针对SAR ADC的CMOS比较器设计

简介：
本研究专注于开发适用于高速数据采集系统的SAR ADC中高效、低功耗的CMOS比较器。通过优化电路结构和工艺参数，提升比较器性能，推动高性能模拟集成电路的发展。 本段落提出了一种带有时钟控制的可再生比较器设计，特别适用于时间上离散化的信号处理。该设计基于传统前置预放和锁存级联结构，并通过引入交叉耦合负载、复位及钳位技术，在速度与精度方面超越了文献[3]中的方法。 本段落重点讨论了用于SAR ADC（逐次逼近型模数转换器）的CMOS比较器的设计，着重于提升其工作速度和测量精确度。作为ADC的核心组件之一，CMOS比较器在模拟信号向数字信号转化过程中扮演着判断输入电压大小的关键角色。设计中采用了带有时钟控制的可再生比较器结构，该方案特别适合处理时间间隔固定的离散化信号。 此设计方案中的比较器包含两极前置放大模块，并运用了交叉耦合负载、复位和钳制技术。传统前置放大电路通常由差分输入对、伪电流源及交叉耦合负载构成，其中正反馈机制通过调整管子的宽长比来实现。然而，这种设计虽然增加了增益但同时也可能降低信号传输速度。 为解决这一问题，本方案引入了复位功能，并利用时钟RS控制比较器在每次比较前恢复初始状态，从而加快翻转速率。此外，在输出端使用钳制二极管或MOS管来限制电压摆幅范围，确保快速响应时间并提高整体性能表现。 第三级设计为锁存式比较器结构，采用可再生比较器（即锁存器）模式，并利用两相非重叠时钟进行控制。当Q1信号处于高电平状态时，比较器进入复位阶段；随后在正反馈作用下调整电压值，在Q2信号转为高电平时输出最终的比较结果。 值得注意的是，前置放大模块的-3dB带宽约为50MHz，确保了快速信号放大的能力。同时锁存器输入特性决定了其达到稳定状态所需的时间长度。 综上所述，通过引入创新性的CMOS比较器结构，并结合时钟控制、复位功能及钳制技术的应用，本设计成功地提高了SAR ADC中比较器的工作速度和测量精度，在高精度与高速度的模数转换应用领域具有重要的意义。