徐韋佳，施 琴，田俊杰，李延標(biāo)

(解放軍理工大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京 211101)

一種應(yīng)用于10位SAR ADC的高精度比較器電路設(shè)計

徐韋佳，施 琴，田俊杰，李延標(biāo)

(解放軍理工大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京 211101)

提出一種應(yīng)用于10位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(SAR ADC)的高精度比較器，具有精度高、功耗低的特點。該比較器采用差分結(jié)構(gòu)的前置放大電路，提高輸入信號的精度，其自身隔離效果減小了鎖存器的回踢噪聲和失調(diào)電壓。動態(tài)鎖存電路采用兩級正反饋，有效提高比較器的響應(yīng)速度。輸出緩沖級電路增強輸出級的驅(qū)動能力，調(diào)整輸出波形。該比較器電路采用SMIC 65 nm CMOS工藝技術(shù)實現(xiàn)，使用Cadence公司Spectre系列軟件對進行仿真，設(shè)置工作電壓2.5 V，采樣頻率2 MHz，仿真結(jié)果表明，比較器的分辨率是0.542 5 mV，精度達到11位，失調(diào)電壓為1.405 μV，靜態(tài)功耗為63 μW，已成功應(yīng)用于10位SAR ADC。

SAR ADC；高精度；比較器

0 引言

隨著集成電路的發(fā)展，數(shù)字通信得到了廣泛應(yīng)用，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter, ADC)作為實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，得到了快速發(fā)展[1]。在諸多不同結(jié)構(gòu)的ADC類型中，逐次逼近型ADC(Successive Approximation Analog-to-Digital Converter, SAR ADC)具有面積小、功耗低、精度相對較高、輸出數(shù)據(jù)無延遲的特點，廣泛應(yīng)用在消費電子、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域。而高精度比較器作為高性能SAR ADC的核心器件，其精度對ADC的性能起著至關(guān)重要的作用。因此，要實現(xiàn)高性能ADC，比較器的精度是關(guān)鍵。

當(dāng)前對比較器的研究主要包括多級開環(huán)比較器、開關(guān)電容比較器、動態(tài)鎖存再生比較器等。多級開環(huán)比較器具有較高的速度和精度，但是由于受到多級放大器的帶寬限制，速度難以提升[2]；開關(guān)電容比較器可以采用失調(diào)消除技術(shù)消除失調(diào)電壓，提高精度，但是存在較為嚴(yán)重的電荷注入和時鐘饋通效應(yīng)，增加了設(shè)計難度；動態(tài)鎖存比較器的響應(yīng)速度快，但是回踢噪聲和失調(diào)電壓都比較大，不適用于高精度系統(tǒng)。因此，本文提出一種應(yīng)用于10位SAR ADC的高精度比較器，采用前置差分預(yù)放大電路、兩級正反饋Latch鎖存判斷電路和輸出緩沖電路的結(jié)構(gòu)，工作在2 MHz時鐘頻率下，失調(diào)電壓低、回踢噪聲小，精度達到11位，具有高精度、低功耗的特點，可以實現(xiàn)10位高性能SAR ADC的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

1 比較器結(jié)構(gòu)的選取

比較器主要分為放大器結(jié)構(gòu)的靜態(tài)比較器和通過時鐘觸發(fā)工作的動態(tài)比較器。前者主要用于傳統(tǒng)的連續(xù)時間電路，而后者廣泛應(yīng)用于開關(guān)電容電路。忽略漏電流的因素，動態(tài)比較器由于速度快、靜態(tài)功耗幾乎為零，多用于ADC系統(tǒng)中。然而，動態(tài)比較器由于較大的失調(diào)電壓和回踢噪聲，限制了分辨率的提高。

Latch鎖存器作為動態(tài)比較器中的重要組成部分，溝道長度越短，輸入信號越大，鎖存器響應(yīng)越快[3]。因此，為了提高響應(yīng)速度，在鎖存器前，前置一級差分放大電路，預(yù)先放大待比較信號，能夠提高Latch的響應(yīng)速度[3]。同時，差分結(jié)構(gòu)可以去除誤差信號成分，有效減少由直流失調(diào)電壓、開關(guān)的時鐘饋通效應(yīng)、電荷注入效應(yīng)而引起的誤差。由于預(yù)放大電路內(nèi)部和輸出端加載隔離電路，使得其輸出信號多次衰減后到達信號的輸入端，能夠有效減小回踢噪聲對預(yù)放大電路輸入端信號的影響。預(yù)放大鎖存器的失調(diào)電壓與正反饋鎖存器相比較，有實質(zhì)性降低。正反饋鎖存器的失調(diào)電壓通過預(yù)放大級，對輸入管的貢獻大幅度下降。因此，預(yù)放大鎖存器的失調(diào)電壓主要取決于預(yù)放大電路的失調(diào)。

一般傳統(tǒng)的放大器的單位增益帶寬為常數(shù)[4]。為了滿足高精度的要求，前置預(yù)放大器的設(shè)計原則是高增益小帶寬，然而過高的精度會降低比較器的速度[5]。因此，要為前置預(yù)放大電路選取合適的增益。

綜上所述，如圖1所示，Vip和Vin分別是差分對的兩個輸入信號，采用前置差分預(yù)放大電路作為比較器信號輸入端，兼顧精度和速度的要求，其隔離電路減小了Latch正反饋產(chǎn)生的回踢噪聲以及失調(diào)電壓；Δu1和Δu2作為鎖存電路的輸入，Latch鎖存電路采用二級正反饋來提高比較器的響應(yīng)速度，小尺寸的MOS管可以減小傳輸延時；鎖存器輸出的高低電平VA和VB輸入給緩沖級，輸出級采用反相器級聯(lián)，調(diào)整波形，減小延時，增加驅(qū)動能力，最終輸出Vout1和Vout2兩個高低電平。

圖1 比較器電路結(jié)構(gòu)原理圖

2 比較器具體電路設(shè)計

2.1 前置差分預(yù)放大電路

比較器的第一級采用的是前置差分預(yù)放大電路，如圖2所示。NMOS管M1和M2分別作為差分放大器的信號輸入端，Vip和Vin是兩個待比較的輸入信號。晶體管M15、M17和M21具有復(fù)位功能，當(dāng)時鐘信號為低電平時，將當(dāng)前輸出清為零。PMOS管M16和M18充當(dāng)濾波電容，提高預(yù)放大電路的精度。尾電流由開關(guān)信號控制，當(dāng)開關(guān)信號為低電平時，尾電流被關(guān)閉，比較器處于低功耗模式[6]。

圖2 前置差分預(yù)放大電路

預(yù)放大器電路通過放大兩個差分輸入信號Vip和Vin，從而提高比較器的精度，降低比較器的設(shè)計難度。PMOS管M5和M6組成PMOS鎖存電路。這是因為比較器需要具有鎖存功能的放大電路。當(dāng)信號輸入，經(jīng)過前置差分放大器的放大后，輸入信號被鎖存，并成為輸出結(jié)果。此時，下一級的鎖存電路不工作。在時鐘信號的作用下，前置差分放大器停止工作，下一級的鎖存電路在接收到上一級放大電路的輸出結(jié)果后開始工作，并最終輸出結(jié)果。

該前置放大電路有兩條反饋路徑。第一條反饋路徑是晶體管M1和M2形成的電流負(fù)反饋。第二條反饋是晶體管M5、M6的柵漏極連接的電壓正反饋。當(dāng)正反饋系數(shù)小于負(fù)反饋系數(shù)時，整個電路將呈現(xiàn)負(fù)反饋，同時也失去了遲滯效應(yīng)(如果實現(xiàn)反饋補償，則成為傳統(tǒng)的運算放大器)。否則，整個電路會呈現(xiàn)正反饋，產(chǎn)生遲滯效應(yīng)，能夠有效地過濾掉輸入噪聲[4]。這時：

如果β5/β3<1，則傳輸函數(shù)中沒有延時；

如果β5/β3>1，則遲滯出現(xiàn)。

其中，β=(W/L)·K_(n·p)。

通過設(shè)置M3的寬長比大于M5，將該結(jié)構(gòu)作為比較器的輸入級，起放大作用，而非遲滯作用。

為了減少比較器設(shè)計的難度，在預(yù)放大級必須有一個大的增益。但是寬的帶寬和大的增益是矛盾的，它們之間必須有一個折衷。

前置放大器級的增益可以表示為：

A=-gmM1R=-gmM1(gmM3-gmM5)

(1)

單位增益帶寬表示為：

GBW=gmM1/C

(2)

gmM1，gmM3，gmM5分別是晶體管M1、M3和M5的跨導(dǎo)，C是前置差分放大電路的等效輸出電容。由方程(1)、(2)可知，通過調(diào)整M1和M2的器件尺寸，可以使前置放大器獲得適當(dāng)?shù)脑鲆婧蛶挕?/p>

2.2 兩級正反饋鎖存電路

圖3 兩級正反饋鎖存電路

比較器的第二級采用的是兩級正反饋Latch鎖存電路，如圖3所示。PMOS管M26和M27構(gòu)成PMOS鎖存器，NMOS管M24和M25構(gòu)成NMOS鎖存器。兩級鎖存加速了正反饋響應(yīng)，使得輸入信號Δu1和Δu2快速進行比較，形成高、低水平輸出。

鎖存階段有兩種工作模式，分別是復(fù)位和再生[7]。在復(fù)位模式，尾電流源M32關(guān)閉以降低功耗，此時開關(guān)M30和M31導(dǎo)通，使鎖存器輸出VA、VB兩個高電平。開關(guān)M28和M29導(dǎo)通，使上一次輸出迅速復(fù)位，準(zhǔn)備接下來的比較。在再生模式，開關(guān)M30、M31、M28和M29都截止。M26和M27的漏極電壓拉至電源電壓AVDD，加大鎖存器中的電流差，并且提高增益。通過兩個正反饋回路，輸入的電壓差Δu1和Δu2進行迅速比較，比較結(jié)果保持在鎖存器中，直到重新開始復(fù)位模式。

在這個設(shè)計中，兩個正反饋回路的結(jié)構(gòu)，使鎖存階段有較大的增益、更快的再生和復(fù)位速度。鎖存器的常數(shù)時間主要取決于通道長度。因此，采用了兩對小尺寸的交叉耦合晶體管。通過調(diào)整輸入對管的寬度，以確保載流子的流動性[8-9]。增加晶體管M22、M23的寬長比，這樣在再生模式，就會有足夠的電流來驅(qū)動鎖存器迅速建立，減少響應(yīng)時間。

2.3 輸出緩沖級電路

圖4 輸出緩沖級電路

比較器的第三級是輸出緩沖級電路，如圖4所示。輸出緩沖級電路將鎖存器輸出的高低電平轉(zhuǎn)換成邏輯電平，用于匹配數(shù)字電路。輸出緩沖級由兩級反相器組成。由于前一級輸出電平未達到標(biāo)準(zhǔn)電平或波形不理想，兩個反相器級聯(lián)可以用于波形整形。同時增加了驅(qū)動能力，并降低了傳輸延遲。

3 電路仿真與分析

在SMIC 65 nm CMOS工藝下，設(shè)置電源電壓為2.5 V，采樣率為2 MHz，使用Cadence公司Spectre系列軟件對設(shè)計的電路進行仿真。

3.1 前置差分預(yù)放大電路仿真

圖5 前置差分放大器的頻率特性曲線

圖5是前置差分放大器的頻率特性曲線。設(shè)置共模電平為1.25 V，輸入差分信號分別為0.5 V和 -0.5 V。仿真結(jié)果表明，前置放大器的電壓增益為19.55 dB，-3 dB帶寬約738.9 MHz。

3.2 鎖存器瞬態(tài)響應(yīng)仿真

圖6是鎖存器瞬態(tài)響應(yīng)的仿真結(jié)果。共模電壓為1.25 V，復(fù)位信號頻率為20 MHz，當(dāng)鎖存器的輸入差分電壓為1.085 mV時，鎖存器的輸出翻轉(zhuǎn)，此時比較器的輸入電壓差為0.542 5 mV。因此，比較器的最小可分辨電壓為0.542 5 mV，精度達到11位，符合對±0.5 LSB的分辨率要求(0.976 6 mV)[10]。

圖6 鎖存器瞬態(tài)響應(yīng)

圖7 Monte-Carlo方法模擬失調(diào)電壓

3.3 比較器失調(diào)電壓仿真

圖7是比較器失調(diào)電壓的仿真結(jié)果，采用Monte-Carlo方法進行模擬。仿真結(jié)果表明，該比較器的失調(diào)電壓約為1.405 μV，滿足設(shè)計要求。

比較器仿真結(jié)果如表1所示。

表1 比較器性能參數(shù)仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文提出了一種應(yīng)用于10位SAR ADC的高精度CMOS動態(tài)閂鎖電壓比較器，工作于2 MHz采樣時鐘頻率，2.5 V電源電壓，采用SMIC 65 nm工藝實現(xiàn)。采用前置差分預(yù)放大電路、兩級動態(tài)Latch正反饋鎖存電路、輸出緩沖級電路的設(shè)計，達到了要求的性能指標(biāo)。仿真結(jié)果表明，該比較器的輸入失調(diào)電壓為1.405 μV，最小分辨電壓為0.542 5 mV，精度達到了11位，靜態(tài)功耗63 A6CCW，具有較高的分辨率和較低的功耗。目前，該比較器已成功應(yīng)用于10位SAR ADC中。

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Designing a high precision comparator for 10-bit SAR ADC

Xu Weijia，Shi Qin，Tian Junjie，Li Yanbiao

(Institute of Science, PLA University of Science and Technology, Nanjing 211101, China)

A high precision comparator applied to a 10-bit successive approximation analog-to-digital converter (SAR ADC) is presented in this paper. It has the characteristics of high precision and low power dissipation. The differential structure of the preamplifier circuit improves the accuracy of the input signal, and its isolation effect reduces the effect of kickback noise and latch offset voltage. Two level dynamic latch circuit effectively improves the speed of comparator. Output buffer circuit increases the drive ability of the output stage and adjusts the output waveform. SMIC 65 nm CMOS process technology is used to realize the comparator circuit. Cadence series software Spectre is used to design the circuit simulation at the voltage supply of 2.5 V and sampling frequency of 2 MHz. The simulation results show that the resolution of the precision comparator is 0.542 5 mV, accuracy is 11 bit, offset voltage is 1.405 μV and static power dissipation is 63 μW.

SAR ADC; high precision; comparator

TN432

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.04.010

徐韋佳，施琴，田俊杰，等.一種應(yīng)用于10位SAR ADC的高精度比較器電路設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2017,36(4)：32-35.

2016-08-31)

徐韋佳(1989-)，女，碩士研究生，助教，主要研究方向：集成電路設(shè)計。

施琴(1971-)，女，碩士，副教授，主要研究方向：集成電路與系統(tǒng)。

田俊杰(1966-)，男，碩士，副教授，主要研究方向：現(xiàn)代電子技術(shù)。