一种高性能的cmos电压比较器设计

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1、.一种高性能的CMOS电压比较器设计作者：苟欣来源：《电子技术与软件工程》2016年第12期        设计一种高性能的电压比较器，该比较器采用两级放大电路和推挽输出级电路，应用差分放大电路减少共模干扰，应用共源共栅电路减少失调电压，应用推挽输出级电路提高输出驱动能力。在Cadence环境下基于TSMC0.18μmCMOS工艺下完成电压比较器的设计。仿真得到比较器的增益为92.123dB，带宽为10MHz，上升延时为913ps，下降延时为754ps，失调电压为150μV，功耗为0.289mW，版图面积为29.56μm×25.68μ

2、m。它具有高增益、低失调电压、低功耗等特点，可用于高精度测时电路中。        【关键词】电压比较器高增益低功耗失调电压        模拟集成电路中比较器是一个基本模块，广泛应用于模拟信号到数字信号的转换。在A/D转换器中，电压比较器的增益，带宽，功耗，失调电压的特性严重影响整个转换器的转换速度和精度，传统的电压比较器采用多级结构，使用输入失调存储技术（IOS）和输出失调存储技术（OOS）对失调电压进行消除，增加了电路结构的复杂度和功耗，芯片面积也越来越大。但随着应用速度越来越高，功耗要求越来越低，IOS和OOS要求放大器有足够

3、高的增益和带宽，这些因素对于其发展有一定的制约作用。        本文设计的电压比较器电路结构简单，采用了两级放大结构，前级放大采用差分放大电路，利用差分电路抑制共模信号的干扰，提高了共模抑制比，减少了信号中噪声的干扰，第二级放大采用共源共栅电路对失调电压进行了很好的控制，使电路的失调电压达到150μV，输出级采用推挽输出电路提升了输出的驱动能力，整个比较器的功耗非常低，芯片整个面积仅为29.56μm×25.68μm。该比较器设计主要用于高精度时间测量芯片中，通过比较器产生一个低延时的门控信号，对于整个时间测量电路达到一个精准的控制

4、。通过仿真结果得知，该电压比较器满足应用需求。        1电压比较器结构        如图1所示为CMOS电压比较器原理图，该比较器由偏置电路、差分放大器、共源放大器和推挽级输出电路组成。其中，M1管和M2管组成偏置电压电路，为差分放大器和共源放大器提供偏置电压。通过调节M1管和M2管的宽长比，让差分放大器和共源放大器得到合适的工作电流，合理设计差分放大器和共源放大器，主要考虑输入失调电压、输入共模范围、输出信号的增益和带宽的影响，设计出一个性能最优的比较器电路。M10管和M11管组成一个推挽输出级电路，提升输出信号的驱动能力

5、，为了能更好的和其它电路进行协同工作。..        该电压比较器的工作原理如下：是同相输入端，是反相输入端。当输入电压高于时，M3管导通，，M3管和M7管的电流相同，M8管又与M7管为镜像电流关系，M8管导通，使，b点为高电平，c点为低电平，Vo输出高电平。当输入电压低于Vb时，，因此，M4管导通阻抗低，b点为低电平，导致M9管导通，c点为高电平，Vo输出为低电平。        1.1偏置电压电路设计        M1管和M2管组成偏置电路提供M5管和M6管的栅极电位。偏置电路采用PMOS管和NMOS管栅漏极相连，两管子均工

6、作于饱和区，为差分放大器和共源放大器提供恒定的电流源。因此，        1.2差分放大器的设计        差分放大电路的作用有两个：首先对输入信号进行放大，这样就可以对比较级电路的比较时间进行降低，同时把总体延时降到最低；其次是对输入信号差值进行放大，这样就可以把失调电压对整个电路的影响降到最低。高带宽在高速比较器中是一个重要影响因素，高的带宽可以使整个电路的比较时间减少，从而对于比较器的速度进行提高。        负向共模输入电压决定了差分输入对管。负向共模输入电压取决于M5管进入饱和区的条件。负向共模输入电压为。    

7、    M3管、M4管和M5都工作在饱和区，三个管子的阈值电压相等。        考虑到负向共模范围低和电压增益高的要求，取=1.2V，由式（7）可以得到M3管的宽长比。        M3管和M4管是完全对称的输入对管，所以可以得到。        有源负载对管M7和M8由正向共模输入电压决定，正向共模输入电压取决于M3管进入饱和区的条件，则得到：        设计共模输入电压=3V，。I0为差分放大器的工作电流。由式（8）可以得到M7管的宽长比。M8管和M7为对称有源负载对管，所以得到。        差分放大器的放大倍数为：

8、        1.3共源放大器的设计        共源放大器由M6管和M9管组成，M6管为有源负载，M6管与M2管为镜像电流关系，已经确定M6管的宽长比，M9的设计主要考虑共源放大器的放大倍数和输入失调电压的影响。为