并联再生锁存比较器.docx

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并联再生锁存比较器

东南大学

模拟实训MPW流片报告

课题名称：

预放大再生比较器设计

姓名：

学号：

指导老师：

摘要

比较器是电子系统中应用较为广泛的电路之一。

比较器的设计以开环高增益放大器的设计为基础。

虽然和运算放大器相比，比较器的应用范围相对狭窄，但比较器仍在很多应用中不可或缺，尤其在模数转换器（Analog-to-digitalconverters，简称ADC）中。

比较器作为流水线型ADC的关键模块，其速度、功耗等性能对整个模数转换器的速度和功耗都有着至关重要的影响。

在各种比较器结构中，预放大再生比较器速度快、功耗低、失调电压小，被广泛应用于高速比较器。

本文基于预放大再生理论，采用TSMC3.3V0.35μmCMOS工艺，设计一种适用于流水线型ADC的高速低功耗比较器电路。

该比较器由前置放大器，比较器和SR锁存电路构成。

经过Cadence软件下的Virtuoso平台对电路进行前仿真，比较器工作电压为3.3V，共模输入电压1.6V，在500MHZ的时钟频率下，能够实现精度为30uV的比较，功耗为5.6mW，传输时延为4ns，翻转电压0.4mV。

关键词：

比较器，预放大锁存，高速低功耗

Abstract

Comparatorisoneofthemostimportantunitswidelyusedinelectronicsystems.Thedesignofacomparatorisbasedonloopgainamplifier.Comparedwithamplifiers,comparatorsarenotthatwidelyused,butitisreallynecessaryespeciallyinAnalog-to-digitalconverters（ADC）.ThecomparatorisacrucialpartofADC.ItsspeedandpowerhavegreatimpactonthecharacteristicofthewholeADC.

Beingoneofvariousarchitectures,preamplifier-latchiswidelyusedashigh-speedcomparatorduetoitshigh-speed,low-powerandsmalloffsetvoltage.Basedonpreamplifier-latchcomparator,adoptedTSMC0.13μmCMOSprocess,ahigh-speed,low-powercomparatorappliedforpipelined-ADCisproposedinthispaper.Thiscomparatorconsistsofthreeblocks:

pre-amplifier,comparatorandSRlatch.Thepre-simulationsuseVirtuososimulationofCadence,thecomparator’sworkvoltageis1.8V,andcommoninputvoltageis1.6V,thesimulationresultsindicatethattheresolutionofthecomparatoris30uV,transmissiondelayislessthan4nsandpowerdissipationisabout5.6mWunderthe500MHZclock.

KeyWords:

Comparator,Preamplifier-latch,High-speedlow-power

第一章绪论

1.1背景

从国际和国内发展情况来看，比较器的研究趋势就是高速度、低功耗和高温度等。

比较器的结构研究主要集中在多级放大的比较器、可再生比较器和全差分比较器。

除了实现比较器的核心结构，越来越多的结构都会采用一些其他模块，比如前置放大器，来降低回踢噪声和失调电压；采样电容，来抵消失调电压等等。

还有，在高速应用时，采用瞬时短路法，使得比较器迅速恢复。

基于速度及功耗问题，本文重点研究比较器高速度和低功耗的实现，选用合适的比较器结构，并对比较器的核心模块进行优化分析。

该比较器采用预防大再生锁存比较器结构，既能够满足高速度的要求，又能实现低功耗。

同时，由于前置放大器的优化，降低了比较器电路的失调电压，提高了比较器的精度。

1.2本文的研究内容和结构安排

为了满足FlashADC对比较器速度的要求，需要设计一个高速低功耗比较器，因为比较器作为ADC电路中的核心电路，比较器的功耗对整个FlashADC的整体功耗有重要影响。

本文的主要任务，是采用TSMC0.35umCMOS工艺，设计一个高速低功耗比较器，其工作时钟为500MHZ，电源电压3.3V，功耗为5mW，传输延迟不得大于4ns，最小分辨率为0.5mV。

论文的章节安排如下：

第2章简要介绍比较器电路结构的基本模型和概念。

分析对比几种常见的比较器结构。

为本论文比较器的设计提供理论基础。

第3章进行比较器的设计和优化。

对比较器的设计技术进行详细的阐述，包括前置放大器，锁存再生比较器，SR锁存器模块的设计及优化。

第4章对比较器电路进行仿真，完成比较器的逻辑仿真、性能参数仿真等，并给出测试结果。

第5章总结本论文的研究成果。

第二章比较器电路的基本模型

本章主要介绍比较器电路结构的性能参数，比较器的静态分析和动态分析，并对几种常见的比较器结构作简要的介绍。

比较器可以比较一个模拟信号和另一个模拟信号或参考信号，并输出经过比较处理的二进制信号[1]。

二进制信号在任意时刻只能取两个指定值中的一个，然而这属于理想情况，实际上二进制状态之间存在过渡区间，使比较器快速通过过渡区间是很必要的。

2.1比较器电路的系统参数分析

理想情况下，比较器的正负输入之差为正时，比较器的输出为高电平（

）；为负时，比较器的输出为低电平（

）。

比较器的理想传输曲线如图2-1所示。

其中Vp比较器的同相输入端电压，Vn是比较器的反相输入端电压。

比较器输出电平的最大值、最小值分别定义为

和

。

图2-1理想比较器的传输曲线

可见，当两个输入端的电压为0时，意味着输出结果发生跳变。

但实际上这样的比较器是不存在的。

下面图2-2给出了有限增益比较器的传输曲线。

图2-2有限增益的比较器传输曲线

其中的

和

是输出分别达到上限和下限所需要的输入电压差Vp-Vn。

这种输入变化称为比较器的精度。

增益是描述比较器工作的重要特性。

因为增益定义了输出能够在两个二进制状态之间转换所必须的最小输入变化量（精度）。

2.1.1主要性能参数

比较器特性包括静态特性和动态特性两个大方面。

静态特性包括比较器的增益、精度、失调电压等。

动态特性包括小信号和大信号方式。

其中，输入激励和输出转换之间的时延称为比较器的响应时间。

在输入激励和输出响应之间有一个时延，这个时间差叫做比较器的传输时延。

这是个非常重要的参数，通常会限制比较器的转换率的提高[2]。

下面给出比较器各个参数的定义[3]。

分辨率（resolution）：

分辨率是指能够产生正确的数字输出的最小差分输入信号。

在有些数模转换器的分辨率，如flash比较器和SAR比较器中，比较器的分辨率直接决定最终模数转换器的分辨率。

影响分辨率的主要因素有噪声、比较器的增益和输入失调（offset）。

其中失调的影响最为严重，且主要受工艺条件的限制。

该参数被定义为

（2-1）

其中

为比较器增益，即过渡曲线的斜率。

其表达式为

（2-2）

比较速度（delay）：

比较速度又称传输延迟时间。

一般定义为输入激励信号与输出数字信号之间的时间差。

该参数影响比较器的最高工作频率，并最终影响模数转换器的最高采样频率。

摆率（slewrate）：

比较器的传输时延随输入幅度的变化而变化，较大的输入将使延时较短。

输入电平增大到一个上限时，即使输入电平再增大也无法对时延产生影响时的电压的变化率被称为摆率。

回踢噪声（kickbacknoise）：

回踢噪声（反冲噪声）是指输出的数字信号对输入模拟信号的反冲，该反冲一般是电荷馈通的结果。

输入失调电压（offset）:

随机输入偏移电压是由输入级的一对MOS管的几何尺寸或工艺失配产生的。

MOS器件表现出比三极管更严重的输入失调电压。

输入失调电压也是影响比较器精度的一部分，失调越大，比较器的精度越低。

其定义为：

如果将差分放大器的两个输入端连在一起，在输出端得到的电压就是输出失调电压。

通常CMOS差分放大器的输入失调电压是5mV-20mV。

由于引入了输入失调电压，实际比较器的传输曲线如图2-3所示。

图2-3带失调电压的有限增益比较器的传输曲线

输入共模范围:

是指比较器在这个范围内，比较器能连续分辨出的输入电压的差值。

该特性也是比较器的重要特性之一。

响应时间：

以上参数说明了比较器的直流特性，考虑了增益、精度、摆率、

传输时延、回踢噪声和失调电压这些参数。

响应时间参数是比较器的时域特性，

响应时间描述了比较器对于差分输入需要多长的响应时间，输入激励和输出转换

之间的延迟就是比较器的响应时间。

比较器的响应时间，表达了输入达到阐值后，

输出状态改变的快慢程度。

这一特性限制了输入信号的最大变化速度。

如果输入

变化太快，例如，在一个很短的间隔内变得比参考电压更正，输出还来不及响应，

便得到不正确的转换输出值。

这是限制模数转换器转换速率的一个重要参数。

比

较器总的响应时间由信号通过比较器的传输延时和输出上升下降时间组成。

通过

比较器的传输延时通常定义为输入信号到达比较器至输出电压上升到最终值10%所需的时间。

上升时间通常为输出电压从最终值的10%到最终值的90%所需

时间。

比较器的响应时间一般为几个毫秒甚至更少。

输出电压摆幅：

当比较器的同相输入端更正时，比较器被认为输出正电压。

反之，得到负的输出电压。

这种特性基于比较器的内部电路，一般比较器由内部的差分放大器和偏置网络组成，决定了输出摆幅。

这个摆幅也受电源电压影响。

输入偏移电流：

是使输出改变状态的两输入电流差值的绝对值。

输入偏置电流：

无信号输入时两个输入电流的平均值。

差分输入电压范围：

比较器工作时两个信号输入端允许加的最大电压。

2.1.2比较器静态分析

对比较器的分析主要从其性能参数入手。

主要分为静态特性分析和动态特性分析[3]。

比较器增益的定义是：

。

理想比较器增益为无限大，这样就会使比较器输出电平翻转发生在某一输入电压差值点上，而不是在某一范围内翻转。

这与实际的比较器不同。

实际比较器的增益只能是个有限值。

其中

和

是输出分别达到上限和下限所需的同相和反相输入电压值。

和

分别是输出高电平和输出低电平。

比较器的增益可以认为是其输入信号的函数。

从比较器的结构上看，有多种提高增益值的方法：

最容易想到的是给比较器加上前置放大器，或者在比较器后端附加一个反相器，还可以简单的通过加大前置放大级的跨导来提高，也就是加大预放大级管子的沟道宽度。

在假设比较器增益为无穷大的情况下，理想比较器应该是在输入跨越0的时候，使输出发生状态变化。

但是如果直到输入的差分电压到了电压

时，输出才发生改变，输出才发生改变，这个电压

就是输入输入失调电压。

比较器的输入失调电压的定义是：

当比较器的同相输入端和反相输入端连在一起时，为使比较器输出为零，应在比较器的两个输入端之间附加的电压称为输入失调电压。

对于输入失调电压

，其中产生的原因有两个：

生产工艺过程中的偏差和环境变化引入的失调，比较器结构、工作点设置引入的失调电压，如果该失调电压可以提前预测，那就不会对电路产生太大影响。

而且只要在设计过程中仔细注意，可以避免这种由比较器结构、工作点设置引入的失调电压。

但是对于工艺偏差、环境变化引入的失调，这种输入失调电压的值往往是随机变化的，其电压极性也不可预知，而且随温度变化而漂移。

如果其影响可能会超过1/2LSB，那么必须采取措施，尽量减小这种失调电压。

关于输入失调电压的减小方法主要有两种：

输入端失调存储和输出失调存储。

当输入失调电压为0时，比较器的直流传输特性曲线是关于

参考输出端对称的。

图2-3中的带有限值增益的输入失调电压的比较器，其传输特性曲线的对称点偏移了

，即只有当输入电压差值超过了

时候比较器的输出才会发生状态变化。

在比较器的共模输入范围内，比较器的输入级能够对输入电压差进行比较，即输入管正常工作。

就是说在输入共模范围内，保证比较器的所有管子工作在饱和区。

比较器的分辨率和输入失调电压都可以认为是输入共模范围的函数，这几个参数之间是相互影响的。

2.1.3比较器动态特性

分析比较器的动态特性，将涉及到比较器的小信号特性和大信号特性。

这样对电路整体的分析把握将更准确。

比较器的传输延迟时间。

当比较器的输入信号不够大时，比较器的分析用小信号分析方法来完成。

此时比较器的输入信号越大，传输延时越小，但不能无限减小，需要有一个下限。

即当输入信号幅度增大到一定值后，即使输入信号继续增大，传输延时也不再改变。

此时称为slewing或者摆率（slewrate）。

随着输入信号增大到一定程度，比较器最终进入大信号工作模式。

这两种工作模式下，比较器传输延时的决定因素不同。

此时的传输延时大小还与比较器的增益和输入共模范围有关，某些时候输入信号的共模电压也会影响比较器增益的大小。

较大的输入幅度和较高的增益都会缩短延时。

对于小信号行为来讲，传输延时主要是电路的非线性特性造成的。

如电路中

存在一些零点、极点。

对于大信号行为而言，摆率主要受输出级驱动能力的限制，表现为对负载电容的充放电速度。

在比较器设计中，如果要求传播延时的抖动变

化较小，就应该使摆率成为主要决定因素，尽量避免电路零、极点在信号频率范

围的影响。

（2-3）

想要提高比较器的转换速率，就得加大比较器的电流。

也就是说，比较器的功耗和速度两者有一定的矛盾，在设计时需要作合理的折衷。

从某些仿真结果结果曲线可以观察到，当比较器输入信号速度较快时，虽然其输出仍然是方波，但结果是错误的，这就是输出不确定状态造成的。

此不定态是因为传输延时增加而造成，不是转换速率限制的结果。

除了上述静态特性和动态特性外，还有一些常见的参数，比如输入阻抗、输出阻抗和噪声特性等，在设计电路时都要加以考虑。

2.2比较器的电路结构与分析模型

从工作原理上看，所有的比较器都可以看作是放大器的不同形式的应用。

根据放大器的不同应用形式，可以分为开环和闭环两种。

一个高增益的运算放大器应用于开环状态就是一个高分辨率的比较器；而迟滞比较器和latch电路则是放大器在两种正反馈形势下的闭环应用[3]。

从功耗的角度，比较器可以分为静态比较器和动态比较器两种。

二者的主要区别在于静态比较器会消耗一定的静态功耗，而动态比较器的静态功耗为零，只有动态功耗。

按照工作原理划分可以分成开环比较器和再生比较器。

按照电路结构划分又可以分为单端输出结构比较器和双端输出结构比较器两种。

设计时，考虑更多的是比较器电路的工作原理。

而其结构则是在原理基础上对设计进行分析。

开环比较器基于非补偿运算放大器，可再生比较器应用类似于传感放大器或触发器的正反馈来完成对两个信号幅度的比较。

综合开环和再生两类比较器的特点，产生一种优化的综合型比较器[4]。

2.2.1开环比较器

以放大器的开环应用当作比较器。

这种比较器的特点是不需要频率补偿，从而可以获得尽可能大的带宽，那么理论上也就可以获得相对比较快的输出响应时间[5]。

这类比较器又可以根据开环应用的放大器的结构分类为：

单级高增益放大器开环应用作比较器，低增益多级级联放大器用作比较器。

以单级放大器开环应用形成的比较器，是依靠放大器高增益把输入较小的差分信号放大后被电源电压切顶，从而输出高或者低电平。

设计这种放大器结构的比较器，因为不存在接成反馈闭环形式的应用情况，也就不必进行频率补偿。

这种比较器一般不能用在高性能系统中，所谓的高性能系统一般就是指失调电压、建立时间和转换速率（摆率）等方面的要求比较高[6]。

由于这类放大器的直流增益一般都比较高，相应的带宽就会比较小，因此这类比较器的建立时间比较长。

时间常数

。

此式子一般适合单极点系统和小信号输入的情况。

其中

是指本级放大器的主极点频率，A0是本级放大器的直流增益。

如前所说，这个主极点频率一般都较低。

因此，时间常数值会比较大。

因此，用放大器作比较器，其比较速度通常比较慢。

图2-4两级比较器

另外一种是多级级联比较器。

出于对比较器建立时间的考虑，若要提高比较速度就得将放大器的主极点频率提高，同时保证其原有的单位增益带宽不变。

这种方法会牺牲一定的直流增益。

为了弥补放大器直流增益的减小，要将多个较低增益的放大器互相级联形成多级级联比较器。

假设有n级级联，级联后放大器的增益变为一级增益的n次幂指数。

建立时间常数公式为[3]

（2-4）

其中A0是级联比较器的直流增益。

由此式可以看出，比较器的比较速度随n的增加而线性提高。

这就是为什么低增益多级级联比较器的速度要比单级高增益比较器的速度快的原因。

Inverting比较器同样属于开环应用的放大器比较器。

其结构通常采用放大器内部的正反馈来设计比较器的迟滞。

这种内部的正反馈结构通常是交叉藕合的差分对管结构，该结构还可以提高比较器的增益。

可再生比较器主要就是利用放大器在外部后接一个正反馈latch来使比较器具有迟滞效应的。

2.2.2离散时间比较器

在某些应用情况下，比较器只是在一部分时间段内工作。

这类电路一般由时钟信号驱动，比较器工作时，具有一部分时间和相位，不工作时，只具有相位。

这类比较器的传输延时一般都较短，效率较高。

常见的离散时间比较器有开关电容比较器和可再生比较器。

在许多高性能系统应用中，输入端常会有一个采样保持电路。

这样会使得输入信号在采样时钟相位发生变化时才变化。

这种应用的比较器可以采用开关电容的结构，这是一种将开关电容电路和开环应用比较器相结合的电路。

其特点是可以采用单端结构的电路来比较差分信号，而且很方便使用自动校零技术来消除直流失调电压。

开关电容比较器的主要误差源就是比较器的直流失调电压和开关管的电荷注入及时钟馈通效应。

Latch比较器也可以称为可再生比较器（RegenerativeComparator），一般是在前置放大器后面加一级正反馈latch，这个latch作为最后一级可以提高比较器的性能。

要求前置放大级的输出幅度足够大，起码要达到latch可以分辨出的电压差值。

Latch的一般结构如图2-5[7]。

图2-5Latch结构

由图2-5可以看出，一个latch实际上是一个单位增益形式的正反馈放大器。

Latch结构比较器有两种工作模式。

在第一种工作模式下，正反馈被禁止，此时latch的输入端探测输入信号；当比较器进入第二种工作模式的时候，正反馈环路进入正常的工作状态，根据探测到的输入信号的值来使latch的一端为高电平，另一端为低电平。

以NMOS管latch电路模型为例分析latch电路，其小信号等效电路如图2-6所示。

图2-6NMOSlatch的小信号电路模型

假设

初值已经建立，且与电容相连的电压源表示

的初始值，且为阶跃函数。

求锁存器工作需要的时间，可列写节点方程如下。

（2-5）

（2-6）

其中G1和G2是MOS管M1和M2漏极到地的电导，C1和C2是从MOS管M1和M2漏极到地的电容。

解方程（2-5）和（2-6）可得

如下：

（2-7）

（2-8）

其中

。

假设所有的晶体管相同，则有

，

，

，从而

。

用

定义

和

的差值。

用

定义

和

的差值。

因此

（2-9）

求得

（2-10）

其中

。

如果

，求式（2-10）的拉普拉斯变换得

（2-11）

式（2-11）给出锁存器的时间常数为

（2-12）

如果C的大部分是栅-源电容，则锁存器的时间常数表示为：

（2-13）

式（2-13）主要表明锁存器的时间常数主要取决于沟道长度。

沟道长度越短，响应越快。

另外由式（2-13）还可以看出，在给定的沟道长度下，输入信号越大，响应时间越短，所以一般在latch前加一级预放大级，先将信号预放大，来增快latch的响应时间。

锁存器的响应时间可以用下式表示

（2-14）

根据此式可以计算某个时刻t输出电压之间的差值

。

电压

实际上是锁存器开始工作前输出电压

和

的差值。

对式（2-14）进行归一化处理得到

（2-15）

锁存器的传输延时可以通过令式（2-15）等于0.5来求得

（2-16）

可见，要想降低比较器的传输时延，减小管子的沟道长度，增大latch输入信号值都是可靠的方法。

2.2.3高速比较器

高速比较器应该尽可能的降低其传输时延。

为了达到这个目的，必须明确高速比较器的要求。

将比较器分为数个级联电路最有助于理解，如图2-7所示，其中每级的增益都为A0，有一个

的单极点。

如果输入的变化稍稍大于Vin（最小），那么每级电路的功能是在可能小的延迟下放大输入信号。

从图中可以看出，前几级信号的摆幅比较小，当信号的摆幅开始接近要求的范围时，放大器将受到他们摆率的限制。

所以，对前几级电路而言，重要的电路参数是带宽，宽带宽可以使放大信号的时延较小，并将放大的信号传至下一级。

但是，对于后面几级电路，重要的是具有高摆率，这样才能使中间级电容和负载电容上的电压上升或下降得足够快。

所以，在整个放大器的链路中，前几级电路的设计和后几级电路是不同的[7]。

图2-7级联比较器概念描述

高速比较器的设计原则是采用前置放大器使输入的变化足够大并将其加到锁存器上。

这组合了电路的最佳特点：

一种是具有负指数响应的前置放大电路，另一种是具有正指数响应的锁存器电路。

前置放大器对输入信号的响应如下

（2-17）

（2-18）

综合上两式可知放大器的延迟时间

。

（2-19）

其中

是前置放大器低频小信号增益，

是前置放大器的跳变电压，

是该差分放大器的时间常数（R是等效输出电阻，C是等效输出电容），

是比较器的输出端的最终差值。

正反馈锁存器对输入信号的响应如下

（2-20）

（2-21）

其中，

是正反馈锁存器时间常数（

是正反馈环的等效跨导，C是等效输出电容），

是正反馈锁存器开始工作时输出端的初始电压差值。

图2-8正反馈锁存器和预放大正反馈锁存器输出信号随时间变化比较

图2-8是正反馈锁存器、触发器和预放大正反馈锁存器输出信号随时间变化的比较。

由图可知，预放大器并没有将输入信号直接放大到输出端的最终差值，而是经过t1时间段，预放大器先将输入信号放大到某一差值

。

又被用来作为正反馈锁存器的输入信号，最终输出端得到所希望的差值

。

显然这种方法需要的时间少于单个正反馈锁存器所用的时间。

正反馈锁存器输出端的快速变化和开关管的时钟馈通等影响，会通过输入管的栅漏寄生电容传递到输入端。

由于输出端和输入端之间没有隔离器件或电路，使得输出端和开关管的快速动作对输入信号造成相当大的干扰（几十一几百毫伏的尖峰抖动）。

这种干扰就是回踢噪声的来源。

正反馈锁存器电路的输入信号，是电阻串分压后的基准电平，和采样保持电路在时钟