CMOS高增益比较器
一种高精度动态CMOS比较器的设计与研制
种 高精度 动态 Ｃ ＭＯＳ比较器 ，采用 二级 差分 比较和 一级动 态 正反馈 ｌｔｈ结构实现 了高比较 精度 。预增益 和 Ｌ ｔｈ ａ ｃ ａｃ
级 的应 用 降低 了 功 耗 。设 计 中 充 分 考 虑 了 工 艺 离 散 性 和 使 用 环 境 温 度 与 电 源 变 化 的 影 响 ，保 证 了 成 品 率 和 电 路 在 变 化
工作环 境下性 能指标 的实现 。仿真 结果表 明 ，设计 的 高速 动态 比较器 Ｌ Ｂ （ ｅｓ Ｓｇ ｉ ｃｎ ｉ）为士 ．５ Ｓ Ｌ ａｔ ｉｎｆ ａ ｔ ｔ ｉ Ｂ ０１ ｍＶ，输入 动 态范 围为 Ｄ（ 为地 电压 ， Ｄ为 电源 电压 ） ，相应 于 ｌ ４位 比较精 度 。功耗 ６２ ｍＷ，工 作频率 ３６ ｚ ．８ ．ＭＨ 。电路
境 的适 应 能 力 。该 比较器 可 以应 用于 高 精 度模 数 转 换 器 中 ，实 现 １ ４位 以上 的模 数 转换 。
２ 比较 器 电路 结 构 设 计
图 ｌ 出一 两级 比较 器 的基 本 结构 ，包 括 一 级 差 分 比较 加 一级 反 示 相放 大 。采 用 差 分输 入 便 于 控 制 比较 器 跳 变 电压 的离 散性 ，使 之 对 工 艺和 电源 电压 的变 化 不敏 感 ，而 反 相级 则 补 偿 了差 分输 入 级增 益 低 的 缺 陷 ，对 输 出信 号 进 行放 大 。 这种 结 构 的 比较 器 增益 可 写为 ：
但 在 高 速 高 精 度 的应 用 场 合 ，如 本 文设 计 的 用 于 ｌ 精 度 的 Ａ／ 转 换 器 中 ，由于 要 综 合 考虑 比较 器 ４位 Ｄ 的增 益 、 失调和 转 换 速 率 ，不 能 简 单地 依 赖 这 些 参 数 的调 整 来 取 得 高 增 益 。 另外 ，这 种 结 构 只 能工 作 于静 态 条 件 ，而在 如 Ａ／ Ｄ、Ｄ／ 转 换 器 等 应 用 场 合 ，每 次 比较 都 由一 时钟 信 号 控 制 ， 比较器 在 信 号 的 Ａ 跳 变 沿 进 行 比较 ，处于 动 态 工作 状态 ，再 考 虑 到功 耗 的 降低 等 ，对 电路 性 能提 出了 更 多 的要 求 。
0.18um数字cmos工艺下的高增益运算放大器设计
0.18um数字cmos工艺下的高增益运算放大器设计
在0.18um数字CMOS工艺下，设计高塔益运算放大器需要考虑到各种因素。
以下是一些设计考虑和技术要素:
1.确定设计目标:首先需要确定设计高增益运算放大器的目标，例如放大器的增益、带宽、功耗等。
这些目标将直接影响设计的选择和决策。
2.选择台适的放大器架构:根据设计目标，选择合适的放大器架构。
例如，可以采用两级或三级放大器架构,以实现较高的增益和带宽。
3.优化输入和输出阻抗:输入和输出阻抗是影响放大器性能的重要因素。
通过优化输入和输出阻抗，可以提高放大器的增益、带宽和线性度。
4.考虑电源电压和功耗:在数字CMOS工艺下，电源电压和功耗是必须要考虑的因素。
通过优化电路设计和选择台适的器件。
可以降低功耗并提高电源效率。
5.考虑工艺偏差和失配:在数字CMOS工艺中，由于制造工艺的偏差和失配，会影响放大器的性能。
因此，在设计时需要考虑到这些因素，并采取相应的措施进行补偿和调整。
6.进行仿真和测试:在设计完成后，需要进行仿真和测试以验证设计的正确性和性能。
通过仿真和测试，可以发现并解决设计中存在的问题，并进行优化和改进。
总之。
在0.18um数字CMOS工艺下设计高增益运算放大器需要综合考虑各种因素。
并进行优化和调整。
通过不断改进和迭代，可以获得高性能、可靠性的放大器设计。
制表：审核：批准：。
cmos电压比较器工作原理
cmos电压比较器工作原理CMOS电压比较器作为一种常见的电子电路元件，广泛应用于模拟电路和数字电路中。
它主要用于比较两个电压信号的大小，并根据比较结果产生输出。
本文将详细介绍CMOS电压比较器的工作原理，从输入端、比较器电路、输出以及工作过程等方面加以说明，以帮助读者更好地理解和应用CMOS电压比较器。
一、输入端：CMOS电压比较器的输入端主要包括正向输入端（+IN）和反向输入端（-IN）。
+IN和-IN分别接收待比较的两个电压信号。
在比较器工作过程中，电压信号较大的输入端通常被连接为正向输入端，而电压信号较小的输入端则连接为反向输入端。
比较器根据这两个输入端的电压差异来判断两个输入信号的大小。
二、比较器电路：CMOS电压比较器的核心是比较器电路，它根据输入信号的电压差异来产生输出结果。
比较器电路一般由多个晶体管和电阻器组成。
例如，一个常见的CMOS电压比较器电路是由两个互补MOS（CMOS）晶体管构成，分别是P型MOS晶体管和N型MOS晶体管。
这两个晶体管通过控制电压的变化来实现电压比较和输出的切换。
CMOS电压比较器的输出主要有两种状态，即高电平和低电平。
输出根据输入信号的电压差异来切换状态。
当+IN电压大于-IN电压时，输出为高电平；当+IN电压小于-IN电压时，输出为低电平。
输出信号可被进一步使用于数字电路中的逻辑电路或模拟电路中的信号处理。
假设我们有一个CMOS电压比较器，输入端的+IN接收一个电压信号Vin=3V，而-IN接收一个电压信号Vin'=2V。
在这种情况下，比较器电路将根据这两个输入信号的差异来产生输出。
由于Vin大于Vin'，所以比较器的输出为高电平。
如果Vin=2V，Vin'=3V，那么比较器的输出将会是低电平。
四、工作过程：CMOS电压比较器的工作过程可以分为下述几个步骤：1.输入阶段：输入信号通过正向和反向输入端输入到比较器电路中。
2.比较阶段：比较器电路根据输入信号的电压差异进行比较，并判断电压的大小关系。
适用于SAR ADC的CMOS比较器的设计
适用于SAR ADC的CMOS比较器的设计广泛应用于从模拟信号到数字信号的转换过程当中。
在模一数转换过程中，经过采样的信号经过比较器以打算模拟信号输出的数字值。
比较器可以比较一个模拟信号和另外一个模拟信号或参考信号的大小。
比较器大都采纳开环模式，这种开环结构不必对照较器举行补偿，同时，未举行补偿的比较器可以获得较大的带宽和较高的频率响应。
然而因为MOS 器件的失配误差，以及的增益和速度之间的互相制约，使得在一定工艺条件下同时实现比较器的高速和高精度十分困难。
本文提出一种带时钟控制的可再生比较器，适用于在时光上离散的信号。
此设计在传统的前置预放和锁存器级联的理论基础上，通过引入交错耦合负载、复位和钳位技术，与文献相比，实现了更高的速度和相对较高的精度。
2 比较器结构与设计该比较器的结构简化1所示。
它由两级结构相同的前置放大器和一级带有复位再生的高速锁存器组成，每一级中都带有一个内置正反馈的设计。
前置放大器使输入的变幻足够大，并且将其加载到锁存器的输入端，这样获得的最佳特性。
2.1 前置放大器的设计及优化传统的前置放大器结构2所示，这种内置正反馈比较器由一个差分输入对，一个伪源和一对交错耦台负载组成，负载衔接成差分的模式。
M1和M2组成差分输入对，M3、M33、M4、M44组成带有正反馈的负载，以提高电路的增益，这个正反馈单元电路可以通过调节M3、M4和M33、M44管的宽长比(W／L)来形成弱正反馈或强正反馈。
2.2 前置放大器电路中的正反馈分析正反馈是通过衔接到M3和M4的源一漏极的并联反馈。
其比较的工作过程为：差分输入信号加到NMOS对管M1和M2的栅极，假设一端加正第1页共4页。
cmos比较器原理
cmos比较器原理
CMOS比较器是一种电路器件，用于比较两个电压的大小，
并输出其比较结果。
其原理是基于CMOS技术，使用MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）作为开关。
CMOS比较器通常由一个或多个差分对和输出级组成。
在一个典型的CMOS比较器中，差分对由两个高阻抗输入的MOSFET组成，一个作为正输入，一个作为负输入。
当输入
电压中的一个大于另一个时，相应的MOSFET导通，将电荷
传递到输出级。
输出级由两个CMOS反向驱动的晶体管组成，一个在正电压上驱动，另一个在负电压上驱动。
这些反向驱动的晶体管将电荷从输入级传递到电路输出，产生一个高电平或低电平的输出电压。
当两个输入电压相等时，差分对中的两个MOSFET都处于相
反的导通状态，输出级中没有电荷传递，输出电压保持不变。
而当一个输入电压大于另一个电压时，差分对中相应的MOSFET会导通，将电荷传递到输出级，输出电压发生变化。
输出电压的变化可以通过反馈电路来增强，并改善比较器的性能。
CMOS比较器具有低功耗、高转换速度和较大的输入电阻等
优点，使其在数字电路中得到广泛应用。
它常用于模数转换、电压级移位和逻辑控制等领域。
由于CMOS比较器不需要额
外的功耗，它在电池供电等低电源电压条件下的应用非常适合。
cmos电压比较器工作原理
cmos电压比较器工作原理CMOS电压比较器是一种常用的电子器件，它可以将两个输入电压进行比较，并输出相应的逻辑信号。
本文将简要介绍CMOS电压比较器的工作原理。
CMOS电压比较器由两个互补的MOS管组成，通常为n型和p型MOS管。
其中n型MOS管通常被称为NMOS管，p型MOS管则被称为PMOS管。
这两个MOS管的控制端一般用一个差分输入电路来形成，分别对应输入电压的正和负端。
CMOS电压比较器通常由以下三个部分组成：差分输入电路、比较器和输出电路。
首先是差分输入电路。
它由两个输入晶体管和一个负反馈电路组成。
输入电压通过差分输入电路被分成正、负两支，正输入端和负输入端分别与输入电压的正负端相连。
正负两支输入电压的大小决定了输入电压的大小和极性。
接下来是比较器。
比较器是用来将输入电压转换为输出电压的核心部分。
通常情况下，比较器由两个互补MOS管构成。
输入电压经过差分输入电路后，相应的信号被传递到互补MOS 管。
当输入电压的正支大于负支时，NMOS管将被打开，PMOS管将被关闭；反之，当输入电压的负支大于正支时，NMOS管将被关闭，PMOS管将被打开。
因此，比较器将输入电压的大小和极性转换为了不同的管路状态。
最后是输出电路。
输出电路用于提取和输出比较器的输出信号。
输出电路通常由一个或多个电晶体管组成，它们的工作状态与比较器的输出信号相关联。
比如，当开关管为导通状态时，输出电压为高电平；相反，当开关管为截止状态时，输出电压为低电平。
总的来说，CMOS电压比较器利用差分输入电路将输入电压的大小和极性转换为互补MOS管的不同状态。
这样，它可以非常快速地将输入电压的信息转换为输出电压信号，并输出给后续电路进行处理。
CMOS电压比较器在数字电路和模拟电路中广泛应用，比如在模数转换器、自适应滤波器和通信系统中。
需要注意的是，本文所列出的是CMOS电压比较器的基本工作原理，实际的电路中可能还会包含其他的电路元件或功能模块，以实现更精确的比较和输出。
CMOS比较器(6)解读
M8 M6
Mb2 IREF2
Vout1
Vin Iss cloc k
Vout2
M1
M2
Vb1
M4 M b3
M9 M10
M7
M8
Mb1
M11
22
设计的前置放大器
AV
M7 M8 M10 M9
gM 4 gM 0 gM 1
Vom
clk M11
Vop
晶体管 M1,M2,M3,M4
尺寸W/L(m) 2u/180n 600n/180n 500n/180n 4u/300n 1u/180n
+ －
一部分失调电压。
回踢噪声的来源
12
开关电容比较器
在许多A/D转换系统应用中，输入端常会有一个采样保持电路。这样会使得
输入信号在采样时钟相位发生变化时才变化。这种应用的比较器可以采用开关电 容的结构，这是一种将开关电容电路和开环应用比较器相结合的电路。其特点是 可以采用单端结构的电路来比较差分信号，而且很方便使用自动校零技术来消除
VOSlatch
Out+
Latch
Out-
2 Input Re ferred Offset V
OSpreamp
1 2 VOSlatch 2 AV
增益越大越大越好？
预放大级减小比较器输入失调电压原理图
正反馈锁存器前边加一级预放大器，预放大器内部和输出端加载隔离电 路，使得其输出信号多次衰减后到达信号的输入端。加载的隔离电路越 多，回踢噪声衰减的就越大
再生锁存器结构
总的失调电压为 ：
2 V V
OS OS 1
1 2 V OS 2 Alatch
cmos运算放大器和比较器的设计及应用
cmos运算放大器和比较器的设计及应用CMOS运算放大器和比较器是集成电路中常见的两种功能模块，它们在电子设备中的应用非常广泛。
本文将介绍CMOS运算放大器和比较器的设计原理和应用。
我们先来了解一下CMOS运算放大器。
CMOS运算放大器是一种基于互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的放大器，它采用了互补对称的MOS管结构，具有低功耗、高增益、高输入阻抗和良好的共模抑制能力等优点。
CMOS运算放大器通常由差分放大电路和输出级组成。
差分放大电路是CMOS运算放大器的核心部分，它由两个互补对称的差分对（Differential Pair）和负反馈电路组成。
差分放大电路的输入信号通过差分对进行放大，然后经过负反馈电路进行稳定和控制。
通过调整差分对的工作电流和电压偏置，可以实现不同的放大倍数和频率响应。
CMOS运算放大器的应用非常广泛，主要包括模拟信号放大、滤波器设计、电压比较器、ADC/DAC等。
在模拟信号放大方面，CMOS运算放大器可以用于音频放大器、视频放大器、传感器信号放大等。
在滤波器设计方面，CMOS运算放大器可以用于实现低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。
在电压比较器方面，CMOS 运算放大器可以用于比较两个电压大小并输出高低电平信号。
在ADC/DAC方面，CMOS运算放大器可以用于模拟信号的采样和转换。
接下来，我们来了解一下CMOS比较器。
CMOS比较器是一种用于比较两个电压大小的电路，它的输出是一个数字信号，表示两个输入信号的大小关系。
CMOS比较器通常由差分放大电路和输出级组成。
差分放大电路是CMOS比较器的核心部分，它由两个互补对和负反馈电路组成。
差分放大电路的输入信号通过差分对进行放大，然后经过负反馈电路进行稳定和控制。
通过调整差分对的工作电流和电压偏置，可以实现不同的比较阈值和响应时间。
CMOS比较器的应用非常广泛，主要包括电压比较、模拟信号判别、开关控制等。
在电压比较方面，CMOS比较器可以用于比较两个电压的大小并输出高低电平信号。
一种高速高精度CMOS电流比较器
针对输入失调问题 ， 文献 ［］ ６ 提出 了一种补偿方法 。
可是这种方法虽然从一定程度上降低 了输入失调 ， 却 因为需要另加补偿 电路 ， 使得 比较器 的电路形式
变得复杂 ， 且引入了因调零而产生的延时。文献［］ ７ 报导的双输入结构的电流比较器 ， 在文献［］ ６ 的基础
上从一定程度上进一步 降低 了延时 ， 提高 了精度 。 然而， 比较器的偏置电路复杂且不对称 ， 该 容易受工
艺偏差影 响， 引起较大的输入失调。另外 ， 这个 比较 器的输入阻抗较大 ， 在输入电流变化较小时会产生 较大的延时 。针对 以上 电路 的缺点， 本文提出了一
Hale Waihona Puke 结构由文献［］ ５提出 ， 如图 １ 所示， 为简化起见 ， 面 后
省去了反相器 。它是将两个共源共栅 电流镜 的输 出
电流之差通过 Ｃ Ｓ ＭＯ 反相器 比较放大 ， 得到最后 的
维普资讯
第２ ９卷 第 ４期 ２０ ０ ６年 １ ２月
电 子 器 件
Ｃｈｎ ｓ ｏｒ ａ ｆＥｅ ｔｏ ｖｃｓ ｉｅ ｅＪ ｕｎ ｌｏ ｌｃｒｎ Ｄｅｉｅ
Ｖ０． ９ Ｎｏ． １２ ４ Ｄｅ ． ０ ６ ｃ２０
Ａ ｖ ｌＨｉ ｈ Ｓ ｅ ｄ ａ ｄ Ｈｉ ｈ Ａｃ ｕ ａ ｙ ＣＭ ＯＳ Ｃｕ ｒ ｎ ｍｐ ｒ ｔ ｒ Ｎｏ ｅ ｇ ｐ ｅ ｎ ｇ ｃ ｒ ｃ ｒ ｅ ｔＣｏ ａ ａ ｏ
ＥＥＡ ｏＣ： ５ ０ ２ ７ Ｄ
一
种高速高精度 Ｃ ＭＯ Ｓ电流 比较 器
柳娟娟 ， 冯全源
（ 西南交 通大学 微 电子研究所 ， 成都 ６０３ ） １０１
摘
要： 针对传统 电流 比较器速度慢， 精度低 等问题 ， 提出了一种新型 Ｃ Ｓ电流 比较器电路。我们采用 Ｃ Ｓ ＭＯ ＭＯ 工艺
第7章 CMOS比较器
refV ⎪⎩⎪⎨⎧<>=in in V V ,0 ,1预放大判决驱动One stage buffer Two or more stage buffers The polarity of comparator is changed when one more INV used.wujinCross pair: M5/M8, Positive Feedback induced in DP load;Mainly to boost gain and small signal Speed.Fully symmetric & Differential OTA,N/P complimentary DPwujin-i gIf W/L of CP (M21,M23) large than that of MOS diode (M20,M22), Hysteric comparator is formed.wujinTo shift or switch reference based on comparator statutefor positive scanning, V applied first, when V+, switch to V for negative scanning, V applied first, when V, switch to VReference switch methodsexternal feedback control, analog mode & digital mode;internal feedback control, positive FB to introduce unsymmetrical.14wujin+V refNMOS switchPMOS switchBetterOutput as digital controlin configuring actual V refV DD /V ref ?; *i SPH V V +=+Modified CMOSHysterics comp should be firstly scaled down VDDwujin26302×=26302×==V B when V CC in to make I 2CC , V in and thus V A low, V B , V o , keep in CC , V A high, V , toggle.V A ?23wujinϕFor output upper level limitRecharge: initial staterecharge & evaluation mode.in +1ref −ΔωΔϕUnsymmetrical of each stage, C1/C2 charging-discharging carrier out alternately [separated by (N-1)/2=3 stage for each other], for setting frequency & duty cycle , VN-CS?RS Latch needed to hole the statue33wujinINV3ClkClkBis under constant current, a small35。
CMOS比较器解读
自动调零技术
理想比较器
－
＋ VOS
＋ －
(a) VIN
理想比较器 －
＋
CAZ －
＋ VOS VOS
＋ －
(c)
理想比较器
－
VOS
＋ ＋－
VOS
(b)
失调消除方法 （a）包含失调的比较器简单模型；（b）前半个自动较 零周期内存储失调；（c）后半个自动较零周期内输入端抵消失调
迟滞比较器
非迟滞比较器对含有噪声的输入的响应
几种比较器结构的性能比较
开环比较器，特别是多级开环比较器容易做到高速高精度。然而，由于 这类比较器中运放的增益和带宽的折衷，很难做到超高速。此外，多级 开环比较器相比于其他结构的比较器功耗较大，这限制了这类比较器在 超高速高精度中的应用。
迟滞比较器在抗噪声抗干扰环境中具有广泛的应用。然而，它是放大器 在闭环情况下的应用，速度受限。
2 VO Spream p
2 2 VO Slatch V
增益越大越大越好？
预放大级减小比较器输入失调电压原理图
正反馈锁存器前边加一级预放大器，预放大器内部和输出端加载隔离电 路，使得其输出信号多次衰减后到达信号的输入端。加载的隔离电路越 多，回踢噪声衰减的就越大
预放大再生锁存比较器分类
静态预放大再生锁存比较器
VIL
t VIH
t
比较器的传输延迟
比较器的分类及结构
根据放大器的不同应用形式，可以分为开环和闭环两种 按照工作原理划分，可以分为开环比较器和可再生比较器 按照电路结构划分，可以分为单端输出结构比较器和双端输出结
构比较器两种 从功耗的角度，比较器可以分为静态比较器和动态比较器两种
开环比较器
C
cmos电压比较器工作原理
cmos电压比较器工作原理# cmos电压比较器工作原理CMOS电压比较器是一种电子器件，用于比较两个输入电压，并将比较结果以高或低电平输出。
它在许多电路中都扮演着重要的角色，例如模拟电路中的开关、电源管理电路中的电压检测等。
## 工作原理CMOS电压比较器的核心是一个差分放大器，由一对PMOS和NMOS晶体管组成。
它们分别连接到一个共享的源极，并与两个输入电压相连。
一个输入电压通过一个电阻分压网络进入PMOS管，另一个输入电压经过一个反相器（由PMOS和NMOS管组成）并进入NMOS管。
输出电压则取决于输入电压之间的差异。
当两个输入电压相等时，差分放大器的输出电压为0V。
这是因为通过PMOS管和NMOS管流入源极的电流相等，它们的电压降也相等。
因此，在这种情况下，差分放大器的输出电压保持在低电平。
当一个输入电压高于另一个输入电压时，会产生一个差异电压。
这个差异电压将导致差分放大器的输出电压发生改变。
如果将高电平输出定义为逻辑“1”，那么输出将变为高电平。
类似地，如果一个输入电压低于另一个输入电压，差分放大器的输出电压将保持低电平。
因此，如果将低电平输出定义为逻辑“0”，那么输出将变为低电平。
## 电路结构CMOS电压比较器主要由差分放大器和输出电路组成。
除了差分对之外，输出电路通常也包含一个反相器，用于产生逻辑反向的输出信号。
差分对是CMOS电压比较器的关键部分，它由两个PMOS晶体管和两个NMOS晶体管组成。
这些晶体管按照特定的连接方式配置，以实现基本的比较功能。
输出电路通常由一个反相器组成，该反相器由一个PMOS晶体管和一个NMOS晶体管组成。
这个反相器将差分放大器的输出信号反向，产生与输入信号相反的逻辑电平。
## 总结CMOS电压比较器是一种常见的电子器件，用于比较两个输入电压并输出相应的电平。
它主要由差分放大器和输出电路组成，其中差分放大器负责比较输入电压的差异，并产生输出信号。
输出电路通常使用反相器来反向输出信号。
高增益CMOS全差分运放的研究和设计
ｐｏｓｓｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｒｋｅｔ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｒｅ ｉｎ ｈｉｇｈ ｃｈａｌｌｅｎｇｅ．Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ，ｗｅ ｈａｄ ｔｏ ｔａｋｅ ｃａｒｅ ｉｎ ｓｕｃｈ ａｓｐｅｃｔ ａｓ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ、ｍａｔｅｒｉａｌ、ｔｅｃｌｍｏｌｏｇｙ．
ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｗｉｌｌ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｎｏｗ，ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｆｏｃｕｓ ｏｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｄｏｍａｉｎｓ ｗｅ ｃａｎ ｍａｋｅ ｂｒｅａｋｏｕｔ．
１．３本文的工作以及文章组织
本文就是对工作在３Ｖ的运放放大电路进行研究，并分析各类 运放的性能指标。按照所提出的性能指标选择电路结构，这里我们 采用的是运算放大电路中的套筒式（ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃ）结构。通过对其性 能的分析，并进行器件参数上的优化，设计出一个增益在７８ｄＢ， 功耗只有ｌ ５ｒｏＷ的运算放大器单元，基本能够满足了设计的要求， 最后在ＣＡＤＥＮＣＥ上画出版图。
这里我们具体的介绍一下目前运放的性能中一些重要的指标参 数，主要有开环增益、单位增益带宽、输出摆幅、建立时间、噪声等。 在后面的设计中，我们将进一步说明对每个参数的取舍以及折中的处 理办法。
一种高性能的CMOS电压比较器设计
一种高性能的CMOS电压比较器设计作者：苟欣来源：《电子技术与软件工程》2016年第12期设计一种高性能的电压比较器，该比较器采用两级放大电路和推挽输出级电路，应用差分放大电路减少共模干扰，应用共源共栅电路减少失调电压，应用推挽输出级电路提高输出驱动能力。
在Cadence环境下基于TSMC 0.18μm CMOS工艺下完成电压比较器的设计。
仿真得到比较器的增益为92.123dB，带宽为10MHz，上升延时为913ps，下降延时为754ps，失调电压为150μV，功耗为0.289mW，版图面积为29.56μm×25.68μm。
它具有高增益、低失调电压、低功耗等特点，可用于高精度测时电路中。
【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。
CMOS比较器(6)解读
ln
V2 V1
+ -
+ V-
gm v
RL
C
锁存比较器小信号模型
11
可再生比较器
一般来说，锁存比较 器由于其正反馈结构能够 达到很高的速度。然而， 这类比较器却存在较大的 失调电压，其中锁存电路 中的回踢噪声会贡献很大
一部分失调电压。
前级等效电路
+ －
VDD 0
回踢噪声的来源
12
开关电容比较器
Φ2 VIN+
VC ＋－
CP
Φ1
－
VOUT ＋＋
VOS －
开关电容比较器结构 13
几种比较器结构的性能比较
开环比较器，特别是多级开环比较器容易做到高速高精度。然而，由于 这类比较器中运放的增益和带宽的折衷，很难做到超高速。此外，多级 开环比较器相比于其他结构的比较器功耗较大，这限制了这类比较器在 超高速高精度中的应用。
2Q C2
总的失调电压为 ：
VOS
1 2 A • VOS1
latch
2 VOS 2
clk
M15
M17
M16
M18
M20
Out-
M19 clk
Mp1 S2
M22 Vop M13
Out+
M21 clk
Mp2 S1
M12
Vom
clk
M14
再生锁存器结构
27
输出锁存级的设计和优化
M27 M28 Out+
Iss
VDD
M3
M3
M5
Vout1 M7
M1 M2 Vin
Iss
cloc
k
VDD M3 M4
高增益三级比较器设计与仿真研究
图5 比较器偏置电路
比较器可以比较一个模拟信号和另一个模拟信号或者参考信号，并且输出比较得到的二进制信号。这里所说的模拟信号是指在任何给定时刻幅值都连续变化的信号。严格意义上讲，二进制信号在任何时刻只能取得两个给定值中的一个。
比较器被广泛使用于开关电源和数模转换器中，此外还应用于过零检测系统（zero-crossing detectors）、峰值检测系统（peak detectors）、全波整形系统（full-waverectifiers）等。
图5 比较器偏置电路
2 比较器的仿真结果分析
基于0.18μm CMOS工艺在Hspice下进行仿真。采用电源电压VDD=1.8V。
首先对本文设计的比较器进行瞬态仿真，当输入Vin1=0.6V，Vin2=sin（0.6 500m 1k）时，输入输出波形。图3所示的是一级输出、二级输出和三级共源级输出的波形。
调节管子参数使其所有管子处于饱和区，仿真其增益－频率特性，结果。
图1 比较器的输入级
图2 增益极折叠式共源共栅差分放大器
1.2 比较器第二级放大器
比较器的第二级放大器又称中间级或增益极。采用PMOS管作为折叠式共源共栅结构的的输入管，电路。PMOS管可以采用以衬源短接以消除衬偏效应。对其进行输出增益仿真。
文中电路图在LTspice下得到netlist后，在Hspice中进行仿真。文献中增益为104dB，工作频率145kHz，文献［2］的增益为104dB，工作频率为710kHz。本文在结构上都采用三级结构，可见本文设计的比较器既可用作PWM比较器也可用于限流比较器，其本质都是相同的。
高增益三级比较器设计与仿真研究
比较器可以比较一个模拟信号和另一个模拟信号或者参考信号，并且输出比较得到的二进制信号。这里所说的模拟信号是指在任何给定时刻幅值都连续变化的信号。严格意义上讲，二进制信号在任何时刻只能取得两个给定值中的一个。
cmos电压比较器工作原理
cmos电压比较器工作原理CMOS电压比较器是一种常用的集成电路，主要用于比较输入电压与参考电压的大小关系，并输出相应的比较结果。
其工作原理基于CMOS技术，具有低功耗、高速度和稳定性等优势，广泛应用于模拟信号处理、电源管理和数据转换等领域。
CMOS电压比较器通常由差动放大器、比较器和输出级组成。
差动放大器是CMOS电压比较器的核心部分，负责放大输入信号并将其转换为差分信号。
比较器则利用差分信号进行比较，判断输入电压与参考电压的大小关系。
输出级负责将比较结果转换为输出电压，以供后续电路使用。
在CMOS电压比较器中，差动放大器采用了差分对结构，由两个输入端和一个输出端组成。
输入端分别连接输入电压和参考电压，通过差动对的放大作用，将输入电压和参考电压进行放大。
差分对结构由两个晶体管组成，一个为p型晶体管，一个为n型晶体管。
p 型晶体管的栅极连接输入电压，n型晶体管的栅极连接参考电压。
当输入电压大于参考电压时，p型晶体管导通，n型晶体管截止，输出电压为高电平；当输入电压小于参考电压时，p型晶体管截止，n型晶体管导通，输出电压为低电平。
比较器部分采用了两个互补的MOS管作为开关，通过控制这两个开关的导通与截止，实现对输入电压和参考电压的比较。
当输入电压大于参考电压时，上管导通，下管截止，输出电压为高电平；当输入电压小于参考电压时，上管截止，下管导通，输出电压为低电平。
输出级通常由电平转换电路和输出缓冲器组成。
电平转换电路负责将比较器输出的高低电平转换为标准的数字信号，以供后续电路处理。
输出缓冲器则增强了输出电流的驱动能力，保证了比较结果的准确性和稳定性。
总结起来，CMOS电压比较器的工作原理是基于差动放大器和比较器的组合，通过对输入电压和参考电压进行差分放大和比较，实现对信号大小关系的判断，并输出相应的比较结果。
其优点在于低功耗、高速度和稳定性，使其成为广泛应用于模拟信号处理和数据转换等领域的重要集成电路。
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三、相关参数具体仿真
在仿真前一定要首先确定运放的实际负载，包括电阻、电容负载，还 应包括电流源负载，只有负载确定之后，仿真出的结果才是有意义的。 不同的应用场合对运放的性能指标要求也不一样，并不需要在任何时 候都要将运放的所有指标都进行仿真，所以，在仿真之前要明确应该要 仿真运放的哪几项指标，那几项指标是可以不仿真的。在仿真时，要对 不同的指标分别建立仿真电路，这样有利于电路的检查。 DC、AC分析是获得电路某一性能指标信息的一种手段，它需要一些 相关的条件来支持，当我们忽略了某一条件或者根本没有弄清还有哪些 条件时，DC、AC分析的结果就可能与实际情况不一致，导致错误的发生。 瞬态仿真则是反映出电路工作的现象，只有瞬态仿真通过，才能说明电 路具备了相应的能力。
输入失调电压仿真电路
注：对单电源运放，Vi取幅度为共模点的直流电压，对双电源运放Vi = 0。 测出VO值。则有VOS = |VO - Vi| (mV)
• 比较阈值 定义：
实际比较器输入与比较参考电平之间的差值需要大于一定数值后比较器 才能输出正确的数字信号。此最小值就是阈值。
Vin+ Vref Vin
V-
M1
M2
V+ Rz Vout
R1 Cc M3 GND M4 M5
CL
一种典型的两级差分运放结构
增益：
g m2g m5 Av= (g ;g ds6 )
主要 极点： p1 =- g 输出电阻：
g m5 1 p 2 =CL m5 rO2,4 rO5,6 CC
g m2 带宽： GB= CC
注：Vi为幅度为1，相位为0的交流信号 （vsin）。对电路进行AC分析(1Hz~1GHz )。 负载RL、CL根据实际电路确定。
开环增益仿真电路
幅频、相频曲线图
• 失调电压(VOS) 定义：
定义：实际运放中，当输入信号为零时，由于输入级的差分对不匹配及 电路本身的偏差，使得输出不为零，而为一较小值，该值为输出失调电压， 折算到输入级即为输入失调电压（VOS）。
Vth
+
比较器 -
Vout
Vref Vin+ t
Vout
t
• 增益(Gain)、带宽(GBW)、相位裕度(phase margin)、增益 裕度(gain margin) 定义： 开环增益：低频工作时（ƒ< 200HZ），运放开环放大倍数。 增益带宽积：随着频率的上升，A0会开始下降，A0下降到 0dB时的频率即为GBW。 相位裕度：为保证运放工作的稳定性，当增益下降到0dB时， 相位的移动应小于180度，一般取余量应大于60度，即相位的移 动应小于120度。 增益裕度：为保证运放稳定性，除相位裕度外，还应保证： 当相位移动达到180度时，增益要小于0dB，一般要有10dB裕量， 即当相位移动达到180度时，增益要小于-10dB。
-1 零点： Z1 = R ZCC -CC /g m5
1 R out = (g ds5 +g ds6 )
二、指标要求
• • • • • • • • VDD=3.3V±10%，CL=0.5pF 增益Gain≥70dB 带宽GBW ≥50MHz 相位裕度PM ≥60° 失调电压≤20mV 比较阈值<5mV 响应时间<5µ s 比较基准为1V
集成电路课程设计
CMOS高增益比较器
一、CMOS比较器基本工作原理
1. 传统的电压比较器（预放大锁存比较器）
优点：增益无限大(正反馈) 响应速度快(高速A/D用) 锁存输出与逻辑易兼容 缺点：电流大 失调电压大(不好控制) 精度较低
3. 运算放大器
Vin+ Vout Vin差分运算放大器
VDD M7 M6 M8