適用于SAR ADC的CMOS比較器的設(shè)計(jì)

引言

　　比較器廣泛應(yīng)用于從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程當(dāng)中。在模一數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，經(jīng)過(guò)采樣的信號(hào)經(jīng)過(guò)比較器以決定模擬信號(hào)輸出的數(shù)字值。比較器可以比較一個(gè)模擬信號(hào)和另外一個(gè)模擬信號(hào)或參考信號(hào)的大小。比較器大都采用開(kāi)環(huán)模式，這種開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)不必對(duì)比較器進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)，未進(jìn)行補(bǔ)償?shù)谋容^器可以獲得較大的帶寬和較高的頻率響應(yīng)。然而由于MOS器件的失配誤差，以及放大器的增益和速度之間的相互制約，使得在一定工藝條件下同時(shí)實(shí)現(xiàn)比較器的高速和高精度非常困難。

　　本文提出一種帶時(shí)鐘控制的可再生比較器，適用于在時(shí)間上離散的信號(hào)。此設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)的前置預(yù)放和鎖存器級(jí)聯(lián)的理論基礎(chǔ)上，通過(guò)引入交叉耦合負(fù)載、復(fù)位和鉗位技術(shù)，與文獻(xiàn)[3]相比，實(shí)現(xiàn)了更高的速度和相對(duì)較高的精度。

　　比較器結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

　　該比較器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化如圖1所示。

　　它由兩級(jí)結(jié)構(gòu)相同的前置放大器和一級(jí)帶有復(fù)位再生的高速鎖存器組成，每一級(jí)中都帶有一個(gè)內(nèi)置正反饋的設(shè)計(jì)。前置放大器使輸入的變化足夠大，并且將其加載到鎖存器的輸入端，這樣獲得電路的最佳特性。

　　前置放大器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

　　傳統(tǒng)的前置放大器結(jié)構(gòu)如圖2所示，這種內(nèi)置正反饋比較器由一個(gè)差分輸入對(duì)，一個(gè)偽電流源和一對(duì)交叉耦臺(tái)負(fù)載組成，負(fù)載連接成差分的模式。M1和M2組成差分輸入對(duì)，M3、M33、M4、M44組成帶有正反饋的負(fù)載，以提高電路的增益，這個(gè)正反饋單元電路可以通過(guò)調(diào)整M3、M4和M33、M44管的寬長(zhǎng)比(W／L)來(lái)形成弱正反饋或強(qiáng)正反饋。

　　前置放大器電路中的正反饋分析

　　正反饋是通過(guò)連接到M3和M4的源一漏極的并聯(lián)電壓反饋。其比較的工作過(guò)程為：差分輸入信號(hào)加到NMOS對(duì)管M1和M2的柵極，假設(shè)一端加正電壓信號(hào)，另一端則為負(fù)電壓信號(hào)；NMOS管M1中流過(guò)的電流Ids1開(kāi)始增大，M2中電流Ids2開(kāi)始減小，M3和M33柵極電位下降，M4和M44柵極電位上升，M3管中電流Ids3增大，M4管中電流Ids4減??；從而使M4和M44的柵極電位更高，M3和M33柵極電位更低，這個(gè)正反饋重復(fù)進(jìn)行直到Ids33隨其柵電壓減小而增大的速度與Ids4減小的速度相等，以及Ids44隨其柵電壓增大而減小的速度與Ids3增大的速度相等。

　　如果忽略M3與M4兩個(gè)交叉耦合的PMOS管負(fù)載的溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)的影響，則交叉耦合負(fù)載的作用相當(dāng)于一個(gè)負(fù)電阻RX=-2/gm3(其中g(shù)m3=gm4)

　　考慮到M3、M4的溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)的影響，則
　　

　　交叉耦合的正反饋負(fù)載的負(fù)電阻特性補(bǔ)償了一部分正的輸出阻抗，在一定程度上提高了差分輸出阻抗，提高了比較器的增益。所以，第一級(jí)前置正反饋放大器的增益為：
　　

化簡(jiǎn)得到直流電壓增益為：
　　

　　在C1相同時(shí)，時(shí)間常數(shù)越大，比較器的信號(hào)傳輸時(shí)間越長(zhǎng)，其轉(zhuǎn)換速度就越低。但同時(shí)，比較器的增益卻越大，因此導(dǎo)致高增益與高速度的矛盾。

　　設(shè)計(jì)優(yōu)化

　　優(yōu)化后的前置內(nèi)置正反饋放大器電路結(jié)構(gòu)如圖3所示：
　　RS與兩個(gè)相反的時(shí)鐘信號(hào)用來(lái)控制比較器的復(fù)位，當(dāng)RS為高時(shí)，比較器處于復(fù)位狀態(tài)；RS為低時(shí)，比較器開(kāi)始進(jìn)行比較。這樣通過(guò)每次比較前的復(fù)位，可以進(jìn)一步提高比較器的翻轉(zhuǎn)速度。

　　為了獲得更高的工作速度，在兩個(gè)輸出端之間還有兩個(gè)鉗位二極管，用來(lái)控制兩個(gè)差分輸出端的電壓差。如果輸出電壓差值過(guò)大，則當(dāng)本級(jí)比較器的輸入發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，兩個(gè)輸出端會(huì)由于電壓差過(guò)大而造成輸出端翻轉(zhuǎn)的速度較慢，從而影響輸出結(jié)果和比較器的性能。所以這兩個(gè)MOS管可以起到鉗位的作用，即限制Vo1和Vo2電壓的擺幅，提高比較器的速度。在平衡狀態(tài)時(shí)，通常