基于CMOS的高精度低功耗電壓比較器的設(shè)計(jì)與仿真-開(kāi)題報(bào)告書(shū)

z.z.本設(shè)計(jì)研究背景當(dāng)前便攜式通訊產(chǎn)品、高清視頻產(chǎn)品、精細(xì)測(cè)量?jī)x器和儀表、定位導(dǎo)航系統(tǒng)等領(lǐng)域的快速開(kāi)展，推動(dòng)著ADC向高速高分辨率和低功耗的方向開(kāi)展?，F(xiàn)在國(guó)際主流的ADC電路構(gòu)造有快閃ADC，流水線ADC、折疊插ADC等。隨著系統(tǒng)芯片的功能越來(lái)越復(fù)雜，集成度的不斷提高，電路規(guī)模的不斷擴(kuò)展，芯片的功耗己成為日漸突出的問(wèn)題。盡管近幾年集成電路的供電電壓有所下降，但是功耗卻增長(zhǎng)了近兩倍;同時(shí)芯片面積的不斷減小，導(dǎo)致功率密度更大程度地增長(zhǎng)。這直接導(dǎo)致芯片散熱設(shè)計(jì)難度和封裝本錢(qián)越來(lái)越高,進(jìn)而影響芯片的可靠性。所以，減小芯片功耗對(duì)于芯片設(shè)計(jì)的成敗是至關(guān)重要的。在諸如筆記本、手機(jī)、掌上電腦等手持式便攜系統(tǒng)中,采用高功耗的系統(tǒng)芯片勢(shì)必大大減小電池的使用壽命山。目前，集成電路尺寸己進(jìn)入到超深亞微米階段，特征電壓也降到1V以下，功耗問(wèn)題伴隨著噪聲及短溝道等效凸顯出來(lái)。雖然芯片電源電壓越來(lái)越低，但由于電路集成度的不斷提高，單位面積芯的功耗越來(lái)越高。低功耗、高速度、低噪聲等性能要求加大了集成電路設(shè)計(jì)的難度。特別是在一些便攜式電子產(chǎn)品中，如手機(jī)、筆記本電腦、掌上游戲機(jī)等，低功耗設(shè)計(jì)芯片電路的重要性能指標(biāo)之一。深亞微米下短溝道和噪聲溫度等效應(yīng)使諸如高線性度、高速、低功耗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)難度加大。作為模擬前端重要模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要工作在較低功耗下以滿足嵌入式便攜式系統(tǒng)低耗能要求，此類模塊廣泛應(yīng)用于手機(jī)、PDA,3G無(wú)線終端和WLAN中［2］。國(guó)外研究現(xiàn)狀開(kāi)展歷史關(guān)于比較器的研發(fā)歷史，綜合國(guó)際和國(guó)模數(shù)轉(zhuǎn)換器開(kāi)展的情況來(lái)看，其趨勢(shì)是追求低功耗、高精度高速度、低的傳輸延遲時(shí)間，低輸入失調(diào)電壓及低踢回噪聲。比較器構(gòu)造一般為全差分、可再生式、多級(jí)放大的級(jí)聯(lián)形式。比較器前面放置一個(gè)緩沖放大器，用來(lái)降低回踢噪聲。用采樣電容可抵消失調(diào)誤差，但采樣電容應(yīng)盡量小，以提高電路帶寬，而且采樣電容的下極板應(yīng)連到管子?xùn)艠O，上極板連到驅(qū)動(dòng)源。在高速應(yīng)用時(shí)，用瞬時(shí)短路法使比較器得到迅速恢復(fù)［2］。2006年9月，ADI(AnalogDeviceIncorporation)推出ADCMP60*系列滿電源擺幅的比較器，適合于高速，低功耗，R-R擺幅和高精細(xì)度應(yīng)用。該系列比較器可提供多種可編程延遲，從山s到35ns(隨機(jī)抖動(dòng)小到2.5psRMS有效值)。ADCMP60*比較器可提供在2.5V?5.5V電源圍完全到達(dá)規(guī)定的R-R性能。這在低電壓應(yīng)用中非常有利，特別是在前一代快速R-R比較器在低于2.7V的工作電壓時(shí)會(huì)出現(xiàn)死區(qū)的情況下［2］。2006年12月，奧地利微電子公司(Austriamicrosystems)推出比較器產(chǎn)品系列AS1970-75。該系列有單路、雙路、4路輸入可供選擇，加上單個(gè)比較器輸入的功耗低至8.5口人的特性，使這些IC成為了許多電池供電應(yīng)用的理想解決方案。AS1970-75系列采用十2.5V至+5.5V的單電源供電，非常適用于3V和5V的應(yīng)用。這些IC能通過(guò)兩節(jié)AA電池驅(qū)動(dòng)，并提供R-R特性，且輸入偏置電流僅為1pA。此外，0.5mV的低輸入偏置電壓和3mV的遲滯加上低功耗特性，使人51970-75系列成為便攜式設(shè)備電池監(jiān)測(cè)和電池管理應(yīng)用的理想選擇［3］。2007年5月，高性能模擬信號(hào)路徑產(chǎn)品供應(yīng)商美國(guó)半導(dǎo)體公司(NationalSemiconductorCorporation)宣布推出一款業(yè)界最低功率(典型值為21mA)而傳播延遲時(shí)間不超過(guò)1微秒(700ps)的雙通道比較器。LMH7322芯片的傳播延遲時(shí)間只有700ps,而且過(guò)驅(qū)動(dòng)假設(shè)超過(guò)100mV,也只會(huì)出現(xiàn)5Ps的散射。此外，這款芯片還設(shè)有獨(dú)立的輸入及輸出供電引腳，因此可以支持需要進(jìn)展電平轉(zhuǎn)換的應(yīng)用。由于這款比較器的典型功耗低至只有21mA,因此最適用于必須節(jié)約用電的系統(tǒng)。假設(shè)以5V供電操作，LMH7220芯片的傳播延遲時(shí)間只有2.9ns（典型值），而上升及下降時(shí)間同樣是0.6ns,所需的供電電流則不超過(guò)6.8mA。兩款芯片都保證可在攝氏-40度至125度的溫度圍充分發(fā)揮其性能冏。國(guó)研究現(xiàn)狀關(guān)于比較器的研究，很多國(guó)期刊均有報(bào)道。國(guó)目前有五篇關(guān)于sub-ADC和比較器設(shè)計(jì)的學(xué)術(shù)論文。普秀［3］設(shè)計(jì)了一種用于10-bit100MSPSPipelinedADC的sub-ADC;高雪蓮［4］設(shè)計(jì)一種低功耗動(dòng)態(tài)比較器，該比較器采用上華公司的2P3M-0.5um-MI*-S工藝，幅員面積約為0.2mm2;時(shí)鐘頻率2MHz，電源電壓5V，共模輸入1.9V分辨率600uV，平均功耗0.8mW。月梅［5］設(shè)計(jì)了一種高速低功耗比較器，該比較器應(yīng)用于8-bit、200MHz采樣速率流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，采用TSMC0.18umDP6MCMOS工藝，失調(diào)電壓小于0.1V，功耗約0.37mW。修麗梅⑹提出了一種高速低功耗比較器，該比較器采樣IBM0.18umDP6CMOS工藝，電源電壓1.8V，在20MHz時(shí)鐘信號(hào)下，分辨率到達(dá)0.2mV，傳輸延遲小于25ns，功耗約為0.85mW。寶妮團(tuán)設(shè)計(jì)了一種超高速比較器，該比較器采用SMIC0.18umCMOS工藝，電源電壓1.8丫，可工作在1.25GHz的時(shí)鐘頻率下，最大失調(diào)電壓0.6mV，在1丫的輸入電壓下，可以到達(dá)10位的精度。文忠、包興、素英［8］設(shè)計(jì)了一個(gè)全差分動(dòng)態(tài)比較器，其輸入動(dòng)態(tài)圍為2V，失調(diào)電壓降到3.5V，到達(dá)了8曲｛精度的要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了0.48mW的功耗；王江燕、裴杰［9］采用預(yù)充電技術(shù)和合理的反響構(gòu)造設(shè)計(jì)了一種比較器，該比較器的延時(shí)為0.069us，精度為20mV，在5V電源電壓下，功耗為0.7765W。綜合國(guó)外的比較器的開(kāi)展情況可以看出，高速低功耗設(shè)計(jì)是比較器開(kāi)展的一種主流趨勢(shì)。我國(guó)與國(guó)外研究水平還存在明顯的差距，國(guó)外高速低功耗比較器己經(jīng)研究多年，工藝先進(jìn)，設(shè)計(jì)領(lǐng)先［11］。然而，國(guó)高速低功耗研究起步較晚，除工藝水平受限以外，設(shè)計(jì)水平與國(guó)外還有很大差距，而且國(guó)研究還處于試驗(yàn)研究階段，沒(méi)有形成商業(yè)化。目前，國(guó)高性能比較器主要依靠進(jìn)口［12］。所以，我國(guó)在高速低功耗比較器設(shè)計(jì)方面還有很大的開(kāi)展空間，人才缺口較大。電壓比較器應(yīng)用比較器是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的重要組成局部，也是電子系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛的電路之一。比較器的性能，尤其是速度、功耗、噪聲、失調(diào)，對(duì)整個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速度、精度和功耗都有著至關(guān)重要的影響［13］。比較器的設(shè)計(jì)以開(kāi)環(huán)高增益放大器的設(shè)計(jì)為根底。這類比較器屬于非線性的模擬電路，其輸入和輸出之間不存在線性關(guān)系。比較器的應(yīng)用程度僅次于放大器的應(yīng)用程度了［14］。除數(shù)模轉(zhuǎn)換器以外，比較器的應(yīng)用場(chǎng)合很多，可以用于電壓監(jiān)測(cè)，電平轉(zhuǎn)換，V/F轉(zhuǎn)換，適用于采樣/跟蹤保持電路，過(guò)零檢測(cè)，峰值檢測(cè)和延遲線的檢測(cè)［15］。當(dāng)比較器用在一個(gè)很大的系統(tǒng)中的時(shí)候，既要考慮到它本身的驅(qū)動(dòng)能力也要考慮到它前級(jí)電路的帶負(fù)載能力，要是比較器的輸入阻抗、輸出阻抗和前級(jí)電路的驅(qū)動(dòng)能力相配合。系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用包括便攜式和電池驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)、掃描儀、機(jī)頂盒和高速差分線接收器［16］。比較器概述比較器原理比較器電路的功能是將輸入信號(hào)和一個(gè)參考信號(hào)進(jìn)展比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出二進(jìn)制信號(hào)。比較器被應(yīng)用于多種模擬電路，特別在模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中，比較器具有非常重要的作用［17］。圖1.1〔a〕和圖1.1〔b）分別給出了比較器模型和理想比較器傳輸曲線。理想情況下，當(dāng)比較器輸入信號(hào)Vp>Vn時(shí)，即比較器的正、負(fù)輸入之差為正時(shí)，輸出高電平VOH；當(dāng)Vp<Vn時(shí)，即比較器的正、負(fù)輸入之差為負(fù)時(shí)，輸出低電平VOL。比較器在VOH和VOL之間的轉(zhuǎn)換是理想的:輸入改變V1引起輸出狀態(tài)改變，而V1趨于零，這意味著z.z.Z.Z.比較器的增益無(wú)限大；但實(shí)際情況下這樣的比較其實(shí)不存在的，下面圖L1〔~給出了有限增益比較器曲線。VolVonUp—VolVonUp—比較器模型圖1.2比較器模型圖1.2理想比較器傳輸曲線圖1.1主要性能參數(shù)比較器特性包括靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性兩個(gè)大的方面。靜態(tài)特性包括比較器的增益、精度、失調(diào)電壓等。動(dòng)態(tài)特性主要包括小信號(hào)和大信號(hào)方式。分辨率（resolution〕：分辨率是指能夠產(chǎn)生正確的數(shù)字輸出的最小差分輸入信號(hào)。比較速度（delay］：比較速度又稱傳輸延遲時(shí)間。一般定義為輸入鼓勵(lì)信號(hào)與輸出數(shù)字信號(hào)之間的時(shí)間差。該參數(shù)影響比較器的最高工作頻率，并最終影響模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最高采樣頻率。擺率（slewrate]:比較器的傳輸時(shí)延隨輸入幅度的變化而變化，較大的輸入將使延時(shí)較短。輸入電平增大到一個(gè)上限時(shí)，即使輸入電平再增大也無(wú)法對(duì)時(shí)延產(chǎn)生影響時(shí)的電壓的變化率被稱為擺率?；靥咴肼暎╧ickbacknoise]:回踢噪聲（反沖噪聲）是指輸出的數(shù)字信號(hào)對(duì)輸入模擬信號(hào)的反沖，該反沖一般是電荷饋通的結(jié)果。輸入共模圍:是指比較器在這個(gè)圍，比較器能連續(xù)分辨出的輸入電壓的差值。該特性也是比較器的重要特性之一。響應(yīng)時(shí)間：即比較器的時(shí)域特性，響應(yīng)時(shí)間描述了比較器對(duì)于差分輸入需要多長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間，輸入鼓勵(lì)和輸出轉(zhuǎn)換之間的延遲就是比較器的響應(yīng)時(shí)間。比較器的響應(yīng)時(shí)間一般為幾個(gè)毫秒甚至更少。輸出電壓擺幅:當(dāng)比較器的同相輸入端更正時(shí)，比較器被認(rèn)為輸出正電壓。反之，得到負(fù)的輸出電壓。這種特性基于比較器的部電路，一般比較器由部的差分放大器和偏置網(wǎng)絡(luò)組成，決定了輸出擺幅。這個(gè)擺幅也受電源電壓影響。輸入偏移電流:是使輸出改變狀態(tài)的兩輸入電流差值的絕對(duì)值。輸入偏置電流:無(wú)信號(hào)輸入時(shí)兩個(gè)輸入電流的平均值。差分輸入電壓圍：比較器工作時(shí)兩個(gè)信號(hào)輸入端允許加的最大電壓。參考文獻(xiàn)[1]歐陽(yáng)宏志.電壓比較器的學(xué)習(xí)方法J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2021,33⑷:44?47[2]畢查德?拉扎維著貴燦等譯.模擬CMOS集成電設(shè)計(jì)[M].：通大學(xué),2003.[3]普秀.適用于l0bit100MSPS流水線ADC的sub-ADC的研究與計(jì)[D].碩士學(xué)位論文.:電子科技大學(xué),2006[4]高雪蓮.一種基于SARADC的低功耗動(dòng)態(tài)比較器研究回.碩士學(xué)位論文.：交通大學(xué),2007[5]月梅.低功耗比較器電路研究回.碩士學(xué)位論文?:交通大學(xué),2007[6]修麗梅.高速低功耗電壓比較器構(gòu)造設(shè)計(jì)[D].碩士學(xué)位論文?:交通大學(xué),2021[7]寶妮.基于0.18umCMOS工藝的超高速比較器的設(shè)計(jì)[D].碩士學(xué)位論文?:電子科技大學(xué),2021[8]文忠，包興，素英等.一種低功耗高精度CMOS動(dòng)態(tài)比較器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2005,18(1):132?[9]王江燕，裴杰.新型高速高精度CMOS預(yù)充電比較器J].電子科技,2021,22(5):31?33[10]游恒果.高速低功耗比較器設(shè)計(jì)[D].碩士學(xué)位論文?:電子科技大學(xué),2021[11]馬奎，丁召，吳宗桂等.高性能CMOS集成電壓比較器設(shè)計(jì)J].現(xiàn)代電子技術(shù),2021,14⑹:7?9[12]Taggart,David;Kumar,Rajendra,Krikorian,Yogi;Goo,Gary;ChenJoseph;Martinez,Robert;Tam,Tom;Serhal,Edward.Analog-to-DigitalConverterLoadingAnalysisConsiderationsforSatellitemunicationsSystemsJ];AerospaceConference,2007;IEEE3一10.March2007.pp.l一16[13]AldajamMA.Stabilityandperformanceanalysisofanadaptivesigma-deltamodulatorJ].IEEETransactiononCircuitsandSystemsII.2001.48:pp.233-244[14]GilbertPromitzer,12-bitLow-PowerFullyDifferentialSwitchedCapacitorNoncalibratingSuccessiveApproximationADCwith1MS/sJ].IEEEJ.SOLID-STATECIRCUITS,VOL.36,NO.7JULY2001:1138-1143[15]Won-ChulSong,Hae-WookC