高增益三級(jí)比較器設(shè)計(jì)與仿真研究

比較器可以比較一個(gè)模擬信號(hào)和另一個(gè)模擬信號(hào)或者參考信號(hào)，并且輸出比較得到的二進(jìn)制信號(hào)。這里所說的模擬信號(hào)是指在任何給定時(shí)刻幅值都連續(xù)變化的信號(hào)。嚴(yán)格意義上講，二進(jìn)制信號(hào)在任何時(shí)刻只能取得兩個(gè)給定值中的一個(gè)。

　　比較器被廣泛使用于開關(guān)電源和數(shù)模轉(zhuǎn)換器中，此外還應(yīng)用于過零檢測(cè)系統(tǒng)（zero-crossing detectors）、峰值檢測(cè)系統(tǒng)（peak detectors）、全波整形系統(tǒng)（full-waverectifiers）等。

　　1 比較器的設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的比較器是一個(gè)高增益的三級(jí)比較器，第一級(jí)為普通差分放大器，第二級(jí)為折疊式共源共柵差分放大器，第三級(jí)為共源極放大器和一個(gè)推挽式反向放大器。另外還有一個(gè)為放大器提供偏置的偏置電路。

　　1.1 比較器一級(jí)放大器

　　第一級(jí)放大器即比較器的輸入級(jí)電路，如圖1所示，為普通結(jié)構(gòu)的差分放大器，和帶隙基準(zhǔn)電壓源的運(yùn)算放大器的第一級(jí)結(jié)構(gòu)基本相同，所以不再對(duì)其進(jìn)行分析。

　　調(diào)節(jié)管子參數(shù)使其所有管子處于飽和區(qū)，仿真其增益－頻率特性，結(jié)果如圖2所示。

　　圖1 比較器的輸入級(jí)

　　圖2 增益極折疊式共源共柵差分放大器

　　1.2 比較器第二級(jí)放大器

　　比較器的第二級(jí)放大器又稱中間級(jí)或增益極。采用PMOS管作為折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)的的輸入管，電路如圖2所示。PMOS管可以采用以襯源短接以消除襯偏效應(yīng)。對(duì)其進(jìn)行輸出增益仿真如圖3所示。

　　圖3 放大級(jí)瞬時(shí)仿真波形

　　1.3 比較器輸出級(jí)

　　如圖4所示，輸出級(jí)由M13和M14組成的共源極放大電路和M15和M16組成的推挽式反向放大器共同組成。

　　圖4 比較器的輸出級(jí)

　　1.4 偏置電路設(shè)計(jì)

　　如圖5所示，偏置電路采用共源共柵電流鏡的，二極管連接的M19、M21和M23用來作為分壓電路，調(diào)節(jié)管子參數(shù)使所有管子處于飽和區(qū)。

　　圖5 比較器偏置電路

　　2 比較器的仿真結(jié)果分析

　　基于0.18μm CMOS工藝在Hspice下進(jìn)行仿真。采用電源電壓VDD=1.8V。

　　首先對(duì)本文設(shè)計(jì)的比較器進(jìn)行瞬態(tài)仿真，當(dāng)輸入Vin1=0.6V，Vin2=sin（0.6 500m 1k）時(shí)，輸入輸出波形如圖6所示。圖3所示的是一級(jí)輸出、二級(jí)輸出和三級(jí)共源級(jí)輸出的波形。

　　圖6 輸入輸出的瞬時(shí)仿真

　　對(duì)輸出的增益進(jìn)行仿真，如圖7所示?？梢娮畲笤鲆鏋?43dB。在－3dB處增益為143dB，頻率為377kHz。用。meas語(yǔ)句測(cè)試其最大增益、－3dB增益和－3dB增益頻率如圖8所示。

　　圖7 輸出總增益仿真

　　圖8 輸出增益和頻率的測(cè)試

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　文中電路圖在LTspice下得到netlist后，在Hspice中進(jìn)行仿真。文獻(xiàn)中增益為104dB，工作頻率145kHz，文獻(xiàn)［2］的增益為104dB，工作頻率為710kHz。本文在結(jié)構(gòu)上都采用三級(jí)結(jié)構(gòu)，可見本文設(shè)計(jì)的比較器既可用作PWM比較器也可用于限流比較器，其本質(zhì)都是相同的。