Comparator

绪论
差分比较器
- 迟滞比较器
Cross-Pair结构
单端比较器
电源电压检测电路

绪论

之前研究的运放都是小信号和线性系统，比较器研究的是大信号和非线性系统
分类：{差分比较器迟滞比较器\begin{cases}差分比较器\\迟滞比较器\end{cases}{差分比较器迟滞比较器

用途：{状态检测DetectorADC(把Vin与不同的基准电压比较，量化编码)\begin{cases}状态检测Detector\\ADC(把V_{in}与不同的基准电压比较，量化编码)\end{cases}{状态检测DetectorADC(把Vin与不同的基准电压比较，量化编码)

核心指标：{翻转电平Vref分辨率（让输出翻转的最小∣Vin−Vref∣）传输时延\begin{cases}翻转电平V_{ref}\\分辨率（让输出翻转的最小\mid V_{in}-V_{ref}\mid）\\传输时延\end{cases}⎩⎪⎨⎪⎧翻转电平Vref分辨率（让输出翻转的最小∣Vin−Vref∣）传输时延

举例说明状态检测：

图1. 状态检测

利用二极管的温度特性，监测温度，超出范围输出状态改变，发出预警
假设常温VBE=0.6VV_{BE}=0.6VVBE=0.6V，温度系数为−2mV/∘C-2mV/^{\circ}C−2mV/∘C
常温下，比较器参考电压Vref=0.5VV_{ref}=0.5VVref=0.5V，输出为高
随着温度升高，如果温度升高100∘C100^{\circ}C100∘C，VBEV_{BE}VBE降低0.2V0.2V0.2V
此时VBE′=0.4V<VrefV_{BE}^{'}=0.4V<V_{ref}VBE′=0.4V<Vref，输出为低，状态改变，进行预警

差分比较器

常见差分比较器结构

图1. 全差分比较器

五管差放+CS+多级倒相器
比较器不需要考虑小信号，可以多级联放大器增加分辨率，但是会影响传输时延
开环应用，要啥自行车
并且整体比较器的同相端和反相端要看净极性

迟滞比较器

由于电路噪声的影响，如果噪声叠加在输入信号上，在与参考电压比较时，如果波动的噪声大于分辨率，会导致输出端产生无用的脉冲，干扰正常判断，所以迟滞比较器的引入似乎就成了必然。
我们把反向扫描（VDD→0V_{DD}\rightarrow0VDD→0）的翻转电压往后推，把正向扫描（0→VDD0\rightarrow V_{DD}0→VDD）的翻转电压往后拉

图2. 迟滞比较器传输特性

正向扫描时，初始输出为0，Vid=0V_{id}=0Vid=0时是普通比较器的翻转电平，迟滞比较器需要输入越过Vref+V_{ref+}Vref+，输出才会翻转为1
同样，反向扫描时，输出为1，输入需要越过Vref−V_{ref-}Vref−输出才会翻转为0
一个信号只要越过Vref+V_{ref+}Vref+了，输出就变1，要是还想让输出变回0，不好意思，中间商赚差价，你需要跨越Vref+−Vref−V_{ref+}-V_{ref-}Vref+−Vref−的电压才能让输出变为0，很困难了
同样的，一个信号越过Vref−V_{ref-}Vref−了，输出变0，要是想让输出回1，需要再越过Vref+V_{ref+}Vref+才能回去

怎么做出来图示的传输属性呢？
三种方法{通过反馈改变Vref通过反馈控制MOS开关破坏差分对的对称性，产生失调，作为迟滞范围\begin{cases}通过反馈改变V_{ref}\\通过反馈控制MOS开关\\破坏差分对的对称性，产生失调，作为迟滞范围\end{cases}⎩⎪⎨⎪⎧通过反馈改变Vref通过反馈控制MOS开关破坏差分对的对称性，产生失调，作为迟滞范围

方法1：反馈改变VrefV_{ref}Vref

图3. 反馈法

Vp=VrefR1+VoR2R1+R2V_{p}=\frac{V_{ref}R_{1}+V_{o}R_{2}}{R_{1}+R_{2}}Vp=R1+R2VrefR1+VoR2
在 VoV_{o}Vo有不同输出时， VpV_{p}Vp是不同的，也就是参考电压变了

Vref+=VrefR1+VoHR2R1+R2V_{ref+}=\frac{V_{ref}R_{1}+V_{oH}R_{2}}{R_{1}+R_{2}}Vref+=R1+R2VrefR1+VoHR2

Vref−=VrefR1+VoLR2R1+R2V_{ref-}=\frac{V_{ref}R_{1}+V_{oL}R_{2}}{R_{1}+R_{2}}Vref−=R1+R2VrefR1+VoLR2

滞回区间为Vref+−Vref−=R2(VoH−VoL)R1+R2=R2VDDR1+R2V_{ref+}-V_{ref-}=\frac{R_{2}(V_{oH}-V_{oL})}{R_{1}+R_{2}}=\frac{R_{2}V_{DD}}{R_{1}+R_{2}}Vref+−Vref−=R1+R2R2(VoH−VoL)=R1+R2R2VDD

方法2：反馈控制MOS开关

图4. 开关法

左图：
Vref+=R2R2+R3VDDV_{ref+}=\frac{R_{2}}{R_{2}+R_{3}}V_{DD}Vref+=R2+R3R2VDD，输出高，NMOS导通， R1R_{1}R1短路

Vref−=R1+R2R1+R2+R3VDDV_{ref-}=\frac{R_{1}+R_{2}}{R_{1}+R_{2}+R_{3}}V_{DD}Vref−=R1+R2+R3R1+R2VDD，输出低，NMOS截止， R1R_{1}R1起作用

优点：MOS开关易控制
缺点：分压比难定

右图：
Vref+=R1R1+R2VrefV_{ref+}=\frac{R_{1}}{R_{1}+R_{2}}V_{ref}Vref+=R1+R2R1Vref，输出低，PMOS导通， R3R_{3}R3短路

Vref−=R1R1+R2+R3VrefV_{ref-}=\frac{R_{1}}{R_{1}+R_{2}+R_{3}}V_{ref}Vref−=R1+R2+R3R1Vref，输出高，PMOS截止， R3R_{3}R3起作用

优点： VrefV_{ref}Vref不受 VDDV_{DD}VDD控制
缺点： VrefV_{ref}Vref小的时候，PMOS可能打不开

方法3：破坏差分对称性，下文单列
\

Cross-Pair结构

图5. 破坏对称法-Cross-Pair结构

作用：{小信号M5、M6正反馈，提高输出阻抗大信号改变电路对称性，产生失调电压，构成滞回区间\begin{cases}小信号 & M5、M6正反馈，提高输出阻抗\\大信号 & 改变电路对称性，产生失调电压，构成滞回区间\end{cases}{小信号大信号M5、M6正反馈，提高输出阻抗改变电路对称性，产生失调电压，构成滞回区间

小信号：
Va↑V_{a}\uparrowVa↑，M5是CS，Vb↓V_{b}\downarrowVb↓
VaVbV_{a}V_{b}VaVb分别是M6的漏栅电压
栅极控制电流能力强，所以Δ(ids)<0\Delta(ids)<0Δ(ids)<0，但是Δ(vds)>0\Delta(vds)>0Δ(vds)>0
所以，对于a节点来说，R6=Δ(vds)Δ(ids)<0R_{6}=\frac{\Delta(vds)}{\Delta(ids)}<0R6=Δ(ids)Δ(vds)<0，等效跨导也小于零
a点的输出阻抗为：roa=1g3+g6r_{oa}=\frac{1}{g_{3}+g_{6}}roa=g3+g61，g6<0g_{6}<0g6<0，a点阻抗增大，增益也相应提高
但是要保证g3+g6>0g_{3}+g_{6}>0g3+g6>0，不然等效阻抗是负阻，会出现RHP极点，系统不稳定
所以(W/L)5，6(W/L)_{5，6}(W/L)5，6要小，这样阻抗会大，跨导小，不至于总体出现正反馈

大信号：
之前讲的比较器，都在Vin−Vref+=0V_{in}-V_{ref+}=0Vin−Vref+=0或者Vin−Vref−=0V_{in}-V_{ref-}=0Vin−Vref−=0的时候翻转，总有Vid=0V_{id}=0Vid=0
如果差放内部有失调，那么Vid=0V_{id}=0Vid=0就不再是翻转点，如果随着输出的不同，失调也不同，那么内部的失调就能体现为迟滞比较器了

把(W/L)5，6(W/L)_{5，6}(W/L)5，6做的大大的且不相同，对称性结构被完全破坏
在Vid=0V_{id}=0Vid=0时，两边增益不一样，Va≠VbV_{a}\neq V_{b}Va=Vb，不对称的后果
由于正反馈，M1电流全部从M6流过而不从M3流过
Vid=0V_{id}=0Vid=0，IM1=IM2I_{M1}=I_{M2}IM1=IM2，那么IM4=IM6I_{M4}=I_{M6}IM4=IM6，(W/L)6>(W/L)4(W/L)_{6}>(W/L)_{4}(W/L)6>(W/L)4，VG4=VG6V_{G4}=V_{G6}VG4=VG6
所以VDS6<VDS4→Va<VbV_{DS6}<V_{DS4}\rightarrow V_{a}<V_{b}VDS6<VDS4→Va<Vb，不翻转
所以VaV_{a}Va需要继续提高才能翻转
怎么提高，IM1I_{M1}IM1增大，即Vin1↓V_{in1}\downarrowVin1↓(PMOS)
所以，Vin1V_{in1}Vin1与Vin2V_{in2}Vin2有差值才能翻转，挺好

单端比较器

图6. 倒相器

这次可不是Push-Pull了
大信号应用，这是数集里面的倒相器，也可以做比较器，入1出0，入0出1
优点：电路简单
缺点：翻转电平不准

利用电流连续列方程：Ids1=Ids2I_{ds1}=I_{ds2}Ids1=Ids2
12kn(Vi−VTN)2(1+λnVo)=12kp(Vi−VDD−VTP)2(1+λp(VDD−Vo))\frac{1}{2}k_{n}(V_{i}-V_{TN})^{2}(1+\lambda_{n} V_{o})=\frac{1}{2}k_{p}(V_{i}-V_{DD}-V_{TP})^{2}(1+\lambda_{p} (V_{DD}-V_{o}))21kn(Vi−VTN)2(1+λnVo)=21kp(Vi−VDD−VTP)2(1+λp(VDD−Vo))
这个方程解出的ViV_{i}Vi含VoV_{o}Vo，不行
我们假设MOS管理想λn=λp=0\lambda_{n}=\lambda_{p}=0λn=λp=0
12kn(Vi−VTN)2=12kp(Vi−VDD−VTP)2\frac{1}{2}k_{n}(V_{i}-V_{TN})^{2}=\frac{1}{2}k_{p}(V_{i}-V_{DD}-V_{TP})^{2}21kn(Vi−VTN)2=21kp(Vi−VDD−VTP)2
Vi=VDD+VTP+VTNknkp1+knkp(VTP<0)V_{i}=\frac{V_{DD}+V_{TP}+V_{TN}\sqrt{\frac{k_{n}}{k_{p}}}}{1+\sqrt{\frac{k_{n}}{k_{p}}}}(V_{TP}<0)Vi=1+kpknVDD+VTP+VTNkpkn(VTP<0)

输入范围：VTN<Vi<VDD+VTPV_{TN}<V_{i}<V_{DD}+V_{TP}VTN<Vi<VDD+VTP
输出范围：{VDSN>VGSN−VTNVDSP<VGSP−VTP⇒{Vo>Vi−VTNVo−VDD<Vi−VDD−VTP\begin{cases}V_{DSN}>V_{GSN}-V_{TN}\\V_{DSP}<V_{GSP}-V_{TP}\end{cases}\Rightarrow\begin{cases}V_{o}>V_{i}-V_{TN}\\V_{o}-V_{DD}<V_{i}-V_{DD}-V_{TP}\end{cases}{VDSN>VGSN−VTNVDSP<VGSP−VTP⇒{Vo>Vi−VTNVo−VDD<Vi−VDD−VTP
所以：
Vi−VTN<Vo<Vi−VTPV_{i}-V_{TN}<V_{o}<V_{i}-V_{TP}Vi−VTN<Vo<Vi−VTP
输出范围：VTN−VTP≈1.5VV_{TN}-V_{TP}\approx1.5VVTN−VTP≈1.5V
电路增益有个十几二十倍，输入范围也就0.1V0.1V0.1V左右
所以翻转点VrefV_{ref}Vref在VDD2\frac{V_{DD}}{2}2VDD前后0.1V0.1V0.1V
输入比VDD2高0.1V以上，出0\color{blue}输入比\frac{V_{DD}}{2}高0.1V以上，出0输入比2VDD高0.1V以上，出0
输入比VDD2低0.1V以上，出1\color{blue}输入比\frac{V_{DD}}{2}低0.1V以上，出1输入比2VDD低0.1V以上，出1

这种结构可以做出来迟滞比较器吗？
如下：

图7. 迟滞倒相器

PM0、PM1构成一个PMOS，NM0、NM1构成一个NMOS，它们组成反相器
输出通过NM2和PM2反馈到反相器，产生迟滞效果

正向扫描（0→VDD0\rightarrow V_{DD}0→VDD）时，输出开始时为1，PM2关断，NM2导通
ViV_{i}Vi很小时，NM0、NM1都不导通，随着Vi↑V_{i}\uparrowVi↑，NM0导通
Vx=rn0rn0+rn1VDDV_{x}=\frac{r_{n0}}{r_{n0}+r_{n1}}V_{DD}Vx=rn0+rn1rn0VDD
把(W/L)NM0(W/L)_{NM0}(W/L)NM0做的小小的，把(W/L)NM2(W/L)_{NM2}(W/L)NM2做的大大的→Vx↑\rightarrow V_{x}\uparrow→Vx↑
这样NM1的开启电压就会增大，导致翻转点提高

反向扫描（VDD→0V_{DD}\rightarrow0VDD→0）时，输出开始时为0，PM2导通，NM2关断
ViV_{i}Vi很大时，PM0、PM1都不导通，随着Vi↓V_{i}\downarrowVi↓，PM0导通
Vy=rp2rp2+rp0VDDV_{y}=\frac{r_{p2}}{r_{p2}+r_{p0}}V_{DD}Vy=rp2+rp0rp2VDD
把(W/L)PM0(W/L)_{PM0}(W/L)PM0做的小小的，把(W/L)PM2(W/L)_{PM2}(W/L)PM2做的大大的→Vy↓\rightarrow V_{y}\downarrow→Vy↓
这样PM1的开启电压就会降低，导致翻转点降低

电源电压检测电路

图8. 电源电压检测

M6的作用是通过M3和M6的钳位，使M4的漏端输出不至于太高，因为差分管增益挺大

M7、M9、M10是开关使能管，工作在在使能信号VenV_{en}Ven的控制下
并且M10与M7、M9工作状态互斥，用于辅助控制电路

Vref<VG2V_{ref}<V_{G2}Vref<VG2，VoV_{o}Vo为低，正常
Vref>VG2V_{ref}>V_{G2}Vref>VG2，VoV_{o}Vo为高，不正常
因为功耗的原因，我们一般使用动态比较器，图示比较器功耗太大了

比较器Comparator相关推荐

比较器Comparator使用
最近在项目中做视频搜索功能,在获得视频结果集后需要对视频列表根据集数做排序,自然而然想到了用jdk的比较器Comparator, 编写代码实现如下 private void sortResItem(L ...
JAVA语言-比较器Comparator(java中Comparable和Comparator的区别)
文章目录一.什么是Comparator 二.Java compare方法和compareTo方法三.java中Comparable和Comparator的区别 Comparator的例子三.de ...
Java 对象排序 Comparable接口和比较器Comparator的使用
我这里使用的是Treeset存储的学生信息,定义了学生类,对学生信息进行一个排序: 方法一对象排序的的方法是,让元素所属类实现 Comparable 接口 ,重写 comparaTo(To) 方法 ...
判断比较器Comparator和Comparable的升序降序问题
比较器降序升序问题 Comparator中的compare方法 //升序排序 public int compare(int o1, int o2) {return o1 - o2; }//降序排序 ...
java基础---关于比较器Comparator和Comparable
package com.henu.jihe;import java.util.ArrayList; import java.util.Comparator; import java.util.List ...
关于比较器Comparator排序时间的问题
最近涉及一个需要按照时间排序的问题,由于在数据库层面order by太麻烦,所以就准备在代码层面解决,但是过程中遇到了一个很有意思的问题. 先介绍一下用的比较器的api: o1大于o2,则返回 ...
LeetCode-179:数组自动排序工具Arrays.sort()，比较器Comparator的正确打开方式
题目描述:给定一组非负整数,重新排列它们的顺序使之组成一个最大的整数实例一:输入: [10,2] 输出: 210 实例二:输入: [3,30,34,5,9] 输出: 9534330 在这道题上花费的 ...
java比较器Comparator 和 Comparable 的区别
算了还是给个链接吧他写的比我的好https://www.cnblogs.com/zyaizz/p/3605103.html https://blog.csdn.net/u012289441/arti ...
java可比较的和比较器的区别_Java中Compareable和Comparator两种比较器的区别
对于JDK8而言,有三种实现对象比较的方法: 1.在需要比较的对象类中覆写Object类的equals()方法: 2.需要比较的类继承Comparable接口,然后在其类内部实现compareTo() ...

比较器Comparator