一種中速高精度模擬電壓比較器的設(shè)計(jì)
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2．2 比較器第一級(jí)的結(jié)構(gòu)
由于第一級(jí)前置放大器需將0．2 mV的小信號(hào)輸入迅速放大，同時(shí)采用輸出失調(diào)存儲(chǔ)的失調(diào)校準(zhǔn)技術(shù)，這就要求它具有高帶寬和低增益特點(diǎn)。因此，預(yù)放級(jí)1可以采用二極管連接成PMOS作負(fù)載的差分運(yùn)放結(jié)構(gòu)，同時(shí)考慮本級(jí)也是整個(gè)高精度模擬電壓比較器的輸入極，它的噪聲性能也對(duì)比較器的精度有影響，因此輸入則采用共源共柵(Cascode)的結(jié)構(gòu)，這可將回程噪聲減小gm3,4/gm5,6倍，這在比較器一端固定電位，另一端作輸入應(yīng)用的情況下尤其重要，最后再加入一個(gè)源隨器作為輸出級(jí)，既可調(diào)節(jié)后級(jí)放大器的輸入直流電平達(dá)到最佳值，又可起到隔離的效果改善噪聲性能。預(yù)放級(jí)1的電路如圖2所示(后接的源隨器未畫出)。
假設(shè)電路是完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，則整個(gè)電路的增益A1約為：本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/188689.htm
該值一般都在10以下，考慮到帶寬要求和電容上失調(diào)電壓飽和的問題，最終確定其取值約為5。同時(shí)，在輸出端Out+與Out-之間加入復(fù)位開關(guān)，在每個(gè)比較周期的最初，由復(fù)位信號(hào)控制開關(guān)閉合。將預(yù)放級(jí)1復(fù)位，加快比較速度。
2．3 比較器第二、三級(jí)的結(jié)構(gòu)
預(yù)放級(jí)2與預(yù)放級(jí)3采用相同的電路結(jié)構(gòu)，為了增加放大器的增益，它在預(yù)放級(jí)1的電路基礎(chǔ)上加入了2個(gè)交叉的PMOS管VM7、VM8，在電路中引人了弱正反饋機(jī)制，但縮減了帶寬。由于預(yù)放級(jí)2的輸入信號(hào)比預(yù)放級(jí)3小。設(shè)計(jì)時(shí)也可適當(dāng)增大預(yù)放級(jí)2的電流，有助于提高比較速度。其電路如圖3所示(后接的源隨器未畫出)。
同樣假設(shè)電路是完全對(duì)稱的，則通過弱反饋補(bǔ)償后，電路的增益約為：
需要注意的是，遲滯比較器也是采用如圖3所示的電路結(jié)構(gòu)，所不同的是遲滯比較器使用了強(qiáng)正反饋機(jī)制。兩者的區(qū)別就在于交叉的PMOS管VM7、VM8引入的電流相對(duì)于PMOS管VM5、VM6的電流的大小不同。當(dāng)PMOS管VM7、VM8的電流大于PMOS管VM5、VM6的電流時(shí)，整個(gè)電路呈正反饋狀態(tài)；反之，電路中的正反饋不足以抵消負(fù)反饋，整個(gè)電路呈負(fù)反饋狀態(tài)。由于電路在大信號(hào)分析中PMOS管VM5～VM8的過載電壓是相同的，因此它們的電流和寬長(zhǎng)比成正比，故VM5的寬長(zhǎng)比一定要大于VM7的寬長(zhǎng)比才能實(shí)現(xiàn)弱正反饋。
2．4 鎖存比較器與數(shù)字觸發(fā)電路
鎖存器實(shí)際上就是2個(gè)反相器首尾互連，由于利用反相器的正反饋的機(jī)制，輸出信號(hào)與時(shí)間呈正指數(shù)關(guān)系變化，因此可將輸入的小信號(hào)差量迅速放大到數(shù)字可識(shí)別的電平。同時(shí)，鎖存器具有低功耗特點(diǎn)，因?yàn)樗谝欢螘r(shí)間內(nèi)是不工作的，此時(shí)干路的開關(guān)被切斷，因此無(wú)電流，功耗降低。然而，正是由于這樣的工作特點(diǎn)。使鎖存器工作時(shí)的輸出狀態(tài)并未持續(xù)一個(gè)時(shí)鐘周期，為了串行數(shù)字輸出正確以及給D／A轉(zhuǎn)換器提供正確的置位信號(hào)，再生放大器后面應(yīng)加適當(dāng)?shù)挠|發(fā)電路，以便在再生放大器工作期間正確輸出持續(xù)時(shí)間為一個(gè)周期的比較結(jié)果。因此，設(shè)計(jì)出如圖4所示的電路。
當(dāng)φ為低電平時(shí)，輸入信號(hào)In+和In-與鎖存器接通，而鎖存器與電源、地相連的開關(guān)均斷開，鎖存器處于感應(yīng)輸入信號(hào)階段；同時(shí)，在數(shù)字觸發(fā)電路中，高電平φ/使得開關(guān)管VMN7、VMN8導(dǎo)通接地，此時(shí)，低電平φ//分別通過VMP4、VMN4組成的反向器和VMP6、VMN6組成的反向器分別到達(dá)2個(gè)與非門的輸入端并將其值置為高電平1，使得后級(jí)的數(shù)字RS觸發(fā)器呈保持狀態(tài)，持續(xù)保持輸出不變。
評(píng)論