專利名稱:一種高速集成電壓比較器的制作方法
本發(fā)明涉及一種高速集成電壓比較器電路。
集成電壓比較器是模/數(shù)變換的基本功能器件。它廣泛應(yīng)用于電子通信、特別是以電子計(jì)算機(jī)為主要工具的數(shù)字通信系統(tǒng)。以及自動(dòng)控制、電子測量、信息處理、雷達(dá)、無線電導(dǎo)航等各個(gè)領(lǐng)域。它是這些領(lǐng)域中數(shù)字信號(hào)處理、存貯、傳輸、顯示過程中擔(dān)負(fù)將模擬電信號(hào)變換成相應(yīng)的數(shù)字電信號(hào)的基本電路器件。
對(duì)高速電壓比較器電路性能主要的要求是輸出響應(yīng)快，并要求增益高、頻帶寬、功耗低。因此，可以采用一個(gè)綜合的技術(shù)指標(biāo)即優(yōu)值D來全面衡量一種電壓比較器電路的性能。D可定義為D＝(VS·tR·PC)-1式中VS-保證電路正常輸出電平的輸入信號(hào)電壓;
tR-電路的輸出信號(hào)響應(yīng)時(shí)間;
PC-電路的靜態(tài)直流功率損耗。
迄今為止，高速集成電壓比較器電路存在著一個(gè)普遍性的問題是所有采用恒流源偏置的差動(dòng)放大電路作為輸入放大級(jí)的高速電壓比較器在大信號(hào)輸入時(shí)，都由于輸入差動(dòng)放大器存在時(shí)間延遲現(xiàn)象，導(dǎo)致輸出響應(yīng)緩慢。這種時(shí)間延遲在許多場合限制了電壓比較器的作用。而在許多場合則是不能允許的。
已有技術(shù)中典型的電壓比較器有①BG307(參考文獻(xiàn)北京半導(dǎo)體器件研究所“集成電路產(chǎn)品手冊”)，它是仿美國第一代同類產(chǎn)品μA710電路制成的。該電路的缺點(diǎn)是輸出信號(hào)響應(yīng)時(shí)間tR長。
②J630(參考文獻(xiàn)同上)，它是北京半導(dǎo)體器件研究所研制的，其原理與美國的μA711相同。該電路采取了一些抗飽和措施，使tR有所減小，但效果仍不十分理想。
③FBC01(參考文獻(xiàn)毛培法，“高速集成電壓比較器的改進(jìn)”，1982)，這一電路全部采用了差分對(duì)，避免了各放大管進(jìn)入飽和工作區(qū)，從而大大縮短了電路輸出響應(yīng)時(shí)間，但功耗較大。該電路與BG307、J630都在射極跟隨器輸出級(jí)的恒流管基極處接地，故當(dāng)輸出低電平時(shí)該管仍要進(jìn)入飽和工作狀態(tài)，從而導(dǎo)致高電平輸出響應(yīng)時(shí)間延遲。
④CS01(參考文獻(xiàn)“新型高速集成電壓比較器”載“電子技術(shù)應(yīng)用”1984年第7期)。它是由江蘇常熟半導(dǎo)體器件廠試制的。該電路將美國LM360系列高速差動(dòng)比較器中的第二級(jí)放大電路用作其輸入放大級(jí)。以一個(gè)并聯(lián)反饋放大電路作為輸入差動(dòng)放大器的有源負(fù)載，從而展寬了輸入放大級(jí)的頻帶。但該電路還存在著增益太低、輸出電壓的擺幅不夠等問題。
針對(duì)上述問題，規(guī)定本發(fā)明的任務(wù)是設(shè)計(jì)并研制一種高速集成電壓比較器，(現(xiàn)將該電壓比較器電路命名為HIC01)，其設(shè)計(jì)指標(biāo)如下①當(dāng)工作頻率大于10MHZ時(shí)，電路總增益仍大于1000倍(60dB);
②電路的輸出信號(hào)響應(yīng)時(shí)間tR小于20ns;
③電路輸出高電平VOH大于3V，輸出低電平VOL小于OV。
④電路的共模輸入電壓范圍大于-3V至+3V;
⑤供電電源為Vcc＝+6V，VEE＝-6V，電路的靜態(tài)直流功率損耗Pc小于100mw。
上述任務(wù)由權(quán)利要求
1-8的特征部份的方案所解決。
本發(fā)明的高速集成電壓比較器電路HIc01的電路圖如附圖1所示。該電壓比較器電路設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)特點(diǎn)以及優(yōu)異性能來自下列各點(diǎn)①其輸入放大電路由一個(gè)以經(jīng)過改進(jìn)的吉爾伯特(GILBERT)增益單元(T4-To)作為有源負(fù)載的差分放大器(T1和T2)所組成，利用零極點(diǎn)抵消的原理使輸入電路頻帶得以展寬(參考文獻(xiàn)(1)Peter H.Saul，“A High SPeed COmParator Design Technique”，IEEE，S-SC，VOL.SC-17，NO.3，June 1982)。
②特別重要的是本發(fā)明電路在T1的基極與T2的集電極之間以及T2的基極與T1的集電極之間分別接有直饋加速電路R1C1和R2C2，這就保證了大信號(hào)輸入時(shí)可跳過輸入差放電路。將信號(hào)直接饋送至吉爾伯特增益單元，從而大大加快了輸出信號(hào)響應(yīng)時(shí)間。這樣就有效地克服了迄今為止國內(nèi)外所有采用恒流源偏置的差動(dòng)放大電路作為輸入放大級(jí)的高速電壓比較器普遍存在的大信號(hào)輸入時(shí)由于輸入差放的時(shí)間延遲導(dǎo)致輸出響應(yīng)緩慢的缺點(diǎn)。
③本發(fā)明電路的優(yōu)異性能還由于HIC01的直流供電電路是根據(jù)盡量節(jié)省功耗的原則設(shè)計(jì)的，它是一個(gè)帶有溫度補(bǔ)償特性的電路;
④本發(fā)明電路的優(yōu)異性能還由于HIC01的電平移動(dòng)電路(T，-T11，R，-R11，DW1和DW2)運(yùn)用了具有一定抗干擾能力的高速電路(參考文獻(xiàn)(2)G.Erdi，“A Fast LatchingCOmParator for 12 bit A/D APPlications”，IEEE，S-SC，VOL.SC-15，DEC.1980);
⑤本發(fā)明電路的優(yōu)異性能還來自HIC01的輸出放大電路由一個(gè)以電壓負(fù)反饋放大器(T15、T16和R12，R15)作為單端有源負(fù)載的差分放大器(T12和T13)所組成，利用電壓負(fù)反饋特性展寬了輸出電路的頻帶(參考文獻(xiàn)(3)韋異，“新型高速集成電壓比較器”。“電子技術(shù)應(yīng)用”，1984，第七期)。
⑥本發(fā)明電路的優(yōu)異性能還來自HIC01采用了兩級(jí)(傳統(tǒng)是采用三級(jí))放大方案。Vcc取為+6V(傳統(tǒng)是采用+12v)。這樣有利于降低功耗Pc。
⑦本發(fā)明電路的優(yōu)異性能還來自HIC01電路中的各無源元件的數(shù)值都經(jīng)過容差分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，在各元件值的相對(duì)誤差小于50%的條件下，可保證電路達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。
現(xiàn)將HIC01電路中關(guān)鍵元件的最佳數(shù)值范圍公布如下C1＝C2＝2-5PF。
R1＝R2＝100-500Ω。
R4＝R3＝120-360Ω。
R9＝R10＝3-6kΩ。
R12＝1.5-2.5kΩ。
R15＝600-1300Ω。
本發(fā)明HIC01積極效果是，①本發(fā)明的HIC01電路進(jìn)行集成生產(chǎn)時(shí)，若晶體管fT大于400MHZ 大約相當(dāng)于6μm-8μm集成工藝)。則在總增益大于1000倍(60dB)的條件下，電路的頻帶寬度大于45MHZ;若晶體管fT大于4GHZ(大約相當(dāng)于3um的集成工藝)則電路的頻帶寬度可高達(dá)350MHZ以上，遠(yuǎn)大于參考文獻(xiàn)(1)中所述電路的帶寬。
②在晶體管fT約為400-600MHz的相同集成工藝條件下，將HIC01電路和BG307電路、J630電路、FBC01電路及參考文獻(xiàn)(3)所述的CS01電路(就電路輸出響應(yīng)時(shí)間tR和優(yōu)值D)進(jìn)行比較，其結(jié)果如表1所示
表1由表中數(shù)據(jù)可見無論是小信號(hào)(±2mV)、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(±10mV)還是大信號(hào)(±3V)輸入時(shí)，HIC01電路的優(yōu)值D都是最高的。尤其在大信號(hào)激勵(lì)條件下，其優(yōu)越性更為顯著。
③附圖2揭示了晶體管fT為400-600MHZ的相同工藝條件下，上述五種電路V-端接地、V+端輸入幅度為±10mV的方波信號(hào)時(shí)的輸出信號(hào)波形。其中曲線0為輸入信號(hào)波形，曲線1為BG307波形，曲線2為J630波形，曲線3為FBC01波形，曲線4為CS01波形，曲線5為HIC01波形。
④附圖3揭示了晶體管fT約為5GHZ條件下兩種高速集成比較器電路的交流小信號(hào)頻率響應(yīng)曲線。其中曲線1為參考文獻(xiàn)1所述電路的頻響特性，曲線2為HIC01電路的頻響特性。
權(quán)利要求
1.一種高速集成電壓比較器電路，由輸入放大電路、電平移動(dòng)電路、輸出放大電路和直流供電電路所組成，其特征在于a)利用吉爾伯特增益單元(T4、T5、T6、T7、T8，R4、R5、R6、R7、R8)作為輸入差放(T1、T2、T3、R3)的有源負(fù)載、利用電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大器(T15、T16、R12、R15)作為輸出差放(T12、T13、T14、R14)的有源負(fù)載，與高速電平移動(dòng)電路(T9、T10、T11、DW1、DW2、R9、R10、R11)共同組成一寬頻帶放大電路結(jié)構(gòu)。b)由兩個(gè)RC串聯(lián)電路構(gòu)成了大信號(hào)直饋加速電路(R1、R2，C1、C2)。c)具有溫度補(bǔ)償特性的低功耗直流供電電路(T17、T10，D3、D4、D5、R16、R17、R18)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的電路，其特征在于吉爾伯特增益單元中恒流管T6的偏流電阻R6接地而不是接負(fù)電源，使得該支路功耗減小一半。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的電路，其特征在于吉爾伯特增益單元中T7和T8基極所接電阻R4＝R5，其阻值在120Ω至360Ω之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的電路，其特征在于直饋加速電路是在T1基極與T2集電極之間接有R1C1串聯(lián)電路，在T2基極與T1集電極之間接有R2C2串聯(lián)電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的電路，其特征在于電阻R1＝R2的阻值在100Ω至500Ω之間，電容C1＝C2的容值在2PF至5PF之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的電路其特征在于T15負(fù)載電阻R15的阻值在600Ω至1.3kΩ之間，反饋電阻R12的阻值在1.5kΩ至2.5kΩ之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的電路，其特征在于電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大器的輸出電平經(jīng)過兩個(gè)二極管D1和D2而不是一個(gè)二極管進(jìn)行電平移動(dòng)送至電路輸出端。
8.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的電路，其特征在于電路的直流供電電源為Vcc＝+6V±2V，VEE＝-6V±2V。
專利摘要
集成電壓比較器是進(jìn)行A/D變換的基本功能器件。它廣泛應(yīng)用于電子通訊、自動(dòng)控制、電子測量、信息處理、雷達(dá)及導(dǎo)航等各個(gè)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H03K17/04GK85104156SQ85104156
公開日1986年6月10日 申請(qǐng)日期1985年5月31日
發(fā)明者劉明, 謝沅清 申請(qǐng)人:北京郵電學(xué)院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan