“比較器是模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC中的核心電路之一。研究比較器失調(diào)等非理想因素的產(chǎn)生機(jī)制對(duì)提高ADC性能具有重要意義。鑒于此，本文以Strong ARM比較器為例，從工作原理和失調(diào)兩個(gè)方面對(duì)Strong ARM進(jìn)行介紹。”

01 Strong ARM比較器電路

Strong ARM比較器是由T.Kobayashi等人提出的[1].Strong ARM比較器具有結(jié)構(gòu)簡單、無靜態(tài)功耗以及能夠產(chǎn)生軌到軌輸出等優(yōu)點(diǎn)[2]。圖1為常見的Strong ARM比較器電路結(jié)構(gòu)。

圖1 Strong ARM比較器

02 工作原理

如圖1所示， 當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)CK為低電平時(shí)，開關(guān)管S1-S4導(dǎo)通進(jìn)而將節(jié)點(diǎn)P、Q、X和Y置為高電平；開關(guān)管M7關(guān)斷，輸入對(duì)管M1和M2的源極電壓會(huì)被充到某一個(gè)高電平。對(duì)應(yīng)的等效電路如圖2所示。

當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)CK為高電平時(shí)，開關(guān)管S1-S4關(guān)斷；開關(guān)管M7導(dǎo)通，輸入對(duì)管的源極電壓被放電至電源地。輸入電壓Vin1和Vin2存在電壓差(假設(shè)Vin1>Vin2)，與M2相比，M1管柵極電壓高，對(duì)P點(diǎn)的放電速度要快于M2對(duì)Q點(diǎn)的放電速度。當(dāng)P點(diǎn)電壓等于Vdd-Vthn時(shí)，此時(shí)M3管導(dǎo)通，X點(diǎn)也會(huì)從電源電壓Vdd開始放電。當(dāng)X點(diǎn)電壓被放電至Vdd-|Vthp|時(shí)，M6管導(dǎo)通Y點(diǎn)被充電至Vdd,X點(diǎn)快速泄放至電源地，最終實(shí)現(xiàn)一次比較操作。

圖2 復(fù)位階段等效電路圖

圖3 比較器各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電壓變化圖

03 失調(diào)

由比較器工作原理可知，開關(guān)CK變化為高電平時(shí)，開關(guān)管S1-S4關(guān)斷，從而減小了其失調(diào)的影響。在M3(M4)開啟之前，僅輸入對(duì)管M1與M2參與工作，因此其失調(diào)對(duì)總的輸入失調(diào)電壓具有決定性影響。對(duì)于M3和M4，由于其失調(diào)電壓等效到輸入端需要除以電壓增益A1(約為4)[2],因此其失調(diào)電壓可忽略。M5和M6亦是如此。因此，比較器的等效輸入失調(diào)電壓主要受輸入對(duì)管M1和M2的失配決定。

如圖4所示，不考慮輸入對(duì)管寬長以及閾值電壓等因素產(chǎn)生偏差的影響，僅考慮節(jié)點(diǎn)Q和P不同寄生電容CQ和CP對(duì)輸入失調(diào)的影響。

圖4 比較器初始放大階段等效電路圖

假設(shè)M1和M2的跨導(dǎo)相等且為gm1,2，M1和M2流過的靜態(tài)電流均為ICM,則P和Q點(diǎn)的電壓差可表示為[2]

(1)

由公式(1)可知，在初始比較階段(放大)，VP-VQ對(duì)應(yīng)的累積失調(diào)電壓為(Cp-Cq)/(Cp Cq)ICMt。放大階段結(jié)束且Latch開始工作時(shí)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間t約為Vthn (Cp+Cq)/(2ICM)。因此放大階段產(chǎn)生的失調(diào)電壓可表示為Vthn*(Cp/Cq-Cq/Cp)/2。由此可得，通過并聯(lián)若干小電容來調(diào)節(jié)P和Q點(diǎn)寄生電容相等的方法減小失調(diào)電壓。其等效原理如圖5所示。

圖5 可編程電容消除失調(diào)電壓