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一種中速高精度模擬電壓比較器的設(shè)計

作者: 時間:2010-08-16 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

1 引言

在A/D轉(zhuǎn)換器中,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。

一種中速高精度模擬電壓比較器的設(shè)計

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:


一種中速高精度模擬電壓比較器的設(shè)計


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。

2.2 比較器第一級的結(jié)構(gòu)

由于第一級前置放大器需將0.2 mV的小信號輸入迅速放大,同時采用輸出失調(diào)存儲的失調(diào)校準技術(shù),這就要求它具有高帶寬和低增益特點。因此,預(yù)放級1可以采用二極管連接成PMOS作負載的差分運放結(jié)構(gòu),同時考慮本級也是整個高精度模擬電壓比較器的輸入極,它的噪聲性能也對比較器的精度有影響,因此輸入則采用共源共柵(Cascode)的結(jié)構(gòu),這可將回程噪聲減小gm3,4/gm5,6倍,這在比較器一端固定電位,另一端作輸入應(yīng)用的情況下尤其重要,最后再加入一個源隨器作為輸出級,既可調(diào)節(jié)后級放大器的輸入直流電平達到最佳值,又可起到隔離的效果改善噪聲性能。預(yù)放級1的電路如圖2所示(后接的源隨器未畫出)。

一種中速高精度模擬電壓比較器的設(shè)計

假設(shè)電路是完全對稱的結(jié)構(gòu),則整個電路的增益A1約為:


一種中速高精度模擬電壓比較器的設(shè)計



該值一般都在10以下,考慮到帶寬要求和電容上失調(diào)電壓飽和的問題,最終確定其取值約為5。同時,在輸出端Out+與Out-之間加入復(fù)位開關(guān),在每個比較周期的最初,由復(fù)位信號控制開關(guān)閉合。將預(yù)放級1復(fù)位,加快比較速度。

2.3 比較器第二、三級的結(jié)構(gòu)

預(yù)放級2與預(yù)放級3采用相同的電路結(jié)構(gòu),為了增加放大器的增益,它在預(yù)放級1的電路基礎(chǔ)上加入了2個交叉的PMOS管VM7、VM8,在電路中引人了機制,但縮減了帶寬。由于預(yù)放級2的輸入信號比預(yù)放級3小。設(shè)計時也可適當增大預(yù)放級2的電流,有助于提高比較速度。其電路如圖3所示(后接的源隨器未畫出)。

同樣假設(shè)電路是完全對稱的,則通過弱反饋補償后,電路的增益約為:


一種中速高精度模擬電壓比較器的設(shè)計



需要注意的是,遲滯比較器也是采用如圖3所示的電路結(jié)構(gòu),所不同的是遲滯比較器使用了強正反饋機制。兩者的區(qū)別就在于交叉的PMOS管VM7、VM8引入的電流相對于PMOS管VM5、VM6的電流的大小不同。當PMOS管VM7、VM8的電流大于PMOS管VM5、VM6的電流時,整個電路呈正反饋狀態(tài);反之,電路中的正反饋不足以抵消負反饋,整個電路呈負反饋狀態(tài)。由于電路在大信號分析中PMOS管VM5~VM8的過載電壓是相同的,因此它們的電流和寬長比成正比,故VM5的寬長比一定要大于VM7的寬長比才能實現(xiàn)。

2.4 鎖存比較器與數(shù)字觸發(fā)電路

鎖存器實際上就是2個反相器首尾互連,由于利用反相器的正反饋的機制,輸出信號與時間呈正指數(shù)關(guān)系變化,因此可將輸入的小信號差量迅速放大到數(shù)字可識別的電平。同時,鎖存器具有低功耗特點,因為它在一段時間內(nèi)是不工作的,此時干路的開關(guān)被切斷,因此無電流,功耗降低。然而,正是由于這樣的工作特點。使鎖存器工作時的輸出狀態(tài)并未持續(xù)一個時鐘周期,為了串行數(shù)字輸出正確以及給D/A轉(zhuǎn)換器提供正確的置位信號,再生放大器后面應(yīng)加適當?shù)挠|發(fā)電路,以便在再生放大器工作期間正確輸出持續(xù)時間為一個周期的比較結(jié)果。因此,設(shè)計出如圖4所示的電路。

一種中速高精度模擬電壓比較器的設(shè)計

當φ為低電平時,輸入信號In+和In-與鎖存器接通,而鎖存器與電源、地相連的開關(guān)均斷開,鎖存器處于感應(yīng)輸入信號階段;同時,在數(shù)字觸發(fā)電路中,高電平φ/使得開關(guān)管VMN7、VMN8導(dǎo)通接地,此時,低電平φ//分別通過VMP4、VMN4組成的反向器和VMP6、VMN6組成的反向器分別到達2個與非門的輸入端并將其值置為高電平1,使得后級的數(shù)字RS觸發(fā)器呈保持狀態(tài),持續(xù)保持輸出不變。

當φ為高電平時,輸入信號In+和In-與鎖存器斷開,而鎖存器與電源、地相連的開關(guān)接通,鎖存器處于正反饋工作段,輸出信號Out+、Out-與時間呈正指數(shù)關(guān)系變化,使輸出迅速達到電源電壓或低電平,直接滿足數(shù)字輸出要求;同時,在數(shù)字觸發(fā)電路中,低電平φ/使得開關(guān)管VMN7、VMN8關(guān)斷,高電平 φ//別使VMP4、VMP6關(guān)斷和VMN4、VMN6導(dǎo)通,因此,此時2個與非門的輸入端便分別成為了由VMP3、VMN3組成的反向器和VMP5、 VMN5組成的反向器的輸出端,其取值直接由反向器的輸入Out+、Out-決定.使得后級的數(shù)字RS觸發(fā)器根據(jù)輸入的變化而變化,得到正確輸出。

3 比較器的工作時序與仿真

考慮到要最大限度降低鎖存器和數(shù)字觸發(fā)電路部分對前面的模擬電路部分產(chǎn)生的干擾,以及使比較器在每個比較周期完成后迅速復(fù)位,必須使用復(fù)位控制。該比較器工作過程依次分為失調(diào)校準和比較兩個階段。比較階段由數(shù)個比較周期組成,在每個比較周期開始時(除了失調(diào)校準結(jié)束后的第一個比較周期),預(yù)放級1~3和鎖存器在復(fù)位信號rst的作用下進行復(fù)位操作;在每個比較周期結(jié)束時,鎖存器在鎖存信號西作用下鎖存放大信號。

仿真中使用Hspice進行瞬態(tài)仿真驗證,為了降低比較器功耗和干擾,設(shè)定鎖存信號φ的有效信號占空比為1:8,要達到20 MHz的速度,則鎖存信號的周期應(yīng)為50 ns。為此。設(shè)定Vcm=1.2 V,而Vin每50 ns變化一次,從0 ns到250 ns分別為1.2 V,1.200 2 V,1.199 8 V,2 V,1.199 8 V,其中,0~50 ns期間,比較器處于失調(diào)校準階段,之后每個比較周期為50 ns。

當預(yù)放級1~3無輸入失調(diào),存在20 mV輸入失調(diào)時,比較器的仿真結(jié)果分別如圖5和圖6所示,其中西為鎖存信號,rst為復(fù)位信號,Out為比較器輸出,Vo3+、Vo3-為預(yù)放級3的輸出信號。由仿真結(jié)果知,比較器在上述的Vcm和Vin的輸入下,能夠在20 MHz的輸人信號頻率下準確輸出結(jié)果。因此,該比較器既能夠準確的識別0.2 mV的小信號,也能在0.8 V的大信號輸入下具有很強恢復(fù)能力。而當預(yù)放級1~3都有20 mV輸入失調(diào)時,從圖5看出,預(yù)放級3的輸出會在復(fù)位信號后產(chǎn)生波動,但由于使用了恰當?shù)氖д{(diào)校準技術(shù),波動后的信號依然能夠快速復(fù)位,比較器依然能夠準確有效地辨別電壓。也就是說,20 mV輸入失調(diào)并沒有淹沒小至0.2 mV的小信號輸入差值,失調(diào)校準技術(shù)取得預(yù)期效果。

一種中速高精度模擬電壓比較器的設(shè)計


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4 結(jié)束語

在傳統(tǒng)的多級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)中速高精度模擬電壓比較器。通過仿真,比較器達到各項預(yù)定指標,在20 mV輸入失調(diào)下精度達到0.2 mV,速度20 MHz,功耗約1 mW。



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