兩級(jí)開環(huán)比較器的設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上初級(jí)比較器設(shè)計(jì) 一前言本文主要包括：（1）分析說明比較器工作原理；（2）比較器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法；（3）比較器的HSPICE模擬；（4）比較器物理版圖設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；（5）設(shè)計(jì)文件列表說明。二比較器的原理簡(jiǎn)述比較器的電路符號(hào)如右圖所示,它的功能是比較輸入端的信號(hào)差異，輸出以之對(duì)應(yīng)的數(shù)值上離散的兩種信號(hào)之一，當(dāng)Vin+>Vin-時(shí)，比較器輸出為高電平（Voh）；當(dāng)Vin+<Vin-時(shí)，比較器輸出為低電平(Vol)；比較器廣泛用于模擬電路和數(shù)字電路的接口部分即連續(xù)和離散的交接部分。1比較器靜態(tài)特性(1)理想比較器模型理想比較器的電路模型如下圖所示：它的傳輸曲線如下圖所示

2、：傳輸曲線可以用數(shù)學(xué)函數(shù)表示如下：，(2)有限增益比較器模型有限增益比較器的電路模型如下圖所示：它的傳輸曲線如下圖所示：傳輸曲線可以用數(shù)學(xué)函數(shù)表示如下：，為一個(gè)有限值（3）包含輸入失調(diào)電壓的比較器包含輸入失調(diào)電壓比較器電路模型如下圖所示：它的傳輸曲線如下圖所示：其中的Vos為輸入失調(diào)電壓，它被定義為：實(shí)際比較器輸出電壓為零時(shí)，輸入端所加的電壓，它是比較器的一個(gè)重要參數(shù)，跟比較器的精度有密切的關(guān)系，而且它的溫漂很難補(bǔ)償。（4）比較器其他的靜態(tài)特性差分輸入電阻和電容，輸出電阻，共模輸入電阻，共模輸入電壓范圍，還有和過度區(qū)特性相關(guān)聯(lián)的噪聲。這些和運(yùn)放很相似，可以同樣建模。2單極點(diǎn)簡(jiǎn)單比較器動(dòng)態(tài)特性比

3、較器動(dòng)態(tài)特性中的重要特性之一為傳輸時(shí)延，定義比較器的時(shí)延為：比較器的輸入激勵(lì)和輸出轉(zhuǎn)換之間的時(shí)延，如下圖所示：（1）小信號(hào)時(shí)延假設(shè)比較器的最小輸入電壓差為比較器的精度，定義比較器的最小輸入電壓為：，其中為比較器的低頻增益。假設(shè)我們分析的比較器為最簡(jiǎn)單的單極點(diǎn)模型，它的s域增益表示如下：那么，我們下面就可以分析比較器的時(shí)延：根據(jù)時(shí)延的定義和，進(jìn)行拉普拉斯逆變換，得到輸入為階躍信號(hào)的時(shí)域響應(yīng)如下式：同理可以得到更為普遍的結(jié)果：當(dāng)輸入激勵(lì)信號(hào)為階躍信號(hào)，相應(yīng)得輸出響應(yīng)時(shí)延為：，顯然在線性響應(yīng)的情況下，增大k可以有效的減小時(shí)延tp。對(duì)應(yīng)的關(guān)系可以表示如下圖：（2）大信號(hào)時(shí)延 大信號(hào)情況下，如果對(duì)電容的

4、充放電決定了電路的響應(yīng)時(shí)間，則出現(xiàn)擺率限制的情形，這時(shí)的傳輸時(shí)延為：，出現(xiàn)擺率限制時(shí)，一般有：，因此，在擺率響應(yīng)的情況下，增大對(duì)電容的充/放電電流可以減小比較器的時(shí)延。三比較器的設(shè)計(jì)比較器的傳輸時(shí)延始終是我們關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)指標(biāo)，以下側(cè)重分析時(shí)延的限制因素和設(shè)計(jì)時(shí)常常引用的公式。1兩級(jí)開環(huán)比較器的線性響應(yīng)設(shè)計(jì)NMOS輸入管兩極開環(huán)比較器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示：（1）考察輸出電壓的兩個(gè)極限：當(dāng)M6管處于飽和區(qū)與線性區(qū)的臨界點(diǎn)時(shí)：顯然，（2）兩級(jí)比較器的特性A部分第一級(jí)簡(jiǎn)單CMOS OTA特性由以上的電路原理圖可以得到第一級(jí)簡(jiǎn)單COMS OTA的小信號(hào)等效電路如下圖所示：其中：4節(jié)點(diǎn)對(duì)地電阻,4節(jié)

5、點(diǎn)對(duì)地電容Cn4,5節(jié)點(diǎn)對(duì)地電阻5節(jié)點(diǎn)對(duì)地電容Cn5，5節(jié)點(diǎn)和4節(jié)點(diǎn)間的電容Cn54,根據(jù)基爾霍夫電壓環(huán)路（KVL）和電流節(jié)點(diǎn)（KCL）定理,可以得到該小信號(hào)等效電路的方程組并解得：（由于密勒效應(yīng)的作用可以忽略），其中，為低頻增益，由于求的過程比較繁瑣，這里僅僅說明一下如何求解（求解同理），求解低頻增益時(shí)可以認(rèn)為小信號(hào)等效電路中的所有電容為0，于是可以得到如下的方程組：-由以下B部分的分析可以知道：第一級(jí)簡(jiǎn)單CMOS OTA可以等效成一個(gè)對(duì)差模信號(hào)跨導(dǎo)為Gm的放大管，而其中的電容對(duì)總的極點(diǎn)沒有影響，如下圖所示：Vid為輸入差模信號(hào)。令，則第一級(jí)簡(jiǎn)單CMOS OTA的跨導(dǎo)為：B部分第一、二級(jí)聯(lián)合

6、整體電路特性根據(jù)NMOS輸入兩級(jí)比較器電路圖可知：由于輸入信號(hào)的內(nèi)阻一般很小，所以輸入節(jié)點(diǎn) 1和節(jié)點(diǎn)2的時(shí)間常數(shù)很小不可能形成主極點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)3為共模信號(hào)相關(guān)而與差模信號(hào)無關(guān)；M3二極管連接方式?jīng)Q定了節(jié)點(diǎn)4的時(shí)間常數(shù)很小也不可能形成主極點(diǎn)；最有可能形成主極點(diǎn)的地方為節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)6，即第一級(jí)的節(jié)點(diǎn)電容對(duì)整體電路的特性沒有決定作用，利用A部分的分析結(jié)果可以得到整體電路的小信號(hào)等效電路如下圖所示：5節(jié)點(diǎn)對(duì)地電阻,5節(jié)點(diǎn)對(duì)地電容Cn5,6節(jié)點(diǎn)對(duì)地電阻6節(jié)點(diǎn)對(duì)地電容Cn6，6節(jié)點(diǎn)和5節(jié)點(diǎn)間的電容Cc(針對(duì)比較器電路，采用開環(huán)模式，通常使Cc最小化，以得到最大的帶寬和較快的響應(yīng))。根據(jù)基爾霍夫電壓環(huán)路（KVL

7、）和電流節(jié)點(diǎn)（KCL）定理,可以得到該小信號(hào)等效電路的方程組并解得：M為密勒因子，（3）估算時(shí)延為了計(jì)算的方便，可以采用節(jié)點(diǎn)時(shí)間常數(shù)近似方法估算，它的另一種表示方式如下：其中：低頻增益，為第一級(jí)輸出極點(diǎn)5的電容，為為第二級(jí)輸出節(jié)點(diǎn)6的電容。假設(shè)輸入激勵(lì)信號(hào)為Vin,那么在S域的電路響應(yīng)為：Vo(s)= Vin(s)，對(duì)它進(jìn)行拉普拉斯逆變換可以得到時(shí)域的響應(yīng)為：，其中，根據(jù)這個(gè)時(shí)域響應(yīng)可以估算比較器的線性響應(yīng)傳輸時(shí)延，為了計(jì)算方便，對(duì)該式進(jìn)行級(jí)數(shù)展開得 ：，其中，再進(jìn)一步簡(jiǎn)化得：令，解得：，（），這就是估算線性線性響應(yīng)傳輸時(shí)延的關(guān)系式。 附帶說明一下如何選擇擺率受限或線性響應(yīng)受限來估算比較器的傳

8、輸時(shí)延：為了比較線性響應(yīng)受限和擺率受限，我們對(duì)進(jìn)行歸1化處理得：，對(duì)上式進(jìn)行兩次求導(dǎo)并令其等于0可以得到歸一化響應(yīng)的最大斜率為：-（3.1-1）而兩級(jí)開環(huán)比較器的輸出擺率為：-（3.1-2）-(3.1-3)比較（3.1-1）、(3.1-2)和（3.1-3），當(dāng)且擺率比（3.1-1）小時(shí)，則應(yīng)采用擺率來估算比較器電路的時(shí)延。需要特別強(qiáng)調(diào)的是：如果是線性響應(yīng)受限則極點(diǎn)的位置十分重要，如果是擺率受限則對(duì)電容的充放電的能力變得更為重要。（4）設(shè)計(jì)常用公式：為設(shè)計(jì)方便，現(xiàn)將常用的設(shè)計(jì)公式及步驟總結(jié)如下：， 計(jì)算出C1，如果計(jì)算出的C1大于在第三步中假設(shè)的C1，則必須加大C1且重復(fù)36的步驟，直道計(jì)算出來

9、的C1小于假設(shè)的C1為止。，如果小于100mV則增大2兩級(jí)開環(huán)比較器的擺率響應(yīng)設(shè)計(jì)（1）設(shè)計(jì)中用到的分析方法設(shè)計(jì)中的分析法方法法和“1”部分講解的類同，重點(diǎn)要理解電路的小信號(hào)等效電路，并利用根據(jù)基爾霍夫電壓環(huán)路（KVL）和電流節(jié)點(diǎn)（KCL）定理來求解，并進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。（2）時(shí)延的估算在大多數(shù)的情況下，兩級(jí)開環(huán)比較器會(huì)被驅(qū)動(dòng)到擺率受限，此時(shí)，傳輸時(shí)延由下式計(jì)算：，其中：Ci為第i級(jí)的對(duì)地電容，由該式可以得到第i級(jí)的傳輸時(shí)延為：，總的傳輸時(shí)延為。（2）設(shè)計(jì)常用公式為設(shè)計(jì)方便，現(xiàn)將常用的設(shè)計(jì)公式及步驟總結(jié)如下：，假設(shè)一個(gè)C1值并在以后檢查， 計(jì)算出C1，如果計(jì)算出的C1大于在第三步中假設(shè)的C1，則必

10、須加大C1且重復(fù)36的步驟，直道計(jì)算出來的C1小于假設(shè)的C1為止。，如果小于100mV則增大3復(fù)合比較器（前置線性放大級(jí)鎖存再生級(jí)）設(shè)計(jì)在參考材料中的復(fù)合比較器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示：為了設(shè)計(jì)計(jì)算電路的參數(shù)，必須首先要分析電路的特性，以下部分析該電路的主要特性：上圖復(fù)合比較器是鐘控動(dòng)態(tài)比較器，電路結(jié)構(gòu)上由兩級(jí)組成：前級(jí)是前置線性放大器，后級(jí)是再生鎖存器。前置線性放大器由MB、M1、M2、M3和M4構(gòu)成，再生鎖存器M7、M8、M9和M10構(gòu)成，而其他的M5、M6和M11是動(dòng)態(tài)時(shí)鐘控制開關(guān)管。為了保證最小的傳輸時(shí)延，它的設(shè)計(jì)思想在于：強(qiáng)調(diào)前級(jí)的大帶寬和后級(jí)的高擺率，前級(jí)按負(fù)指數(shù)響應(yīng)把輸入信號(hào)放大

11、到一定的值Vx，接著鎖存器按照正指數(shù)響應(yīng)把這信號(hào)Vx進(jìn)一步放大，這樣可以使整體的傳輸延遲最小化?？梢杂萌鐖D階躍響應(yīng)所示：(1)所存器級(jí)傳輸時(shí)延的設(shè)計(jì)計(jì)算鎖存器級(jí)的核心電路結(jié)構(gòu)如下圖所示：它的小信號(hào)等效電路如下圖所示：R1：節(jié)點(diǎn)1對(duì)地電阻；R2：節(jié)點(diǎn)2對(duì)地電阻；C1：節(jié)點(diǎn)1對(duì)地電容；C2：節(jié)點(diǎn)2對(duì)地電容；Vo1/s：是vo1的初值，且為階躍信號(hào)；Vo2/s：是vo2的初值，且為階躍信號(hào)；由小信號(hào)等效電路可以得到節(jié)點(diǎn)方程組如下：其中：假設(shè)MOS管采用對(duì)稱設(shè)計(jì)使他們的跨導(dǎo)相等，令：，則可以解得：，其中：求上式的拉普拉斯逆變換的時(shí)域響應(yīng)為：，即：其中：要求鎖存器級(jí)的傳輸時(shí)延，可以令：,解得傳輸時(shí)延為：

12、，顯然要改善傳輸時(shí)延應(yīng)該從和兩方面著手解決。特別是選擇足夠大的可以使傳輸時(shí)延明顯地減小。 (2)前置線性放大級(jí)傳輸時(shí)延的設(shè)計(jì)計(jì)算前置線性放大級(jí)核心電路結(jié)構(gòu)如下圖所示：為分析前置級(jí)電路，先假設(shè)M7和M8管不起作用，則這電路變成了簡(jiǎn)單CMOS OTA電路，它的性能在前面已經(jīng)分析過了，不過要注意這里的M3 和M4 管應(yīng)該是處于線性區(qū)而不是飽和區(qū)，因?yàn)闀r(shí)鐘信號(hào)點(diǎn)位接近Vdd，具體結(jié)果可以參考前面的分析；但是，M7和M8 實(shí)際上是可能流過電流，那么這個(gè)電路就變得復(fù)雜，有待于進(jìn)一步的分析，不過分析的主體思想為：考察MOS晶體管的工作狀態(tài)；畫出電路的小信號(hào)等效電路；由基爾霍夫定理電路方程組求解。四實(shí)際設(shè)計(jì)比

13、較器HSPICE模擬以上設(shè)計(jì)計(jì)算的電路參數(shù)，只是個(gè)估算值，一般都要調(diào)整，這時(shí)我們可以利用HSPICE來模擬，一方面，可以檢驗(yàn)電路的功能是否正確，另一方面，由模擬的結(jié)果反過來調(diào)整電路的參數(shù)。直到得到滿意的性能指標(biāo)為止。1實(shí)際采用的兩級(jí)開環(huán)比較器的電路原理圖及相關(guān)說明（附帶文件：）2HSPICE的網(wǎng)表文件（附帶文件：com_hspice_netlist.sp）根據(jù)1中比較器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以編寫以下的網(wǎng)表文件如下：*comparator*netlist*mp1 ibias ibias vdd vdd pmos l=2.5u w=25ump2 1 ibias vdd vdd pmos l=2.5u w

14、=25ump3 out2 ibias vdd vdd pmos l=2.5u w=25ump4 2 in1 1 1 pmos l=2.5u w=12.5ump5 out1 in2 1 1 pmos l=2.5u w=12.5umn1 2 2 gnd gnd nmos l=2.5u w=40umn2 out1 2 gnd gnd nmos l=2.5u w=40umn3 out2 out1 gnd gnd nmos l=2.5u w=80u*end_netlist*library*.include "C:synopsysHspice2004.09hspice netlisthua05.

15、sp" *end_library*VDD vdd gnd DC 5IB ibias gnd DC 30u.OPvin1 in1 gnd pulse(2.4v 2.6v 0n 0n 0n 100n 200n ) vin2 in2 gnd dc 2.5.tran 1n 400be.end3HSPICE的模擬結(jié)果（附帶文件：com_hspice_wave.bmp）tpftpr紅色曲線：in2端輸入信號(hào)黃色曲線：in1端輸入信號(hào)橙色曲線：out2端輸出信號(hào)由此波形圖可以看出：上升時(shí)延大約為：60ns,下降時(shí)延大約為40ns,總的時(shí)延平均為50ns.雖然，性能不是很理想，但功能是基本

16、實(shí)現(xiàn)了；可以進(jìn)一步優(yōu)化。4參數(shù)確定最終確定的參數(shù)為：PMOS：NMOS：Ibias=30uA五比較器的物理版圖設(shè)計(jì)1編輯比較器的原理圖（附帶文件為com_sch.png）利用IC工具軟件可以編輯比較器的原理圖如下：2據(jù)編輯比較器的版圖（附帶文件：com_layout.png和com.gds）(1)總的比較器版圖幾何結(jié)構(gòu)如下圖所示左上：MP4和MP5右上：MP1、MP2 和MP3左下：MN1和MN2右下：MN3(2)總體布局規(guī)劃一方面，從電路的電氣可靠性考慮，把輸入差分放大管MP4和MP5和輸出的MN3布局成對(duì)角線方位，可以減少輸出對(duì)輸入的干擾；另一方面，從電路的幾何面積考慮，把MP1、MP2

17、和MP3分別拆成兩條長(zhǎng)為12.5um的柵，把MN1和MN2分別拆成兩條長(zhǎng)為20um的柵，把MN3拆成4條長(zhǎng)為20um的柵，并按上圖布局可以使整個(gè)版圖緊湊面積最小。(3)MOS晶體管的匹配由于MP4和MP5的寬長(zhǎng)比不是很大，沒有拆分，所以把他們平行并排對(duì)稱布圖匹配；MP1、MP2 和MP3分別拆成兩條長(zhǎng)為12.5um的柵，并把MP1排在中間，MP2 和MP3分別排在它的兩側(cè)；MN1和MN2分別拆成兩條長(zhǎng)為20um的柵，并按共質(zhì)心方式布圖匹配。(4)大尺寸MOS晶體管的處理MN3的寬長(zhǎng)比高達(dá)80/2.5，把它拆分成4條長(zhǎng)為20um的柵，單管版圖幾乎正方形。(5)在DRC檢查 由于事先較為詳細(xì)的理解

18、了中微晶圓電子有限公司”的0.5uM SPTM COMS PROCESS DESIGN RULES內(nèi)容，布圖過程程中，盡可能根據(jù)它來取相應(yīng)部分的尺寸，因此布圖過程中沒有太多的DRC錯(cuò)誤。但是這里必須提到一個(gè)失誤，由于疏忽，誤以為contact到poly柵的間距大于0.7，并且以此為準(zhǔn)先畫源和漏區(qū)金屬時(shí)都沒有打contact,等到最后打contact并做DRC檢查時(shí)，此問題暴露了，最后由于時(shí)間太緊，只好修改的divaDRC.rule文件，強(qiáng)行把這約束改為0.7，結(jié)果DRC檢查沒有錯(cuò)誤。可是，如果流片這是萬萬不可的，因?yàn)楣に嚊Q定了DRC的約束，這里講述的這種做法也是不允許的，只是時(shí)間太緊了（版圖我畫到凌晨4：38）