[发明专利]全差动型比较器和全差动型放大电路

说明书

技术领域

本发明涉及在动态范围大的全差动模拟信号处理电路中，能够在高速工作的条件下以低功耗来实现差动输入信号的高精度比较和高精度放大的技术。

背景技术

近年来，模拟信号处理电路的低电压化、高速化以及低功耗化的要求日益强烈。为此，最近利用组合有CMOS模拟电路的放大器和电容器的开关电容结构这样的、在低电源电压条件下能确保动态范围且实现高速工作的技术正在成为主流。

另一方面，从模拟与数字之间的接口技术的观点考虑，通用的ADC(analog-to-digital converter)的分辨率提高以及高速化等高性能化正在发展，ADC前级的模拟处理的性能越来越成为左右系统性能的关键点。

作为一个例子，在手机的摄像模块中的模拟前端电路中，由于伴随着图像传感器的高像素化(分辨率提高)的处理高速化、动态范围扩大、伴随着ADC位数升高的模拟信号处理精度提高，例如在黑电平的偏移消除不彻底的情况下，会导致低照明度摄像时的图像质量劣化，因此黑电平的偏移检测用比较器的高精度化变得十分重要。

具体而言，例如在ADC为10位、其动态范围是1V的情况下，ADC的量化电平不足1mV，当考虑模拟前端的增益率时，则在输入部中即使大致60μV左右的偏移也不能被容许。

此外，作为这种摄像模块产业的商业发展，现在，安防摄像机、车载摄像机等监控摄像机领域正在越发受到瞩目，技术开发也在不断进行中。

特别是在车载摄像机中，为提高夜间监控能力，要求提高图像传感器的灵敏度、高增益率、动态范围大且高精度的模拟信号处理。在手机摄像头和数码相机中，相对于以静止图像的图像质量改善为主要着眼点的高性能化为主的情况，为了进行活动图像的实时处理而要求更加高速地工作。而且，也容易预想到伴随要安装的图像传感器的高分辨率化。

因此认为今后需要高精度且高速地处理动态范围大的差动模拟信号的技术，并且，随着混合动力车的普及和车载电子设备的增加等，低功耗化也会越来越被重视。

此外，到目前为止，作为涉及全差动型比较器和放大电路的技术已知如下技术。

第一现有技术为如下结构(参照专利文献1)：作为比较器输入部的结构，在差动输入级，通过对斩波电容依次以开关切换差动比较基准电压和差动输入信号电压来检测差值。

第二现有技术为如下结构(参照专利文献2)：不使用斩波电容，对差动比较级晶体管的栅极以DC连接输入差动比较基准电压和差动输入信号电压，并分别在正负以开关对两者的电压进行短路，由此检测差值。

第三现有技术为如下结构(参照专利文献3)：作为比较器输入部的结构，将个别地对输入信号电压和比较基准电压进行取样的电容分别并列地连接在差动的正负两侧，在比较动作时，以开关对正负两侧的电压进行短路来检测差值。

专利文献1：日本特开平10-107600号公报

专利文献2：日本特开平11-150454号公报

专利文献3：日本特开2002-374153号公报

发明内容

上述第一现有技术是一般的全差动型比较器结构，但从高速工作的观点考虑，由于斩波电容的值，比较输出的稳定(settling)时间被供给差动比较基准电压和差动输入信号电压的前级电路的驱动能力所左右。因此，在高速工作时，前级电路的驱动部需要较多的电流，在功耗方面存在缺陷。另外，当对与差动比较基准电压十分接近的差动输入信号进行比较时还存在如下问题：向斩波电容的电荷存储的开关切换时的充电注入、开关的馈通(feed through)偏移依赖于正负间的电压电平差而为非对称，因此不能抵消误差而比较精度恶化。

偏移是由开关晶体管的寄生电容产生的，在开关部进行消除的技术已被广泛实用化，但不能达到超过上述μV的消除精度，特别是难以克服差动的非对称性。

并且，在上述第一现有技术中，差动比较基准电压和差动输入信号电压的取样定时在正负两侧彼此错开。这是考虑不是将进行比较的信号振幅作为差动振幅，而以比较正侧的信号振幅和负侧的信号振幅为前提。在这样的情况下还存在如下问题：当在比较对像的信号中混入共模噪声时，因取样时差而缺少同时性，因此无法取得相关而削弱噪声消除效果。

此外，在上述第二现有技术中，在差动比较级为N沟道晶体管结构的情况下，低电压侧的输入电压范围被限制，在为P沟道晶体管结构的情况下，高电压侧的输入电压范围被限制。也就是存在如下问题：进行处理的信号的动态范围被限制在差动比较级可工作的输入范围内，不适于动态范围大的信号处理。

将来，这些问题会成为谋求更高的速度、更高的精度和更宽的动态范围的用途中的重要技术问题。