作者：Seyyed Hossein Pishgar1、Alihossein Sepahvand1、Omid Hashemipour2

本文介紹了一種使用可變電壓控制的電流源（VVCCS）實(shí)現(xiàn)的基于比較器的新型緩沖器。可跟蹤電流源的應(yīng)用提供了高精度的性能，不僅能減少輸出節(jié)點(diǎn)的過沖誤差，還能減少過沖誤差相對輸出電壓的變化。同時(shí)利用0.18μm CMOS技術(shù)的仿真對這種方法進(jìn)行了驗(yàn)證，推薦電路的總功耗估計(jì)為616μW。

引言

現(xiàn)在，減少電池消耗已經(jīng)成為電路設(shè)計(jì)師的優(yōu)先任務(wù)之一。最近出現(xiàn)了一種基于新型比較器的開關(guān)電容電路［1］。它可以替代運(yùn)算放大器，而后者與比較器、開關(guān)、電流源和邏輯控制門一起占據(jù)了總功耗的最大部分。雖然基于運(yùn)放的電路能夠迫使輸入節(jié)點(diǎn)形成虛擬地，但基于比較器的電路可以實(shí)現(xiàn)虛地條件。雖然如此，但這些基于比較器的電路存在過沖誤差問題。這種過沖誤差主要來源于比較器有限延時(shí)、電流源響應(yīng)時(shí)間和邏輯控制固有延時(shí)。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，可以使用精細(xì)電流源來減少過沖誤差。在文獻(xiàn)［2］的緩沖器電路中應(yīng)用了基于比較器的開關(guān)電容，它推薦了一種不同的方法來減小過沖誤差。為了補(bǔ)償精細(xì)電流源的損耗，使用了開關(guān)和糾錯(cuò)電阻（圖1（a））。不過這種緩沖器仍然存在明顯的過沖誤差以及過沖誤差相對輸出電壓的變化。

本文提出了可以在基于比較器的緩沖器設(shè)計(jì)中應(yīng)用的新方法，它既能減少過沖誤差，也能減少過沖誤差相對輸出的非線性。

基于比較器的推薦緩沖器電路

推薦緩沖器的構(gòu)建模塊和時(shí)鐘時(shí)序圖分別如圖1.1（b）和（c）所示。雙路輸出比較器用于控制可變電壓控制的電流源。在預(yù)置階段，輸出電壓保持在電路的最低電壓。雖然輸出小于輸入，但比較器的輸出將打開電流源。負(fù)載電容被充電，Vout電壓上升。在？1階段開始時(shí)，E1和E2為0，此時(shí)電路中流動(dòng)的是電流源最大值。隨著Vout的上升，E1成正比增加。接著VVCCS電流值逐漸減小，輸出斜率隨之減小。

E2可低可高。當(dāng)Vout越過輸入電壓值時(shí)，E2被置為高，負(fù)載電容不再被充電。電路固有延時(shí)效應(yīng)通過VVCCS減小了，因此在輸出電壓中產(chǎn)生的過沖誤差值可以忽略不計(jì)。過沖誤差可以用高分辨率比較器進(jìn)一步減小，但會(huì)增加功耗。

圖1：a）帶電阻糾錯(cuò)電路的基于比較器的緩沖器［2］。b）基于比較器的推薦緩沖器電路框圖。c）時(shí)鐘時(shí)序圖。

可變電壓控制的電流源

在推薦電路中使用的定制的可變電壓控制電流源［3］如圖2（a）所示。當(dāng)E1和E2處于最低點(diǎn)時(shí)，輸出電流的最大值將流過輸出端。當(dāng)E1增加時(shí)，M2和M4的電流以及Iout將減小。最終當(dāng)E2被置高時(shí)，M5被關(guān)斷。

定制的比較器

基于比較器的推薦緩沖器中使用的電壓比較器如圖2（b）所示［4］。為了提高比較器的增益，后置放大器電路與文獻(xiàn)［4］有所不同，后者使用NMOS輸入放大器。另外，在這個(gè)比較器中，信號E1由M2的漏極驅(qū)動(dòng)，這個(gè)漏極清楚地再現(xiàn)了信號Vin的變化，而信號E2只有兩個(gè)狀態(tài)。在這個(gè)比較器中有三個(gè)主要模塊：由M1和M2組成的前置放大器級，包含M3-M6的判決電路級，以及由剩余電路組成的后置放大器級。第一級電路只是一個(gè)基本的差分n溝道放大器，連接著來自第二級的有源負(fù)載。第二級電路中的判決過程如下：首先考慮Vin低于Vref的情況。此時(shí)M4導(dǎo)通，M3關(guān)斷。因此所有偏置電流通過M4和M6。在這種情況下，E1和E2處于它們的最低點(diǎn)。隨著Vin增加并接近Vref，M4和M6中的電流開始減小，因此E1從地電平開始逐步按比例增加到Vin，而E2仍然是0。當(dāng)Vin超過Vref電平時(shí)，偏置電流將流過M3和M5?，F(xiàn)在E2使用判決電路的再生屬性快速上升到高電平狀態(tài)。最后，利用后置放大器級電路增強(qiáng)比較器的分辨率。

圖2：a）可變電壓控制的電流源，b）推薦架構(gòu)中的定制比較器。

仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證基于比較器的推薦緩沖器精度，在HSPICE環(huán)境下用0.18μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝和1.8V電源電壓對電路進(jìn)行了仿真。假定共模電壓、正弦輸入信號的幅度和頻率分別是0.9V、0.2V和10KHz。電路工作時(shí)鐘為1MHz，負(fù)載為1pf電容。圖3顯示了推薦電路的輸入、輸出、E1和E2波形。從圖中可以看出，當(dāng)Vout遠(yuǎn)小于Vin時(shí)，Vout電壓以高斜率上升。當(dāng)Vout接近于Vin電壓值時(shí)，輸出斜率會(huì)減小。E1信號應(yīng)跟蹤比較器輸出信號的逐步增加。另外，當(dāng)Vout超過Vin電壓值時(shí)，E2信號狀態(tài)被觸發(fā)。

圖3：信號E1、E2和Vout。

將各種輸入電壓值應(yīng)用于推薦電路，結(jié)果見表1。在信號E2變高過程中對這些結(jié)果進(jìn)行了測試。

表1：過沖誤差與輸入電壓值的關(guān)系，并與基于以前比較器的緩沖器結(jié)果進(jìn)行了比較。

本文小結(jié)

本文介紹了基于比較器的典型緩沖器的新模型。為了最大限度地減小過沖誤差，應(yīng)用了一個(gè)可變電壓控制的電流源，并使用了具有兩個(gè)輸出端的定制比較器。通過與以前先進(jìn)設(shè)計(jì)的比較向我們展示了推薦電路的更好性能。仿真是在采用0.18μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的HSPICE環(huán)境中進(jìn)行的。推薦緩沖器的功耗估計(jì)為616μW。

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