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
锁存比较器小信号模型
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
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
高速CMOS比较器
比较器的性能
VOL
VO VOH
VP-VN
比较器理想传输特性
比较器的性能（静态特性）
VO
VIL
VIH
VOL
VOH VP-VN
VO VOS
VOH
VIL
VIH
VP-VN
VOL
比较器理想传输特性
包含输入失调电压的比较器的传输曲线
比较器的性能（动态特性）
假设比较器差分电压增益A v 可表示为：
预放大器
Vx
o
t
t1
t2
t3
再生锁存器和预放大再生锁存器输出信号的阶跃响应
预放大再生锁存比较器原理
除了具有明显的速度优势，预放大锁存比较器相比于单个锁存比较器具 有低的失调电压和低的失调电压。
VOSpreamp Vi+
Vi-
AV
Preamp
VOSlatch
Out+
Latch
Out-
A 1 InputReferredO ffset
这类比较器在理论上可以由单级高增益放大器和由两级或者两级以上 的放大器级联开环应用实现
A0 s 1
A0 s 1
A0 s 1
A0 s 1
A0 s 1
A0 s 1
线型 小信号
线型 小信号
线型 大信号
大信号 小电容
大信号 中等电容
大信号 大电容
级联开环比较器结构图
开环比较器结构简单，却具有大的失调电压和较高的噪声
开关电容比较器属于典型的离散时间比较器，设计难度较大，且电路中 非线性因素较多
可再生锁存比较器再生速度高，容易做到超高速。然而，它的大的失调 电压限制了它在高精度中的应用。
高速CMOS比较器
预放大锁存比较器原理、分类及结构 预放大级的设计和优化 再生锁存级的设计和优化 输出锁存级的设计和优化
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
直流失调电压。
Φ1 VIN-
Φ2 VIN+
VC ＋－
CP
Φ1
－
VOUT ＋＋
VOS －
开关电容比较器结构
预放大再生锁存比较器原理
预放大再生锁存比较器的原理是在再生锁存器前加前置放大器，使比较 器的输入经过预放大器后被放大到足够大后再加到再生锁存器上。
其优点是结合了放大器的负指数响应和锁存器的正指数响应，使输出迅 速的达到要求的电压值，比较器的速度提高。
VOH-VOL
预放大再生锁存比较器 再生锁存器
◆ 级联的共栅晶体管隔离了再 生节点的电压变化，减小了 回踢噪声
◆ 总是存在着两条直流通路， 静态比较器的功耗较大
◆ 复位过程较慢
VDD M2a
M2b
M3a
M3b
I+in
M1a M1b
I_in
Out+ Out-
Iss
M5a M4a clock
M4b
M5b
clock
静态预放大再生锁存比较器结构
预放大再生锁存比较器分类
AB类预放大再生锁存比较器
◆ 再生过程由两个交叉耦合CMOS 反相器完成。AB类比较器速度比 静态锁存比较器快
◆ 因为在与输入电容耦合的节点存 在轨到轨信号，这种结构中的回 踢噪声增加
◆ 差分对的电流仍然镜像到再生 节点 ，功率 更大
VDD
M2b
M2a
VIP
VIn
M1a
M1b
M4 latch
AV
AV 0
S
c
1
AV 0
sc 1
定义比较器的最小输入电压为：
Vin
最小=VOH VOL AV 0
当Vin 最小加在比较器上，比较器的传输时延可写为
tP 最 大 cln 2 0 .6 9 3 c
如果输入是 Vin 最小的 K 倍，则传输时延为：
tP
c
ln
2K 2K 1
VO VOH
VOL Vi=VP-VN tp
C dV dt
其中，C 为锁存器的输入输出电容之和。对上式
变形并积分有：
gCm1gm1RLtt12dtV V12V1dV
设锁存比较器的延时为，则有：
tD
t2
t1C gm1来自1 1gmRL
lnVV12
一般情况下，gmRL 1，所以
tD
t2
t1
C gm
lnVV12
+ -
+ V-
gm v
RL
迟滞比较器对含有噪声的输入的响应
迟滞比较器
VON
VOUT
VTRP-
VTRP+ VIN
VOL
迟滞比较器传输曲线
VIN
R1
R2
＋ －
VIN VOUT
R1
－ ＋
R2
VOUT
外部正反馈实现的迟滞比较器
可再生比较器
++ --
锁存器
+ 放大器+正反馈
锁存比较器等效图
可再生比较器
传输延迟推导如下：
gmV
V RL