差分比較器的製作方法
2023-07-25 11:02:26
本發明涉及尤其集成電路上採用的差分比較器電路的改進。
背景技術：
差分比較器是常用以測量電路中的信號電平以確定何時兩個信號電平之間的差超出閾值的電路元件。常規地，其包括差分到單端放大器和電壓參考作為到高增益放大器(例如運算放大器)的輸入。已知電路布置的實例在ieee固態電路期刊(ieeejournalofsolid-statecircuits)，第17卷，第6版，第969-982頁，「mos運算放大器設計-輔導概觀(mosoperationalamplifierdesign-atutorialoverview)」中給出。
技術實現要素：
本發明旨在改進已知電路布置，且提供一種具有第一輸入和第二輸入的差分比較器，包括：
第一和第二電晶體，其布置為分別連接到第一和第二輸入的差分對；以及
恆定電流布置，其安置於所述差分對和第一供應軌之間；
其中第一電晶體和恆定電流布置之間的第一路徑具有與第二電晶體和恆定電流布置之間的第二路徑不同的電阻。
因此，所屬領域的技術人員將認識到，根據本發明，在差分對的電晶體之間引入有意失配。此提供差分比較器的所要功能，但因為僅需要單一差分對，所以申請人已發現，此布置比常規電路更高效地使用功率，這意味著其能夠在比已知布置高的頻率下操作而所使用的功率不會相稱地增加。其還需要集成電路布局上的較小面積，這從節省成本的觀點來看是有益的。
第一和第二電晶體可為任何合適的類型，但在一組實施例中包括場效應電晶體，優選地金屬氧化物半導體場效應電晶體(mosfet)。所述電晶體優選地相同，但此鑑於上文描述的失配並不是必需的。
差分對通常驅動負載。此可包括無源負載，例如固定電阻器。然而，在一組實施例中，有源負載提供在所述差分對和第二供應軌之間。有源負載可包括對所述相應第一和第二電晶體進行饋送的第三和第四電晶體。所述第三和第四電晶體優選地為場效應電晶體，優選地金屬氧化物半導體場效應電晶體(mosfet)。在一組實施例中，所述第三和第四電晶體中的一者的柵極/基極連接到其漏極/發射極。比較器的輸出可從第三和第四電晶體中的另一者的漏極/發射極採取。有源負載可包括簡單電流反射鏡，但在其它實施例中可提供進一步電路(本身已知)以引入滯後和/或給出較快切換時間。
第一和第二路徑可各自包括一或多個電阻器以給出所述不同電阻。在一或多個電阻器提供於第一和第二路徑中的每一者中的情況下，其相應電阻應具有不同標稱值，即，其差應超過依據相同標稱電阻的值的固有容差所預期的。在一組實施例中，所述第一和第二路徑中的一者包括電阻器，而另一者不包括電阻器。
恆定電流布置可以若干方式提供。舉例來說，其可簡單地包括電晶體或級聯的電晶體對。在優選實施例中，提供單一恆定電流源，其是第一和第二路徑共同的。然而，此不是必需的，且單獨恆定電流源可分別提供於第一和第二路徑中。這些可提供彼此相同的電流或不同電流。
本發明的實施例尤其適合用於電平檢測器中，確切地說無線電接收器電路內的電平檢測器中。此有利地提供具有以下能力的無線電接收器：測量所接收信號的電平，且調節信號路徑上分量的增益以便防止削波。因此，從第二方面來看，本發明提供一種無線電接收器，包括：
信道濾波器，其用於衰減處於特定信道外部的所接收無線電信號的分量；
電平檢測器，其位於與信道濾波器相同的信號路徑上，其中所述電平檢測器包括具有第一輸入和第二輸入的差分比較器，且所述差分比較器包括：
第一和第二電晶體，其布置為分別連接到第一和第二輸入的差分對；以及
恆定電流布置，其安置於所述差分對和第一供應軌之間；
其中第一電晶體和恆定電流布置之間的第一路徑具有與第二電晶體和恆定電流布置之間的第二路徑不同的電阻；以及
自動增益控制系統，其經布置以從電平檢測器接收電平檢測信息，且使用所接收的電平檢測信息調節無線電接收器中的一或多個增益控制系統的增益。
附圖說明
現將參考附圖僅藉助於實例描述本發明的特定實施例，在附圖中：
圖1為現有技術差分比較器布置的圖形表示；
圖2為體現本發明的比較器的示意性電路圖；以及
圖3為圖2的比較器的示範性實施方案的圖形表示。
具體實施方式
圖1說明常規差分比較器。待比較的兩個信號饋送到差分放大器2的+和-輸入。來自差分放大器2的輸出信號等於+和-輸入端子上的電壓的差乘以電壓增益av(其可能高於或低於單位一)加上任選地共模電壓vcm。差分放大器2的前述輸出將輸入中的一者提供到高增益比較器4。到比較器4的另一輸入由固定電壓參考6提供。比較器4通常經設置使得如果其正輸入(由差分放大器2提供)高於其負輸入(由電壓參考6提供)，則其輸出8較高地飽和，否則為低。因此，在使用中，所述差分放大器的+和-輸入之間的差大於預定量，那麼總體輸出8為高，然而如果所述差小於此量，那麼輸出8為低。
此電路具有許多用途，但申請人已了解，其對於一些情形並不是最佳的。
圖2展示本發明的示範性實施例。所述電路包括金屬氧化物半導體場效應電晶體(mosfet)10、12的差分對。mosfet10中的一者的漏極引線直接連接到安置於mosfet10和0v軌之間的恆定電流源14。另一mosfet12的漏極引線也連接到恆定電流源14，但經由具有值r的電阻器16。
兩個mosfet10、12的源極引線連接到第三和第四mosfet18、20的相應源極引線，其形成電流反射鏡布置。第三和第四mosfet18、20的柵極引線連接在一起且連接到第四mosfet20的漏極引線。第三和第四mosfet的源極引線連接到電壓供應軌+v。
到電路22、24的輸入連接到差分電晶體對10、12的相應柵極引線。如所示，到第一mosfet10的柵極引線提供負輸入，且到第二mosfet12的柵極引線提供正輸入。電路26的輸出從第一和第三mosfet10、28的共同源極引線結採取。
現將描述電路的操作。如果相同電壓電平施加到兩個輸入22、24，那麼將存在跨越電阻器16的電壓降。此給出跨越第二電晶體12的比跨越第一電阻器10低的柵極-源極電壓，且因此第二電晶體12的源極電流將顯著減小。此致使跨越電阻器16的電壓降減小，且電路因此最終達到平衡。因為電流源14中的電流為恆定的，所以穿過第二電晶體12的電流的減小將導致穿過第一電晶體10的電流的類似增加。此致使輸出26變低。
類似地，如果正輸入24僅稍微高於負輸入22，那麼相異電流將流動且輸出26將保持低。當相等電流流動穿過輸入電晶體10、12兩者時發生切換點，輸入電晶體10、12各自為由恆定電流源14產生的電流的值i的一半。在切換點處，跨越電阻器16的電壓降vsw因此為：
vsw＝0.5ir
因此對於恆定電流源的給定值i，電阻器16的電阻值r確定將觸發比較器的輸入22、24之間的電壓差分。當相等電流流動穿過輸入電晶體10、12時，電流反射鏡布置18、20致使輸出26開始變高。當穿過第二電晶體12的電流超出穿過第一電晶體10的電流時，輸出26將為高。這是因為來自第二電晶體12的電流經由電流反射鏡的第三和第四電晶體18、20鏡射且添加到來自第一電晶體10的電流。因為這些電流具有相反方向且來自第三電晶體18的電流的振幅高於來自第一電晶體10的電流，所以輸出信號將拉高。
舉一個特定實例，如果恆定電流產生器14提供電流i＝10μa且電阻器具有值63kω，那麼切換點處的電壓降vsw＝0.5x0.00001x63000＝315mv。
儘管圖2中展示的布置可具有比常規差分比較器電路布置低(舉例來說，與1到5％的準確性相比，大約20％)的準確性，但此在許多應用中為適當的。作為一實例，申請人已理解，有利的是提供具有包括如本文所描述的比較器的自動增益控制(agc)迴路的無線電接收器。這樣做的目的是調節接收器中的信號增益以避免在存在強信號的情況下的飽和，同時在存在弱信號的情況下仍維持極好的噪聲性能。因此，能夠實現約100db的動態範圍。對於此大增益範圍，具有比3db小的增益步階常常不可行，且振幅檢測器的20％的絕對準確性因而是完全可接受的。
然而，已發現本文中描述的實施例與常規替代方案相比具有顯著較低的功率消耗。雖然此實施例中的比較器將通常具有與常規電路中的比較器類似的電流消耗，但常規電路進一步需要差分到單端放大器。設計此情形的一種常見方式是使用具有電阻性反饋的兩個運算放大器。因為這一點，差分到單端放大器最可能成為常規電路中的功率消耗的主導部分。如果假定比較器消耗與運算放大器相同的功率，那麼本發明的實施例可具有常規電路的值的約三分之一的功率消耗。在實踐中，功率消耗可更低，因為具有電阻性反饋的運算放大器將通常消耗比比較器多的功率。類似地，能夠使用集成電路上的較少面積實施本發明的實施例。在某些狀況下，較大功率效率還可意味著電路較快起作用，且因此能夠在需要較高帶寬的情況下使用。
圖3展示例如基於包的數字無線電接收器等無線電接收器中採用的電平檢測器電路中的圖2的比較器的示範性實施方案。在此布置中，將輸入信號電壓30與兩個閾值電壓比較。向參看圖2描述的類型的第一差分比較器36饋送上部參考電壓32，且向第二此類差分比較器38饋送較低參考電壓34。這些差分比較器36、38各自產生饋送到相應觸發器42、44的復位輸入的輸出信號。如果輸入信號30具有比閾值電壓32、34高的電壓，那麼相應差分比較器36、38將輸出設定相關聯觸發器42、44的邏輯高信號。如果輸入信號電壓30大於上部參考電壓32，那麼第一觸發器42產生「過高」輸出48上的邏輯高。如果輸入信號電壓30小於下部參考電壓34，那麼第二觸發器44藉助於邏輯反相器46產生「過低」輸出50上的邏輯高。
所屬領域的技術人員應了解，已通過描述本發明的特定實施例來說明本發明，但本發明不限於所述實施例；在所附權利要求書的範圍內的許多變化和修改是可能的。舉例來說，儘管單一電阻器展示為在差分對和恆定電流源之間的路徑中的一者中，但可在每一路徑中使用不同電阻器來實現相同效應。