流水线ADC中高速比较器的设计和分析

3.3 传输延迟时间的改善

有两种方法减小传输比较器的延迟：1）降低前置增益运放的时间常数；2）加大前置增益运放的A(s)。

图3 为前置增益运放的交流小信号等效模型。根据图3，可得到等式(6)，(7)





图3 前置增益运放的小信号等效模型

在上面的式子中，Av(0)为前置增益运放的直流小信号增益，Rout 是运放的等效输出阻抗， c t 为时间常数。R1 可以通过工作在深线性区的PMOS 管来代替，表达式为，



根据公式(6)(7)，减小R1 可以使得 c t 减少，从而使响应速度指数增加，但是，同时减小R1，也使得Av(0)变小，从而使得响应速度线性下降。由此可见，与Av(0)相比， c t 对延迟时间的影响要显著多。因此，在设计时，对Av(0)要有个合理的设置。

4 模拟仿真与结果分析

在Cadence Composer 环境，使用Spectre 对本文的比较器进行仿真。时钟的模拟频率为100MHz，电源电压为3.3v，模拟的条件为Typical。

在图4 中，Vin+和Vin-为差分三角波信号，频率为2.5MHz，峰-峰值为1.455v"1.855v。Vref+和Vref-为差分直流信号，它们的差值为31.25mv，4 位子FlashADC 的1/2LSB。信号的共模电压为1.65v。V+和V-分别为锁存比较器的正负端输出，Vout+和Vout-分别为最终输出的正端和负端。从图4可以看出当Vin+和Vin-的差值小于1/2LSB 时，Vout+和Vout-的电压值发生翻转。图5为图4的局部放大图，可以看出传输比较器的延迟为680ps。在这种情况下整个电路消耗0.29mw 的功耗。



图4 比较器的仿真波形



图5 图4的局部放大图

表1 中，前置增益动态比较器，电阻分配比较器（0.35um 和0.5um）、差分对比较器和电荷分配型比较器的性能进行总结。从表1中，可以看出与其它比较器相比，前置增益运放动态比较器拥有最低的功耗和失调电压。
表1 五种比较器的性能



5 结论

本文介绍了一种高速电压比较器，采用了前置增益运放锁存比较器。根据仿真结果，比较器在100MHz 的采样频率下消耗0.29mw 的功耗，并且具有6.5mv的低失调电压。因此，此比较器较适合用于流水线ADC。

本文作者的创新点：采用前置增益运放锁存的结构并结合版图，减小了失调电压；增加了隔离电路，减小了踢回噪声；分析了前置增益运放，改善了传输延迟时间。