高速高精度鐘控比較器的設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代通信和信號(hào)處理系統(tǒng)中，高性能A／D轉(zhuǎn)換器作為連接模擬和數(shù)字世界的重要通道被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像、高速數(shù)據(jù)變換及QAM調(diào)制器等重要設(shè)計(jì)領(lǐng)域。比較器是模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的核心單元，其精度、速度、失調(diào)電壓和回饋噪聲等因素直接影響著系統(tǒng)模塊的整體性能。傳統(tǒng)的預(yù)放大鎖存比較器通過(guò)采用3級(jí)或3級(jí)以上級(jí)聯(lián)的預(yù)放大器結(jié)構(gòu)降低比較器的傳輸延時(shí)和回饋噪聲，但這些指標(biāo)是以較高的功耗和增加芯片面積為代價(jià)的。典型的A-B型動(dòng)態(tài)鎖存比較器具有高速、低功耗的特點(diǎn)，但該結(jié)構(gòu)存在著較大的回饋噪聲和失調(diào)電壓，限制了比較器精度的提高。綜合考慮以上因素，基于TSMC 0.18μm CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝，本文設(shè)計(jì)了一種可應(yīng)用于高速高精度A／D轉(zhuǎn)換器的比較器結(jié)構(gòu)，給出了提高比較速度和降低回饋噪聲的理論和方法，并基于此進(jìn)行了電路的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

1 比較器電路設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的高速高精度鐘控比較器從功能上可劃分為3級(jí)，包括預(yù)放大級(jí)，鐘控比較級(jí)，輸出緩沖級(jí)，如圖1所示。輸入信號(hào)通過(guò)預(yù)放大級(jí)電路放大，并由時(shí)鐘信號(hào)控制把放大后的信號(hào)傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/鐘控">鐘控比較級(jí)進(jìn)行再生比較，最后利用正反饋結(jié)構(gòu)的輸出緩沖級(jí)電路將輸出電壓迅速轉(zhuǎn)化成邏輯電平。

1．1 預(yù)放大級(jí)
為了滿足高速、高精度的要求，預(yù)放大器的設(shè)計(jì)原則是高帶寬低增益。單純的以MOS二極管和電流源為負(fù)載的放大器具有有限的增益帶寬積，不能同時(shí)兼顧速度和精度的要求，使用二極管和電流源負(fù)載的混合結(jié)構(gòu)可以滿足良好的增益和帶寬的折衷。
針對(duì)圖l中預(yù)放大級(jí)，VM1、VM2構(gòu)成差分放大管，二極管方式連接的MOS管VM8，VM9為差分對(duì)的有源負(fù)載，增加PMOS鏡像電流源VM6、VM7的目的是使輸入晶體管偏置電流的一部分由PMOS電流源提供，這樣可以通過(guò)減小電流而不是減小寬長(zhǎng)比來(lái)降低負(fù)載管的跨導(dǎo)，進(jìn)而提高差動(dòng)增益。VM4、VM5為鐘控開(kāi)關(guān)晶體管，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)clk為高電平時(shí)，其與輸入差分對(duì)構(gòu)成共源共柵結(jié)構(gòu)，提高電路對(duì)輸入信號(hào)的放大能力；當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)clk為低電平時(shí)，其可以有效隔離輸入信號(hào)與再生節(jié)點(diǎn)饋通的回饋噪聲，這對(duì)保證電路的性能非常重要，預(yù)放大電路的小信號(hào)模型如圖2所示。

從式(3)可以看出，通過(guò)合理調(diào)節(jié)管子的寬長(zhǎng)比和電流源注入的電流值可調(diào)節(jié)放大器的增益和頻率特性。需要注意的是，為同時(shí)滿足高速比較器對(duì)響應(yīng)時(shí)間的要求，設(shè)計(jì)中在保證增益的同時(shí)盡量增加預(yù)放大器的帶寬。該預(yù)放大器的增益、帶寬仿真結(jié)果如圖3所示，增益為18.352 dB，-3 dB帶寬為1．122 GHz。