一種低回踢噪聲高速電壓比較器的設(shè)計(jì)

張國(guó)成

[摘要]通過(guò)對(duì)現(xiàn)有幾種閂鎖比較器的分析和比較,提出一種應(yīng)用于流水線ADC中改進(jìn)的動(dòng)態(tài)閂鎖電壓比較器結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)具有較小的功耗和回踢噪聲的特點(diǎn)。并采用0.18um CMOS1P6M工藝對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì),在電源電壓為1.8V的條件下,對(duì)電路進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果表明它的回踢噪聲小,輸入敏感電壓誤差小于2mV,最高工作頻率200MHz,功耗270uW。

[關(guān)鍵詞]CMOS回踢噪聲比較器

中圖分類號(hào):TN98文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)1210042-02

一、引言

在現(xiàn)代通信和信號(hào)處理系統(tǒng)中,模數(shù)轉(zhuǎn)換器是非常重要的一個(gè)電路模塊,特別是在以電池供電為主的便攜式移動(dòng)通訊終端中,更是需要高速、低功耗、高分辨率的ADC作為數(shù)字信號(hào)處理的接口。

由于動(dòng)態(tài)閂鎖結(jié)構(gòu)的比較器具有速度高功耗小的特點(diǎn),因此在Pipeline ADC中被廣泛采用。但是在閂鎖比較器中,若其再生節(jié)點(diǎn)上面有大的電壓改變時(shí),該改變會(huì)通過(guò)輸入MOS管的寄生電容耦合到比較器的輸入,因此而使輸入電壓被干擾,從而降低轉(zhuǎn)換器的精度,這個(gè)干擾通常稱為回踢噪聲。當(dāng)pipelined ADC中同時(shí)有大量的比較器同時(shí)進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作時(shí),該回踢噪聲會(huì)嚴(yán)重影響輸入電壓及參考電壓,從而使ADC的精度大大降低。

本文提出了一種改進(jìn)的CMOS動(dòng)態(tài)閂鎖電壓比較器結(jié)構(gòu),通過(guò)對(duì)電路中主要指標(biāo)的分析和優(yōu)化設(shè)計(jì),使該比較器達(dá)到了很小的回踢噪聲和較高的工作速度。

二、閂鎖比較器結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有閂鎖比較器的結(jié)構(gòu)有很多種,這里主要對(duì)class-AB閂鎖比較器及動(dòng)態(tài)閂鎖比較器兩種比較器的結(jié)構(gòu)從功耗、速度和回踢噪聲等方面進(jìn)行比較分析。

(一)class-AB閂鎖比較器

Class-AB型閂鎖比較器典型電路如圖1所示。

圖1Class-AB型閂鎖比較器

當(dāng)Vlatch為低電平時(shí),M5關(guān)斷,使M3a/M3b上沒(méi)有任何電流流過(guò)。而M4作為復(fù)位開(kāi)關(guān),使M2a/M2b作為輸入差分對(duì)管M1a/M1b的負(fù)載管。當(dāng)Vlatch

變?yōu)楦唠娖綍r(shí),再生過(guò)程開(kāi)始:復(fù)位開(kāi)關(guān)打開(kāi),晶體管M2a/M3a和M2b/M3b形成兩個(gè)背靠背的反相器,在再生相的開(kāi)始階段將兩個(gè)小的輸出電壓再生為全擺幅的數(shù)字電平。

該類比較器具有以下顯著特點(diǎn):

1.其再生過(guò)程同樣由兩個(gè)耦合的CMOS反相器完成。在再生過(guò)程中,瞬間增大的電流給輸出節(jié)點(diǎn)充電,使再生過(guò)程變得很快速。

2.在該類比較器中,其輸入差分對(duì)的漏端都是直接連接在再生節(jié)點(diǎn)上,由于該電路只有一個(gè)極點(diǎn),所以輸出電壓會(huì)更快的響應(yīng)輸入電壓的變化。同時(shí),由于輸出節(jié)點(diǎn)上有軌至軌的電壓改變,而該改變會(huì)通過(guò)寄生電容耦合到輸入節(jié)點(diǎn),所以該結(jié)構(gòu)的回踢噪聲很大。

總之,Class-AB型閂鎖比較器有速度快、高效的特點(diǎn),但回踢噪聲較大。

(二)動(dòng)態(tài)閂鎖比較器

雖然Class-AB型閂鎖比較器效率高,但其在復(fù)位相及再生完成后仍然消耗功耗。而動(dòng)態(tài)閂鎖比較器,只有再生階段才有功率消耗。其典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2動(dòng)態(tài)閂鎖比較器

當(dāng)Vlatch為低電平時(shí),晶體管M4a/M4b和M5a/M5b將輸出節(jié)點(diǎn)及差分對(duì)管(M1a/M1b)拉至VDD,M6關(guān)斷,整個(gè)電路無(wú)電流。當(dāng)Vlatch為高電平時(shí),復(fù)位管關(guān)斷;電流流過(guò)M6和差分對(duì)管。根據(jù)輸入電壓的不同,耦合反相器M2a/M3a和M2b/M3b中的一個(gè),會(huì)獲取更多的電流,從而決定最終的輸出狀態(tài)。

再生完成后,一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)電壓將變?yōu)閂DD;另一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)和差分對(duì)管的兩個(gè)漏端電壓都將變?yōu)?V。在這種情況下,整個(gè)電路沒(méi)有電流,從而使電路的功率效率達(dá)到最大值。

由于差分對(duì)管M1a/M1b的漏端有軌至軌的電壓變化,所以會(huì)產(chǎn)生大的回踢噪聲。不僅如此,在這種比較器結(jié)構(gòu)中還有另外的回踢噪聲源存在:差分對(duì)管操作范圍的變化。在復(fù)位相,整個(gè)電路沒(méi)有電流流過(guò),且差分對(duì)管M1a/M1b關(guān)閉。在再生相的開(kāi)始階段,電流開(kāi)始流過(guò)M1a/M1b,其VDS很大,晶體管處于飽和狀態(tài);當(dāng)其漏端電壓變?yōu)?時(shí),它們進(jìn)入三極管區(qū)。操作區(qū)域的改變伴隨著其柵電壓的改變,所以會(huì)相應(yīng)的引起其輸入電壓的改變。

三、改進(jìn)的閂鎖比較器

如圖3所示為改進(jìn)后的閂鎖比較器結(jié)構(gòu),其由預(yù)放大輸入對(duì)管M7/M7'和M8/M8'和主比較器結(jié)構(gòu)所組成,在主比較器前面增加預(yù)放大輸入對(duì)管有兩個(gè)方面的作用:一是應(yīng)用于piplelined ADC中時(shí),可以直接四端輸入,而不需要采樣電容,這樣大大減小了ADC的面積;二是更大程度上減小回踢噪聲。

圖3改進(jìn)的閂鎖比較器

在復(fù)位周期,clk和clk'均為高電平(其中clk'要比clk晚關(guān)斷幾百皮秒),輸入差分對(duì)管MP1和MP2將差分輸入電壓Vid(Vid=Vip-Vin)轉(zhuǎn)換成差分電流饋送到CMOS動(dòng)態(tài)閂鎖的兩個(gè)輸入端,傳輸門MN1和MN2導(dǎo)通將差分電流傳輸?shù)絼?dòng)態(tài)閂鎖的兩個(gè)輸出端A和B,MN5導(dǎo)通使得差分電流從MN5上流過(guò),故流過(guò)MN3和MN4的電流相等,因此NMOS觸發(fā)器狀態(tài)不能翻轉(zhuǎn)。由于MN5導(dǎo)通電阻的影響節(jié)點(diǎn)A和B之間存在一定的電壓差。MP5關(guān)斷,沒(méi)有電流流過(guò)PMOS觸發(fā)器,因此MP3和MP4關(guān)斷。

當(dāng)clk'變?yōu)榈碗娖綍r(shí),進(jìn)入比較周期,MN5關(guān)斷,MN3和MN4形成正反饋的連接,因此NMOS觸發(fā)器首先開(kāi)始再生。MP5導(dǎo)通,MP3和MP4隨之導(dǎo)通,電流從PMOS觸發(fā)器流向NMOS觸發(fā)器,過(guò)幾百個(gè)皮秒后PMOS觸發(fā)器開(kāi)始再生進(jìn)一步加快整個(gè)了再生速度,由于再生過(guò)程是一個(gè)強(qiáng)正反饋的過(guò)程,這個(gè)電壓差被迅速放大直到等于電源電壓。假設(shè)復(fù)位周期Vip小于Vin,則差分電流從A點(diǎn)流向B點(diǎn),由于MN5導(dǎo)通電阻的影響,故復(fù)位周期A點(diǎn)的電壓比B點(diǎn)的電壓高,在比較周期,由于正反饋?zhàn)饔?最終A點(diǎn)的電壓不斷升高直到電源電壓,而B(niǎo)點(diǎn)的電壓不斷下降直到地電位,相應(yīng)地輸出Vout+鎖存為低電平,輸出Vout-鎖存為高電平;反之,則Vout+為高電平,Vout-為低電平。在比較周期MN1和MN2關(guān)斷將次級(jí)輸入對(duì)管與動(dòng)態(tài)閂鎖的輸出相隔離減小了回踢噪聲,而兩個(gè)次級(jí)輸入對(duì)管又接前級(jí)預(yù)放大電路,所以對(duì)輸入信號(hào)(Vin+、Vin-、Vref-、Vref+)的回踢噪聲更小。

比較器的再生時(shí)常數(shù)如下式:

其中DC是節(jié)點(diǎn)A或B處總的寄生電容,gm,NFF和gm,PFF分別表示NMOS和PMOS觸發(fā)器開(kāi)始再生時(shí)的跨導(dǎo)。因此為了獲得最高的工作速度,應(yīng)盡量減小DC而增大分母項(xiàng),因此,設(shè)計(jì)中兩個(gè)觸發(fā)器中的MOS管取工藝允許的最小溝道長(zhǎng)度。再生時(shí)MP3和MN3、MP4和MN4相當(dāng)于兩個(gè)交叉耦合的倒相器,為了使其上升延時(shí)和下降延時(shí)近似相等,通常使PMOS管的寬長(zhǎng)比與NMOS管的寬長(zhǎng)比的比值等于NMOS管載流子遷移率與PMOS管載流子遷移率的比值。通過(guò)模擬優(yōu)化這兩對(duì)PMOS管的寬長(zhǎng)比與NMOS管的寬長(zhǎng)比的比值取3倍。

四、電路模擬和仿真結(jié)果

本設(shè)計(jì)的比較器主要應(yīng)用于流水線ADC中,流水線ADC的差分輸入電壓分別為:Vin+(0.5V～1.5V)、Vin-(1.5V～0.5V)。由兩個(gè)比較器構(gòu)成的子ADC滿足下述關(guān)系式:

所以該比較器的比較電壓分別為+0.25V和-0.25V。將本設(shè)計(jì)采用0.18μm

CMOS 1P6M工藝進(jìn)行實(shí)現(xiàn),時(shí)鐘clk的頻率為50MHz,其仿真結(jié)果如圖4～6所示,仿真結(jié)果顯示該比較器可最高工作于200MHz的時(shí)鐘頻率下;在時(shí)鐘頻率為50MHz時(shí),其負(fù)端比較電平誤差為1.994mV,正端為1.576mV,工作電流150uA,消耗功率為270uW,其在開(kāi)關(guān)動(dòng)作期間的回踢噪聲小于0.2mV:

圖4負(fù)端比較電平誤差為1.994mV

圖5正端比較電平誤差為1.576mV

圖6時(shí)鐘高低電平(即開(kāi)關(guān)動(dòng)作)瞬時(shí)回踢噪聲

五、結(jié)論

本設(shè)計(jì)首先對(duì)現(xiàn)有幾種閂鎖比較器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和比較,提出了一種改進(jìn)的閂鎖比較器結(jié)構(gòu),通過(guò)對(duì)該結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化,使該比較器的回踢噪聲大大的減小。該電路仿真結(jié)果表明其回踢噪聲引起的輸入電壓抖動(dòng)小于0.2mV,輸入敏感電壓誤差小于2mV,最高工作頻率可達(dá)200MHz,50MHz工作頻率下其功耗僅為270uW。

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