高速比较器的分析与设计

兰州交通大学毕业设计（论文）I摘要比较器是模数(A/D)转换器的重要组成部分，也是电子系统中应用较为广泛的电路之一。比较器的性能，尤其是速度、功耗、噪声、失调，对整个模数转换器的速度、精度和功耗都有着至关重要的影响。比较器的设计以开环高增益放大器的设计为基础。这类比较器属于非线性的模拟电路，其输入和输出之间不存在线性关系。比较器的系统级应用包括便携式和电池驱动的系统、扫描仪、机顶盒和高速差分线接收器。基于预放大再生锁存理论，本文设计的比较器采用了预放大级结构和动态latch锁存器结构，在传统高速比较器电路结构的基础上应用开关运算放大器技术，提高了分辨率，降低了传输延时。该比较器包括全差分结构的前置放大电路，反相器首尾连接成的双稳态结构为核心的动态再生锁存电路和由两个交叉NMOS晶体管和简单的PMOS共源放大输入组成的输出锁存电路。当时钟信号为低电平时，输入信号和参考信号之差被前置放大电路放大，前置放大电路在获得大的带宽的同时达到较高的增益，有效的提高了比较器的速度，降低了比较器的输入失调电压，比较器输出相对应的逻辑电平，当时钟信号为高电平时，比较器输出被锁存到高电平。关键词：高速比较器；CMOS；失调电压兰州交通大学毕业设计（论文）IIAbstractComparatorisoneofthemostimportantunitsinADCsandwidelyusedinelectronicsystems.Theperformancesofcomparators,suchasspeed,powerconsumption,noise,andoffset,stronglyinfluencethespeed,precisionandpowerconsumptionofADCs.Voltagedetectors,voltageleveltransformer,voltage-frequencytransformer,sampling/trackandholdcircuit,zerodetectors,peakanddelaylinedetectorsallutilizecomparators.Basedonpreamplifier-latchtheory,thisdesignofthecomparatoruseingpre-amplifierstagewiththestructureanddynamiclatchstructure,onthebasisofthetraditionalstructureofhigh-speedcomparatorcircuitswitch,applicationswitchingoperationalamplifiertechnology,improvetheresolutionandreducethetransmissiondelay.thecomparatorincludesapreamplifiercircuitoffullydifferentialstructure,aregenerativelatchwhosekeycomponentsareinvertersconnectedendtoend,andasimpleoutputstagewhichismadeupoftwocross-coupledNMOStransistorandthePMOScommonsourceamplifier.Whenclockislow,thedifferencebetweeninputsignalandreferencesignalamplifiedbypreamplifiercircuit,Preamplifiercircuitgetabigbandwidthtoachievehighgaininthesametime,improvethespeedofthecomparatoreffectively,Reducestheinputoffsetvoltageofthecomparator,comparatoroutputcorrespondingtologiclevel.Whentheclocksignalishigh,thecomparatoroutputislatchedtohigh.Keywords：high-speedcomparator;CMOS;Offsetvoltag兰州交通大学毕业设计（论文）III目录摘要....................................................................IAbstract................................................................II1.绪论................................................................11.1课题背景、目的及意义.............................................11.2国内外发展现状分析...............................................11.3本文的工作内容和结构安排.........................................22.比较器电路结构与工作原理.............................................42.1比较器电路的分类与基本应用.......................................42.1.1比较器的分类.................................................42.1.2比较器的基本应用.............................................92.2比较器的结构与工作原理..........................................112.2.1差分放大器的工作原理........................................122.2.2锁存电路....................................................132.2.3输出放大级..................................................152.3比较器电路的系统参数............................................16本章小结.............................................................203.MOS工艺高速比较器电路的设计.........................................213.1比较器结构的选择................................................213.2比较器失调的消除................................................223.3MOS比较器的设计................................................243.3.1前置放大器的设计............................................243.3.2判断电路的设计..............................................253.3.3总体设计....................................................253.4电路的仿真......................................................27本章小结.............................................................29结论..................................................................30致谢..................................................................31参考文献................................................................32兰州交通大学毕业设计（论文）11.绪论1.1课题背景、目的及意义随着集成电路技术的不断发展和特征尺寸的持续缩小，数字集成电路已经基本能够同时达到高速和低功耗，利用数字系统处理模拟信号的情况变得更加普遍。数字电子计算机所处理和传送的都是不连续的数字信号，而实际中遇到的大都是连续变化的模拟量。模拟量经传感器转换成为电信号的模拟量后，需经过模/数(A/D)转换变成数字信号才可以输入到数字系统中进行处理和控制。因此，A/D转换器作为把模拟电量转换成数字量输出的接口电路，是现实世界中模拟信号通向数字信号的桥梁，是电子技术发展的关键和瓶颈所在。当前A/D转换器的主流正朝着高速、高分辨率以及低功耗的方向发展。特别是针对宽带测试的测量仪器和仪表、自动测试设备、雷达、磁盘通道读取、光接收机、航空电子设备、宽带通信系统和点到点无线通信系统及本地多点分配业务，中高分辨率的超高速A/D转换器的研发已经越来越紧迫了。比较器是所有A/D转换器的关键模块，其速度、功耗和噪声等关键性能对整个模数转换器的速度、精度和功耗都有着至关重要的影响。在高速A/D转换器中，高速比较器的设计是整个设计的难点。现有的CMOS高速比较器的结构主要有：开环比较器、开关电容比较器、再生锁存比较器和预放大再生锁存比较器。一般的高速比较器都是采用锁存比较器结构以满足速度的要求。然而，通常的CMOS锁存比较器存在很大的失调电压，严重的影响了比较器的精度，限制了CMOS锁存比较器在高速高精度A/D转换器中的应用。因此，当前的高速比较器通常都采用预放大再生锁存比较器。本论文就是设计一种高速比较器电路。1.2国内外发展现状分析比较器是所有模数转换器的关键模块。其性能，尤其是速度、功耗，对整个模数转换器的速度和功耗都有着至关重要的影响。但是传统的比较器很难同时满足模数转换器对速度和功耗的要求，因此需要对传统的电路结构进行更新和改进，以满足应用要求。传统的预放大锁存比较器有较小的延迟时间和低失调、低回踢噪声，但是这些高指标是以高损耗和大的芯片面积为代价的；动态比较器虽然具有速度快、功耗低的优点，但是失调电压和回踢噪声都很大，限制了其在高精度模数转换器中的应用；静态比较器具有较小的回踢噪声，然而其功耗大，比较速度慢，不适于高速模数转换器。关于比较器的研究，综合国际和国内模数转换器发展的情况来看，其趋势是高速和兰州交通大学毕业设计（论文）2低功耗，。比较器结构一般为全差分、可再生式、多级放大的级联形式。比较器前面放置一个缓冲放大器，用来降低回踢噪声。用采样电容可抵消失调误差，但采样电容应尽量小，以提高电路带宽，而且采样电容的下极板应连到管子栅极，上极板连到驱动源。在高速应用时，用瞬时短路法使比较器得到迅速恢复。2006年9月，ADI(AnalogDeviceIncorporation)推出ADCMP60x系列满电源摆幅的比较器，适合于高速，低功耗，R-R摆幅和高精密度应用。该系列比较器可提供多种可编程延迟，从1ns到35ns(随机抖动小到2.5psRMS有效值)。ADCMP60x比较器可提供在2.5V-5.5V电源范围内完全达到规定的R-R性能。这在低电压应用中非常有利，特别是在前一代快速R-R比较器在低于2.7V的工作电压时会出现死区的情况下。2006年12月，奥地利微电子公司(Austriamicros