高速比较器的分析与设计

本章小结 ............................................................. 29 结 致 论 .................................................................. 30 谢 .................................................................. 31
1.2
国内外发展现状分析
比较器是所有模数转换器的关键模块。其性能，尤其是速度、功耗，对整个模数转 换器的速度和功耗都有着至关重要的影响。但是传统的比较器很难同时满足模数转换器 对速度和功耗的要求，因此需要对传统的电路结构进行更新和改进，以满足应用要求。 传统的预放大锁存比较器有较小的延迟时间和低失调、低回踢噪声，但是这些高指标是 以高损耗和大的芯片面积为代价的；动态比较器虽然具有速度快、功耗低的优点，但是 失调电压和回踢噪声都很大，限制了其在高精度模数转换器中的应用；静态比较器具有 较小的回踢噪声，然而其功耗大，比较速度慢，不适于高速模数转换器。 关于比较器的研究，综合国际和国内模数转换器发展的情况来看，其趋势是高速和
关键词：高速比较器；CMOS；失调电压
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兰omparator is one of the most important units in ADCs and widely used in electronic systems.The performances of comparators,such as speed, power consumption,noise, and offset,strongly influence the speed,precision and power consumption of ADCs. Voltage detectors,voltage level transformer,voltage-frequency transformer,sampling/track and hold circuit, zero detectors, peak and delay line detectors all utilize comparators. Based on preamplifier-latch theory,this design of the comparator useing pre-amplifier stage with the structure and dynamic latch structure,on the basis of the traditional structure of high-speed comparator circuit switch,application switching operational amplifier technology, improve the resolution and reduce the transmission delay. the comparator includes a preamplifier circuit of fully differential structure,a regenerative latch whose key components are inverters connected end to end,and a simple output stage which is made up of two cross-coupled NMOS transistor and the PMOS common source amplifier.When clock is low, the difference between input signal and reference signal amplified by preamplifier circuit,Preamplifier circuit get a big bandwidth to achieve high gain in the same time,improve the speed of the comparator effectively,Reduces the input offset voltage of the comparator,comparator output corresponding to logic level.When the clock signal is high,the comparator output is latched to high. Key words： high-speed comparator; CMOS; Offset voltag
II
兰州交通大学毕业设计（论文）
目 录
摘 要 .................................................................... I Abstract ................................................................ II 1. 绪 论 ................................................................ 1 1.1 1.2 1.3 2. 课题背景、目的及意义 ............................................. 1 国内外发展现状分析 ............................................... 1 本文的工作内容和结构安排 ......................................... 2
本章小结 ............................................................. 20 3. MOS 工艺高速比较器电路的设计 ......................................... 21 3.1 3.2 3.3 比较器结构的选择 ................................................ 21 比较器失调的消除 ................................................ 22 MOS 比较器的设计 ................................................ 24 3.3.1 前置放大器的设计 ............................................ 24 3.3.2 判断电路的设计 .............................................. 25 3.3.3 总体设计 .................................................... 25 3.4 电路的仿真 ...................................................... 27
比较器电路结构与工作原理 ............................................. 4 2.1 比较器电路的分类与基本应用 ....................................... 4 2.1.1 比较器的分类 ................................................. 4 2.1.2 比较器的基本应用 ............................................. 9 2.2 比较器的结构与工作原理 .......................................... 11 2.2.1 差分放大器的工作原理 ........................................ 12 2.2.2 锁存电路 .................................................... 13 2.2.3 输出放大级 .................................................. 15 2.3 比较器电路的系统参数 ............................................ 16
参考文献 ................................................................ 32
III
兰州交通大学毕业设计（论文）
1. 绪 论 1.1 课题背景、目的及意义
随着集成电路技术的不断发展和特征尺寸的持续缩小， 数字集成电路已经基本能够 同时达到高速和低功耗，利用数字系统处理模拟信号的情况变得更加普遍。数字电子计 算机所处理和传送的都是不连续的数字信号，而实际中遇到的大都是连续变化的模拟 量。模拟量经传感器转换成为电信号的模拟量后，需经过模/数(A/D)转换变成数字信号 才可以输入到数字系统中进行处理和控制。因此，A/D 转换器作为把模拟电量转换成数 字量输出的接口电路，是现实世界中模拟信号通向数字信号的桥梁，是电子技术发展的 关键和瓶颈所在。 当前 A/D 转换器的主流正朝着高速、 高分辨率以及低功耗的方向发展。 特别是针对 宽带测试的测量仪器和仪表、自动测试设备、雷达、磁盘通道读取、光接收机、航空电 子设备、宽带通信系统和点到点无线通信系统及本地多点分配业务，中高分辨率的超高 速 A/D 转换器的研发已经越来越紧迫了。 比较器是所有 A/D 转换器的关键模块， 其速度、 功耗和噪声等关键性能对整个模数 转换器的速度、精度和功耗都有着至关重要的影响。在高速 A/D 转换器中，高速比较器 的设计是整个设计的难点。现有的 CMOS 高速比较器的结构主要有：开环比较器、开 关电容比较器、再生锁存比较器和预放大再生锁存比较器。一般的高速比较器都是采用 锁存比较器结构以满足速度的要求。然而，通常的 CMOS 锁存比较器存在很大的失调 电压，严重的影响了比较器的精度，限制了 CMOS 锁存比较器在高速高精度 A/D 转换 器中的应用。因此，当前的高速比较器通常都采用预放大再生锁存比较器。本论文就是 设计一种高速比较器电路。