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作者: 发布时间:2017-04-10 来源: 繁体版
  徐韦佳,田俊杰,李延标  (中国人民解放军理工大学理学院,江苏 南京 211101) 摘要:为了实现高性能的流水线ADC,设计了一种应用于流水线14位ADC的高精度CMOS比较器,采用全差分结构的前置放

  徐韦佳,田俊杰,李延标Qxu自动化在线网

  (中国人民解放军理工大学理学院,江苏 南京 211101)Qxu自动化在线网

       摘要:为了实现高性能的流水线ADC,设计了一种应用于流水线14位ADC的高精度CMOS比较器,采用全差分结构的前置放大电路、两级动态latch锁存电路和输出缓冲电路,具有高精度和低功耗的特点。前置差分预放大电路放大输入差分信号,提高了比较器的精度,其本身的隔离作用使比较器具有较小的回踢噪声和输入失调电压;两级正反馈latch结构有效提高了比较器的速度;反相器级联的输出缓冲级电路调整输出波形,增加驱动能力。采用TSMC 0.18 μm CMOS工艺,工作于1.8 V电源电压、100 MHz频率,仿真结果显示,该比较器最小分辨电压是3.99 mV,精度达到9位,失调电压为16.235 mV,传输延时为0.73 ns,静态功耗为2.216 mW,已成功应用于14位的流水线ADC。Qxu自动化在线网

  关键词:比较器;高精度;正反馈;失调Qxu自动化在线网

  中图分类号:TN432文献标识码:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.06.011Qxu自动化在线网

  引用格式:徐韦佳,田俊杰,李延标. 应用于14位流水线ADC的高精度比较器电路设计[J].微型机与应用,2017,36(6):33-36.Qxu自动化在线网

0引言Qxu自动化在线网

  随着集成电路的发展,数字通信得到广泛应用,模数转换器(ADC)作为实现模数转换的关键器件,也得到了广泛应用。在诸多不同结构的ADC类型中,流水线ADC具有高速、高精度的特点,在保证高速工作的同时,可以实现其他结构ADC难以实现的高精度,并且还能满足相对小面积和低功耗的要求[1 2]。而高精度比较器作为高性能流水线ADC的核心器件,其精度对ADC的性能起着至关重要的作用,因此,要实现高性能ADC,比较器的精度是关键。Qxu自动化在线网

  当前对比较器的研究主要包括多级开环比较器、开关电容比较器、动态锁存再生比较器等。多级开环比较器具有较高的速度和精度,但是由于受到多级放大器的带宽限制,速度难以提升;开关电容比较器可以采用失调消除技术消除失调电压,提高精度,但是存在较为严重的电荷注入和时钟馈通效应,增加了设计难度;动态锁存比较器响应速度快,但是回踢噪声和失调电压都比较大,不适用于高精度系统[3]。因此,本文提出一种应用于14位流水线ADC的高精度比较器,工作在100 MHz时钟频率下,具有回踢噪声小、失调电压低、高精度和低功耗的特点,能实现14位流水线ADC的模数转换。Qxu自动化在线网

1比较器结构的选取Qxu自动化在线网

  当前,在高精度或低噪声系统ADC中,latch锁存器是动态比较器中的重要组成部分,沟道长度越短,输入信号越大,锁存器响应越快。为了提高响应速度,在latch锁存器前前置一级差分放大电路,能够加速latch的响应时间。同时,差分结构可以去除误差信号成分,有效减少由直流失调电压、开关的时钟馈通、电荷注入效应而引起的误差。由于预放大电路内部和输出端加载隔离电路的作用,使得其输出信号多次衰减后到达信号的输入端,有效减小了回踢噪声对预放大电路输入端信号的影响。因此,预放大锁存器的失调电压主要是预放大电路的失调[4?5]。一般传统的放大器的单位增益带宽为常数。为了满足高精度的要求,前置预放大器的设计原则是高增益小带宽,然而过高的精度会降低比较器的速度[6]。Qxu自动化在线网

  综上所述,本文采用前置差分预放大电路作为比较器信号输入端,放大倍数约为10 dB,兼顾精度和速度的要求,其隔离电路减小了latch正反馈产生的回踢噪声以及失调电压,latch锁存判断级采用二级正反馈锁存器来提高比较器的速度,小尺寸的MOS管可以减小传输延时,输出级采用反相器级联,调整波形,减小延时,增加驱动能力,保证电路性能。Qxu自动化在线网

2比较器具体电路设计Qxu自动化在线网

  2.1信号输入端Qxu自动化在线网

  信号输入端电路结构如图1所示,Cf是采样电容,VIP和VIN分别是比较器的两个输入电压,Vref+和Vref-是根据ADC外部环境需要设置好的电压,其差值为比较电压。VOUT1和VOUT2是比较器的两个输出电压。开关S1和S2是NMOS管开关,分别由不交迭的时钟信号CLK1和CLK2控制。Qxu自动化在线网

  001.jpgQxu自动化在线网

  图2时钟信号的设置如图2所示,CLK2先为高电平,Vref+和Vref-输入,采样电容Cf由于电荷积累,右端产生电压Vb,此时CLK1为高电平,CLK2恢复低电平,待比较的信号VIP和VIN输入,又会在Cf右端产生电压Vip,Qxu自动化在线网

  (Vref+-Vb)Cf=(VIP-Vip)CfQxu自动化在线网

  根据电荷守恒,可得:Qxu自动化在线网

  Vip=VIP-Vref++Vb,Vin=VIN-Vref-+VbQxu自动化在线网

  Vip>Vin,VIP-VIN>Vref+-Vref-Qxu自动化在线网

  当比较器的输入差分信号VIP-VIN大于比较电压Vref+-Vref-时,Vip>Vin,比较器进行比较输出;反之,Vip<Vin。本文中的比较器应用在14位流水线ADC中,故设置Vref+为0.125 V,Vref-为-0.125 V,其差值0.25 V则为比较电压,采样电容设置为25 fF。Qxu自动化在线网

002.jpgQxu自动化在线网

  采用1.8 V直流电源,如图2所示,四种频率为100 MHz的时钟信号分别是CLK1,CLK2,CLK1p,CLK2p,它们是不交迭时钟信号,CLK1n和CLK2n分别由CLK1p和CLK2p经过反相器级联得到,作用于锁存电路和输出级。


应用于14位流水线ADC的高精度比较器电路设计
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