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[導(dǎo)讀]電壓比較器是對輸入信號進行鑒幅與比較的電路,其功能是比較一個模擬信號和另一個模擬信號(參考信號),并以輸出比較得到的二進制信號。其在A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)傳輸器、切換功

電壓比較器是對輸入信號進行鑒幅與比較的電路,其功能是比較一個模擬信號和另一個模擬信號(參考信號),并以輸出比較得到的二進制信號。其在A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)傳輸器、切換功率調(diào)節(jié)器等設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。在高速度、高精度A/D轉(zhuǎn)換器中,比較器的精度和速度直接影響轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度等關(guān)鍵指標(biāo);在數(shù)據(jù)傳輸器中,比較器的性能對數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率有著很大的影響;在切換功率調(diào)節(jié)器中,調(diào)節(jié)器的功率調(diào)節(jié)性能在很大程度上依賴于電壓比較器的性能。因此,是高工作頻率、高增益、低失調(diào)電壓、高性能的電壓比較器,在模擬集成電路和數(shù)/?;旌霞呻娐分惺种匾?。仿真結(jié)果表明,該電壓比較器適用于高速A/D轉(zhuǎn)換器、高速數(shù)據(jù)傳輸器及高性能切換功率調(diào)節(jié)器等設(shè)備中。

1 比較器電路設(shè)計

這里介紹的電壓比較器是傳統(tǒng)的預(yù)放大鎖存比較器,采用預(yù)放大器、鎖存比較器和輸出緩沖級級聯(lián)的方式來實現(xiàn),其原理框圖如圖1所示。

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,M17導(dǎo)通,此時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-增大到一定程度時會導(dǎo)致M18進入飽和區(qū),此時臨界電流值I-=(I+)(W17μnCox/L17)/(W16μnCox/L16),該電流臨界點也是輸出電壓發(fā)生轉(zhuǎn)換的臨界點。同理可得,當(dāng)I+增大時,發(fā)生轉(zhuǎn)換的電流臨界點I+=(I-)(W17μnCox/L17)/ (W16μCox/L16)。

該鎖存比較器發(fā)生轉(zhuǎn)換時的輸入電壓差為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,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向相反方向變化的輸出信號,實現(xiàn)了比較功能。

1.3 輸出緩沖驅(qū)動級

輸出緩沖驅(qū)動級(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)動大的容性負(fù)載時速度不受擺率的限制。M9,M12組成一個反相器,用作附加的增益級,同時實現(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工藝模型的電路進行仿真,得到比較器的增益、帶寬、上升延時、下降延時、輸入共模范圍如圖3所示。

用Cadence自帶的Dracula工具對版圖進行驗證,通過設(shè)計規(guī)則檢查(DRC),該版圖符合CSMC0.5μmCMOS工藝的相關(guān)設(shè)計規(guī)則。通過電路圖和版圖的對照(LVS),版圖中的器件及器件間的連接情況與電路圖中相一致,保證了該版圖是圖2所示電路圖的物理掩模圖形集。此外,在做完DRC和 LVS后,版圖的電氣規(guī)則檢查(ERC)也同時完成了,這是Dracula工具的一個主要特點。ERC報告顯示該版圖中無短路、斷路等電氣規(guī)則錯誤。

3 版圖設(shè)計

集成電路的版圖是芯片在實際制作時物理掩模圖形的集合,是從電路原理圖到實際芯片的關(guān)鍵過渡環(huán)節(jié)。版圖的設(shè)計直接影響著芯片的最終性能。模擬集成電路版圖的設(shè)計要求更高,它不僅有技術(shù)成分,還需要許多藝術(shù)性的布局和走線。

基于CSMC 0.5μm CMOS(N-Well硅柵)工藝設(shè)計的集成電壓比較器版圖如圖4所示。其中電阻為制作在N-well中的P+擴散條;MOS管為NORMAL器件,其溝道寬長為多晶硅柵覆蓋有源區(qū)部分的寬長。包圍有源區(qū)的N+diff和P+diff,用來表明管子是NMOS管,還是PMOS管,版圖面積為57μm×69 μm。

4 結(jié) 語

在CSMC O.5μm CMOS工藝條件下,采用預(yù)放大器、鎖存比較電路和輸出緩沖級級聯(lián)的鎖存比較電路結(jié)構(gòu),設(shè)計了一個高速、高精度的高性能集成電壓比較器,它具有低輸入失調(diào)電壓、低功耗的特點。完成從電路原理圖設(shè)計到版圖設(shè)計和驗證(DRC,LVS)以及工藝角仿真和分析的整個設(shè)計流程。從仿真結(jié)果可以看出,這一高性能電壓比較器適用于高速A/D轉(zhuǎn)換器、高速數(shù)據(jù)傳輸器及高性能切換功率調(diào)節(jié)器等設(shè)備中。

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