高性能CMOS集成電壓比較器設(shè)計(jì)

    如圖2中第一部分所示，M20和M21構(gòu)成差分放大管；M4，M6組成有源負(fù)載。M2，M3分別與M4，M6并聯(lián)，以向差分放大管注人大電流，同時(shí)也減小了M4和M6的寬長比，降低了電路的輸入電容，以利于電路提高頻率特性。該放大器的增益可表示為：

    從式(1)可以看出，在管子寬長比確定后，Av與(1+ISD2／ISD4)1/2成正比，若M2向M21注入大電流，則在保證高頻時(shí)能提高放大器的增益。該放大器的增益為12．9 dB(4．415 7倍)，3 dB帶寬為582．64 MHz。
1．2 鎖存比較電路
    鎖存比較電路是整個(gè)比較器的核心部分，它應(yīng)能區(qū)分毫伏量級的輸入信號差。如圖2中第二部分所示， M17,M18交叉互連實(shí)現(xiàn)正反饋，以提高比較電路的增益。利用前級預(yù)放大器的輸出，控制鎖存器輸入電流I+，I_的變化，若I_遠(yuǎn)大于I_，則M16和 M18導(dǎo)通，Vout-△0，Uout+=(2L16I+／WμnCox)+VTHN；若I_增大而I+減小，M18的漏一源電壓升高，當(dāng)高到M17的 VTHN時(shí)，M17導(dǎo)通，此時(shí)M17管開始抽取原來流過M16管的電流，這會使M16管的漏一源電壓下降，并導(dǎo)致M18管截止，電路的輸出狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換。當(dāng)I-增大到一定程度時(shí)會導(dǎo)致M18進(jìn)入飽和區(qū)，此時(shí)臨界電流值I-=(I+)(W17μnCox／L17)／(W16μnCox／L16)，該電流臨界點(diǎn)也是輸出電壓發(fā)生轉(zhuǎn)換的臨界點(diǎn)。同理可得，當(dāng)I+增大時(shí)，發(fā)生轉(zhuǎn)換的電流臨界點(diǎn)I+=(I-)(W17μnCox／L17)／ (W16μCox／L16)。
    該鎖存比較器發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)的輸入電壓差為1．37 mV。從鎖存器的瞬態(tài)特性可以看出，在輸入信號發(fā)生跳變時(shí)，通過比較輸入信號和2．5 V參考信號，鎖存比較器給出兩個(gè)向相反方向變化的輸出信號，實(shí)現(xiàn)了比較功能。
1．3 輸出緩沖驅(qū)動(dòng)級
    輸出緩沖驅(qū)動(dòng)級(又稱后放大器)的主要作用是把鎖存比較電路的輸出信號轉(zhuǎn)化成邏輯電平(0 V或5 V)。如圖2中第三部分所示，M8，M10，M11,M13,M14,M15組成差分自偏置電路，它能吸人和供出較大的電流，使比較器在驅(qū)動(dòng)大的容性負(fù)載時(shí)速度不受擺率的限制。M9，M12組成一個(gè)反相器，用作附加的增益級，同時(shí)實(shí)現(xiàn)負(fù)載電容和自偏置差分放大器之間的隔離。要使輸出緩沖級工作在線性區(qū)，輸入信號的幅度一般要在1～3．5 V之間，所以在電路中串入M26管來提升鎖存器輸出電壓的幅值。

2 電路仿真
    在5 V電源的電壓下，Vin-端加2．5 V參考信號，在Cadence軟件平臺下用Spec-tre工具對基于CSMC 0．5 μmCMOS工藝模型的電路進(jìn)行仿真，得到比較器的增益、帶寬、上升延時(shí)、下降延時(shí)、輸入共模范圍如圖3所示。