（微电子学与固体电子学专业论文）高速低功耗电压比较器结构设计.pdf

中文摘要 摘要：片上系统( s o c ) 的设计已经由数字型全面转向混合信号型，尤其在无线 语音和数字通信应用领域，需要将混合信号模块和基带处理器整合在一起，在单 芯片中包含数字基带、模拟基带、功耗管理、射频以及锁相环等部分。混合信号 s o c 一般整合了微处理器、存储器、复杂的模拟和混合信号处理、数字处理、通 信协议和应用程序等部分。模数转换器( a d c ) 作为s o c 硬件系统中模拟和数字 的接口就显得尤为重要，并且已经成为技术和市场共同关注的焦点。 集成电路的特征尺寸已达到超深亚微米阶段，特征电压也已经降到1 v 以下， 功耗问题伴随噪声和短沟道等效应突现出来，功耗和性能的权衡成为模拟设计的 难点。深亚微米下短沟道和噪声温度等效应使诸如高线性度、高速、低功耗数据 转换器( a d c ) 等混合信号电路设计难度加大。 比较器是模数转换器的重要组成部分，也是电子系统中应用较为广泛的电路 之一。比较器的性能，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。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。比较器的应用场合很多，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。 本文提出的高速低功耗电压比较器应用于一个m m1 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 es e m i c o n d u c t o r ) 工艺下的1 2 比特，1 m h z 采样速率 的逐次逼近式模数转换器中。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 。本文设计的比较器采用了预放大级结 构和动态l a t c h 锁存器结构，在传统高速比较器电路结构的基础上应用开关运算放 大器技术，提高了分辨率，降低了传输延时和功率消耗。仿真测量结果表明，在 2 0 m h z 时钟信号下，比较器的分辨率可达0 2 m v ，传输延迟小于2 5 n s ，功率消耗 约为o 8 5 m w 。整个逐次逼近式模数转换器，包含本文设计的比较器，已经成功流 玲。 关键词：逐次逼近式模数转换器；低功耗；动态比较器；开关运算放大器 分类号：t n 4 3 1 1 0 2 j 量塞銮逼太堂亟堂焦论塞堡墨i 基! a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h ed e s i g nm e t h o d o l o g yf o rs y s t e m - o n - c h i ph a sb e e ns h i f t e df r o md i g i t a l o r i e n t a t i o nt om i x e d - s i g n a lt y p e i ti sn e c e s s a r yt oi n t e g r a t e dm i x e d - s i g n a lm o d u l ea n d b a s e b a n dp r o c e s s o ri nas i n g l ec h i pe s p e c i a l l yi nt h ef i e l do fw i r e l e s sv o i c ea n dd i g i t a l c o m m u n i c a t i o n c h i p so ft h i st y p eu s u a l l yi n c l u d ep a r t so fd i g i t a la n da n a l o gb a s e - b a n d ， p o w e rm a n a g e m e n t ，r a d i of r e q u e n c y ( r f ) a n dp h a s el o o pl o c k ( p l l ) m i c r o p r o c e s s o r , m e m o r i z e r , c o m p l i c a t e da n a l o ga n dm i x e d s i g n a lp r o c e s s o r ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , c o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n da p p l i c a t i o na r ea l li n t e g r a t e di nm i x e d - s i s a ls o c a n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e r ( a d c ) i so n e o ft h em o s ti m p o r t a n tb u i l d i n gb l o c k si ns o c a st h ei n t e r f a c eo fa n a l o ga n dd i g i t a ls i g n a l a l s oi th a sa l r e a d yb e e nt h ef o c u so ft h e t e c h n i q u ea n d m a r k e t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e dc i r c u i tt e c h n o l o g y , t y p i c a ld i e ss i z eh a sr e a c h e d d e e ps u b - m i c r o m e t e ba n dt y p i c a lv o l t a g eh a sa l r e a d yl o w e rt h a niv t h eb a l a n c e b e t w e e np o w e rd i s s i p a t i o na n dc i r c u i tp e r f o r m a n c ei sas e r i o u sp r o b l e mw i t ht h ee f f e c t o fn o i s ea n ds h o r tc h a n n e le f f e c t i ti se v e nh a r d e rf o rt h ed e s i g no fh i g h - l i n e a r i t y , h i g h - s p e e da n dl o w - p o w e ra d c w i t ht h ee f f e c to fn o i s ea n ds h o r tc h a n n e le f f e c t c o m p a r a t o ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tu n i t si na d c s a n dw i d e l yu s e di ne l e c t r o n i c s y s t e m s t h ep e r f o r m a n c e so fc o m p a r a t o r s ，s u c ha ss p e e d ，p o w e rc o n s u m p t i o n ，n o i s e ， a n do f f s e t ，s t r o n g l yi n f l u e n c et h es p e e d ，p r e c i s i o na n dp o w e rc o n s u m p t i o no fa d c s t h ed e s i g no fac o m p a r a t o ri sb a s e do no p e n - l o o pa n dh i 班- g a i na m p l i f i e r c o m p a r a t o r i sak i n do fn o n l i n e a ra n a l o gc i r c u i t s ，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 s i n p u ta n do u t p u t v o l t a g ed e t e c t o r s ，v o l t a g e l 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 y t 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 ka n dd e l a yl i n e d 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 oc 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 la p p l i c a t i o n s ， s u c ha sp 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 ，s c a n n e r , s e t t o p b o xa n dh i g h - s p e e d d i f f e r e n t i a ll i n er e c e i v e r s t h eh i 曲一s p e e da n dl o w - p o w e rv o l t a g ee o m p a r a t o ri sd e s i g n e df o r1m h z12 一b i ts a r a d cu n d e ri b m18 0 n t od p 6 mc m o st e c h n o l o g y t h ea d ch a sh i g hs p e e d ，h i g h 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 t h es u p p l yv o l t a g ei s1 8 va n dc o m m o ni n p u t v o l t a g ei s0 9 v t h ep r o p o s e dc o m p a r a t o ri sc o n s i s t e do fap r e a m p l i f i e ra n dad y n a m i c l a t c h ，u s i n gs w i t c h e do p e r a t i o n a la m p l i f i e rt e c h n i q u e ，i n c r e a s i n g t h er e s o l u t i o n ， d e c r e a s i n gt h ed e l a yt i m ea n dp o w e rc o n s u m p t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a t t h er e s o l u t i o no ft h ec o m p a r a t o ri so 2 m y , t r a n s m i s s i o nd e l a yi sl e s st h a n2 5 n sa n d p o w e rd i s s i p a t i o ni sa b o u to 8 5 m wu n d e rt h e2 0 m h zc l o c k t h ea d ci n c l u d i n gt h e c o m p a r a t o rp a r th a sb e e nt a p e d o u t k e y w o r d s ：s a ra 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 ；s w i t e h e do p e r a t i o n a l a m p l i f i e r c l a s s n o ：t n 4 3 1 1 0 2 v 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： 侉，括 导师签名 签字日期：妒矿年6 月日签字日期：嘭，才年占月，p 日 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：似矿修 签字日期：豇巾矿年厂月，口日 5 6 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，李哲英教授严 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。在此衷心感谢两年来 李哲英老师对我的关心和指导。 骆丽教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，蒋昊、郝乐、徐音、李宁等同学对我论文中 的芯片实现等研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 序 本文的主题是高速低功耗电压比较器结构设计。该比较器电路的设计是基于 低功耗的1 2 比特1 m s s 逐次逼近式模数转换器应用背景的，是整个系统的核心设 计。该比较器，协同整个逐次逼近式模数转换器一起，属于北京市教委科技资助 项目c m o s 混合信号集成电路设计的一部分。整个项目还包括8 - b i tc p ui p 硬 核设计和1 0 0 m h z 低噪声锁相环频率合成器，该项目由混合项目组协同完成。 目前，该项目已经采用i b m 的1 8 0 r i m c m o sd p 6 m 工艺，通过m p w 的形式 成功流片。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。 同时该项目得到北京联合大学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。 本文旨在高速低功耗的研究，在理论研究的基础上提出一种新型的高速低功 耗电压比较器结构，该结构在传统高速比较器的基础上，采用开关运算放大器技 术，在保证高速的前提下，提高了分辨率，实现了功耗的进一步降低。 本文分为5 章。第1 章为引言，介绍研究的背景和意义，国际国内现状，本 文的主要贡献和组织结构。第2 章介绍比较器的各项性能参数和基本电路结构。 第3 章对提出的比较器的设计技术进行详细阐述。第4 章对所设计的比较器进行 仿真与分析，并在分析m o s 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。第5 章为总结和展望。 因时间仓促加之本人水平有限，不当之出在所难免，敬请读者批评指正。 1 引言 1 1研究的背景和意义 随着系统芯片的功能越来越复杂，集成度的不断提高，电路规模的不断扩展， 芯片的功耗已成为日渐突出的问题。尽管近几年集成电路的供电电压有所下降， 但是功耗却增长了近两倍；同时芯片面积的不断减小，导致功率密度更大程度地 增长。这直接导致芯片散热设计难度和封装成本越来越高，进而影响芯片的可靠 性。所以，减小芯片功耗对于芯片设计的成败是至关重要的。在诸如笔记本、手 机、掌上电脑等手持式便携系统中，采用高功耗的系统芯片势必大大减小电池的 使用寿命【l 】。 目前，集成电路的特征尺寸已达到超深亚微米阶段，特征电压也已经降到1 v 以下，功耗问题伴随噪声和短沟道等效应突现出来，功耗和性能的权衡成为模拟 设计的难点。深亚微米下短沟道和噪声温度等效应使诸如高线性度、高速、低功 耗数据转换器( a d c ) 等混合信号电路设计难度加大。作为模拟前端重要模块的 模数转换器需要工作在较低功耗下以满足嵌入式便携式系统低耗能要求，此类模 块广泛应用于手机、p d a 、3 g 无线终端和w l a n 中【2 1 。 基于以上问题的分析，本文重在研究比较器电路的低功耗实现，提出了一种 新型的比较器结构。该比较器结构基于动态l a t c h 锁存器结构，并采用开关运算放 大器技术，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提 高了精度，减小了传输延时，提高了速度。 1 2国际国内研究现状 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p j 【4 】。 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 时间和低失调、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，但是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。 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，低的传输延迟时间。比较器结构一般为全差分、可再生式、多级放大的 级联形式。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1 5 j 。 2 0 0 6 年9 月，a d i ( a n a l o g d 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，适合于高速，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【5 j 。 2 0 0 6 年1 2 月，奥地利微电子公司( a u s t r i am 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 衅的特性，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a a 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，o 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 引。 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 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1 5 】。 2 1 3本文的主要贡献 在逐次逼近式模数转换器( s a ra d c ) 设计中，比较器的速度决定着整个电 路的转换时间。为了设计高速、高精度、低功耗、基于标准c m o s 工艺的逐次逼 近式模数转换器，本文对比较器的速度，失调等方面进行了研究，着重对低功耗 进行设计方法研究。 本文阐述的比较器结构，是一种适用于高速、高精度、低功耗模数转换器中 的基于开关运算放大器技术的电压比较器。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，设计了一种新型的高速低功耗电压比较器，并进行 了仿真验证。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高精度、低功耗的逐次逼近式模数转换器中，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，最终送出去 流片。 1 4 本文的组织结构 本文首先阐述了高速低功耗比较器设计的背景和意义，然后基于逐次逼近式 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 对几种比较器结构的分析和对比，选择了基于开关运算放大器的全差分式钟控比 较器。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。 本文各章内容安排如下。第2 章简要介绍比较器的类别、基本应用和各项性 能参数。第3 章对比较器的设计技术进行详细阐述。第4 章对所设计的比较器进 行仿真与分析，并在分析m o s ( m e t a lo x i d es 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。最后是版图结果。第5 章为总结和展望。 2 比较器电路结构的基本模型 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【6 1 。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比较器电路的系统参数分析 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( ) 。比较器的理想传输曲线如图2 一l 所示。其中 ，是比较器的同相输入端电压，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。 ji v o r 1 ，j p 一 l 图2 1 理想比较器的传输曲线 f i g 2 - li d e a lt r a n s f e rc u r v eo fc 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 2 给出了有限增益比较器的传输曲线。 4 j m o h ，o ； r ，尸一 ： 图2 2 有限增益的比较器传输曲线 f i g 2 - 2t r a n s f e rc u r v eo ff i n i t eg a i nc o m p 删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1 ，p 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 1 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【7 1 。下面给出比较器各个参数的定义【引。 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 v ：坠二垡 a ， 其中彳。为比较器增益，即过渡曲线的斜率。其表达式为 小特 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 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( s l e wr a t e ) ：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( o f f s e t ) ：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 3 所示。 j v d v o n v l l 0 、v m。 1 l ? v ；一 v o l 图2 3 带失调电压的有限增益比较器传输曲线 f i g 2 - 3t r a n s f e rc u r v eo ff 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，表达了输入达到阈值后， 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 6 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， 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1 0 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。 2 1 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【9 】。 比较器增益的定义是：a ，= ( 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。其中以 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：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 7 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o 时，比较器的直流传输特性 曲线是关于参考输入端对称的。图2 3 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 1 3比较器动态分析 分析比较器的动态特性，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 输入幅度和较高的增益都会缩短延时。 对于小信号行为来讲，传输延时主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。对于大信号行为而言，摆率主要受输出级驱动能力的限制， 表现为对负载电容的充放电速度。在比较器设计中，如果要求传播延时的抖动变 化较小，就应该使摆率成为主要决定因素，尽量避免电路零、极点在信号频率范 围的影响。 f ：坐：二垡 f p2 面2 专巧产 8 ( 2 3 ) 除了应用上述公式分析比较器的传输延时，还要结合电路仿真结果来分析。 用e d a 软件仿真分析比较器的传输延时，主要是采用瞬态扫描的方法：用一个方 波和一个直流参考电压值作比较，而且方波的峰峰值是1 l s b ，然后观察比较器 对这两个信号比较的瞬态分析结果。但是这种输入信号的情况往往不是比较器的 最坏输入信号情况。有一种更能检验比较器传输延时性能的输入信号，就是在输 入的一端加入脉冲电平分别是1 4 1 v 和0 v 的方波，另一端输入直流1 4 v 的电平。 这种输入信号开始时候使得差分放大的输入级差分对管的一边管子截止，然后再 让管子导通，看其状态转换速度。这种信号认为是比较器工作的最坏传输延时情 况，因为这种情况下的两个输入状态对比较器输入电容的充电电荷比较多，而且 充电方向相互反向。要在短时间内完成这种电荷的变化，比较严格地考验比较器 的特性。 下面介绍有关比较器的最小输入转换速率，最小输入摆率。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振荡，或者导致输出状态 不确定。这个临界状态就是比较器的最小输入转换速率。比较器的传输延时随输 入信号增大而减小，但有一个下限，这个下限值就是由转换速率决定的。以r 。表 示传输延时，s r 表示转换速率，则 a vp 品一 f p2 面2 专巧产 ( 2 4 ) 想要提高比较器的转换速率，就得加大比较器的电流。也就是说，比较器的 功耗和速度两者有一定的矛盾，在设计时需要作合理的折衷。 从某些仿真结果结果曲线可以观察到，当比较器输入信号速度较快时，虽然 其输出仍然是方波，但结果是错误的，这就是输出不确定状态造成的。此不定态 是因为传输延时增加而造成，不是转换速率限制的结果。 除了上述静态特性和动态特性外，还有一些常见的参数，比如输入阻抗、输 出阻抗和噪声特性等，在设计电路时都要加以考虑。 2 2比较器电路结构与分析模型 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【8 1 。 9 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，而动态比较器的静态功耗为零，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。综合开环和再生两类比较器的特 点，产生一种优化的综合型比较器【引。 2 2 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【l0 】。 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项，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、 建立时间和转换速率( 摆率) 等方面的要求比较耐1 1 】。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 = 1 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 。( w 。) 是指本级放大器的主极点频率，凡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【8 】 1 0 ( 2 5 ) 佤百 疗 i l 功 _ = f 其中凡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。 2 2 2 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间段内工作。这类电路一般由时 钟信号驱动，比较器工作时，具有一部分时间和相位，不工作时，只具有相位。 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 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 4 【1 2 】。 = 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 - 4l a t c h 结构 f i g 2 - 4s t r u c t u r eo f l a t c h 由图2 4 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 5 所示。 + f - + 么 i ； 尺羞 c l 么 2t 么 孚讧 g m l v 口2 k 图2 - 5n m o sl a t c h 的小信号电路模型 f i g 2 5s m a l ls i g n a lm o d e lo f n m o sl a t c h 假设v 。和v 。：初始值已经建立，且与电容相连的电压源表示 ，。和1 ，。：的初始 值，且为阶跃函数。求锁存器工作需要的时间，可列写节点方程如下。 g 册。v 。：+ g 。v 。+ j g l v o l v o l ) = g 。，v 。：+ g 。v 。+ s c 。v 们一c 。v 。= 。c 2 - 6 ， v o - 崛械：( 驴孚 ：崛稍：= 。c 2 扪 其中g l 和g ：是m o s 管m i 和m 2 的漏极到地的电导，c l 和c 2 是从m o s 管m l 和 m ：的漏极到地的电容。 解方程( 2 6 ) 和( 2 - 7 ) 可得v 。和v 。2 如下 v 矿而r i c lv r , 丽g m i r lv 。z = 雨r 1v 厂, 币g , i r ! y 。：( 2 - 8 ) 1 2 y 0 2 = 面。r 刁2 c 可2 , v ：一而g i n 2 r 2v 矿瓦r 百2v o ：一i g 2 i r 2 v 。- ( 2 9 ) 其中f ，是时间常数r ，c ，。 假设所有的晶体管相同，则有g 辫l = g 。2 = g 册，r l = r 2 = r ，c i = c 2 =