高速高精度鐘控比較器的設計

在現(xiàn)代通信和信號處理系統(tǒng)中，高性能A／D轉(zhuǎn)換器作為連接模擬和數(shù)字世界的重要通道被廣泛應用于醫(yī)學圖像、高速數(shù)據(jù)變換及QAM調(diào)制器等重要設計領域。比較器是模數(shù)轉(zhuǎn)換器設計的核心單元，其精度、速度、失調(diào)電壓和回饋噪聲等因素直接影響著系統(tǒng)模塊的整體性能。傳統(tǒng)的預放大鎖存比較器通過采用3級或3級以上級聯(lián)的預放大器結(jié)構降低比較器的傳輸延時和回饋噪聲，但這些指標是以較高的功耗和增加芯片面積為代價的。典型的A-B型動態(tài)鎖存比較器具有高速、低功耗的特點，但該結(jié)構存在著較大的回饋噪聲和失調(diào)電壓，限制了比較器精度的提高。綜合考慮以上因素，基于TSMC 0.18μm CMOS標準工藝，本文設計了一種可應用于高速高精度A／D轉(zhuǎn)換器的比較器結(jié)構，給出了提高比較速度和降低回饋噪聲的理論和方法，并基于此進行了電路的設計與優(yōu)化。

1 比較器電路設計
本文設計的高速高精度鐘控比較器從功能上可劃分為3級，包括預放大級，鐘控比較級，輸出緩沖級，如圖1所示。輸入信號通過預放大級電路放大，并由時鐘信號控制把放大后的信號傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/鐘控">鐘控比較級進行再生比較，最后利用正反饋結(jié)構的輸出緩沖級電路將輸出電壓迅速轉(zhuǎn)化成邏輯電平。

1．1 預放大級
為了滿足高速、高精度的要求，預放大器的設計原則是高帶寬低增益。單純的以MOS二極管和電流源為負載的放大器具有有限的增益帶寬積，不能同時兼顧速度和精度的要求，使用二極管和電流源負載的混合結(jié)構可以滿足良好的增益和帶寬的折衷。
針對圖l中預放大級，VM1、VM2構成差分放大管，二極管方式連接的MOS管VM8，VM9為差分對的有源負載，增加PMOS鏡像電流源VM6、VM7的目的是使輸入晶體管偏置電流的一部分由PMOS電流源提供，這樣可以通過減小電流而不是減小寬長比來降低負載管的跨導，進而提高差動增益。VM4、VM5為鐘控開關晶體管，當時鐘信號clk為高電平時，其與輸入差分對構成共源共柵結(jié)構，提高電路對輸入信號的放大能力；當時鐘信號clk為低電平時，其可以有效隔離輸入信號與再生節(jié)點饋通的回饋噪聲，這對保證電路的性能非常重要，預放大電路的小信號模型如圖2所示。

從式(3)可以看出，通過合理調(diào)節(jié)管子的寬長比和電流源注入的電流值可調(diào)節(jié)放大器的增益和頻率特性。需要注意的是，為同時滿足高速比較器對響應時間的要求，設計中在保證增益的同時盡量增加預放大器的帶寬。該預放大器的增益、帶寬仿真結(jié)果如圖3所示，增益為18.352 dB，-3 dB帶寬為1．122 GHz。