CMOS高增益比较器
一种高精度动态CMOS比较器的设计与研制
种 高精度 动态 Ｃ ＭＯＳ比较器 ，采用 二级 差分 比较和 一级动 态 正反馈 ｌｔｈ结构实现 了高比较 精度 。预增益 和 Ｌ ｔｈ ａ ｃ ａｃ
级 的应 用 降低 了 功 耗 。设 计 中 充 分 考 虑 了 工 艺 离 散 性 和 使 用 环 境 温 度 与 电 源 变 化 的 影 响 ，保 证 了 成 品 率 和 电 路 在 变 化
工作环 境下性 能指标 的实现 。仿真 结果表 明 ，设计 的 高速 动态 比较器 Ｌ Ｂ （ ｅｓ Ｓｇ ｉ ｃｎ ｉ）为士 ．５ Ｓ Ｌ ａｔ ｉｎｆ ａ ｔ ｔ ｉ Ｂ ０１ ｍＶ，输入 动 态范 围为 Ｄ（ 为地 电压 ， Ｄ为 电源 电压 ） ，相应 于 ｌ ４位 比较精 度 。功耗 ６２ ｍＷ，工 作频率 ３６ ｚ ．８ ．ＭＨ 。电路
境 的适 应 能 力 。该 比较器 可 以应 用于 高 精 度模 数 转 换 器 中 ，实 现 １ ４位 以上 的模 数 转换 。
２ 比较 器 电路 结 构 设 计
图 ｌ 出一 两级 比较 器 的基 本 结构 ，包 括 一 级 差 分 比较 加 一级 反 示 相放 大 。采 用 差 分输 入 便 于 控 制 比较 器 跳 变 电压 的离 散性 ，使 之 对 工 艺和 电源 电压 的变 化 不敏 感 ，而 反 相级 则 补 偿 了差 分输 入 级增 益 低 的 缺 陷 ，对 输 出信 号 进 行放 大 。 这种 结 构 的 比较 器 增益 可 写为 ：
但 在 高 速 高 精 度 的应 用 场 合 ，如 本 文设 计 的 用 于 ｌ 精 度 的 Ａ／ 转 换 器 中 ，由于 要 综 合 考虑 比较 器 ４位 Ｄ 的增 益 、 失调和 转 换 速 率 ，不 能 简 单地 依 赖 这 些 参 数 的调 整 来 取 得 高 增 益 。 另外 ，这 种 结 构 只 能工 作 于静 态 条 件 ，而在 如 Ａ／ Ｄ、Ｄ／ 转 换 器 等 应 用 场 合 ，每 次 比较 都 由一 时钟 信 号 控 制 ， 比较器 在 信 号 的 Ａ 跳 变 沿 进 行 比较 ，处于 动 态 工作 状态 ，再 考 虑 到功 耗 的 降低 等 ，对 电路 性 能提 出了 更 多 的要 求 。
0.18um数字cmos工艺下的高增益运算放大器设计
0.18um数字cmos工艺下的高增益运算放大器设计
在0.18um数字CMOS工艺下，设计高塔益运算放大器需要考虑到各种因素。
以下是一些设计考虑和技术要素:
1.确定设计目标:首先需要确定设计高增益运算放大器的目标，例如放大器的增益、带宽、功耗等。
这些目标将直接影响设计的选择和决策。
2.选择台适的放大器架构:根据设计目标，选择合适的放大器架构。
例如，可以采用两级或三级放大器架构,以实现较高的增益和带宽。
3.优化输入和输出阻抗:输入和输出阻抗是影响放大器性能的重要因素。
通过优化输入和输出阻抗，可以提高放大器的增益、带宽和线性度。
4.考虑电源电压和功耗:在数字CMOS工艺下，电源电压和功耗是必须要考虑的因素。
通过优化电路设计和选择台适的器件。
可以降低功耗并提高电源效率。
5.考虑工艺偏差和失配:在数字CMOS工艺中，由于制造工艺的偏差和失配，会影响放大器的性能。
因此，在设计时需要考虑到这些因素，并采取相应的措施进行补偿和调整。
6.进行仿真和测试:在设计完成后，需要进行仿真和测试以验证设计的正确性和性能。
通过仿真和测试，可以发现并解决设计中存在的问题，并进行优化和改进。
总之。
在0.18um数字CMOS工艺下设计高增益运算放大器需要综合考虑各种因素。
并进行优化和调整。
通过不断改进和迭代，可以获得高性能、可靠性的放大器设计。
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cmos电压比较器工作原理
cmos电压比较器工作原理CMOS电压比较器作为一种常见的电子电路元件，广泛应用于模拟电路和数字电路中。
它主要用于比较两个电压信号的大小，并根据比较结果产生输出。
本文将详细介绍CMOS电压比较器的工作原理，从输入端、比较器电路、输出以及工作过程等方面加以说明，以帮助读者更好地理解和应用CMOS电压比较器。
一、输入端：CMOS电压比较器的输入端主要包括正向输入端（+IN）和反向输入端（-IN）。
+IN和-IN分别接收待比较的两个电压信号。
在比较器工作过程中，电压信号较大的输入端通常被连接为正向输入端，而电压信号较小的输入端则连接为反向输入端。
比较器根据这两个输入端的电压差异来判断两个输入信号的大小。
二、比较器电路：CMOS电压比较器的核心是比较器电路，它根据输入信号的电压差异来产生输出结果。
比较器电路一般由多个晶体管和电阻器组成。
例如，一个常见的CMOS电压比较器电路是由两个互补MOS（CMOS）晶体管构成，分别是P型MOS晶体管和N型MOS晶体管。
这两个晶体管通过控制电压的变化来实现电压比较和输出的切换。
CMOS电压比较器的输出主要有两种状态，即高电平和低电平。
输出根据输入信号的电压差异来切换状态。
当+IN电压大于-IN电压时，输出为高电平；当+IN电压小于-IN电压时，输出为低电平。
输出信号可被进一步使用于数字电路中的逻辑电路或模拟电路中的信号处理。
假设我们有一个CMOS电压比较器，输入端的+IN接收一个电压信号Vin=3V，而-IN接收一个电压信号Vin'=2V。
在这种情况下，比较器电路将根据这两个输入信号的差异来产生输出。
由于Vin大于Vin'，所以比较器的输出为高电平。
如果Vin=2V，Vin'=3V，那么比较器的输出将会是低电平。
四、工作过程：CMOS电压比较器的工作过程可以分为下述几个步骤：1.输入阶段：输入信号通过正向和反向输入端输入到比较器电路中。
2.比较阶段：比较器电路根据输入信号的电压差异进行比较，并判断电压的大小关系。
适用于SAR ADC的CMOS比较器的设计
适用于SAR ADC的CMOS比较器的设计广泛应用于从模拟信号到数字信号的转换过程当中。
在模一数转换过程中，经过采样的信号经过比较器以打算模拟信号输出的数字值。
比较器可以比较一个模拟信号和另外一个模拟信号或参考信号的大小。
比较器大都采纳开环模式，这种开环结构不必对照较器举行补偿，同时，未举行补偿的比较器可以获得较大的带宽和较高的频率响应。
然而因为MOS 器件的失配误差，以及的增益和速度之间的互相制约，使得在一定工艺条件下同时实现比较器的高速和高精度十分困难。
本文提出一种带时钟控制的可再生比较器，适用于在时光上离散的信号。
此设计在传统的前置预放和锁存器级联的理论基础上，通过引入交错耦合负载、复位和钳位技术，与文献相比，实现了更高的速度和相对较高的精度。
2 比较器结构与设计该比较器的结构简化1所示。
它由两级结构相同的前置放大器和一级带有复位再生的高速锁存器组成，每一级中都带有一个内置正反馈的设计。
前置放大器使输入的变幻足够大，并且将其加载到锁存器的输入端，这样获得的最佳特性。
2.1 前置放大器的设计及优化传统的前置放大器结构2所示，这种内置正反馈比较器由一个差分输入对，一个伪源和一对交错耦台负载组成，负载衔接成差分的模式。
M1和M2组成差分输入对，M3、M33、M4、M44组成带有正反馈的负载，以提高电路的增益，这个正反馈单元电路可以通过调节M3、M4和M33、M44管的宽长比(W／L)来形成弱正反馈或强正反馈。
2.2 前置放大器电路中的正反馈分析正反馈是通过衔接到M3和M4的源一漏极的并联反馈。
其比较的工作过程为：差分输入信号加到NMOS对管M1和M2的栅极，假设一端加正第1页共4页。
cmos比较器原理
cmos比较器原理
CMOS比较器是一种电路器件，用于比较两个电压的大小，
并输出其比较结果。
其原理是基于CMOS技术，使用MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）作为开关。
CMOS比较器通常由一个或多个差分对和输出级组成。
在一个典型的CMOS比较器中，差分对由两个高阻抗输入的MOSFET组成，一个作为正输入，一个作为负输入。
当输入
电压中的一个大于另一个时，相应的MOSFET导通，将电荷
传递到输出级。
输出级由两个CMOS反向驱动的晶体管组成，一个在正电压上驱动，另一个在负电压上驱动。
这些反向驱动的晶体管将电荷从输入级传递到电路输出，产生一个高电平或低电平的输出电压。
当两个输入电压相等时，差分对中的两个MOSFET都处于相
反的导通状态，输出级中没有电荷传递，输出电压保持不变。
而当一个输入电压大于另一个电压时，差分对中相应的MOSFET会导通，将电荷传递到输出级，输出电压发生变化。
输出电压的变化可以通过反馈电路来增强，并改善比较器的性能。
CMOS比较器具有低功耗、高转换速度和较大的输入电阻等
优点，使其在数字电路中得到广泛应用。
它常用于模数转换、电压级移位和逻辑控制等领域。
由于CMOS比较器不需要额
外的功耗，它在电池供电等低电源电压条件下的应用非常适合。
cmos电压比较器工作原理
cmos电压比较器工作原理CMOS电压比较器是一种常用的电子器件，它可以将两个输入电压进行比较，并输出相应的逻辑信号。
本文将简要介绍CMOS电压比较器的工作原理。
CMOS电压比较器由两个互补的MOS管组成，通常为n型和p型MOS管。
其中n型MOS管通常被称为NMOS管，p型MOS管则被称为PMOS管。
这两个MOS管的控制端一般用一个差分输入电路来形成，分别对应输入电压的正和负端。
CMOS电压比较器通常由以下三个部分组成：差分输入电路、比较器和输出电路。
首先是差分输入电路。
它由两个输入晶体管和一个负反馈电路组成。
输入电压通过差分输入电路被分成正、负两支，正输入端和负输入端分别与输入电压的正负端相连。
正负两支输入电压的大小决定了输入电压的大小和极性。
接下来是比较器。
比较器是用来将输入电压转换为输出电压的核心部分。
通常情况下，比较器由两个互补MOS管构成。
输入电压经过差分输入电路后，相应的信号被传递到互补MOS 管。
当输入电压的正支大于负支时，NMOS管将被打开，PMOS管将被关闭；反之，当输入电压的负支大于正支时，NMOS管将被关闭，PMOS管将被打开。
因此，比较器将输入电压的大小和极性转换为了不同的管路状态。
最后是输出电路。
输出电路用于提取和输出比较器的输出信号。
输出电路通常由一个或多个电晶体管组成，它们的工作状态与比较器的输出信号相关联。
比如，当开关管为导通状态时，输出电压为高电平；相反，当开关管为截止状态时，输出电压为低电平。
总的来说，CMOS电压比较器利用差分输入电路将输入电压的大小和极性转换为互补MOS管的不同状态。
这样，它可以非常快速地将输入电压的信息转换为输出电压信号，并输出给后续电路进行处理。
CMOS电压比较器在数字电路和模拟电路中广泛应用，比如在模数转换器、自适应滤波器和通信系统中。
需要注意的是，本文所列出的是CMOS电压比较器的基本工作原理，实际的电路中可能还会包含其他的电路元件或功能模块，以实现更精确的比较和输出。
CMOS比较器(6)解读
M8 M6
Mb2 IREF2
Vout1
Vin Iss cloc k
Vout2
M1
M2
Vb1
M4 M b3
M9 M10
M7
M8
Mb1
M11
22
设计的前置放大器
AV
M7 M8 M10 M9
gM 4 gM 0 gM 1
Vom
clk M11
Vop
晶体管 M1,M2,M3,M4
尺寸W/L(m) 2u/180n 600n/180n 500n/180n 4u/300n 1u/180n
+ －
一部分失调电压。
回踢噪声的来源
12
开关电容比较器
在许多A/D转换系统应用中，输入端常会有一个采样保持电路。这样会使得
输入信号在采样时钟相位发生变化时才变化。这种应用的比较器可以采用开关电 容的结构，这是一种将开关电容电路和开环应用比较器相结合的电路。其特点是 可以采用单端结构的电路来比较差分信号，而且很方便使用自动校零技术来消除
VOSlatch
Out+
Latch
Out-
2 Input Re ferred Offset V
OSpreamp
1 2 VOSlatch 2 AV
增益越大越大越好？
预放大级减小比较器输入失调电压原理图
正反馈锁存器前边加一级预放大器，预放大器内部和输出端加载隔离电 路，使得其输出信号多次衰减后到达信号的输入端。加载的隔离电路越 多，回踢噪声衰减的就越大
再生锁存器结构
总的失调电压为 ：
2 V V
OS OS 1
1 2 V OS 2 Alatch
cmos运算放大器和比较器的设计及应用
cmos运算放大器和比较器的设计及应用CMOS运算放大器和比较器是集成电路中常见的两种功能模块，它们在电子设备中的应用非常广泛。
本文将介绍CMOS运算放大器和比较器的设计原理和应用。
我们先来了解一下CMOS运算放大器。
CMOS运算放大器是一种基于互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的放大器，它采用了互补对称的MOS管结构，具有低功耗、高增益、高输入阻抗和良好的共模抑制能力等优点。
CMOS运算放大器通常由差分放大电路和输出级组成。
差分放大电路是CMOS运算放大器的核心部分，它由两个互补对称的差分对（Differential Pair）和负反馈电路组成。
差分放大电路的输入信号通过差分对进行放大，然后经过负反馈电路进行稳定和控制。
通过调整差分对的工作电流和电压偏置，可以实现不同的放大倍数和频率响应。
CMOS运算放大器的应用非常广泛，主要包括模拟信号放大、滤波器设计、电压比较器、ADC/DAC等。
在模拟信号放大方面，CMOS运算放大器可以用于音频放大器、视频放大器、传感器信号放大等。
在滤波器设计方面，CMOS运算放大器可以用于实现低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。
在电压比较器方面，CMOS 运算放大器可以用于比较两个电压大小并输出高低电平信号。
在ADC/DAC方面，CMOS运算放大器可以用于模拟信号的采样和转换。
接下来，我们来了解一下CMOS比较器。
CMOS比较器是一种用于比较两个电压大小的电路，它的输出是一个数字信号，表示两个输入信号的大小关系。
CMOS比较器通常由差分放大电路和输出级组成。
差分放大电路是CMOS比较器的核心部分，它由两个互补对和负反馈电路组成。
差分放大电路的输入信号通过差分对进行放大，然后经过负反馈电路进行稳定和控制。
通过调整差分对的工作电流和电压偏置，可以实现不同的比较阈值和响应时间。
CMOS比较器的应用非常广泛，主要包括电压比较、模拟信号判别、开关控制等。
在电压比较方面，CMOS比较器可以用于比较两个电压的大小并输出高低电平信号。
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三、相关参数具体仿真
在仿真前一定要首先确定运放的实际负载，包括电阻、电容负载，还 应包括电流源负载，只有负载确定之后，仿真出的结果才是有意义的。 不同的应用场合对运放的性能指标要求也不一样，并不需要在任何时 候都要将运放的所有指标都进行仿真，所以，在仿真之前要明确应该要 仿真运放的哪几项指标，那几项指标是可以不仿真的。在仿真时，要对 不同的指标分别建立仿真电路，这样有利于电路的检查。 DC、AC分析是获得电路某一性能指标信息的一种手段，它需要一些 相关的条件来支持，当我们忽略了某一条件或者根本没有弄清还有哪些 条件时，DC、AC分析的结果就可能与实际情况不一致，导致错误的发生。 瞬态仿真则是反映出电路工作的现象，只有瞬态仿真通过，才能说明电 路具备了相应的能力。
输入失调电压仿真电路
注：对单电源运放，Vi取幅度为共模点的直流电压，对双电源运放Vi = 0。 测出VO值。则有VOS = |VO - Vi| (mV)
• 比较阈值 定义：
实际比较器输入与比较参考电平之间的差值需要大于一定数值后比较器 才能输出正确的数字信号。此最小值就是阈值。
Vin+ Vref Vin
V-
M1
M2
V+ Rz Vout
R1 Cc M3 GND M4 M5
CL
一种典型的两级差分运放结构
增益：
g m2g m5 Av= (g ;g ds6 )
主要 极点： p1 =- g 输出电阻：
g m5 1 p 2 =CL m5 rO2,4 rO5,6 CC
g m2 带宽： GB= CC
注：Vi为幅度为1，相位为0的交流信号 （vsin）。对电路进行AC分析(1Hz~1GHz )。 负载RL、CL根据实际电路确定。
开环增益仿真电路
幅频、相频曲线图
• 失调电压(VOS) 定义：
定义：实际运放中，当输入信号为零时，由于输入级的差分对不匹配及 电路本身的偏差，使得输出不为零，而为一较小值，该值为输出失调电压， 折算到输入级即为输入失调电压（VOS）。
Vth
+
比较器 -
Vout
Vref Vin+ t
Vout
t
• 增益(Gain)、带宽(GBW)、相位裕度(phase margin)、增益 裕度(gain margin) 定义： 开环增益：低频工作时（ƒ< 200HZ），运放开环放大倍数。 增益带宽积：随着频率的上升，A0会开始下降，A0下降到 0dB时的频率即为GBW。 相位裕度：为保证运放工作的稳定性，当增益下降到0dB时， 相位的移动应小于180度，一般取余量应大于60度，即相位的移 动应小于120度。 增益裕度：为保证运放稳定性，除相位裕度外，还应保证： 当相位移动达到180度时，增益要小于0dB，一般要有10dB裕量， 即当相位移动达到180度时，增益要小于-10dB。
-1 零点： Z1 = R ZCC -CC /g m5
1 R out = (g ds5 +g ds6 )
二、指标要求
• • • • • • • • VDD=3.3V±10%，CL=0.5pF 增益Gain≥70dB 带宽GBW ≥50MHz 相位裕度PM ≥60° 失调电压≤20mV 比较阈值<5mV 响应时间<5µ s 比较基准为1V
集成电路课程设计
CMOS高增益比较器
一、CMOS比较器基本工作原理
1. 传统的电压比较器（预放大锁存比较器）
优点：增益无限大(正反馈) 响应速度快(高速A/D用) 锁存输出与逻辑易兼容 缺点：电流大 失调电压大(不好控制) 精度较低
3. 运算放大器
Vin+ Vout Vin差分运算放大器
VDD M7 M6 M8