1、 前语
在任何一个高速高分辨率的模数转换器中，高精度和快速比较器总是起着至关重要的效果。与其它品种的ADC比较，流水线ADC 有着高速、高分辨率的特色。因而，它在电子体系中，有着广泛的运用。流水线ADC由许多子FLASHADC 构成。流水线ADC 的特性中，特别是速度，功耗和失调电压对整个电路有着很重要的影响。合适流水线的动态比较器首要有三种：电阻分压比较器、差分比较器和电容差分比较器。可是他们或许耗费过多的功耗和较大的失调电压。因而，前置运放锁存比较器的优势体现在3.5 位的子FLASHADC 或许更高分辨率的子FLASHADC 中。在考虑上面提及的要素后，本文给出了时间推迟、失调电压和比较器的踢回噪声的理论剖析，并依据此剖析，规划和优化了比较器电路。
2、 预扩大锁存比较器的作业原理
前置增益运放锁存比较器的原理是前置增益运放扩大输入信号，被扩大后的信号输入到锁存比较器，终究信号经过一个一般的RS 触发器，得到终究比较成果。这种结构结合了前置增益运放对输入信号负指数呼应和锁存比较器对输入信号正指数呼应的长处。因而前置增益运放锁存比较器与其它锁存比较器比较，有较小的传输的推迟。锁存比较器的失调电压除以预扩大器的增益后折算到运放的输入端。因而，前置增益运放比较器的失调电压首要来自于预扩大器。经过前置增益运放比较器输入端的踢回噪声，在信号的比较阶段混杂了输入信号。没有阻隔电路或许导致采样电路的不安稳性和不精确的比较成果。因而在锁存比较器输入端和前置增益运放的输出端在之间需求一个阻隔电路。
3、 电路的结构
图1 给出了前置增益运放锁存器的电路结构。前置增益运放有两个差分对，别离由NM2，NM3，NM4 和NM5 组成。PM1，PM2，PM3，PM4 穿插相连构成一个正反馈回路，而且增大了前置扩大器的增益。NM9，NM10，NM11，PM6，PM11 是开关。电路的作业流程为：当Clk 为低的时分，锁存比较器被复位，与此一起，Clk1 为高，锁存比较器能够接收到前置增益运放的扩大的信号。加载在NM2 和NM3 栅上的差分输入信号，别离NM4 与NM5 栅上正相基准电平缓负相基准电平比较较。两头各自产生的差分电流，流过共栅级后，差分负载迫使它流过接在输出两头的电阻R1，产生一个电压差（Vout+—Vout-），送到锁存比较器的输入端。当Clk 为高电平是，锁存比较器开端作业，差值（Vout+—Vout-）被交织衔接的正反馈回路扩大，直至安稳，一直到低电平的Clk 的到来。
（a） 前置增益运放
（b） 锁存比较器
图1 前置增益锁存比较器
3.1 前置增益运放锁存比较器的失调电压
前置增益运放锁存比较器结构由带正反馈的前置增益运放和锁存比较器组成，所以比较器的失调电压首要由前置增益运放和锁存比较器的失调电压组成。前置运放扩大了的差分信号用来动身锁存比较器，而且电路的正反馈提高了比较器的速度，增益也提高了。前置运放的失调电压Vos1 首要是因为NM2，NM3，NM4 和NM5 的不匹配形成的。依据文献［3］的剖析办法，能够得到这样的式子［3］［4］，
公式（1）中，
，
而Vos2 首要由PM7，PM8，PM9，PM10 失配以及PM6 与PM12 关断引进的失配引起的电荷Q 所组成的，表达式为，
因而，整体的失调电压为，
依据公式（5），只需Av 满足的大，那么整个比较器的运放的失调就能够以为首要由前置增益运放的失调电压Vos1 形成的。
在公式（1）~（5）中，Avtn， Avtp， n Ab ， 和p Ab 是与工艺相关的常数，
和
是前置运放负载晶体管的失调电压，
和是输入晶体管的失调电压，因而加大晶体管的面积能够得到较小的失调电压。可是，这种办法将加大地图的面积以及寄生电容，而且也会下降比较器的速度。其实不必增大一切管子的面积，就能够减小比较器的失调电压。依据公式（5），能够增大增益Av 来减小Vos2 对比较器的失调影响。依据公式（1），可选用减小Vos1的办法如下：1）增大Av，用来减小NM2 和NM3 的失配对Vos1 的影响；2）适量的添加NM2 和NM3 的面积，以减小阈值电压的失配对Vos1 的影响。
图2 为比较器的地图。地图的左面为前置运放的地图，右边为锁存比较器的地图。为了减小因为地图的失配带来的比较器的输入电压，前置运放和锁存比较器别离选用对称结构，添加比较器的对称性。
图2 比较器的地图
3.2 踢回噪声
在前置运放的输出端和锁存比较器的输入端之间需求一个阻隔电路来减小踢回噪声［2］。在锁存比较器的两个输入端的晶体管的前面，别离加上一个PMOS管（PM6，PM11）作为开关管，晶体管的共栅电压用来操控信号。因而，踢回噪声对整个前置增益运放锁存比较器的影响就明显的减小了。
3.3 传输推迟时间的改进
有两种办法减小传输比较器的推迟：1）下降前置增益运放的时间常数；2）加大前置增益运放的A（s）［5］［6］。
图3 为前置增益运放的沟通小信号等效模型。依据图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 能够经过作业在深线性区的PMOS 管来替代，表达式为，
依据公式（6）（7），减小R1 能够使得 c t 削减，然后使呼应速度指数添加，可是，一起减小R1，也使得Av（0）变小，然后使得呼应速度线性下降。由此可见，与Av（0）比较， c t 对推迟时间的影响要明显多。因而，在设计时，对Av（0）要有个合理的设置。
4、 模仿仿真与成果剖析
在Cadence Composer 环境，运用Spectre 对本文的比较器进行仿真。时钟的模仿频率为100MHz，电源电压为3.3v，模仿的条件为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-别离为锁存比较器的正负端输出，Vout+和Vout-别离为终究输出的正端和负端。从图4能够看出当Vin+和Vin-的差值小于1/2LSB 时，Vout+和Vout-的电压值产生翻转。图5为图4的部分扩大图，能够看出传输比较器的推迟为680ps。在这种情况下整个电路耗费0.29mw 的功耗。
图4 比较器的仿真波形
图5 图4的部分扩大图
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功能进行总结。从表1中，能够看出与其它比较器比较，前置增益运放动态比较器具有最低的功耗和失调电压。
表1 五种比较器的功能
5 、定论
本文介绍了一种高速电压比较器，选用了前置增益运放锁存比较器。依据仿真成果，比较器在100MHz 的采样频率下耗费0.29mw 的功耗，而且具有6.5mv的低失调电压。因而，此比较器较合适用于流水线ADC。
本文作者的立异点：选用前置增益运放锁存的结构并结合地图，减小了失调电压；添加了阻隔电路，减小了踢回噪声；剖析了前置增益运放，改进了传输推迟时间。
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