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

,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

包含输入失调电压比较器电路模型如下图所示：

Vin+

vin-

fo(Vin+' - Vin-')

+

-

Vin+'-Vin-'

+

-

+

-

V o 包含输入失调电压比较器模型

+-Vin+'

vin-'

因此，在摆率响应的情况下，增大对电容的充/放电电流可以减小比较器的时延。

三．比较器的设计

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

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 =

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

6节点对地电阻676//7ds r rds rds =

6节点对地电容Cn6，

6节点和5节点间的电容Cc(针对比较器电路，采用开环模式，通常使Cc 最小化，以得到

最大的带宽和较快的响应)。

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：

V o(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

66767

2

2

()

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==

==

+ ②

6677

22

667722,'()'()P SD SAT N DS SAT W I W I L K V L K V ==，67,SD SAT dd oh DS SAT ol ss V V V V V V =-=- ③1

157

2

2C C I I C =假设一个的值，计算 ④

3542'()

W I W L L K V V ==-，3SG dd icm TN V V V V +

=-+