以电阻做负载的全差分迟滞比较器温度补偿系统及方法与流程

1.本发明属于迟滞比较器领域，具体涉及以电阻做负载的全差分迟滞比较器温度补偿系统及方法。


背景技术：

2.迟滞比较器是一种在集成电路中常见的电路，它的抗干扰能力强和状态转换速率较快等优点，使得迟滞比较器在前端粒子探测电路的设计中具有广泛的运用。而以电阻做负载的全差分迟滞比较器更是同时具备了迟滞比较器的部分显著特点，首先，该结构的迟滞比较器以电阻做负载，从而使得电路具有对信号较快的传输速率；其次，全差分输入的特性提高了输出信号的噪声性能。由于该种结构的迟滞比较器具有上述优点，因此在前端粒子探测电路中被广泛采用。
3.参考文献[1](参考文献[1]周杨帆,李秋菊,刘鹏,樊磊,徐伟,陶冶,李贞杰,anultrafastfront-endasicforapdarraydetectorsinx-raytime-resolvedexperiments[j].chinesephysicsc,2017,41(06):138-145.)公开了一种迟滞比较器电路。如图1所示，该迟滞比较器电路主要由四个结构相同的低增益、高带宽的差分放大器电路和一个迟滞电路构成。其中，每一级差分放大器中均以两个nmos管作为该运算放大器的输入管，同时又以一个nmos管作为其尾电流管。差分放大器以两个阻值大小相同的电阻作为负载，并且用二极管连接的晶体管来钳位差分放大器的输出电压，以此来减小大信号输入情况下输出失谐的恢复时间，从而进一步提高了该结构迟滞比较器的输出电压摆率。此外，迟滞电路模块包括三个nmos管，与差分放大器的结构类似，以其中两个nmos管作为信号输入管，另一个作为尾电流管，以正反馈环路的连接方式将迟滞信号引入比较器电路中以提高电路的抗噪性能。
[0004]
该迟滞比较器电路结构简单、面积较小，并且同时具备良好的抗噪声性能和较快的信号传输速率。但是，在实际的cmos制造工艺中，由于比较器的每一级差分放大器的负载均是对温度变化较为敏感的poly电阻，且电阻类型一般相同，此处将负载电阻以rd表示。因此，可以将差分放大器每一端的负载表示为：
[0005]
r＝rd(1)
[0006]
由于负载电阻具有相对较大的温度系数，所以差分放大器每一端负载的温度系数可以由式(2)来表示。
[0007][0008]
由式(2)可以看出，比较器负载的温度系数与实际所用的poly电阻一样，所以其实际阻值会随着温度的变化而不断变化，所以该结构的迟滞比较器也存在着缺点：负载电阻阻值会跟随温度变化，这会使得整个迟滞比较器的开环增益随温度变化，进而会使比较器处理信号的速率受到影响，以至于影响比较器的整体性能，最终无法得到理想的输出结果。


技术实现要素：

[0009]
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种对以电阻做负载的全差分迟滞比较器进行温度补偿的方法。
[0010]
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0011]
以电阻做负载的全差分迟滞比较器温度补偿系统，包括四个逐级连接的差分放大电路、和以正反馈环路形式与四个差分放大电路连接的迟滞电路；
[0012]
所述差分放大电路包括：
[0013]
两个第一nmos管，其栅极作为所述差分放大电路的输入端；
[0014]
两个晶体管，用于钳位所述差分放大电路的输出电压；均由二极管连接构成，每个所述晶体管的源极和漏极连接作为所述差分放大电路的输出端，两个所述晶体管的栅极分别与两个所述第一nmos管的漏极连接；
[0015]
第二nmos管，作为所述差分放大电路的尾电流管；其源极接地，漏极与两个所述第一nmos管的源极连接，其栅极外接一个电压；
[0016]
两个负载电阻，作为所述差分放大电路的负载，每个所述负载电阻均由两种及以上温度系数不同的单位电阻以串联或并联的方式组成；
[0017]
所述迟滞电路包括：
[0018]
两个第三nmos管，其栅极分别连接四个逐级连接的差分放大电路的输出端，其漏极为输出端；
[0019]
第四nmos管，作为所述迟滞电路的尾电流管；其源极接地，漏极与两个所述第三nmos管的源极连接，其栅极外接一个电压。
[0020]
以电阻做负载的全差分迟滞比较器温度补偿方法，包括以下步骤：
[0021]
将负载电阻的阻值和温度系数通过单位电阻进行表示得到阻值表达式和温度系数表达式；
[0022]
根据阻值表达式和温度系数表达式确定所述负载电阻的阻值；
[0023]
令温度系数表达式为零，根据线性约束关系得到各类型单位电阻的温度系数kt
r1
,kt
r2
,
…
,kt
rn
，所述kt
rn
表示第n个单位电阻的温度系数；
[0024]
根据温度系数的值确定不同类型单位电阻的占比。
[0025]
优选的，
[0026]
所述负载电阻的阻值表示为，
[0027]
r＝r1 r2
…rn
[0028]
所述负载电阻的温度系数表示为
[0029][0030]
其中，r表示负载电阻的阻值，rn表示第n个单位电阻的阻值。
[0031]
优选的，
[0032]
所述负载电阻的阻值表示为，
[0033]
[0034]
所述负载电阻的温度系数表示为
[0035][0036]
其中，r表示负载电阻的阻值，rn表示第n个单位电阻的阻值。
[0037]
本发明提供的对以电阻做负载的全差分迟滞比较器进行温度补偿的方法具有以下有益效果：本技术克服了迟滞比较器结构负载电阻阻值跟随温度变化的缺陷，解决了由于该问题导致的迟滞比较器开环增益随温度变化的弊端，提高了比较器处理信号的速率，改善了比较器的整体性能，使得输出结果更接近理想效果。
附图说明
[0038]
为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，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。
[0039]
图1为本发明背景技术参考文献[1]中提出的迟滞比较器的电路结构示意图；
[0040]
图2为本发明实施例1中提出的对负载电阻进行温度补偿的迟滞比较器的电路结构图；
[0041]
图3为本发明实施例1中提出的差分放大电路的电路结构图；
[0042]
图4为本发明实施例1中提出的迟滞电路的电路结构图。
具体实施方式
[0043]
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0044]
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。
[0045]
实施例1
[0046]
本发明提供了一种对以电阻做负载的全差分迟滞比较器进行温度补偿的方法，具体如图2所示，是本发明提出的迟滞比较器的电路结构图，包括四个逐级连接的差分放大电路和以正反馈环路形式与四个差分放大电路连接的迟滞电路。
[0047]
具体的，如图3所示，差分放大电路包括：两个第一nmos管，其栅极作为所述差分放大电路的输入端；两个晶体管，用于钳位所述差分放大电路的输出电压；均由二极管连接构成，每个所述晶体管的源极和漏极连接作为所述差分放大电路的输出端，两个所述晶体管的栅极分别与两个所述第一nmos管的漏极连接；第二nmos管，作为所述差分放大电路的尾电流管；其源极接地，漏极与两个所述第一nmos管的源极连接，其栅极外接一个电压；两个负载电阻，作为所述差分放大电路的负载，每个所述负载电阻均由两种及以上温度系数不同的单位电阻以串联或并联的方式组成。
[0048]
具体的，如图4所示，迟滞电路包括：两个第三nmos管，其栅极分别连接四个逐级连接的差分放大电路的输出端，其漏极为输出端；第四nmos管作为迟滞电路的尾电流管，其源
极接地，漏极与两个第三nmos管的源极连接，其栅极外接一个电压。
[0049]
与图1相比，本发明采用两种或两种以上类型(温度系数不同)的单位电阻，以串/并联的连接方式来实现式(1)中的rd，其中不同类型单位电阻的阻值所满足的限制关系和改进后的差分放大器每一端负载的温度系数分别表示为：
[0050]
r＝r1 r2
…rn
[0051][0052][0053][0054]
令表示负载的温度系数的公式为零找到各类型单位电阻的温度系数之间的线性约束关系，接着在各类型单位电阻可以达到的温度系数范围内通过仿真验证的方式找到使负载的温度系数的公式结果达到最小的各类型电阻的温度系数kt
r1
,kt
r2
,
…
,kt
rn
。随后在满足单位电阻的阻值公式各类型单位电阻阻值的限制关系的情况下调节各类型单位电阻在负载电阻r中的占比，从而使得各类型的单位电阻具有通过令表示负载的温度系数的公式为零时所求得的温度系数kt
r1
,kt
r2
,
…
,kt
rn
。最终，通过以上方案，可以实现通过调节差分放大器负载电阻的温度系数进行对以电阻做负载的全差分迟滞比较器温度补偿的目的。
[0055]
具体的实现步骤如下：
[0056]
第一步，根据图1中迟滞比较器的设计，依据相关设计指标，例如总体增益、小信号带宽，输出电压摆率等，在室温条件下(300k)确定负载电阻r的阻值。
[0057]
第二步，根据图2中迟滞比较器的设计，采用两种或者两种以上类型的单位电阻，以串/并联的连接形式实现负载电阻r，其中各类型单位电阻之间的限制关系依据式单位电阻的阻值公式，从而使得总负载电阻r的温度系数依据负载的温度系数的公式与各类型单位电阻的温度系数相关。
[0058]
第三步，在负载的温度系数的公式等于零的条件下，求得所需的各类型单位电阻温度系数之间的线性约束关系。
[0059]
第四步，在各类型单位电阻可以达到的温度系数范围内通过仿真验证的方式找到使负载的温度系数的公式结果达到最小的各类型单位电阻的温度系数kt
r1
,kt
r2
,
…
,kt
rn
。
[0060]
第五步，在满足单位电阻的阻值公式各类型单位电阻阻值的限制关系的情况下调节各类型单位电阻在负载电阻r中的占比，从而使得各类型的单位电阻具有通过令负载的温度系数的公式为零时所求得的温度系数kt
r1
,kt
r2
,
…
,kt
rn
。
[0061]
以上实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。