一種中速高精度模擬電壓比較器的設(shè)計(jì)

1 引言

在A／D轉(zhuǎn)換器中，比較器重要性能指標(biāo)是工作速度、精度、功耗、輸入失調(diào)電壓、正反饋時(shí)產(chǎn)生的回程噪聲等，這些指標(biāo)影響和制約著整個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器的性能。高速比較器速度較快，一般采用鎖存器(Latch)結(jié)構(gòu)，但是失調(diào)和回程噪聲較大，精度在8位以下，用于閃爍(Flash)、流水線(Pipeline)型等高速A/D轉(zhuǎn)換器。高精度比較器可分辨小電壓，但速度相對(duì)較慢，一般采用多級(jí)結(jié)構(gòu)，且較高的精度決定失調(diào)校準(zhǔn)的必要性。這里設(shè)計(jì)的比較器是用于輸入范圍2．5 V、速度1 MS／s、精度12位的逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器，為了滿足A／D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)，則需采用中速高精度的比較器。

2 比較器的設(shè)計(jì)

由于該比較器用于輸入電壓2．5 V、速度1 MS／s、精度12位的逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器，因此比較器的精度至少應(yīng)達(dá)到1／2 LSB，即0．3 mV的電壓，速度高于12 MHz，并且需要考慮一定的設(shè)計(jì)余量，所以暫定指標(biāo)為精度O．2 mV、速度20 MHz。該中速高精度的比較器通常采用多級(jí)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。在利用鎖存器速度高、功耗小等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用3級(jí)前置放大器組成的預(yù)放大級(jí)提高精度；采用輸入失調(diào)儲(chǔ)存與輸出失調(diào)儲(chǔ)存技術(shù)相結(jié)合的辦法降低甚至抵消失調(diào)的影響；采用共源共柵、源隨器結(jié)構(gòu)的前置放大器和鎖存器的時(shí)鐘控制來(lái)抑制回程噪聲的影響；采用數(shù)字觸發(fā)電路獲得高性能的數(shù)字輸出信號(hào)。需要注意的是必須準(zhǔn)確處理好比較器的各個(gè)工作階段，使其各部分協(xié)調(diào)工作，降低相互之間的干擾，以達(dá)到最優(yōu)的性能。

2．1 總體結(jié)構(gòu)與失調(diào)校準(zhǔn)技術(shù)

圖1為比較器電路的總體結(jié)構(gòu)框圖。采用3級(jí)電容耦合的前置放大器加鎖存比較器的結(jié)構(gòu)，其中耦合電容可用于失調(diào)儲(chǔ)存，開(kāi)關(guān)用于控制比較器工作。

暫不考慮鎖存比較器的時(shí)鐘控制以及整個(gè)電路的復(fù)位工作，該比較器工作大致分為2階段：首先是失調(diào)校準(zhǔn)階段，S1斷開(kāi)，S2閉合，使預(yù)放級(jí)1的正負(fù)輸入端連接在中間電壓Vcm上，同時(shí)，S3～S6閉合，這樣預(yù)放級(jí)1的輸出失調(diào)電壓就存儲(chǔ)在C1、C2上，預(yù)放級(jí)2和預(yù)放級(jí)3的輸入失調(diào)電壓則分別存儲(chǔ)于C1、 C2和C3、C4；然后是比較階段，S1閉合，S2～S6斷開(kāi)，比較器開(kāi)始比較Vcm和Vin，由于預(yù)放級(jí)1～3的失調(diào)電壓絕大部分存儲(chǔ)在電容C1～C4 上，因此失調(diào)電壓相互抵消，同時(shí)由于3級(jí)前置放大器增益的存在，鎖存比較器失調(diào)電壓的影響也減小相應(yīng)倍數(shù)。
假設(shè)預(yù)放級(jí)1～3和鎖存比較器的失調(diào)電壓分別是Vos1、Vos2、Vos3、VosL，預(yù)放級(jí)1～3的增益分別為A1、A2、A3，開(kāi)關(guān)S3、S4和 S5、S6注入到電容上的電荷失配量分別為△Q3,4、△Q5,6電容C1～C4的電容量都為C，則使用失調(diào)校準(zhǔn)技術(shù)后，比較器的殘余輸入失調(diào)將為：

從式(1)看出，要達(dá)到0．2 mV的分辨率，還應(yīng)根據(jù)鎖存器的失調(diào)電壓確定前置放大器的增益。由于鎖存器的失調(diào)電壓通常不會(huì)超過(guò)100 mV，因此總增益可確定為500。然后再來(lái)考慮增益分配問(wèn)題。預(yù)放級(jí)1需要將0．2 mV的小信號(hào)輸入迅速放大，所以預(yù)放級(jí)1的帶寬要大。在一定增益帶寬積的前提下。意味著增益要小，同時(shí)預(yù)放級(jí)1采用輸出失調(diào)存儲(chǔ)的失調(diào)校準(zhǔn)技術(shù)，也要求預(yù)放級(jí)1增益要小，以避免因放大后的輸入失調(diào)在電容C1、C2上飽和而達(dá)不到消除失調(diào)的效果。同時(shí)，預(yù)放級(jí)2、3采用輸出失調(diào)存儲(chǔ)的失調(diào)校準(zhǔn)技術(shù)，輸入的信號(hào)幅度也較大，因此可采用較大的增益。最終確定預(yù)放級(jí)1的增益約為5，預(yù)放級(jí)2、3的增益約為10。

2．2 比較器第一級(jí)的結(jié)構(gòu)

由于第一級(jí)前置放大器需將0．2 mV的小信號(hào)輸入迅速放大，同時(shí)采用輸出失調(diào)存儲(chǔ)的失調(diào)校準(zhǔn)技術(shù)，這就要求它具有高帶寬和低增益特點(diǎn)。因此，預(yù)放級(jí)1可以采用二極管連接成PMOS作負(fù)載的差分運(yùn)放結(jié)構(gòu)，同時(shí)考慮本級(jí)也是整個(gè)高精度模擬電壓比較器的輸入極，它的噪聲性能也對(duì)比較器的精度有影響，因此輸入則采用共源共柵(Cascode)的結(jié)構(gòu)，這可將回程噪聲減小gm3,4/gm5,6倍，這在比較器一端固定電位，另一端作輸入應(yīng)用的情況下尤其重要，最后再加入一個(gè)源隨器作為輸出級(jí)，既可調(diào)節(jié)后級(jí)放大器的輸入直流電平達(dá)到最佳值，又可起到隔離的效果改善噪聲性能。預(yù)放級(jí)1的電路如圖2所示(后接的源隨器未畫(huà)出)。

假設(shè)電路是完全對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)，則整個(gè)電路的增益A1約為：

該值一般都在10以下，考慮到帶寬要求和電容上失調(diào)電壓飽和的問(wèn)題，最終確定其取值約為5。同時(shí)，在輸出端Out+與Out-之間加入復(fù)位開(kāi)關(guān)，在每個(gè)比較周期的最初，由復(fù)位信號(hào)控制開(kāi)關(guān)閉合。將預(yù)放級(jí)1復(fù)位，加快比較速度。

2．3 比較器第二、三級(jí)的結(jié)構(gòu)

預(yù)放級(jí)2與預(yù)放級(jí)3采用相同的電路結(jié)構(gòu)，為了增加放大器的增益，它在預(yù)放級(jí)1的電路基礎(chǔ)上加入了2個(gè)交叉的PMOS管VM7、VM8，在電路中引人了弱正反饋機(jī)制，但縮減了帶寬。由于預(yù)放級(jí)2的輸入信號(hào)比預(yù)放級(jí)3小。設(shè)計(jì)時(shí)也可適當(dāng)增大預(yù)放級(jí)2的電流，有助于提高比較速度。其電路如圖3所示(后接的源隨器未畫(huà)出)。

同樣假設(shè)電路是完全對(duì)稱(chēng)的，則通過(guò)弱反饋補(bǔ)償后，電路的增益約為：

需要注意的是，遲滯比較器也是采用如圖3所示的電路結(jié)構(gòu)，所不同的是遲滯比較器使用了強(qiáng)正反饋機(jī)制。兩者的區(qū)別就在于交叉的PMOS管VM7、VM8引入的電流相對(duì)于PMOS管VM5、VM6的電流的大小不同。當(dāng)PMOS管VM7、VM8的電流大于PMOS管VM5、VM6的電流時(shí)，整個(gè)電路呈正反饋狀態(tài)；反之，電路中的正反饋不足以抵消負(fù)反饋，整個(gè)電路呈負(fù)反饋狀態(tài)。由于電路在大信號(hào)分析中PMOS管VM5～VM8的過(guò)載電壓是相同的，因此它們的電流和寬長(zhǎng)比成正比，故VM5的寬長(zhǎng)比一定要大于VM7的寬長(zhǎng)比才能實(shí)現(xiàn)弱正反饋。

2．4 鎖存比較器與數(shù)字觸發(fā)電路

鎖存器實(shí)際上就是2個(gè)反相器首尾互連，由于利用反相器的正反饋的機(jī)制，輸出信號(hào)與時(shí)間呈正指數(shù)關(guān)系變化，因此可將輸入的小信號(hào)差量迅速放大到數(shù)字可識(shí)別的電平。同時(shí)，鎖存器具有低功耗特點(diǎn)，因?yàn)樗谝欢螘r(shí)間內(nèi)是不工作的，此時(shí)干路的開(kāi)關(guān)被切斷，因此無(wú)電流，功耗降低。然而，正是由于這樣的工作特點(diǎn)。使鎖存器工作時(shí)的輸出狀態(tài)并未持續(xù)一個(gè)時(shí)鐘周期，為了串行數(shù)字輸出正確以及給D／A轉(zhuǎn)換器提供正確的置位信號(hào)，再生放大器后面應(yīng)加適當(dāng)?shù)挠|發(fā)電路，以便在再生放大器工作期間正確輸出持續(xù)時(shí)間為一個(gè)周期的比較結(jié)果。因此，設(shè)計(jì)出如圖4所示的電路。

當(dāng)φ為低電平時(shí)，輸入信號(hào)In+和In-與鎖存器接通，而鎖存器與電源、地相連的開(kāi)關(guān)均斷開(kāi)，鎖存器處于感應(yīng)輸入信號(hào)階段；同時(shí)，在數(shù)字觸發(fā)電路中，高電平φ/使得開(kāi)關(guān)管VMN7、VMN8導(dǎo)通接地，此時(shí)，低電平φ//分別通過(guò)VMP4、VMN4組成的反向器和VMP6、VMN6組成的反向器分別到達(dá)2個(gè)與非門(mén)的輸入端并將其值置為高電平1，使得后級(jí)的數(shù)字RS觸發(fā)器呈保持狀態(tài)，持續(xù)保持輸出不變。

當(dāng)φ為高電平時(shí)，輸入信號(hào)In+和In-與鎖存器斷開(kāi)，而鎖存器與電源、地相連的開(kāi)關(guān)接通，鎖存器處于正反饋工作段，輸出信號(hào)Out+、Out-與時(shí)間呈正指數(shù)關(guān)系變化，使輸出迅速達(dá)到電源電壓或低電平，直接滿足數(shù)字輸出要求；同時(shí)，在數(shù)字觸發(fā)電路中，低電平φ/使得開(kāi)關(guān)管VMN7、VMN8關(guān)斷，高電平 φ//別使VMP4、VMP6關(guān)斷和VMN4、VMN6導(dǎo)通，因此，此時(shí)2個(gè)與非門(mén)的輸入端便分別成為了由VMP3、VMN3組成的反向器和VMP5、 VMN5組成的反向器的輸出端，其取值直接由反向器的輸入Out+、Out-決定．使得后級(jí)的數(shù)字RS觸發(fā)器根據(jù)輸入的變化而變化，得到正確輸出。

3 比較器的工作時(shí)序與仿真

考慮到要最大限度降低鎖存器和數(shù)字觸發(fā)電路部分對(duì)前面的模擬電路部分產(chǎn)生的干擾，以及使比較器在每個(gè)比較周期完成后迅速?gòu)?fù)位，必須使用復(fù)位控制。該比較器工作過(guò)程依次分為失調(diào)校準(zhǔn)和比較兩個(gè)階段。比較階段由數(shù)個(gè)比較周期組成，在每個(gè)比較周期開(kāi)始時(shí)(除了失調(diào)校準(zhǔn)結(jié)束后的第一個(gè)比較周期)，預(yù)放級(jí)1～3和鎖存器在復(fù)位信號(hào)rst的作用下進(jìn)行復(fù)位操作；在每個(gè)比較周期結(jié)束時(shí)，鎖存器在鎖存信號(hào)西作用下鎖存放大信號(hào)。

仿真中使用Hspice進(jìn)行瞬態(tài)仿真驗(yàn)證，為了降低比較器功耗和干擾，設(shè)定鎖存信號(hào)φ的有效信號(hào)占空比為1：8，要達(dá)到20 MHz的速度，則鎖存信號(hào)的周期應(yīng)為50 ns。為此。設(shè)定Vcm=1．2 V，而Vin每50 ns變化一次，從0 ns到250 ns分別為1．2 V，1．200 2 V，1．199 8 V，2 V，1．199 8 V，其中，0～50 ns期間，比較器處于失調(diào)校準(zhǔn)階段，之后每個(gè)比較周期為50 ns。

當(dāng)預(yù)放級(jí)1～3無(wú)輸入失調(diào)，存在20 mV輸入失調(diào)時(shí)，比較器的仿真結(jié)果分別如圖5和圖6所示，其中西為鎖存信號(hào)，rst為復(fù)位信號(hào)，Out為比較器輸出，Vo3+、Vo3-為預(yù)放級(jí)3的輸出信號(hào)。由仿真結(jié)果知，比較器在上述的Vcm和Vin的輸入下，能夠在20 MHz的輸人信號(hào)頻率下準(zhǔn)確輸出結(jié)果。因此，該比較器既能夠準(zhǔn)確的識(shí)別0．2 mV的小信號(hào)，也能在0．8 V的大信號(hào)輸入下具有很強(qiáng)恢復(fù)能力。而當(dāng)預(yù)放級(jí)1～3都有20 mV輸入失調(diào)時(shí)，從圖5看出，預(yù)放級(jí)3的輸出會(huì)在復(fù)位信號(hào)后產(chǎn)生波動(dòng)，但由于使用了恰當(dāng)?shù)氖д{(diào)校準(zhǔn)技術(shù)，波動(dòng)后的信號(hào)依然能夠快速?gòu)?fù)位，比較器依然能夠準(zhǔn)確有效地辨別電壓。也就是說(shuō)，20 mV輸入失調(diào)并沒(méi)有淹沒(méi)小至0．2 mV的小信號(hào)輸入差值，失調(diào)校準(zhǔn)技術(shù)取得預(yù)期效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

在傳統(tǒng)的多級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)中速高精度模擬電壓比較器。通過(guò)仿真，比較器達(dá)到各項(xiàng)預(yù)定指標(biāo)，在20 mV輸入失調(diào)下精度達(dá)到0．2 mV，速度20 MHz，功耗約1 mW。