两级开环比较器的设计精品资料

两级开环比较器的设

计

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初级比较器设计

一．前言

本文主要包括：（1）分析说明比较器工作原理；（2）比较器的设计计

算方法；（3）比较器的HSPICE 模拟；（4）比较器物理版图设计实现；（5）设计文件列表说明。

之一，当分。

1(1)

,ol in in il +-oh ol

v ih il

V V A V V -=

-，为一个有限值

（3）包含输入失调电压的比较器

（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：

min (0)

oh ol

in v V V V A -=

，其中(0)v A 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：

(0)(0)

()11v v v c c

A A A s s

s w τ=

=++ 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()v A s ，进行拉普拉斯逆变换，得到输入为阶跃信号min in V 的时域响应如下式：

//min (0)[1](0)[1]2(0)

tp c tp c oh ol oh ol v in v v V V V V

A e V A e A ττ----=-=- ⇒max ln(2)0.693tp c c ττ==

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min in kV ，相应得输出响应时延为：2ln(

)21

k

tp c k τ=-，显然在线性响应的情况下，增大k 可以有效的减小时延tp 。对应的关系可以表示如下图：

放电电流可以减小比较器的时延。

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，以下侧重分析时延的限制因素和设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：

66()[1oh DD DS DD DD G MIN TP V V V V V V V ⇒=-=--- 显然，

ol ss V V =

（2）两级比较器的特性 A 部分

54n 2v v 的过程比较繁琐，这里仅仅说明一下如何求解(0)v A （求解()v A s 同理），求解低频增益时可以认为小信号等效电路中的所有电容为0，于是可以得到如下的方程组：

所以输入节点 1和节点2的时间常数很小不可能形成主极点；节点3为共模信

根据基尔霍夫电压环路（KVL ）和电流节点（KCL ）定理,可以得到该小信号等效电路的方程组并解得：

1624676224567624675656()(1/)

()()1[(')][()]

out m m ds ds c m v in ds n c ds n ds ds n n c n n V s g g r r sC g A s V s s r C M C r C s r r C C C C C -=

=++++++ M ’为密勒因子， （3）估算时延

为了计算的方便，()v A s 可以采用节点时间常数近似方法估算，它的另一种表示方式如下：

12

(0)

()(1)(1)v v A A s s s p p =

++

其中：低频增益16

1246672467(0)(//)(//)()()

m m v m ds ds m ds ds ds ds ds ds g g A g r r g r r g g g g ==

++，

2411ds ds g g p C +=-

，67

22

ds ds g g p C +=-，1C 为第一级输出极点5的电容，2C 为为第二级输出节点6的电容。

假设输入激励信号为Vin,那么在S 域的电路响应为：

Vo(s)= ()v A s Vin(s)，对它进行拉普拉斯逆变换可以得到时域的响应为：

/1/2

211212

()(0)[1]()t t o v in p e p e V t A V t p p p p ττ--=+---，其中

2416721(//),2(//)ds ds ds ds r r C r r C ττ==，根据这个时域响应可以估算比较器的线性响应传输时延，为了计算方便，对该式进行级数展开得 ：

2221

()(0)[1(1...)(1...)]1212n n o n v in n n t m t m V t A V t mt m m ≈--+++-++--，其中，

211,1

n p p t

m t t p τ=

== 再进一步简化得：

2(0)()2

n v in

o n mt A V V t ≈

令()()/2o n oh ol V t V V =+，解得：

pn t =

==

1pn tp t τ⇒==

，（21min

,in p Vin m k p V =

=），这就是估算线性线性响应传输时延的关系式。

附带说明一下如何选择摆率受限或线性响应受限来估算比较器的传输时延：

为了比较线性响应受限和摆率受限，我们对

/1/2

211212

()(0)[1]()t t o v in p e p e V t A V t p p p p ττ--=+---进行归1化处理得：

()'21(0)11()1,1,111

o n n n v in

V t t mt o n n A V p m t

V t e e m t tp m m p τ--=

=-

+=≠==--其中:， 对上式进行两次求导并令其等于0可以得到归一化响应的最大斜率为：

ln ln '

11

max

()[]1

m m

m o n m m n

dV t m e e dt m ----=--------------（3.1-1） 而两级开环比较器的输出摆率为：

7

2

I SR C -=

-------------（3.1-2） 2

6676722

()DD G MIN TP V V V I I I

SR C C β+----==------------(3.1-3)

比较（3.1-1）、(3.1-2)和（3.1-3），当min in in V V >且摆率比（3.1-1）小时，则应采用摆率来估算比较器电路的时延。需要特别强调的是：如果是线性响应受限则极点的位置十分重要，如果是摆率受限则对电容的充放电的能力变得更为重要。

（4）设计常用公式：

为设计方便，现将常用的设计公式及步骤总结如下：

①276212N P p C p p I I λλ==

==

+