![流水線ADC中高速比較器的設(shè)計(jì)和分析_第1頁](http://file3.renrendoc.com/fileroot_temp3/2022-1/8/17bb4d2d-3fb4-493b-8b98-b8185107ff9f/17bb4d2d-3fb4-493b-8b98-b8185107ff9f1.gif)
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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
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