[发明专利]一种用于SAR ADC的二级全动态比较器及其工作方法

权利要求书

1.一种用于SAR ADC的二级全动态比较器，其特征在于，包括第一级带电流源动态预放大器、第二级动态偏置型预放大器和SA动态锁存器，第一级带电流源动态预放大器的两电压输入端作为比较器的两电压输入端，第一级带电流源动态预放大器的两输出端与第二级动态偏置型预放大器的两输入端连接，第二级动态偏置型预放大器的两输出端与SA动态锁存器的两输入端连接，SA动态锁存器的两输出端作为比较器的两输出端，第一级带电流源动态预放大器的时钟信号端、第二级动态偏置型预放大器的第一时钟信号端、SA动态锁存器的时钟信号端相连接作为比较器的第一时钟信号端CLKC，第二级动态偏置型预放大器的第二时钟信号端作为比较器的第二时钟信号端CLKCB，且第一时钟信号端CLKC与第二时钟信号端CLKCB输入的一对反相时钟信号，所述第一级带电流源动态预放大器还包括两个偏置电压输入端。

2.根据权利要求1所述的一种用于SAR ADC的二级全动态比较器，其特征在于，所述第一级带电流源动态预放大器包括晶体管M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7和电容C1、C2，M1的源极、M2的源极相连并连至M4的漏极、M5的漏极，M1、M2作为差分输入对管，M1的栅极、M2的栅极作为第一级带电流源动态预放大器的两电压输入端，M4的源极与M3的漏极相连，M3的源极与电源电位相连，M3的栅极、M4的栅极作为第一级带电流源动态预放大器的两偏置电压输入端，M1的漏极、M2的漏极分别与M6的漏极、M7的漏极相连，并分别作为第一级带电流源动态预放大器的两个输出端，M1的漏极、M6的漏极、C1上极板与第二级动态偏置型预放大器的M10的栅极相连接，M2的漏极、M7的漏极、C2的上极板与第二级动态偏置型预放大器的M11的栅极相连接，M5的源极、M6的源极、M7的源极、C1的下极板、C2的下极板都与地电位连接，M5的栅极、M6的栅极、M7的栅极作为第一级带电流源动态预放大器的时钟信号端。

3.根据权利要求2所述的一种用于SAR ADC的二级全动态比较器，其特征在于，所述第二级动态偏置型预放大器包括晶体管M8、M9、M10、M11、M12、M13和电容C3、C4、C5，M8的源极、M9的源极相连接至电源电位，M8的栅极、M9的栅极、M12的栅极作为第二级动态偏置型预放大器的第二时钟信号端，M8的漏极、M9的漏极分别与M10的漏极、M11的漏极连接，并分别作为第二级动态偏置型预放大器的两输出端，M8的漏极、M9的漏极还分别与C3的上极板、C4的上极板连接，M10的栅极、M11的栅极分别与第一级带电流源动态预放大器的M2的漏极、M1的漏极相连接，并且分别作为第二级动态偏置型预放大器的两输入端，M10的源极、M11的源极与M12漏极相连，M12源极、M13漏极、C5的上极板相连，C3的下极板、C4的下极板、C5的下极板、M13的源极相连接至地电位，M13的栅极作为第二级动态偏置型预放大器的第一时钟信号端。

4.根据权利要求3所述的一种用于SAR ADC的二级全动态比较器，其特征在于，所述SA动态锁存器包括晶体管M14、M15、M16、M17、M18、M19、M20、M21，M14的源极、M15的源极相连接至电源电位，M14的栅极、M19的栅极、M17的漏极、M20的漏极、M21的漏极相连接，并作为SA动态锁存器的第一输出端，M15的栅极、M20的栅极、M16的漏极、M18的漏极、M19的漏极相连接，并作为SA动态锁存器的第二输出端，M14的漏极、M15的漏极分别与M16的源极、M17的源极连接，M16的栅极、M17的栅极分别与第二级动态偏置型预放大器的M9的漏极、M8的漏极相连接，并且分别作为SA动态锁存器的两输入端，M18的源极、M19的源极、M20的源极、M21的源极相连接至地电位，M18的栅极、M21的栅极作为SA动态锁存器的时钟信号端。

5.一种基于权利要求4所述的一种用于SAR ADC的二级全动态比较器的工作方法，其特征在于，实现如下：

在给定频率的时钟信号下，比较器将两电压输入端输入的模拟输入信号进行比较，输出比较结果；比较器的第一时钟信号端CLKC输入的时钟信号为低电平，比较器的第二时钟信号端CLKCB输入的时钟信号为高电平时，比较器处于比较状态，反之比较器处于复位状态；

在比较器处于复位状态时，第一级带电流源动态预放大器中M5导通，M1的源极、M2的源极电压直接被拉至地电位，晶体管M6、M7导通，电容C1、C2的上极板被拉至地电位，第一级带电流源动态预放大器不工作，第一级带电流源动态预放大器的两输出端输出信号为零电位，第二级动态偏置型预放大器中M8、M9导通，M12截止，同时，第二级动态偏置型预放大器两输出端输出信号被拉至电源电位，SA动态锁存器中M18、M21导通，M19、M20截止，SA动态锁存器两输出端输出信号为零电位，同时M14、M15导通，M15、M16的源极电压被拉至电源电位；

在比较器处于比较状态时，第一级带电流源动态预放大器中M1、M2同时导通，由于比较器将两电压输入端的输入电压存在压差，因此M1、M2漏电流不同，导致了M1、M2漏极电位上升的速度不同，过驱动电压较大的MOS管漏端电位上升速度快，因此第一级带电流源动态预放大器两输出端输出的输出信号瞬时电位不同；设M1的栅极输入电压大于M2的栅极输入电压，第二级动态偏置型预放大器中，由于第二级动态偏置型预放大器两输出端的输出信号在比较器处于复位状态时被拉至电源电位，再结合第一级带电流源动态预放大器两输出端输出电位上升时间不同的前提条件，导致M10比M11先达到导通条件，第二级动态偏置型预放大器的第一输出端输出电位先从电源电位下降，第二级动态偏置型预放大器的第二输出端输出电位后下降，因此SA动态锁存器中，M17比M16先到达导通条件，SA动态锁存器第一输出端输出电位先上升，SA动态锁存器第二输出端输出电位后上升，一旦SA动态锁存器第一输出端输出电位上升至M19导通的电位时，M19导通将SA动态锁存器第二输出端输出电位拉至地电位，因此比较器的两输出端输出正确比较结果；

综上，当M1的栅极输入电压大于M2的栅极输入电压时，比较器第一输出端输出电压大于比较器第二输出端输出电压，比较结果正确，反之当M1的栅极输入电压小于M2的栅极输入电压时，同理。