比较器阈值电压选择电路及方法
阅读说明：本技术 比较器阈值电压选择电路及方法 (Comparator threshold voltage selection circuit and method ) 是由 陈玺 王健安 付东兵 陈光炳 刘璐 李飞 沈晓峰 季瑾月 于 2021-07-07 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种比较器阈值电压选择电路及方法中,在本发明的比较器阈值电压选择方法中,先提供多个备选阈值电压,再将比较器的理想阈值电压与多个备选阈值电压逐一比较判定,能快速有效地选择出略小于理想阈值电压的备选阈值电压作为比较器的阈值电压,基于失调电压的偏差值的逐渐逼近,能有效地对阈值电压进行校正,消除了失调电压对比较器输出结果准确性的影响,进而消除了系统上的失码问题；且整个比较器阈值电压选择电路为基于比较器的简单结构,不改变流水级模数转换器中Sub-ADC电路结构,不需要增加额外的运算单元,因此,该电路结构可以适配在任何流水级模数转换器中,在流水级模数转换器电路上电时自动选择合适的比较器阈值,适用范围广。(The invention provides a comparator threshold voltage selection circuit and a method, wherein in the comparator threshold voltage selection method, a plurality of alternative threshold voltages are provided firstly, then an ideal threshold voltage of a comparator is compared with the alternative threshold voltages one by one for judgment, the alternative threshold voltage slightly smaller than the ideal threshold voltage can be selected quickly and effectively as the threshold voltage of the comparator, and the threshold voltage can be effectively corrected based on the gradual approximation of the offset value of offset voltage, so that the influence of the offset voltage on the accuracy of the output result of the comparator is eliminated, and the code missing problem of a system is further eliminated; and the whole comparator threshold voltage selection circuit is a simple structure based on a comparator, the Sub-ADC circuit structure in the pipeline analog-to-digital converter is not changed, and an additional operation unit is not required to be added, so that the circuit structure can be adapted to any pipeline analog-to-digital converter, a proper comparator threshold is automatically selected when the pipeline analog-to-digital converter circuit is powered on, and the application range is wide.)
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种比较器阈值电压选择电路及方法。
背景技术
高速高精度模数转换器多采用流水级架构，以便同时兼顾速度和精度要求。在流水级模数转换器中，比较器主要用于搭建子模数转换器(Sub-ADC)，如图1所示，比较器130的同相输入端接输入电压Vin，比较器130的反相输入端经过通路选择模块120接阈值电压产生模块110提供的阈值电压Vref，其核心指标之一就是由电路结构及生产工艺带来的失调电压Vo，而大的失调电压Vo会使比较器130输入端的输入电压Vin和阈值电压Vref之间的比较判决出错，导致该级流水线输出信号超量程，最终表现为模数转换器整体微分非线性误差/积分非线性误差(DNL/INL)失码。因此，必须从电路结构设计上，或者使用校正手段来保证比较器的失调电压足够小，满足设计要求。
目前，失调电压的校正思路主要是通过不同方式的计算得到失调电压的偏差值，并将这个数值并入比较器阈值电压中，以此消除影响。但这些不同方式的计算过程需要一个判定电压，因此用到额外的电路来进行辅助运算，此举加了电路实现的复杂度，例如专利201610444100.2《一种比较器失调电压自校正电路》的所采用的技术方案。
有鉴于此，目前亟需一种电路结构简单且可靠性高的比较器阈值电压校正技术方案。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种比较器的阈值电压选择技术方案，用于解决上述技术问题。
首先，为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种比较器阈值电压选择电路，用于流水级模数转换器中比较器的阈值电压选择，包括：
阈值电压产生模块，一端接第一电压，另一端接第二电压，对外提供N个备选阈值电压；
通路选择模块，输入端接所述阈值电压产生模块，输出端接所述比较器的反相输入端，将N个所述备选阈值电压一一接入所述比较器的反相输入端，且所述备选阈值电压的通断状态受控制端的控制；
判定模块，输入端接所述比较器的输出端，输出端接所述通路选择模块的控制端，根据所述比较器的输出控制N个所述备选阈值电压的通断状态；
其中，所述比较器的同相输入端接理想阈值电压，N为大于1的整数。
可选地，所述阈值电压产生模块包括N+1个电阻，N+1个所述电阻依次串联构成电阻串，所述电阻串的一端接所述第一电压、另一端接所述第二电压，相邻两个所述电阻的公共端处输出一个所述备选阈值电压。
可选地，N+1个所述电阻的阻值相等，且相邻两个所述备选阈值电压的差值等于所述比较器的失调电压偏差值。
可选地，所述通路选择模块包括N个并行设置的控制开关，N个所述控制开关的输入端与N个所述备选阈值电压一一对应连接，N个所述控制开关的输出端接所述比较器的反相输入端。
可选地，所述判定模块包括计数器和状态机，所述计数器的输入端接所述比较器的输出端，所述计数器的输出端接所述状态机的输入端，所述状态机的输出端接N个所述控制开关的控制端，所述状态机对N个所述控制开关的通断状态分别进行控制。
其次，为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种比较器阈值电压选择方法，用于流水级模数转换器中比较器的阈值电压选择，包括步骤：
提供理想阈值电压与N个备选阈值电压，N个所述备选阈值电压构成递增的等差数列，且所述理想阈值电压为所述等差数列的中位数；
从所述等差数列的第一项开始，按顺序依次将所述备选阈值电压与所述理想阈值电压进行比较，直到找到一个小于所述理想阈值电压的所述备选阈值电压，且将对应的所述备选阈值电压作为所述比较器的阈值电压；
其中，所述等差数列的公差为所述比较器的失调电压偏差值，N为大于1的整数。
可选地，从所述等差数列的第一项开始，按顺序依次将所述备选阈值电压与所述理想阈值电压进行比较，直到找到一个小于所述理想阈值电压的所述备选阈值电压的步骤包括：
将所述理想阈值电压接入所述比较器的同相输入端；
从所述等差数列的第一项开始，按顺序依次将所述备选阈值电压接入所述比较器的反相输入端，并比较所述备选阈值电压与所述理想阈值电压的大小，直到找到一个小于所述理想阈值电压的所述备选阈值电压。
可选地，在比较所述备选阈值电压与所述理想阈值电压的大小时，每个所述备选阈值电压与所述理想阈值电压要经过n次比较，若一次比较完成后所述比较器的输出为1则计数加一，若n次比较完成后所述比较器的输出计数达到设定值m则阈值电压选择结束，所述备选阈值电压小于所述理想阈值电压，且将对应的所述备选阈值电压作为所述比较器的阈值电压；其中，m为大于1的整数，n为大于2的整数，m小于等于n。
可选地，若N个所述备选阈值电压与所述理想阈值电压均比较完成后，仍没有找到小于所述理想阈值电压的所述备选阈值电压，则需要增加所述备选阈值电压的电压取值范围，提供取值更小的所述备选阈值电压与所述理想阈值电压进行比较，直到找到一个小于所述理想阈值电压的所述备选阈值电压。
如上所述，本发明的比较器阈值电压选择电路及方法至少具有以下有益效果：
先提供多个备选阈值电压，再将比较器的理想阈值电压与多个备选阈值电压逐一比较判定，能快速有效地找出略小于理想阈值电压的备选阈值电压作为比较器的阈值电压，对阈值电压进行校正，消除了失调电压对比较器输出结果准确性的影响，进而消除了系统上的失码问题；且整个比较器阈值电压选择电路为基于比较器的简单结构，不改变流水级模数转换器中Sub-ADC的电路结构，不需要增加额外的运算单元，因此，该电路结构可以适配在任何流水级模数转换器中，在流水级模数转换器电路上电时自动选择合适的比较器阈值，适用范围广。
附图说明
图1显示为现有技术中一种流水级模数转换器中子模数转换器的结构示意图。
图2显示为本发明中比较器阈值电压选择电路的结构示意图。
图3显示为本发明一实施例中比较器阈值电压选择电路的结构示意图。
图4显示为本发明中比较器阈值电压选择方法的步骤示意图。
图5显示为本发明一实施例中判定模块的输出状态的示意图。
110、210－阈值电压产生模块，120、220－通路选择模块，230－判定模块，130、240－比较器，VDD－工作电压，GND－地，VO－失调电压，Vref－阈值电压，Vin－输入电压，VP－第一电压，VM－第二电压，V1、V2、…、VN-1及VN－备选阈值电压，V0－理想阈值电压，R1、R2、…、RN及RN+1－电阻，S1、S2、…SN-1及SN－控制开关，VO1、VO2、…、VON-1及VON－控制开关的控制端。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
如图2所示，本发明提供一种比较器阈值电压选择电路，用于流水级模数转换器中比较器的阈值电压选择，其包括：
阈值电压产生模块210，一端接第一电压VP，另一端接第二电压VM，对外提供N个备选阈值电压，即备选阈值电压V1、V2、…、VN-1及VN；
通路选择模块220，输入端接阈值电压产生模块210，输出端接比较器240的反相输入端，将N个备选阈值电压(即备选阈值电压V1、V2、…、VN-1及VN)一一接入比较器240的反相输入端，且备选阈值电压V1、V2、…、VN-1及VN的通断状态一一对应地受控制端VO1、VO2、…、VON-1及VON的控制；
判定模块230，输入端接比较器240的输出端，输出端接通路选择模块220的控制端，根据比较器240的输出控制N个备选阈值电压V1、V2、…、VN-1及VN的通断状态；
其中，比较器240的同相输入端接理想阈值电压V0，N为大于1的整数。
详细地，图2所示，阈值电压产生模块210包括N+1个电阻，即电阻R1、R2、…、RN及RN+1，电阻R1、R2、…、RN及RN+1依次串联构成电阻串，电阻串的一端接第一电压VP、另一端接第二电压VM，相邻两个电阻的公共端处输出一个备选阈值电压，即电阻R1与电阻R2的公共端处输出备选阈值电压V1，电阻R2与电阻R3的公共端处输出备选阈值电压V2，…，电阻RN与电阻RN+1的公共端处输出备选阈值电压VN。
其中，N+1个电阻的阻值相等，即电阻R1、R2、…、RN及RN+1的阻值相等，且相邻两个备选阈值电压的差值等于比较器240的失调电压偏差值各Δ，即V1-V2＝V2-V3＝…＝VN-1-VN＝Δ；第一电压VP为上一个比较器阈值的设计理论值，第二电压VM为下一个比较器阈值的设计理论值，理想阈值电压V0为当前比较器阈值的设计理论值。
详细地，如图2所示，通路选择模块220包括N个并行设置的控制开关，即控制开关S1、S2、…SN-1及SN，N个控制开关的输入端与N个备选阈值电压一一对应连接，即控制开关S1的输入端与备选阈值电压V1连接，控制开关S2的输入端与备选阈值电压V2连接，…，控制开关SN的输入端与备选阈值电压VN连接，N个控制开关的输出端接比较器240的反相输入端。
详细地，如图2所示，判定模块230包括计数器和状态机，计数器的输入端接比较器240的输出端，计数器的输出端接状态机的输入端，状态机的输出端接N个控制开关的控制端，即状态机的输出端分别与控制开关S1的控制端VO1、控制开关S2的控制端VO2、…及控制开关SN的控制端VON连接，状态机对N个控制开S1、S2、…SN-1及SN的通断状态分别进行控制。
在本发明的一可选实施例中，如图3所示，N的取值为5，阈值电压产生模块210包括6个电阻，即电阻R1、R2、R3、R4、R5及R6，电阻R1、R2、R3、R4、R5及R6依次串联构成电阻串，电阻串的一端接第一电压VP、另一端接第二电压VM，阈值电压产生模块210对外提供5个备选阈值电压，即备选阈值电压V1、V2、V3、V4及V5。
与此对应的，如图3所示，通路选择模块220包括5个并行设置的控制开关，即控制开关S1、S2、S3、S4及S4，控制开关S1的输入端与备选阈值电压V1连接，控制开关S1的输出端与比较器240的反相输入端连接，控制开关S1的控制端VO1与判定模块230中判定机的输出端连接，控制开关S2的输入端与备选阈值电压V2连接，控制开关S2的输出端与比较器240的反相输入端连接，控制开关S2的控制端VO2与判定模块230中判定机的输出端连接，控制开关S3的输入端与备选阈值电压V3连接，控制开关S3的输出端与比较器240的反相输入端连接，控制开关S3的控制端VO3与判定模块230中判定机的输出端连接，控制开关S4的输入端与备选阈值电压V4连接，控制开关S4的输出端与比较器240的反相输入端连接，控制开关S4的控制端VO4与判定模块230中判定机的输出端连接，控制开关S5的输入端与备选阈值电压V5连接，控制开关S5的输出端与比较器240的反相输入端连接，控制开关S5的控制端VO5与判定模块230中判定机的输出端连接。
同时，如图4所示，本发明还提供一种比较器阈值电压选择方法，用于流水级模数转换器中比较器的阈值电压选择，其包括步骤：
S1、提供理想阈值电压V0与N个备选阈值电压V1、V2、…、VN-1及VN，备选阈值电压V1、V2、…、VN-1及VN构成递增的等差数列，且理想阈值电压V0为等差数列的中位数；
S2、从等差数列的第一项开始，按顺序依次将备选阈值电压V1、V2、…、VN-1及VN与理想阈值电压V0进行比较，直到找到一个略小于理想阈值电压V0的备选阈值电压Vj，且将对应的备选阈值电压Vj作为比较器240的阈值电压；
其中，等差数列的公差为比较器240的失调电压偏差值，N为大于1的整数。
可选地，从等差数列的第一项开始，按顺序依次将备选阈值电压V1、V2、…、VN-1及VN与理想阈值电压V0进行比较，直到找到一个小于理想阈值电压V0的备选阈值电压Vj的步骤S2进一步包括：
S21、将理想阈值电压V0接入比较器240的同相输入端；
S22、从等差数列的第一项开始，按顺序依次将备选阈值电压V1、V2、…、VN-1及VN接入比较器240的反相输入端，并比较备选阈值电压V1、V2、…、VN-1及VN与理想阈值电压V0的大小，基于失调电压的偏差值的逐渐逼近，直到找到一个略小于理想阈值电压V0的备选阈值电压Vj，其中，j为小于等于N的正整数。
可选地，在比较备选阈值电压Vi与理想阈值电压V0的大小时，备选阈值电压Vi与理想阈值电压V0要经过n次比较，若一次比较完成后比较器240的输出为1则计数加一，若n次比较完成后比较器240的输出计数达到设定值m则阈值电压选择结束，备选阈值电压Vi小于理想阈值电压V0，且将对应的备选阈值电压Vi作为比较器240的阈值电压；其中，m为大于1的整数，n为大于2的整数，m小于等于n，i为小于等于N的正整数。
进一步地，若N个备选阈值电压V1、V2、…、VN-1及VN与理想阈值电压V0均比较完成后，仍没有找到小于理想阈值电压V0的备选阈值电压，这表明比较器240的失调电压已经超过校正范围，则需要增加备选阈值电压的电压取值范围，提供取值更小的备选阈值电压与理想阈值电压V0进行比较，直到找到一个略小于理想阈值电压V0的备选阈值电压。
在本发明的一可选实施例中，如图3和图5所示，针对如图3所示的比较器阈值电压选择电路，其工作原理如下：当前比较器的阈值由五次判定选择，任意一次若判定结束，则不再进行下一次循环；
Stp1、第一次判定，计数器清零，判定模块230的输出状态1使控制开关S5导通，控制开关S1/S2/S3/S4断开，比较器240的同相输入端接理想阈值电压V0，此时，理想阈值电压V0等于备选阈值电压V3，比较器240的反相输入端接备选阈值电压V5；若此时比较器240的输出1，则保持判定模块230的输出，计数器加一；比较器240进行n次比较，若n次比较后计数器达到设定值m(m≤n)，则保持判定模块230的输出，阈值选择结束，将备选阈值电压V5作为比较器240的阈值电压；若计数器未达到设定值m，则判定模块230的输出改变，进入下一次选择；
Stp2、第二次判定，计数器清零，判定模块230的输出状态2使控制开关S4导通，控制开关S1/S2/S3/S5断开，比较器240的同相输入端接理想阈值电压V0，比较器240的反相输入端接备选阈值电压V4；若此时比较器240的输出1，则保持判定模块230的输出，计数器加一；比较器240进行n次比较，若n次比较后计数器达到设定值m(m≤n)，则保持判定模块230的输出，阈值选择结束，将备选阈值电压V4作为比较器240的阈值电压；若计数器未达到设定值m，则判定模块230的输出改变，进入下一次选择；
Stp3、第三次判定，计数器清零，判定模块230的输出状态3使控制开关S3导通，控制开关S1/S2/S4/S5断开，比较器240的同相输入端接理想阈值电压V0，比较器240的反相输入端接备选阈值电压V3；若此时比较器240的输出1，则保持判定模块230的输出，计数器加一；比较器240进行n次比较，若n次比较后计数器达到设定值m(m≤n)，则保持判定模块230的输出，阈值选择结束，将备选阈值电压V3作为比较器240的阈值电压；若计数器未达到设定值m，则判定模块230的输出改变，进入下一次选择；
Stp4、第四次判定，计数器清零，判定模块230的输出状态4使控制开关S2导通，控制开关S1/S3/S4/S5断开，比较器240的同相输入端接理想阈值电压V0，比较器240的反相输入端接备选阈值电压V2；若此时比较器240的输出1，则保持判定模块230的输出，计数器加一；比较器240进行n次比较，若n次比较后计数器达到设定值m(m≤n)，则保持判定模块230的输出，阈值选择结束，将备选阈值电压V2作为比较器240的阈值电压；若计数器未达到设定值m，则判定模块230的输出改变，进入下一次选择；
Stp5、第五次判定，计数器清零，判定模块230的输出状态5使控制开关S1导通，控制开关S2/S3/S4/S5断开，比较器240的同相输入端接理想阈值电压V0，比较器240的反相输入端接备选阈值电压V1；若此时比较器240的输出1，则保持判定模块230的输出，计数器加一；比较器240进行n次比较，若n次比较后计数器达到设定值m(m≤n)，则保持判定模块230的输出，阈值选择结束，将备选阈值电压V1作为比较器240的阈值电压；若计数器未达到设定值m，则判定模块230的输出为状态0，这表示比较器240的失调电压已经超过校正范围，可以通过增加比较器240的阈值电压的取值范围来增大校正范围，如可以通过增加备选的比较器阈值电压数量来更精确地消除比较器240的失调电压。
综上所述，在本发明所提供的比较器阈值电压选择电路及方法中，先提供多个备选阈值电压，再将比较器的理想阈值电压与多个备选阈值电压逐一比较判定，能快速有效地选择出略小于理想阈值电压的备选阈值电压作为比较器的阈值电压，基于失调电压的偏差值的逐渐逼近，能有效地对阈值电压进行校正，消除了失调电压对比较器输出结果准确性的影响，进而消除了系统上的失码问题；且整个比较器阈值电压选择电路为基于比较器的简单结构，不改变流水级模数转换器中Sub-ADC电路结构，不需要增加额外的运算单元，因此，该电路结构可以适配在任何流水级模数转换器中，在流水级模数转换器电路上电时自动选择合适的比较器阈值，适用范围广。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
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