流水線ADC中高速比較器的設(shè)計和分析

1、前言

　　在任何一個高速高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，高精度和快速比較器總是起著至關(guān)重要的作用。與其它種類的ADC相比，流水線ADC 有著高速、高分辨率的特點(diǎn)。因此，它在電子系統(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，特別是速度、功耗和失調(diào)電壓對整個電路有著很重要的影響。適合流水線的動態(tài)比較器主要有三種：電阻分壓比較器、差分比較器和電容差分比較器[1]。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)勢體現(xiàn)在3.5 位的子FLASHADC 或者更高分辨率的子FLASHADC 中。在考慮上面提及的因素后，本文給出了時間延遲、失調(diào)電壓和比較器的踢回噪聲的理論分析，并根據(jù)此分析，設(shè)計和優(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，被放大后的信號輸入到鎖存比較器，最后信號通過一個普通的RS 觸發(fā)器，得到最終比較結(jié)果。這種結(jié)構(gòu)結(jié)合了前置增益運(yùn)放對輸入信號負(fù)指數(shù)響應(yīng)和鎖存比較器對輸入信號正指數(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)放大器的增益后折算到運(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，在信號的比較階段混淆了輸入信號。沒有隔離電路可能導(dǎo)致采樣電路的不穩(wěn)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隔離電路[2]。

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)放有兩個差分對，分別由NM2，NM3，NM4 和NM5 組成。PM1，PM2，PM3，PM4 交叉相連形成一個正反饋回路，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 為低的時候，鎖存比較器被復(fù)位，與此同時，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。加載在NM2 和NM3 柵上的差分輸入信號，分別NM4 與NM5 柵上正相基準(zhǔn)電平和負(fù)相基準(zhǔn)電平相比較。兩端各自產(chǎn)生的差分電流，流過共柵級后，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，鎖存比較器開始工作，差值（Vout+―Vout-）被交錯連接的正反饋回路放大，直至穩(wěn)定，一直到低電平的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用來出發(fā)鎖存比較器，并且電路的正反饋提高了比較器的速度，增益也提高了。前置運(yùn)放的失調(diào)電壓Vos1 主要是由于NM2，NM3，NM4 和NM5 的不匹配造成的。根據(jù)文獻(xiàn)[3]的分析方法，可以得到這樣的式子[3][4]，