基于CMOS的高精度低功耗电压比较器的设计与仿真-开题报告书

z.z.本设计研究背景当前便携式通讯产品、高清视频产品、精细测量仪器和仪表、定位导航系统等领域的快速开展，推动着ADC向高速高分辨率和低功耗的方向开展。现在国际主流的ADC电路构造有快闪ADC，流水线ADC、折叠插ADC等。随着系统芯片的功能越来越复杂，集成度的不断提高，电路规模的不断扩展，芯片的功耗己成为日渐突出的问题。尽管近几年集成电路的供电电压有所下降，但是功耗却增长了近两倍;同时芯片面积的不断减小，导致功率密度更大程度地增长。这直接导致芯片散热设计难度和封装本钱越来越高,进而影响芯片的可靠性。所以，减小芯片功耗对于芯片设计的成败是至关重要的。在诸如笔记本、手机、掌上电脑等手持式便携系统中,采用高功耗的系统芯片势必大大减小电池的使用寿命山。目前，集成电路尺寸己进入到超深亚微米阶段，特征电压也降到1V以下，功耗问题伴随着噪声及短沟道等效凸显出来。虽然芯片电源电压越来越低，但由于电路集成度的不断提高，单位面积芯的功耗越来越高。低功耗、高速度、低噪声等性能要求加大了集成电路设计的难度。特别是在一些便携式电子产品中，如手机、笔记本电脑、掌上游戏机等，低功耗设计芯片电路的重要性能指标之一。深亚微米下短沟道和噪声温度等效应使诸如高线性度、高速、低功耗数据转换器(ADC)等混合信号电路设计难度加大。作为模拟前端重要模块的模数转换器需要工作在较低功耗下以满足嵌入式便携式系统低耗能要求，此类模块广泛应用于手机、PDA,3G无线终端和WLAN中［2］。国外研究现状开展历史关于比较器的研发历史，综合国际和国模数转换器开展的情况来看，其趋势是追求低功耗、高精度高速度、低的传输延迟时间，低输入失调电压及低踢回噪声。比较器构造一般为全差分、可再生式、多级放大的级联形式。比较器前面放置一个缓冲放大器，用来降低回踢噪声。用采样电容可抵消失调误差，但采样电容应尽量小，以提高电路带宽，而且采样电容的下极板应连到管子栅极，上极板连到驱动源。在高速应用时，用瞬时短路法使比较器得到迅速恢复［2］。2006年9月，ADI(AnalogDeviceIncorporation)推出ADCMP60*系列满电源摆幅的比较器，适合于高速，低功耗，R-R摆幅和高精细度应用。该系列比较器可提供多种可编程延迟，从山s到35ns(随机抖动小到2.5psRMS有效值)。ADCMP60*比较器可提供在2.5V〜5.5V电源围完全到达规定的R-R性能。这在低电压应用中非常有利，特别是在前一代快速R-R比较器在低于2.7V的工作电压时会出现死区的情况下［2］。2006年12月，奥地利微电子公司(Austriamicrosystems)推出比较器产品系列AS1970-75。该系列有单路、双路、4路输入可供选择，加上单个比较器输入的功耗低至8.5口人的特性，使这些IC成为了许多电池供电应用的理想解决方案。AS1970-75系列采用十2.5V至+5.5V的单电源供电，非常适用于3V和5V的应用。这些IC能通过两节AA电池驱动，并提供R-R特性，且输入偏置电流仅为1pA。此外，0.5mV的低输入偏置电压和3mV的迟滞加上低功耗特性，使人51970-75系列成为便携式设备电池监测和电池管理应用的理想选择［3］。2007年5月，高性能模拟信号路径产品供应商美国半导体公司(NationalSemiconductorCorporation)宣布推出一款业界最低功率(典型值为21mA)而传播延迟时间不超过1微秒(700ps)的双通道比较器。LMH7322芯片的传播延迟时间只有700ps,而且过驱动假设超过100mV,也只会出现5Ps的散射。此外，这款芯片还设有独立的输入及输出供电引脚，因此可以支持需要进展电平转换的应用。由于这款比较器的典型功耗低至只有21mA,因此最适用于必须节约用电的系统。假设以5V供电操作，LMH7220芯片的传播延迟时间只有2.9ns（典型值），而上升及下降时间同样是0.6ns,所需的供电电流则不超过6.8mA。两款芯片都保证可在摄氏-40度至125度的温度围充分发挥其性能冏。国研究现状关于比较器的研究，很多国期刊均有报道。国目前有五篇关于sub-ADC和比较器设计的学术论文。普秀［3］设计了一种用于10-bit100MSPSPipelinedADC的sub-ADC;高雪莲［4］设计一种低功耗动态比较器，该比较器采用上华公司的2P3M-0.5um-MI*-S工艺，幅员面积约为0.2mm2;时钟频率2MHz，电源电压5V，共模输入1.9V分辨率600uV，平均功耗0.8mW。月梅［5］设计了一种高速低功耗比较器，该比较器应用于8-bit、200MHz采样速率流水线模数转换器中，采用TSMC0.18umDP6MCMOS工艺，失调电压小于0.1V，功耗约0.37mW。修丽梅⑹提出了一种高速低功耗比较器，该比较器采样IBM0.18umDP6CMOS工艺，电源电压1.8V，在20MHz时钟信号下，分辨率到达0.2mV，传输延迟小于25ns，功耗约为0.85mW。宝妮团设计了一种超高速比较器，该比较器采用SMIC0.18umCMOS工艺，电源电压1.8丫，可工作在1.25GHz的时钟频率下，最大失调电压0.6mV，在1丫的输入电压下，可以到达10位的精度。文忠、包兴、素英［8］设计了一个全差分动态比较器，其输入动态围为2V，失调电压降到3.5V，到达了8曲｛精度的要求，同时实现了0.48mW的功耗；王江燕、裴杰［9］采用预充电技术和合理的反响构造设计了一种比较器，该比较器的延时为0.069us，精度为20mV，在5V电源电压下，功耗为0.7765W。综合国外的比较器的开展情况可以看出，高速低功耗设计是比较器开展的一种主流趋势。我国与国外研究水平还存在明显的差距，国外高速低功耗比较器己经研究多年，工艺先进，设计领先［11］。然而，国高速低功耗研究起步较晚，除工艺水平受限以外，设计水平与国外还有很大差距，而且国研究还处于试验研究阶段，没有形成商业化。目前，国高性能比较器主要依靠进口［12］。所以，我国在高速低功耗比较器设计方面还有很大的开展空间，人才缺口较大。电压比较器应用比较器是模数转换器的重要组成局部，也是电子系统中应用较为广泛的电路之一。比较器的性能，尤其是速度、功耗、噪声、失调，对整个模数转换器的速度、精度和功耗都有着至关重要的影响［13］。比较器的设计以开环高增益放大器的设计为根底。这类比较器属于非线性的模拟电路，其输入和输出之间不存在线性关系。比较器的应用程度仅次于放大器的应用程度了［14］。除数模转换器以外，比较器的应用场合很多，可以用于电压监测，电平转换，V/F转换，适用于采样/跟踪保持电路，过零检测，峰值检测和延迟线的检测［15］。当比较器用在一个很大的系统中的时候，既要考虑到它本身的驱动能力也要考虑到它前级电路的带负载能力，要是比较器的输入阻抗、输出阻抗和前级电路的驱动能力相配合。系统级应用包括便携式和电池驱动的系统、扫描仪、机顶盒和高速差分线接收器［16］。比较器概述比较器原理比较器电路的功能是将输入信号和一个参考信号进展比较，并根据比较结果输出二进制信号。比较器被应用于多种模拟电路，特别在模数转换电路中，比较器具有非常重要的作用［17］。图1.1〔a〕和图1.1〔b）分别给出了比较器模型和理想比较器传输曲线。理想情况下，当比较器输入信号Vp>Vn时，即比较器的正、负输入之差为正时，输出高电平VOH；当Vp<Vn时，即比较器的正、负输入之差为负时，输出低电平VOL。比较器在VOH和VOL之间的转换是理想的:输入改变V1引起输出状态改变，而V1趋于零，这意味着z.z.Z.Z.比较器的增益无限大；但实际情况下这样的比较其实不存在的，下面图L1〔~给出了有限增益比较器曲线。VolVonUp—VolVonUp—比较器模型图1.2比较器模型图1.2理想比较器传输曲线图1.1主要性能参数比较器特性包括静态特性和动态特性两个大的方面。静态特性包括比较器的增益、精度、失调电压等。动态特性主要包括小信号和大信号方式。分辨率（resolution〕：分辨率是指能够产生正确的数字输出的最小差分输入信号。比较速度（delay］：比较速度又称传输延迟时间。一般定义为输入鼓励信号与输出数字信号之间的时间差。该参数影响比较器的最高工作频率，并最终影响模数转换器的最高采样频率。摆率（slewrate]:比较器的传输时延随输入幅度的变化而变化，较大的输入将使延时较短。输入电平增大到一个上限时，即使输入电平再增大也无法对时延产生影响时的电压的变化率被称为摆率。回踢噪声（kickbacknoise]:回踢噪声（反冲噪声）是指输出的数字信号对输入模拟信号的反冲，该反冲一般是电荷馈通的结果。输入共模围:是指比较器在这个围，比较器能连续分辨出的输入电压的差值。该特性也是比较器的重要特性之一。响应时间：即比较器的时域特性，响应时间描述了比较器对于差分输入需要多长的响应时间，输入鼓励和输出转换之间的延迟就是比较器的响应时间。比较器的响应时间一般为几个毫秒甚至更少。输出电压摆幅:当比较器的同相输入端更正时，比较器被认为输出正电压。反之，得到负的输出电压。这种特性基于比较器的部电路，一般比较器由部的差分放大器和偏置网络组成，决定了输出摆幅。这个摆幅也受电源电压影响。输入偏移电流:是使输出改变状态的两输入电流差值的绝对值。输入偏置电流:无信号输入时两个输入电流的平均值。差分输入电压围：比较器工作时两个信号输入端允许加的最大电压。参考文献[1]欧阳宏志.电压比较器的学习方法J].电气电子教学学报,2021,33⑷:44〜47[2]毕查德・拉扎维著贵灿等译.模拟CMOS集成电设计[M].：通大学,2003.[3]普秀.适用于l0bit100MSPS流水线ADC的sub-ADC的研究与计[D].硕士学位论文.:电子科技大学,2006[4]高雪莲.一种基于SARADC的低功耗动态比较器研究回.硕士学位论文.：交通大学,2007[5]月梅.低功耗比较器电路研究回.硕士学位论文•:交通大学,2007[6]修丽梅.高速低功耗电压比较器构造设计[D].硕士学位论文•:交通大学,2021[7]宝妮.基于0.18umCMOS工艺的超高速比较器的设计[D].硕士学位论文•:电子科技大学,2021[8]文忠，包兴，素英等.一种低功耗高精度CMOS动态比较器设计及实现J].传感技术学报,2005,18(1):132〜[9]王江燕，裴杰.新型高速高精度CMOS预充电比较器J].电子科技,2021,22(5):31〜33[10]游恒果.高速低功耗比较器设计[D].硕士学位论文•:电子科技大学,2021[11]马奎，丁召，吴宗桂等.高性能CMOS集成电压比较器设计J].现代电子技术,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,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