一种低功耗中高精度比较器的设计

1、第37卷第2期2007年4月微电子学MicroelectronicsVol 37,!2Apr 2007一种0.2 mV20 MHz600 W比较器孙 彤,李冬梅(清华大学微电子学研究所,北京 100084)摘 要: 提出了一种低功耗中速高精度比较器。比较器采用3级前置放大器加锁存器的多级结构,应用失调校准技术,用于一个电压2.5V、速度1MS/s、精度12位的逐次逼近型A/D转换器。该比较器采用UMC0.18 m混合模式3.3VCMOS工艺设计制造。仿真结果表明,在2.5V电压下,速度可以达到20MHz,准确比较0.2mV电压,并能有效校准20mV输入失调,功耗仅为600 W,版图面积为620

2、 m 190 m。关键词: 比较器;弱正反馈;失调校准;逐次逼近中图分类号: TN431.1文献标识码: A文章编号:1004 3365(2007)02 0270 04A0.2 mV20 MHz600 WComparatorSUNTong,LIDong mei(Dept.ofElectronicEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,P.R.China)stageAbstract: Alow power,moderate speedandhigh resolutioncomparatorispresented,inwhichamultistru

3、ctureconsistingofthreepre amplifiersandalatchisadopted,andanoffsetcancellationtechniqueisused.De signedandfabricatedinUMC s0.18 mmixed mode3.3VCMOStechnology,thecomparatorisusedina2.5V,1MS/s,12 bitsuccessiveapproximationanalog to digitalconverter.Simulationresultsshowthatitcandistinguish0.2mVat20MHz

4、under2.5Vsupplyvoltage,andcancalibrate20mVinputoffseteffectively,withonly600 Wpowerconsumption.Thecomparatoroccupiesachipareaof620 m 190 m.Keywords: Comparator;Weakpositivefeedback;Offsetcancellation;SuccessiveapproximationEEACC: 2570D换器,该A/D转换器正确的电源电压为2.5V、采样率1MS/s、12位精度,计划使用UMC0.18 m混合模式(mixedmode

5、)3.3VCMOS工艺制造。为了满比较器是A/D转换器中的核心单元,其精度、速度、失调、功耗等指标对整个A/D转换器的性能有重要影响。高速比较器速度较快,可以达到1.8GHz1,一般采用锁存器(latch)结构,但是失调比较大,精度在8位以下,用于闪烁(Flash)、流水线(Pipeline)等高速A/D转换器2 4。高精度比较器可以分辨较小的电压,但是速度相对比较慢,一般采用多级结构,而且通常采用失调校准技术5,61 引 言足该A/D转换器的性能指标,需要一种中速高精度的比较器。本文对该比较器进行了论述,第二部分详细分析了该比较器的结构,第三部分列出了仿真结果,第四部分给出了该比较器的版图。

6、2 比较器结构对于电源电压为2.5V、速度1MS/s、精度12位的逐次逼近型A/D转换器,要求比较器至少能够分辨1/2LSB,即0.3mV电压,速度在12MHz以,可以应用于较高精度的逐次逼近型A/D转换器。本文设计的比较器用于一个逐次逼近型A/D转收稿日期:2006 08 02; 定稿日期:2006 10 09基金项目:国家自然科学基金资助项目(60475018);国家高技术研究发展计划资助项目(2003AAIZ1100)第2期孙 彤等:一种0.2 mV20 MHz600 W比较器271上。考虑设计余量,该比较器最好能够分辨0.2mV电压,速度在15MHz以上。这种中速高精度的比较器通常采用

7、多级结构实现。2.1 总体框图图1是本文比较器的总体框图,采用3级前置放大器(比较器13)加锁存器的多级结构,前置放大器之间采用电容(C1C4)耦合。只是考虑到速度,比较器2的带宽需要更大一些。2.2 第一级结构作为第一级前置放大器,比较器1需要将0.2mV的微弱输入信号迅速放大,因此要求它的带宽比较高。另一方面,在失调校准阶段,比较器1的失调电压被放大了A1倍,存储在电容C1、C2上。为了防止C1、C2上失调电压饱和,要求比较器1增益比较小。考虑到低增益、高带宽的要求,比较器1采用共源共栅(Cascode)结构作输入级,二极管连接成PMOS作负载的差分运放结构,如图2所示。M1、M2是输入对

8、管,与M3、M4构成Cascode结构,可以将回程噪声(kickbacknoise7)减小m3.4倍,这在比gm5.6图1 比较器总体框图Fig.1 Blockdiagramofthecomparator较器一端固定电位,另一端作输入应用的情况下尤其重要。M5、M6是连接成二极管形式的PMOS管,作为Cascode输入级的负载。整个电路的增益m1N1,一般都在10以下,考虑gm5P(W/L)5到带宽要求与电容上失调电压饱和的问题,最终确为A1定为5,消耗电流50 A。输出端Out+与Out之间有复位开关,在每个比较周期的最初,由rst信号控制开关闭合,将比较器1复位,加快比较速度。该比较器工作

9、大致可以分成两个阶段:首先是失调校准阶段,S1断开,S2闭合,使比较器1的正负输入端连接在中间电压Vcm上,同时,S3S6闭合,使比较器1、2的失调电压存储在C1、C2上,比较器3的失调电压存储在C3、C4上;然后是比较阶段,S1闭合,S2S6断开,开始比较Vin与Vcm的大小,绝大部分输入失调与存储在电容C1C4上的失调电压相互抵消。假设比较器13、锁存器的输入失调分别为VOS1、VOS2、VOS3、VOSL,比较器13的增益分别为A1、A2、A3,开关S3与S4、S5与S6注入到电容上的电荷失配量分别为 Q3,4、 Q5,6,C1=C2=C3=C4=C,那么,使用失调校准技术后,比较器的残

10、余输入失调为VOS=OS2OS3OSL+A1(A2+1)A1A2(A3+1)A1A2A3 Q3,4 Q5,6+CA1CA1A2另一方面,锁存器的输入失调通常在50100mV之间,为了保证锁存器能够有效分辨,希望前置放大器能够将0.2mV的输入信号放大到100mV以上,即总增益在500左右。比较器1需要将0.2mV的小信号输入迅速放大,所以比较器1的带宽要大,在一定增益带宽积的前提下,意味着增益要小,而且比较器1增益过大容易使放大后的输入失调在电容C1、C2上饱和。最终确定比较器1的增益为5。比较器2、3都采用了输入失调存储(inputoffsetstorage)的失调校准技术5,不存在电容上失

11、调电压饱和的问题,所以确定它们的增益都为10,图2 比较器1的电路结构Fig.2 CircuitstructureofComparator1比较器1也是整个高精度比较器的输入级,它的噪声性能也对比较器的精度有影响。仿真表明,比较器1的输入等效噪声为110 V,满足分辨率0.2mV的要求。2.3 第二、三级结构比较器2与比较器3采用相同的电路结构,如图3所示。它在比较器1的电路基础上加入了两个交叉的PMOS管M7、M8,在电路中引入了弱正反馈机制,提高了原有电路的增益,代价是缩减了带宽。由于比较器2的输入信号比比较器3小,为了272孙 彤等:一种0.2 mV20 MHz600 W比较器2007年

12、提高比较速度,可以适当增大比较器2的电流。下面对该电路进行详细分析。图3电路的小信号模型如图4所示8。列瞬态方程,有-Gm1Vin+=gm5Vout-+gm7Vout+go1Vout-+dVout-C1dt-Gm2Vin-=gm6Vout+gm8Vout-+go2Vout+C2out+dt+-+-注意到Gm1=Gm2,gm5=gm6,gm7=gm8,go1=go2,C1=C2,并且Vin=Vin-Vin,Vout=Vout-Vout,那么,有-Gm1Vin=-gm5Vout+gm7Vout-go1Vout-C1图3 比较器2与比较器3的电路结构Fig.3 CircuitstructureofC

13、omparator2andComparatoroutdt解微分方程,并由初始时Vout=0可得m1Vinexp(-)+gm5-gm7+go1Gm1Vingm5-gm7+go11其中, =gm5-gm7+go1。 Vout=-当 >0,即gm5+go1>gm7时,电路是一个指数建立过程,建立时间常数为 , 值越小,比较器2、3工作速度越快。由该式也可得到电路的直流电压增益为Av0=而极点为m5m701C1那么,该电路的增益带宽积为 P=GBW=Av0P=m1C1m1gm5-gm7-go1图4 小信号模型Fig.4 Small signalmodel图4中,Gm1、Gm2分别是M1与M

14、3、M2与M4组成的Cascode结构的等效跨导,忽略衬底调制效应,有Gm1= Gm2=mlo1m3o3gm1ro1(gm3ro3+1)+ro3m2o2m4o4gm2ro2(gm4ro4+1)+ro4go1是M1、M3、M5、M7输出阻抗的并联,go2是M2、M4、M6、M8输出阻抗的并联,即go1= go2=Rout1Rout2+ro5ro7+ro6ro8最终确定比较器2与比较器3的增益均为10,消耗电流分别为100 A、50 A。2.4锁存器结构式中,Rout1、Rout2分别是M1与M3、M2与M4组成的Cascode结构的等效输出阻抗,忽略衬底调制效应,有Rout1=(gm3ro3+1

15、)ro1+ro3 Rout2=(gm4ro4+1)ro2+ro4式中,C1、C2分别是两个输出节点的寄生电容,即C1=CGD3+CDB3+CDB5+CDB7+CGS8+C#GD7C2=CGD4+CDB4+CGS6+CDB8+CGS7+C#GD8图5 锁存器的电路结构图Fig.5 Circuitstructureofthelatch第2期孙 彤等:一种0.2 mV20 MHz600 W比较器273锁存器采用两个反相器首尾互连的结构,如图5所示。当!为低电平时,输入信号In和In与锁存器接通,而锁存器与电源、地相连的开关均断开,锁存器处于感应输入信号阶段;当!为高电平时,输入信号In和In与锁存器

16、断开,而锁存器与电源、地相连的开关接通,锁存器处于正反馈工作阶段,输出信号Out+、Out-与时间呈正指数关系变化,迅速将输入信号锁存。+-+-失调和有20mV输入失调的仿真结果。图中,Vin+与Vin-分别是比较器1的正负输入端信号,Vcomp3%out+与Vcomp3%out-分别是比较器3的正负输出端信号,Vout是latch的输出端信号,Vrst与Vlatch%bar是前置放大器的复位信号和锁存器的锁存信号,分别是高、低电平有效。经历较大输入信号后的恢复能力是比较器的一项重要能力,因此,仿真时在输入信号中加入了0.75V的大信号跳变,然后又恢复到-0.2mV的小信号,本文比较器可以正常

17、工作。在加入20mV输入失调(一般运放的输入失调都在20mV以下)的情况下,前置放大器在复位后的初始状态会变化,但仍然可以在50ns内将小信号放大到锁存器能够有效辨别的电压。经过仿真,确定该比较器的性能如表1所示。表1 比较器仿真性能Table1 Simulatedperformanceofthecomparator参数名称电压精度速度可校准的最大输入失调功耗参数值2.53.3V0.2mV20MHz20mV600 W3 仿真结果本文比较器工作过程依次分为失调校准和比较两个阶段。比较阶段由数个比较周期组成,在每个比较周期初(除了失调校准结束后的第一个比较周期),比较器13在rst信号作用下进行复

18、位操作;在每个比较周期末,锁存器在latch%bar信号作用下将放大的信号进行锁存。本文比较器使用Hspice进行瞬态仿真,设定Vcm=1.25V,Vin每50ns变化一次,从0ns到250ns分别为1.25V、1.2502V、1.2498V、2V、1.2498V,其中,050ns期间,比较器处于失调校准阶段,之后每个比较周期为50ns(包括rst与latch%bar信号)。图6、图7分别是比较器无输入4 版图设计本文比较器使用UMC0.18 m混合模式3.3VCMOS工艺设计。在版图布局中,注意了对称性,每级前置放大器的管子都采用共中心的布局方法,前置放大器与锁存器分别放在两个保护环内,防止

19、锁存器中的信号跳变对前置放大器产生干扰。总体电路版图如图8所示,其中,本文设计的比较器部分面积为620 m 190 m,加上其他控制、测试部分以及pad的整个版图面积为1270 m 770 m。图6 无输入失调时的仿真结果Fig.6 Simulationresultswithoutinputoffset图8 总体电路版图图7 存在20mV输入失调时的仿真结果Fig.7 Simulationresultswith20mVinputoffsetFig.8 Layoutoftheentirecircuit(下转第278页)278谢正旺等:一种基于2 m互补双极CMOS工艺的低压降调整器2007年5

20、结束语电路设计中,输出管采用高增益的纵向PNP管,接法为共射方式,可有效降低输入输出压差。制作工艺采用标准CBC2012工艺的一个分支。该方案仅在标准CBC2012工艺中减少了PMOS管阈值电压调整的光刻和注入工艺,并没有热工艺的增减,且该方案对工艺本身无其他特殊要求。版图上插入标准的CBC2012PCM,可实现器件参数的工艺控制检测。对实际电路芯片进行了测试,并与国外对应产品的参数进行了比较。结果显示,该低压差线性调整器符合设计要求,可以广泛应用。参考文献:1MullerRS.DeviceelectronicsforintegratedcircuitM.3rdEd.Beijing:Publi

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23、4.许云,廖良,李荣强.一种高精度低压差电压调整器J.微电子学,2006,36(6):.456782作者简介:谢正旺(1982-),男(汉族),湖北武汉人,硕士研究生,主要研究方向为互补双极CMOS器件及工艺。comparatorforuseinapipelineADCA.IEEEAsiaPacificConfCircandSystC.Seoul,Korea.1996.413 416.4SumanenL,WaltariM,HakkarainenV,etal.CMOSdynamiccomparatorsforpipelineA/DconvertersA.IEEEIntSympCircandSys

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