一種中速高精度模擬電壓比較器的設(shè)計

1 引言
在A／D轉(zhuǎn)換器中，比較器重要性能指標是工作速度、精度、功耗、輸入失調(diào)電壓、正反饋時產(chǎn)生的回程噪聲等，這些指標影響和制約著整個A／D轉(zhuǎn)換器的性能。高速比較器速度較快，一般采用鎖存器(Latch)結(jié)構(gòu)，但是失調(diào)和回程噪聲較大，精度在8位以下，用于閃爍(Flash)、流水線(Pipeline)型等高速A/D轉(zhuǎn)換器。高精度比較器可分辨小電壓，但速度相對較慢，一般采用多級結(jié)構(gòu)，且較高的精度決定失調(diào)校準的必要性。這里設(shè)計的比較器是用于輸入范圍2．5 V、速度1 MS／s、精度12位的逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器，為了滿足A／D轉(zhuǎn)換器的性能指標，則需采用中速高精度的比較器。

2 比較器的設(shè)計
由于該比較器用于輸入電壓2．5 V、速度1 MS／s、精度12位的逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器，因此比較器的精度至少應(yīng)達到1／2 LSB，即0．3 mV的電壓，速度高于12 MHz，并且需要考慮一定的設(shè)計余量，所以暫定指標為精度O．2 mV、速度20 MHz。該中速高精度的比較器通常采用多級結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。在利用鎖存器速度高、功耗小等優(yōu)點的基礎(chǔ)上，采用3級前置放大器組成的預(yù)放大級提高精度；采用輸入失調(diào)儲存與輸出失調(diào)儲存技術(shù)相結(jié)合的辦法降低甚至抵消失調(diào)的影響；采用共源共柵、源隨器結(jié)構(gòu)的前置放大器和鎖存器的時鐘控制來抑制回程噪聲的影響；采用數(shù)字觸發(fā)電路獲得高性能的數(shù)字輸出信號。需要注意的是必須準確處理好比較器的各個工作階段，使其各部分協(xié)調(diào)工作，降低相互之間的干擾，以達到最優(yōu)的性能。
2．1 總體結(jié)構(gòu)與失調(diào)校準技術(shù)
圖1為比較器電路的總體結(jié)構(gòu)框圖。采用3級電容耦合的前置放大器加鎖存比較器的結(jié)構(gòu)，其中耦合電容可用于失調(diào)儲存，開關(guān)用于控制比較器工作。

暫不考慮鎖存比較器的時鐘控制以及整個電路的復(fù)位工作，該比較器工作大致分為2階段：首先是失調(diào)校準階段，S1斷開，S2閉合，使預(yù)放級1的正負輸入端連接在中間電壓Vcm上，同時，S3～S6閉合，這樣預(yù)放級1的輸出失調(diào)電壓就存儲在C1、C2上，預(yù)放級2和預(yù)放級3的輸入失調(diào)電壓則分別存儲于C1、 C2和C3、C4；然后是比較階段，S1閉合，S2～S6斷開，比較器開始比較Vcm和Vin，由于預(yù)放級1～3的失調(diào)電壓絕大部分存儲在電容C1～C4 上，因此失調(diào)電壓相互抵消，同時由于3級前置放大器增益的存在，鎖存比較器失調(diào)電壓的影響也減小相應(yīng)倍數(shù)。
假設(shè)預(yù)放級1～3和鎖存比較器的失調(diào)電壓分別是Vos1、Vos2、Vos3、VosL，預(yù)放級1～3的增益分別為A1、A2、A3，開關(guān)S3、S4和 S5、S6注入到電容上的電荷失配量分別為△Q3,4、△Q5,6電容C1～C4的電容量都為C，則使用失調(diào)校準技術(shù)后，比較器的殘余輸入失調(diào)將為：

從式(1)看出，要達到0．2 mV的分辨率，還應(yīng)根據(jù)鎖存器的失調(diào)電壓確定前置放大器的增益。由于鎖存器的失調(diào)電壓通常不會超過100 mV，因此總增益可確定為500。然后再來考慮增益分配問題。預(yù)放級1需要將0．2 mV的小信號輸入迅速放大，所以預(yù)放級1的帶寬要大。在一定增益帶寬積的前提下。意味著增益要小，同時預(yù)放級1采用輸出失調(diào)存儲的失調(diào)校準技術(shù)，也要求預(yù)放級1增益要小，以避免因放大后的輸入失調(diào)在電容C1、C2上飽和而達不到消除失調(diào)的效果。同時，預(yù)放級2、3采用輸出失調(diào)存儲的失調(diào)校準技術(shù)，輸入的信號幅度也較大，因此可采用較大的增益。最終確定預(yù)放級1的增益約為5，預(yù)放級2、3的增益約為10。