適用于SAR ADC的CMOS比較器的設(shè)計

引言

　　比較器廣泛應(yīng)用于從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程當(dāng)中。在模一數(shù)轉(zhuǎn)換過程中，經(jīng)過采樣的信號經(jīng)過比較器以決定模擬信號輸出的數(shù)字值。比較器可以比較一個模擬信號和另外一個模擬信號或參考信號的大小。比較器大都采用開環(huán)模式，這種開環(huán)結(jié)構(gòu)不必對比較器進(jìn)行補(bǔ)償，同時，未進(jìn)行補(bǔ)償?shù)谋容^器可以獲得較大的帶寬和較高的頻率響應(yīng)。然而由于MOS器件的失配誤差，以及放大器的增益和速度之間的相互制約，使得在一定工藝條件下同時實現(xiàn)比較器的高速和高精度非常困難。

　　本文提出一種帶時鐘控制的可再生比較器，適用于在時間上離散的信號。此設(shè)計在傳統(tǒng)的前置預(yù)放和鎖存器級聯(lián)的理論基礎(chǔ)上，通過引入交叉耦合負(fù)載、復(fù)位和鉗位技術(shù)，與文獻(xiàn)[3]相比，實現(xiàn)了更高的速度和相對較高的精度。

　　比較器結(jié)構(gòu)與設(shè)計

　　該比較器的結(jié)構(gòu)簡化如圖1所示。

　　它由兩級結(jié)構(gòu)相同的前置放大器和一級帶有復(fù)位再生的高速鎖存器組成，每一級中都帶有一個內(nèi)置正反饋的設(shè)計。前置放大器使輸入的變化足夠大，并且將其加載到鎖存器的輸入端，這樣獲得電路的最佳特性。

　　前置放大器的設(shè)計及優(yōu)化

　　傳統(tǒng)的前置放大器結(jié)構(gòu)如圖2所示，這種內(nèi)置正反饋比較器由一個差分輸入對，一個偽電流源和一對交叉耦臺負(fù)載組成，負(fù)載連接成差分的模式。M1和M2組成差分輸入對，M3、M33、M4、M44組成帶有正反饋的負(fù)載，以提高電路的增益，這個正反饋單元電路可以通過調(diào)整M3、M4和M33、M44管的寬長比(W／L)來形成弱正反饋或強(qiáng)正反饋。

　　前置放大器電路中的正反饋分析

　　正反饋是通過連接到M3和M4的源一漏極的并聯(lián)電壓反饋。其比較的工作過程為：差分輸入信號加到NMOS對管M1和M2的柵極，假設(shè)一端加正電壓信號，另一端則為負(fù)電壓信號；NMOS管M1中流過的電流Ids1開始增大，M2中電流Ids2開始減小，M3和M33柵極電位下降，M4和M44柵極電位上升，M3管中電流Ids3增大，M4管中電流Ids4減??；從而使M4和M44的柵極電位更高，M3和M33柵極電位更低，這個正反饋重復(fù)進(jìn)行直到Ids33隨其柵電壓減小而增大的速度與Ids4減小的速度相等，以及Ids44隨其柵電壓增大而減小的速度與Ids3增大的速度相等。

　　如果忽略M3與M4兩個交叉耦合的PMOS管負(fù)載的溝道長度調(diào)制效應(yīng)的影響，則交叉耦合負(fù)載的作用相當(dāng)于一個負(fù)電阻RX=-2/gm3(其中g(shù)m3=gm4)

　　考慮到M3、M4的溝道長度調(diào)制效應(yīng)的影響，則
　　

　　交叉耦合的正反饋負(fù)載的負(fù)電阻特性補(bǔ)償了一部分正的輸出阻抗，在一定程度上提高了差分輸出阻抗，提高了比較器的增益。所以，第一級前置正反饋放大器的增益為：
　　

化簡得到直流電壓增益為：
　　

　　在C1相同時，時間常數(shù)越大，比較器的信號傳輸時間越長，其轉(zhuǎn)換速度就越低。但同時，比較器的增益卻越大，因此導(dǎo)致高增益與高速度的矛盾。

　　設(shè)計優(yōu)化

　　優(yōu)化后的前置內(nèi)置正反饋放大器電路結(jié)構(gòu)如圖3所示：
　　RS與兩個相反的時鐘信號用來控制比較器的復(fù)位，當(dāng)RS為高時，比較器處于復(fù)位狀態(tài)；RS為低時，比較器開始進(jìn)行比較。這樣通過每次比較前的復(fù)位，可以進(jìn)一步提高比較器的翻轉(zhuǎn)速度。

　　為了獲得更高的工作速度，在兩個輸出端之間還有兩個鉗位二極管，用來控制兩個差分輸出端的電壓差。如果輸出電壓差值過大，則當(dāng)本級比較器的輸入發(fā)生翻轉(zhuǎn)時，兩個輸出端會由于電壓差過大而造成輸出端翻轉(zhuǎn)的速度較慢，從而影響輸出結(jié)果和比較器的性能。所以這兩個MOS管可以起到鉗位的作用，即限制Vo1和Vo2電壓的擺幅，提高比較器的速度。在平衡狀態(tài)時，通常