隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用,，高速低功耗的電子設(shè)備成為市場的主流，這些設(shè)備都依賴高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) ,，特別是對速度的要求越來越高,，高速ADC成為決定設(shè)備性能的關(guān)鍵因素。而電壓比較器" title="比較器">比較器是模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中的重要模塊,，比較器的性能往往對轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度和精度具有決定性的影響,，高速比較器的設(shè)計是高速ADC設(shè)計的關(guān)鍵。

　　應(yīng)用于ADC時,，比較器重要的性能指標包括工作速度,、精度、功耗,、輸入失調(diào)電壓" title="失調(diào)電壓">失調(diào)電壓(offset voltage)和踢回噪聲( kickback noise)等,。鎖存比較器是常用的一種比較器，具有速度高,、功耗小的特點,。它通過正反饋機制，將輸入的模擬信號再生成數(shù)字信號,。在再生節(jié)點,，較高的電壓變化會通過寄生電容耦合到輸入端，形成踢回噪聲,，從而破壞輸入信號,。此外，鎖存比較器的速度和失調(diào)也是一對矛盾,，為了提高比較器的性能,，需要在它們之間進行折中。

　　采用預(yù)放大級,、判斷級,、輸出級這一結(jié)構(gòu)設(shè)計的比較器具有低輸入失調(diào)電壓和低踢回噪聲，預(yù)放大器進行輸入信號的放大以提高輸入信號的靈敏度,，并且把比較器的輸入信號與來自正反饋判斷級的踢回噪聲隔離開,，這一點對保證電路的性能非常重要。

　　本文通過理論和仿真對比較器結(jié)構(gòu)進行了分析,，優(yōu)化預(yù)放大電路和比較電路,，設(shè)計了一種由預(yù)放大級、判斷級,、輸出級構(gòu)成的鐘控比較器,。把時鐘脈沖應(yīng)用于比較器的設(shè)計，極大地提高了比較器的性能和速度，該結(jié)構(gòu)的比較器具有低輸入失調(diào)電壓和低踢回噪聲的特點,，速度快,，精度高，適用于高速Flash ADC電路,。

　　1　比較器電路設(shè)計

　　比較器總體電路如圖1所示,。本文采用的高速比較器結(jié)構(gòu)包括預(yù)放大級、判斷級和輸出級,。其中預(yù)放大級放大比較器的輸入信號以提高輸入信號的靈敏度,，并且把比較器的輸入信號與來自正反饋級的踢回噪聲隔離開;判斷級對經(jīng)過放大的輸入信號進行比較;輸出級把比較級的輸出信號放大到數(shù)字邏輯電平。下面具體討論各部分電路結(jié)構(gòu),。

圖1　比較器整體電路圖

　　1. 1　預(yù)放大級電路

　　在高速比較器中,，為了使判斷級的輸入信號在盡可能短時間內(nèi)到達，要求前置放大器有很高的帶寬,，同時為了提高增益,，需要采用多級放大實現(xiàn)。本文中的預(yù)放大級為兩級,，M1 和M2 組成差分輸入電路結(jié)構(gòu),，可以得到較強的共模抑制能力，提高比較器對噪聲的抑制能力,。M5 和M6 構(gòu)成二極管連接的負載,，M3 和M4 組成交叉耦合的負載，用來提高放大器的增益,。M7 和M8 組成第二級放大器,。比較器的輸入電容由M1 和M2 管的尺寸決定。本設(shè)計將著重關(guān)注電路的速度,，因此輸入差分對晶體管使用最小柵長,。

　　1. 2　判斷級電路

　　判斷級電路是比較器的核心，應(yīng)該能分辨出毫伏量級的輸入信號差,。本文采用具有回滯效應(yīng)的判斷電路,，這種結(jié)構(gòu)使用正反饋結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)兩個信號的比較，速度快,、精度高,，而且能抑制信號上的噪聲。

　　該電路通過把M9 和M10管的柵極交叉互聯(lián),，實現(xiàn)正反饋，以提高判斷電路的增益,。當時鐘信號CLK為高電平時,，判斷電路的輸出依賴于輸入信號，比較器處于比較狀態(tài)，在下一個時鐘階段,，也就是時鐘信號CLK為低電平時,，M13管截止，比較器停止比較,，處于鎖存狀態(tài),，記下CLK為低電平時的比較器輸入狀態(tài)，把輸出信號鎖存為邏輯“1”或“0”,。時鐘信號CLK為高電平時,。

　　此時判斷級電路是一個雙穩(wěn)態(tài)交叉耦合電路。

　　如果io + < io - ,，M9 和M12導(dǎo)通,，M10和M11截止，此時判斷級的等效電路如圖2 ( b)所示,。如果β1 1 =β12 =βA,，β9 =β1 0 =βB ，則vo + =VDS9≈ 0 V (此時M9 導(dǎo)通) ,，vo - 為; 當io + > io - 時,， M10和M11導(dǎo)通，M9 和M12截止,，此時判斷級的等效電路如圖2 ( c)所示,， vo + 為。因此vo +和vo - 的最大值不超過2VTHN ,。分析判斷級的等效電路可以得到由圖2 ( b)的狀態(tài)到圖2 ( c)的狀態(tài)的轉(zhuǎn)換電流值為: io + =βB ·io - /βA ,，由圖2 ( c)的狀態(tài)到圖2 ( b)的狀態(tài)的轉(zhuǎn)換電流值為: io - =βB ·io + /βA ， 這個電流臨界點也是輸出電壓發(fā)生轉(zhuǎn)換的臨界點,。如果βA =βB ,， 那么， 輸出電壓的轉(zhuǎn)換將發(fā)生在電流io + = io - 的時候,。如果βA 與βB 不等,，那就會使比較器表現(xiàn)出磁滯現(xiàn)象。

　　1. 3　輸出緩沖級電路結(jié)構(gòu)

　　比較器的最后一級是輸出緩沖級(又被稱為后放大器) ,，其主要作用是把判斷電路的輸出信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字邏輯電平(0 V或1. 8 V) ,，輸出緩沖器的輸入是一對差分信號，沒有壓擺率的限制,。本文采用自偏置的差分放大器" title="差分放大器">差分放大器( self2biasing differential am2p lifier)作為輸出緩沖級,，同時在放大器的輸出端加兩級反相器，用作附加的增益級,，并實現(xiàn)負載電容和自偏置差分放大器之間的隔離,。

　　圖3所示是一個自偏置的差分放大器,，它包括兩個差分放大器，每一個均作為另一個的負載,。M15和M16的柵極沒有連接到外部偏置,，而是連接到M17和M18的漏級，形成負反饋環(huán)路,，來實現(xiàn)差分放大器尾電流的自適應(yīng),。M15和M16工作在線性區(qū)，可以獲得大的輸出電壓擺率,，使得輸出電壓直接轉(zhuǎn)換到數(shù)字邏輯電平,。當M17和M18的柵極電壓增大時，M17和M18的漏級電壓下降,，并使M15導(dǎo)通,，電流增大，這個電流通過M19流向連接在M19和M20漏極的輸出電容,。在這種情況下,，M16的電流為零。當M17和M18的柵極電壓下降時,，M16導(dǎo)通,，那么大電流經(jīng)過輸出電容通過M16泄露。因此,，這一結(jié)構(gòu)的電路具有吸入和供出大電流的能力,， 且沒有靜態(tài)電流，這個特性非常適合于高速比較器的應(yīng)用,。

圖3　自偏置差分放大器

　　2　電路的優(yōu)化設(shè)計

　　2. 1　速度優(yōu)化

　　比較器的工作速度與預(yù)運放" title="運放">運放的增益,、時間常數(shù)" title="時間常數(shù)">時間常數(shù)和判斷級的時間常數(shù)有關(guān)。圖4給出了預(yù)運放交流小信號等效電路圖,。

　　在該電路中,， gm1 = gm2 ， gm3 = gm4 ,， gm5 = gm6 ,， CA =CB ，由圖可得預(yù)運放的傳輸函數(shù)為:

 

　　從式(2)可以看出,，只要gm5小于gm3 ,，預(yù)運放的極點就在左半S 平面， 系統(tǒng)將是穩(wěn)定的,。預(yù)運放的直流增益為:

　　從式(4)可看出,，由于添加了交叉耦合負載M3和M4 ，預(yù)運放的增益提高了gm3 / ( gm3﹣ gm5 )倍,， 只要調(diào)整M3,、M4 與M5,、M6 的寬長比， 即調(diào)整gm3與gm5之比,，就可方便地調(diào)整預(yù)運放的增益提升量。

　　從式( 2) 還可以看出,， 預(yù)運放的時間常數(shù)為CA / ( gm 3﹣ gm5 ) ,，降低預(yù)運放的時間常數(shù)需要減小預(yù)運放輸出端的電容， 同時合理選擇差分對管的偏置電流并適當提高gm5與gm 3的差,。

　圖4　預(yù)運放交流小信號等效電路圖,。

　　當時鐘信號CLK為低電平時，判斷級的等效電路如圖5所示,。其中Vi9和Vi10分別為M9 和M10漏極的初始電壓,， C9、R9 和C10,、R10分別為M9,、M10管漏級到地的電容與電阻，理想情況下M9 和M10完全對稱,， R9 = R10 = R,， C9 =C10 =C。

　圖5　( a)判斷級等效原理圖,， ( b)小信號等效模型。

　　由圖5 ( b)小信號模型得到比較器傳輸延時的時間常數(shù)為:

 

　　其中τ= RC,， Iss為判斷級的尾電流源(M14 )電流,。根據(jù)式(5) ，為了減小時間常數(shù)提高比較器的速度,，一般可以采用最小尺寸的溝道長度,， 此外還可以增大判斷級的尾電流，但這也會帶來功耗增加和輸入共模范圍減小等不利因素,。

　　2. 2　失調(diào)電壓

　　比較器的失調(diào)電壓主要來源于預(yù)運放的失調(diào)電壓,。它主要是由MOS管閾值電壓的失配和電流的失配引起的，它的標準差如下式:

　　其中：

　　式中,，δ21,， 2是預(yù)運放輸入差分對失調(diào)電壓的標準差，δ23,， 5是預(yù)運放負載管失凋電壓的標準差; AVTN ,， AVTP ，AβN ,， AβP分別是NMOS管和PMOS管工藝模型中閾值電壓的失配因子和電流的失配因子,。從式( 6) ,、(7) 、(8)可以看出,，減小預(yù)運放輸入差分對管和負載管的過驅(qū)動電壓,，并適當增加它們的面積可有效地減小輸入失調(diào)電壓。但同時增大了漏極電容,，降低比較器的速度,。因此，比較器的設(shè)計需要在功耗,、速度和精度之間進行折中,。

　　3　電路仿真

　　通過以上分析，使用Hsp ice進行仿真與優(yōu)化,，最終確定比較器的核心電路(預(yù)運放與判斷級電路)內(nèi)各晶體管尺寸如表1所示,。

表1　比較器核心電路各晶體管的寬長比

　　在電源電壓1. 8 V、SM IC 0. 18μm CMOS工藝模型下,，采用Hsp ice對前面設(shè)計的比較器電路進行仿真,。為了檢驗比較器在各種工作情況下輸出的正確性，在比較器的輸入端加上幅度和極性隨時間變化的信號作為測試信號,，工作時鐘頻率為500MHz,，仿真波形如圖6所示。圖6 ( a) ,、( b)中第一欄是時鐘控制信號CLK,，第2欄是輸入信號Vin和參考電壓Vref ，第三欄是比較器的輸出信號Vout,。通過對仿真結(jié)果進行分析,，在輸入信號為具有大跳變極端信號(在基準參考電壓0. 8 V 下，兩信號為0. 81,、0 V或是0. 79,、1. 8 V)的情況下，比較器的最小精度為±0. 3 mV (基準電壓1 V) ,，仿真結(jié)果驗證了比較器功能的正確性,。

圖6　比較器整體仿真波形

　　4　結(jié)論

　　本文設(shè)計了一個基于1. 8 V電源電壓、時鐘頻率可以達到500MHz的高速鐘控電壓比較器,，采用預(yù)放大級,、判斷級、輸出緩沖級結(jié)構(gòu),，每一級的電路結(jié)構(gòu)簡單,，通過對各個部分電路的特點進行分析，優(yōu)化了前置放大器的晶體管的尺寸,，實現(xiàn)了高速,、高精度,、低功耗的要求。在SMIC 0. 18μm CMOS工藝模型下,，采用Hspice對電路進行仿真,，結(jié)果表明在500 MHz的時鐘頻率下，比較精度可達0. 3 mV,，功耗僅為26. 6μW,，該電路可以應(yīng)用在高速Flash ADC電路中。