比较器毕设(上)

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1、郑州大学毕业设计（论文）题 目高速低功耗电流比较器的设计指导教师：职称：邀授学生姓名：学号：专 业：计算机科学与技术院（系）：信息工程学院完成时间：2014年5月25日年月日高速低功耗电流比较器的设计摘要近年来，电流模式电路由于其面积小，速度快，功耗低等优点受到了人们越来越多 的重视。而电流比较器就是电流模式电路中的一个重要的基本单元。电流比较器可以通过 探测电流的方向来产生高、低电平输出，所以，它广泛应用于A/D变换器、滤波器和神经 网络的VLSI实现中。随着科技水平的不断提高，市场对于器件的速度、精度、功耗和成 本要求也在不断提高。综上，本文介绍的主要是应用0.18umCMOS工艺使用软件

2、工具CADENCE对低功耗高速电 流比较器的设计研究。设计电流比较器，首先要掌握电流比较器的基本原理，然后介绍了 电流比较器发展历史，接着介绍了常用的电流比较器电路结构和现状分析，最后结合本设 计的具体要求，选择设计的电路结构和各器件参数，随后通过仿真分析及调整其各项参数 性能，使之符合指标要求，最后完成版图设计。关键词CMOS； CADENCE；比较器；高速；低功耗AbstractIn recent year,the current mode circuits has been paid more attention because of their adva ntages.such as

3、small sizes, high speed,low power con sumption, And the curre nt comparator is an important basic unit in this kind of circuit 。 .Current comparatorr, can export low voltage or high voltage by detecting the direction of the current flow.So it is widely used in A / D converter, filter and neural netw

4、ork VLSI implementation. With the development of the scientific and technological level, the requirements of speed, accuracy, power and cost of the devices also increase fastly. now.Above all, the main research of this paper is based on the process of 0.18um CMOS with the software tool CADENCE to de

5、sign low-power high-speed current comparator. During the process of the design of the current comparator, we first observe the basic principles of current comparator, and introduced the common comparator circuit structure and current status of analysis. Then combined with the specific requirements o

6、f the design of the circuit structure to select the design parameters of each devices,then take a simulation and adjust the parameters of its performance, to conform to the indicator. Finally finish the layout designKey words: CMOS;current comparator; high-speed; low power consumption ;CADENCE目录前言 5

7、1 绪论 21.1 电流模电路 21.2 电流比较器的意义 62 电流比较器 72.1 概述及其基本原理 72.2 CMOS电流比较器的发展史52.3 常见的电流比较器错误!未定义书签。3 MOS管理论错误!未定义书签。3.1 MOS管的基本原理错误!未定义书签。3.2 MOS管的噪声错误!未定义书签。3.3 基本放大原理错误!未定义书签。3.4 小信号工作原理错误!未定义书签。4 高速低功耗电流比较器设计错误!未定义书签。4.1 涉及的指标概念错误!未定义书签。4.2 比较器的设计步骤错误!未定义书签。4.3 比较器结构的选取错误!未定义书签。4.4 本文提出的比较器结构及工作原理错误!未定

8、义书签。4.5 本文提出比较器结构的模块分析错误!未定义书签。5 本文设计比较器仿真及结果分析错误!未定义书签。7. 小结28谢 辞29、八、前言科技的高速发展使得模拟电路和数字电路曾经分立的子系统如今被集成在同 一芯片上，组成一完整系统。具有能够提供高密度器件，同时在数字端又节省功 率的优点使CMOS工艺已成为实现混合信号系统的主要手段。另外，CMOS电路还 被证明具有比较低的制造成本。微电子工业的发展是以半导体工业的发展为基础 的，现在人们已经有足够的能力使电子运动更快，晶体管更小，以及使更多的晶 体管集成在同一芯片中。随着这些技术的发展，我们迎来了超大规模集成电路 (ULSI)时代，同时

9、深亚微米工艺要求新的设计设计结构，新的设计软件(EDA)的 出现可实现处理复杂的设计以及连接不同设计阶段。随着深亚微米工艺的发展， 低功耗和高速的电路已越来越多的被应用。此篇论文中的电路就是用0.18um的 深亚微米工艺来设计的。数字计算和信号处理的飞速发展以及在电子系统中的普 遍应用，一切都标示着数字化时代的来临，难怪人们称“世界每天都在朝着数字 化的方向发展”。与它的兄弟模拟电路相比，数字电路显示出更低的噪声，更高 的灵敏度以及在工艺变化上更大的灵活性，它为设计者提供了更广阔的设计空间 和自动化测试。但是，使得数字电路和处理器在我们生活方方面面的普遍应用的 最主要的方面是它们性能的提升，同

10、时性能的提升也标示着集成电路工艺的进 步。特别是 VLSI 处理器的缩放比例特性允许每一代新数字电路获得更高的速度， 每个芯片上更广泛的性能，更低的功耗，或者更低的成本。随着电路结构的创新， 分析的提高和计算机辅助设计(CAD)工具的综合使用，这种趋势发展愈来愈强烈。 以上数字电路优点的概述强有力的推动了世界的数字化时代发展。但是现实环境 中的以下两方面影响了这种数字全球化：(1) 自然发生的信号都是模拟信号(2) 人类感知和存储信息都是模拟信号的形式所以，模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)在信号处理过程中是必要的。比 较器广泛的应用在模拟到数字数字信号的转换过程中。在模拟到数字信号的

11、转换 过程中，对输入进行采样是必要的。所采样品信号将与比较器结合，决定着与模 拟信号相匹配的数字信号。在这种最简单的形式中，比较器可被视为一位模拟数 字转换器。ADC的高速性能很大程度上取决于比较器的性能。1 绪论1.1 电流模电路电流模模拟电路有两种类型:(1)连续时间的模拟信号处理电路;(2)离散时间 采样的模拟信号处理电路.而追溯到 40 年之前，电流模信号处理方法和电流模电 路设计原理已经被提出。并且电流传送器原理也由 K.C.smith 和 A.S.Sedra 在 1968年被提出；B.Gibert也在1975年提出跨导线性原理。随着集成工艺技术的 进步，电流模电路才得到集成实现和迅

12、速发展。在电流模模拟电路中，电流模连 续时间模拟电路主要包括静态电流镜、跨导线性电路、电流传送器、电流反馈运 算放大器、跨释放大器等。电流模离散时间模拟电路主要有动态电流镜和开关电 流电路。目前，电流模式电路在以下两个方面对传统电路发出的挑战引起了人们的广 泛关注。第一，根据传统观念的理解：闭环增益提高必定导致带宽缩小。事实上， 应用用电流模式电路实现的电压放大器，其带宽几乎与闭环增益无关。所以，在 电流模式领域，可以突破增益带宽积为常数的限制，而且使增益带宽积随闭环增 益成线性增大。第二，在电流模式领域，多采用匹配技术，在电路结构上尽量对 称，其结果将出现非线性失真，线性失真及温漂等绝大部分

13、相互对消，使输出信 号与输入信号非常逼近。用匹配技术所取得的保真度比用反馈还要高，这是迄今 为止对反馈技术的最大挑战。随着集成电路密度的提高，降低电源电压将是一种趋势。对于电压模式电路， 除了设计上的难题，降低电源电压将还会直接降低其信号电压的最大动态范围， 而电流模式电路则不会这样，它的最大信号电流和最大动态范围仅受晶体管最大 允许电流的限制。因此，只要将管子能输出大电流，其动态范围可以很宽，从而 具有很大的优势。目前，主要的集成工艺技术发展有：互补双极型的发展；成熟的 CMOS 工艺； 先进的 BiCMOS 工艺结合起 CMOS 工艺。集成工艺技术的进步大大促进了电流模电 路的发展。1.2

14、 电流比较器的意义随着科技的进步，集成电路的发展越来越趋向于高速、低功耗，而电流模 电路由于以下几方面的优势，被认为在不久的未来将会代替电压模电路。(1) 高速；(2) 较小的芯片面积；(3) 低的电源电压和功耗；(4) 与数字集成电路工艺兼容。而作为电流模信号处理电路的基本单元，使得电流比较器在集成电路的设计 中拥有重要的意义。2电流比较器2.1概述及其基本原理比较输入信号的大小，并输出比较结果就是比较器的基本功能。在数据转 换、信号采集、谐振等系统中，其精度、信噪比和功耗等与比较器的性能息息相 关，因此比较器的设计在各种系统实现过程中占据着较为重要的位置。对于电流模电路而言，电流比较的过程

15、就是将输入(单路或双路)电流注入到 比较器中，继而分辨出输入电流(或两路电流之差)是正还是负，比较器输出节点 的电压表示比较的结果。比较器的工作过程非常简单,但是进行设计实现的时候， 则需要考虑很多问题，比如比较器应该具有足够高的精度。另外，对输入信号要 建立足够快的响应等。比较器的精度一般都与选取的电路结构或者工艺偏移造成 失配而引入的失调等方面的因素有直接关系。而对响应时间影响最大的则是输出 支路的初始状态，这样，如果初始状态处于线性区或截止区，则需要消耗额外的 时间使输出节点达到平衡状态。所以，在比较器的设计中，我们要根据实际系统 要求对设计条件进行折中。随着VLSI技术的发展，IC上的

16、晶体管密度也越来越大，因此，如何减小功 耗变成了一个异常棘手的问题。作为基础构成模块，比较器在很多IC电路中扮 演重要的作用。因为转换器体系结构结合了大量的并联比较器以得到更高速率， 严格的限制会影响到延迟，分辨率，功率损耗的输入电压范围等。此外，相对较 大的器件失配和新的VLSI工艺中的有限的电压限制范围严格的限制了所能达到 的精度。在这种情况下，为了达到小面积和低耗的目的，CMOS工艺中模拟电流 模式信号的处理就被格外关注，因为使用这种方法可使电路在实现数字处理的同 时减小供电电压。所以，与电压模式电路相比，电流模式电路具有更高速度和更 低功耗。电流比较器也存在跨导机制，最简单的电流比较器

17、模式，如图1、图2、 图3所示。图1.电流比较器的跨导机制V.+ +I图2.带失调电流的电流比较器的跨导机制如图4所示，这是现存的大多数电流比较器的基本结构。这一结构通过反相器 A1和电压缓冲器A2把输入电流信号转换成电压信号Vin和VI。结果电压经高增 益放大器A3放大来产生逻辑电压，该在各个节点存在寄生电容。理想高速电流 比较器在VI处的电压摆幅应尽量小于反相器A3的门限电压。为了能识别较小的 输入电流，现存的电流比较器设置了直流偏置，使A2中的MOS管处于饱和状态。 现存的大多数结构用一个二极管作为一个电压转换器接在MOS管之前，用来产生 MOS管的栅极电压。结构中用到带负反馈的跨阻放大

18、器，大的闭环增益并不能使 得Vin和VI上的信号变小。大的闭环增益可以使在Vin节点处的输入阻抗变小， 以此可以提高比较器的分辨率。MOS管的截止区门限电压是输入信号的最小值， 输入信号小于这一值时电流比较器将不能分辨出来。负反馈可以稳定VI处的电 压的同时会减小增益，因此输出级的反相放大器要求有较高增益。这样的结构可 以现低功耗。图4电流比较器框图2.3 CMOS电流比较器的发展史最早的也是最简单的连续时间电流比较器是由D.A.Freitas和K.W.Current 于1983年提出的基于电流镜的比较器结构，如图5所示。电路可以实现三部分的 基本功能：M1、M2、M6、M8构成电流镜，将输入

19、电路等值复制到输出支路；M4、 M3、M7、M9构成第二组电流镜，产生输出支路需要的参考电流，可通过调节a、 B和Y来调整各输出支路需要的参考电流值；同时M4、M5构成简单基准电流产生 电路，用以产生用作参考的电流值，由节点A、B、C输出比较结果。Ml ,M2, M6 ,M8实现输入信号的1:1复制，将输入信号复制为三份（可根据需要任意扩 充），而用来比较的参考信号则可以是任意电流值，在图5中，用来作为比较参考 的三支电流分别为aIref，BIref，丫 Iref。以节点A为例，若输入电流reflin a I,则最终电路达到平衡状态时，A点电压 应为一个接近地电位的相对低值。这样的结构能够实现

20、电流比较功能，可用于实 现闪烁式ADC中经常用到的温度计码比较结构。但由于所用电流镜的结构，使 沟道调制效应对漏电流的影响较大，决定了这种电流比较器的精度不高，而且输 出结果需要二次放大才能很好的表示比较结果。叫D凹DrLGNDGNDGIMDGNIDuMa图5.电流镜构成的电流比较器H. Traff于1992年提出了一种电流比较器，利用倒置的NMOS、PMOS管实现 了较大的电流灵敏度，并利用工作在线性区的反相器作为放大器输出比较结果。 但反相放大器的输出幅度很小，不能达到电源电压的高度；同时由于NMOS、PMOS 管倒置，使得在无电流输入的情况下，输入管处于截止状态，电路的“死区”过 大。这

21、种比较器的结构如图6所示。linlM2Vss =图6.Traff提出的带正反馈的电流比较器结构图5所示的结构是Traff提出的，采用类似锁存器的结构，1994年，G. Palmisano和G.Palumbo提出一种连续时间电流比较器，利用一对由时钟信号控 制的电容，以类似于共模反馈的形式，对工艺偏移等造成的失调电流进行补偿， 在不增加功耗、不降低速度的前提下，提高了比较器的灵敏度，电路结构如图7所示。图7.含有失调补偿的电流比较器图7所示的结构，比较器的工作分为“调零”和“比较”两步进行，采用开 关电容结构，对初始状态（无电流信号输入）下的比较环路进行采样，经过M13、 M14、 M12、 M

22、15组成的放大器放大，并通过M15管和M6管构成的电流镜来调整输入支路中的下拉 电流（M7的源漏电流），使输入支路的上拉电流（M8的源漏电流）和下拉电流平衡， 达到平衡时的电压Vout被保存在电容CH 1中，此过程为“调零”过程；当有电 流输入的时候，开关SW1、SW2开路，CH1上存储着调零过程中采样得到的电荷， 使得用来抵消失调电流的电压得以保留，这样在“比较”阶段，原本由于失配产 生的失调电流对电路的影响被补偿掉，从而提高了比较器的灵敏度。在此结构中， 采用的开关电容结构，给电路增加了额外的开关噪声，而且电容的充放电会消耗 额外的时间并占用单独的时钟相进行“调零”，增加了电路的复杂程度。上述几种结构建立了连续时间电流比较器的基础，以上述四种基本形式的比较器 结构为基础，出现了很多性能优良的比较器的设计，推动了电流模电路的发展