張 潔

(中山大學(xué)新華學(xué)院，廣東 廣州 510000)

0 引言

在微電子技術(shù)領(lǐng)域，SOC(集成電路片上集成系統(tǒng))經(jīng)過(guò)長(zhǎng)久的發(fā)展，CMOS工藝也在不斷地進(jìn)步，由于器件尺寸的不斷減小，電源電壓不斷降低，芯片集成度越來(lái)越高。但是功耗卻在不斷地增長(zhǎng)，功耗、速度、精度和面積等指標(biāo)更是衡量高性能芯片的重中之重。所以在集成電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，如何降低芯片的功耗，提高精度，已經(jīng)成為當(dāng)前IC設(shè)計(jì)日漸突出的首要問(wèn)題[1-3]。

1 電路設(shè)計(jì)

本研究的比較器是基于預(yù)放大再生鎖存理論進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用在SAR ADC(逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換)結(jié)構(gòu)的A/D轉(zhuǎn)換電路模塊中。比較器主要分為三大模塊：前置預(yù)放大級(jí)、動(dòng)態(tài)鎖存比較級(jí)和輸出緩沖級(jí)。

整體電路框架契合了SAR ADC低功耗，芯片封裝小的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用的動(dòng)態(tài)正反饋鎖存級(jí)，動(dòng)態(tài)分時(shí)工作的模式有效降低失調(diào)電壓，實(shí)現(xiàn)更低的功耗；設(shè)計(jì)的前置預(yù)放大器，彌補(bǔ)了正反饋鎖存器存在過(guò)大的輸入失調(diào)電壓和回踢噪聲的缺陷，提高比較器的速度和精度；輸出緩沖級(jí)增強(qiáng)了對(duì)后面接入電路的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，并對(duì)輸出信號(hào)的波形進(jìn)行整形。

1.1 前置預(yù)放大器電路的設(shè)計(jì)

前置預(yù)放大級(jí)采用的是全差分結(jié)構(gòu)的單級(jí)放大器，以兩個(gè)交叉耦合的PMOS晶體管和二極管負(fù)載形成正負(fù)電阻負(fù)載的結(jié)構(gòu)，再結(jié)合電路中的共源共柵結(jié)構(gòu)，提供合適的增益和帶寬，滿足速度要求的同時(shí)達(dá)到了精度的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

該放大器采用了基本的差分放大電路結(jié)構(gòu)，如圖1所示。M5和M6的共柵級(jí)結(jié)構(gòu)串聯(lián)在差分輸入對(duì)和輸出之間，形成了一個(gè)巧妙的內(nèi)部隔離電路，結(jié)合差分對(duì)M7，M8對(duì)下一級(jí)鎖存器電路產(chǎn)生的回踢噪聲進(jìn)行多級(jí)的衰減。M10是放大器電路的尾電流管，M9和M10組成一組電流鏡結(jié)構(gòu)，通過(guò)設(shè)置管子的寬長(zhǎng)比為1∶1，等比例把偏置電路提供的電流源，復(fù)制過(guò)來(lái)為放大電路提供工作電流?？紤]到MOS管溝道調(diào)制效應(yīng)和噪聲的影響，電路中電流路徑上的放大管和負(fù)載管的柵長(zhǎng)都設(shè)計(jì)為大于或等于1 μm。

圖1 前置預(yù)放大器電路

為了能夠讓前置預(yù)放大器正常的工作，需設(shè)計(jì)一個(gè)偏置電路，為它提供一個(gè)穩(wěn)定的電流源和偏置電壓。本次設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電流源，只是要讓放大器正常的工作，對(duì)基準(zhǔn)源的精準(zhǔn)度沒有嚴(yán)格的要求，采用以閾值電壓為基準(zhǔn)的自偏置電路。

1.2 動(dòng)態(tài)正反饋鎖存器電路的設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)鎖存比較級(jí)采用的是動(dòng)態(tài)正反饋鎖存的電路結(jié)構(gòu)，以提高比較器的精度，降低整體電路功耗。如圖2所示，其中M9和M10是輸入對(duì)管，M5和M6是外部時(shí)鐘控制的開關(guān)管，M3和M4是電路的復(fù)位管，M1，M2，M7，M8構(gòu)成了交叉耦合反相器形式的正反饋環(huán)路結(jié)構(gòu)。動(dòng)態(tài)正反饋鎖存器的電路也是差分對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，為了減小失調(diào)電壓的影響，在設(shè)計(jì)電路時(shí)就要考慮到MOS管的匹配問(wèn)題[4]，主要是調(diào)節(jié)M9，M10管的寬長(zhǎng)比使其工作在線性區(qū)，并實(shí)現(xiàn)完全匹配。

圖2 動(dòng)態(tài)正反饋鎖存器電路

1.3 輸出緩沖級(jí)電路的設(shè)計(jì)

輸出緩沖級(jí)作為比較器的最后一級(jí)電路，主要是對(duì)上一級(jí)電路輸出的高電平、低電平信號(hào)進(jìn)行整形(電平判決)，提高輸出端負(fù)載驅(qū)動(dòng)的能力，并提升比較器的整體速度[5]。因?yàn)榧?jí)聯(lián)反相器的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳輸速度快，容易設(shè)計(jì)，所以本次設(shè)計(jì)的輸出緩沖級(jí)電路采用的是傳統(tǒng)的反相器級(jí)聯(lián)的電路結(jié)構(gòu)。

2 電路仿真結(jié)果分析

比較器電路的傳輸時(shí)延仿真結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出整體比較器電路的傳輸時(shí)延約為202 ps。相比于單個(gè)鎖存器電路418 ps的延時(shí)時(shí)間，在加入了前置預(yù)放大級(jí)電路和輸出緩沖級(jí)電路后，比較器的速度性能有了明顯的提升。比較器整體功耗的仿真時(shí)，給比較器送入工作時(shí)鐘，在比較器能進(jìn)行正常工作時(shí)，進(jìn)行直流仿真，通過(guò)DC直流掃描電源，直接得到電路的平均功耗。如圖4所示，滿足了本次設(shè)計(jì)任務(wù)的功耗指標(biāo)要求。

圖3 比較器傳輸時(shí)延仿真結(jié)果

圖4 比較器的整體功耗

本設(shè)計(jì)的任務(wù)指標(biāo)分辨率要求小于3 mV，考慮余量后進(jìn)行比較器分辨率為1mV的仿真測(cè)試。在比較器Vref輸入端輸入一個(gè)1 V的直流參考電壓，Vin輸入端輸入一個(gè)分為5個(gè)點(diǎn)，從998 mV到1.002 mV，每個(gè)點(diǎn)間隔1 mV，周期為2 μs的階躍小信號(hào)，對(duì)比較器進(jìn)行瞬態(tài)仿真，設(shè)置結(jié)束時(shí)間為4 μs，仿真精度為高精度，仿真結(jié)果如圖5所示，當(dāng)Vin≤1 V-999.4 mV時(shí)，輸出在垂直坐標(biāo)V1發(fā)生了跳變，當(dāng)Vin≥1.000 4 V-1 V時(shí)，輸出在垂直坐標(biāo)V2發(fā)生了跳變，當(dāng)比較器的輸入相差大于1 mV時(shí)，能夠產(chǎn)生正確的比較結(jié)果，達(dá)到了設(shè)計(jì)任務(wù)要求的分辨率指標(biāo)。

圖5 分辨率仿真結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

本文中前置預(yù)放大器采用全差分單級(jí)放大的結(jié)構(gòu)，把輸入信號(hào)迅速放大加載到鎖存器的輸入端，內(nèi)部帶有隔離電路，可以有效消除回踢噪聲的影響，同時(shí)放大器具有一

定的增益和帶寬保障了比較器的速度和精度。鎖存器主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的判斷比較形成鎖存的作用，采用的是動(dòng)態(tài)正反饋的結(jié)構(gòu)，由時(shí)鐘控制，有效降低失調(diào)電壓，減少電路功耗。輸出緩沖級(jí)電路采用的是反相器推免輸出的結(jié)構(gòu)，其增益最大，能夠提高比較器的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。在2 MHz的工作時(shí)鐘頻率下，分辨率達(dá)到了1 mV，壓擺率為8.9 V/μs，功耗僅為0.3 mW，滿足了任務(wù)指標(biāo)。