高性能CMOS集成電壓比較器設計

電壓比較器是對輸入信號進行鑒幅與比較的電路，其功能是比較一個模擬信號和另一個模擬信號(參考信號)，并以輸出比較得到的二進制信號。其在A／D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)傳輸器、切換功率調(diào)節(jié)器等設備中有著廣泛的應用。在高速度、高精度A／D轉(zhuǎn)換器中，比較器的精度和速度直接影響轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度等關(guān)鍵指標；在數(shù)據(jù)傳輸器中，比較器的性能對數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率有著很大的影響；在切換功率調(diào)節(jié)器中，調(diào)節(jié)器的功率調(diào)節(jié)性能在很大程度上依賴于電壓比較器的性能。因此，是高工作頻率、高增益、低失調(diào)電壓、高性能的電壓比較器，在模擬集成電路和數(shù)／?；旌霞呻娐分惺种匾?。仿真結(jié)果表明，該電壓比較器適用于高速A／D轉(zhuǎn)換器、高速數(shù)據(jù)傳輸器及高性能切換功率調(diào)節(jié)器等設備中。

1 比較器電路設計

這里介紹的電壓比較器是傳統(tǒng)的預放大鎖存比較器，采用預放大器、鎖存比較器和輸出緩沖級級聯(lián)的方式來實現(xiàn)，其原理框圖如圖1所示。






如圖2中第一部分所示，M20和M21構(gòu)成差分放大管；M4，M6組成有源負載。M2，M3分別與M4，M6并聯(lián)，以向差分放大管注人大電流，同時也減小了M4和M6的寬長比，降低了電路的輸入電容，以利于電路提高頻率特性。該放大器的增益可表示為：






從式(1)可以看出，在管子寬長比確定后，Av與(1+ISD2／ISD4)1/2成正比，若M2向M21注入大電流，則在保證高頻時能提高放大器的增益。該放大器的增益為12．9 dB(4．415 7倍)，3 dB帶寬為582．64 MHz。

1．2 鎖存比較電路

鎖存比較電路是整個比較器的核心部分，它應能區(qū)分毫伏量級的輸入信號差。如圖2中第二部分所示， M17,M18交叉互連實現(xiàn)正反饋，以提高比較電路的增益。利用前級預放大器的輸出，控制鎖存器輸入電流I+，I_的變化，若I_遠大于I_，則M16和 M18導通，Vout-△0，Uout+=(2L16I+／WμnCox)+VTHN；若I_增大而I+減小，M18的漏一源電壓升高，當高到M17的 VTHN時，M17導通，此時M17管開始抽取原來流過M16管的電流，這會使M16管的漏一源電壓下降，并導致M18管截止，電路的輸出狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換。當I-增大到一定程度時會導致M18進入飽和區(qū)，此時臨界電流值I-=(I+)(W17μnCox／L17)／(W16μnCox／L16)，該電流臨界點也是輸出電壓發(fā)生轉(zhuǎn)換的臨界點。同理可得，當I+增大時，發(fā)生轉(zhuǎn)換的電流臨界點I+=(I-)(W17μnCox／L17)／ (W16μCox／L16)。

該鎖存比較器發(fā)生轉(zhuǎn)換時的輸入電壓差為1．37 mV。從鎖存器的瞬態(tài)特性可以看出，在輸入信號發(fā)生跳變時，通過比較輸入信號和2．5 V參考信號，鎖存比較器給出兩個向相反方向變化的輸出信號，實現(xiàn)了比較功能。

1．3 輸出緩沖驅(qū)動級

輸出緩沖驅(qū)動級(又稱后放大器)的主要作用是把鎖存比較電路的輸出信號轉(zhuǎn)化成邏輯電平(0 V或5 V)。如圖2中第三部分所示，M8，M10，M11,M13,M14,M15組成差分自偏置電路，它能吸人和供出較大的電流，使比較器在驅(qū)動大的容性負載時速度不受擺率的限制。M9，M12組成一個反相器，用作附加的增益級，同時實現(xiàn)負載電容和自偏置差分放大器之間的隔離。要使輸出緩沖級工作在線性區(qū)，輸入信號的幅度一般要在1～3．5 V之間，所以在電路中串入M26管來提升鎖存器輸出電壓的幅值。

2 電路仿真

在5 V電源的電壓下，Vin-端加2．5 V參考信號，在Cadence軟件平臺下用Spec-tre工具對基于CSMC 0．5 μmCMOS工藝模型的電路進行仿真，得到比較器的增益、帶寬、上升延時、下降延時、輸入共模范圍如圖3所示。

用Cadence自帶的Dracula工具對版圖進行驗證，通過設計規(guī)則檢查(DRC)，該版圖符合CSMC0．5μmCMOS工藝的相關(guān)設計規(guī)則。通過電路圖和版圖的對照(LVS)，版圖中的器件及器件間的連接情況與電路圖中相一致，保證了該版圖是圖2所示電路圖的物理掩模圖形集。此外，在做完DRC和 LVS后，版圖的電氣規(guī)則檢查(ERC)也同時完成了，這是Dracula工具的一個主要特點。ERC報告顯示該版圖中無短路、斷路等電氣規(guī)則錯誤。

4 結(jié) 語

在CSMC O．5μm CMOS工藝條件下，采用預放大器、鎖存比較電路和輸出緩沖級級聯(lián)的鎖存比較電路結(jié)構(gòu)，設計了一個高速、高精度的高性能集成電壓比較器，它具有低輸入失調(diào)電壓、低功耗的特點。完成從電路原理圖設計到版圖設計和驗證(DRC，LVS)以及工藝角仿真和分析的整個設計流程。從仿真結(jié)果可以看出，這一高性能電壓比較器適用于高速A／D轉(zhuǎn)換器、高速數(shù)據(jù)傳輸器及高性能切換功率調(diào)節(jié)器等設備中。3 版圖設計

集成電路的版圖是芯片在實際制作時物理掩模圖形的集合，是從電路原理圖到實際芯片的關(guān)鍵過渡環(huán)節(jié)。版圖的設計直接影響著芯片的最終性能。模擬集成電路版圖的設計要求更高，它不僅有技術(shù)成分，還需要許多藝術(shù)性的布局和走線。

基于CSMC 0．5μm CMOS(N-Well硅柵)工藝設計的集成電壓比較器版圖如圖4所示。其中電阻為制作在N-well中的P+擴散條；MOS管為NORMAL器件，其溝道寬長為多晶硅柵覆蓋有源區(qū)部分的寬長。包圍有源區(qū)的N+diff和P+diff，用來表明管子是NMOS管，還是PMOS管，版圖面積為57μm×69 μm。