一种高性能的CMOS电压比较器设计

('【关键词】电压比较器高增益低功耗失调电压模拟集成电路中比较器是一个基本模块，广泛应用于模拟信号到数字信号的转换。在a/d转换器中，电压比较器的增益，带宽，功耗，失调电压的特性严重影响整个转换器的转换速度和精度，传统的电压比较器采用多级结构，使用输入失调存储技术（ios）和输出失调存储技术（oos）对失调电压进行消除，增加了电路结构的复杂度和功耗，芯片面积也越来越大。但随着应用速度越来越高，功耗要求越来越低，ios和oos要求放大器有足够高的增益和带宽，这些因素对于其发展有一定的制约作用。本文设计的电压比较器电路结构简单，采用了两级放大结构，前级放大采用差分放大电路，利用差分电路抑制共模信号的干扰，提高了共模抑制比，减少了信号中噪声的干扰，第二级放大采用共源共栅电路对失调电压进行了很好的控制，使电路的失调电压达到150μv，输出级采用推挽输出电路提升了输出的驱动能力，整个比较器的功耗非常低，芯片整个面积仅为29.56μm×25.68μm。该比较器设计主要用于高精度时间测量芯片中，通过比较器产生一个低延时的门控信号，对于整个时间测量电路达到一个精准的控制。通过仿真结果得知，该电压比较器满足应用需求。1电压比较器结构如图1所示为cmos电压比较器原理图，该比较器由偏置电路、差分放大器、共源放大器和推挽级输出电路组成。其中，m1管和m2管组成偏置电压电路，为差分放大器和共源放大器提供偏置电压。通过调节m1管和m2管的宽长比，让差分放大器和共源放大器得到合适的工作电流，合理设计差分放大器和共源放大器，主要考虑输入失调电压、输入共模范围、输出信号的增益和带宽的影响，设计出一个性能最优的比较器电路。m10管和m11管组成一个推挽输出级电路，提升输出信号的驱动能力，为了能更好的和其它电路进行协同工作。该电压比较器的工作原理如下：是同相输入端，是反相输入端。当输入电压高于时，m3管导通，，m3管和m7管的电流相同，m8管又与m7管为镜像电流关系，m8管导通，使，b点为高电平，c点为低电平，vo输出高电平。当输入电压低于vb时，，因此，m4管导通阻抗低，b点为低电平，导致m9管导通，c点为高电平，vo输出为低电平。1.1偏置电压电路设计m1管和m2管组成偏置电路提供m5管和m6管的栅极电位。偏置电路采用pmos管和nmos管栅漏极相连，两管子均工作于饱和区，为差分放大器和共源放大器提供恒定的电流源。因此，1.2差分放大器的设计差分放大电路的作用有两个：首先对输入信号进行放大，这样就可以对比较级电路的比较时间进行降低，同时把总体延时降到最低；其次是对输入信号差值进行放大，这样就可以把失调电压对整个电路的影响降到最低。高带宽在高速比较器中是一个重要影响因素，高的带宽可以使整个电路的比较时间减少，从而对于比较器的速度进行提高。负向共模输入电压决定了差分输入对管。负向共模输入电压取决于m5管进入饱和区的条件。负向共模输入电压为。m3管、m4管和m5都工作在饱和区，三个管子的阈值电压相等。考虑到负向共模范围低和电压增益高的要求，取=1.2v，由式（7）可以得到m3管的宽长比。m3管和m4管是完全对称的输入对管，所以可以得到。有源负载对管m7和m8由正向共模输入电压决定，正向共模输入电压取决于m3管进入饱和区的条件，则得到：设计共模输入电压=3v，。i0为差分放大器的工作电流。由式（8）可以得到m7管的宽长比。m8管和m7为对称有源负载对管，所以得到。差分放大器的放大倍数为：1.3共源放大器的设计共源放大器由m6管和m9管组成，m6管为有源负载，m6管与m2管为镜像电流关系，已经确定m6管的宽长比，m9的设计主要考虑共源放大器的放大倍数和输入失调电压的影响。为了减少输入失调电压对共源放大器的影响。差分放大器和共源放大器应满足式（10）比例关系：由式（11）知共源放大器的放大倍数与工作电流成反比，由于m6管和m9管的输出阻抗与成反比。放大倍数还与沟道长度调制效应有很大关系，沟道长度越大，沟道调制效应越小，和越小，mos管的输出阻抗越大，放大倍数就越大。还可以通过调节输入管m9的宽长比提高电压增益。1.4推挽输出级的设计输出缓冲级是cmos倒相器，它是为提升输出的驱动能力、降低输出的上升时间和下降时间而设立的，因此，该级的驱动电流设置较大，输出的上升时间和下降时间对称。推挽输出级由m10管和m11管构成，两管均工作在线性区。2电路仿真该电路是在tsmc0.18μmcmos工艺下，电源电压为3.3v，利用cadence公司的spectre仿真器进行仿真。仿真条件为tt工艺角，温度为27℃。如2所示为电压比较器的瞬态仿真，同相输入端加入一个频率为10mhz，幅度为800mv的正弦信号，反相输入端加入一个2.1v的直流信号，输出端得到一个方波信号。电压比较器的下降沿时间为754ps，上升沿时间为913ps。图3为电压比较器的交流仿真结果，由图中可以看出比较器的增益为92.123db，带宽为10mhz，相位浴度为53deg。在同向输入端设置输入电压为变量vin，反向输入端输入电压2.1v，vin的输入变化范围为0―3.3v，通过直流仿真得到输出信号与vin的变化关系，得到了电压比较器的传输特性曲线如图4所示，从图中可以看出，实际电压跳变转换点和理论转换点电压值有一定的误差，输出电压跳变需要一个过渡区间。表1为本文和别人设计的电压比较器进行的一些性能对比，从表中可以看出在带宽、功耗和失调电压与文献（8）和（9）差不多的情况下，其增益明显高于对方，对于在时间测量系统中，其开始和结束信号的判断有很大的作用，满足了预期的设计目标。3版图设计版图设计如图6所示，比较器中有差分电路，为了保证差分对的完全匹配，采用了共质心对称结构，图3中的差分对管m3、m4版图对应左下角部分，差分对管m7、m8版图对应左上角部分，偏置电路和输出缓冲级电路利用了叉指结构匹配。版图的总共面积为29.56μm×25.68μm。vin+和vin-为比较器的同向和反向输入，out为输出端。4结论本文基于tsmc0.18μmcmos工艺设计的电压比较器具有高的增益，低失调电压，低功耗，结构简单等特点。该比较器采用两级放大，第一级采用差分放大器减少了输入的失调电压，提高了输入的共模范围，第二级采用共源放大器得到了高的电压增益，输出级采用cmos倒相器结构简单，提高了输出的驱动能力、减少了输出波形的上升沿和下降沿的时间。从仿真结果看，该电压比较器达到了预期的效果，可用于a/d转换器、编译码器、高精度测时电路中。参考文献[1]allenpe，douglasrh.cmosanalogcircuitdesign[m].2nded.beijing：publishinghouseofelectronicsindustry，2005.[2]谢晶，张文杰，谢亮，金湘亮.一种嵌入式动态锁存比较器的设计与实现[j].微电子学，2013，43（6）：802-806.[3]周启才，张勇，郭良权.用于16位流水线adc的高速动态比较器设计[j].固体电子学研究与进展，2013，32（6）：583-589.[5]allenphilipe.cmosanalogcircuitdesign，secondedition[m].北京：电子工业出版社，2003.[6]李桂宏，谢世健.集成电路设计宝典[m].北京：电子工业出版社，2006.[7]邱伶俐，刘章发.轨到轨电压比较器的设计[j].半导体集成电路，2015，40（1）：12-18.[8]李现坤.低功耗模数转换器的研究与设计[d].南京：南京邮电大学，2014.[9]王雅君，陆定红，张国俊.一种用于峰值电流模式的锁存比较器设计[j].微电子学，2014，44（4）：442-446.[10]游恒果.高速低功耗比较器设计[d].西安：西安电子科技大学，2011.作者简介苟欣（1991-），男，陕西省汉中市人。现为宁波大学信息科学与工程学院硕士研究生在读。研究方向为集成电路设计。杨鸣（1963-），男，浙江省宁波市人。现为宁波大学信息科学与工程学院研究员，主要从事光机电一体化和高分辨率自动显微镜方面的研究。fromwenku.baidu.comsign20220427084901',)