《電子技術(shù)應(yīng)用》
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高增益三級比較器設(shè)計(jì)與仿真研究
摘要: 本文設(shè)計(jì)的比較器是一個(gè)高增益的三級比較器,,第一級為普通差分放大器,,第二級為折疊式共源共柵差分放大器,,第三級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,。
Abstract:
Key words :

  比較器可以比較一個(gè)模擬信號和另一個(gè)模擬信號或者參考信號,,并且輸出比較得到的二進(jìn)制信號,。這里所說的模擬信號是指在任何給定時(shí)刻幅值都連續(xù)變化的信號,。嚴(yán)格意義上講,,二進(jìn)制信號在任何時(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)用于過零檢測系統(tǒng)(zero-crossing detectors),、峰值檢測系統(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)高增益三級比較器,,第一級為普通差分放大器,,第二級為折疊式共源共柵差分放大器,第三級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 比較器一級放大器

  第一級放大器即比較器的輸入級電路,,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)算放大器的第一級結(jié)構(gòu)基本相同,,所以不再對其進(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

 

 

  

  圖2 增益極折疊式共源共柵差分放大器

 

  1.2 比較器第二級放大器

  比較器的第二級放大器又稱中間級或增益極,。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),。對其進(jìn)行輸出增益仿真如圖3所示,。

 

  

  圖3 放大級瞬時(shí)仿真波形

 

  1.3 比較器輸出級

  如圖4所示,輸出級由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

 

  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

  比較器可以比較一個(gè)模擬信號和另一個(gè)模擬信號或者參考信號,,并且輸出比較得到的二進(jìn)制信號,。這里所說的模擬信號是指在任何給定時(shí)刻幅值都連續(xù)變化的信號。嚴(yán)格意義上講,,二進(jìn)制信號在任何時(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)用于過零檢測系統(tǒng)(zero-crossing detectors),、峰值檢測系統(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)高增益的三級比較器,,第一級為普通差分放大器,,第二級為折疊式共源共柵差分放大器,第三級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 比較器一級放大器

  第一級放大器即比較器的輸入級電路,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)算放大器的第一級結(jié)構(gòu)基本相同,所以不再對其進(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

  

  圖2 增益極折疊式共源共柵差分放大器

 

  1.2 比較器第二級放大器

  比較器的第二級放大器又稱中間級或增益極,。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),。對其進(jìn)行輸出增益仿真如圖3所示。

 

  

  圖3 放大級瞬時(shí)仿真波形

 

  1.3 比較器輸出級

  如圖4所示,,輸出級由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

 

  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所示的是一級輸出,、二級輸出和三級共源級輸出的波形。

 

  

  圖6 輸入輸出的瞬時(shí)仿真

 

  對輸出的增益進(jìn)行仿真,,如圖7所示,。可見最大增益為143dB,。在-3dB處增益為143dB,,頻率為377kHz。用,。meas語句測試其最大增益,、-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試

 

  3 結(jié)束語

 

  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,。

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