型電路的一個(gè)基本單元， CMOS 電流比較器最簡(jiǎn)單的一種結(jié)構(gòu)是將兩個(gè)共源共柵電流鏡的輸出電流之差通過(guò)一個(gè)電壓比較器放大， 得到一個(gè)電壓比較信號(hào)。 為了提高輸出電壓信號(hào)的幅度，通常需要在后面級(jí)聯(lián)幾組容性負(fù)載的CMOS 反相器。 但是， 由于共源共柵電流鏡的輸出阻抗較大， 加入容性負(fù)載會(huì)造成電流比較器的響應(yīng)速度下降。 針對(duì)速度的問(wèn)題， 出現(xiàn)了幾種高速電流比較器。 圖1 (a) 為T(mén)raff提出的一種高速CMOS 電流比較器， 其中I in表示兩組輸入電流之差，V out表示輸出的比較結(jié)果。 為了提高輸出電壓的幅度， 通常在后面還需加入幾組CMOS 反相器， 為簡(jiǎn)單起見(jiàn)圖中略去這部分電路。 這個(gè)電流比較器的輸入級(jí)(M 1 和M 2) 是一個(gè)起電流2電壓轉(zhuǎn)換作用的源跟隨級(jí)， 輸出級(jí)(M 3和M 4) 是一個(gè)起負(fù)反饋?zhàn)饔玫腃MOS 互補(bǔ)放大器，當(dāng)輸入電流之差I(lǐng) in發(fā)生變化時(shí)， 這個(gè)負(fù)反饋可以抑制輸入端電壓的變化， 所以這種電流比較器具有較小的輸入和輸出阻抗， 與基于共源共柵電流鏡結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)電流比較器相比有較小的響應(yīng)時(shí)間。 但是， 當(dāng)I in在變化過(guò)程中值很小時(shí)， 在一段時(shí)間內(nèi)兩個(gè)輸入管M 1 和M 2 有可能同時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)， 這時(shí)的I in主要是對(duì)寄生電容充電或放電， 所以在這種情況下電流比較器仍具有較大的輸入阻抗。 故對(duì)于這種電流比較器， 隨著輸入電流的減小， 響應(yīng)速度急劇下降。 針對(duì)這個(gè)問(wèn)題， Tang提出了一種改進(jìn)型的CMOS 電流比較器， 如圖1 (b) 所示。 它加入了兩個(gè)工作在飽和區(qū)的MO S 管MB1、MB2 以及相應(yīng)的四個(gè)偏置電流源， 這實(shí)際上是將輸入級(jí)的工作方式由B 類改為AB 類， 避免M 1 和M 2 同時(shí)關(guān)斷的情況發(fā)生， 從而提高了在小電流輸入情況下電流比較器的響應(yīng)速度。 但是， 這個(gè)電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜， 四個(gè)電流源的具體值對(duì)電路性能有較大影響， 而且由于MB1和MB2 管的襯底與源端相聯(lián)， 使得制作工藝必須采用復(fù)雜的雙阱工藝。 M in提出了另一種高速CMOS 電流比較器， 它由三個(gè)具有恒流源負(fù)載的反相放大器和一個(gè)CMOS 反相器組成， 同時(shí)為第一個(gè)反相放大器加入了電阻反饋網(wǎng)絡(luò)， 這可以減小電流比較器的輸入阻抗。 盡管這個(gè)電路具有較高的速度和較好的工藝容錯(cuò)性， 它的比較精度受到偏置電流的限制。 為了獲得較高的比較精度， 需要采用較大的偏置電流， 從而加大電路的功耗。 此外， 由于采用恒流源負(fù)載的反相放大器， 當(dāng)電流比較器的輸入電流增加時(shí)， 這個(gè)電路的功耗不會(huì)降低， 這與Tang 設(shè)計(jì)的電流比較器和本文設(shè)計(jì)的電流比較器不同。 針對(duì)上述幾種電路的缺點(diǎn)， 本文提出了一種新型的高性能CMOS 電流比較器， 它的特點(diǎn)包括速度快、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和工藝容錯(cuò)性好。

圖1　現(xiàn)有的幾種高速CMOS 電流比較器

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