摘 要： 提出了一種應用于開關電容流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的CMOS預放大鎖存比較器。比較器采用了交叉耦合負載、PMOS/NMOS比例優(yōu)化和電容中和技術。該結(jié)構(gòu)大幅提高了比較器的速度并有效抑制了回饋噪聲，減小了失調(diào)電壓，可以作為Flash ADC應用于高精度開關電容流水線ADC。
關鍵詞： 預放大鎖存比較器；開關電容流水線ADC

流水線型A/D轉(zhuǎn)換器因其在功耗、精度上的優(yōu)勢而廣泛應用于視頻處理、數(shù)字通信、數(shù)據(jù)采集、超聲和醫(yī)學成像等應用領域。比較器作為A/D轉(zhuǎn)換器中的關鍵模塊，已經(jīng)成為決定A/D轉(zhuǎn)換器各項關鍵指標的重要因素之一。預放大鎖存比較器因為其精度、速度上的折中，以及較低的失調(diào)電壓與回饋噪聲，成為高精度子ADC中必不可少的一部分。
目前多數(shù)40 MHz～50 MHz CMOS預放大鎖存比較器都是采用0.18 μm或0.35 μm的工藝進行設計。采用0.18 μm工藝設計的預放大鎖存比較器，其時延比較短，輸入失調(diào)電壓約在10 mV～30 mV之間，靈敏度在0.2 mV～0.3 mV，分辨率為6 bit～8 bit[1]。采用0.35 μm/3.3 V或2.5 V硅CMOS工藝設計的比較器，時延一般在230 ps～390 ps之間，失調(diào)電壓6.8 mV，回饋噪聲的毛刺峰值為6.35 mV[2-3]。為了平衡這些參數(shù)值之間的優(yōu)劣，許多研究在預放大器輸入、增益和輸出等電路結(jié)構(gòu)以及回饋噪聲的隔離上進行了設計[2]。如采用交叉耦合負載、多級預放大的方式來提升預放大器的增益[3]，則可減少失調(diào)，從而獲得較好的精度。應用電容中和、電路隔離等方式來降低回饋噪聲[3]。本文對所設計的預放大鎖存比較器延遲時間進行了詳細的理論建模和分析，在此基礎上著重對鎖存器的延遲時間、失調(diào)電壓和回饋噪聲進行了優(yōu)化設計。
1 電路時序及原理
根據(jù)所應用的流水線工作原理可知，奇數(shù)級中的比較器必須在偶數(shù)級進入保持階段前輸出比較結(jié)果，以便控制偶數(shù)級產(chǎn)生保持所需要的電壓余量，整個電路在兩相不交疊時鐘控制下工作。本文設計的流水線采樣頻率為50 MHz，時鐘周期為20 ns，其中φ1、φ2為開關電容電路的非交疊時鐘，為了減少電荷注入效應(饋通效應)，同時需要φ1a、φ2a作為提前關斷時鐘。當φ1為高電平時，偶數(shù)級MDAC進入保持階段，因此比較器必須在φ2a下降沿與φ1上升沿的時間內(nèi)完成比較并輸出比較結(jié)果。本文中的非重疊時鐘，其中φ1、φ2的非重疊時間及φ2a的下降沿提前時間均為0.3 ns，故比較器最大延遲時間為0.6 ns。
圖1為所設計預放大鎖存比較器的開關電容輸入電路，當φ1為高電平時，開關管S2、S3導通，固定判決電平Vrefp、Vrefn輸入開關電容電路，進行電荷存儲，其中Vcm為共模電平。當φ2為高電平時，開關管S1、S4導通，Vinp、Vinn輸入開關電容電路，產(chǎn)生預放大鎖存比較器所需差值輸入電壓。根據(jù)電荷守恒定律可得，預放大鎖存比較器的輸入電壓為：

3 仿真結(jié)果及分析

本文采用TSMC 0.35 μm/3.3 V工藝設計了預放大鎖存比較器核心電路。在Cadence環(huán)境下采用spectre對其進行仿真，時鐘頻率為50 MHz，電源電壓為3.3 V，共模電壓為1.65 Ｖ。
圖5(a)、(b)是M12～M15兩個交叉耦合反相器PMOS、NMOS管寬度比值k不同時，預放大器鎖存比較器鎖存延遲時間仿真結(jié)果。其中，Vo1為點線，Vo2為虛線，φ2a為實線。從圖中可以看出，當k=1時，鎖存器的延遲時間tp=370.4 ps；當k=3時，鎖存器的延遲時間tp=452.8 ps，二者相比，前者明顯減小了18%左右。最終整體仿真結(jié)果表明比較器的總延遲時間約為388tp ps。