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基于0.18 μm CMOS工藝的高精度低功耗比較器電路設(shè)計

2020-12-24 06:30:20
無線互聯(lián)科技 2020年21期
關(guān)鍵詞:存器功耗前置

張 潔

(中山大學新華學院,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)過長久的發(fā)展,CMOS工藝也在不斷地進步,由于器件尺寸的不斷減小,電源電壓不斷降低,芯片集成度越來越高。但是功耗卻在不斷地增長,功耗、速度、精度和面積等指標更是衡量高性能芯片的重中之重。所以在集成電路的設(shè)計過程中,如何降低芯片的功耗,提高精度,已經(jīng)成為當前IC設(shè)計日漸突出的首要問題[1-3]。

1 電路設(shè)計

本研究的比較器是基于預放大再生鎖存理論進行優(yōu)化設(shè)計,應用在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:前置預放大級、動態(tài)鎖存比較級和輸出緩沖級。

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,采用的動態(tài)正反饋鎖存級,動態(tài)分時工作的模式有效降低失調(diào)電壓,實現(xiàn)更低的功耗;設(shè)計的前置預放大器,彌補了正反饋鎖存器存在過大的輸入失調(diào)電壓和回踢噪聲的缺陷,提高比較器的速度和精度;輸出緩沖級增強了對后面接入電路的負載驅(qū)動能力,并對輸出信號的波形進行整形。

1.1 前置預放大器電路的設(shè)計

前置預放大級采用的是全差分結(jié)構(gòu)的單級放大器,以兩個交叉耦合的PMOS晶體管和二極管負載形成正負電阻負載的結(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達到了精度的設(shè)計指標。

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的共柵級結(jié)構(gòu)串聯(lián)在差分輸入對和輸出之間,形成了一個巧妙的內(nèi)部隔離電路,結(jié)合差分對M7,M8對下一級鎖存器電路產(chǎn)生的回踢噪聲進行多級的衰減。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),通過設(shè)置管子的寬長比為1∶1,等比例把偏置電路提供的電流源,復制過來為放大電路提供工作電流??紤]到MOS管溝道調(diào)制效應和噪聲的影響,電路中電流路徑上的放大管和負載管的柵長都設(shè)計為大于或等于1 μm。

圖1 前置預放大器電路

為了能夠讓前置預放大器正常的工作,需設(shè)計一個偏置電路,為它提供一個穩(wěn)定的電流源和偏置電壓。本次設(shè)計的基準電流源,只是要讓放大器正常的工作,對基準源的精準度沒有嚴格的要求,采用以閾值電壓為基準的自偏置電路。

1.2 動態(tài)正反饋鎖存器電路的設(shè)計

動態(tài)鎖存比較級采用的是動態(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是輸入對管,M5和M6是外部時鐘控制的開關(guān)管,M3和M4是電路的復位管,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)。動態(tài)正反饋鎖存器的電路也是差分對稱的結(jié)構(gòu),為了減小失調(diào)電壓的影響,在設(shè)計電路時就要考慮到MOS管的匹配問題[4],主要是調(diào)節(jié)M9,M10管的寬長比使其工作在線性區(qū),并實現(xiàn)完全匹配。

圖2 動態(tài)正反饋鎖存器電路

1.3 輸出緩沖級電路的設(shè)計

輸出緩沖級作為比較器的最后一級電路,主要是對上一級電路輸出的高電平、低電平信號進行整形(電平判決),提高輸出端負載驅(qū)動的能力,并提升比較器的整體速度[5]。因為級聯(lián)反相器的電路結(jié)構(gòu)簡單,傳輸速度快,容易設(shè)計,所以本次設(shè)計的輸出緩沖級電路采用的是傳統(tǒng)的反相器級聯(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延約為202 ps。相比于單個鎖存器電路418 ps的延時時間,在加入了前置預放大級電路和輸出緩沖級電路后,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,給比較器送入工作時鐘,在比較器能進行正常工作時,進行直流仿真,通過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)計任務(wù)的功耗指標要求。

圖3 比較器傳輸時延仿真結(jié)果

圖4 比較器的整體功耗

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

圖5 分辨率仿真結(jié)果

3 結(jié)語

本文中前置預放大器采用全差分單級放大的結(jié)構(gòu),把輸入信號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。鎖存器主要是實現(xiàn)對輸入信號的判斷比較形成鎖存的作用,采用的是動態(tài)正反饋的結(jié)構(gòu),由時鐘控制,有效降低失調(diào)電壓,減少電路功耗。輸出緩沖級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載驅(qū)動能力。在2 MHz的工作時鐘頻率下,分辨率達到了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。

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