两级开环比较器的设计

初级比较器设计一．前言本文主要包括：（1）分析说明比较器工作原理；（2）比较器的设计计算方法；（3）比较器的HSPICE模拟；（4）比较器物理版图设计实现；（5）设计文件列表说明。二．比较器的原理简述比较器的电路符号如右图所示,它的功能是比较输入端的信号差异，输出以之对应的数值上离散的两种信号之一，当Vin+Vin-时，比较器输出为高电平（Voh）；当Vin+Vin-时，比较器输出为低电平(Vol)；比较器广泛用于模拟电路和数字电路的接口部分即连续和离散的交接部分。1．比较器静态特性(1)理想比较器模型理想比较器的电路模型如下图所示：123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:29-Jun-2006SheetofFile:C:\DocumentsandSettings\Administrator\桌面\temp_wqq\soc_course_design.ddbDrawnBy:Vin+vin-fo(Vin+-Vin-)+-Vin+-Vin-+-+-Vo理想比较器模型它的传输曲线如下图所示：123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:29-Jun-2006SheetofFile:C:\DocumentsandSettings\Administrator\桌面\temp_wqq\soc_course_design.ddbDrawnBy:Vin+-Vin-Vo理想比较器的传输曲线VohVol传输曲线可以用数学函数表示如下：123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:29-Jun-2006SheetofFile:C:\DocumentsandSettings\Administrator\桌面\temp_wqq\soc_course_design.ddbDrawnBy:Vin+Vin-Vo+-比较器电路符号,()0(),()0ohininoininolininVwhenVVfVVVwhenVV，oholvihilVVAVV(2)有限增益比较器模型有限增益比较器的电路模型如下图所示：123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:29-Jun-2006SheetofFile:C:\DocumentsandSettings\yoyo\桌面\TEMP_WQQ\soc_course_desgin_homework\soc_course_design.ddbDrawnBy:Vin+vin-f1(Vin+-Vin-)+-Vin+-Vin-+-+-Vo有限增益比较器模型它的传输曲线如下图所示：123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:29-Jun-2006SheetofFile:C:\DocumentsandSettings\yoyo\桌面\TEMP_WQQ\soc_course_desgin_homework\soc_course_design.ddbDrawnBy:Vin+-Vin-Vo有限增益比较器的传输曲线VohVolVilVih传输曲线可以用数学函数表示如下：1()ininfVV,()ohininihVwhenVVV(),()vininilininihAVVwhenVVVV,,()olininilVwhenVVVoholvihilVVAVV，为一个有限值（3）包含输入失调电压的比较器包含输入失调电压比较器电路模型如下图所示：123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:29-Jun-2006SheetofFile:C:\DocumentsandSettings\yoyo\桌面\TEMP_WQQ\soc_course_desgin_homework\soc_course_design.ddbDrawnBy:Vin+vin-fo(Vin+'-Vin-')+-Vin+'-Vin-'+-+-Vo包含输入失调电压比较器模型+-Vin+'vin-'它的传输曲线如下图所示：123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:29-Jun-2006SheetofFile:C:\DocumentsandSettings\yoyo\桌面\TEMP_WQQ\soc_course_desgin_homework\soc_course_design.ddbDrawnBy:Vin+-Vin-Vo包含输入失调电压比较器的传输曲线VohVilVihVosVol其中的Vos为输入失调电压，它被定义为：实际比较器输出电压为零时，输入端所加的电压，它是比较器的一个重要参数，跟比较器的精度有密切的关系，而且它的温漂很难补偿。（4）比较器其他的静态特性差分输入电阻和电容，输出电阻，共模输入电阻，共模输入电压范围，还有和过度区特性相关联的噪声。这些和运放很相似，可以同样建模。2．单极点简单比较器动态特性比较器动态特性中的重要特性之一为传输时延，定义比较器的时延为：比较器的输入激励和输出转换之间的时延，如下图所示：123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:29-Jun-2006SheetofFile:C:\DocumentsandSettings\yoyo\桌面\TEMP_WQQ\soc_course_desgin_homework\soc_course_design.ddbDrawnBy:VoVohVoltVo=(Voh+Vol)/2Vi=Vin+-Vin-同相比较器的传输时延VilVihttpVi=(Vih+Vil)/2（1）小信号时延假设比较器的最小输入电压差为比较器的精度，定义比较器的最小输入电压为：min(0)oholinvVVVA，其中(0)vA为比较器的低频增益。假设我们分析的比较器为最简单的单极点模型，它的s域增益表示如下：(0)(0)()11vvvccAAAsssw那么，我们下面就可以分析比较器的时延：根据时延的定义和()vAs，进行拉普拉斯逆变换，得到输入为阶跃信号mininV的时域响应如下式：//min(0)[1](0)[1]2(0)tpctpcoholoholvinvvVVVVAeVAeAmaxln(2)0.693tpcc同理可以得到更为普遍的结果：当输入激励信号为阶跃信号mininkV，相应得输出响应时延为：2ln()21ktpck，显然在线性响应的情况下，增大k可以有效的减小时延tp。对应的关系可以表示如下图：123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:29-Jun-2006SheetofFile:C:\DocumentsandSettings\yoyo\桌面\TEMP_WQQ\soc_course_desgin_homework\soc_course_design.ddbDrawnBy:VoVilVoht(Voh+Vol)/2tp(max)tpVinVin(min)Vin=Vin(min)单极点简单比较器的小信号响应（2）大信号时延大信号情况下，如果对电容的充放电决定了电路的响应时间，则出现摆率限制的情形，这时的传输时延为：2oholVVVtpTSRSR，出现摆率限制时，一般有：arg/arg1chedischeIdVdQSRdtCdtC，因此，在摆率响应的情况下，增大对电容的充/放电电流可以减小比较器的时延。三．比较器的设计比较器的传输时延始终是我们关注的一个重点指标，以下侧重分析时延的限制因素和设计时常常引用的公式。1．两级开环比较器的线性响应设计NMOS输入管两极开环比较器的电路拓扑结构如下图所示：1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:30-Jun-2006SheetofFile:C:\DocumentsandSettings\wangqq\桌面\TEMP_WQQ\soc_course_desgin_homework\protel_doc\soc_course_design.ddbDrawnBy:M5NMOS4M7NMOS4M1NMOS4M2NMOS4M3PMOS4M4PMOS4M6PMOS4Vin+VoutVin-VbiasVssVddNMOS输入两级比较器231456第一级：简单CMOSOTA恒流源负载共源放大级第二级：（1）考察输出电压的两个极限：当M6管处于饱和区与线性区的临界点时：6666671[()]2DGSTPDSDSIVVVVI7662662()[11]()DSDDGMINTPDDGMINTPIVVVVVVV7662662()[11]()ohDDDSDDDDGMINTPDDGMINTPIVVVVVVVVVV显然，olssVV（2）两级比较器的特性A部分．第一级简单CMOSOTA特性由以上的电路原理图可以得到第一级简单COMSOTA的小信号等效电路如下图所示：1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:30-Jun-2006SheetofFile:C:\DocumentsandSettings\wangqq\桌面\TEMP_WQQ\soc_course_desgin_homework\protel_doc\soc_course_design.ddbDrawnBy:++12Vgs1Vgs2--rn4rn5Cn54gm2*Vgs2+gm4*Vgs4Cn4Cn5=C145+Vout-gm1*Vgs1第一级：简单COMSOTA小信号等效电路其中：4节点对地电阻4111//3//33nrrdsrdsgmgm,4节点对地电容Cn4,5节点对地电阻52//4nrrdsrds5节点对地电容Cn5，5节点和4节点间的电容Cn54,根据基尔霍夫电压环路（KVL）和电流节点（KCL）定理,可以得到该小信号等效电路的方程组并解得：1(144)5144/(144)()2(155)(144)vgmgmrnrnsCnrngmrnAssCnrnsCnrn（由于密勒效应的作用54nC可以忽略），其中，1(144)5(0)2vgmgmrnrnA为低频增益，由于求()vAs的过程比较繁琐，这里仅仅说明一下如何求解(0)vA（求解()vAs同理），求解低频增益时可以认为小信号等效电路中的所有电容为0，于是可以得到如下的方程组：2244541141221()outmgsmgsngsmgsnmmgsgsVgVgVrVgVrggVV114114511445()(1)outmgsmmgsnnmgsmnnVgVggVrrgVgrr12ingsVV----------------------------------------------------------------1445(1)(0)2outmmnnvinVggrrAV由以下B部分的分析可以知道：第一级简单CMOSOTA可以等效成一个对差模信号跨导为Gm的放大管，而其中的电容对总的极点没有影响，如下图所示：1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:30-Jun-2006SheetofFile:C:\DocumentsandSettings\wangqq\桌面\TEMP_WQQ\soc_course_desgin_homework\protel_doc\soc_course_design.ddbDrawnBy:gm1*vidvid