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1、高性能鎖存比較器設(shè)計從前面流水線ADC的基本工作原理可以看出，流水線ADC的高分辨率是依靠多級量化來實(shí)現(xiàn)的。由于本文采用了冗余位校正技術(shù)，所以子ADC電路中比較器失調(diào)電壓所引入的非線性誤差完全可以通過數(shù)字校正電路得到減小，因此在比較器設(shè)計中大大放寬了對輸入失調(diào)的要求。由于[39]數(shù)字校正技術(shù)可以校正1/4Vref的誤差，所以對于1.5位/每級的結(jié)構(gòu)來說，允許比較器有1/4Vref的失調(diào)誤差，所以本文采用動態(tài)比較器以降低模數(shù)轉(zhuǎn)換器的整體功耗。但是，動態(tài)比較器的回踢噪聲比靜態(tài)比較器大。為了提高比較器的轉(zhuǎn)換速度，以及減小比較器的回踢噪聲，本文加入預(yù)放大級，以隔離回踢噪聲，并且由于預(yù)放大級把初始
2、輸入電壓放大，減小了輸出電壓到達(dá)終值的時間，從而提高了比較器的速度，所付出的代價是增大了比較器的整體功耗。此外，要求預(yù)放大級有較大的增益，以增加比較器的速度。圖1是本文所采用的帶預(yù)放大級的動態(tài)鎖存比較器，它由三級結(jié)構(gòu)組成：第一級是由MN1~MN3,MP1~MP2構(gòu)成的預(yù)放大級，第二級是由MN4~MN5，MP3~MP8構(gòu)成鎖存比較級，第三級是由MN6~MN8，MP9~MP12構(gòu)成的鎖存緩沖級。預(yù)放大級的作用有兩個：一是將輸入的差分信號放大，使得比較級電路的比較時間減少，同時減少了總體延時；二是放大差分信號，從而減小差分輸入信號的失調(diào)電壓。MN1是預(yù)放大級的尾電流源管，MN2和MN3是預(yù)放大
3、級的輸入管，MP1和MP2作為預(yù)放大級的兩個有源負(fù)載，由于MP1和MP2采用二極管連接方式，所以預(yù)放大級的輸出電阻很小，使得預(yù)放大級有很大的帶寬和速度。比較器由兩相非交疊時鐘控制，其中CK1p,CK2p分別是CK1和CK2的超前相位時鐘，CK1p_del是CK1p的延遲時鐘，CK1p_del1是CK1p_del的反相時鐘。圖1帶預(yù)放大級的動態(tài)比較器整體電路圖圖2比較器工作時序圖鎖存比較級電路是鎖存比較器電路的核心，它通過正反饋原理，對預(yù)放大級放大后的輸出信號進(jìn)行判斷，輸出兩個高低電平。MP3和MP6是鎖存比較級電路的輸入管，MP4和MP5管用作復(fù)位/比較控制，當(dāng)鎖存比較級正常工作時，MP
4、4和MP5管截止，當(dāng)鎖存比較級復(fù)位時，MP4和MP5管導(dǎo)通，并向下注入電流，MP7~MP8，MN4~MN5兩個互補(bǔ)交叉耦合對組成了鎖存比較級的正反饋環(huán)路，它比單個的交叉耦合對具有更大的增益，使得比較級電路的速度更快，而且精度也較高。這種交叉耦合對的原理圖如圖3所示：VDDIIVo1Vo2M1M2gnd圖3交叉耦合對原理圖圖3中M1、M2管構(gòu)成的交叉耦合對的等效模型如圖4所示，其中Vin1、Vin2為M1、M2漏端的初始電壓，C1、R1與C2、R2分別是M1、M2管漏端到地的等效電容和電阻。在理想情況下，M1和M2可以認(rèn)為是完全相同的，所以假設(shè)R1=R2=R，C1=C2=C，我們可以得到：
5、??????VVV??VVooo21ioss????11圖4交叉耦合對的等效模型其中，??RC,???VVV，如果gmR>>1，上面的公式可化簡為：io1o2?Vte()??gRtm/?Voi其中動態(tài)鎖存比較器的時間常數(shù)是：3?CWLCox????0.67LgRg2?Imm根據(jù)上式我們可寫出動態(tài)鎖存比較器的傳輸延時的表達(dá)式：VV?OHOLt??ln()pL2?Vi其中，VOH，VOL是比較器輸出能達(dá)到的高/低電平，gm是M1，M2的跨導(dǎo)。從上面兩個公式可以看出，通過增大M1，M2的跨導(dǎo)能夠減小比較器電路的傳輸延時，即增大輸入級的電流，但這樣做的話會增加功耗，所以在增大電流的時候還可適當(dāng)?shù)?/p>
6、增大M1和M2的寬長比值（W/L），從而降低比較器電路的整體功耗，也實(shí)現(xiàn)了增大它的輸入跨導(dǎo)的目的。為了滿足鎖存比較器的精度和速度的指標(biāo)，所以假設(shè)?V是輸入電壓差值，當(dāng)?Vinin是0.1mV，比較器電路的傳輸時延應(yīng)小于500ps。MOS晶體管的閾值電壓[41]失配與電流失配是比較器的失調(diào)電壓主要來源。它的標(biāo)準(zhǔn)差可以表示為：2AV?osWL其中A是一個和生產(chǎn)工藝相關(guān)的閾值電壓失調(diào)系數(shù)，根據(jù)公式可以看出，要減小失調(diào)電壓，我們可以增大比較器電路的輸入管的尺寸，但這樣做的話會增大寄生電容，從而降低動態(tài)鎖存比較器電路的信號傳輸速度，3因?yàn)閯討B(tài)鎖存比較器電路的傳輸時延是正比于WL的，所以在滿足比較器
7、的速度要求的條件下，我們在設(shè)計其中的反饋管尺寸時，應(yīng)取最小的溝道長度，和大的溝道寬度。鎖存緩沖級的作用是將鎖存比較級送來的輸出信號轉(zhuǎn)換成邏輯電平，以便與后級的數(shù)字電路相匹配。MN6，MP10和MP11是復(fù)位/比較控制管，當(dāng)比較器復(fù)位時，MP10和MP11管導(dǎo)通，MN6管截止；當(dāng)比較器進(jìn)行比較工作時，MP10和MP11管截止，MN6管導(dǎo)通。MN7，MP9及MN8，MP12組成了兩個反相器，增強(qiáng)比較器的驅(qū)動能力，并最終產(chǎn)生數(shù)字邏輯電平輸
