两级开环比较器的设计

初级比较器设计

比较器的电路符号如右图所示，它的功能是比较输入端的信号

差异，输出以之对应的数值上离散的两种信号之一，当Vin+>Vin-

时，比较器输出为高电平(Voh);当Vin+

(Vol);

比较器广1泛用于模拟电路和数字电路的接口部分即连续和离散

的交接部分。

1.比较器静态特性

(1)理想比较器模型理想比较器的电路模型如下图所示：

C 理想比较器模型

它的传输曲线如下图所示:

A Vo

Vo h

Vin+ -Vin-

传输曲线可以用数学函数表示如下:

本文主要包括：(1)分析说明比较器工作原理; 器的

HSPICE莫拟；(4)比较器物理版图设计实现；

(1)

(2)比较器的设计计算方法;

(5)设计文件列表说明。

(3)比较

.比较器的原理简述

比较器电路符号

理想比较器的传输曲线

Vo l

B

2

f

八,V

)

V oh ,when(V n V n ) 0

T

o (V in

V

in ) - --- - TT ； - —: TT

V ol ,when(V n V n ) 0

A V oh V ol

V ih V il

(2)有限增益比较器模型

有限增益比较器的电路模型如下图所示:

有限增益比较器模型

它的传输曲线如下图所示:

传输曲线可以用数学函数表示如下:

f l (V in V in ) 1 rV oh,when(V in V in ) V ih

]A (V in

V in ), whenV il M % )

V,

1

V ol,,when(V in

V in ) V^

A

Voh Vo1

，为一个有限值

V ih V il

(3)包含输入失调电压的比较器

包含输入失调电压比较器电路模型如下图所示:

2

2

3 4

2

包含输入失调电压比较器模型

它的传输曲线如下图所示:

包含输入失调电压比较器的传输曲线

其中的Vos 为输入失调电压，它被定义为：实际比较器输出电压为零时， 输入端所加的电压, 它是比较器的一个重要参数，跟比较器的精度有密切的关系，而且它的温漂很难补偿。 （4 ）比较器其他的静态特性

差分输入电阻和电容，输出电阻，共模输入电阻， 关联的噪声。这些和运放很相似，可以同样建模。 2 .单极点简单比较器动态特性

比较器动态特性中的重要特性之一为传输时延， 励和输出转换之间的时延，如下图所示：

共模输入电压范围，还有和过度区特性相

定义比较器的时延为： 比较器的输入激

(1)小信号时延

假设比较器的最小输入电压差为比较器的精度，定义比较器的最小输入电压为:

A (s)A v(0) A v(0)

代(s)——— ------- -

s

1 s c 1

W c

那么，我们下面就可以分析比较器的时延:

根据时延的定义和A v(S)，进行拉普拉斯逆变换，得到输入为阶跃信号V inmin的时域响应如

下式:

V oh V ol A /c\r/i tp/C-, . zc\r/i tp/ c V oh V ol

F 代㈣1 e ]V inmin A v(0)[1 e ]冇

tP max cln(2) 0.693 c

同理可以得到更为普遍的结果：当输入激励信号为阶跃信号kV jnmin ,相应得输出响应时延为:

2k

tp cin(二，显然在线性响应的情况下，增大k可以有效的减小时延tp。对应的关

2k 1

系可以表示如下图：

(2)大信号时延

大信号情况下，时

的传输时延为：

Voh V

O1，出现摆率限制时,

2SR Titl e

dV 1 dQ 丄charge/discharge

dt C dt

Size

B

Date:

File:

Nu mber Rev isio n

2 9-Ju n -2 0 06

C:\Do cu men ts an d Settin gs \y oy o 桌面\TEM PDWQQ\sByoc_ cou rse_desg in_homewo rk\soc_ cou

Sheet o f

V in min

V oh V ol

A v(0)，其中代(0)为比较器的低频增益。

假设我们分析的比较器为最简单的单极点模型，它的s域增益表示如下:

如果对电容的充放电决定了电路的响应时间, 则出现摆率限制的情形，这

V tp T SR

一般有：SR

4 5 6

因此，在摆率响应的情况下，增大对电容的充 /放电电流可以减小比较器的时延。

4

2I 7

三.比较器的设计

比较器的传输时延始终是我们关注的一个重点指标， 计时常常引用的公式。

1 .两级开环比较器的线性响应设计

NMOS 输入管两极开环比较器的电路拓扑结构如下图所示:

NMC 输入两级比较器

显然,

以下侧重分析时延的限制因素和设 [Vb iaS

M1

NMOS4

M5

NMOS4

M6

P MOS4

M2

NMOS4

M7

NMOS4

Vss

第一级：简单CMOS OTA

第二级：

恒流源负载共源放大级

(1 )考察输出电压的两个极限： 当M6管处于饱和区与线性区的临界点时：

1

I

6

[( V

Gs J

M TP

I )

—|V

DS6 ]

|V

DS6

I

D6

I 7

Title

V DS 6

(V

DD g 6MIN

V TP

I )[1

j

2I 7

(V

DD

V

G6MIN V

Tp h

V

oh

V

DD

V

DS6

V

DD (V DD V

G6MIN

V

TP

)[1

Size

A4

Date: File:

Nu mber

30-Ju n -2006 C:\Do cuments an

Sheet o d Sett in gs\wa n g q

桌面TEMP

旦WWQB

4

6

(V

DD

V

G6MIN

V ol

V s

V gs1

V

(2)两级比较器的特性

A 部分

.第一级简单CMOS OTA 特性

由以上的电路原理图可以得到第一级简单

第一级：简单COMS OTA 信号等效电路

其中:

1

r n4 rds1//rds3//

gm3

g m1* Vg s1

g m2* Vg s2 +gm4 * Vgs 4

COMS OTA 的小信号等效电路如下图所示:

1 gm3

4节点对地电容 Cn4,

5节点对地电阻 &5 rds2//rds4

5节点对地电容

5节点和4节点间的电容 Cn54,

根据基尔霍夫电压环路(KVL )和电流节点 组并解得： Cn5,

(KCL 定理，可以得到该小信号等效电路的方程

代(s)

grW

gm4rn4)

rn51 sCn4m 4

心g m4m 4

)(由于密勒效应的作用C “ (1 sCn5rn5)(1

sCn4rn 4)

n54可

以忽略)，其中，代(0)

gm1(1 gm4m4)m5

,,、

- ---- ---- ---------- Tt p 为低频增益，由于求

A v (s)的过程比较繁琐,

A v (0)(求解A ；e (s)同理)，N 求解低频增益时可以认为小信号等

A4

效电路中的所有电容为

0,于是可以得到如下的方程组：

(g m2V gs2 g m4V 3s4)r n5

刊°:

g

m1V gs1r

n4

这里仅仅说明一下如何求解 Rev

V out V gs4

g

m1

V gs2

g m2 V gs1

3 0-Ju n -2 0 06

Sheet o f

C:\Do cu men ts an d Sett in gs \wan g q

桌面\TE MDrPwrWQQ\s ：

oc_ cou

4

4节点对地电阻