（微电子学与固体电子学专业论文）低功耗比较器电路研究.pdf

中文摘要 摘要：比较器是电子系统中应用较为广泛的电路之一。比较器的设计以开环高增 益放大器的设计为基础。这类比较器属于非线性的模拟电路，其输入和输出之间 不存在线性关系。虽然和运算放大器相比，比较器的应用范围相对狭窄，但比较 器仍在很多应用中不可或缺。例如，比较器可以用于电压监测，电平转换，v f 转 换，适用于采样跟踪保持电路，过零检测，峰值检测和延迟线的检测。系统级应 用包括便携式和电池驱动的系统、扫描仪、机顶盒和高速差分线接收器。比较器 也用于恢复时种信号和高速方波。 本文中的高速低功耗比较器应用于一个t s m c ( t a i w a ns e m i c o n d u c t o r m a n u f a c t u r i n gc o m p a n y ) 1 8 0 纳米d p 6 mc m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d e s e m i c o n d u c t o r ) 工艺下的8 比特，2 0 0 m h z 采样速率的流水线模数转换器中。该模 数转换器具有高速率、高精度、低功耗的特点。其电源电压是1 8 v ，共模输入电 压为o 9 v ，信噪比大于4 5 d b 1 0 0 m h z ，有效分辨率大于7 2 位，积分非线性和微 分非线性分别小于1 2 l s b ( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ) 和0 7 l s b ，输入动态范围是 3 0 0 m v - 3 0 0 m v ，整个模数转换器的功耗小于1 7 5 m w 。其中比较器采用了预放大 级结构和动态l a t c h 比较器结构，降低了比较器的传输延时和功耗消耗，其传输延 迟小于o 1 n s ，失调电压小于o 1 v ，功率消耗为每个比较器约o 3 7 m w 。该模数转 换器，包含该文中设计的比较器，已经成功流片并处于测试阶段。 关键词：流水线模数转换器；低功耗；动态比较器 分类号：t n 4 3 1 1 0 2 ；t n 9 1 1 7 2 a b s t r a c t a b s t r a c t c o m p a r a t o ri 8o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tu n i t sw i d e l yu s e di ne l e e l r o n i e s y s t e m s t h ed e s i g no fac o m p a r a t o ri sb a s e do nl o o pg a i na m p l i f i e r c o m p a r a t o ri sa k i n do fan o n l i n e a ra n a l o gc i r c u i t ，a n dt h e r ei sn ol i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e ni t si n p u t a n do u t p u t c o m p a r e dw i t ha m p l i f i e r s e o m p a r a t o r s 撇n o tt h a tw i d e l yu s e d , b u ti ti s r e a l l yn e c e s s a r y t h e f a c t i s ，v o l t a g ed e t e c t o r s ，v o l t a g el e v e lt r a n s f o r m e r , v o l t a g e - f r e q u e n c yt r a n s f o r m e r , s a m p l i n g t r a c ka n dh o l dc i r c u i t , z e r od e t e c t o r s ，p e a i 【a n d d e l a yl i n ed e t e c t o r sa l lu t i l i z ec o m p a r a t o r s a l s oe o m p a r a t o r sa r ef i tf o rs y s t e m l e v e l a p p l i c a t i o n s s u c h 嬲p o r t a b l ea n db a t t e r y - d r i v e ns y s t e m , s c a n n e r , s e t t o p - b o xa n d l i i g h s p e e dd i f f e r e n t i a ll i n er e c e i v e r s c o m p a r a t o r s 锄a l s ob em e di nc l o c ks i g n a la n d 蚯g h s p e e dp u l s er e c o v e r y t h ec o m p a r a t o ri sd e s i g n e df o r2 0 0 m h z8 - b i tp i p d i n e da d c ( a n a l o gt od i g i t a l c o n v e r t e r ) u n d e rt s m c 18 0 h md p 6 mc m o s t e c h n o l o g y t h ea d c h a sh i 【g hs p e 。d ， b i 曲r e s o l u t i o na n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n s u p p l yv o l t a g ei s1 s v , c o m m o ni n p u t m o d ev o l t a g ei so 9 v t h es n ri s4 5 d ba tt h ef r e q u e n c yo f1 0 0m h zi n p u t , v a l i d r e s o l u t i o ni sm o r et h a n7 2b i t s ，i n ra n dd n ri sl e s st h a n1 2l s ba n d0 7l s b ，t h e d y n a m i ci n p u tr a n g ei s - 3 0 0 m v 一3 0 0 m v ，t h ew h o l ep o w e re o n s u m p t i o ni sl e s st h a n 1 7 5 m w t r a n s m i s s i o nd e l a yo f t h ec o m p a r a t o ri sl e s st h a n0 i n s , o 庙衙v o l t a g ei s0 1 1 i j = p o w e rd i s s i p a t i o ni so 3 7 r o w t h ea d ci n c l u d i n gt h ee o m p a r a t o rp a r th a sb e e nt a p e d o u ta n dt h ec h i pi su n d e r t e s t i n g k e y w o r o s ：p i p e l i n e d a d c ；l o wp o w e r ；d y n a m i cc o m p a r a t o r c l a s s n 0 ：t n 4 3 1 1 0 2 ：t n 9 1 1 7 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：撕 签字日期：弘刁年i 够, e l7 o e t 导师签名：燃 签字日期：尹7 年，朔柏 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：护年f 瑚加日 致谢 本论文的工作是在我的导师李哲英教授的悉心指导下完成的，李老师严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，让我在学习和科研的过程 中收获甚多。在此衷心感谢三年来李老师对我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，李博、王春蕾、李争等同学对我论文中的比 较器电路低功耗研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢父亲、母亲和哥哥，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成 我的学业。 序 本文的主题是低功耗比较器电路研究。该低功耗比较器电路的研究是基于高 速低功耗的8 比特2 0 0 m s s 流水线模数转换器应用背景的。该比较器，协同整个 流水线模数转换器一起，是由研究生教学科研经费支持，由一个科研团队共同协 作来实施抟教学科研瑷耳。整个项目可分为七个模块：采样保持，开关电容放大 器，比较器，子d a 转换器，同步和逻辑校正单元，时钟产生电路和锁相环。 目前，该项目已经采用t s m c 的1 8 0 r i m c m o s d p 6 m 工艺，通过m p w 的形 式成功流片现处于测试阶段。该项目实施过程中用到了业界一些主流e d a 软件 来支持项目的可靠性。同时该项目得到李哲英教授的大力支持和悉心指导，以及 老师、同学和朋友们的热心帮助。再次表示深深感谢。 1绪论 片上系统s o c ( s y s t e m o n c h i p 需要在单个硅片上实现数模混合集成。与数 字系统工艺兼容、功耗面积等指标优化的高性能数模转换器是s o c 中的重要单元。 对于日益增长的集成芯片需求来说，尤其是混合信号系统设计中，高性能的模数 转换器已经是技术和市场共同的焦点1 1 1 1 2 。 同时，通信的发展需求也是模数转换器的主要市场。通信是模拟电路的主要 推动力。第三代通信对语音、图像、数据等多媒体提供比第一代、第二代更快更 优的服务，这对模拟电路提出了更宽频带和更大动态范围的要求。对于模数转换 器就是更高的转换速率、更低的系统噪声和更低的功率损耗。 比较器是所有模数转换器的关键模块。其性能，尤其是速度、功耗、噪声、 失调，对整个模数转换器的速度、精度和功耗都有着至关重要的影响。但是传统 的比较器很难同时满足模数转换器对速度和功耗的要求，因此需要对传统的电路 结构进行更新和改进，以满足应用要求。传统的预放大锁存比较器有较小的延迟 时闻和低失调、低回踢噪声，但是这些高指标是以高损耗和大的芯片面积为代价 的：动态比较器虽然具有速度快、功耗低的优点，失调电压和回踢噪声都很大， 限制了其在高精度模数转换器中的应用；静态比较器具有较小的回踢噪声，然而 其功耗大，比较速度慢，不适于高速模数转换器。 在流水线型模数转换器设计中，每个单级模块中比较嚣都起着相当重要的作 用1 3 】。比较器的建立时间和失调对模数转换器的转换性能都有影响。为了设计高速、 高精度、低功耗、基于标准c m o s 工艺的流水线型模数转换器，该文章对比较器 的速度，失调等方面迸行了研究，着重对低功耗进行设计方法研究f 4 】。 本文中阐述的比较器结构，是一种适用于高速、高精度、低功耗模数转换器 的钟控差分电压比较裂5 1 6 1 1 7 1 8 删。其应用背景是高速、低功耗的流水线型模数转换 器。文中介绍了比较器的设计基础，针对给定的设计指标和应用场合，设计了钟 控比较器，并进行了仿真验证，针对此结果傲了功率损耗的优化分析。在分析现 有技术基础之上，提出了一种比较器电路低功耗设计构想，与静态比较器结构电 路和其它一些动态比较器结构电路相比较得到较低的功率消耗。该比较器结构应 用在一个商速、低功耗的模数转换器中，经过c a d e n c ee d a 系列软件的仿真、调 试、验证、后仿真等一系列过程，最终成功流片，目前正在测试阶段。 关于比较器的研究，综合国际和国内模数转换器发展的情况来看，其趋势是 低功耗，低的传输延迟时阀。 b 模数转换器目前的研究目标是提高转换速率，主要采用商阶调制器和多 位量化的方法。目前调制器一般用3 阶或4 阶，为保证闭环稳定性，一般用多级 级连。由于多位量化会引起非线性，一般用2 或3 位。流水线模数转换器和两步 并行模数转换器仍是目前高速分辨率模数转换器的主要结构。流水线模数转换器 一般采用每级1 5 位的方法。当分辨率超过l o 位时，这两类模数转换器必须采用 校正与纠错措施【m 。 而比较器结构则一般为全差分、可再生式、多级放大的级连形式。比较器前 面放置一个缓冲放大器，用来降低回踢噪声。用采样电容可抵消失调误差，但采 样电容应尽量小，以提高电路带宽，而且采样电容的下极板应连到管子栅极，上 极板连到驱动源。在高速应用时，用瞬时短路法使比较器得到迅速恢复】。 2 0 0 6 年9 月，a d i ( a n a l o gd e v i c ei n c o r p o r a t i o n ) 推出a d c m p 6 0 x 系列满电 源摆幅的比较器，适合与高速，低功耗，r r 摆幅和高精密度应用。该系列比较器 可提供多种可编程延迟，从i n s 到3 5 n s ( 随机抖动小到2 5 p sr m s 有效值) 。 a d c m p 6 0 x 比较器可提供在2 5 v 5 5 v 电源范围内完全达到规定的r r 性能。这 在低电压应用中非常有利，特别是在前一代快速r - r 比较器在低于2 7 v 的工作电 压时会出现死区的情况下【1 1 1 。 2 0 0 6 年1 2 月，奥地利微电子公司( a u s t r i a m i c r os y s t e m s ) 推出比较器产品系 列a s l 9 7 0 - 7 5 。该系列有单路、双路、4 路输入可供选择，加上单个比较器输入的 功耗低至8 5 “a 的特性，使这些i c 成为了许多电池供电应用的理想解决方案。 a s l 9 7 0 - 7 5 系列采用+ 2 5 v 至+ 5 5 v 的单电源供电，非常适用于3v 和5 v 的应用。 该系列也支持士1 2 5 至士2 7 5 v 双电源供电。这些i c 能通过两节从电池驱动，并 提供r - r 特性，且输入偏置电流仅为l p a 。此外，0 5 m v 的低输入偏置电压和3 m v 的迟滞加上低功耗特性，使a s l 9 7 0 - 7 5 系列成为便携式设备内电池监测和电池管 理应用的理想选择i l l j 。 2 0 0 7 年5 月，高性能模拟信号路径产品供应商美国国家半导体公司( n a t i o n a l s e m i c o n d u c t o rc o r p o r a t i o n ) 宣布推出一款业界最低功率( 典型值为2 1 m a ) 而传播 延迟时间不超过l 毫微秒( 7 0 0 p s ) 的双通道比较器。l m h 7 3 2 2 芯片的传播延迟时 间只有7 0 0 p s ，而且过驱动若超过1 0 0 m v ，也只会出现5 p s 的散射。此外，这款芯 片还设有独立的输入及输出供电引脚，因此可以支持需要进行电平转换的应用。 由于这款比较器的典型功耗低至只有2 1 m a ，因此最适用于必须节约用电的系统。 若以5 v 供电操作，l m h 7 2 2 0 芯片的传播延迟时间只有2 9 n s ( 典型值) ，而上升 及下降时间同样是0 6 n s ，所需的供电电流则不超过6 8 m a 。两款芯片都保证可在 摄氏4 0 度至1 2 5 度的温度范围内充分发挥其性能l l l l 。 本论文首先阐述了低功耗比较器设计的背景和意义，然后基于流水线模数转 换器的工作原理及其对比较器的要求，作了比较器设计基础的讲述。经过分析对 比了几种比较器结构的分析和对比选择了带预放大级的差分钟控比较器。针对此 电路结构进行电路仿真分析，并针对设计指标对比较器电路进行分析和优化。最 后得到电路的版图实现。本文提出的比较器结构基于动态l a t c h 比较器结构，相对 静态比较器电路而言实现了低功耗，同时采用了预放大级结构减小传输延时，并 将该比较器电路性能与其他比较器电路作了对比。 各章内容安排如下。第二章简要介绍比较器的类别、基本应用和各项性能参 数。第三章对比较器的设计技术进行详细阐述。第四章在分析m o s ( m e t a lo x i d e s e m i c o n d u c t o r ) 管匹配等特性的基础上对比较器电路的优化问题做出说明作为系 统优化的理论支撑，并进行了仿真与分析。同时将流片成果展示给大家。第五章 为总结和展望。 3 2比较器设计初步 比较器可以比较一个模拟信号和另一个模拟信号或参考信号，并输出经过比 较处理得出的二进制信号。这里的模拟信号是指在任何给定时刻幅值连续变化的 信号1 1 2 l 。二进制信号在任意时刻只能取两个给定值中的一个，然而这种情况过于 理想化，实际上在两个二进制状态之间存在过渡区间，使比较器快速通过过渡区 间是很必要的。 2 1比较器的分类 从工作原理上看，所有的比较器都可以看作是放大器的不同形式的应用。根 据放大器的不同应用形式，可以分为开环和闭环两种。一个高增益的运算放大器 应用于开环状态就是一个高分辨率的比较器；而迟滞比较器和l a t c h 电路则是放大 器在两种正反馈形势下的闭环应用【l 。 从功耗的角度，比较器可以分为静态比较器和动态比较器两种。二者的主要 区别在于静态比较器会消耗一定的静态功耗，而动态比较器的功耗为零，只有动 态功耗。按照工作原理划分可以分成开环比较器和可再生比较器。按照电路结构 划分又可以分为单端输出结构比较器和双端输出结构比较器两种。设计时，考虑 更多的是比较器电路的工作原理。而其结构则是在原理基础上对设计进行分析。 开环比较器基于非补偿运算放大器，可再生比较器应用类似于传感放大器或 触发器的正反馈来完成对两个信号幅度的比较。综合开环和可再生两类比较器的 特点，产生一种优化的综合型比较器【u 】。 2 1 1 开环比较器 以放大器的开环应用当作比较器。这种比较器的特点是不需要频率补偿，从 而可以获得尽可能大的带宽，理论上也就可以获得相对比较快的输出响应时间【1 4 1 。 这类比较器又可以根据开环应用的放大器的结构分类为：单级高增益放大器开环 应用作比较器，低增益多级级联放大器用作比较器。 以单级放大器开环应用形成的比较器，是依靠放大器高增益把输入较小的差 分信号放大后被电源电压切顶，从而输出高或者低电平。设计这种放大器结构的 比较器，因为不存在接成反馈闭环形式的应用情况，也就不必进行频率补偿。这 种比较器一般不能用在高性能系统中，所谓的高性能系统一般就是指失调电压、 4 建立时间和转换速率( 摆率) 等方面的要求比较耐1 5 】。由于这类放大器的直流增 益一般都比较高，相应的带宽就会比较小，因此这类比较器的建立时间比较长。 时间常数f = l p = a w ，。此式子一般适合单极点系统和小信号输入的情况。其 中p l ( w ) 是指本级放大器的主极点频率，也是本级放大器的直流增益。如前所说， 这个主极点频率一般都较低。因此，时间常数值会比较大。因此，用放大器作比 较器，其比较速度通常比较慢。 另外一种是多级级联比较器。出于对比较器建立时间的考虑，若要提高比较 速度就得将放大器的主极点频率提高，同时保证其原有的单位增益带宽不变。这 种方法会牺牲一定的直流增益。为了弥补放大器直流增益的减小，要将多个较低 增益的放大器互相级联形成多级级联比较器。假设有n 级相级联，级联后放大器 的增益变为一级增益的n 次幂指数。建立时间常数公式为习 - l a ：。亟 w l ( 2 1 ) 其中 是级联比较器的直流增益。 由此式可以看出，比较器的比较速度随n 的增加而线性提高。这就是为什么 低增益多级级联比较器的速度要比单级高增益比较器的速度快的原因。 i n v e r t i n g 比较器同样属于开环应用的放大器比较器。其结构通常采用放大器内 部的正反馈来设计比较器的迟滞。这种内部的正反馈结构通常是交叉耦合的差分 对管结构，该结构还可以提高比较器的增益。可再生比较器主要就是利用放大器 在外部后接一个正反馈l a t c h 来使比较器具有迟滞效应的。 还有一种是离散时间比较器。在某些应用情况下，比较器只是在一部分时问 段内工作。这类电路一般由时钟信号驱动，或者是有两种工作状态，其中一阶段 工作，另一阶段不工作。这类比较器的传输延时一般都较短，效率较高。常见的 离散时间比较器有开关电容比较器和可再生比较器。 在许多高性能系统应用中，输入端常会有一个采样保持电路。这样会使得输 入信号在采样时钟相位发生变化时才变化。这种应用的比较器可以采用开关电容 的结构，这是一种将开关电容电路和开环应用比较器相结合的电路。其特点是可 以采用单端结构的电路来比较差分信号，而且很方便使用自动校零技术来消除直 流失调电压。开关电容比较器的主要误差源就是比较器的直流失调电压和开关管 的电荷注入及时钟馈通效应。 l a t c h 比较器也可以称为可再生比较器( r e g e n e r a t i v ec o m p a r a t o r ) ，一般是在 前置放大器后面加一级正反馈l a t c h ，这个l a t c h 作为最后一级可以提高比较器的性 5 能。要求前置放大级的输出幅度足够大，起码要达到l a t c h 可以分辨出的电压差值。 l a t c h 的一般结构如图2 1 1 1 6 1 。 p m o s 管l a t c h 电路 n m o s 管l a t c h 电路 图2 - 1l a t c h 结构 f 嘻2 1s t r u c t u r eo f l a t c h 由图2 1 可以看出，一个l a t c h 实际上是一个单位增益形式的正反馈放大器。 l a t c h 结构比较器有两种工作模式。在第一种工作模式下，正反馈被禁止，此时l a t c h 的输入端探测输入信号；当比较器进入第二种工作模式的时候，正反馈环路进入 正常的工作状态，根据探测到的输入信号的值来使l a t c h 的一端为高电平，另一端 为低电平。 以n m o s 管l a t c h 电路模型为例分析l a t c h 电路，其小信号等效电路如图2 2 所示。 + l - + l ： 羞 c i = 兰 月差 c 2 = = 月羞 i l r 2 孚抄 。i g _ 2 ”a 19 5 丫二 g _ l 1 ，求式( 2 7 ) 的拉普拉斯变换得 v o o ) = a 巧p 17 i = 巧口。( 1 “。) 7 7 * e 。一。7 7 巧 式( 2 8 ) 给出锁存器的时间常数为 7 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 如果c 的大部分是栅源电容，则锁存器的时间常数可表示为： 铲些一o6，乞j墨、2k(wl)i 2 k 饿v。， 式( 2 - 1 0 ) 主要表明锁存器的时间常数主要取决于沟道长度。沟道长度越短， 响应越快。另外由式( 2 1 0 ) 还可以看出，在给定的沟道长度下，输入信号越大， 相应时间越短，所以一般在l a t c h 前加一级预放大级，先将信号预放大，来增快l a t c h 的响应时间。 锁存器的响应时间可以用下式表示 o ) = e t t l a v t ( 2 1 1 ) 根据此式可以计算某个时刻f 输出电压之间的差值圪。电压k 世纪上是锁 存器开始工作前输出电压和v 。2 的差值。 对式( 2 1 1 ) 进行归一化处理得到 垒幺鳢：。m 垒竺 一一 锁存器的传输延时可以通过令式( 2 1 2 ) 等于o 5 来求得 铲吒l n ( 蛩) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 可见，要想降低比较器的传输时延，减小管子的沟道长度，增大l a t c h 输入信 号值都是可靠的方法。 高速比较器要求传输延时尽可能短，为达到这个目的通常可以考虑采用多级 低增益放大器级联的比较器【j 7 1 。所关心的设计参数是直流增益值和主极点位置。 此类多级比较器对第一级的设计要求比较高，因为第一级的输入信号可能会很小， 所以希望第一级放大器有较宽的带宽，可以使第一级延时较短，能很快的把输入 8 信号放大后输出到第二级，对提高整个比较器的速度有很大帮助。此外，、多级比 较器对最后一级的转换速率要求也很苛刻，可以考虑加快级间电容和负载电容充 放电速度。因此高速比较器的第一级和最后一级需要特殊的，不同于其他级的设 计。 2 1 2 比较器的基本应用 除模数转换器以外，比较器还常应用于以下几种系统中：过零检测系统 ( z e r o - c r o s s i n gd e t e c t o r s ) ，峰值检测系统( p e a kd e t e c t o r s ) ，全波整形系统( f u l l - w a v e r e c t i f i e r s ) 等等。不同的应用场合对比较器的各种特性要求有不同的侧重点。 本文主要涉及比较器在模数转换器中的应用。常见的模数转换器有以下几种： f l a s h a d c ( 快闪式模数转换器或并行模数转换器) ，p i p e l i n e d a d c ( 流水线式模数 转换器) ，s a r a d c ( 逐次逼近模数转换器) ，s i g m a - d e l t a a d c 。 f l a s h 模数转换器主要由采样保持电路和比较器组成。每一次模数转换仅仅需 要一个时钟周期，转换速度很高。但是需要的比较器数目很大，n 比特的f l a s h 模 数转换器需要2 w 一1 个比较器。因此电路结构比较复杂，功耗也相对较大。并且随 着转换精度的提高，电路的复杂程度和功耗会明显增加。这样必然会引进众多非 理想因素，这会给设计带来很多困难。f l a s h 模数转换器仅仅依靠比较器完成模数 转换，因此对比较器精度要求非常高，包括比较器的分辨率，工艺引进的比较器 失调等因素”。 流水线模数转换器由多级组成，是各级单独完成粗量化，整体共同实现细量 化的模数转换器。每级是由一个采样保持电路，一个粗量化的f l a s h 模数转换器， 个数模转换器，一个加减电路和一个级间放大电路构成。每级的转换精度是b + i 比特，需要比较器的数量是2 ”一2 个，所以总共需要的比较器的数目远远小于f l a s h 结构的模数转换器，而同样能达到高的精度和速度。由于流水线结构模数转换器 在结构上加入了级间放大和数字纠错，每级内部的f l a s h 子模数转换器只需达到 b + l 比特的精度即可，大大降低了对比较器精度的要求。可见，流水线模数转换 器可以同时实现较高的转换精度和高速率。通常其转换精度在l o 比特左右，转换 速率为几十兆，甚至可以达到上百兆。目前流水线模数转换器在该领域中占有极 其重要的地位【j 9 。 s a r 模数转换器在结构上很简单，由一个采样保持电路，一个比较器，一个 数模转换器和一个s a r 控制逻辑构成。其转换精度主要取决于内部数模转换器和 比较器的精度，可以做到较高的精度，一般是1 2 1 6 比特，其功耗相对较低，速 度不是很快，主要用于便携式系统【2 0 】。 9 s i g n m - d e l t a 模数转换器是这几种结构里面唯一的一种过采样转换器。由减法 器，积分器，量化器，数模转换器和数字抽取滤波器组成。主要用于低速、高精 度的场合，在音频领域有不可替代的地位【1 8 】。 2 1 3 流水线模数转换器对比较器的约束 在高速高精度模数转换器设计中。一般采用子区结构代替全并行结构来减少 电路中所需的元件数，但由于一次完整的转换由几级串行工作的子区转换来完成， 因此降低了总的转换速度。受数字系统中新发展的流水工作方式的启发，在子区 结构的基础上，发展了一种增强的子区模数转换器结构流水线结构模数转换 器。 流水线结构在子区结构的各级之间引入采样保持放大器电路，以将各级转换 后剩余的模拟量进行保持，这样，各级电路可并行的对各采样保持放大器所保持 的模拟量进行转换。从整个转换过程来看，流水线工作方式可以看作是串行的， 但就每一步转换来看，是并行工作的。因而总的最大转换速率取决于单级电路的 最大速度，并且，总的转换速率与流水线结构的级数无关。图2 3 给出了典型的流 水线模数转换器的原理框图【2 l 】。 图2 3 流水线模数转换器结构原理示意图 f i g 2 - 3p i p e l i n e 0a d c a r c h i t e c t u r em o d e l 如图2 3 所示，流水线模数转换器由时钟发生电路，流水线转换结构，延时对 准寄存器阵列和数字校正电路构成，其中流水线转换结构是输入采样保持电路、n 级流水线子级转换电路、f l a s h 模数转换器的级联。一般的，流水线转换结构在 双相非交叠时钟控制下工作，双相非交叠时钟由时钟产生电路提供。时钟产生电 i o 路的功能是将输入时钟信号d k 加工成双相非交叠时钟巾。和m ，控制流水线转换 结构中的采样保持电路和级电路在采样相和放大相自j 切换工作。假设中。相应于采 样相，中，对应于放大相。在进行模数转换时，采样保持放大器在其采样相对输入 信号进行采样，然后在保持相向第1 级输出，即作为第l 级的输入电压k ；第l 级的采样保持放大电路对进行采样和保持，同时子模数转换器对巧进行模数转 换，所得的p 位转换结果不仅作为本级转换结果输出到延迟对准寄存器阵列，而 且作为子模数转换器的数字输入以实现对k 的估计，模拟减法电路实现k 与其p 位估计值的相减，所得的余差信号在放大相通过放大器放大2 川倍以后，作为本级 模拟输出圪向第2 级输出：第2 级到第n 级的电路结构和工作过程与第1 级相似， 只是其中的子模数转换器、子数模转换器和余差放大器分别为q m 位、q m 位和 2 q - i 2 “倍：第n 1 级的模拟输出送到末级子模数转换电路中，实现最后一级的模 数转换，f l a s h 模数转换器的转换输出也送到延迟对准寄存器阵列。由于流水线 转换结构对模拟信号的逐级串行流水处理，对应于同一个模拟输入的各级电路的 数字转换输出是逐级延迟的，延迟对准寄存器阵列的作用是给流水线结构的数字 输出加入一个恰好是逐级减少的延迟，这样使得对应于同一个模拟输入的各级数 字输出能在时序上对齐，然后输出。 为了避免电路中的非理想因素带来不可校准的误差，一般可以在级电路中采 用冗余分辨率设计，即令第i 级中的子模数转换器和子数模转换器的字长为s 位， 而余差放大为2 - 一t 倍，有效分辨率为争l 。分析可知，在此情况下，流水线模数转 化器总的有效分辨率为： r = p + g + j + + 肘一 + 1 + ， ( 2 1 4 ) 数字校正电路的作用是将延迟对准寄存器输出的r 位数字码校正为r 位的标 准二进制输出。为了简化设计，通常可令各级电路的分辨率相等，即p ：q 一 m s = = l ，称为每级l 位结构。 结合流水线a d c 的工作原理及其高速高分辨率的特性，高精度和快速比较器 总起着至关重要的作用。与其他种类的模数转换器相比，流水线模数转换器有高 精度、高分辨率的特点，因此有广泛的应用。流水线模数转换器由许多子 f l a s h a d c 构成。流水线模数转换器的特性中，速度、功耗和失调电压对整个电 路有很重要的影响。适合流水线的动态比较器有三种：电阻分压比较器、差分比 较器和电容差分比较器。但是这几种结构的比较器可能消耗过多的功耗或者较大 的失调电压。因此，前置运放锁存比较器的优势就可以得到显著体现。 前置增益运放锁存比较器的原理是，前置增益运放对输入信号进行放大，并 j e 哀交道太堂亟堂焦i 金塞出拉箍迢让翅垄 将放大后的信号送入锁存比较器，最后信号通过一个普通的触发器得到最终的比 较结果。这种结构结合了前置增益运放级对输入信号负指数响应和锁存比较器对 输入信号正指数响应的优点。因此，前置增益运放锁存比较器的失调电压主要来 自预放大级。通过前置增益运放级放大了比较器输入端的回踢噪声，在信号的比 较阶段混淆了输入信号。如果在锁存比较器的输入端和前置增益运放的输出端没 有隔离电路，可能导致采样电路的不稳定性和不精确的比较结果。预放大级的设 计是比较器设计中的一个重要环节。 2 2比较器的性能指标及分析方法 理想情况下，比较器的正、负输入之差为正时，比较器输出为高电平( ) ； 为负时，比较器输出为低电平( ) 该理想传输曲线如图2 - 4 。其中是比较器 的同相输入端电压，k 是比较器的反相输入端电压。比较器输出电平的最大值、 最小值分别定义为和。 v o i 心 v p 一 图2 - 4 理想比较器的传输曲线 f i g 2 _ 4i d e a lt r a n s f e rc u r v eo f c o m p a r a t o r 可见，当两个输入端的电压差为0 时，意味着输出结果将发生跳变。但实际 上这样的比较器是不存在的。下面图2 5 给出了有限增益比较器的传输曲线。 1 2 j f v o l1 r 印 图2 5 有限增益的比较器传输曲线 f i g 2 - 5 t r a n s f e r c u r v e o f f i n i t e g a i n c o m p a r a t o r 其中的和是输出分别达到上限和下限所需要的输入电压差咋一v 。这 种输入变化称为比较器的精度。增益是描述比较器工作的重要特性，因为增益定 义了输出能够在两个二进制状态之间改变所必需的最小的输入变化量( 精度) 。 2 2 1 主要性能参数 比较器特性包括静态特性和动态特性两个大的方面。静态特性包括比较器的 增益、精度、失调电压等。动态特性主要包括小信号和大信号方式。其中，输入 激励和输出转换之间的时延称为比较器的响应时间。在输入激励和输出响应之间 有一个时延，这个时间差叫做比较器的传输时延。这是个非常重要的参数，通常 会限制比较器的转换率的提高【纠。下面给出比较器各个参数的定义【”j 。 分辨率( r e s o l u t i o n ) ：分辨率是指能够产生正确的数字输出的最小差分输入信 号。在有些模数转换器，如f l a s h 比较器和s a r 比较器中，比较器的分辨率直接决 定最终模数转换器的分辨率。影响分辨率的主要因素有噪声、比较器的增益和输 入失调( o f f s e t ) 。其中失调的影响最为严重，且主要受工艺条件的限制。该参数被 定义为 矿：v o - v o 4 其中以为比较器增益，即过渡曲线的斜率。其表达式为 4 = 翳 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 比较速度( d e l a y ) ：比较速度又称传输延迟时间。一般定义为输入激励信号与 输出数字信号之间的时间差。该参数影响比较器的最高工作频率，并最终影响模 数转换器的最高采样频率。 摆率：比较器的传输时延随输入幅度的变化而变化，较大的输入将使延时较 短。输入电平增大到一个上限时，即使输入电平再增大也无法对时延产生影响时 的电压的变化率被称为摆率。 回踢噪声( k i c k b a c kn o i s e ) ：回踢噪声( 反冲噪声) 是指输出的数字信号对输 入模拟信号的反冲，该反冲一般是电荷馈通的结果。 输入失调电压：随机输入偏移电压是由输入级的一对m o s 管的几何尺寸或工 艺失配产生的。m o s 器件表现出比三极管更严重的输入失调电压。输入失调电压 也是影响比较器精度的一部分，失调越大，比较器的精度越低。其定义为：如果 将差分放大器的两个输入端连在一起，在输出端得到的电压就是输出失调电压。 通常c m o s 差分放大器的输入失调电压是5 m v 2 0 m v 。由于引入了输入失调电压， 实际比较器的传输曲线如图2 _ 6 所示。 j j ：， 坠y t心 图2 - 6 带失调电压的有限增益比较器传输曲线 f i g 2 - 6t r a n s f e rc u r v eo f f i n i t eg a i nc o m p a r a t o rw i t hi n p u to f f s e tv o l t a g e 输入共模范围：是指比较器在这个范围内，比较器能连续分辨出的输入电压 的差值。该特性也是比较器的重要特性之一。 响应时间：以上参数说明了比较器的直流特性，考虑了增益、精度、摆率、 传输时延、回踢噪声和失调电压这些参数。响应时间参数是比较器的时域特性， 响应时间描述了比较器对于差分输入需要多长的响应时间，输入激励和输出转换 之间的延迟就是比较器的响应时间。比较器的响应时间，表达了输入达到阅值后， 输出状态改变的快慢程度。这一特性限制了输入信号的最大变化速度。如果输入 变化太快，例如，在一个很短的间隔内变得比参考电压更正，输出还来不及响应， 1 4 便得到不正确的转换输出值。这是限制模数转换器转换速率的一个重要参数。比 较器总的响应时间由信号通过比较器的传输延时和输出上升下降时间组成。通过 比较器的传输延时通常定义为输入信号到达比较器至输出电压上升到最终值的 1 0 所需的时间。上升时间通常为输出电压从最终值的l o 到最终值的9 0 所需 时间。比较器的响应时间一般为几个毫秒甚至更少。 输出电压摆幅：当比较器的同相输入端更正时，比较器被认为输出正电压。 反之，得到负的输出电压。这种特性基于比较器的内部电路，一般比较器由内部 的差分放大器和偏置网络组成，决定了输出摆幅。这个摆幅也受电源电压影响。 输入偏移电流：是使输出改变状态的两输入电流差值的绝对值。 输入偏置电流：无信号输入时两个输入电流的平均值。 差分输入电压范围：比较器工作时两个信号输入端允许加的最大电压。 从流水线模数转换器的工作原理可以看出，流水线模数转换器实际上是依靠 粗量化来获得高精度的输出。所以对每级子a d c 分辨率的要求不高。以每级1 5 比特来说，每级的分辨率只有2 比特。因此对于流水线模数转换器来说，比较器 设计中分辨率不是主要考虑因素。比较速度，反冲噪声，功耗和面积上升为设计 优化时的主要目标。 2 2 2 比较器静态分析 对比较器的分析主要从其性能参数入手。主要分为静态特性分析和动态特性 分析i 矧。 比较器增益的定义是：4 = ( 。一。) ( 一) 。理想比较器增益为无限大， 这样就会使比较器输出电平翻转发生在某一输入电压差值点上，而不是在某一范 围内翻转。这与实际的比较器不同。实际比较器的增益只能是个有限值。其中y 0 和是输出分别达到上限和下限所需的同相和反相输入电压值。和，分别是 输出高电平和输出低电平。比较器的增益可以认为是其输入信号的函数。 从比较器的结构上看，有多种提高增益值的方法：最容易想到的是给比较器 加上前置放大器，或者在比较器后端附加一个反相器，还可以简单的通过加大前 置放大级的跨导来提高，也就是加大预放大级管子的沟道宽度。 分辨率表示的是比较器可以分辨出的最小的输入信号的差值。可见，比较器 的分辨率和增益之间的关系很紧密。高分辨率高精度的比较器其增益也比较高。 在假设比较器增益为无穷大的情况下，理想比较器应该是在输入跨越0 的时 候，使输出发生状态变化。但是如果直到输入的差分电压到了失调电压。时，输 出才发生改变，这个电压就是输入失调电压。比较器的输入失调电压的定义是： j e 鏖窑亟太堂亟堂位论室 比拉墨遮让扭垄 当比较器的同相输入端和反相输入端连在一起时，为使比较器输出为零应在比较 器的两个输入端之间附加的电压称为输入失调电压。 对于输入失调电压。，其产生原因主要有两个：生产工艺过程中的偏差和环 境变化引入的失调，比较器结构，工作点设置引入的失调电压，如果该失调电压 可以提前预测，那就不会对电路产生太大影响。而且只要在设计过程中仔细注意， 可以避免这种由比较器结构、工作点设置引入的失调电压。但是对于工艺偏差、 环境变化引入的失调，这种输入失调电压的值往往是随机变化的，其电压极性也 不可预知，而且随温度变化而漂移。如果其影响可能会超过l 2 l s b ，那么必须采 取措施，尽量减小这种失调电压。关于输入失调电压的减小方法主要有两种：输 入端失调存储和输出失调存储。当输入失调电压为0 时，比较器的直流传输特性 曲线是关于y 0 参考输入端对称的。图6 中的带有限值增益的输入失调电压的比较 器，其传输特性曲线的对称点偏移了，即只有当输入电压差值超过了，时候 比较器的输出才会发生状态变化。 在比较器的共模输入范围内，比较器的输入级能够对输入电压差进行比较， 即输入管正常工作。就是说在输入共模范围内，保证比较器的所有管子工作在饱 和区。比较器的分辨率和输入失调电压都可以认为是输入共模范围的函数，这几 个参数之间是相互影响的。 2 2 3 比较器动态分析 分析比较器的动态待性，将涉及到比较器的小信号特性和大信号特性。这样 对电路整体的分析把握将更准确。 比较器的传输延迟时间。当比较器的输入信号不够大时，比较器的分析用小 信号分析方法来完成。此时比较器的输入信号越大，传输延时越小，但不能无限 减小，需要有一个下限。即当输入信号幅度增大到一定值后，即使输入信号继续 增大，传输延时也不再改变。此时称为s l e w i n g 或者摆率s l e wr a t e 。随着输入信号 增大到一定程度，比较器最终进入大信号工作模式。这两种工作模式下，比较器 传输延时的决定因素不同。此时的传输延时大小还与比较器的增益和输入共模范 围有关，某些时候输入信号的共模电压也会影响比较器增益的大小。较大的输入