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高速低功耗双尾比较器的设计

任志德淳5春生

【摘要】Inordertooptimizethespeedandpowerofcomparator,anewdoubletailcomparatorhasbeenproposedbasedonanexistingone.Weincreasethespeedofthecomparatorbyadditionalpositivefeedbackpathofcross-cou-pling.Butthenumberofbranchesofthepowertothegroundthenumberofdevicesinthecircuitarereducedtosavepowerconsumption.Simulationresultsshowthatthemaximumoperatingfrequencycanbeprocessedfromtheoriginal1.7GHzto2.5GHz.Thepowerconsumptioncanbesavedsignificantlywiththeincreasingoperatingfre-quency.Whentheoperatingfrequencyisat1.7GHz,theconsumptioncansaveon41.45%,andpowerdelayproductcanincrease62.33%.Theproposedtwo-tailedcomparatorismoresuitableforhigh-speed,low-poweranalog-to-digi-talconversioncircuit.%针对比较器速度和功耗两大指标的优化，对一款新提出的双尾比较器进行了改善和提高。通过增加交叉耦合式的正反馈通路提高了比较器速度，以减少电源到地的支路条数和电路中器件个数来降低功耗。仿真证明，其所能处理的最大输入信号频率从原来的1.7GHz提高到了2.5GHz。随工作频率的逐渐升高，其节省的功耗也越来越大。当工作频率为1.7GHz时，可节省43.94%的功耗，且功耗延时积提高63.7%。此款双尾比较器更适用于高速、低功耗的模数转换电路之中。

【期刊名称】《电子器件》

【年(卷)，期】2015(000)006

【总页数】4页(P1312-1315)【关键词】模拟电路设计;双尾比较器;优化设计;高速;低功耗【作者】任志德淳5春生

【作者单位】北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京100124;北京工业大

学电子信息与控制工程学院，北京100124【正文语种】中文

【中图分类】TN402

随着人们对便携式电子器件需求的不断增加，对器件的功耗、工作电压、响应速度等性能的要求也越来越严格。器件能工作在低压的优势在于电池的面积和重量均可相对减小，低功耗可延长工作在高频的电池寿命等［1-2］。模数转换器是大多数电子器件中不可或缺的电路模块，比较器却是应用在模数转换器中最基本的一个子模块。比较器的速度、延时、功耗等性能在一定程度上也制约着整个电子器件的性能。

比较器是将模拟信号转换成数字信号的关键模块，它将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较，当输入电压大于基准电压时，对应输出二进制数字信号1,反之输出数字0。并且当输入电压的差值增大或者减小时，其输出电压的差值保持恒定不变。由于电路结构的复杂以及MOS器件的不匹配和延时的存在导致了比较器的速度、功耗等重要指标面临着巨大挑战。此外，随着芯片几何尺寸的逐渐减小，低压操作也显得至关重要。然而带有双尾结构的比较器恰能解决以上问题，它在低压应用中具有更好的综合性能。

1双尾比较器

对于一个实际的比较器来说，很难实现满幅输入输出的轨到轨操作，但可利用电容对输入进行简单的去耦来实现轨到轨操作［3］，但这种方法不仅增加了生产成本，而且由于其C-V特性中体现出了很强的非线性和很大的噪声干扰，因此这种方法并没有得到广泛应用［4］。图1是一个高速低功耗的双尾比较器［5］,这种设计结构避免了基于电容的输入网络，且既能提高电路的驱动能力（提高了电流），又能提高锁存器的再生速度［6］。为获得更大的锁存器再生速度，将两个控制晶体管T9和T10以交叉耦合的方式分别并联在了T8和T11的两边。当时钟为低电平（Clock=0）时，比较器处于复位模式，晶体管T1和T16均处于截止状态以避免产生静态功耗，此时T8和T11导通，可将节点N1、N2