高速CMOS鐘控比較器的設(shè)計(jì)

　　2. 2　失調(diào)電壓

　　比較器的失調(diào)電壓主要來(lái)源于預(yù)運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)差如下式:

　　其中：

　　式中，δ21， 2是預(yù)運(yùn)放輸入差分對(duì)失調(diào)電壓的標(biāo)準(zhǔn)差，δ23， 5是預(yù)運(yùn)放負(fù)載管失凋電壓的標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)放輸入差分對(duì)管和負(fù)載管的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓，并適當(dāng)增加它們的面積可有效地減小輸入失調(diào)電壓。但同時(shí)增大了漏極電容，降低比較器的速度。因此，比較器的設(shè)計(jì)需要在功耗、速度和精度之間進(jìn)行折中。

　　3　電路仿真

　　通過(guò)以上分析，使用Hsp ice進(jìn)行仿真與優(yōu)化，最終確定比較器的核心電路(預(yù)運(yùn)放與判斷級(jí)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(zhǎng)比

　　在電源電壓1. 8 V、SM IC 0. 18μm CMOS工藝模型下，采用Hsp ice對(duì)前面設(shè)計(jì)的比較器電路進(jìn)行仿真。為了檢驗(yàn)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(shí)間變化的信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)，工作時(shí)鐘頻率為500MHz，仿真波形如圖6所示。圖6 ( a) 、( b)中第一欄是時(shí)鐘控制信號(hào)CLK，第2欄是輸入信號(hào)Vin和參考電壓Vref ，第三欄是比較器的輸出信號(hào)Vout。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，在輸入信號(hào)為具有大跳變極端信號(hào)(在基準(zhǔn)參考電壓0. 8 V 下，兩信號(hào)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(zhǔn)電壓1 V) ，仿真結(jié)果驗(yàn)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(jì)了一個(gè)基于1. 8 V電源電壓、時(shí)鐘頻率可以達(dá)到500MHz的高速鐘控電壓比較器，采用預(yù)放大級(jí)、判斷級(jí)、輸出緩沖級(jí)結(jié)構(gòu)，每一級(jí)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)對(duì)各個(gè)部分電路的特點(diǎn)進(jìn)行分析，優(yōu)化了前置放大器的晶體管的尺寸，實(shí)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(duì)電路進(jìn)行仿真，結(jié)果表明在500 MHz的時(shí)鐘頻率下，比較精度可達(dá)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。