ADC学习—— 电压比较器

Posted 2021-10-17 夏风喃喃

ADC学习（3）—— 电压比较器

参考：Boris Murmann Stanford University

文章目录

• ADC学习（3）—— 电压比较器
• • 一. 电压比较器概述
  • 二. 高增益实现
  • • 2.1 开环放大器级联
    • 2.2 再生锁存器
    • 2.3 锁存器的offset
    • 2.4 Kickback
  • 三. 其他设计考虑
  • • 3.1 过驱动恢复
    • 3.2 亚稳态
  • 四. 六种参考设计

一. 电压比较器概述

理想的电压比较器比较输入模拟电压与参考电压之间的差值，并通过无穷增益的放大器输出数字的0或1信号。

电压比较器的输入并不是时间连续的，仅在采样后的时间内对采样的信号进行电压比较。所以我们关注的是采样数据输入的情况，如上图中的第一种情况。

二. 高增益实现

主要有两种实现高增益放大器的方法：

1. 多级放大器：电阻负载的差分对级联
2. 正反馈再生锁存器：交叉耦合反相器

2.1 开环放大器级联

一般采用三级开环差分放大器级联。

三级联的积分器的输出电压计算公式如上图所示。积分器级联比电阻负载级联实现更快的放大。

2.2 再生锁存器

使用交叉耦合锁存器比级联放大器/积分器作为电压比较器更快。

一般还需要在再生锁存器前面加一级预放大。它起到上图所示的一些作用。下面是一些具体的电路拓扑结构，主要有三种。

2.3 锁存器的offset

锁存器由于晶体管或负载电容失配存在静态或动态offset。

当存在预放大级时，也会存在输入参考offset。

以上有一些解决offset的方法，重点有粗offset调谐。

粗offset调谐使用电容非平衡来调谐offset。

2.4 Kickback

由于寄生电容的存在，会产生不想要的信号反馈，即kickback。

面对kickback的迁移，可以使用额外的开关来隔断。

三. 其他设计考虑

3.1 过驱动恢复

考虑一个非常大的输入，然后对比较器输入极性相反的非常小的输入。可以通过上图的测试来评估过驱动恢复。

3.2 亚稳态

上图显示了将给定差分锁存器输入重生为全逻辑摆幅所需的时间。从图中可以看出，当比较器输入越小，比较输出所用的时间越长。时钟周期结束时，没有明确的逻辑决策，这被称为进入亚稳态。之后的逻辑门将进入难以预测的不稳定状态，因此将此结果归类为错误。在以下分析中，将尝试估计亚稳态发生的概率。

进入亚稳态的概率，由上图中的公式计算。

四. 六种参考设计

最经典的结构可以参考比较器示例(3)，即Schinkel结构，以及带校准的示例(4)。