流水線ADC中高速比較器的設(shè)計(jì)和分析

1、流水線adc中高速比較器的設(shè)計(jì)和分析在任何一個(gè)高速高辨別率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，高精度和迅速總是起著至關(guān)重要的作用。與其它種類的 相比，流水線adc 有著高速、高辨別率的特點(diǎn)。因此，它在系統(tǒng)中，有著廣泛的應(yīng)用。流水線adc由許多子flashadc 構(gòu)成。流水線adc 的特性中，特殊是速度，功耗和失調(diào)對(duì)囫圇有著很重要的影響。適合流水線的動(dòng)態(tài)比較器主要有三種：分壓比較器、差分比較器和差分比較器。但是他們可能消耗過多的功耗和較大的失調(diào)電壓。因此，前置運(yùn)放鎖存比較器的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在3.5 位的子flashadc 或者更高辨別率的子flashadc 中。在考慮上面提及的因素后，本文給出了時(shí)光延遲、失調(diào)電壓和比較器

2、的踢回噪聲的理論分析，并按照此分析，設(shè)計(jì)和優(yōu)化了比較器電路。2 預(yù)放大鎖存比較器的工作原理前置增益運(yùn)放鎖存比較器的原理是前置增益運(yùn)放放大輸入信號(hào)，被放大后的信號(hào)輸入到鎖存比較器，最后信號(hào)通過一個(gè)一般的rs 觸發(fā)器，得到終于比較結(jié)果。這種結(jié)構(gòu)結(jié)合了前置增益運(yùn)放對(duì)輸入信號(hào)負(fù)指數(shù)響應(yīng)和鎖存比較器對(duì)輸入信號(hào)正指數(shù)響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。因此前置增益運(yùn)放鎖存比較器與其它鎖存比較器相比，有較小的傳輸?shù)难舆t。鎖存比較器的失調(diào)電壓除以預(yù)的增益后折算到運(yùn)放的輸入端。因此，前置增益運(yùn)放比較器的失調(diào)電壓主要來自于預(yù)放大器。通過前置增益運(yùn)放比較器輸入端的踢回噪聲，在信號(hào)的比較階段混淆了輸入信號(hào)。沒有隔離電路可能導(dǎo)致采樣電路的不穩(wěn)

3、定性和不精確的比較結(jié)果。因此在鎖存比較器輸入端和前置增益運(yùn)放的輸出端在之間需要一個(gè)隔離電路。3 電路的結(jié)構(gòu)圖1 給出了前置增益運(yùn)放鎖存器的電路結(jié)構(gòu)。前置增益運(yùn)放有兩個(gè)差分對(duì)，分離由nm2，nm3，nm4 和nm5 組成。pm1，pm2，pm3，pm4 交錯(cuò)相連形成一個(gè)正反饋回路，并且增大了前置放大器的增益。nm9，nm10，nm11，pm6，pm11 是開關(guān)。電路的工作流程為：當(dāng)clk 為低的時(shí)候，鎖存比較器被復(fù)位，與此同時(shí)，clk1 為高，鎖存比較器能夠接收到前置增益運(yùn)放的放大的信號(hào)。加載在nm2 和nm3 柵上的差分輸入信號(hào)，分離nm4 與nm5 柵上正相基準(zhǔn)電平和負(fù)相基準(zhǔn)電平相比較。兩端

4、各自產(chǎn)生的差分，流過共柵級(jí)后，差分負(fù)載迫使它流過接在輸出兩端的電阻r1，產(chǎn)生一個(gè)電壓差（vout+vout-），送到鎖存比較器的輸入端。當(dāng)clk 為高電平是，鎖存比較器開頭工作，差值（vout+vout-）被交叉銜接的正反饋回路放大，直至穩(wěn)定，向來到低電平的clk 的到來。(a) 前置增益運(yùn)放(b) 鎖存比較器圖1 前置增益鎖存比較器3.1 前置增益運(yùn)放鎖存比較器的失調(diào)電壓前置增益運(yùn)放鎖存比較器結(jié)構(gòu)由帶正反饋的前置增益運(yùn)放和鎖存比較器組成，所以比較器的失調(diào)電壓主要由前置增益運(yùn)放和鎖存比較器的失調(diào)電壓組成。前置運(yùn)放放大了的差分信號(hào)用來動(dòng)身鎖存比較器，并且電路的正反饋提高了比較器的速度，增益也提高

5、了。前置運(yùn)放的失調(diào)電壓vos1 主要是因?yàn)閚m2，nm3，nm4 和nm5 的不匹配造成的。按照文獻(xiàn)的分析辦法，可以得到這樣的式子，公式（1）中，而vos2 主要由pm7，pm8，pm9，pm10 失配以及pm6 與pm12 關(guān)斷引入的失配引起的電荷q 所組成的，表達(dá)式為，因此，總體的失調(diào)電壓為，按照公式（5），只要av 足夠的大，那么囫圇比較器的運(yùn)放的失調(diào)就可以認(rèn)為主要由前置增益運(yùn)放的失調(diào)電壓vos1 造成的。在公式（1）"（5）中，avtn, avtp, n ab , 和p ab 是與工藝相關(guān)的常數(shù)，和是前置運(yùn)放負(fù)載晶體管的失調(diào)電壓，和是輸入晶體管的失調(diào)電壓，因此加大晶體管的面積

6、可以得到較小的失調(diào)電壓。但是，這種辦法將加大版圖的面積以及寄生電容，而且也會(huì)降低比較器的速度。其實(shí)不用增大全部管子的面積，就可以減小比較器的失調(diào)電壓。按照公式（5），可以增大增益av 來減小vos2 對(duì)照較器的失調(diào)影響。按照公式（1），可采納減小vos1的辦法如下：1）增大av，用來減小nm2 和nm3 的失配對(duì)vos1 的影響；2）適量的增強(qiáng)nm2 和nm3 的面積，以減小閾值電壓的失配對(duì)vos1 的影響。圖2 為比較器的版圖。版圖的左邊為前置運(yùn)放的版圖，右邊為鎖存比較器的版圖。為了減小因?yàn)榘鎴D的失配帶來的比較器的輸入電壓，前置運(yùn)放和鎖存比較器分離采納對(duì)稱結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)比較器的對(duì)稱性。圖2 比較

7、器的版圖3.2 踢回噪聲在前置運(yùn)放的輸出端和鎖存比較器的輸入端之間需要一個(gè)隔離電路來減小踢回噪聲。在鎖存比較器的兩個(gè)輸入端的晶體管的前面，分離加上一個(gè)pmos管（pm6，pm11）作為開關(guān)管，晶體管的共柵電壓用來控制信號(hào)。因此，踢回噪聲對(duì)囫圇前置增益運(yùn)放鎖存比較器的影響就顯著的減小了。3.3 傳輸延遲時(shí)光的充實(shí)有兩種辦法減小傳輸比較器的延遲：1）降低前置增益運(yùn)放的時(shí)光常數(shù)；2）加大前置增益運(yùn)放的a(s)。圖3 為前置增益運(yùn)放的溝通小信號(hào)等效模型。按照?qǐng)D3，可得到等式(6)，(7)圖3 前置增益運(yùn)放的小信號(hào)等效模型在上面的式子中，av(0)為前置增益運(yùn)放的直流小信號(hào)增益，rout 是運(yùn)放的等效輸

8、出阻抗， c t 為時(shí)光常數(shù)。r1 可以通過工作在深線性區(qū)的pmos 管來代替，表達(dá)式為，按照公式(6)(7)，減小r1 可以使得 c t 削減，從而使響應(yīng)速度指數(shù)增強(qiáng)，但是，同時(shí)減小r1，也使得av(0)變小，從而使得響應(yīng)速度線性下降。由此可見，與av(0)相比， c t 對(duì)延遲時(shí)光的影響要顯著多。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)av(0)要有個(gè)合理的設(shè)置。4 模擬與結(jié)果分析在 composer 環(huán)境，用法spectre 對(duì)本文的比較器舉行仿真。時(shí)鐘的模擬頻率為100mhz，電源電壓為3.3v，模擬的條件為typical。在圖4 中，vin+和vin-為差分三角波信號(hào)，頻率為2.5mhz，峰-峰值為1.4

9、55v"1.855v。vref+和vref-為差分直流信號(hào)，它們的差值為31.25mv，4 位子flashadc 的1/2lsb。信號(hào)的共模電壓為1.65v。v+和v-分離為鎖存比較器的正負(fù)端輸出，vout+和vout-分離為終于輸出的正端和負(fù)端。從圖4可以看出當(dāng)vin+和vin-的差值小于1/2lsb 時(shí)，vout+和vout-的電壓值發(fā)生翻轉(zhuǎn)。圖5為圖4的局部放大圖，可以看出傳輸比較器的延遲為680ps。在這種狀況下囫圇電路消耗0.29mw 的功耗。圖4 比較器的仿真波形圖5 圖4的局部放大圖表1 中，前置增益動(dòng)態(tài)比較器，電阻分配比較器（0.35um 和0.5um）、差分對(duì)照較器和電荷分配型比較器的性能舉行總結(jié)。從表1中，可以看出與其它比較器相比，前置增益運(yùn)放動(dòng)態(tài)比較