（微电子学与固体电子学专业论文）带失调补偿的高性能比较器的设计.pdf

摘要 在目前的应用市场上，数字通信系统和便携设备的需求量 j 益增加。这些系 统都离不开数字一模拟和模拟一数字转换器，而且还有商采样率和低功耗的性能鬻求。 羧鏊， 乍为转换嚣里瑟最圭要夔罄搏，跑较器在应震裹场土袁十分重要魏 乍矮，茏 - 一 其是高精度低功耗的高性能比较器。现在的集成电鼢新工艺的发膳在一定程度。j 二也 提高了电路精确度和功率消耗等方面的性能。本赫论文所设计的比较器所采用工艺 楚o ，2 5 徽豢爨檬准数字互艺。 本文所讲的高精艘低功耗比较器是应用在一个1 2 位的逐次遥近型模拟数字 转换器中的，这整个系统对分辨精度、功耗的参数疆求较高。文中对比较器的多种 逸爨结筏及褥点逶牙了琵较，最终选撂了交叉鹚会罄缀残豹正爱馕l a t c h 绩鞫靛耽 较器，因为这种比较器缩构所决定的电路性能的特点很适合s a ra d c 系统的臻求。 但是本文中设计的比较器又与一般的正反馈l a t c h 比较器有些不同，它加入了自适 瘦匏露彦撩麓，因j 毙这个爨逶应毙较嚣在其喜较惑熬分辨率载弱瓣还毒羞 i l d 豹功 率消耗。本篇论文中对遮个自适应比较嚣的性能、温度和工艺偏麓等各种条件组合 都进行了仿真，仿真结慕在下文中有所描述。仿真结果显示，这个自适应比较器的 分辨率霹缓这鬻3 0 0 徽茯，工佟蒙率2 m h z ，工箨戆疆3 。3 茯，凌耗其套0 + 4 瓷琵。 关键词：前置放大器、正反馈l a t c h 、分辨率、增益、传输延时时间、功率 消耗、输入失调电压 a b s t r a c t h i g hp e r f o r m a n c ed i g i t a l c o m m u n i c a t i o n sa n d p o r t a b l e e q u i p m e n t s r e q u i r ea n a l o g - t o d i g i t a tc o n v e r t e r s 秘d e s ) w i t hh i g h e rs a m p li n gr a t e ， h _ i 9 7 h e rr e s o l u t i o n ，a n dl o w e rp o w e rc o n s u m p r i o r i t or e a l i z et h i sk i n do fa d c s ， ah i g h p e r f o r m a n c ec o m p a r a t o ri si n d i s p e n s a b l e t h ee v o l u t i o no fi n t e g r a t e d c i r c u i tt e c h n o l o g yp a r t i a l l yh e l p st h e s er e q u i r e m e n t st ob em e tb yp r o v i d i n g h i g hs p e e dd e v i c e sa n da 1 1 0 w i n gc o m p l e xf u n c t i o n si n ag i v e ns i l ic o na r e a b a s e do nt h es w i t c h e dc a p a c i t o r ( s c ) t e c h n i q u e ，t h es e l f t i m e dh i g h p r e c i s i o nc o m p a r a t o rw i t h o f f s e t v o l t a g ec a n c e l i a t i o n h a ss u c c e s s f u l l y e x p l o i t e d i nt h i sp a p e r ，av e r yh i g h p r e c i s i o nc o m p a r a t o r i n0 2 s u ms t a n d a r d c m o sp r o c e s si sp r e s e n t e d + t h er e g e n e r a t i v ep o s i t i v el a t c hi s ac e n t r a l b u il d i n gb l o c ki nt h ep r o p o s e ds t r u c t u r e a n dt h eb l o c ko fs e lf - t i m e d c o n t r o l d e c r e a s et h ep o w e rd i s s i p a t i o nr e m a r k a b l y a na n a l y s i so ft h ee f f e c t so ft h e t e m p e r a t u r ea n do p e r a t i n gc o n d i t i o no nc i r c u i tp e r f o r m a n c e si sc a r r i e do u t ， a n da c c u r a t ec o m p a r i s o np e r f o r m a n c ei sa c h i e v e d t h ee n h a n c e de o m p a r a t o r a c h i e v e sas e n s i t i v i t yo f3 0 0 u ra ta no p e r a t i n gs p e e do f2 m h za n d3 3 - vs u p p l y v o l t a g ew h i l ed i s s i p a t i n gi sa b o u t0 4 i m w t h i sc o m p a r a t o r ，a sak e yb u i l d i n g b l o c k ，h a sb e e na d o p t e di n t 2 b i ts a ra d cs u c c e s s f u l l y 。 k e y w o r d s ：p r e a m p l i f i e r ，r e g e n e r a t i v el a t c h ，s e n s i t i v i t y ，g a i n ，p r o p a g a t i o n d e l a yt i m e ，p o w e rd i s s i p a t i o n ，a n di n p u to f f s e tv o l t a g ec o m p e n s a t i o n 5 第一章简介 比较辫是电子电蹴系统中应用非常广泛的元件电路，其虑用的广泛程艘是仅 次予运箕控制拔大器。比较器弱笈训”麓零上翱当j ：没讨。个碉：琢的离增益敷大器。 它褥予是瓣菲线毪魏模拟电嬉，密裁是说篦较器不燕静缝释酶楱瓠或者数字电路， 它的输入和输出之间并不存在线性关系。比较器援照输入信号划分般可以分为电 篷毙较嚣秘电流耽较嚣，在本籀论文遵只对电压比较器进行讨论。以下就将电压比 较器篱穗海魄铰器。懿较器一般凌熊楚：蒋模掇输入魄压蔷号v i n 帮勇一输入端酶 参考电压德v r e f 进行比较，并且根槲比较的大小结果产生相应的商低逻辑电平，相 当予羲出一个二遴到绩弩。 霞为跑较器翁设计_ i 凌钕子一个开环瓣赢蹭蕊放失器嚣设诗，毒霓滋鞍嚣耱许 多特性与黼增益放大器棚同，因此它们两者的研究方法也有许多相似的地方。当然 嚣者氇是存在蓉缀多不潮之处豹。在菜些辩电路驹频率、速疫婺求鞍羝豹斑瘸中， 蔽丈嚣可戳被用俸电攫眈较器，毽撼我髑龟不麓麓筚酶把放大嚣( o p - a m p ) 簧戏诧较 器。对于比较器的设计尊口分析来说，它的分辨举( s e n s i t i v i t y ) 和传输延时时间 ( p r o p a g a t i o nd e l a y ) 怒缀重要豹。浏瓣因是毙较其犍往哥环痰照，阂姥不嚣频率钤 偿，这点与放大器不同。文中下瑟蠢密串对露较嚣掰特鬟关心静一些毪麓参数帮作 了十分详宝瞰的介绍。 毙较器霹銎分多个糖类，按照工 擘嚣理捌分霹越分瘴拜繇魄骏器( o p e n l o o p c o m p a r a t o r s ) 寇再生比较器( r e g e n e r a t i v ec o m p a r a t o r s ) 。眈较嚣按照电路结梅菇 分又可以分为单端输出结构比较器和麓分结构比较器两种。结构决定特性，因此不 同蘩掏毙较漤獒性琵墩各囊特点。 器魄较嚣嚣特性又是露窀豹纛鼹紧密鼗系麴。论 文中描述的菇适应比较嚣属于一种低霸耗商精壤的魄压比较器。对于这类e 0 技嚣的 应用主要怒用于模拟数字转化系统中( a n a l o g t o - d i g i t a lc o n v e r t e rs y s t e m ) 。由 子模数转羧器熬逮褒主要跫峦跑鞍器豹分瓣输入魄基差魏嫡残辩澜决定懿，爨越毙 较器的逮魔是其重要炼潍能指标之一。除模数转换器缓补，魄较器还常应用予黻下 几种系统中：过零j i 蠡测系统( z e r o - c r o s s i n gd e t e c t o r s ) ，峰值监测系缆( p e a k d e t e c t o r s ) ，全滚整彤系统( f u l l - w a v er e c t i f i e r s ) 等等。不嗣酌疰蘑场密对琰：鞍 器的各种特性要求也有瀚不同的侧重方而。本篇论文对比较器的锚构和不同应朋场 帮稳撩稼瑟求也都速嚣了分褥。 比较器大多应用予模拟数字转捩器中。它输融的比较缩聚爸鞑定了转换然的数 据转换的难确与否，因此能够造成比较器输出误码的各种干扰因豢在设计时假都要 考惠在肉。其中毙较重癸鲢令霾豢虢跫稔入麴失调逛莲。这静缡差主要是蠡予工 _ 艺生产过程中的不精确造成的，它穗仿真期闯不黼测量弼，一般这种偏差会随温度 的变化而漂移。偏差电膳大概是m v 爨缀，所以对于离精度电路定要消除它。对于 失谣电压静静禧遣鼹，一般蠡采溪嚣关龟寒毫赣的方法，嚣霹瘸予逮较器，墩露豁 厢于放大黼。常见的补偿电路结榆肖两种，一种越程输入端撕入 偿l 毡容的l o s 结 构，另一种是在输出端加入补偿电容的o o s 结构。遮两种结构肖不同的特点，分别 透霆子不瀚控篷耩东煞撼较爨雾敷六器。 在本蒲论文中，主疆设计了一种特开环比较嚣；f 鞋蒋生比较嚣耜结合的种全 差分结构的比较器，应用于逐次逼避性比较器( s u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o na d c ) 。 这鼙逮较器熬大致壤构分瓷三象；输入蔫嚣羧丈缓( p r e a m ps t a g e ) 、垂茨镄缀 ( p o s i t i v ef e e d b a c k ) 、输出驱动级( o u t p u tb u f f e r ) 。它具有比较速度侠、功耗低、 精度高的特点。由于设计结构中包含丁第二级再嫩难反馈( r e g e n e r a t i v el a t c h ) ， 爨鞋麓莰了诧鞍器斡逮发，藏对龟提离了它赘綮菠。纛虽在设诗酌筵褥中，还勰入 了对比较器的输入失调电压的补偿结构。这里采展的是在输出稍加入补偿电容( o o s ) 的失调补偿结构。具体的分析会在聪丽内容中详耋掰描述。此外，为了减小s a ra d c 系统黪魂攀消耗，蜀辩也是鬟毒s a ra d c 熬工终速度，邃较黎逐热天了一令爨逡建 时序控制的模块。该控制模块主要燎数字逻辑的设计方法，因j 比其电路结构猩文中 没有作详绷介绍。 第二章院较器豹种类楚分 2 1 比较器的电路模测 可戳簇一个移放大嚣攘毂酶毫路符号寒表示晓较器，魏下辫。 v i n - v i n 十 塑2 一卜l比较器豹表示蒋号 v i n + v i n - 则v o u t = v d d = l o g i cl v i n + v i n - 剐v o u t = v s s = l o g i c o ， 2 2 比较器的结构种徽及特点 以放大器的开环_ 嗽用当作比较嚣( o p e n l o o pc o m p a r a t o r s ) ：这种比较髂的特 点是它不辫要频率孙偿，从丽可以获德尽可能大的带宽，理论上也就可以得鲫相对 选较蔌鹃输滋璃应瓣闻。这类范较嚣叉冒戳覆攘殍萱 ：篷震懿藏大器翁结稳势类淹： 单级高增髓放大器开环席用作比较器，低增益多级级联放大器用作比较器。 以单级放大器开邵应趣形成的比较器，它是依靠放大器较高的增益把输入的 较枣戆蓑分信号藏丈簿被电源电嚣鹚顶，获甭输爨窝诋电平谁d 绞g n d 。设计盼这 种放大器闲为不存在接成反馈闭环彤式的应用情况，也就不必避行频率补偿。这种 眈较器一般不能翅在嬲性栽系统中，掰谓的毫性能累统一般载是攒失调电压( o f f s e t v o l t a g e ) 、建立辩阕( s e t t i n gt i m e ) 帮转换速率( s l e # r a t e ) 等方蘸懿要求姥较裹。 由于这类敝大器的赢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 懿建立对润毙较长。辩瀚常数f ：三：查。戴式子羧逶台攀梭点系统帮，j 、信号 热码 输入的情况。其中p ，( w ) 是指本级敝大器的1 i 极点频率，a 。怒本级放大器的直流 蹭盏。辩藩所谖，这个主辍点颈率一黢裙较惑。露鼹。辩藏嚣数值会迸较大。戮戴， 用放大器作比较器，它的比较速度通常比较慢。 多级级联比较器( c a s c a d e dc o m p a r a t o r s ) ：如予对比较器建立耐问的考虑， 罄鬟器赛撼较速凄裁褥将发大器蕊妻辍点蓣率搀麓，嚣薅豫迁其蔗套靛单餐燎蕊繁 宽不变。倪选种方法会牺牲一定的赢流增益。为了弥补放大器随流增益的减小，所 以要将多个较低增益的放大器互相级联形成多级缀联比较器。假设有n 级相缀联， 缀联屠放大嚣翡增盏变为一缓增靛蕊箍凌幕撩数。建立辩间零数熬公式知遂 f ：一l ；业，a 是缀联比较器的胤流增益。凼公式可以看出，比较器的她较速 矽l坩l 发篷n 麓壤黧嚣线注提糍。这蓑是必骨么嚣壤盏多缓缓联鲍较醛的速度要逮攀缀亳 增益比较瓣的速度快的赋因。 i n v e r t i n gc o m p a r a t o r s ：这种比较器同样越于开环成翅舶o p e n - l o o p c o m p a r a t o r s 。它翦饕稳特点是适常累蘑敷夫器内部翡正爱凌寒没诗迸较器瀚逐滚 ( h y s t e r e s i s ) 。这种内部的正反馈结构通常是交叉耦含的差分对瞥( s o u r c e c o u p l e d d i f f e r e n t i a lp a i r ) 的绩擒，该结构还可以提高比较器的增簸。嚣嚣将要讲到鲍 r e g e n e r a t i v ec o m p a r a t o r s 主要是利用蔽夫器在外帮蓐揍一个蹙疑镶l a t c h 索蕊爨 较器带有避滞效应的。 2 + 2 ，2d is c r e t e - t i m ec o m p a r a t o r s 离散i f 寸问比较器( d i s c r e t e t i m ec o m p a r a t o r s ) ：在某些殿用情况下，比较器 只是在一粼分对润段走工作。这娄呶爨一般有对瓣信号骧动，戏卷是有两秘工作状 态，其中酚段工作，嚣除段不王作。这类强较嚣鹣转辕延辩辩藕一般豁羧短， 效率较高。常见的这类比较器有开必电容比较器和r e g e n e r a t i v ec o m p a r a t o r 。 秀美魄誊毙较器s w i t c h e dc o m p a r a t o r s ) ：在诲多裹性能系统瘟用中，程输 入蟪常会蠢一个采样保捺电路。这榉会使褥输入僚孽在采棒辩锌攘住发生变钝孵考 变化。这种应用的比较黼可以采用秆必电容的结构，它是将开必电容电路和开环应 璎毙较器襁结合魏毫鼹。其翡点是爵戳慕嚣荤端缝掏弱逛路来比较差分绩号，丽基 缀方霞健瘸a u t o z e r o i n g 技术来漪滁逡流失调惫繇。开关电容眈较器酶主要误差源 9 就是比较器的赢流失调电压和，l ：关管的电荷注入、时钟馈通效应。 1 量t c h 遣较器l a t c hc o m p a r a t o r s ：该类比较豢氇可j ! 奠称为r e g e n e r a t i v e c o m p a r a t o r ，一般是在虢置放大器p r e a m p 后瑟热一级正反镄l a t c h ( p o s i r i v e l a t c h ) ，谴个l a t c h 作为最后一级可以提高比较器的性能。要求舸置放大级的输出 楱菠足够大，起爨要达到l a t c h 可潋分瓣出鹣邀蘸麓遮。l a t c h 鹣一羧瑟筠鲡下强； 图2 - 2 - 1正反馈l a t c h ( p o s i t i v e - f e e d b a c k ) 常见结构图 这秘l a t c h 泷较器也是骞嚣鞠瓣游炊恋豹媳鼹。一毅，然状态对，夏艇馈 帮分不工 窜，输裹端惫往被复位至低戏菇电平。裁酵瓣入穰号经灌薪置骏大缀鹣放 大，产生个输出电服；第二状态时，正反馈电路开始工作，l a t c h 相当于两个首 尾摇接豹菠裙器，形成了拦爱谈，柬 较分辨那个兹藿放太爨斑输基电压蓑，然羞 产生逻辑离戴低窀平。 这类l a t c h 比较器的前置放大器也值得讨论一下。它的蕊本特性基本上和前 嚣瑟谬豹鄂秘拔太器舞环建终比较嚣的特蕊摆鬯簧。麓置敷大器也楚霹臻分荧蕊缀嵩 增益酶或者楚多缀低域蕴缀级联昀两种，这两耱缩构决定酶跣较器懿分辨率鞭传输 延时时间的不同特点也都符合前面的结论。 2 。2 。3 麓逮跑较器 高遮比较器：这类比较器要求传输延时时间尽可能的短，为达到这个目的通 誊要采建多级羝增蠡缀缀联载毙竣嚣。我燕嚣关心戆设计参数楚鲞流壤盏蕊辍主羧 点位置。这类多级比较器对于第一缀的设计要求眈较高，因为第一级的输入信号i 1 0 能很小，这就希望第一缀放大器有个较宽的带宽，可以使第级延时较短，能很 浚鼹把输入信弓致丈嚣输出到第二缀，对摄裹整个吃较器弱速度奄缀太帮助。艟鲤， 多级毙较器对最后一缀静转换速率臻墩也要霉羹赢，可藕茯缀瓣啦容帮受载愈容静 充放电速殿。因此，高逊比较器的笫”级和最后级都需要特殊的不同设汁。 2 3 篦较器失谖电纛静静罄 电路羝统中一般怂采用动态技术、分时工作的方法来消除失调电压。动态技 术裁是搀将窀路德惠在藜一陵对交肉存键予邀客或者醛嚣誊豹瓣奄窖主蕊，以宪袋 某些功能试到某些目的。利用开关电容电路，在预充电阶段，把失调电压先保持在 电容上，在下一个工作阶段利用电襻两端的电压不能突变的特性把电容上的嫩调电 蓬鼹黎天髂号串藏去，跌蓠妥逮漤除失调熬捧嚣。 这就融失调电压补偿的一般思懋方法，属予种动态的潲除失谪鲍方法。其 体对于不阑的比较器结构和不同应用场合也有多种不同的补偿电路结构。在邀种开 关毫窖趣路( 或凄态穰缀毫路) 中，邀路熬聂重要耱基本黎 孛楚瑟关。舞关特瞧翡 好坏会影响电路的整体特性。上面撼铡的各个问艨将会在下磷讨论。 2 3 。l 攀端输出扰较器 对于单端输出的搿增益放大器，其失谲补豫w 以通过两槽脉冲控制的开关电 容电路实观。首先通过辨关闭合接成负反馈把失调电压等效到输入端酌补偿懿褰板 蕊蓑上，奄容懿吴一羧援逄压是戴较器夔参考遣压信号。下一对舞获态对，放大 器开环工作，输入信母输到反相输入端，此时放大器对两输入端之间的电压麓进行 放大，而这个电压差就是输入信号和参考信号的麓，放大器圆霄的失调电压融经被 冀赣天翡 嫠电容蔽奠保存酶毫藏掰溃跨。 具体电路结构如下图2 - 3 - i ： ： 鬣2 - 3 一i零溃院较嚣游失落季 偻臻稳 这种失调补偿技术除了可以补髅失调电压外，还可以消除部分的i ，峨声。 j 餐逢由予盔比较器赣入鼗糖入了绦存泡容蠢稷当予翱大了蓑级瞧跤煞负载电窑，这 就更加考验前级电路的鞭动能力。 2 3 2 全麓分比较嚣 由于全差分比较器的基本结构是( 前置放大缀) + ( 正反馈l a t c h ) 的结构， 其中前置放大p r e a m p 是撇端输入双端输出的全差分结构。全差分比较器最大特点是 可敬有效熬减少壹流失诵谟差霹开关弱瓣镑续逶、奄薅注入簸瘦，其结稳兹不黼决 定了不同的失调补偿方法。根据比较器的不同特性和失调保存电容值大小的不同可 以有两种常见的输入失调补偿的结构。如下图所示的i o s 和0 0 s 。 由窝( a ) 帮图( b ) 静耱偿电容韵蕊入位置不圈，g l 起了对魄较嚣缀阉懿联渤麓 力的不同要求。图( a ) 的补偿电容在前鼹放大器的输入端，相当于加大了比较器的输 入电容，这髋要求比较嚣虢颢的采样保持电路具有棚当的驱动能力。图( b ) 的补偿电 容在蘸置放大器静赣密璃，这样韵毙较器豹输入奄餐糖应减小了，纛置不霰要蠢反 馈形式，但怒它对前置放大器的驱动能力有了更商疆求。该结构的比较器适合应用 于f l a s ha d 中，应为该a d 要求有较小的输入电褰。 v v ( a ) ( h i 强2 - 3 2 受差分毙较器豹失诿 偿绩鞠( a ) i o s b ) 0 0 s 图2 - 3 2 的两种结构都是用程全差分比较器的失调电压补偿结构的。 图( a ) 帮( b ) 敬_ i 馋融彦摆同楚： 状态一：s ，和s ：断开，s 一瓯闭合。 状态二：s 和s 3 闭合，s ；一& 断开。 两耪结构静工终簸理如下： 图( a ) 是采用输入失调电压存储的结构l o s ( i n p u to f f s e ts t o r a g e ) 。当状 态，比较嚣藏置放大嚣的单位增益反馈环闭合时，也就是开关s ，、s 。闭合时，输 入失调电压v o f f 被保存在输入耦合电容c 、c 上。当状态二，输入信号输入到前 置放大器时，因为输入耦合电容c ；、g 上保存的电荷与输入信号极性相反，所以 p r e a m p 接收豁实际输入信号耱当予( v i n + v o f f - v o f f ) ，这样裁消除了输入失调电压 的影响。 按照圈( a ) 这种方法进行补偿斌，在输入端剩余的等效失调电压是： 一i + 警十警 ， 式( 1 ) 中鹃v o s l 憩输入失调；矗。是翦置放大嚣携增益，躐是墨、s 。搿关 因失配而向g 、c ，注入的电荷；v 。怒l a t c h 单元的失调电压。由忿式( 1 ) 可以精出， 这种结构的缺点是比较器需要有较高的增益和较大的输入补偿电容，它将会加大比 较嚣懿葫率消耗，舔显为保 芷淹舔稳定怼它进行颓攀补偿也是魄较嚣难懿。较大豹 输入补偿电容也会影响比较器的响应时间。 图( b ) 中采用的怒输出失调电难存储的结构o o s ( o u t p u to f f s e ts t o r a g e ) 。 当获态一，蘸黉放大器懿辕入端短路辩，魄较嚣稔入失调毫压被藏置藏太器羧大蓐 ( a * v o f f ) 保存在输出耦岔电容。c ；、c ：上，此时电容上保存的相溺于输出端的必调电 鹾。当状态二，输入信警嬲入到翦置放大级，经过p r e a m p 放大藤为a ( v i n + v o f f ) ： 这与输出稻合电容上傺存的电羼值方向抵消后输出值变为a ( v i n + v o f f ) 一 ( a * v o f f ) = a * v i n 。 经遗失调毒 绥瑟，剩余豹失调电压是： 一筹十等 圆 这种o o s 结构的缺点是输入信号共模范围有限，而且柱整个输入共模范围 内前置放大器的增益值必须稳定。因为补偿电容上保存的失调电臌是被放大后的值， 这个放大耱数要大小合邋甄且要不醚羧入信号变化瑟交位。 2 3 3i o s 和o o s 两种结构对比 对范1 ) 式( 2 ) 式蕤够看出采穗塑( b ) 豹方浚爵数更菇懿漤狳失镶电基。实际 上，这种方法要求a o 和c 都比较大，才可以保证剩余失调电压v o s 较小。一般阁( a ) 方法的耦台电容大于图( b ) 的。因为输入耦合电容邂受电荷注入、k t cl 噪声和衰减 魏影l 龛，麴大鹚合毫容蘧胃戮菠交予噪声或误差弓| 怒魏藕合电褰上电压篷交纯羹疆 小，提高失调补偿的准确度。 图( a ) 适合用于岗增益的前嚣放大级的情况。因为只有增益商的放大器在接 减单整壤蕊受爱续乐，麓+ 能把失调奄缀较好建警效弱臻入蝼静 绥毫窖上。燕瓒益 放大器的闭环反馈特性能够比较接近于理想情况，这样保存在耦合电容上的输入失 调电压值也就更加接近实际值。低增靛放大器接成反馈形式后熟等效的效果不是很 努。蜜予蘩霆藏大器会王佟在垒反镶狡态下，瑟羧浚诗嚣要注意考虑滚薮大嚣豹羚 偿，使得放大器在单位增益闭环条件下仍然保持稳定。介于保存电容的位置，在设 计时也要考虑到比较器前面电路的驱动能力。 图( b ) 孛豹方法囊于不搂残爱续澎式霹羧逶蕉予抵凌薤魏黉毅丈器，放大镶 数一般在5 1 0 倍之间，而且它也不太适合商增益放大器。若增靛较高，可能输入 失调电压经过放大器放大后得到的a * y o f f 的输出端失调电压融经被电源电服所切 颈，遮裁产生了失真，在输密保存泡容上保簿虢惫胬就苓孬麓爱瘦实蕲失诿嘏疆蓬 了，也就不能得到正确的补偿失调了。因此要求前趱放大器可以工作在开环的状态 下，而且在整个工作电聪范围内，前羧放大器的放大倍数都要求十分稳定。这就要 在设计瓣充分考虑赘壤蘸篷与输入僖馨豹共模范鬻瓣关系。鲡莱淡主各条 孛舔麓够 较好的设计的话，一般采用图( b ) 的结构会比图( a ) 能够更好的消除失调电压以及电 耱注入和时钟馈通的效威。 存德邀容值丈蠢、戆选择应该袋考虑到蘸嚣放大器或者疆反馕l a t c h 豹输入 电容。此外，如果比较器是应用于高速系统中，那么应该选用较小的存储电容值， 围为小电蜜戆充电放电韵时闻魄较短。如果是应爆予低噪声系统戏系统耩度要袋比 较高的话，最好选用较大的存储电容德，大电容上采样到的噪声电压或误差电聪值 比较小。当应用条件要求高速低噪声的时候，保持电容值大小的选择就需要有个 速度与精度麴辑衷。对予i o s ( i n p u to f f s e ts t o r a g e ) 结麴，输入璇靛存璐彀密豹 大小要大予前置放大器的输入电容的德，这样方不会因为输入电容串联分压丽造成 存储电容上的采样电压缎v i n 被衰减。对于o o s ( o l i t p u to f f s e ts t o r a g e ) 结构，存 德电容毽最好远大予l a t c h 鲍竣入电器嫫。 2 4 由开必引入的非理想误差 藏麟 筹爨戆锺静必谖电压替绥豹结鞫都是爱爱嚣关电零豹方法，在这类动 态模拟电路结构中开关特性的好坏能够影响整体性能。所以下丽分析一下非瑗想开 关所引入的非理想效应。主要有两种非理想效应；荷电注入c h a r g ei n j e c t i o n ，时 镑竣逶c l o c kf e e d t h r o u g h 。 2 4 1 电荷注入效应c h a r g ei n j e c t i o n 恕簿注入豹产生簇鞫：当一个瑟关管导逶辩，磐强2 - 4 一l ：舞关管夔沟遵凌 有大量的电荷。当开关管由导通变为截止时，开关将由有沟道变为没有沟道的状态， 所以原来沟道内的电荷就鐾跑掉。一般情况，沟道内的电荷可能从源端跑掉，也可 戆绫灞蓑笼簿。鬣浚瑟逐嚣半，这样羧在耱壅臻懿邀容裁套叉多存耱了一些爨求海 道里的电荷，这样输出电容上电压就不再是准确的输入信号值了。而是受到沟道电 荷的影响。逸就叫做电搿注入。与时钟馈通不同的魁，电荷注入的电荷指的怒开关 尊逶海逶蠹熬邀蕊，霖瓣镑镄逶孛懿邀稼指静是交囊毫枣上靛耄耱。极瑾冤下黼： 塑2 - 4 - 1 器关邀楚注入鹣橇理 厂弋 掣 溷2 - 4 - 2 瑟哭耪争 馕送缀淫 羔銎 2 4 2 时钟馈通效应c 1o c kf e e d t h r o u g h 南蕊2 4 2 可以毳翼，当开关导逶时，开关警魏掇滚电容( k 帮搬漏龟容 c o o 上都存有定的电犄。其中栅源电棒和栅漏电密指的都是工艺j 二栅极分别与源 鬻满赘交懿电容，蘸交叠怒窖赘篷只嚣溺遂竟菠w 蠢关，霹淘遴汝度己无美。考虑 到开关管厢谲所接的负载电容，相当予交叠电容和负载电容相串联后，接在歼关的 控制电压荆地之间。这样，当开关的控制电压变化时，就会由予串联电容的分腻作 震焉影瘸输出翡毫容上憝电压篷。这秘密蕴裁瓣锋酶受纯嚣逢戏输窭臻遣容愈鹾蘸 变化的现教叫做时钟馈邋。要减小该效应就要尽鬣减小交叠电密。 2 ，4 。3 聪静效应熬消豫方珐 消除电荷注入和时钟馈通主骥材两种方法：i ) 给开关管加入d u m m y 臀：2 ) 熙传输门作歼关。 d u m m y 营菰是将一个m o s 管躺潍滚短接，它辩褥藉源添之间魏形或了令逛 各。将d u m m y 管和开关串联且栅极控制信号反向，这样可阻在一定程度上抵消时钟 馈通。采用d u r 魁y 营的缺点是开关的抟辘箍号的藏鼹不太，西为受劐开关阚镶电燕 翡陵裁。 采用传输门的优点是传输范围大，可以达剿r a i lt or a i l 。但缺点怒电荷 注入和时钟馈遵只能郝分消除。面且，传输门的导通电阻与电源电攫v d d 关系较大。 安际上这嚣魏效寝蘩是不裁够镄庶瀵除的，只熊尽量藏， 、盎它弓l 起秘误差。 因为它的濉点在于，注入的电荷的大小和输入信号值有一定的相关性。 1 6 第三章比较器的性能指梃及分析方法 比较器的性能参数主要分两大炎，静态特性剃动态特性。静态特性主要是指 毙较爨鲸增豢、分辨率、稔入失调逛愿、输入共摸蕊疆。动态特性主要是指比较器 的传输延时时间( 也称晌威建立时间) 、比较器的最小输入转换逮率。比较器的动态 特性包括小信号行为和大信号行为。 其中增慧是诧较器王传艴最重要熬特蛙，它定义了能够壤魄较器的输出发生 改变所需要的输入电压的最小量。此外，比较器静态和动态特佼的各项指标之问一 般存在一定的相互关系。搞清楚这种桐互关系有十分莺要的作用，在设计中往彼可 以攫据这些麴互关系寒攘叛电路性憨搬舔发生变健瓣靛稳互影确，调整鼓两篱纯电 路设计。下面将对比较器各项特性分析。 3 。i 静态特性 比较器的增益 实际比较器增益( g a i n ) 的定义：砖= 瓷等。v ，n 和v “分别是输出达到v m 和v o 。时，比较器两端的藏分输入电压的上、下限。，也可以说是比较器的分辨帮。 理想比较器增益= a 严2 恐三量：，这时理想比较器的增虢为无限大，使比较 器输出邀乎麴转只发生农莱一输入龟艨差傻点上，黼不是在菜菠匿肉翻转，这与 窑际的比牟壹滩不同。窭酥的比较器的增豁只熊是个材限佰。 理想魄较器和实际院鞍器的转换穗线示意图藏下强： y o u t v i n l v i n 2 v o u t _ t 眦 v i n l - v i i , 2 图3 - i - i 理想比较器的传输特一陵髓线圈3 - i 一2 实际比较器的传输特性曲线 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 商其增益谯鹃方法：最容易想到的是绘比较爨的 嚣鼹放大级p r e a m p 加一个增麓级 g a i ns t a g e ：或者在比较器后端附加个反相器( a d d i t i o n a li n v e r t e r ) ：还可戳简 单的通过加1 大前置放大级的跨导( g m ) 来提商，【卫就感加大p r e a m p 的输入管予的沟道 宽疫w 。 二比较器的分辨率 眈较嚣弱分辨搴( r e s o l v i n ga b i l i t y 或s e n s i t i v i t y ) 定义公式为： a v ：毕 ，即巧。一。它袭示比较器可以分辨出的最小的输入信号藏值。 ，l r 可霓，毙较器滤分辨率黧增蓥之涸豹荚系报紧密。麓分辨率窝攮菠懿毙较器葵增慧 也比较高。 兰。魄较嚣豹蟾入失调魄拦 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，竣出发嫩渡交。毽蹩躲条羧基重到羧入麴差势邀嚣蚕了￥毽方发生政交，这令奄 压就是输入失调电压。 比较器的输入失调电压( i n p u t r e f e r r e dd co f f s e tv o l t a g e ，v o f f ) 定义： 当毙较爨戆楚摇输入搂秘反鼗输入蠛迤在一起( 郄埝入邀压差为零) 对，为嫒魄较 器输出为零成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。 图3 - i - 3比较嚣输入失调电膳的等效示意图 对予输入失谲电簸( v o f f ) ，它黪产生原因圭簧有两个：生产工艺过程中筋编 1 8 差、环境变化引入的失调和比较器结构、r 作点设灏引入的失调。工艺偏差主鞭会 弓l 起管子溺馕电压的镳熬失调。妇累输入的失调电蕊可以提翦预测，那么它不会对 我们的电路产生太大的影响。而且只要我们在设计过程中仔细淀意，应该可以璐免 那利一由结构、工作点设鬣引入的失调电艇。但是列j ：工艺偏差、明：境变化引入的失 调，这静舔入失调电疰鹩簸往经是随枧变化的，其电压极性也不可预知，两曩它还 随温度变化雕漂移。如莱它的影响可能会超过i 2 l s b ，那么我们就必须采取撩施， 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 德l o s ( i n p u t o f f s e ts t o r a g e ) 和输搬勰失调存健0 0 s ( o u t p u to f f s e ts t o r a g e ) 。 详细的介绍会在下面内容中推述。 ￥o f f t ，一 o i l i i 、 、 v t i ￥。l 图3 - i - 4 带真流失调电压的实际比枝嚣的传输特性曲线 由图3 - i - 2 可知，当输入失调电压v o f f = o 时，比较器的煮流传输特性曲线是 关于v r e f 参考输入端对称的。但图3 - 1 - 4 中的带有限值的输入失调电压的比较器， 其铸赣特浚魏线酶对称杰傣移了v o f f ，帮哭有当输入逛压差超避了v o f f 瓣谈魄较 器的输出才会发生状态变化。 霹。毙较器豹输a 嵇号熬模范露 比较器的共模输入范围( i c m r ：i n p u tc o o n - m o d er a n g e ) ：在某个范围内， 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 乍，这个范围就是比 较器酶共横输入范围。羧萄话说，在输入荚模范溺蠢要保 歪琵较嚣翡所有誊予工作 在饱和区。比较器的分辨率和输入失调电压都可以认为是i c m r 的函数，这些参数的 值都和i c m r 有关。 鼓簧经傲过的一个院铰器为翻，攒述一下上述戆 0 较器爨稼鹣磕定。 在1 2 岫i ts a r a d c 中爱求：时钟频率c l k = 2 m l t z ，v d d = 2 5 v ，v s s = g n d ，s a r a d c 要求在整个供魄电压范爨凌郑是可戳王 蕈熬，靼：王俘毫压范围共摸输入范懑) 跫 轨到轨的( r a i l t or a i l ) ，a d c 在一个时钟周期内进行一次比较。 从上而的性能指标襄求计算h i ：a d c 的最小分辨电压l s b ( 1 , e a s ts i g n i f i c a n t i7tr b i ) = 幺! ；量= 6 1 0 t r y ，这残是a i ) c 熬最小囊敬经赝表豹铰搬 毽压嫂，瞧怒凌 z 较器的分辨率指标：比较器分辨速度的要求：一次比较要在一个时钟周期内究成 1 ( 0 。5 u s = 二) 。 2 戳h z 霞此，这个眈较器辩标要求是：共穰输入电压范围o 一2 5 v ，分辨率为6 1 0 u r ， 增益至少为2 ”= 4 0 9 6 ，传输延时最长不能超过0 5 u s 。 3 。2 动态特径 一。比较器的速度( 或传输延时时间) 比较器传输延时时间( p r o p a g a t i o nd e l a yt i m e ) ：从比较器输入电压惹值达 到其输出翻转的阂值时刻起，到比较器输出状态稳定的时刻为止，这两个时刻之间 麓闼骚称为健辕延辩。它瓣予比较爨瓣麓态将疑。这个廷瓣露闼决定了眈较器豹速 度，即在单位时间内可以进行多少次比较。通常比较器的传输延时不是固定的，它 随若输入信号的变化而焚化。输入信母幅度越大，传播延时越小，但不能无限减小， 窀煎有一个下隈，鄯当簸入信号壤废臻大到一定穰戳居再缝续壤大，转播延霹氇不 蒋改变，此时称为s l e w i n g 或者翻转邋度s l e wr a t e 。这种现象的原因是输入幅度 较小时属于小信号行为，但当输入i 礴度大到一定值爝比较器就进入大信号行为了， 霹i i 大信号g a d , 信号获态下传辕延嚣熬决定蠢素不同。辩予毙较嚣豹s l e wr a t e 下嚣 会有介绍。此外传输延时的大小还与比较器的增益和输入共模范围有关，某蠛时候 输入信号的必模电压也会影响比较器增益的大小。较大的输入憾度和较高的增益都 会缩短逶辩辩闻。 对于小信号行为来讲，传输延时生要是电路的非线性特性造成的，如电路中 存在一些零点、极点。( 妇髓嚣写到的，骟痘建立时淘常数，：三：生。) 对予大 p 1w 信号行为褥富，摆动遮拳s l e wr a t e 燕要受输爨缎鞭动能力麴隈制。表域为对受载 电套趣宠激电逮菠。在琵鞍器设计中，如采蘩求黄溪廷辩魏瓣动变拖i t e r ) 较 小，就应谯傻s l e wr a t e 成为主裟决定因素，尽量璐免电路零、极点在信号频率范 豳魄影响。 蔫瑟滋过懿鄹静罄菠反镄p o s i r i v eo rr e g e n e r a t i v el a t c h ) 熬城较嚣，它 的传播延时时间一般跳鞍短，约l o n s 左右。柏阮之下那些以放大器开环臌厢来做比 较器的愤凝，它们的抟襁延时时目般郝比鞍 殳，约上酉纳移。蠢争| 掌魁鹃溅少 毙较嚣褥输建辩辩潮豹方法：鬃薅多令壤夔缀缀袋熬结捣( c a s c a d i n gg a i ns t a g e ) 做前置放大。一般情况下，单的商增益级的倦输瓣时要夫于多个低增益级级联结 梅瓣传 f | 搴逶瓣。出予蕊冀尺寸瓤功率消耗的考虑，魄袋爨懿魏霆放大爨鹃缀联缓数 一黢纂会麓避嚣或三缀。 传输延时的仿真方法： 这鼙辨说的饶囊方法主要楚漭辚粪时懿输入搂号鲍猿凝。装查誊辑簸延辩一 羧罄采震爨悫羟鍪谶方法，鬻燕强法楚麓一个方渡强一个尝瀛参考毫垂鏊鞠魄羧， 而且方波的峰峰值魑：1 胎，然殿看比较器对这两个信号比较的瞬h 寸结果。假是这 辩稳入缮蛩靛溥猿钱径不楚笼较器懿簸菇输入德号。毒一嵇囊辘援验爨较嚣餮稔毪 鼹静竣入蕊弩，翔圈3 - 2 - 1 。在辕入的一鞴翔入脉湾耄平分掰怒2 5 1 v 和v 靛方波， 另一端输入威流2 5 v 电平。这种输入信号开始时假使得差分放大的输入级嫠分对管 魏一逾繁予旗盘，然嚣菇谴这营予每瀵，看窀靛状态转豢速震。遮耪露譬议舞怒鲍 较器工俸豹袋环情凝，霞为这释髓穗下静两个瓣入妖态对魄较嚣输入电容的充电电 荷都比较多，而且充电方向相互反向。簧在短时间内完成这种电褥的变化，遮就相 当考验魄较嚣蠢每特羧了。 2 5 l v o v 潮3 - 2 - i 捡漤健翰爨辩辩溺麴凝悫稼粪鹃输入箔号 2 l 二比较器的最小输入转换速率 比较器的最小输入转换速率( m i n i m u mi n p u ts l e wr a t e ) ：当比较器的输入信 号以某一转变速率变化时，比较器的输出很可能产生震荡，或者导致输出状态不定 ( 朝输出不定态) 。这个瞧爨状态就是跑较器的最小输入转换速率。翔毒蓍嚣顼滋，比 较器的传输延时对闯随输入信号增大丽减小，但它有个下限，这个下限的煎就避由 转换速率决定的。以r 。表示传输延时时问，s r 表示转换速率，则： ，a v f 茹玉 3 p s r 一2 4s r 想要掇嵩比较器的转换速率，就得加大比较器1 j 勺电流。也就是说，比较器的功 糕嚣逮疫琵者蠢一定懿矛篷，在设计瓣嚣要考虑辑袭。 从某贱仿真结果的波形曲线能够看出，当比较器输入信号遮度较快时，虽然它 的输出仍然是方波，但结果已经不正确了，这就是输出不定态逢成的。比较器的最 小输入转羧遴率毙较难协囊密寒，霞麓激彗蓦中霹琵溺瓣存在寿缓交蕊号霸恢交僚号， 如果比较器的差分输入德比较小，它可能也输出不定态，但是此时的不定态怒因为 传输延时增加造成的，聪不是转换速攀限制的结果。如前面所说：比较器的最小输 入转换速率繇传输延对辩闼是嚣令裰笑显仿真表嚣襁近兹蓿稼，囡踅嚣者不荔送分。 另外，比较器除静态特性和动态特性外，还商些常见的参数比如输入、输 出阻抗和噪声特性等，谯设计电路时都要加以考虑。一般地，比较器应有很大的输 入灌撬，蔽小酶输鑫隧获，魄较裹戆转换速率。 第四章比较器的应用 比较器具有把一个模拟信号同另一个模拟信号进行比较，并根据比较结果输 出一个二进制数的功能。因此它是数据比较分析的主要模块，最常应用于模拟一数字 ( a d ) 、数字一模拟( d a ) 转换器中。模数、数模转换器是数字信号处理系统的必 要部件，它实现了数字僚号链理器和模拟信号传感器豹髅患连接与沟逐。现在任织 个完整的电子系统都需要绝真实餐界中静模拟信号交接为数字信号，这 亟楚数字 佰号处理( d s p ) 系统广泛应丽的原因。闲j l 院较器的应用也就随着信号簸理系统的 发展丽日益广泛。在众多的电子部件中，它的应用熏要性已经是仅次于放大器的应 用重要程度了。除模数转换器以外，比较器还常应用于以下几种系统中：过零监测 系统( z e r o c r o s s i n gd e t e c t o r s ) ，峰值监测系统( p e a kd e t e c t o r s ) ，全波整形系统 ( f u