比较器 2 与比较器1 的结构基本相同,差别只是在第一级运放的输入和输出之间加入了 开关。当控制时钟为低电平时,比较器输出与异端输入端接,进行失调校准。 假设开关 S1,S2注入到电容上的电荷失配量为△Q ,C1=C2=C,则剩余的输入失调 / OS V ∝ ΔQ C 由此可见,增大C 可以减小剩余失调电压,但是,增大C 会延长复位和输出建立时间, 而且会增大面积,于是我们折中考虑,选取C=544.5fF[5]。这一级放大器的增益为13。
2.3 第三级比较器的结构
该级比较器仍是由两级运放构成。第一级运pfc电感器放通过采用栅极交叉的弱正反馈结构、优化 管子的宽长比,提高了原有电路的增益,但其代价是减小了带宽。本级放大器的增益为730。 第二级运放使用镜像电路形成单端输出。
3 结果分析
3.1 整体仿真
本文所论及的比较器采用 SIMC 0.25μm CMOS 工艺模型,选取电源电压为2.5V,时钟 周期为250ns,并且使用Hspice 进行瞬态仿真。设定Vref=1.25V,Vin 每50ns 变化一次,分别为1.2498V,1.2502V,1.25V,1.2502V,1.2498V,其中当0~50ns 时钟为高电平时,比 较器处于失调校准阶段。仿真图4:
3.2 功耗分析
整个比较器的瞬态电流值见图 5,由图可知,在时钟信号跳变时,会给瞬态电流一个较 大的冲击,因此降低时钟的转换速率可降低功耗。同时功耗是电压和电流的乘积,降低电源 电压也能达到降低功耗的目的。综合考虑,本设计采用占空比为1/5、周期为250ns 的时钟 信号和2.5V 的电源电压。另外,本设计结构简单,减少了有效MOS 管的数量,这也是降 低功耗的又一大因素。通过使用 Cadence 的计算工具的到平均电流为3.23μA,功耗为8μW。
4 结论
本文作者的创新点是,将六级比较器级联,其中前三级是带有栅极交叉正反馈的两级运 算放大器,将信号迅速放大,缩短建立时间;整个电路结构简单,所占面积小;经过综合考 大电流电感生产厂家虑,本设计采用了周期为250ns 的时钟信号和2.5V 的电源电压,大幅度的减低功耗;引入 了输入失调校准(IOS)、输出失调校准(OOS)混合的校准技术和自清零技术,提高比较 器精度。该比较器满足嵌入式10bit 逐次逼近A/D 转换器高精度、中速、低功耗的性能要求。
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