高速比较器的分析与设计

兰州交大学通毕设计（业文）

摘论要

较器是比数模 (/DA转换器的重)组成部分，要也是电系统中应用子为较泛的电路广之一。比器较性的能尤，是速其、度功、噪声、失耗，对整调模个转数换的器速、度精度和功都有耗至关重要的着响影比。器较设的以计环高开益增放大器的设为计基础这。类比器属于非较线的性拟模电，其输入和输路之出间不存线性关在系比。较的器系级统用包应便携式和括池驱电的系统动、描仪、扫机顶盒和高差分线速收接。器于预放大基生再锁理论存本文设，的计比器较用采预了大放级结构和动态lath 锁存器c构，在结统传高速比较器路电结的构基础应上用关开算运放大器术，技提高了辨分，率降低传了延时。输该比器较括包差全结构分前置的放电路大，相反器首连尾成的接双稳结构为态心核的态再生锁存电路和动由个交两叉 MOSN晶体管简单和的MOP 共S 放大源输入成组的输出锁电存。当时钟信路号低电为时，平入输信号参考信号和差被之前置放电路放大，大前放大置路电获在得的带宽的大时达同较高的到益，有效增提高的了比较的器度速，降了比较低的器入输失电调压比较器，输出对应相的逻辑电，当时平钟号为高电平时，信比较器输被锁出存到电高平

。

关键：高词速较比；器COSM；失调压电

兰I交州通学大毕业设（论计文）Ab

sractt

omparCtar os ineo f ohe tmstoi pmrtoatn uitn isn ADs andC iwedly seudin electonrcisyste s.Themper frmanoec ofs ocmpaatrros,suc hs speed, power aoncumsptinono,se,i nda ffsot,steonrglyi flnence the upsed,peerisioc nnadp wero ocnuspmtoi nfo DCA. soVltag eedtceotrsvo,tlaegle ve tlarsnofmre,rvltaoe-greqfuecy nrtasnforer,msamlinpgt/rcak na dohld irccut,iz er oetecdort, peaskand dealy lie dnetctersoal lu tiizel ocmpaatrro.s Bsea on dpremapilfie-ratlch hetory,his dtesig nf ote chmpaoarotr useingp ream-pilfie rsagt ewtih he strtutuce ardn yndmic laath sctucturer,o nhet absi sf oteh rtdaiiotna slrtcutru oefh gi-shepd eomparctar ocicrut siiwchtap,lpciations itwhcni gopretainolaamp lfiire ectnhoogyl i,mrpov ehet esolutrin and oedruec teht anrsmisson dieayl. het omcaprtoar icnldes a preumpailfer icrciuti of fullydiff reneial sttrutcre,ua ergneeartve iltac hwhos key comeopnetsnar eivernerst conecntd een toden ,dna dasi pml eotuuptst gaew hchi is madeup of t o cworss-ocpule dMNS Otrnsastor aidn he PMOStco mon smorue cmalifpierWh.enc lcko is olw ,he dtifefercen bewtee inpnut isnga landre ferenc siegal amnlpfiedi yb premaplfiie riccuri,trPaeplmfiierc ricitug t ae bg ibanwdditht o chaeive ihh ggian ni tehsa metim eim,porv the speeed f otheco mpartoaref fetcveiy,lReduec ste hnpuit offetsvolt ga eo fht ceopmaaror,ctomparaotr uoputt corresondpni tog olic levgelWhen.t hec lok cisgan lis ighh,th cempoaatrroout pt iu sltchae dtohi g

h. Kyewo rd：s hgh-isepd cemopratao;rCMOS; Ofsef tovlat

gII

兰交通州大学业毕设计（文）论

目录摘

要................................................................... I Ab.sractt. .............................................................. II 1.. 绪论 . .............................................................. .1 1. 11. 12.32. 题背景、课的目意及义 .............................................1 国外发展现状分内 .析............................................. 1. 文本的工作容内和构安排结.........................................

2较比器路结构电与工作原理... ......................................... . 4.12 较比电路的器分与类本应用基.... .................................. .42. .1 1较器的比类分. ............................................... 4 2...1 2较比器基的本应 ...用.......................................... 92 2. 比较器结构的与工作理 ..原........................................1 1 .2.12差分放器的大作原理工 ....................................... .2 212.2. 存电锁路 ................................................... 1. 3.2.32 出放大输级..................................................1 2.35 比器较电路系的统数参........................................... 16.

章本小结.... .........................................................20 3 .OSM工艺速高比器较路电的计设 ........................................ 2.1 .313. 233.比较结器的选择 .构.............................................. .2 比1较器失调的除 .消.............................................. 2.2 MSO 比器的设计较 ............................................... 24 .3.3. 前置1放大的设计 ..器.......................................... 2 4.3.3 2断电路的判计 ..设............................................25 3 3..3 体总设计 .................................................... 523.4 电路的真仿......................................................2

7章小结本.. ...........................................................2 9结致论 . .................................................................30 .谢................................................................. 3

1参

文考献............................................................... 32.

州兰通交大毕业学设计论文（

1.）绪论 .11 课背景、目的及意义题

着集成随电技术路的不断发和特征尺寸展持的续小，缩字集成数电路经基本已能够时达同高到和低速耗，功利数用系字统理处拟信模号情的变得况更加普。数字遍电计子算所处机理和传的送是都不续连的字信数号而，实际中遇到大的是连续变都化模拟的。量模量拟传经器感转换成为电号的信拟量后模，经过模/需(A数D)/换变成数转字号信才可输入到以字数系中进行处统和理控。制此因，/D A换转器作把为

模拟量电换转数成字量输出接的口路，电是现实世界模拟中号信通数字信号的桥梁向是，电技子发展的关术键瓶颈和所。当在前 /AD 换转器的流主朝着正速高高、辨分率及低功耗以的向发展。方特别是针对宽带试测的量仪测器仪和、表动自试测备设、雷达磁盘、道通取、读接光机收航、空电子设、备带通信宽系统点和点无到通线信系及统地本多点配分业务中，分高率的超高速辨/AD转器的换发研已经来越紧迫越了比。较是器所有A/ D转器换关键模的块，其速度、功耗噪声和关键等能性整个对数模转换器速的、度度精和功耗有着至关都重要的响影。高在 A/D速转换器中，高速比较器的计设整是个计的难点设。现的有 CMO S速高较器比结的构主有要开环：比较、开器电关比容较、再生器锁比存器较预放和再生大存锁比器较。般一的速比高较都是采用器存锁较器比结以满足速度的构要求然而，通。的 C常OS M锁存比器存较很大在失调的压，电重的严响影比较了的器度精限，了制C MOS锁存较器比高在高速精 A/度 D换转器中应用的。因此，前当的速比较高通常都采器预用大再生放锁存比较器本。文就论是设一计种高比速器电路较。

2国

外内发现展状析

分

较器是所有比数转换模的器关键模块其。性，能尤是速度、功耗，其整个模数转换对器速度的和功耗有都着关重要至影响的但是传。统的比较很难同器满时模足转换数器速对度功和耗的求，要因此需对传要统电的结构进行更路和改新进以满，足用要应求。传统的放大预锁存比较器有较小延迟时间和低的调失、回低踢声，噪是这些但高标是以高指损耗和大的芯面片为代积价的动态比；器较然虽具速度有快、功耗低的优，点是失调但电和回踢噪压都声大很限，了其在高制度模精转换器数中的用应静态比；较器有较具小的踢噪回，然声而功耗大其比较速，度慢，适于高不模数速换器。转关于比较的研器究，综合际国国内模和转换器数发的展情来看，其趋势况高是和

1速

州兰通交学大毕业计设（论）

文低功，耗。比器结较一般构为全分、差可再式生多级、大放的级形式。联较比器前放面置一个缓放大器，用冲降来低回踢声噪。用采电样可容消抵失误调差但，采样电容应尽量小以，高电路提带，而且采样宽容电下的极板应到连子管极，上极栅连到驱动板。在源高速用应，时瞬时短路用法使比较器得迅速到复恢。2060 年 9，ADI ( 月naloA gDveceiI cnoporrtaino推) ADCMP 60出x 列系满源电幅的比较器摆，适合高于，速低耗功R-R ，幅和高精密度应摆用该。列系较器可比供提种可多编延程，从 1n迟到s

35ns随机抖动小(到 .25sRMpS 效值)。A有CMPD0x6比较器提供可在2. 5-V5.V5电源范内完围全到规达定的R-R 性。能在这电低应用中压非有利，特常别是前一在快速代R- R比较在器于低2 .7V的工电作压时会现出区的情况下死 2。006年 1 2 月奥地，利微子公电司(A stuiram irc ossytesm 推出比较)器品产系列S197A-750。系列该有路、单路双、路4输入可供选，加上择个单比较器输的入耗功至 8.低5的性特使，些这C I成了许多为池供电应电的理用解决方想。案AS1709-5 7系采列+用25. V至5+.5 V单电源供电，非的常用于 3适和V V5的用。该应系列支持也士 .12V5 士至.725V 电双源供电。这些I C 能过两节通 AA 电驱池动，并提 R-供R 性，特输入且置偏流电仅 1为p。此外，0.A5m 的低输入偏置V电压和mV 的迟3滞上加功耗低特性使，AS 19 7-705 系列为便成式设携内备池电测和监电管池理用的应理选想择。 020 年75 月高，能性模信拟路径产品号应商美国供国半导家公体司Na(tinao leSimcnduocor torpCrotion)宣布推出a款一界最低业功率典(值为 21型mA)而传播迟时间延不超过1 微 (秒70p0s)双的通比道较。L器M7H32 2芯片传播延的迟时只有间 007s，p 而过且动驱超过若100 m，也V会只出现5ps 的散。此外，这射款片芯设有独还的立输入及输供出引脚电因，可此支持需以进行要平电转换应的。用于由款比较器的这典功型耗至低有只 1mA2，因最此用适必于节须用约电的系统若以 5。供V电操作，MH7L22 0 芯的片传播迟延时只有 2间9ns(典.值型)而，升及上下降间同样时 0是6.s，所需n的供电电流则超不过68.A。m两芯款片保都可证在摄-氏40度至1 2 度5温的范围度内分发挥充其能。性

本1文的作工内和容构安结排

模拟电

路设计和具体的工艺的不密分。在一般工可艺条下，模件电拟的路设需要计准把握确采所用的艺工偏差的程度在，理合范围的选择结内，确定构数参实，现设目的。计本的文主要容安排如内：下 ) 1题课来以及国内外源展现状发分析。2

州交兰大学毕通设业计论文（）

2 )理论分析为以，主析分比较器了工作的原理影、性能的响主因要以及素见常的解办决法。3) 提出高速较器的设比方案，计同给时出仿结真。果

兰3州交大学通业毕设（计文）

论.2 .2 2.1.11比较器的类分比

器根较不同据划的分准标可以具有不的分类。同根放据器的不同大应用形式，以分为开可和环闭环两种。个一高益增的算放大运器应于用环状态就是一个开速的比较器;高而滞比迟较和器锁电存则路放大是器在两正种反馈形势的闭下应环。用按工照作原理分划，以分为开可环比器和可再生比较器较。开比较器环基于是补非偿运算放

大器而，再可生比较应用类器似传感于放大器或触器的发反馈来正成对两个完号幅度信的比。综较开环和可再合两生比较类的特器点产生，一种优化综的合型比较。器按照路电构划结又可分以分为端单输结出比较器构和双输端结构比出器较种。两设时，考计虑更的多比是器电较的工路原作理，而结其则构在是理基础原对设计进上分行析。从功耗的角度比较器可以，为分静比较器和态动态比器两较种。二的主者区要在于别态静比较器会耗一消定的态功耗，而静态比较器动的态静功耗零为只，动有态耗功。1) 开环较器比开比较环器于非基补运偿放大算，可器再比生器较应用类于似感放传器或触发器大的正馈反来成完两个信号幅对度比较。开的环较器是比放大器的开以环应用当作较比器这种比较器。的点是不需要频率补偿，特而从以获可尽可能得的带宽，大理上也论就可以得相获对较快比的输响出时间。这类比应较器可以根据开又环用应放的大的结构分器为：类单级增益放高器大环开应作比用器较低，益增多级级放联大用作器较比器。以级单放器开环应大用形成的较比，器依是靠放大器增高益把输较小入的分信号差放大后电被电压源切，顶而输出从高或者低平电设计。种放这大结器构的比器，因较为不存在接反馈闭成形式的应环用情况也，就不必行进频率偿。这补种比较器一不般能用在性高系统中能，谓所高性的系能一般统是就失调电压指、建时立间转换和速率(率) 等方摆面的求比较高。要于由这放大器的类流直益增般一都比较高相应的带，宽就会较比小，因此这类较器的比立建间比较长时。间常时：数  1 P 1 A0 W1，此子一般式合适单极系统和小点信号入的情况输其。 P中（ W11 是指）本放大级器的极主点频率0 是本级放A大的直流增益。器如前说，所这个主极点率频一都较般低。此因，时间常数值比较会大因此，。放大用器作较器，其比

比器电较结路与构工原作理比较器路电分类与的基应用

4本

兰州交通

学大毕业设（计文论

比）速度通常比较慢。较另外一种多级是联级比较器。出对比较器于立时建间考虑的，要若提比高速较就度得将放器的大主点极率提频高，同时证保其原有单的增益位宽不带变这种方。法会牺牲定的直一流增益为。了补弥大器放流直益增减的，要将小个较低多益增放大器互相的级联成形级多联比级器。较设有假n 级级联级，联放大后的增益变器一为级益的 n 次增幂指数。立时建间常公数式为：



A1  n0 PW1 1

（2式.1

）

中其A 0 级是联比较器的流增直。由此益式可以看，比较

出器的较速度随比n 的增加而性提高。这线就为什是么增益低级级联比较多器的度速比单级高增要益比器较速的度快原的。 2因 )滞比较迟图器 2.1滞较比的传输器性特曲。线当输从入负值开并始向正变化时值输出，不并，变直输至达到入向转折点正，比时较器输才开出始改。变旦输出一高变，实转际折被改点变当。输入值向负值向方减向小，输时不变出，到直到负向转达折时点比，器输出较才开始转。

Vou换t

[]

1向正转点 V折n 负向i转点折

图2. 1比较器传输的性特线曲

在

声环境中，噪滞比迟较器优点的清晰的表在图 2现2.以看到，于没对有迟的比滞较器当，入输含有噪声时候输的也出样一有噪声含适当。的整调滞比较迟的传器输特，性以可止比较防的器翻转，误又得能到相较好的速对度在迟。比较滞器，迟滞电压必须中要大或者于于等大噪最幅声度

。5

兰州交大学通毕设业（计文）论

比a较器响应的

b迟比滞较器响的应图2 2 .比同较含器有声的噪输入响

应比在较其中应用迟滞的法很多，所方有的这方些法使用都正反馈，一可般以分被为外部正反和内部馈反馈正种。两部外迟使滞用部正外反馈来实现滞，迟它实的现是在比器较成建以后。使用部迟滞的内比器本身具较有滞迟能功，不需要部反外。馈外正部反一馈是般采用比在较器输的入以端及输出端和在输入端之加上电间阻来现的。实这方种不法适合高在比速器较中应，因用在为调零过自中需程用到要出端输输入和的端反馈通路。般一采用部正反馈的内法方实现来滞迟。3 )速比较器高高比速器应该较可尽的能低降传其时延。为输达了这个目的，必到明须高确比较速

州交兰通学毕业大设（论文计）

的要求。器将比较器为数个级分联路电有助最于解理如图，.3，其中每级的2益都增为0，A有一 1个t 的/单极点如果输入。变的稍化大于稍V in(小最，那)么每电级的路功是能在能可的小迟延下大放输入信号。从图可以中出看，几前信号级摆幅的比小较当信，号摆的开幅接始要近求的范时围，大器放受将他到们率的限摆制所。，对以前级几路而言电，重的电要参数是路带宽宽，带宽以可使放大号信的延较小，并将放大时信的传号至一下。级是，但于后对面几电级路，要重的具有高是率摆，这才样能使中间电容和负级载容上电的压上升或电降下足够快。所得，在整个以大器的链路中，放前几级电的设路和计几后级电路不是同。

的0 sA 1

A s0 

0s  1

A0s  1

A 0s  1

s 1

线

性小号

信线小性信

号线

性大信号

大信

号电小容

大

信号中等电

容

大信号电大容

图23 .开环比较的器构框图结

高

比较速的器设计原则采用前是置大放使输入的器化足够变并大其将到锁加器上存。这组了电合路最的特点佳一种：是具负指有数应响前置的大电放，另路种一具是有正数响指的应存器锁电。路前置大器对输入放号信的应响如：

下

in Vm(in )

HO OVL Av 0)(

Vi( n KVni m(i) , Kn 1 )

（式22.）

OH V VLO tt v (0) A1  ep c  Vi n2

式（2

3）

.综合式

2.2)和式((23).可知放此器的大延迟时

 2K 间 t p  cn l   2K 1 式（2.

4）

中其A v(0)是前置放大器低小频信号益增，Vni( in)m 是前置大放的器变跳电，压 c RC 是该分放差大的器时常间(数R 等是输出电效阻， C是等输出电容效)，V HO VLO 是比器较输端出最的差值终

7。

兰交通大州学业毕设（论文）

计正馈锁存反器对入输信的响应号下如

Vou (t )t tel l Vi

 V V L  tlO  ll n O H  2Vi 

式（

.5）

2（式2.6）

其中

 lC g m是反馈正锁存时间常数(器g m 功是正反环的馈等跨效导， C是效输等电出 )容 V i正反馈锁存是开始工器作出端输初的电压差值始

。ΔiV

Vout1n

ot2u

oVut

uot3

图24 连接.的放大路电的入端输加VΔn 时i各级输的端

出图 2.4

输级信出随时号变间化比较初级输。出压电Vout 与时间1几呈乎线关直系，第级2呈2 次方特性，第 3 呈级 3次方性特正。反馈存器输出端的锁快变速化和开关的时管馈钟通影等，响会过输入通的管漏寄生电栅传递容输到端。由于输出端和输入入端之没有间隔离件器电或路使得，出输端开和关管快的速动对输作信入号造相成当的大干扰几十~几百(伏毫的峰尖抖)动。这种干就是回扰噪声的踢源。正反来锁馈存电器路输的入号，是电阻信串分后的压基电平，准采样和保持路在时钟相位电于保持处时段下供提的保电平。持踢噪声回基使电平准和持电保在平比较刻时有相大当毛刺，的这将导致比较结果的错会以误及样采持电保保持过路中程号信的不稳。定正馈反锁器前存加边一预级大放器预放，大内器部和输端出加载离电路隔使得，输其出号信次多衰减后达信到号输入端。的加载隔离电的路多越，踢噪回衰声减的就大越。

8压电

outV

Vo2ut1

时间

兰

交州大学通毕业计设（论文）最

，终Pearplifier-Lmatch 输入号将信本上基受回不踢声的影响。噪反馈锁存器正形成的正馈环反的 MOS路管尺应寸设计较的小。否，则输出端其效等载电容和负回踢声噪将大大加增并且。，对调电失有贡压献管子的般是工一作线性区的在过驱动电压变，化非常。大加上反正锁馈存器反的

馈动作，钟控时电流源制沉/关动开作因产素生回踢的噪的声响，导影正致反锁馈存失调器压很大 (一电般 3在m0 以V上) 。rPemalpfiireLatch 的-失电调与压反馈锁存器正相较比，有实质性降的低。正馈锁反器存失调的压通电加过预放大级对输入，管的献贡幅大度降下并且。预，大放器的中隔电离路，降了低回踢噪声失对电调压贡的。献因比此较器失的调电压主是要放预器大的失调。[2]

.12.2 较比的基器应本用

经曾加参学校创过实新验项目，关是音乐彩于灯的电路计设。心核电路是较器比的应。用作工理为原通过三极管大放器音频将信放号，大将一这信号统一到加比起较同相的入端。串联输个9应的相阻对电5V 电进行分源压将，得不同的电分加压比较器到反相的输端与放大入音频信的作号较比因。为比较的反相输器端加入的的分是不同压的，并且是依递次增或减变递化，的以会有所一比较器个上的的比较端器出输为全，而低它下面全的为。高样就会这点亮其的负载LEDL,D E按一排竖接，这连样会就成一个形灯柱，随着频音信的号振幅变，化LE 灯柱的D闪亮就有起会落。除模数转换器外以，较比器还常用应于以下几种统系中：过零检系统测(erz-ocosrsng diteetocr)s峰，值测系统检(peakdet ctorse)全，整波形系(统fll-uavew rcetfiier)等s。等不同应用的场对合比器的各种特较性求有要同不的重点。侧文主要本涉及较器比模数转换器在的中应用。见的常模数换转有器以下几种f：lsha DA(快闪C模数式换转器并行或模数换转)，器pip eined ADlC(流水线式数转换模)器 S，RA DAC逐次逼(近数模换转)器Sig，amDelta -DAC。 lFsah 模转数换器要主采样保持电由路比较器和成。组每一模次转换仅数需要仅一个钟时期周转换速度很，高但是需。的比较器数目很要，N大比的特f lahs 模转换数器需 2N -1要比个较。器因此电路构结比较杂，复功耗也对相较大并。且随转换着精的提度高电，路的复程度杂功和会耗明增加。显这必然样会引众多非理进因素，想这会设给计来很带困难。多lashF 数模换器仅仅依转靠比器完成模较转换数因此，对较比精器要度非常求高包，比括器较分的率辨工艺引进的，比较失调等因器素。线模转数换由器多组级，是成级各独单成粗量化，完整共体同现实量化细模数的转换。器级每由一个是样采持保电，路一个量粗的 f化ashl 模数换器转，个一数模转换，器9

兰

交州大学通业毕设（计论）

一文个加减电路一个和级放大电路构成间每。级的转换精是 B+度 1特，比需要较器比的数量是2 B  1 2个所以总共，需要的比器较数的远目远于小fals h构结模数转换的器

，而同能样达到高精度和的速。由度于流水线结模数构换器在转构上加入了结间放大级和数纠错字每级内部的，f asl 子h模转换器数只需达到B +1 比的精特度即，可大降大了对低比较精器度要的。可见求，流线水数转换模可器同时以实较高的转换现精度高和率速通。其转常精换度在 1 0特比右左转换速，为几十兆率甚，至可达到以上百兆。前流水线目数模转器在该领换域中占极其有重要的位。地虽流水线然数模转换器可解决以较高度和较高分速率的问题辨，但功耗题问然仍没有决解。次逼逐型近与速型可闪以作是看模转换数器构结的两中极端个。速闪模型数转器换用多使比较器，用个个周一完期成数模换。而 S转A 模数转R换是用一器比较器在个多个周期内成完数模换，可以转用个比较器实现高分辨模一转数。换是要达但 N 位到辨率分少至需要N 个较周比期。为因SAR 模数转换器用了相当简采单电的结路构一个逐：逼近寄次存器比较器，数和转模换器所以，直一所到权有重都比完较，能完才一成次换转在，个比较N周期内，能只理处个一模数转换程过。因此SA，R模数转换器通用常高分在辨低率采样场速合。SA R数转模器还换适于用非周期拟信号模输场合入，因为转换程可以随过时开始这，个特点逐使次逼结构非近常适合对多与个时间关无信的进行号模转数。因换一为逐次片近逼 A/D型转器换和片输一入多路换器通常要转比个

∑-NA⊿/ 转换器D宜便当。动抖噪声出现，逐次逼时近式和水流型 A/D 线换器可转采以

平均用法方高提/AD转器的有效换分辨率采样速率每。提一倍高有效分，率辨改善3dB 或 /2 位1 。Sgim-Deltaa模数转器是换这几结种构里唯面的一种过采样一转器。由减法器换，分器积量，化器，数转模换和数器字抽滤取波器组成。主用于要低、高精速的场度合，在音频领域有不替代可地的。位此转类换器具有一先个的优势天，不需要特别即的微与校准调即，使分辨达率到6 1至 18 位，它位们也不需要模拟在入输端增加快速降的抗滚叠滤混波，器因采为样率速比要效带有宽高的。多此换转的该器采样特性可还以用来“ 滑平模拟”输中的任入何噪声系统然而，。过采样换转器以要率换速分取率辨由。产生于个最终一样采要采样很多需次(至是少1 倍6一般，更多会，这)就要求制调器部模内电路的拟作工速要比最终的数率据速率快得。数多字抽滤取波器的计设是也个挑一战，要并消耗多很硅片积，面期内速短最高度的高辨分率过的样采转换的器带宽将不可高出能兆赫几兹很多。

兰

州通大学毕交设计（论业）

2文.2比较

器的结与工构作原理

比较器作用是较比一模个拟信和号另个模拟一信或号参考信，号输出并经过较比处得出的二进理信制号。里这模拟的信号指是任在给定何刻幅时值续变化连信的号二。制信进在任号意时刻能取两只个给定值中一个的，而这种然情况于过理化，想实上际两在个进二状态之间制在存渡过间区使比较器快速，通过过渡区间很必是要的。

图

2. 比5器的工作较原

理如图

25. 所示图。 .5(a2)比是较，它有器个输入两端同：相入输(端+”“端)反相及输入端(“-”端，有一)输个端出 oVt u(出电输信号)平。另外有源电+及地V这(个单电是源比较)，器相端同输电压入VA ，反端相入输V B。VA 和 BV的化如变图 .25b()示所在时间。 t～0t 1时 VA ， >BV 在 t1～t；时2， B > VV ；在At2 t3 时，～ A V VB> 在这。种情况下，Vo ut的输出图如.52(c所)：示V > VAB ， Vo时t u输出电平高(和饱出)输；BV> VA 时， Vou t 输出电低。平据输出根电的平低便高知可道个哪电大。如果压把VA输到反入端相，B V入输到相同，端 A 及V BV 电的压化仍然变图 2.5(如b所示)则， Vuo t出输图如25(d)所.。与示 2.5图(c)较比其输，出平倒了电一。下输电平变化出与VA 、 B 的输入端有关V

。

兰州交大学通毕设计（业论文

2.）.12差分大器放的作工理

原分差放大器一般被用做比较器的来入级输。图2.6 是个一基本的C OM 差S分大放。器两个N 道沟MO FET Sl M和 2M构成了差分大放，器其接法被为“源极藕合称对”。 3 和 MM 构成 P 沟4电流道镜作，为分差大器放的负载M。5提电流供置偏。VD

D.I3 3 MM 4.4I

VGS

1M .I11.I 2. ss IM5

2VS2G

图2. 6采用电流镜为作负载的 COM S差分放器大

假

所有的设MOS管工都作饱和在，M1 区和M 完全2匹。配照饱按和特性系，关输入电与流过压电的流关系为的：

[3]

12 i VGS  1 VT  1  

2式

（.27

）

2i  GSV 1 V T  1  V n i VGS 1 GS V2

并：

且2

式

2.（8）



i 22  2i    1 2    

（2式.9）

SS  I1  I

2解得

两路上支电表达流： I 式  I V 2 2 Vin 4 i1  SS SS i n  22 I S S4 IS S2 和I I  V2 2V in4  2i SS SS  i n 2 2  IS 4 I SSS  其2 Vi中 

2 nI S

S1 1 2

2式（2.1

）

（式2.1）

1

电流对求导并令Vi  n0 ，得差分到放大的器导为：跨

州交兰通学毕业设大（计文论）

 igm 1 iVnVI

D0

I   SS  4 

1K WI  1S 1S  L41



式2.12（）

MOS 管饱与和区信号跨导小公对式可知，差比放大器分跨的是导MOS 小管号信跨

导的半，一是因为只这有分二之一的分差输入电加在了流 1M 上。同，可以时现差发分放大器跨导的随偏电置流的大而增增。大接来分析一下差分放大下的器输传性。在静态特条下件不加差(信号)，M模和 M1 两管2的中电相流等且它，的和等于们SISM。的1流决定了电M3 的流电，想情况理下 4M镜像M3 中的流。如电 M果1 和M 2的源栅电压等相，两则个中的管电流等，因此相从M 和3 4M到 M1 和 M 2的流分别电于等 1 M和 2M需要电流，也就是的输电流为零出忽略 (载)负。果如电不流等，假设相负电阻载无穷大电，流由于道调沟制应效只在 2M 和M 4以 M1 和及M3自身的电阻中动流。如果 VG1﹥SVS2G 那相么对于iD2 ，iD1 增大，将因为D1 和i D 2 的和i定为 IS值S， Di1增加 iD则和 iD34 将增。然而加，此时 Di2 在减小唯。能让电一建路平立的方法是衡 I 0 增加2 而I 01降低，就也是02 V高而 V01升降。对低于图的上电路：

有4[]

GSV1  VGS2  V in  V1ni 2 Vi 

从而n：

2 I



22I



式22.（1）3

22 1 I I 2   2Vi n 1 iVn2   ISS1 inV1 Vi n 2

4式2.1（）4

解得：

IS S 1 2I  I12   1 Vni  V1n i 2 Vi n 1 Vn 2 i 2

式（2.15）

求，令 V导i1 nV ni 2 0 得到差跨分导：到  I1  2 I g m  inV 1 Vi 2n

1 Vi 1 nVn i  2

式2（1.6）



K I W 1 S 1S  L1

2式（2.17

）

22..2 锁存路

图电.7 2出示本基锁的存路。当 V电X V和Y 电的位全完等时电相是对路的称，以理所想情况两下端子个电的位是不变的。但总是当VX 和 V Y出现小的电微位差ΔVuo 时t，两1

兰州交3通学毕业大设（论文计）

的端电差位 VX-Y V将时间随的加增断不化。变

DVD

M1M 2

图

2. 7以流电源负载的为存锁电路

ouV (0t =0)1V

.1m

1 0

tV ut o Vi enpx  



C mg

K 图t 28. 存锁性

假定 g特 m 0  r ，1那么两电端压差值就

是t oVut ( )t Vx  V y oVut( )0ex p   式（

2.8）



oCu tm

式（2.18g）中，Vut o0) 是(位电的初差值；始g m 是 M 和1M 2的跨；导 Cout是端子X Y 、的生电寄容。按照式2.（1） 8，出差信输号 Vut 随o间 t时按指数数函增大若初。值 Votu 0()非小常那么，出电压增输大就要较长的时需。间图2 8. 是基初于值电压Vuo (t0) 大的所小表出

1现

兰

交通大学州毕设业（论文）

计同的不锁存特。可以看性出如果初值比较小那，么输电压出到达辑逻幅振所要的时需间过将于，甚长至于不到得终的结最果。

[

2.2. 输3出放级大输出放

器的大要主目是的效有将地信号供提输给

出负载输出负载。一般电是、电容或者二阻并者联而成输出放大。应该器有能给力负载电提路足供的够信(电压、电流号或者功率。C)OS 输出放大M器主的目要的是实电现变换功能流，多放大器数电增流益而电高增压益低。对于输级出的要是：求(1用电流)者电或压的式形提足供够的输出率；功 2)(免信避失真；号3)高效率；(4)提供(常反况情下的护。保下面别分介绍种常见几的出放输器的大实现及各以自特的点。第种一常的输见放出大为甲类器大器，放图2.9 一个电流源载负的CMO S反器相，中其RL CL和为负载可。以出该求电路交流的出电阻输：为

rOUT 

1 1

 g d1s g sd 2 1   2ID

VDD

（式2.19）

UT I

M1I RN1 C

1图

2 . 9MOCS反放大相

其最大器流电进流：为 I O

T U

2V D D V T  1I Q 2 1

式（

.20）

2最流出大流电为： I

UTO

1

V

D

VGS 2 2





式（.212）

小

信号电压增益为：V

ou tgm 1 in Vg d1s dsg 2 LC15

（2式22）

州兰通交大学毕业计（设文论

从上面）特性的可看出以甲，类放器大实现方法简单但，是大电源最电流到受出电输流限制的而，通且情常下流入电流大于况流出电。流在载负阻电小的很时，候出输电流很难达到摆率的要。在求负电流源载电流恒的的时定，候以通过调节可沟长道来调度节M O S的输出管阻，抗从调整输而出级的益。由于增道沟长度制调系反比与沟道长度，数所以沟道长器件可以到得大增益，但是同时的引也了大入的生电寄容。甲输类出的级最效大率为2 % 5而，在最大输出幅且度电时的路真失不是很。好二种常见的第输出放器称大为源跟极器随这。结种构具有大的电流益和增小的出输电阻但是，压电益小增于于等一，用于高电流负载提力能。[6

]

2.3

较器电比路系的参数

理想情况统，下较比的器、正负输之入为正差，时比器较输出高电为 VOH平；为时，负比较器出输为电平低OVL 。较器比理想传的输曲线如 2.10图所示。其中vP是比较器的同输入相端电压，v N比较器是的相输反入电端。比压较输器出平电最大值、的小最值别分义定为 OV H 和VLO。根据 Ov= VO L， Pv Nv输出可以是个低电一压 VL O或一者个电高压 OVH 。

o V（2式.2）式32（2.4）

O P v-v NVOL

2.10

理比较想器传输曲线

的可见

当，两个输入端电的压为 0差时，意味输着结果出将发跳变生但实。上际这的比较器是样存在的不。面下图.11 给2了出限有增比益较器传输曲线。

的

兰州交通

大毕业设计（学文）论

oVHO

IHV

v P

- NvVIL

VOL

图

2. 11有限增益比的较器输曲传

线

其的中 VH I和

VIL是输分出达别上到和下限限所要的输入电需压 v差P- vN 。种输入这变化为称比器较精的。度增益是述描比器工较作重要特的性因为增，定益了输义能出够两在个二制状态进间之改所必需的最变的输小变化量(入精度) 1。)静态特性较比特性器括静包态性和动态特性两个特大方的。面态静特包括比性较的增益器、精、失调电压等。度态动特主要包括小性信号大和号信方式。益增理想：较器比增益无为大，这样就会限比较器输出电使翻平发生转在某一输入电压差值点上而不，是在一范围某翻内转。与这际的比实较不器同。实比际较的增器益只是个有限值能。其 V中HI和 ILV是出输分达别到限上下和所需限同的相反和相输入电压。值较器的增益可比以认为其是入输信号的函数。多种提高有增值益的法，方最易容想的是到比给器较上前置放加器大或者在比较，后器附端一个反相加，还可以器简的通单加大过置放前级大的导来跨提，也高是加就大放大预级管的沟子宽道度比较器增益定。义为

A： V OV H OLV VIH VIL式（2

25.

）分

率：分辨辨率指能是产够生正确数字输出的的最差分输入信号小影响分。辨的率要因主有噪素声比较器、增的益输入和调。其失失中的调响影最为严，重主且要受工艺条件的制。该限参被数定义为

： V OH V VLO VA式

2（2.）6

比较速

度：较速比度又称输传迟时间。延一定般为输义激入信励与号出输数字号

1信

7州兰通大学交毕设业（论文计）之间的时

差。该参数影响比较器间最高工的作频，率并终最响模影数换转器的最高样采频。率摆率S（）R：较器的比输时传延输随幅度的变入而变化，化较大的入将使延输时短较。输入平电增到大个上一限时，即使入电输平再增大无也法对延产生影响时的时电压变化的被率称为摆率。踢回噪：声回踢噪声反(冲噪)声是指出的数字信号输输对入拟信号的模反冲该，反一般是电荷冲通馈的结果。输入失调电：压当比较器同的输入端相反和输相入连在端起时一，为比较器使出输为，零应比较在器的个两输入端间附加之电压的为输称失入调压电对于。输入调电失压OS，V产其原因生要主两有个：生工艺过程产中偏的差和境环变引入化的调失，较比结器构工、作点置引入设失调电的压如，果该调电压可失提以预前测那，就会对电不产路太大影响生而。只要且在设计程过中细注意仔可以，避免这由比种较结构、器作点工置设入的失调电压引。是但对于艺偏差工环、变化境引的失调入这，种输入调失压的值电往往是随变化机的其电压极性，不也可知预而且，随温度变化而漂移

。通过CMSO 差放大分的器输失调电入压是 mV520m- 。由于引V了输入失入调压电实，比较器的传输曲线际图如 .122所示

。Vo

[O7]

VoIH

VOL

- vNP

图2 1.2带失电压的有调限益增比较器传曲线

输输入

共范围模：指是比器在这个较范内，围较比器能连分续辨出的入电输的压差值。该性特也是比器的重较特要性一之以。参数说明了比较器上的流特直性考虑了增益，精、、度摆、率输传延时、踢回噪声和失调电压些参这数。响应时间参是数较比的器域时性特响应，间时描了比述较对器于分输差入要多长需响应时间，的输激励和入输转换出间之延迟的就是比较的响器时

应81

兰交州通学大毕设计业论（）

文。比间较的器应响间时表达了，输达到入阐后，输值出状改态的变慢快度。这一特性限程了输入信制号最大的化速度变。果输入变化如太，快例如，一个很在短间的内隔变比参得电压更考正输出还，来不响及应便，得到不确的正换输转值。出是限这模制转换数转器速换率一的个重参要。比数较总的器响时间应信号通由比较器过的传延时和输输上升出降下时间成组。过通较器的比传输时延常通义为输定信入号到达较器比输出电至上压升最到值的 10终%需的时所间。升上时通间为输常电压从出最终值的 1%0到最值终 90的所需%时间。较器比响应时的一般为几间毫个甚秒更少至。出输压摆电：幅当比较器的相同入输变化时端，比较被认为输器出正压电。反之，得负到的输电出压。这特种性基于较器比的部电内路一般，比较器内由部差分放大的和偏器网置络成组决，了输定摆出幅这。个幅摆受也源电压影响。电输偏入电流：是移使出改输状态变的两输入流差电值的绝对。输入值偏电流：无置信号入输时个两入电输的流均值。差分平输电压入围范：比较工作器时个两信输入端号许加允最大电压的。) 2比器动态特性

VO较

[H8]

tOL

v P- v No

图

.12 3比器的较传延迟

分输比较析的器态动特性，将涉到及比器较小的信号特和性信号大性。特样这电对路整体的分析把将更准握确比较器的。输传迟时延间当，比器较输入的号不够信大时比较器的，分用析小号信分1

兰

州通大交学业设毕（论计）

文方析来法完。成时此较器的输入信号越比大，传延输越小时但，不能无减小，需要限有个下限一即。当入输信幅度号大增一定值到，即后输入信使号续增大继传输，延时不也再改。此变时称为率，摆着输入随信增大到号定一度程比较，器最终入进大号信作工模式。两种工作模式下，比这较传输器时延决定的素不同因。时的此传输延时大

小还与较器比增的和益输共模入范围关有，些某时输入候号的信模电压也共影响比较器增会益的小。较大的输大幅入度和高的较益增都会短延缩。对时于信号小行来为讲，输传时延要是主电的路非线性性特造的。如成路电存中一在些零、点极。对点大信号行于而为，言摆主率受输要级驱出能力动限的制，表现为负对电容的载充电速度。在比放较设器计中如，要求传果延播时的抖动变较小化就，应该使摆成率为主决定因素要尽量，免电路避零、点极在信号频范率的围影。响 V tP SR [9

]（式.27）

2想提高要比较器转的速换，率得加就大比较器的流。也电是就说，较器的比功耗和速两度有一者定矛盾的，在计设时需作合要理的中。折

本小结

本章章要主绍介比了较设计的器初步知识。首介先了绍比器较划分的准以标对及较器比的类分，详并细述阐两了种本比基器较结，构开环比较即，迟器比较器滞。后然分析简单较器比工作的原，理行各进分电路部说明的，对简这结单的构各方性面能做分析出比。最后介绍了比较器对的本参数，基括包比器较的静特态和性态特性。

动

2兰

交通州学大毕业计设（文）论

. MOS 工3艺速高较器电比路的计

设在

模转数和换很模拟多功能块模，中较器常比常用到，而被较器的比速度精度直接影和着模响的功块实能。现随着MO S 技术不的发展断，较器比速度的得很到大的高，但提由于是OMS 器件之间的失误差配使得，一在工定艺条下同时实现件高速高和精度比较困。难

比器结较构选的

择在模数

转器换设计中的最，常用比较的是器开关电容较比器，类比较此适合应用于器离时间散统系。类比较这需器要时钟信，号除消失也比较方调。便连时续系统一般间采用开放环大器为作比较，器此系统不需类要时信钟号。如系统工果作率较频，高最使用多好级联级的较比或器可者生再比器较，类这构比结器较输传延时一较般短。在些一高精系统度低噪声系统中或，好最采用可再比较生或者器有叉祸合交差对分管的比较，因器这为类较器可比实现迟滞以能功有利，于抑噪声制全差分。构的比较结对器于高精度统系来说同也是一样非常好的选种择。分差结可构以把差误号信为共模化号，使信得效信有中号会不含误差有信号的成分，效有地减少直流失由调压、电开的关钟时通、馈电注荷效入而引应起误的。一差些度要求精不高系统中的的调电失可压以略，忽时此较器的比设计标就相指对宽松，结相构对也简较单。系统所处理的输入能号范围各信有同不输。信入号围范大的较系要求比较统的器输入号共

信模范可围以达到对轨。轨类比较这的器设计难就是前置点大器放的设计。 Lacht闩（锁时）电路钟动态比是器中较重要的成组部分电路。实际上是个单位一增益式的正反馈形大器。放Latc 有h两种工模式，在作一个第工模作式，正反馈下禁被工作止，时这lat ch的输入将探端输入信测号当，转第二入工作模个的时式，候反正环馈进路入正常工的状态作，据根上一状态探测到输的入号值来使信 lact 的一端h为高电平一，端为电平低。 lact 的响应时间很h程度上大决于取MS O管的沟长道度。道沟度越短长响，应快。越并，且在给定的道沟长度下，输信号入越大，响应时间越，短所一以般在la cth 加前级前一置放大器作预放大，级先预放待大比信号较加速， altc h的应响间时[

1]0

。

在模拟设中计比较，器各个性能的多大会互牵制相导，致多优化问维题。所以，在计比较设器过中程不，对能个每标追指求优，但是最要根据侧重点有所取舍需。根据前面章讨节结论果，在度方速差分面对比较器的速度最，而电快分阻式配较器的比度速慢最；在回噪踢方声面电，阻分式配比器的较小，差分最对比较的器大最在失；调压电方面，阻电分配比式较的器大，差最分对较比器和电荷配分式较器比的都小得

州交兰通大学毕设计（论文业）多

本设计采用的是差分。比较对器形式的差，对分形式比较器的点缺是较的回大噪踢声，是但通过化优系设计统和增加外路可以电该把噪影响声低。降文本第二章已的经论讨了前由置放器加锁大存构成的器压电比器较构结的好，而处，且可以通将过个中一等益增前置的放器大一和快个速生再锁器存合实结速度现和辨率的折分中但。在是电压低比器较中，速显度被降然低。了这因是为 MSO开的过驱关动栅压降低电开启电，阻增大导，致时间数常大增因而，最小。电电压受供到限

制[11]

。

较比失器的消除调

比较器

电中路元件失的造成比较器配常的通调误差大失约为 50m，V为了足高满精的度数转换模器(AD)设计，必C对须比较进行失调器除消通。常的调失消除技有电术激光修正、阻输入失调存和储输失出调存储等术技。片电阻上激光调是修在测指试对时比器的较载负阻电进激光修调行由于校。过程只准芯在制片造时进行一次，要电路求具有时和间度的稳温性定。这校准种法具方芯片面有积、小不需外芯片外加元件比较、可器以连续性工作等缺点是，需要校工序，准增成加。本输入调失存储和输失调出存储结构分别如图3. 1 3和2. 示所

：图

.31输入消失除调比的器

图较 32 .在出输端消除调的失较器

比图

.1 和 332.

的工作时相序，它同是们：

兰

交州大学毕通设业计论（文

状）态：一s1和 s2 断开，3-ss 闭合。 6状二：态s1 和2 闭s，合s-3s6断。开图3 . 1采用入输调失压电存储的结构OIS( nIpu OtfseftSto rgea) 当在。状一态，时比器较置前大器放单位的益增馈环闭合反也，就开关是s，s6 5闭合，输时入调失压电被保喻在存输祸合电容 C1入C，上2。在当态二时，输状信号输入到入前放置器，大为输入藕合因容电 1C，2 C保存上的电与输荷信入极号性反相所以，分放差器大接收的际输入信实号当于 Vin相 Voff Vo ff，这样就除了消输失入调压的影电响图 3。2.采用输失调电出压储的结构存OO S Ou(tupt ffsOes Sttrogea。当)状在一时态，分放大器的差输端短路入，若分放大器差增的益为 A则比，较器输失调电压入前置放被大放大后器 A *Voff保存在输祸出合电容 1C，2C上，时电此容上存保相当于的输出端的失调电。压当在状二态，输时信入加入号前置放大到，经过前置级放器放大后为

大 *(AinV off ) V；这与输出祸合电上容保存的电值压消抵，后出输变为 A值* (Vn i Vof f) A *Vo f fA *V i 。n输出而失调存的补储电容偿前置在大放器输的出，这

样端比较的器输入电容相减应小，了且而不要需反有形式馈但是，对前置放大它器驱的动力有了更能要求高。OIS适用合具有于增高益的前放置大级情的。因况只有为益增高放大的在接成单位器增益反馈负，才能后失调电压把好较地效到输入端的等补偿电容上高。增放益大器的闭环馈反特性够比能较近于理想接情况这样，存在祸保合电上的容入输失调压值电就也更接近实际值加低增。放大益器成接馈反式形其等效的效后果是不好很。于前由置大放器工作会全在馈反状下，态以所计设时要意注考该虑大放器补偿，使得放大器的单在增位闭环益件条下然仍持稳定保介于存。电容的储位，置在设计还时要考到比虑器较前面路的电驱能力动。OOS 法由方不于接成馈反式形可适以于用增低益放器大，大倍数一放般在-10 5 倍间之它，太适合高不增放益器大若增益。较，可高输能入失电压调过放经器放大后得大到 A 的*oVf f输出端的失调压已经电被源电电所压顶，这切产生了就失真在，输保存出容上保持电的荷电不就再能反应实失际调压电值也，就能不得正确的到补偿调失。因要此求置前放大器以工作可开环在状态的下，且而整个工作电压在围范，前内放置器的大大倍数放要都求十分定稳这就要在。计设时分考虑充增到值与输入益信号的共范围的模系。关果如以上条件都各能较好的够计的设话，采 O用S O的构结

会比 OI 能S更好的消够除失调电以及压荷电入注时和钟通贯应效[1

。

2兰

交州通学大毕设业计论文）（

33 .OMS比器的设较计

在数模转和换多很拟模功模块能中，比器较常被常到用，而比较的速器和度度精直接影响模块着功能的现实。随 M着SO技术不断发的，展较器比的速度到得很的提高大，是由但于MOS 件器间的之配失差误，得在一定工艺条件下同使实现时速高和精度比较困难。高本采用前置预文大放器、锁判存级断输出和冲级缓联的构结，一结构设这计比的较具有低输器失调入压和低电回噪踢声，预大放器行进输入信号放的大以提输高入信的号敏灵度，并把比较器的输入且信号与来正反自级的馈回噪踢隔离声，这开一对保点证电路的能性常重非。要

3.3.1 置前大放的设器

前计置放大器的设必须满足这样的计条，即锁件存所需器输入电压的V X 须在必最短时间内的到达因。为置放前器工大在作线区域型，这意味这就带其宽必尽须能可大的。式 3.1)(示表前了置大放的建器立间时数与带宽的关系常

。

0 

1 2

 f0

式（3 .）1

其

，中0 表放示大的器建时立间数常 f 。 0为放器大的3 Bd 极。点设假大器的增益为放A0，单增位益带为 f宽u 则有：，f

0 f A0u式

3.2（）

一般传统的大器放单的位益增宽为常带。从数(3.式1)式(和.2)3可看出，以了满足为高速超求要前，置放预设计原的是则带宽大低增益，而然过的低增不益有能的效低比较降的失调

[13器]

。

CM1

12 MM2 13M

3M V +4 V.Mo+i. o-i

.Iss M 5V

图 .3 比3器较置前放大电路级

兰交州大通毕学设业计（文论）

图.3 3前为放置大，主要级 M1、M由2、M3 、M4M5 组成、，于把输用入电 V压和+ V-换成转出输电流o+i和 i-o，用驱来动后的面反馈级正。入输电和输出电流之间的压系为关

i： o  gmI v v   S SI S S oi 2 2

（3.3）

式3

..3 2判断路电的计设

V1M

M21

1M4

ouV tio. +i.-o

1M 1Valch

3图4.比较判器断电级

路 3图. 是4比较判断级器路，正反电级由馈M6、M、7M、M98以及 1M0、M1、M121、 M31管成组。通过 M把7和 8 管M的极交叉栅联互实现，正馈，以提反高级本益。增用前利放置大器输出，的控制存器锁输入的电流i+，oio的-变化，若o+i 大远 io-于 M则6M， 8导通。若 i- o大增io，减小，+7 的漏M电源升高压当，升到高 M 8的VY N 时HM，导8，此时通 M 8管开始取抽来原流过 9 M的管流，电这使会M9 管的漏电源压降下，导致并M7 管截止，电的输路出态状发转换。生 io当-大增一到程度定会导时致M 7 进入和饱态状正反。级馈的作由工lVtca h号来信制控当。 latVhc信为低

号

时，M3 和1 1M4 组管的开关电成处于路关状态，比较闭器常工作正当。V alct 信h为号时，高13 和 M1M4管组的成关电开路处打于状态，比开较输器被出存到锁高电。采用这平工作方种可式使以电路在需要不较比时将其关闭器，而有效的从低电路功耗降

14[

。

3]..33总体计

该设较器包比一括采个栅用短漏的接PMSO管作有源负载的差为放分大器成的前组置放大级，个带一动态锁存的正反级以馈及出驱动输。级前放大级进行输入信置的号放大，提比高器较的辨分，率把并输信号与入自正反来馈级回扫的噪隔声开来，离保证了

兰交通大学州业设计毕（文）论电

性路能。反正级馈用于辨分输入信的差号, 比值较器总体路电图如 .53 示所由于。比较器在该一第采级具用负指数有响的应置前大器，使放输信入在尽号能可的时问内达短到二级所第需要的电压值。二第使级用具正有指响应的锁数存器使，级该输入压电在尽可能短时的间放大内。从而实现比器的较高速运并且。用采推挽结构的式输出级，提高输出电了路驱的动能力。VCC

M12

1 M5 M132 1M

Vout .

i+ .oi-o

3MV+ M 4VM6 M7 M M89M1 6 M81

ss MI V 51M Vlat1hc 10M

图 3. 比较5器体电路

总比

较器中的预大级为两级放该电，采路用源有负的载差分放大器次。放级大由 M1管2和 M 1 3组成该电。通过把路M7 和 M 8 管栅极的叉交联互，现正反实，以提高馈断判电路的益。假定增 0+ 远i于大i0 ，因-此，M6和 M 8管通导，M7 和 9 M管止截。如果i 0大，增0i+小，减当M8 的源漏压电于等 M7的 THV 时N，电路的输出态状生发换转此。时， M 管7始开抽取来流过 M6 管的原电，流使M 6管的漏源压电降并导致 M8 管下截止如。假定果 0-或 v0+v最大的为 2值THVN，那，在么稳定情的下况，M 7和M8 管只能工作截止在区或性线。区在0i-增大 i和0减小+的程中，当过流 M6 过管电的增流大某一数到时值，M8 管的漏源电压上会升到 VTHN导致，M 8 开管始进入和区，这饱个临界的流电为该电值临流界，点是也输电压出发生转换的临界点。发转化后生M，8 管截止，7M管通。导正反级的工馈由作Vlacth信号来制。控当V atlh c号信为低，时M1 3 M和41管成的开组关电路处于关闭态状，较比正器工作。当常 lVtca 信h为号高，时13 M和M1 4管组的开关电成路处于打开状态比较，器出输被锁存到电高平采用。这工种作式可方使电以在路不要需比

兰州通交大毕学设业计论（文

）较时将其器闭，关而有效从降低的电路功。耗比器较的后最一是级出输冲级或缓叫后做大器，主要作放是把判断用路电的输出信号化为转逻电平辑0(. V 或 85 )V输出，冲缓的输入器一

是

对差分信号，没压摆率的限制

有1[]

5。

电路

仿的真

5V的电源下，对路电行进辑仿逻，真果如下结：

图

36. 模输拟入时真结仿果

3图6 .是 pro在tus 下e模了逻辑拟果结。V+输是入电压，为一弦正信，号频为率 100H，ZV- 是参考压电，Vatlc h是钟信号时。以看可出时当钟号信高为电平时比较器，作工V+ 大于，-V输出时高平电。之反输，出电低平。当钟时信为低号平电，比较时器的出输被锁存到电平。

图高 3.7 字输入时仿数真结果

图

.73 是入输为1KH Z时的钟号下的模拟信果结时钟信，号为10H0Z时钟信。为

号7

兰交州通学毕大设计（论业文）

电平时，低比较将输器比入，较并输逻辑结果。

出图3 .8 Vatlh c高频率仿时真果

结图

.8 3输入为 10H0Z 方的波号，信时信号的钟频率为 5KZH，以可出看入为输高电时平并在时，信钟号作用的输下为高出电，当平输入低为平时电，出本来为低输平，电但于由锁信存的原因，号在存锁信为低号平电时，输被出存锁到电高。

平图 3.9

基电压准变化时仿真果结

图.39为较比 V器端输入+ 10H0Z的时信钟，号V端-输入20 H0 的时钟信号。Z 当V +端高由电变为平电平低，V端也为-电低时平比较，输出器状改态，变但有定的一过渡时间，高电约平 4.为2V9，中间值约为2.6 1，V低电平约为1 9.31mV0。当 V 端输-入变化时比，较器出置输 0。

兰州8通交学毕大设业计（文）

论图

.13 上升时间与下0降间时

图31. 0以可出比看较的上器升延约时 25为u0s，降下时延约 290为u。

本章s结

本章介绍小比较了器具的体电设路计。分析力较比失器调消的除法，方输入失即电调压存储的构和输出失结电调存储的压构。首结给出先本了采用的预放大再文生锁比器较构结的势的理论优析。接分着详细阐述了每一电级的设路方法，计给出并了前放置器大锁和级，为存路的工电原理进行了作详细的明。最后对说路进电了行详细的仿，验证了真辑输逻。出

兰州通交大毕学设业（计文）论结

论

为作模信号拟数和字理处间的纽带，比之较是器代现通、信达雷以众及多电产品中子极的为要的重组成部分在，很多高精度集的电成路统系有着广中泛应用的。随着数据存通道储读的取速快度速的加增超高速， /D A换器转设计口的益要重。比较器的能，性尤其是度、功速耗对个模数转换整器的度和功耗都速着有至重要关的响影。本文用采前置大放、器断级、判出缓输冲结级，每一构的电路结级简单构，置前大放器为差动全大放，器拓带展，宽提高作速工度以。电源流负为的载存锁电实路现正反，馈并且采用钟控时电制路通，过时信号的不同钟电使

路

交替作，工低了功降耗采用。推式挽结构的出输，提级高电了路的驱能动力电路。在roteup s软件，进行模下仿拟真，由真仿结果可看出，以较器输出比正，上升确时延为约520u，下s延时约为降 29u0。

0州兰通大交毕业设计学论（）

致文谢在论文即将完成之际，谨

所有对本在读大学位期人曾给间帮助的老予和同师表学示谢感。衷心感谢蓉吴授教对的关心我指、和教诲。吴蓉导授教着渊博有学识的、谨严的治学风作、锐的思维方式敏对和工作真认责负态的，让我度体会了一个到学的者风，范她而平近人、易谆教导谆的为师之道也将令我身终难忘。时也同常非谢师姐张娅妮，感她在读的忙研生碌活中给了，很我多具的指导，毫体不惜的分享她的吝经验使，我完在课题的成过中少程了走很多路，弯避免了很错误。另多外感谢也我家的人他，们理的和解支持我使够能在校学专完心成的我学。

业

兰州

通大交学毕业计设论文）

（考参献文

1] 彭军.[MOC 器S件及应用.北京科：学出社，2版009 年年 5 [2]月静然，曲贾香.失调补偿的高莺能性较器的设比计.南开学大版社，出002 年4 []3 唐永建.上片1 0 位 0 2赫兹流水线兆 A/D 换转的器计设.浙江大学出版社，0052年 [4 童诗白]华，英成.拟电模子术基技，础北京高：教等出版育，社189年90月[5 P]hllipiE . lAel.冯n.军CMOS 模拟成集路设计电北京.；子电工出版社，业2005 年 3月 [ 6] 朱正.半导体集成涌路电北.北京：京华清大学出社版，0208 年5 月[7] 刘棠，朱茂树林荣，.玫于运算基大器放模和集拟电成路电路的设计西安.交通学出版社，大200 年9月 2[10程闪峰， ]昊. 闵3. 伏 33 3兆采频样率1 比0特流水线结模数构转器换复旦.学出大社，版2 00 年15 月 [ 11]张诗娟12.位逐逼次式近 /D 转A换器的计.设中华技大科学2005，年 1[2]岂飞涛，香贾，秦莺才. 世 A10b-ti30 SMs pPpielnied DC.A南大学开版出社2，004年 13]何[才译.希运放算器应大用路设计电 .京北科学出：社版，200年7月 [44]1岩峰姜集.成路设计实电例北京：化.工业出学版，社0208年月6[15] 赵毅强，素姚等译.半英体物导与器件理北京.电子：业出版社工2008年，月

兰州交大学通毕设计（业文）

摘论要

。

关键：高词速较比；器COSM；失调压电

兰I交州通学大毕业设（论计文）Ab

sractt

h. Kyewo rd：s hgh-isepd cemopratao;rCMOS; Ofsef tovlat

gII

兰交通州大学业毕设计（文）论

目录摘

1参

文考献............................................................... 32.

州兰通交大毕业学设计论文（

1.）绪论 .11 课背景、目的及意义题

2国

外内发现展状析

分

1速

州兰通交学大毕业计设（论）

本1文的作工内和容构安结排

模拟电

州交兰大学毕通设业计论文（）

2 )理论分析为以，主析分比较器了工作的原理影、性能的响主因要以及素见常的解办决法。3) 提出高速较器的设比方案，计同给时出仿结真。果

兰3州交大学通业毕设（计文）

论.2 .2 2.1.11比较器的类分比

比器电较结路与构工原作理比较器路电分类与的基应用

4本

兰州交通

学大毕业设（计文论



A1  n0 PW1 1

（2式.1

）

中其A 0 级是联比较器的流增直。由此益式可以看，比较

Vou换t

[]

1向正转点 V折n 负向i转点折

图2. 1比较器传输的性特线曲

在

。5

兰州交大学通毕设业（计文）论

比a较器响应的

b迟比滞较器响的应图2 2 .比同较含器有声的噪输入响

州交兰通学毕业大设（论文计）

的0 sA 1

A s0 

0s  1

A0s  1

A 0s  1

s 1

线

性小号

信线小性信

号线

性大信号

大信

号电小容

大

信号中等电

容

大信号电大容

图23 .开环比较的器构框图结

高

下

in Vm(in )

HO OVL Av 0)(

Vi( n KVni m(i) , Kn 1 )

（式22.）

OH V VLO tt v (0) A1  ep c  Vi n2

式（2

3）

.综合式

2.2)和式((23).可知放此器的大延迟时

 2K 间 t p  cn l   2K 1 式（2.

4）

7。

兰交通大州学业毕设（论文）

计正馈锁存反器对入输信的响应号下如

Vou (t )t tel l Vi

 V V L  tlO  ll n O H  2Vi 

式（

.5）

2（式2.6）

其中

 lC g m是反馈正锁存时间常数(器g m 功是正反环的馈等跨效导， C是效输等电出 )容 V i正反馈锁存是开始工器作出端输初的电压差值始

。ΔiV

Vout1n

ot2u

oVut

uot3

图24 连接.的放大路电的入端输加VΔn 时i各级输的端

出图 2.4

8压电

outV

Vo2ut1

时间

兰

交州大学通毕业计设（论文）最

.12.2 较比的基器应本用

兰

交州大学通业毕设（计论）

∑-NA⊿/ 转换器D宜便当。动抖噪声出现，逐次逼时近式和水流型 A/D 线换器可转采以

兰

州通大学毕交设计（论业）

2文.2比较

器的结与工构作原理

图

2. 比5器的工作较原

理如图

。

兰州交大学通毕设计（业论文

2.）.12差分大器放的作工理

D.I3 3 MM 4.4I

VGS

1M .I11.I 2. ss IM5

2VS2G

图2. 6采用电流镜为作负载的 COM S差分放器大

假

所有的设MOS管工都作饱和在，M1 区和M 完全2匹。配照饱按和特性系，关输入电与流过压电的流关系为的：

[3]

12 i VGS  1 VT  1  

2式

（.27

）

2i  GSV 1 V T  1  V n i VGS 1 GS V2

并：

且2

式

2.（8）



i 22  2i    1 2    

（2式.9）

SS  I1  I

2解得

2 nI S

S1 1 2

2式（2.1

）

（式2.1）

1

电流对求导并令Vi  n0 ，得差分到放大的器导为：跨

州交兰通学毕业设大（计文论）

 igm 1 iVnVI

D0

I   SS  4 

1K WI  1S 1S  L41



式2.12（）

MOS 管饱与和区信号跨导小公对式可知，差比放大器分跨的是导MOS 小管号信跨

有4[]

GSV1  VGS2  V in  V1ni 2 Vi 

从而n：

2 I



22I



式22.（1）3

22 1 I I 2   2Vi n 1 iVn2   ISS1 inV1 Vi n 2

4式2.1（）4

解得：

IS S 1 2I  I12   1 Vni  V1n i 2 Vi n 1 Vn 2 i 2

式（2.15）

求，令 V导i1 nV ni 2 0 得到差跨分导：到  I1  2 I g m  inV 1 Vi 2n

1 Vi 1 nVn i  2

式2（1.6）



K I W 1 S 1S  L1

2式（2.17

）

22..2 锁存路

兰州交3通学毕业大设（论文计）

的端电差位 VX-Y V将时间随的加增断不化。变

DVD

M1M 2

图

2. 7以流电源负载的为存锁电路

ouV (0t =0)1V

.1m

1 0

tV ut o Vi enpx  



C mg

K 图t 28. 存锁性

假定 g特 m 0  r ，1那么两电端压差值就

是t oVut ( )t Vx  V y oVut( )0ex p   式（

2.8）



oCu tm

1现

兰

交通大学州毕设业（论文）

计同的不锁存特。可以看性出如果初值比较小那，么输电压出到达辑逻幅振所要的时需间过将于，甚长至于不到得终的结最果。

[

2.2. 输3出放级大输出放

器的大要主目是的效有将地信号供提输给

rOUT 

1 1

 g d1s g sd 2 1   2ID

VDD

（式2.19）

UT I

M1I RN1 C

1图

2 . 9MOCS反放大相

其最大器流电进流：为 I O

T U

2V D D V T  1I Q 2 1

式（

.20）

2最流出大流电为： I

UTO

1

V

D

VGS 2 2





式（.212）

小

信号电压增益为：V

ou tgm 1 in Vg d1s dsg 2 LC15

（2式22）

州兰通交大学毕业计（设文论

]

2.3

较器电比路系的参数

o V（2式.2）式32（2.4）

O P v-v NVOL

2.10

理比较想器传输曲线

的可见

当，两个输入端电的压为 0差时，意味输着结果出将发跳变生但实。上际这的比较器是样存在的不。面下图.11 给2了出限有增比益较器传输曲线。

的

兰州交通

大毕业设计（学文）论

oVHO

IHV

v P

- NvVIL

VOL

图

2. 11有限增益比的较器输曲传

线

其的中 VH I和

A： V OV H OLV VIH VIL式（2

25.

）分

： V OH V VLO VA式

2（2.）6

比较速

度：较速比度又称输传迟时间。延一定般为输义激入信励与号出输数字号

1信

7州兰通大学交毕设业（论文计）之间的时

。通过CMSO 差放大分的器输失调电入压是 mV520m- 。由于引V了输入失入调压电实，比较器的传输曲线际图如 .122所示

。Vo

[O7]

VoIH

VOL

- vNP

图2 1.2带失电压的有调限益增比较器传曲线

输输入

应81

兰交州通学大毕设计业论（）

VO较

[H8]

tOL

v P- v No

图

.12 3比器的较传延迟

兰

州通大交学业设毕（论计）

]（式.27）

2想提高要比较器转的速换，率得加就大比较器的流。也电是就说，较器的比功耗和速两度有一者定矛盾的，在计设时需作合要理的中。折

本小结

动

2兰

交通州学大毕业计设（文）论

. MOS 工3艺速高较器电比路的计

设在

比器结较构选的

择在模数

1]0

。

州交兰通大学毕设计（论文业）多

制[11]

。

较比失器的消除调

比较器

：图

.31输入消失除调比的器

图较 32 .在出输端消除调的失较器

比图

.1 和 332.

的工作时相序，它同是们：

兰

交州大学毕通设业计论（文

会比 OI 能S更好的消够除失调电以及压荷电入注时和钟通贯应效[1

。

2兰

交州通学大毕设业计论文）（

33 .OMS比器的设较计

3.3.1 置前大放的设器

。

0 

1 2

 f0

式（3 .）1

其

，中0 表放示大的器建时立间数常 f 。 0为放器大的3 Bd 极。点设假大器的增益为放A0，单增位益带为 f宽u 则有：，f

0 f A0u式

3.2（）

[13器]

。

CM1

12 MM2 13M

3M V +4 V.Mo+i. o-i

.Iss M 5V

图 .3 比3器较置前放大电路级

兰交州大通毕学设业计（文论）

i： o  gmI v v   S SI S S oi 2 2

（3.3）

式3

..3 2判断路电的计设

V1M

M21

1M4

ouV tio. +i.-o

1M 1Valch

3图4.比较判器断电级

号

14[

。

3]..33总体计

兰交通大学州业设计毕（文）论电

M12

1 M5 M132 1M

Vout .

i+ .oi-o

3MV+ M 4VM6 M7 M M89M1 6 M81

ss MI V 51M Vlat1hc 10M

图 3. 比较5器体电路

总比

兰州通交大毕学设业计论（文

是

对差分信号，没压摆率的限制

有1[]

5。

电路

仿的真

5V的电源下，对路电行进辑仿逻，真果如下结：

图

36. 模输拟入时真结仿果

图高 3.7 字输入时仿数真结果

图

.73 是入输为1KH Z时的钟号下的模拟信果结时钟信，号为10H0Z时钟信。为

号7

兰交州通学毕大设计（论业文）

电平时，低比较将输器比入，较并输逻辑结果。

出图3 .8 Vatlh c高频率仿时真果

结图

平图 3.9

基电压准变化时仿真果结

兰州8通交学毕大设业计（文）

论图

.13 上升时间与下0降间时

图31. 0以可出比看较的上器升延约时 25为u0s，降下时延约 290为u。

本章s结

兰州通交大毕学设业（计文）论结

论

路

0州兰通大交毕业设计学论（）

致文谢在论文即将完成之际，谨

业

兰州

通大交学毕业计设论文）

（考参献文

高速比较器的分析与设计

相关文章