基于0.18 μm CMOS工艺的高精度低功耗比较器电路设计

张 洁

(中山大学新华学院，广东 广州 510000)

0 引言

在微电子技术领域，SOC(集成电路片上集成系统)经过长久的发展，CMOS工艺也在不断地进步，由于器件尺寸的不断减小，电源电压不断降低，芯片集成度越来越高。但是功耗却在不断地增长，功耗、速度、精度和面积等指标更是衡量高性能芯片的重中之重。所以在集成电路的设计过程中，如何降低芯片的功耗，提高精度，已经成为当前IC设计日渐突出的首要问题[1-3]。

1 电路设计

本研究的比较器是基于预放大再生锁存理论进行优化设计，应用在SAR ADC(逐次逼近型模数转换)结构的A/D转换电路模块中。比较器主要分为三大模块：前置预放大级、动态锁存比较级和输出缓冲级。

整体电路框架契合了SAR ADC低功耗，芯片封装小的结构特点，采用的动态正反馈锁存级，动态分时工作的模式有效降低失调电压，实现更低的功耗；设计的前置预放大器，弥补了正反馈锁存器存在过大的输入失调电压和回踢噪声的缺陷，提高比较器的速度和精度；输出缓冲级增强了对后面接入电路的负载驱动能力，并对输出信号的波形进行整形。

1.1 前置预放大器电路的设计

前置预放大级采用的是全差分结构的单级放大器，以两个交叉耦合的PMOS晶体管和二极管负载形成正负电阻负载的结构，再结合电路中的共源共栅结构，提供合适的增益和带宽，满足速度要求的同时达到了精度的设计指标。

该放大器采用了基本的差分放大电路结构，如图1所示。M5和M6的共栅级结构串联在差分输入对和输出之间，形成了一个巧妙的内部隔离电路，结合差分对M7，M8对下一级锁存器电路产生的回踢噪声进行多级的衰减。M10是放大器电路的尾电流管，M9和M10组成一组电流镜结构，通过设置管子的宽长比为1∶1，等比例把偏置电路提供的电流源，复制过来为放大电路提供工作电流。考虑到MOS管沟道调制效应和噪声的影响，电路中电流路径上的放大管和负载管的栅长都设计为大于或等于1 μm。

图1 前置预放大器电路

为了能够让前置预放大器正常的工作，需设计一个偏置电路，为它提供一个稳定的电流源和偏置电压。本次设计的基准电流源，只是要让放大器正常的工作，对基准源的精准度没有严格的要求，采用以阈值电压为基准的自偏置电路。

1.2 动态正反馈锁存器电路的设计

动态锁存比较级采用的是动态正反馈锁存的电路结构，以提高比较器的精度，降低整体电路功耗。如图2所示，其中M9和M10是输入对管，M5和M6是外部时钟控制的开关管，M3和M4是电路的复位管，M1，M2，M7，M8构成了交叉耦合反相器形式的正反馈环路结构。动态正反馈锁存器的电路也是差分对称的结构，为了减小失调电压的影响，在设计电路时就要考虑到MOS管的匹配问题[4]，主要是调节M9，M10管的宽长比使其工作在线性区，并实现完全匹配。

图2 动态正反馈锁存器电路

1.3 输出缓冲级电路的设计

输出缓冲级作为比较器的最后一级电路，主要是对上一级电路输出的高电平、低电平信号进行整形(电平判决)，提高输出端负载驱动的能力，并提升比较器的整体速度[5]。因为级联反相器的电路结构简单，传输速度快，容易设计，所以本次设计的输出缓冲级电路采用的是传统的反相器级联的电路结构。

2 电路仿真结果分析

比较器电路的传输时延仿真结果如图3所示。从图中可以看出整体比较器电路的传输时延约为202 ps。相比于单个锁存器电路418 ps的延时时间，在加入了前置预放大级电路和输出缓冲级电路后，比较器的速度性能有了明显的提升。比较器整体功耗的仿真时，给比较器送入工作时钟，在比较器能进行正常工作时，进行直流仿真，通过DC直流扫描电源，直接得到电路的平均功耗。如图4所示，满足了本次设计任务的功耗指标要求。

图3 比较器传输时延仿真结果

图4 比较器的整体功耗

本设计的任务指标分辨率要求小于3 mV，考虑余量后进行比较器分辨率为1mV的仿真测试。在比较器Vref输入端输入一个1 V的直流参考电压，Vin输入端输入一个分为5个点，从998 mV到1.002 mV，每个点间隔1 mV，周期为2 μs的阶跃小信号，对比较器进行瞬态仿真，设置结束时间为4 μs，仿真精度为高精度，仿真结果如图5所示，当Vin≤1 V-999.4 mV时，输出在垂直坐标V1发生了跳变，当Vin≥1.000 4 V-1 V时，输出在垂直坐标V2发生了跳变，当比较器的输入相差大于1 mV时，能够产生正确的比较结果，达到了设计任务要求的分辨率指标。

图5 分辨率仿真结果

3 结语

本文中前置预放大器采用全差分单级放大的结构，把输入信号迅速放大加载到锁存器的输入端，内部带有隔离电路，可以有效消除回踢噪声的影响，同时放大器具有一

定的增益和带宽保障了比较器的速度和精度。锁存器主要是实现对输入信号的判断比较形成锁存的作用，采用的是动态正反馈的结构，由时钟控制，有效降低失调电压，减少电路功耗。输出缓冲级电路采用的是反相器推免输出的结构，其增益最大，能够提高比较器的负载驱动能力。在2 MHz的工作时钟频率下，分辨率达到了1 mV，压摆率为8.9 V/μs，功耗仅为0.3 mW，满足了任务指标。