兩級(jí)開環(huán)比較器的設(shè)計(jì)說明

./初級(jí)比較器設(shè)計(jì)一．前言 本文主要包括：〔1分析說明比較器工作原理；〔2比較器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法；〔3比較器的HSPICE模擬；〔4比較器物理版圖設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；〔5設(shè)計(jì)文件列表說明。二．比較器的原理簡(jiǎn)述比較器的電路符號(hào)如右圖所示,它的功能是比較輸入端的信號(hào)差異,輸出以之對(duì)應(yīng)的數(shù)值上離散的兩種信號(hào)之一,當(dāng)Vin+>Vin-時(shí),比較器輸出為高電平〔Voh；當(dāng)Vin+<Vin-時(shí),比較器輸出為低電平<Vol>；比較器廣泛用于模擬電路和數(shù)字電路的接口部分即連續(xù)和離散的交接部分。1．比較器靜態(tài)特性<1>理想比較器模型理想比較器的電路模型如下圖所示：它的傳輸曲線如下圖所示：傳輸曲線可以用數(shù)學(xué)函數(shù)表示如下：,<2>有限增益比較器模型有限增益比較器的電路模型如下圖所示：它的傳輸曲線如下圖所示：傳輸曲線可以用數(shù)學(xué)函數(shù)表示如下：,為一個(gè)有限值〔3包含輸入失調(diào)電壓的比較器包含輸入失調(diào)電壓比較器電路模型如下圖所示：它的傳輸曲線如下圖所示：其中的Vos為輸入失調(diào)電壓,它被定義為：實(shí)際比較器輸出電壓為零時(shí),輸入端所加的電壓,它是比較器的一個(gè)重要參數(shù),跟比較器的精度有密切的關(guān)系,而且它的溫漂很難補(bǔ)償?！?比較器其他的靜態(tài)特性差分輸入電阻和電容,輸出電阻,共模輸入電阻,共模輸入電壓圍,還有和過度區(qū)特性相關(guān)聯(lián)的噪聲。這些和運(yùn)放很相似,可以同樣建模。2．單極點(diǎn)簡(jiǎn)單比較器動(dòng)態(tài)特性 比較器動(dòng)態(tài)特性中的重要特性之一為傳輸時(shí)延,定義比較器的時(shí)延為：比較器的輸入激勵(lì)和輸出轉(zhuǎn)換之間的時(shí)延,如下圖所示：〔1小信號(hào)時(shí)延假設(shè)比較器的最小輸入電壓差為比較器的精度,定義比較器的最小輸入電壓為：,其中為比較器的低頻增益。假設(shè)我們分析的比較器為最簡(jiǎn)單的單極點(diǎn)模型,它的s域增益表示如下：那么,我們下面就可以分析比較器的時(shí)延：根據(jù)時(shí)延的定義和,進(jìn)行拉普拉斯逆變換,得到輸入為階躍信號(hào)的時(shí)域響應(yīng)如下式：同理可以得到更為普遍的結(jié)果：當(dāng)輸入激勵(lì)信號(hào)為階躍信號(hào),相應(yīng)得輸出響應(yīng)時(shí)延為：,顯然在線性響應(yīng)的情況下,增大k可以有效的減小時(shí)延tp。對(duì)應(yīng)的關(guān)系可以表示如下圖：〔2大信號(hào)時(shí)延大信號(hào)情況下,如果對(duì)電容的充放電決定了電路的響應(yīng)時(shí)間,則出現(xiàn)擺率限制的情形,這時(shí)的傳輸時(shí)延為：,出現(xiàn)擺率限制時(shí),一般有：,因此,在擺率響應(yīng)的情況下,增大對(duì)電容的充/放電電流可以減小比較器的時(shí)延。三．比較器的設(shè)計(jì)比較器的傳輸時(shí)延始終是我們關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)指標(biāo),以下側(cè)重分析時(shí)延的限制因素和設(shè)計(jì)時(shí)常常引用的公式。1．兩級(jí)開環(huán)比較器的線性響應(yīng)設(shè)計(jì)NMOS輸入管兩極開環(huán)比較器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示：〔1考察輸出電壓的兩個(gè)極限：當(dāng)M6管處于飽和區(qū)與線性區(qū)的臨界點(diǎn)時(shí)：顯然,〔2兩級(jí)比較器的特性A部分．第一級(jí)簡(jiǎn)單CMOSOTA特性由以上的電路原理圖可以得到第一級(jí)簡(jiǎn)單COMSOTA的小信號(hào)等效電路如下圖所示：其中：4節(jié)點(diǎn)對(duì)地電阻,4節(jié)點(diǎn)對(duì)地電容Cn4,5節(jié)點(diǎn)對(duì)地電阻5節(jié)點(diǎn)對(duì)地電容Cn5,5節(jié)點(diǎn)和4節(jié)點(diǎn)間的電容Cn54,根據(jù)基爾霍夫電壓環(huán)路〔KVL和電流節(jié)點(diǎn)〔KCL定理,可以得到該小信號(hào)等效電路的方程組并解得：〔由于密勒效應(yīng)的作用可以忽略,其中,為低頻增益,由于求的過程比較繁瑣,這里僅僅說明一下如何求解〔求解同理,求解低頻增益時(shí)可以認(rèn)為小信號(hào)等效電路中的所有電容為0,于是可以得到如下的方程組：由以下B部分的分析可以知道：第一級(jí)簡(jiǎn)單CMOSOTA可以等效成一個(gè)對(duì)差模信號(hào)跨導(dǎo)為Gm的放大管,而其中的電容對(duì)總的極點(diǎn)沒有影響,如下圖所示：Vid為輸入差模信號(hào)。令,則第一級(jí)簡(jiǎn)單CMOSOTA的跨導(dǎo)為：B部分第一、二級(jí)聯(lián)合整體電路特性根據(jù)NMOS輸入兩級(jí)比較器電路圖可知：由于輸入信號(hào)的阻一般很小,所以輸入節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的時(shí)間常數(shù)很小不可能形成主極點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)3為共模信號(hào)相關(guān)而與差模信號(hào)無關(guān)；M3二極管連接方式?jīng)Q定了節(jié)點(diǎn)4的時(shí)間常數(shù)很小也不可能形成主極點(diǎn)；最有可能形成主極點(diǎn)的地方為節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)6,即第一級(jí)的節(jié)點(diǎn)電容對(duì)整體電路的特性沒有決定作用,利用A部分的分析結(jié)果可以得到整體電路的小信號(hào)等效電路如下圖所示：5節(jié)點(diǎn)對(duì)地電阻,5節(jié)點(diǎn)對(duì)地電容Cn5,6節(jié)點(diǎn)對(duì)地電阻6節(jié)點(diǎn)對(duì)地電容Cn6,6節(jié)點(diǎn)和5節(jié)點(diǎn)間的電容Cc<針對(duì)比較器電路,采用開環(huán)模式,通常使Cc最小化,以得到最大的帶寬和較快的響應(yīng)>。根據(jù)基爾霍夫電壓環(huán)路〔KVL和電流節(jié)點(diǎn)〔KCL定理,可以得到該小信號(hào)等效電路的方程組并解得：M’為密勒因子,〔3估算時(shí)延為了計(jì)算的方便,可以采用節(jié)點(diǎn)時(shí)間常數(shù)近似方法估算,它的另一種表示方式如下：其中：低頻增益,,,為第一級(jí)輸出極點(diǎn)5的電容,為為第二級(jí)輸出節(jié)點(diǎn)6的電容。假設(shè)輸入激勵(lì)信號(hào)為Vin,那么在S域的電路響應(yīng)為：Vo<s>=Vin<s>,對(duì)它進(jìn)行拉普拉斯逆變換可以得到時(shí)域的響應(yīng)為：,其中,根據(jù)這個(gè)時(shí)域響應(yīng)可以估算比較器的線性響應(yīng)傳輸時(shí)延,為了計(jì)算方便,對(duì)該式進(jìn)行級(jí)數(shù)展開得：,其中,再進(jìn)一步簡(jiǎn)化得：令,解得：,〔,這就是估算線性線性響應(yīng)傳輸時(shí)延的關(guān)系式。附帶說明一下如何選擇擺率受限或線性響應(yīng)受限來估算比較器的傳輸時(shí)延：為了比較線性響應(yīng)受限和擺率受限,我們對(duì)進(jìn)行歸1化處理得：,對(duì)上式進(jìn)行兩次求導(dǎo)并令其等于0可以得到歸一化響應(yīng)的最大斜率為：〔3.1-1而兩級(jí)開環(huán)比較器的輸出擺率為：〔3.1-2<3.1-3>比較〔3.1-1、<3.1-2>和〔3.1-3,當(dāng)且擺率比〔3.1-1小時(shí),則應(yīng)采用擺率來估算比較器電路的時(shí)延。需要特別強(qiáng)調(diào)的是：如果是線性響應(yīng)受限則極點(diǎn)的位置十分重要,如果是擺率受限則對(duì)電容的充放電的能力變得更為重要?！?設(shè)計(jì)常用公式： 為設(shè)計(jì)方便,現(xiàn)將常用的設(shè)計(jì)公式及步驟總結(jié)如下：=1\*GB3①=2\*GB3②,=3\*GB3③=4\*GB3④,=5\*GB3⑤=6\*GB3⑥計(jì)算出C1,如果計(jì)算出的C1大于在第三步中假設(shè)的C1,則必須加大C1且重復(fù)3~6的步驟,直道計(jì)算出來的C1小于假設(shè)的C1為止。=7\*GB3⑦,如果小于100mV則增大2．兩級(jí)開環(huán)比較器的擺率響應(yīng)設(shè)計(jì)〔1設(shè)計(jì)中用到的分析方法 設(shè)計(jì)中的分析法方法法和"1"部分講解的類同,重點(diǎn)要理解電路的小信號(hào)等效電路,并利用根據(jù)基爾霍夫電壓環(huán)路〔KVL和電流節(jié)點(diǎn)〔KCL定理來求解,并進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。〔2時(shí)延的估算在大多數(shù)的情況下,兩級(jí)開環(huán)比較器會(huì)被驅(qū)動(dòng)到擺率受限,此時(shí),傳輸時(shí)延由下式計(jì)算：,其中：Ci為第i級(jí)的對(duì)地電容,由該式可以得到第i級(jí)的傳輸時(shí)延為：,總的傳輸時(shí)延為?！?設(shè)計(jì)常用公式為設(shè)計(jì)方便,現(xiàn)將常用的設(shè)計(jì)公式及步驟總結(jié)如下：=1\*GB3①=2\*GB3②,=3\*GB3③假設(shè)一個(gè)C1值并在以后檢查=4\*GB3④=5\*GB3⑤,=6\*GB3⑥=7\*GB3⑦計(jì)算出C1,如果計(jì)算出的C1大于在第三步中假設(shè)的C1,則必須加大C1且重復(fù)3~6的步驟,直道計(jì)算出來的C1小于假設(shè)的C1為止。=8\*GB3⑧,如果小于100mV則增大3．復(fù)合比較器〔前置線性放大級(jí)＋鎖存再生級(jí)設(shè)計(jì)在參考材料中的復(fù)合比較器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示：為了設(shè)計(jì)計(jì)算電路的參數(shù),必須首先要分析電路的特性,以下部分析該電路的主要特性：上圖復(fù)合比較器是鐘控動(dòng)態(tài)比較器,電路結(jié)構(gòu)上由兩級(jí)組成：前級(jí)是前置線性放大器,后級(jí)是再生鎖存器。前置線性放大器由MB、M1、M2、M3和M4構(gòu)成,再生鎖存器M7、M8、M9和M10構(gòu)成,而其他的M5、M6和M11是動(dòng)態(tài)時(shí)鐘控制開關(guān)管。為了保證最小的傳輸時(shí)延,它的設(shè)計(jì)思想在于：強(qiáng)調(diào)前級(jí)的大帶寬和后級(jí)的高擺率,前級(jí)按負(fù)指數(shù)響應(yīng)把輸入信號(hào)放大到一定的值Vx,接著鎖存器按照正指數(shù)響應(yīng)把這信號(hào)Vx進(jìn)一步放大,這樣可以使整體的傳輸延遲最小化?？梢杂萌鐖D階躍響應(yīng)所示：<1>所存器級(jí)傳輸時(shí)延的設(shè)計(jì)計(jì)算鎖存器級(jí)的核心電路結(jié)構(gòu)如下圖所示：它的小信號(hào)等效電路如下圖所示：R1：節(jié)點(diǎn)1對(duì)地電阻；R2：節(jié)點(diǎn)2對(duì)地電阻；C1：節(jié)點(diǎn)1對(duì)地電容；C2：節(jié)點(diǎn)2對(duì)地電容；Vo1’/s：是vo1的初值,且為階躍信號(hào)；Vo2’/s：是vo2的初值,且為階躍信號(hào)；由小信號(hào)等效電路可以得到節(jié)點(diǎn)方程組如下：其中：假設(shè)MOS管采用對(duì)稱設(shè)計(jì)使他們的跨導(dǎo)相等,令：,,,則可以解得：,其中：求上式的拉普拉斯逆變換的時(shí)域響應(yīng)為：,即：其中：要求鎖存器級(jí)的傳輸時(shí)延,可以令：,解得傳輸時(shí)延為：,顯然要改善傳輸時(shí)延應(yīng)該從和兩方面著手解決。特別是選擇足夠大的可以使傳輸時(shí)延明顯地減小。<2>前置線性放大級(jí)傳輸時(shí)延的設(shè)計(jì)計(jì)算前置線性放大級(jí)核心電路結(jié)構(gòu)如下圖所示：為分析前置級(jí)電路,先假設(shè)M7和M8管不起作用,則這電路變成了簡(jiǎn)單CMOSOTA電路,它的性能在前面已經(jīng)分析過了,不過要注意這里的M3和M4管應(yīng)該是處于線性區(qū)而不是飽和區(qū),因?yàn)闀r(shí)鐘信號(hào)點(diǎn)位接近Vdd,具體結(jié)果可以參考前面的分析；但是,M7和M8實(shí)際上是可能流過電流,那么這個(gè)電路就變得復(fù)雜,有待于進(jìn)一步的分析,不過分析的主體思想為：考察MOS晶體管的工作狀態(tài)；畫出電路的小信號(hào)等效電路；由基爾霍夫定理電路方程組求解。四．實(shí)際設(shè)計(jì)比較器HSPICE模擬以上設(shè)計(jì)計(jì)算的電路參數(shù),只是個(gè)估算值,一般都要調(diào)整,這時(shí)我們可以利用HSPICE來模擬,一方面,可以檢驗(yàn)電路的功能是否正確,另一方面,由模擬的結(jié)果反過來調(diào)整電路的參數(shù)。直到得到滿意的性能指標(biāo)為止。1．實(shí)際采用的兩級(jí)開環(huán)比較器的電路原理圖及相關(guān)說明〔附帶文件：2．HSPICE的網(wǎng)表文件〔附帶文件：_hspice_netlist.sp根據(jù)1中比較器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以編寫以下的網(wǎng)表文件如下：************************comparator**************************************************netlist***************************mp1ibiasibiasvddvddpmosl=2.5uw=25ump21ibiasvddvddpmosl=2.5uw=25ump3out2ibiasvddvddpmosl=2.5uw=25ump42in111pmosl=2.5uw=12.5ump5out1in211pmosl=2.5uw=12.5umn122gndgndnmosl=2.5uw=40umn2out12gndgndnmosl=2.5uw=40umn3out2out1gndgndnmosl=2.5uw=80u*************************end_netlist*****************************************library**********************************.include"C:\synopsys\Hspice2004.09\hspicenetlist\hua05.sp"******************end_library******************************VDDvddgndDC5IBibiasgndDC30u.OPvin1in1gndpulse<2.4v2.6v0n0n0n100n200n>vin2in2gnddc2.5.tran1n400be.end3．HSPICE的模擬結(jié)果〔附帶文件：_hspice_wave.bmptpftprtpftpr紅色曲線：in2端輸入信號(hào)黃色曲線：in1端輸入信號(hào)橙色曲線：out2端輸出信號(hào)由此波形圖可以看出：上升時(shí)延大約為：60ns,下降時(shí)延大約為40ns,總的時(shí)延平均為50ns.雖然,性能不是很理想,但功能是基本實(shí)現(xiàn)了；可以進(jìn)一步優(yōu)化。4．參數(shù)確定最終確定的參數(shù)為：PMOS：NMOS：Ibias=30uA五．比較器的物理版圖設(shè)計(jì)1．編輯比較器的原理圖〔附帶文件為com_sch.png利用IC工具軟件可以編輯比較器的原理圖如下：2．據(jù)編輯比較器的版圖〔附帶文件：_layout.png和com.gds<1>總的比較器版圖幾何結(jié)構(gòu)如下圖所示左上：MP4和MP5右上：MP1、MP2和MP3左下：MN1和MN2右下：MN3<2>總體布局規(guī)劃一方面,從電路的電氣可靠性考慮,把輸入差分放大管MP4和MP5和輸出的MN3布局成對(duì)角線方位,可以減少輸出對(duì)輸入的干擾；另一方面,從電路的幾何面積考慮,把MP1、MP2和MP3分別拆成兩條長(zhǎng)為12.5um的柵,把MN1和MN2分別拆成兩條長(zhǎng)為20um的柵,把MN3拆成4條長(zhǎng)為20um的柵,并按上圖布局可以使整個(gè)版圖緊湊面積最小。<3>MOS晶體管的匹配由于MP4和MP5的寬長(zhǎng)比不是很大,沒有拆分,所以把他們平行并排對(duì)稱布圖匹配；MP1、MP2和MP3分別拆成兩條長(zhǎng)為12.5um的柵,并把MP1排在中間,MP2和MP3分別排在它的兩側(cè)；MN1和MN2分別拆成兩條長(zhǎng)為20um的柵,并按共質(zhì)心方式布圖匹配。<4>大尺寸MOS晶體管的處理MN3的寬長(zhǎng)比高達(dá)80/2.5,把它拆分成4條長(zhǎng)為20um的柵,單管版圖幾乎正方形。<5>在DRC檢查 由于事先較為詳細(xì)的理解了中微晶圓電子"的《0.5uMSPTMCOMSPROCESSDESIGNRULES》容,布圖過程程中,盡可能根據(jù)它來取相應(yīng)部分的尺寸,因此布圖過程中沒有太多的DRC錯(cuò)誤。但是這里必須提到一個(gè)失誤,由于疏忽,誤以為contact到poly柵的間距大于0.7,并且以此為準(zhǔn)先畫源和漏區(qū)金屬時(shí)都沒有打contact,等到最后打contact并做DRC檢查時(shí),此問題暴露了,最后由于時(shí)間太緊,只好修改的divaDRC.rule文件,強(qiáng)行把這約束改為0.7,結(jié)果DRC檢查沒有錯(cuò)誤。可是,如果流片這是萬萬不可的,因?yàn)楣に嚊Q定了