电压比较单元及电压比较器的制作方法

1.本技术涉及电子技术领域，具体涉及一种电压比较单元及电压比较器。


背景技术：

2.比较器电路是一种判别输入信号与参考信号大小，并输出比较结果的电路，开环电压比较器是比较器电路中的一种，因其具有结构简单，响应速度快，噪声低等优点而被广泛应用于集成电路设计当中。静态开环电压比较器的工作原理为令运算放大器电路开环使用，利用运算放大器的高增益将输入端的小信号进行放大，在输出端直接输出放大信号，从而达到快速输出比较结果的目的。
3.然而，由于制造工艺的不足，电路中应当完全匹配的器件并没有得到匹配，因而存在一定误差。这些在实际生产中造成的器件失配将导致电路输出结果存在误翻转的情况。该误差可以被等效至电压比较器电路输入端作为输入失调电压。为了减少输入失调电压，许多电路结构被提出，例如自动校零电路（atz），具有斩波技术（chopping）的比较器电路等。然而，这些技术均在原有比较器电路的基础上增添了许多的辅助电路，这将增加芯片的复杂度、功耗与面积。此外，输入信号共模电压的变化也将影响比较电路中器件的匹配精度。


技术实现要素：

4.基于现有技术的不足，本技术提供了一种电压比较单元及电压比较器，以期降低器件结构复杂度，且能降低输入失调电压和输入噪声，提高比较精度。
5.第一方面，本技术实施例提供了一种电压比较单元，包括多级放大模块，所述多级放大模块中每级放大模块包括第一晶体管子模块，第二晶体管子模块、第一负载器件和第二负载器件；所述每级放大模块中的所述第一晶体管子模块依次与其他级放大模块中的所述第一晶体管子模块连接，所述每级放大模块中的所述第二晶体管子模块依次与所述其他级放大模块中的所述第二晶体管子模块连接，所述其他级放大模块为所述多级放大模块中与所述每级放大模块相邻的放大模块；所述每级放大模块中，所述第一晶体管子模块与所述第二晶体管子模块构成差分对，所述每级放大模块中，所述第一晶体管子模块的输出端与所述第一负载器件连接，所述第二晶体管子模块的输出端与所述第二负载器件连接；所述多级放大模块的第一级放大模块中，所述第一晶体管子模块连接第一输入端，所述第二晶体管子模块连接第二输入端，其中，所述第一级放大模块包括的所述第一负载器件和所述第二负载器件为无源器件；所述电压比较单元还包括第一电容模块和第二电容模块；所述多级放大模块的第二级放大模块中，所述第一晶体管子模块的输入端和输出端还分别连接所述第一电容模块，所述第二晶体管子模块的输入端和输出端还分别连接所
述第二电容模块；所述第一电容模块和所述第二电容模块用于降低所述电压比较单元的等效输入噪声功率，所述第一级放大模块用于根据所述第一输入端和所述第二输入端获取用于比较的第一电压信号和第二电压信号，所述多级放大模块用于逐级放大所述第一电压信号和所述第二电压信号的差值，并获得比较结果。
6.第二方面，本技术实施例提供了一种芯片，包括如上述第一方面所述的电压比较单元。
7.第三方面，本技术实施例提供了一种电压比较器，包括如上述第一方面所述的电压比较单元或如所述第二方面所述的芯片。
8.可见，本实例中，电压比较单元，包括多级放大模块，多级放大模块中每级放大模块包括第一晶体管子模块，第二晶体管子模块、第一负载器件和第二负载器件，第一级放大模块中的第一负载器件和第二负载器件为无源器件，第一级放大模块用于根据所述第一输入端和所述第二输入端获取用于比较的第一电压信号和第二电压信号，多级放大模块用于逐级放大所述第一电压信号和所述第二电压信号的差值，并获得比较结果。这样，本技术提供的电压比较单元不仅结构简单，而且可以降低等效输入失调电压和等效输入噪声功率，从而提高比较精度。
附图说明
9.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
10.图1是本技术实施例提供的一种电压比较单元的结构示意图；图2是本技术实施例提供的另一种电压比较单元的结构示意图；图3是本技术实施例提供的另一种电压比较单元的结构示意图；图4是本技术实施例提供的另一种电压比较单元的结构示意图；图5是本技术实施例提供的另一种电压比较单元的结构示意图；图6是本技术实施例提供的一种电压比较单元的电路示意图；图7是本技术实施例提供的一种芯片的结构示意图；图8是本技术实施例提供的一种电压比较器的结构示意图；图9是本技术实施例提供的另一种电压比较器的结构示意图。
具体实施方式
11.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
12.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图
在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
13.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
14.传统的低失调比较器电路通常采用自动校零，斩波等技术降低电路固有的输入失调电压。这些技术的实现过程中不仅需要比较器电路本身，还需要构建其他的电路，这将增加芯片的复杂度、功耗与面积。此外，对于共模电压大范围变化的输入信号，现有技术的性能也将恶化。
15.为解决上述问题，本技术实施例提供了一种电压比较单元，请参阅图1，图1是本技术实施例提供的一种电压比较单元的结构示意图。如图所示，电压比较单元10包括多级放大模块，所述多级放大模块中每级放大模块包括第一晶体管子模块101，第二晶体管子模块102、第一负载器件201和第二负载器件202；所述每级放大模块中的所述第一晶体管子模块101依次与其他级放大模块中的所述第一晶体管子模块101连接，所述每级放大模块中的所述第二晶体管子模块102依次与所述其他级放大模块中的所述第二晶体管子模块102连接，所述其他级放大模块为所述多级放大模块中与所述每级放大模块相邻的放大模块；所述每级放大模块中，所述第一晶体管子模块101与所述第二晶体管子模块102构成差分对，所述每级放大模块中，所述第一晶体管子模块101的输出端与所述第一负载器件201连接，所述第二晶体管子模块102的输出端与所述第二负载器件202连接；所述多级放大模块的第一级放大模块20中，所述第一晶体管子模块101连接第一输入端v
in1
，所述第二晶体管子模块102连接第二输入端v
in2
，其中，所述第一级放大模块20包括的所述第一负载器件201和所述第二负载器件202为无源器件；所述第一级放大模块20用于根据所述第一输入端v
in1
和所述第二输入端v
in2
获取用于比较的第一电压信号和第二电压信号，所述多级放大模块用于逐级放大所述第一电压信号和所述第二电压信号的差值，并获得比较结果。
16.其中，所述与所述每级放大模块相邻的放大模块即为当前放大模块的前一级放大模块和后一级放大模块。所述电压比较单元可以是开环电压比较单元。由于每级放大模块中的第一晶体管子模块和第二晶体管子模块构成差分对，因此第一晶体管子模块的第一端还与第二晶体管子模块的一端连接。多级放大模块中各级放大模块通过第一晶体管子模块和第二晶体管子模块之间的依次连接构成级联。第一晶体管子模块和第二晶体管子模块构成差分对，第一级放大模块中的第一晶体管子模块和第二晶体管子模块分别通过输入端获取待比较的两个电压信号，然后通过各级放大模块中的差分对将两个电压信号的差值进行逐级放大，并得到比较结果。
17.具体实现中，电压比较单元还可以包括电流源模块，该电流源模块可以包括多个尾电流源，每个尾电流源分别与其对应的放大模块连接，用于为该放大模块提供偏置电流。例如第一级放大模块对应第一尾电流源，该第一级放大模块中的第一晶体管子模块和第二
晶体管子模块分别与所述第一尾电流源连接，所述第一尾电流源用于为所述第一级放大模块提供偏置电流，其他各级放大模块以及其对应的尾电流源与上述连接方式相同，在此不再赘述。具体实现中，所述多级放大模块中的各级放大模块的第一负载器件和第二负载器件的输出端分别接地。
18.具体实现中，第一级放大模块中的第一负载器件和第二负载器件均为无源器件，即在其正常工作时，无需额外为其提供电源。由于在工艺生产中，相同面积下无源器件的失配相较于有源器件更小，因此可以有效减少电压比较单元的输入失调电压，相较于使用有源器件作为负载，使用电阻器件作为负载，可以有效拓展开环电压比较器输入共模电压的范围。
19.与电路的失配可以等效为输入失调电压类似，电路中的噪声也可以被等效至输入端作为输入噪声，各级放大模块的噪声在等效至输入端时均受前级放大模块增益的抑制，第一级放大模块的等效输出噪声对静态开环电压比较电路的等效输入噪声影响最大，相较于使用有源器件作为负载，使用无源器件作为第一级放大模块的负载可以降低电路的等效输入噪声密度，由于噪声密度在工作频域上的积分即为噪声功率，使用无源器件可以降低电路等效输入噪声功率。
20.可见，本实例中，电压比较单元，包括多级放大模块，多级放大模块中每级放大模块包括第一晶体管子模块，第二晶体管子模块、第一负载器件和第二负载器件，第一级放大模块中的第一负载器件和第二负载器件为无源器件，第一级放大模块用于根据所述第一输入端和所述第二输入端获取用于比较的第一电压信号和第二电压信号，多级放大模块用于逐级放大所述第一电压信号和所述第二电压信号的差值，并获得比较结果。这样，本技术提供的电压比较单元不仅结构简单，而且可以降低等效输入失调电压和等效输入噪声功率，从而提高比较精度。
21.在一个可能的实例中，如图2所述，图2是本技术实施例提供的另一种电压比较单元的结构示意图。如图所示，所述电压比较单元10还包括第一电容模块301和第二电容模块302；所述多级放大模块的第二级放大模块30中，所述第一晶体管子模块101的输入端和输出端还分别连接所述第一电容模块301，所述第二晶体管子模块102的输入端和输出端还分别连接所述第二电容模块302；所述第一电容模块301和所述第二电容模块302用于降低所述电压比较单元10的等效输入噪声功率。
22.其中，噪声在工作频带内是广泛存在的，因此降低工作频带的带宽可以有效地减少电路的等效输入噪声功率。根据密勒效应，在第二级放大模块的第一晶体管子模块和第二晶体管子模块的输入端与输出端之间分别连接一个电容模块，其输入端的等效电容可以被放大，使得第一级放大模块的输出端负载电容增加，从而降低工作带宽，以达到降低等效输入噪声功率的目的。特别地，本文中的各级放大模块为反相放大模块，例如在第一晶体管子模块和第二晶体管子模块均包括双极型晶体管时，这两个晶体管的发射极耦合，在第一晶体管子模块和第二晶体管子模块均包括场效应晶体管时，这两个晶体管的源极耦合。
23.可见，本实例中，根据密勒效应分别在第二级放大模块的第一晶体管和第二晶体管的输入端与输出端之间连接一个电容模块，可以降低电路中的输入噪声功率，相较于直接添加负载电容，使用密勒电容还可以减少芯片面积。
24.在一个可能的实例中，请参阅图3，图3是本技术实施例提供的另一种电压比较单
元的结构示意图。如图所示，所述多级放大模块的最后一级放大模块40中的所述第一负载器件包括第一晶体管401，所述第二负载器件包括第二晶体管402；所述第一晶体管401的输入端与所述第二晶体管402的输入端连接，所述第一晶体管401的输出端还与所述第一晶体管401的输入端连接。
25.其中，第一晶体管为三极管，该三极管的基极和集电极连接，使得第一晶体管的输入端的电压与输出端的电压相等，最后一级放大模块包括差分对，且因为第一晶体管的输入端与第二晶体管的输入端连接，第一晶体管的输出端还与第一晶体管的输入端连接，使得第一晶体管和第二晶体管组成电流镜结构，因此通过第一晶体管和第二晶体管可以使得所述电压比较电路由差分输出转为单端输出。第一晶体管可以是场效应晶体管或者双极型晶体管。
26.可见，本实例中，可以根据实际需求将电压比较器电路由差分输出转单端输出，提高电路适用的灵活性。
27.在一个可能的实例中，如图4所示，图4是本技术实施例提供的另一种电压比较单元的结构示意图。如图所示，所述电压比较单元10还包括第三晶体管子模块103和第三负载器件203；所述第三晶体管子模块103的输入端与所述最后一级放大模块40的所述第二晶体管子模块102的输出端连接，所述第三晶体管子模块103的输出端与所述第三负载器件203的输出端合路后连接所述电压比较单元10的输出端vout；所述第三晶体管子模块103用于放大并输出所述多级放大模块的比较结果。
28.其中，所述第三负载器件可以包括电流源。多级放大模块中的最后一级放大模块将逐级放大后的第一电压信号和第二电压信号的差值通过第三晶体管子模块再次放大，然后经第三晶体管子模块输出比较结果。
29.可见，本实例中，在要求单端输出且前级共模抑制足够的前提下，该结构可以使电路结构更为简单。
30.在一个可能的实例中，所述多级放大模块包括三级放大模块，所述第二级放大模块中的所述第一负载器件和所述第二负载器件均为无源器件，所述多级放大模块中的最后一级放大模块的所述第一负载器件和所述第二负载器件均为有源器件。
31.其中，当多级放大模块包括三级放大模块时，该电压比较单元中的待比较的第一电压信号和第二电压信号的差值共需要经过4次放大再输出。特别地，第三负载器件为有源负载，例如电流源。且第二级放大模块的第一负载器件和第二负载器件与第一放大模块相同依然是无源器件，因此可以降低第二级放大模块的输出失调电压，保证整个电压比较器的输出精度。由于共有三级放大模块，前两级负载均采用无源负载，已经可以抑制电压比较单元中的器件失配带来的影响，因此最后一级放大模块的第一负载器件和第二负载器件可以采用有源负载，第三负载器件也为有源负载，以增加电压比较单元的增益。
32.可见，本实例中，电压比较单元共包括四级放大电路，前两级放大电路包括的负载为无源负载，后两级放大电路包括的负载为有源负载，这样既可以降低器件结构复杂度，而且能降低输入失调电压，提高比较精度。
33.在一个可能的实例中，所述无源器件包括电阻，所述有源器件包括第一场效应晶体管。
34.其中，所述第三级放大模块中的有源器件的类型可以和第三晶体管子模块中包括
的有源器件的类型不同。例如，第三级放大模块中包括的可以是p型场效应晶体管，而第三晶体管子模块包括的是n型场效应晶体管，或者第三晶体管子模块可以是双极型晶体管。
35.可见，本实例中，通过电阻作为第一级放大模块和第二级放大模块的负载，可以有效减少电压比较单元的输入失调电压，通过第一场效应晶体管作为第三级放大模块的电阻，可以保证电路增益，从而降低等效输入失调电压，进而提高比较精度。
36.在一个可能的实例中，请参阅图5，图5是本技术实施例提供的另一种电压比较单元的结构示意图。如图所示，所述电压比较单元10还包括第三电容模块303和第四电容模块304；所述最后一级放大模块40中，所述第一晶体管子模块101的输入端和输出端还分别连接所述第三电容模块303，所述第二晶体管子模块102的输入端和输出端还分别连接所述第四电容模块304；所述第三电容模块303和所述第四电容模块304用于降低所述电压比较单元的等效输入噪声功率。
37.其中，第三电容模块和第四电容模块可以分别包括一个电容，这两个电容分别与第三级放大模块的第一晶体管子模块或第二晶体管子模块的输入端和输出端连接。且第三级放大模块中的第三晶体管子模块和第四晶体管子模块为反相放大子模块，使得第三电容模块和第四电容模块中的电容也为密勒电容。
38.可见，本实例中，根据密勒效应，在第三级放大模块的第一晶体管和第二晶体管的输入端与输出端之间分别连接一个电容模块，其输入端的等效电容可以被放大，使得第二级放大模块的输出端产生较大负载，降低工作带宽，以达到降低输入等效噪声功率的目的。
39.在一个可能的实例中，所述多级放大模块中所述第一晶体管子模块包括第二场效应晶体管，所述多级放大模块中所述第二晶体管子模块包括第三场效应晶体管；所述第一级放大模块中的所述第二场效应晶体管和所述第三场效应晶体管的类型分别为预设类型，所述预设类型包括p型场效应晶体管或n型场效应晶体管；确定所述多级放大模块中除所述第一级放大模块外的其他级放大模块中的所述第二场效应晶体管和所述第三场效应晶体管的类型包括：确定当前放大模块的前级放大模块的所述第二场效应晶体管的输出节点的第一电压值，所述当前放大模块为所述多级放大模块中除所述第一级放大模块外的其他级放大模块中的任意一个放大模块；根据所述第一电压值确定所述当前放大模块的所述第二场效应晶体管的类型；确定当前放大模块的前级放大模块的所述第三场效应晶体管的输出节点的第二电压值；根据所述第二电压值确定所述当前放大模块的所述第二场效应晶体管的类型。
40.其中，第一晶体管子模块和第二晶体管子模块都包括场效应晶体管，但不同级的放大模块中包括的场效应晶体管的类型可以不同，而同一级放大模块中第一场效应晶体管和第二场相应晶体管是相同类型的晶体管。首先在第一级放大模块中，既可以使得n型场效应晶体管作为输入差分对的比较器电路，也可以使用p型晶体管作为差分对的比较器电路。在确定了前级放大模块输出节点的工作电压之后，后级放大模块可以根据该工作电压确定其为n型场效应晶体管或p型场效应晶体管，即第二级放大模块中的第一晶体管和第二晶体管包括的场效应晶体管是n型场效应晶体管还是p型场效应晶体管，由第一级放大模块的输出节点的工作电压确定。具体实现中，同一级放大模块中的第一晶体管子模块包括的场效应晶体管的类型和第二晶体管子模块包括的场效应晶体管的类型相同。
41.可见，本实例中，根据前级放大模块的输出节点的工作电压确定后级方法模块包
括的场效应晶体管的类型，可以提高电路的灵活性。
42.在一个可能的实例中，所述第一级放大模块中的所述第一负载器件包括第一电阻，计算所述第一电阻的取值范围的方法包括：获取输入共模范围的最小电压值v0；获取所述第一级放大模块中的所述第一晶体管子模块的阈值电压v1；获取所述第一级放大模块的输入电流i0；根据所述最小电压值v0、所述阈值电压v1和所述输入电流i0获取所述第一级放大模块中的所述第一电阻值r。
43.其中，所述输入电流i0为输入差分对的电流，即同时输入第一级放大模块的第一晶体管子模块和第二晶体管子模块的电流值。特别地，第一级放大模块中的第二负载器件也可以包括电阻，且第二负载器件的电阻的取值范围与第一负载器件的电阻的取值范围相同，特别地，两个电阻的阻值可以相同。第一晶体管子模块可以包括场效应晶体管。
44.具体实现中，第二级放大模块的第一负载器件和第二负载器件也可以分别包括第二电阻，计算第二级放大模块中的第一负载器件包括的第二电阻的取值范围可以包括：获取第一级放大模块的第一晶体管子模块的输出节点电压v3；获取所述第二级放大模块中的所述第一晶体管子模块的阈值电压v4；获取所述第二级放大模块的输入电流i1；根据所述输出节点电压v3、所述阈值电压v4和所述输入电流i1获取所述第二级放大模块中的所述第二电阻值r1。特别地，第二级放大模块中的第二负载器件的电阻的取值范围与第一负载器件的电阻的取值范围相同，两个第二电阻的阻值还可以相同。
45.具体的，当多级放大模块中的其他级放大模块的第一负载器件和第二负载器件也为电阻时，可以根据上述描述获取其对应的前级放大模块的输出节点电压，该放大模块对应输入电流，及其包括的第一晶体管子模块或第二晶体管子模块的阈值电压，以此确定电阻值。
46.可见，本实例中，使用电阻作为负载，可以降低等效输入失调电压和等效输入噪声功率，从而提高比较精度。
47.在一个可能的实例中，通过以下公式计算所述第一电阻值r的取值范围，包括：r<(v0 v1)
÷
（0.5
×
i0）；其中，所述r大于零且所述v1大于零。
48.其中，第一级放大模块使用无源器件电阻替代有源器件作为负载，这是因为同等面积下无源器件的失配远远比有源器件小，且输入共模电压的下限可以低于零伏，采用有源器件作为负载使用将带来较大的失配并且产生巨大的面积损耗。第一级放大电路的输入共模范围如下：其中，v
dd
为电源电压，v
currentsource
为第一级放大模块的输入电流的两端的压降，即若第一级放大模块的第一晶体管子模块和第二晶体管子模块为场效应管时，第一晶体管子模块的源极与第二晶体管子模块的源极耦合，并同时和为其提高偏置电流的电流源连接，此时v
currentsource
为电流源两端的压降。第一级放大模块的第一晶体管子模块和第二晶体管子模块为场效应管，v
sgp
为场效应管栅极和源极间的电势差，而v
thp
为第一级放大模块差分对晶体管的阈值电压，即为第一晶体管子模块或第二晶体管子模块的阈值电压。v
incm
为输入共模范围的电压值。第一级放大模块的第一负载器件和第二负载器件均为电阻，r
0or1
则为第一负载器件对应的电阻值或第二负载器件对应的电阻值。
49.因此第一电阻的取值必须满足：其中v
incm_smallest
为输入共模范围的下限，即v0，v
thp0or1
为第一级放大模块中第一晶体管子模块或第二晶体管子模块的阈值电压。当第一级负载电阻的取值得到确定之后，即可得到第一级放大模块中的第一晶体管子模块或第二晶体管子模块的输出节点电压v
aorb
为：该输出节点电压也为第二级放大模块的输入共模电压。为保障第二级放大模块的输入差分对晶体管即第一晶体管子模块中的晶体管和第二晶体管子模块中的晶体管工作在饱和区，因此第二级放大模块的负载电阻应满足：其中，第二级放大模块的第一负载器件或第二负载器件均为电阻，r
2or3
为其对应的电阻值，v
thp2or3
为第二级放大模块差分对晶体管的阈值电压，即为第一晶体管子模块或第二晶体管子模块的阈值电压。i1为第二级放大模块的输入电流。因为输入共模电压范围的限制不足以提供非常大的输出阻抗，所以无源器件作为负载的时候其输出阻抗较小，进而导致电路增益不足，因此后级可以采用多级放大模块级联以提高电路增益。
50.可见，本实例中，根据电路结构确定作为负载的电阻大小，并以此选择合适的电阻作为第一级放大模块负载。
51.在一个可能的实例中，所述第一电容模块包括电容，计算所述电容的电容值的方法包括：获取所述第一级放大模块中的所述第一晶体管子模块的输出端的等效输出噪声功率p；获取所述第一电容模块的工作温度值t；根据所述输出噪声功率p和所述工作温度值t计算所述电容的电容值c。
52.其中，第一电容模块的电容值与第二电容模块的电容值的计算方式相同，仅是在计算第二电容模块时，工作温度值t为第二电容模块的工作温度值。示例地，第一电容模块和第二电容模块的电容值可以相同。特别地，多级放大模块中第三级放大模块的第一晶体管子模块的输入端和输出端还连接第三电容模块，多级放大模块中第三级放大模块的第二晶体管子模块的输入端和输出端还连接第四电容模块。第四电容模块和第三电容模块的电容值的计算方式同上，即获取所述第二级放大模块中的所述第一晶体管子模块或第二电容子模块的输出端的等效输出噪声功率p；获取所述第三电容模块或第四电容模块的工作温度值t；根据所述输出噪声功率p和所述工作温度值t计算第三电容模块或第四电容模块的电容值c。
53.可见，本实例中，通过密勒效应以通过放大模块自身增益提升电容值的方法，在保障信噪比的同时有效降低了电路版图的整体面积。
54.在一个可能的实例中，通过以下公式计算所述电容值c：c=k
×
t
÷
p；其中，k为玻尔兹曼常数，所述t为绝对温度。
55.其中，由于存在噪声的缘故，仅通过提高电路的增益并不能提高比较器的精度。为了提高比较器的精度，提高电路的信噪比是必然的选择。电路的等效输入噪声snr如下：其中p
signal
为输入信号的功率，p
noise
为电路等效输入噪声的功率。
56.当电压比较单元中多级放大模块共有三级时，电路的等效输入噪声v
2n,in
如下:其中，失配等效输入电压的可应用于等效输入噪声中，v
2n,out1
为第一级放大模块的输出端的等效噪声，v
2n,out2
为第二级放大模块的输出端的等效噪声，v
2n,out3
为第三级放大模块的输出端的等效噪声，v
2n,out4
为第三晶体管子模块的输出端的等效噪，其中，第三晶体管子模块即可看做是第四级放大模块。a1为第一级放大模块的增益，a2为第二级放大模块的增益，a3为第三级放大模块的增益，a4为第三晶体管子模块的增益。
57.因此电路等效输入噪声的功率p
noise
为：其中p
inmp0or1
分别为晶体管第一级放大模块的第一晶体管子模块或第二晶体管子模块的等效输入噪声功率，p
aorb
为第一级放大模块的第一晶体管子模块或第二晶体管子模块的输出节点的等效输出噪声功率。p
cord
为第二级放大模块的第一晶体管子模块或第二晶体管子模块的输出节点的等效输出噪声功率。各个噪声功率可以通过其所占总噪声功率的百分比计算得出。各级放大模块的第一晶体管子模块或第二晶体管子模块的输出节点处的等效输出噪声功率p
node
均如下：因此第一电容模块包括的电容的电容值c为：其中k为玻尔兹曼常数，t为绝对温度。因此提升输出节点的电容值即可有效降低前两级放大电路的等效输入噪声，进而提高比较器电路的信噪比。
58.可见，本实例中，通过密勒效应以通过放大模块自身增益提升电容值的方法，在保障信噪比的同时有效降低了电路版图的整体面积。
59.下面举个例子对本方案进行详细说明。
60.请参阅图6，图6是本技术实施例提供的一种电压比较单元的电路示意图。如图所示，图6中的多级放大模块共包括三级，其中尾电流源i0、差分对p型场效应晶体管pmos晶体管mp0与mp1、以及负载电阻r0与r1组成第一级放大模块；尾电流源i1、差分对pmos晶体管mp2与mp3、以及负载电阻r2与r3组成第二级放大模块；尾电流源i2、差分对pmos晶体管mp4与mp5、以及负载n型场效应晶体管nmos晶体管mn0与mn1组成第三级放大模块；nmos晶体管mn2为第三晶体管子模块，以及第三负载器件为负载电流源i3。
61.本方案中选择电阻作为第一级放大模块的负载使用，负载电阻的失配
△
r在其输出端产生的失调电压
△
v
out
为：
△
v
out
=i
×△
r，因此电压比较单元的输入失调电压
△
v
os
为：其中i为流经负载电阻的电流，g
m
为差分对晶体管的跨导，r为负载电阻的阻抗，
△
v
gs
为各级放大模块差分对晶体管栅源电压的失配。由于相同面积下，无源器件的失配相较于有源器件更小，因此使用电阻作为负载可以有效减少电压比较单元输入失调电压。在另一方面，使用电阻作为负载，电压比较单元的输入共模范围为：其中，v
dd
为电源电压，v
currentsource
为电流源两端的压降，v
sgp
为场效应管栅极和源极间的电压值，而v
thp
为差分对晶体管的阈值电压，v
incm
为输入共模范围的电压值。相较于使用有源器件作为负载，使用电阻作为阻抗可以有效拓展电压比较单元输入共模电压的范围。
62.第一级放大模块的增益a
v
为：a
v
=g
m
×
r
out
r
out
为第一级放大模块的负载电阻的阻抗，使用电阻作为第一负载器件或第二负载器件将降低第一级放大模块的增益，这意味着第一级放大模块抑制后级电路失配引起失调电压的能力下降了。根据上述电压比较单元输入失配电压的表达式，可以发现此时第二级放大模块的输出失调电压以及增益a2对输入失调电压影响的比重上升了。因此电压比较单元的第二级放大模块亦采用电阻作为负载，其目的为降低第二级放大模块的输出失调电压。此时开环电压比较器电路的输入失调电压v
offset
为：其中，i1为流经第一级放大模块负载的电流，g
m1
为第一级放大模块差分对晶体管的跨导，r1为第一级放大模块的负载阻抗，
△
r1为第一级放大模块负载的失配，
△
v
gs1
为第一级放大模块差分对晶体管栅源电压的失配，a1为第一级放大模块的增益，i2为流经第二级放大模块负载的电流，g
m2
为第二级放大模块差分对晶体管的跨导，r2为第二级放大模块的负载阻抗，
△
r2为第二级放大模块负载的失配，
△
v
gs2
为第二级放大模块差分对晶体管栅源电
压的失配，v
os3
为第三级放大模块的输入失调电压，v
os4
为第四级放大模块的输入失调电压。
63.可见，由于前两级放大模块均采用电阻作为负载，因此在电压比较单元输入端产生的失调电压比较小。且经过前两级放大模块的叠加，前级电路的增益a1和a2已经相当可观，足以抑制电压比较单元中失配的影响。因此在后级放大模块中可以采用有源器件作为负载以增加电压比较单元的增益。
64.电压比较单元的失配来源于
△
v
gs1
与
△
v
gs2
。由于
△
v
gs2
被第一级放大模块的增益所抑制，因此最主要的失配来源为
△
v
gs1
。因此仅需要通过调整第一级放大模块中差分对晶体管的面积与其过驱动电压即可显著地降低电压比较单元的输入失调电压。
65.与电路的失配可以等效为输入失调电压类似，电路中的噪声也可以被等效至输入端作为输入噪声。本方案中的电压比较单元的等效输入噪声为：其中，v
2n,out1
为第一级放大模块的输出端的等效噪声，v
2n,out2
为第二级放大模块的输出端的等效噪声，v
2n,out3
为第三级放大模块的输出端的等效噪声，v
2n,out4
为第三晶体管子模块的输出端的等效噪声。a1为第一级放大模块的增益，a2为第二级放大模块的增益，a3为第三级放大模块的增益，a4为第三晶体管子模块的增益。
66.由该表达式可见各级放大模块的噪声在等效至输入端时均受前级放大模块增益的抑制。第一级放大模块的等效输出噪声对静态开环电压比较电路的等效输入噪声影响最大。对使用电阻作为负载的放大电路而言，其等效输入噪声为：其中v
n,t,mos
为mos晶体管热噪声等效电压，v
n,t,res
为电阻器件热噪声等效电压，v
n,f,mos
为mos晶体管闪烁噪声等效电压。k为玻尔兹曼常数，t为热力学温度，g
m
为mos晶体管跨导，r为电阻器件阻抗，c
ox
为单位厚度氧化层电容，w为mos晶体管栅极宽度，l为mos晶体管栅极长度，f为频率。
67.而对使用mos晶体管作为负载的放大电路而言（以第三级放大模块为例），其等效输入噪声为：其中g
mn
为nmos晶体管跨导，g
mp
为pmos晶体管跨导。从上述关于等效输出噪声的表达式中发现，电阻器件不存在闪烁噪声。相较于使用mos晶体管作为负载，使用电阻作为负载可以降低放大电路输出端的低频等效噪声功率。
68.此外，噪声在工作频带内是广泛存在的，因此降低工作频带的带宽可以有效地减少电路的等效输入噪声功率。通过在各级放大模块的输出节点添加大量的电容可以有效地降低电路工作带宽，从而降低等效输入噪声功率，但是这样会导致芯片的面积消耗巨大。根
据密勒效应，在反相放大器输入端与输出端之间连接一个电容器件，其输入端的等效电容可以被反相放大器的增益放大。因而本方案通过使用密勒电容c0，c1，c2，c3在前两级放大模块的输出端产生较大的负载，以达到降低输入等效噪声功率的目的。
69.本方案提出的电压比较单元不需要构建辅助电路，结构简单，降低了电路的噪声、功耗与面积，并且显著的提高了输入共模电压范围。相较于传统的比较器电路，本方案中的电压比较单元仅需要对第一级放大模块中差分对晶体管的面积与驱动电压进行调整即可显著地降低电压比较单元的输入失调电压。
70.本技术实施例还提供了一种芯片，如图7所示，图7是本技术实施例提供的一种芯片的结构示意图。如图所示，所述芯片70包括上述任一实施例所述的电压比较单元701。
71.本技术实施例还提供了一种电压比较器，如图8所示，图8是本技术实施例提供的一种电压比较器的结构示意图。如图所示，所述电压比较器80包括如上述任一实施例所述的电压比较单元801。
72.本技术实施例还提供了一种电压比较器，如图9所示，图9是本技术实施例提供的另一种电压比较器的结构示意图。如图所示，所述电压比较器90包括如上述任一实施例所述的芯片901。
73.以上所属实施例仅表达了本发明的集中实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。