两级开环比较器的设计

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。

1()in in f V V +--=

,()oh in in ih

V when V V V +-->

(),()v in in il in in ih A V V whenV V V V +-+--<-<

(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：

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

．第一级简单CMOS OTA 特性

v v 效电路中的所有电容为0，于是可以得到如下的方程组：

2244541141221

()out m gs m gs n gs m gs n m m gs gs V g V g V r V g V r g g V V =-+=-==-

114114511445()(1)out m gs m m gs n n m gs m n n V g V g g V r r g V g r r ⇒=+=+

12

in

gs V V =

----------------------------------------------------------------

关；M3二极管连接方式决定了节点4的时间常数很小也不可能形成主极点；最有可能形成主极点的地方为节点5和节点6，即第一级的节点电容对整体电路的特性没有决定作用，利用A部分的分析结果可以得到整体电路的小信号等效电路如下图所示：

组并解得：

16246762

24567624675656()(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 '

11max

()[]1

m m

m o n m m n

dV t m

e e dt m ----=--------------（）