高精度抗干扰比较器及方法和应用该比较器的存储结构

【技术领域】

本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种高精度抗干扰比较器及方法和应用该比较器的存 储器结构。

【背景技术】

在电路中，比较器是一种常用的功能单元。通常主要由放大器来实现。如图1所示，为一 个最常用的比较器，它主要由放大器和反相器(非门)组成。放大器的输入端分别为参考电压 和输入。参考电压用来确定比较器比较的阈值，而输入即为被比较器比较检测的信号。输入信 号经放大器比较之后经过两个反相器整形后输出。

对于图1中的现有比较器，因为实际工作中由于噪声等的干扰，该比较器的输出可能会不 稳定，甚至会输出错误的结果。因此为了解决上述问题，迟滞比较器被提出，如图2所示。迟 滞比较器在参考电压输入端接入串联的电阻R0、R1和R2，同时输出通过反馈回路控制串联 电阻R2的接入状态，从而就通过电阻R0、R1和R2串联电阻值的改变，就可以改变比较器 的阈值电压。从而可以在一定程度上避免噪声的干扰。

但是，迟滞比较器也有缺点，迟滞比较器的比较电压值是一个电压范围而不是一个电压值， 因此迟滞比较器的精度就会低，同时它的抗干扰能力也是有限的。

同时，在存储器中进行数据的读取时需要用到比较器。通常为了能够读出数据，存储器中 读取数据的比较器需要很高的灵敏度，但是，由于存储器中的存储单元中信号的不确定性以及 噪声等的干扰，有时因为比较器的灵敏度太高可能会有误动作产生。这样会使读出的数据错误， 影响存储器的准确率，而读出数据的准确率是衡量存储器优劣的一个非常重要的指标。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种高精度抗干扰比较器及方法和应用该比较器的存储器结构， 以解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高精度抗干扰比较器，包括放大器以及调整模块；放大器的输入端连接参考电压信号 线和输入电压信号线，放大器的输出接调整模块；调整模块，用于调整放大器的灵敏度，使放 大器工作状态灵敏度高于非工作状态；或使放大器不工作状态灵敏度低于工作状态。

本发明进一步的改进在于：调整模块为偏置电流改变模块；偏置电流改变模块，用于根据 放大器的输出端信号改变放大器的输入偏置电流，使放大器工作状态的输入偏置电流小于非工 作状态的输入偏置电流，进而使放大器工作状态的放大倍数大于非工作状态的放大倍数，即使 放大器工作状态的灵敏度大于非工作状态的灵敏度。

本发明进一步的改进在于：偏置电流改变模块为电流镜，电流镜的镜像电流为放大器提 供偏置电流，电流镜提供偏置电流的支路为两路，一路固定接入，另一路通过开关接入，所述 开关的状态由放大器的输出控制。

本发明进一步的改进在于：偏置电流改变模块为共源共栅电流镜，共源共栅电流镜的镜 像电流为放大器提供偏置电流，提供偏置电流支路中的共栅级MOS管的源级通过另一开关连 接到地，所述另一开关的状态由放大器的输出控制。

本发明进一步的改进在于：所述开关为MOS管。

本发明进一步的改进在于：调整模块为放大器的一部分或者为外设电路。

应用高精度抗干扰比较器的存储器结构，包括高精度抗干扰比较器；还包括存储单元支 路、参考支路和控制模块；存储单元支路包括存储单元；在比较器的正相输入端接参考支路， 用于生成参考电压；在比较器的反相输入端接存储单元支路，用于生成输入电压。

本发明进一步的改进在于：

存储单元支路为：存储单元依次接MOS管MN43和MOS管MN41，MOS管MN41的漏极接比 较器的反相输入端，MN41的漏极通过电阻R41接到电源；MOS管MN43的源级接存储单元，MOS 管MN43的漏极与MOS管MN41的源级相连；参考支路为：参考电流依次接MOS管MN44和MOS 管MN42，MOS管MN42的漏极接比较器的正相输入端，同时MOS管MN42的漏极通过电阻R42 接到电源；MOS管MN44的源级接参考电流，MOS管MN44的漏极与MOS管MN42的源级相连；钳 位MOS管MN41和MN42的栅极接钳位信号，使能MOS管MN43和MN44分别接第一使能信号和第 二使能信号；所述控制模块，用于在降低比较器的灵敏度后，在比较器的进入下次正常工作状 态之前，通过控制偏置电流改变模块将比较器的灵敏度提高到工作时的状态。

本发明进一步的改进在于：存储单元为RRAM存储单元。

本发明更进一步的改进在于：RRAM存储单元是1T1R结构。

一种比较器的高精度抗干扰方法，根据放大器的输出结果进行判断：

当放大器由工作状态转为非工作状态时，增大放大器的输入偏置电流使放大器在非工作 状态时的放大倍数降低，即降低放大器非工作状态下的灵敏度；

当放大器由非工作状态转为工作状态时，降低放大器的输入偏置电流使放大器在工作状 态时的放大倍数提高，即提高放大器非工作状态下的灵敏度。

本发明进一步的改进在于：通过改变电流镜的宽长比的比例增大或降低放大器输入偏置 电流的大小。

本发明进一步的改进在于：通过改变提供偏置电流的MOS管的栅源电压增大或降低放大 器输入偏置电流的大小。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、在比较器比较时灵敏度很高，能够实现高精度的比较；

2、比较之后，通过改变放大器的放大倍数降低比较器的灵敏度，从而增加比较器的抗干 扰能力；

3、相对于迟滞比较器，比较器的阈值范围更集中，可以是一个确定的值；

4、本发明比较器实现结构简单。

5、本发明比较器在存储器中使用可以极大地提高存储数据读出的准确率，而读出数据的 准确率是衡量存储器优劣的一个非常重要的指标。

【附图说明】

图1为现有常规比较器的结构示意图；

图2为迟滞比较器的结构示意图；

图3本发明的一种高精度抗干扰比较器的一种结构示意图；

图4本发明的偏置电流改变模块的一种结构示意图；

图5本发明的偏置电流改变模块的另一种结构示意图；

图6本发明的一种应用高精度抗干扰比较器的存储器结构的示意图。

【具体实施方式】

对于比较器而言，理论上：

1、比较器的灵敏度影响比较器的抗干扰能力。灵敏度越高抗干扰能力越差。

2、放大器的放大倍数Av影响着比较器的灵敏度。放大倍数Av越高，比较器的灵敏 度也越高。

3、由公式

$A_V\propto \frac{\sqrt{W/L}}{\sqrt{Id}}---\left(1\right)$

可知：放大器的放大倍数Av与放大器输入级MOS管的宽长比(W/L)的开平方成正比； 同时，放大器的放大倍数Av与偏置电流的(Id)的开平方成反比。

由上述理论分析可知：可以通过改变放大器输入级MOS管的宽长比(W/L)或偏置电流 的(Id)改变放大器的放大倍数Av，从而改变比较器的灵敏度。

基于上述分析，为了解决背景技术中现有比较器的缺点，获得一个高精度抗干扰能力强 的比较器，可以通过这样的过程实现：在比较器进行比较时，保持比较器很高的灵敏度，而在 比较器进行比较过程结束后，降低比较器的灵敏度。这样，既可以使比较器进行比较时精度很 高(因为比较器进行比较时灵敏度高)，又可以使比较器的抗干扰能力增强(因为在比较后降 低了比较器的灵敏度)。

通过改变偏置电流的(Id)就可以实现上述过程。

下面具体介绍前述实现方式。

通过调整偏置电流的(Id)：

这个过程具体为：

Id↑→Av↓→灵敏度↓

即：偏置电流Id升高，放大器的放大倍数Av随之降低，导致放大器的灵敏度降低。

如图3所示，本发明一种高精度抗干扰比较器通过偏置电流的改变实现，其包括放大器 (这里的放大器作为比较器使用)、偏置电流改变模块和两个反相器(这里的两个反相器的作 用是：对放大器输出的信号进行整形，这里的两个反相器不是必须的)。放大器的输入端连接 参考电压信号线和输入电压信号线，放大器的输出信号连接两个串联的反相器，经两个串联的 反相器整形后输出，反相器的输出端连接偏置电流改变模块的控制端，偏置电流改变模块的输 出端连接比较器(即图中的放大器)。

放大器通过两个反相器整形后的输出信号反馈输入给了偏置电流改变模块，在比较器进 行工作时，当比较器的输入信号超过参考电压的值时(比较器的输入信号高于参考电压的值或 者低于参考电压的值)，比较器的输出信号状态发生改变(由高电平变为低电平或者由低电平 变为高电平)。发生改变的输出信号输入给偏置电流改变模块，通过控制偏置电流改变模块， 使放大器的偏置电流Id升高，因此降低放大器的放大倍数Av，从而降低放大器的灵敏度。

如图4所示为本发明的偏置电流改变模块的实现形式之一。由图4可知，通过改变电流 镜的宽长比的比例从而改变偏置电流Id的大小。MN12和MN13与MN11组成电流镜。MN12 和MN13通过镜像MN11产生偏置电流Id。而偏置电流Id的大小取决于MN12和MN13与 MN11的宽长比的比例。在这个电路中设置了开关K1。开关K1的作用就是为了改变MN12 和MN13总的宽长比的。它由比较器的输出信号控制(或者比较器的输出信号经两个反相器 进行整形后的信号控制)。当开关K1接通时MN13接入，MN12和MN13总的宽长比就比较 大，从而偏置电流Id大；反之，当开关K1断开时MN13断开，MN12和MN13总的宽长比 就比较小，从而偏置电流Id小。

具体过程为：当比较器在比较完成后，比较器的输出信号控制开关K1接通，相当于产生 偏置电流Id的电流镜的宽长比额比例增加，从而使偏置电流Id增加，根据公式(1)可知放 大器的放大倍数Av降低，从而通过降低放大器的灵敏度。放大器的抗干扰能力提高。需要说 明的是这里的开关K1可以由MOS管实现。上述过程可以简单理解为通过改变电流镜的宽长 比的比例改变了放大器输入偏置电流的大小。

如图5所示为本发明的偏置电流改变模块的实现形式之二。由图5可知，MN21、MN22、 MN23和MN24组成共源共栅(casecode)的电流镜结构给放大器提供偏置电流Id。因为MOS 管的漏极电流与栅源电压V_gs成正比关系。因此可通过图5中MOS管MN22的栅源电压V_gs的 改变从而改变偏置电流Id的大小。在图5中共源共栅结构中的加入了开关K2。共栅极MOS 管MN22通过开关K2接到地。当开关K2接通时，MN22的栅源电压V_gs变大，从而偏置电流 Id变大。

具体过程为：当比较器在比较完成后，比较器的输出信号控制开关K2接通，MN22的栅 源电压V_gs变大导致偏置电流Id增加，根据公式(1)可知放大器的放大倍数Av降低，从而通 过降低放大器的灵敏度。放大器的抗干扰能力提高。需要说明的是这里的开关K1可以由MOS 管实现。上述过程可以简单理解为通过改变提供偏置电流的MOS管的栅源电压从而改变了偏 置电流的大小。

本发明一种高精度抗干扰比较器，包括放大器以及调整模块；该调整模块为放大器的一 部分或者为外设电路。

调整模块，用于调整放大器的灵敏度，使放大器工作状态灵敏度高于非工作状态或使放 大器不工作状态灵敏度低于工作状态。

调整模块为偏置电流改变模块；偏置电流改变模块，用于根据放大器的输出端信号改变 放大器的输入偏置电流，使放大器工作状态的输入偏置电流小于非工作状态的输入偏置电流， 进而使放大器工作状态的放大倍数大于非工作状态的放大倍数，即使放大器工作状态的灵敏度 大于非工作状态的灵敏度。

本发明一种比较器的高精度抗干扰方法，包括：根据放大器的输出结果进行判断：

当放大器由工作状态转为非工作状态时，增大放大器的输入偏置电流，使放大器在非工 作状态时的放大倍数降低，即降低放大器非工作状态下的灵敏度；

当放大器由非工作状态转为工作状态时，降低放大器的输入偏置电流，使放大器在工作 状态时的放大倍数提高，即提高放大器非工作状态下的灵敏度。

如图6所示本发明的一种应用高精度抗干扰比较器的存储器结构的示意图，其中所使 用的存储器为RRAM；RRAM(ResistiveRandomAccessMemory)是指阻变随机存储器。

在存储器中进行数据的读取时需要用到比较器。通常为了能够读出数据，存储器中读取 数据的比较器需要很高的灵敏度，但是，由于存储器中的存储单元中信号的不确定性以及噪声 等的干扰，有时因为比较器的灵敏度太高可能会有误动作产生。这样会使读出的数据错误，影 响存储器的准确率，而读出数据的准确率是衡量存储器优劣的一个非常重要的指标。

在本发明所提出的高精度抗干扰比较器在存储器中的应用主要为，在前述高精度抗干扰比 较器的基础上增加控制模块，控制模块通过控制偏置电流改变模块对比较器不同工作状态的灵 敏度进行调节，以满足存储器数据读取不同状态的需要(数据读取与不读取)。同时在比较器 的正相输入端接参考支路，用于生成参考电压；在比较器的反相输入端接存储单元支路，用于 生成输入电压，存储单元支路包括储单元。

由图6可知，图中的比较器是本发明所提出的高精度抗干扰比较器。图中包括存储单元 支路和参考支路。存储单元支路包括RRAM存储单元，这里的存储单元是1T1R结构(1 Transistor1Resistor)。RRAM存储单元依次接MOS管MN43和MN41，最后MN41的漏极接比 较器的反相输入端，同时MN41的漏极通过电阻R41接到电源。这里MN43的源级接RRAM存储 单元，MN43的漏极与MN41的源级相连。类似的，参考支路中参考电流依次接MOS管MN44和 MN42，最后MN42的漏极接比较器的正相输入端，同时MN42的漏极通过电阻R42接到电源。这 里MN44的源级接参考电流，MN44的漏极与MN42的源级相连。钳位MOS管MN41和MN42的栅 极接钳位信号，使能MOS管MN43和MN44分别接使能信号1和使能信号2。

这里的高精度抗干扰比较器除了前面介绍模块之外，还增加了一个控制模块。控制模块 的作用是在降低比较器的灵敏度后，在比较器的进入下次正常工作状态之前，通过控制偏置电 流改变模块将比较器的灵敏度后提高到工作时的状态(即通过改变偏置电流改变模块的开关状 态，降低偏置电流)，以便于比较器下一次正常工作。控制模块可以由常规的逻辑单元组成在 这里就不做详细介绍了。

上述具体工作过程为：在数据准备读出时，控制模块通过控制偏置电流改变模块将比较 器的灵敏度后提高到工作时的状态。然后通过钳位信号将钳位MOS管MN41和MN42的源级接到 一个相同的电平，接使能信号1和使能信号2控制MOS管MN43和MN44导通。MOS管MN41源 级的钳位电压在RRAM存储单元的可变电阻上产生电流，存储单元支路的电流在电阻R41上转 换为输入电压输入比较器的反相端，参考支路的电流即为参考电流，参考电流在电阻R42上转 换为参考电压输入比较器的正相端。通过比较器的比较就可以知道RRAM存储单元中电阻的阻 值状态。具体RRAM存储单元的情况就不在这里详细介绍了。在比较器比较之后(即数据正常 读取之后)，偏置电流改变模块将比较器的灵敏度降低。此时，因为灵敏度低就可以避免噪声 等干扰影响读出的正确数据。在数据在完全被读出之后，控制模块再通过控制偏置电流改变模 块将比较器的灵敏度后提高，等待下一次数据的读出。

需要强调的是本发明的一种高精度抗干扰比较器也可用于其它类型的存储器(例如DRAM、 SRAM、Flash等类型的存储器，但不限于此所列出的存储器类型)。在具体使用时需将上述结 构中的1T1R存储单元替换为相应类型的存储单元，并根据存储单元的不同类型需要对存储单 元支路和参考支路做相应的调整，最终在比较器的正相输入端和比较器的反相输入端输入相应 的参考电压和输入电压即可，这里就不做详细的介绍和说明了。