1、 中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：王泽源学 号：1406034121学 院： 仪器与电子学院专 业： 微电子科学与工程设计题目： 基于 CMOS 的高精度低功耗电压比较器的设计与仿真指导教师: 朱平2017 年 11 月 7 日毕 业 设 计 开 题 报 告1选题依据：1.1 本设计研究背景当前便携式通讯产品、高清视频产品、精密测量仪器和仪表、定位导航系统等领域的快速发展，推动着 ADC 向高速高分辨率和低功耗的方向发展。现在国际主流的 ADC电路结构有快闪 ADC，流水线 ADC、折叠内插 ADC 等。随着系统芯片的功能越来越复杂,集成度的不断提高,电路规模的不断扩展,芯片的功
2、耗己成为日渐突出的问题。尽管近几年集成电路的供电电压有所下降，但是功耗却增长了近两倍;同时芯片面积的不断减小,导致功率密度更大程度地增长。这直接导致芯片散热设计难度和封装成本越来越高,进而影响芯片的可靠性。所以，减小芯片功耗对于芯片设计的成败是至关重要的。在诸如笔记本、手机、掌上电脑等手持式便携系统中,采用高功耗的系统芯片势必大大减小电池的使用寿命 1。目前，集成电路尺寸己进入到超深亚微米阶段，特征电压也降到 1V 以下，功耗问题伴随着噪声及短沟道等效凸显出来。虽然芯片电源电压越来越低，但由于电路集成度的不断提高，单位面积芯的功耗越来越高。低功耗、高速度、低噪声等性能要求加大了集成电路设计的难
3、度。特别是在一些便携式电子产品中，如手机、笔记本电脑、掌上游戏机等，低功耗设计芯片电路的重要性能指标之一。深亚微米下短沟道和噪声温度等效应使诸如高线性度、高速、低功耗数据转换器(ADC)等混合信号电路设计难度加大。作为模拟前端重要模块的模数转换器需要工作在较低功耗下以满足嵌入式便携式系统低耗能要求，此类模块广泛应用于手机、PDA, 3G 无线终端和 WLAN 中 2。1.2 国内外研究现状1.2.1 发展历史关于比较器的研发历史，综合国际和国内模数转换器发展的情况来看，其趋势是追求低功耗、高精度高速度、低的传输延迟时间，低输入失调电压及低踢回噪声。比较器结构一般为全差分、可再生式、多级放大的级
4、联形式。比较器前面放置一个缓冲放大器，用来降低回踢噪声。用采样电容可抵消失调误差，但采样电容应尽量小，以提高电路带宽，而且采样电容的下极板应连到管子栅极，上极板连到驱动源。在高速应用时，用瞬时短路法使比较器得到迅速恢复 2。2006 年 9 月，ADI ( Analog Device Incorporation)推出 ADCMP 60x 系列满电源摆幅的比较器，适合于高速，低功耗，R-R 摆幅和高精密度应用。该系列比较器可提供多种可编程延迟，从 lns 到 35ns(随机抖动小到 2.5ps RMS 有效值)。ADCMP60x 比较器可提供在 2.5V5.5V 电源范围内完全达到规定的 R-R
5、 性能。这在低电压应用中非常有利，特别是在前一代快速 R-R 比较器在低于 2.7V 的工作电压时会出现死区的情况下 2。2006 年 12 月，奥地利微电子公司(Austria micro systems)推出比较器产品系列AS 1970-75。该系列有单路、双路、4 路输入可供选择，加上单个比较器输入的功耗低至 8.5uA 的特性，使这些 IC 成为了许多电池供电应用的理想解决方案。AS1970-75 系列采用+2.5V 至+5.5V 的单电源供电，非常适用于 3V 和 5V 的应用。这些 IC 能通过两节 AA 电池驱动，并提供 R-R 特性，且输入偏置电流仅为 1pA。此外，0.5mV
6、 的低输入偏置电压和 3mV 的迟滞加上低功耗特性，使 AS1970-75 系列成为便携式设备内电池监测和电池管理应用的理想选择 3。2007 年 5 月，高性能模拟信号路径产品供应商美国国家半导体公司(National Semiconductor Corporation)宣布推出一款业界最低功率(典型值为 21 mA)而传播延迟时间不超过 1 微秒(700ps)的双通道比较器。LMH7322 芯片的传播延迟时间只有 700ps，而且过驱动若超过 100mV，也只会出现 5ps 的散射。此外，这款芯片还设有独立的输入及输出供电引脚，因此可以支持需要进行电平转换的应用。由于这款比较器的典型功耗低
7、至只有 21 mA，因此最适用于必须节约用电的系统。若以 5V 供电操作，LMH7220芯片的传播延迟时间只有 2.9ns(典型值)，而上升及下降时间同样是 0.6ns，所需的供电电流则不超过 6.8mA。两款芯片都保证可在摄氏-40 度至 125 度的温度范围内充分发挥其性能 3。1.2.2 国内研究现状关于比较器的研究，很多国内期刊均有报道。国内目前有五篇关于 sub-ADC 和比较器设计的学术论文。杨普秀 3设计了一种用于 10-bit 100MSPS Pipelined ADC 的 sub-ADC;高雪莲 4设计一种低功耗动态比较器，该比较器采用上华公司的 2P3M-0.5um-MIX
8、-COMS 工艺，版图面积约为 0.2mm2;时钟频率 2MHz，电源电压 5V，共模输入 1.9V 分辨率 600uV，平均功耗 0.8mW。李月梅 5设计了一种高速低功耗比较器，该比较器应用于 8-bit、200MHz 采样速率流水线模数转换器中，采用 TSMC 0.18um DP6M CMOS 工艺，失调电压小于 0.1V，功耗约 0.37mW。修丽梅 6提出了一种高速低功耗比较器，该比较器采样 IBM 0.18um DP6 CMOS 工艺，电源电压 1.8V，在 20MHz 时钟信号下，分辨率达到 0.2mV，传输延迟小于 25ns，功耗约为 0.85mW。韩宝妮 7设计了一种超高速比
9、较器，该比较器采用 SMIC 0.18um CMOS 工艺，电源电压 1.8V，可工作在 1.25GHz 的时钟频率下，最大失调电压 0.6mV，在 1V 的输入电压下，可以达到 10 位的精度。张文忠、包兴、姚素英 8设计了一个全差分动态比较器，其输入动态范围为 2V，失调电压降到3.5V，达到了 8bit 精度的要求，同时实现了 0.48mW 的功耗；王江燕、裴杰 9采用预充电技术和合理的反馈结构设计了一种比较器，该比较器的延时为 0.069us，精度为 20mV，在 5V 电源电压下，功耗为 0.7765W。综合国内外的比较器的发展情况可以看出，高速低功耗设计是比较器发展的一种主流趋势。
10、我国与国外研究水平还存在明显的差距，国外高速低功耗比较器己经研究多年，工艺先进，设计领先 11。然而，国内高速低功耗研究起步较晚，除工艺水平受限以外，设计水平与国外还有很大差距，而且国内研究还处于试验研究阶段，没有形成商业化。目前，国内高性能比较器主要依靠进口 12。所以，我国在高速低功耗比较器设计方面还有很大的发展空间，人才缺口较大。1.3 电压比较器应用比较器是模数转换器的重要组成部分，也是电子系统中应用较为广泛的电路之一。比较器的性能，尤其是速度、功耗、噪声、失调，对整个模数转换器的速度、精度和功耗都有着至关重要的影响 13。比较器的设计以开环高增益放大器的设计为基础。这类比较器属于非线
11、性的模拟电路，其输入和输出之间不存在线性关系。比较器的应用程度仅次于放大器的应用程度了 14。除数模转换器以外，比较器的应用场合很多，可以用于电压监测，电平转换，V/F 转换，适用于采样/跟踪保持电路，过零检测，峰值检测和延迟线的检测 15。当比较器用在一个很大的系统中的时候，既要考虑到它本身的驱动能力也要考虑到它前级电路的带负载能力，要是比较器的输入阻抗、输出阻抗和前级电路的驱动能力相配合。系统级应用包括便携式和电池驱动的系统、扫描仪、机顶盒和高速差分线接收器 16。1.4 比较器概述1.4.1 比较器原理比较器电路的功能是将输入信号和一个参考信号进行比较，并根据比较结果输出二进制信号。比较
12、器被应用于多种模拟电路，特别在模数转换电路中，比较器具有非常重要的作用 17。图 1.1（a）和图 1.1（b)分别给出了比较器模型和理想比较器传输曲线。理想情况下，当比较器输入信号 VpVn 时，即比较器的正、负输入之差为正时，输出高电平 VOH；当 VpVn 时，即比较器的正、负输入之差为负时，输出低电平 VOL。比较器在 VOH和 VOL 之间的转换是理想的:输入改变 V1 引起输出状态改变，而 V1 趋于零，这意味着比较器的增益无限大；但实际情况下这样的比较其实不存在的，下面图 1.1（c）给出了有限增益比较器曲线。图 1.1 比较器模型 图 1.2 理想比较器传输曲线图 1.3 有限
13、增益传输比较器曲线1.4.2 主要性能参数比较器特性包括静态特性和动态特性两个大的方面。静态特性包括比较器的增益、精度、失调电压等。动态特性主要包括小信号和大信号方式。分辨率(resolution）:分辨率是指能够产生正确的数字输出的最小差分输入信号。比较速度(delay）:比较速度又称传输延迟时间。一般定义为输入激励信号与输出数字信号之间的时间差。该参数影响比较器的最高工作频率，并最终影响模数转换器的最高采样频率。摆率(slew rate）:比较器的传输时延随输入幅度的变化而变化，较大的输入将使延时较短。输入电平增大到一个上限时，即使输入电平再增大也无法对时延产生影响时的电压的变化率被称为摆
14、率。回踢噪声(kickback noise）:回踢噪声(反冲噪声)是指输出的数字信号对输入模拟信号的反冲，该反冲一般是电荷馈通的结果。输入共模范围:是指比较器在这个范围内，比较器能连续分辨出的输入电压的差值。该特性也是比较器的重要特性之一。响应时间：即比较器的时域特性，响应时间描述了比较器对于差分输入需要多长的响应时间，输入激励和输出转换之间的延迟就是比较器的响应时间。比较器的响应时间一般为几个毫秒甚至更少。输出电压摆幅:当比较器的同相输入端更正时，比较器被认为输出正电压。反之，得到负的输出电压。这种特性基于比较器的内部电路，一般比较器由内部的差分放大器和偏置网络组成，决定了输出摆幅。这个摆幅
15、也受电源电压影响。输入偏移电流:是使输出改变状态的两输入电流差值的绝对值。输入偏置电流:无信号输入时两个输入电流的平均值。差分输入电压范围:比较器工作时两个信号输入端允许加的最大电压。参考文献1 欧阳宏志.电压比较器的学习方法J.电气电子教学学报,2011,33(4):44472 毕查德拉扎维著,陈贵灿等译.模拟 CMOS 集成电设计M.西安：西安通大学出版社,2003.1393 杨普秀.适用于 l0bit 100MSPS 流水线 ADC 的 sub-ADC 的研究与计D.硕士学位论文.四川:电子科技大学,20064 高雪莲.一种基于 SAR ADC 的低功耗动态比较器研究D.硕士学位论文.北
16、京: 北京交通大学,20075 李月梅.低功耗比较器电路研究D.硕士学位论文.北京:北京交通大学,20076 修丽梅.高速低功耗电压比较器结构设计D.硕士学位论文.北京:北京交通大学,20087 韩宝妮.基于 0.18um CMOS 工艺的超高速比较器的设计D.硕士学位论文.陕西:西安电子科技大学,20098 张文忠,包兴,姚素英等.一种低功耗高精度 CMOS 动态比较器设计及实现J.传感技术学报,2005,18(1):1321399 王江燕,裴杰.新型高速高精度 CMOS 预充电比较器J.电子科技,2009,22(5):313310游恒果.高速低功耗比较器设计D.硕士学位论文.陕西:西安电子
17、科技大学,201111马奎,丁召,吴宗桂等.高性能 CMOS 集成电压比较器设计J.现代电子技术,2009,14(6):7912Taggart,David;Kumar,Rajendra,Krikorian,Yogi;Goo,Gary;Chen,Joseph;Martinez,Robert;Tam,Tom;Serhal,Edward.Analog-to-Digital Converter Loading Analysis Considerations for Satellite Communications SystemsJ;Aerospace Conference,2007;IEEE 3 一
18、10.March 2007.pp.l 一 1613Aldajam M A.Stability and performance analysis of an adaptive sigma-delta modulatorJ.IEEE Transaction on Circuits and Systems II. 2001.48: pp.233-24414Gilbert Promitzer, 12-bit Low-Power Fully Differential Switched Capacitor Noncalibrating Successive Approximation ADC with 1
19、MS/sJ. IEEE J. SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 36, NO. 7,JULY 2001:1138-114315Won-Chul Song, Hae-Wook Choi. 20-Msample/s Low-Power CMOS ADCJ.IEEE J.Solid-State Circuits. 1995; 30(5): pp.514-52116MOU S X, MA J G, SENG Y K, et. A modified architecture used for input matching in CMOS low noise amplifiersJ.
20、IEEE Transactions on Circuits and Systems, 2005. 52(11): pp.784-788.17Bo Li, Zheying Li.A 57mW 10-bit 80-MS/s Pipeline ADC Adopting Improved Power Optimization ApproachJ. ASICON 2007. Guilin, China. 2007, IEEE Press; 2007.10 Vol.l of 2.pp.616-619毕 业 设 计 开 题 报 告设计方案：2.1 本课题要研究或解决的问题了解电压比较器的结构和原理，设计出高
21、精度低功耗 CMOS 电压比较器的电路结构，采用 Cadence IC 工具进行电路图的设计及仿真，并用 Tanner EDA 工具中的 L-Edit 画出版图。2.2 拟采用的研究手段（途径）2.2.1 设计的基本原理2.2.1.1 比较器分类及电路结构从工作原理上看，所有的比较器都可以看作是放大器的不同形式的应用。根据放大器的不同应用形式，可以分为开环和闭环两种。一个高增益的运算放大器应用于开环状态就是一个高分辨率的比较器;而迟滞比较器和 latch 电路则是放大器在两种正反馈形势下的闭环应用。从功耗角度，比较器又可分为动态比较器和静态比较器。一步静态比较器功耗较低，主要为静态功耗。按照工作方式，比较器也可分为开环比较器和可再生比较器;开环比较器一般由非补偿的运算放大器构成，而再生比较器类似于触发器的正反馈。（a）开环比较器开环比较器可由运算放大器构成。一般电路中为保证运算放大器稳定工作，运算放大器一般工作在闭环模式，并且拥有补偿电路。而比较器电路为达到大的带宽和较快的速度，其运算放大器工作在开环模式，没有补偿电路。为满足高性能比较器的要求，运算放大器一般由开环工作的多级放大器级联构成，如图 2.1 所示。
