一種帶有失調(diào)校正功能的高速比較器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及集成電路模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別是一種帶有失調(diào)校正功能的高速 比較器。
【背景技術(shù)】
[0002] 比較器是一個(gè)將兩個(gè)模擬信號(hào)進(jìn)行比較的器件，根據(jù)兩個(gè)模擬信號(hào)的相對(duì)大小產(chǎn) 生相應(yīng)的二進(jìn)制輸出。模擬信號(hào)是在任何給定的時(shí)刻幅值都連續(xù)變化的信號(hào)，理想的二進(jìn) 制信號(hào)是指在任何給定的時(shí)刻只能取兩個(gè)給定值中的一個(gè)的信號(hào)，實(shí)際的二進(jìn)制信號(hào)除了 上述兩個(gè)給定值之外，還存在一個(gè)過渡區(qū)間，比較器的輸出在由一個(gè)值跳變到另一個(gè)值的 時(shí)候，能夠以較快的速度通過這個(gè)區(qū)間。
[0003] 當(dāng)比較器的正向輸入端的幅值大于反相輸入端的幅值，即\>1時(shí)，比較器輸出為 邏輯" 1"，通常為電源電壓（VDD)，當(dāng)比較器的正向輸入端的幅值小于反相輸入端的幅值， 即\〈1時(shí)，比較器的輸出為邏輯"0"，通常為地電位（GND)。對(duì)于實(shí)際的比較器，V p與 差值會(huì)影響判別結(jié)果是否正確，\與Vn的差值過小時(shí)，有可能出現(xiàn)判別錯(cuò)誤，只有當(dāng)兩者的 差值超過一定的幅度時(shí)，比較器才能輸出正確的結(jié)果，這個(gè)幅度稱為比較器的精度。不考 慮精度影響的前提下，對(duì)于理想的比較器，輸入電壓之差的極性發(fā)生變化時(shí)，輸出會(huì)發(fā)生跳 變，但對(duì)于實(shí)際的比較器，由于器件失配等因素的影響，輸入電壓之差的極性發(fā)生變化時(shí)， 輸出并不會(huì)發(fā)生變化，直到輸入之差達(dá)到某個(gè)V l3s值時(shí)，輸出才有變化，這個(gè)差值被定義為 比較器的失調(diào)電壓，它的極性和幅值是隨機(jī)的，并且對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能有很大影響。因此 比較器需要相應(yīng)的校正技術(shù)來(lái)降低失調(diào)電壓，稱為失調(diào)校正功能。
[0004] 比較器按結(jié)構(gòu)可以分為兩大類，一種是放大器結(jié)構(gòu)，另一種是鎖存器結(jié)構(gòu)。放大器 結(jié)構(gòu)的比較器具有正指數(shù)響應(yīng)特性，比較器的增益可以表示為：
[0005] Av (s) = Av(O)/ (1+s/ ωε)= Av(O)/ (1+s τ )；
[0006] 其中，Av(O)是比較器的直流增益，ω。= 1/ τ是比較器頻率響應(yīng)的-3dB頻率，其 中τ為時(shí)間常數(shù)，s是信號(hào)與系統(tǒng)里的基礎(chǔ)元素。
[0007] 鎖存器結(jié)構(gòu)比較器又稱可再生比較器或者雙穩(wěn)態(tài)電路，鎖存器的響應(yīng)時(shí)間可以表 示為：
[0008]
[0009] 其中為τ ^時(shí)間常數(shù)，V 初始信號(hào)值，t表示時(shí)間，e為自然對(duì)數(shù)。
[0010] 通常，高速比較器會(huì)采用預(yù)放大器加鎖存器的混合結(jié)構(gòu)（常見的比較器結(jié)構(gòu)如圖 1所示）。
[0011] 該比較器由預(yù)放大鎖存級(jí)101，二次鎖存級(jí)102和D觸發(fā)器103三級(jí)組成，其數(shù)字 輸出結(jié)果由模擬輸入決定。
[0012] 預(yù)放大鎖存級(jí)原理圖如圖2所示，由一對(duì)差分時(shí)鐘Vdi (201)和Vdib (202)控制預(yù)放 大器和鎖存器交替工作。Vip(203)和Vin(204)為差分輸入端，V cip(205)和Vcin(206)為差分 輸出端，R(207)為負(fù)載電阻。當(dāng)Vdi是高時(shí)，預(yù)放大鎖存級(jí)工作在跟蹤相位，當(dāng)V dibS高時(shí)， 預(yù)放大鎖存級(jí)工作在鎖存相位。
[0013] 在跟蹤相位，預(yù)放大器工作，鎖存器停止工作，其輸出為：
[0014] Vop-Von= A T* (Vip-Vin) * [1-exp (-t/ τ t) ] +Vr*exp (-t/ τ t)
[0015] 其中，At是預(yù)放大器的增益，V γ是上一個(gè)鎖存相位結(jié)束時(shí)的輸出電壓，t表示時(shí) 間，Tt是預(yù)放大鎖存級(jí)跟蹤相位的時(shí)間常數(shù)，τ t=RC，C是輸出節(jié)點(diǎn)的寄生電容。
[0016] 在鎖存相位，鎖存器工作，預(yù)放大器停止工作，預(yù)放大鎖存級(jí)的輸出為：
[0017] Vop-Von = V T*exp (t/ τ t)
[0018] 其中，Vt是上一個(gè)跟蹤相位結(jié)束時(shí)的輸出電壓，τ 7為預(yù)放大鎖存級(jí)鎖存相位的時(shí) 間常數(shù)。
[0019] 二次鎖存級(jí)原理圖如圖3所示，Vip(302)和Vin(303)為差分輸入端，V cip(304)和 Vcin (305)為差分輸出端，由單相時(shí)鐘Vdi (301)控制，當(dāng)Vdi為高時(shí)，二次鎖存級(jí)工作在復(fù)位/ 跟蹤相位，當(dāng)Vdi為低時(shí)，二次鎖存級(jí)工作在鎖存相位。在復(fù)位/跟蹤相位，二次鎖存級(jí)的差 分輸出端之間的阻抗很小，上一個(gè)鎖存相位的輸出狀態(tài)被迅速?gòu)?fù)位，同時(shí)，二次鎖存級(jí)的輸 入驅(qū)動(dòng)其輸出產(chǎn)生一個(gè)差值，在鎖存相位，這個(gè)差值將作為初態(tài)被鎖存至較大擺幅。
[0020] D觸發(fā)器原理圖如圖4所示，由兩級(jí)級(jí)聯(lián)的鎖存器組成，兩級(jí)鎖存器由差分時(shí)鐘 Vck(401)和Vdib(402)控制，當(dāng)其中一個(gè)鎖存器工作在跟蹤相位時(shí)，另一個(gè)工作在鎖存相位。 DFF的輸出為軌至軌的差分信號(hào)。
[0021] 在高速比較器設(shè)計(jì)中，往往采用先進(jìn)的工藝，器件尺寸的縮小會(huì)導(dǎo)致器件失配增 大，因此高速比較器往往存在失調(diào)電壓過大的問題。MOS管的失配與器件尺寸的關(guān)系如下所 示：
[0022]
[0023]
[0024] 為了減小比較器的失調(diào)，從電路設(shè)計(jì)的角度，可以通過增大比較器電路中器件的 尺寸，以降低不匹配帶來(lái)的失調(diào)。但是，器件尺寸的增大不僅增大了芯片面積，而且增大了 寄生電容，不適合于高速設(shè)計(jì)。高速比較器中，通常采用其它的電路技術(shù)，以降低比較器的 失調(diào)進(jìn)而改善整個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能，這些技術(shù)可以粗略分為兩大類：一類是失調(diào)平均技 術(shù)，這種技術(shù)針對(duì)于比較器陣列（通常是比較器陣列中的預(yù)放大器陣列），通過電阻平均網(wǎng) 絡(luò)，使得每個(gè)比較器的失調(diào)電壓往它們平均值的方向移動(dòng)。另一類是失調(diào)校正技術(shù)，通過附 加的電路來(lái)減小比較器的失調(diào)。失調(diào)校正技術(shù)又分為前臺(tái)失調(diào)校正和后臺(tái)失調(diào)校正兩類， 前臺(tái)失調(diào)校正在比較器正常處理信號(hào)前進(jìn)行校正，校正完成后比較器開始轉(zhuǎn)換信號(hào)。后臺(tái) 失調(diào)校正在比較器正常工作過程中進(jìn)行校正，往往需要復(fù)雜的數(shù)字邏輯，占用過多的芯片 面積和功耗。并且，后臺(tái)校正由于數(shù)字邏輯的復(fù)雜性，工作速度較低，限制了比較器的性能。
[0025] 圖5為電阻串平均技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖。該電路由預(yù)放大器陣列501、502、503以及電 阻串平均網(wǎng)絡(luò)（由R 1組成）組成。輸入Vin與參考電壓Vref經(jīng)過預(yù)放大器陣列初步放大后 輸送到鎖存器陣列，預(yù)放大器陣列的輸出節(jié)點(diǎn)如504~509所示。電阻串平均網(wǎng)絡(luò)將相鄰 的預(yù)放大器輸出端節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)端相連，如在電路圖中將504、506、508依次相連，將505、507、 509依次相連。通過這種連接方式，各個(gè)預(yù)放大器的輸出節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生相互作用，每個(gè)輸出節(jié)點(diǎn) 所表現(xiàn)出來(lái)的失調(diào)電壓不再僅僅與對(duì)應(yīng)的預(yù)放大器有關(guān)，同時(shí)也會(huì)和其他預(yù)放大器的失調(diào) 進(jìn)行平均，從而降低了預(yù)放大器陣列的失調(diào)。假設(shè)N個(gè)預(yù)放大器的線性范圍重疊且假設(shè)它 們的失調(diào)不相關(guān)，則輸出信號(hào)的過零點(diǎn)精度可以提高^倍。但是，上述技術(shù)有以下缺點(diǎn)， 首先，只有預(yù)放大器的個(gè)數(shù)很大時(shí)，平均技術(shù)對(duì)預(yù)放大器失調(diào)的抑制效果才明顯。其次，電 阻串平均網(wǎng)絡(luò)會(huì)降低預(yù)放大器的輸出阻抗，進(jìn)而降低其增益。再次，對(duì)于陣列邊緣的預(yù)放大 器，平均效果會(huì)顯著降低，因此往往需要加入一些dummy預(yù)放大器，這會(huì)導(dǎo)致功耗以及跟蹤 保持電路（T/Η)負(fù)載電容的增加。最后，根據(jù)已有文獻(xiàn)的理論分析和流片測(cè)試結(jié)果，電阻串 平均技術(shù)對(duì)失調(diào)的抑制程度是有限的，效果不如失調(diào)校正技術(shù)。
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