CC BY
94
УДК 681.324.687
НИЗКОВОЛЬТНЫЙ САМОКАЛИБРУЮЩИЙСЯ КОМПАРАТОР ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ПРЕЦИЗИОННЫХ КМОП-АЦП
^И. Рембеза, В.С. Кононов
Проведен анализ известных способов динамической компенсации напряжения смещения и схем компараторов на их основе. Предложен низковольтный компаратор с одним источником питания с напряжением 1,8 В ± 5% и чувствительностью до 10-40 мкВ
Ключевые слова: компаратор, АЦП, компенсация, смещение
Совмещение высокой скорости и прецизионности в одном КМОП-АЦП является сложной технической задачей. Обычно наиболее быстродействующие КМОП-АЦП с производительностью 1-2 GSPS (Giga Samples Per Second) имеют невысокую разрядность (8-10 бит) [1]. Прецизионные КМОП-АЦП, наоборот, имеют высокую разрядность (14-24 бит), но их быстродействие существенно ниже и резко падает по мере увеличения количества разрядов. Так, например, быстродействие современных 14-разрядных КМОП-АЦП, изготовленных по кремниевой технологии с проектными нормами
0,13-0,18 мкм, не превышает 200-250 MSPS (Mega Samples Per Second) [2].
Основные факторы, которые
ограничивают быстродействие прецизионных КМОП-АЦП, и способы преодоления их влияния на процесс преобразования во многом определяются архитектурой преобразователей.
В конвейерных КМОП-АЦП (14-16 бит) такими факторами являются, в основном, низкая чувствительность компараторов и инерционность усилителей сигналов остатков преобразования. В существующих КМОП-АЦП последовательного приближения (16-18 бит) и Д-Е-АЦП (18-24 бит) определяющим фактором является чувствительность компараторов.
В данной статье рассматривается высокочувствительный КМОП-компаратор с динамической компенсацией напряжения смещения.
I. Способы динамической компенсации напряжения смещения
Возникновение проблемы динамической
Рембеза Станислав Иванович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. (473) 2 43-76-95
Кононов Владимир Сергеевич - ВГТУ, соискатель, тел. (473) 2 23-46-79
компенсации напряжения смещения
обусловлено ограничениями способов лазерной и электрической компенсации, осуществляемой обычно в ручном режиме [1-3]. Как показала практика, применение этих способов позволяет скомпенсировать напряжение смещения в лучшем случае до 1,5-2 мВ, что недостаточно для обеспечения приемлемой точности даже 14-разрядных КМОП-АЦП. Способы динамической компенсации напряжения смещения свободны от указанных ограничений [4]. Они основаны на автоматическом запоминании напряжения смещения на связанных конденсаторах в предусилителе и его последующем вычитании из выходного дифференциального напряжения (рис. 1).
а)
Рис. 1. Схемы компенсации напряжения смещения с входными (а) и выходными (б) конденсаторами: ПУ - предусилитель;
Сі, С2 - конденсаторы хранения;
КГК6 - ключи; ивх, ивых - входное и выходное дифференциальные напряжения
На рис. 1, а, компенсация напряжения смещения осуществляется замыканием петли с единичным усилением вокруг предусилителя и хранением напряжения смещения на входных связанных конденсаторах.
На рис. 1, б, компенсация напряжения смещения производится закорачиванием входов предусилителя и хранением напряжения смещения на выходных конденсаторах.
В реальных схемах (рис. 1, а, б) всегда присутствуют токи утечки. Поэтому уровень компенсации напряжения смещения будет зависеть от времени хранения этого напряжения на конденсаторах. Если напряжение смещения компенсируется в каждом цикле дискретизации, влияние токов утечки становится незаметным и уровень компенсации может достичь нескольких десятков микровольт. Однако этого недостаточно для получения требуемой на практике высокой (до 1 мВ) чувствительности КМОП-компаратора. Так как коэффициент усиления предусилителя, обычно, не превышает 10-100, размах выходного напряжения оказывается недостаточным для компенсации смещения в защелке на выходе предусилителя. Одним из возможных вариантов компенсации напряжения смещения в такой защелке является использование многокаскадного предусилителя с большим усилением и компенсацией напряжения смещения в каждом каскаде [4] (рис. 2). Однако реализация схемы (рис. 2) на практике требует больших затрат площади кристалла. Поэтому применение такой схемы ограничено КМОП-АЦП последовательного приближения, в которых используется только один подобный компаратор. Для прецизионных конвейерных КМОП-АЦП, содержащих на одном кристалле от нескольких десятков до нескольких сотен компараторов, необходимы компактные самокалибрующиеся компараторы [1, 4].
Наиболее компактным из известных самокалибрующихся компараторов считается компаратор с двумя источниками питания [1] (рис. 3). Основными недостатками этого компаратора являются необходимость использования двух источников питания и ограниченный размах выходных напряжений.
В следующем разделе описывается низковольтный КМОП-компаратор,
архитектура которого основана на использовании способа динамической компенсации напряжении смещения, описанного в [1].
«/*
О
-О
ь°
I
Рис. 2. Компаратор с многокаскадным предусилителем: ДУь ДУ2, ... ДУР - предусилители;
С1... Сп+! - конденсаторы хранения;
КгКш+1 - ключи;
З - защелка;
ивх, ивых - входное и выходное дифференциальные напряжения
II. Низковольтный самокалибрующийся КМОП-компаратор с одним источником питания
На рис. 4-6 показаны блок-схема компаратора (рис. 4, а), временные диаграммы управляющих сигналов (рис. 4, б), а также электрические схемы ядра (рис. 5) и формирователя КМОП-уровней (рис. 6). При создании компаратора предполагалось, что этот компаратор будет использоваться в условиях ионизирующих излучений, которые приводят к изменению физических характеристик КМОП-транзисторов.
При низких напряжениях питания ип = 1,8 В ± 5% основной проблемой является обеспечение устойчивой работы аналоговых блоков в ядре компаратора, которые наиболее чувствительны к изменению пороговых
и
ив,
^в,
и
Рис. 3. Самокалибрующийся компаратор с двумя источниками питания:
Ть Т2 - дифференциальная пара транзисторов;
Т3, Т4 - нагрузочные транзисторы;
Т5, Т6 - буферные транзисторы;
Т7-Т12 - ключевые транзисторы;
Тв-Т16 - транзисторы, включенные по схеме «токовое зеркало»;
С!, С2 - конденсаторы хранения (СрС2); ивх - входное напряжение; ивых, N0^ - прямое и инверсное выходные напряжения; Ф, пф - прямые и инверсные управляющие сигналы; иоп - опорное напряжение; ип+, ип- - напряжения питания положительной и отрицательной полярности
напряжений КМОП-транзисторов. Как следует из рис.5, для сохранения линейного режима работы ядра при перезаряде конденсаторов Сь С2 важно обеспечить условие
ип ^ |инасдп| + |ипорип|.
(1)
Здесь ин
напряжение насыщения
транзисторов в дифференциальных парах, а ипорип - пороговое напряжение транзисторов в истоковых повторителях.
При ип = 1,8 В - 5% правая и левая части неравенства (1) близки по величине, но, тем не менее, это неравенство не нарушается. Другим следствием применения низких напряжений питания является малый размах напряжений на выходе ядра компаратора (точки А и Б на рис.5). В нашем случае этот размах составляет около 0,3 В, что недостаточно для управления КМОП-устройствами на выходе компаратора. Отмеченный недостаток свойственен всем известным самокалибрующимся компараторам.
В описываемом компараторе размах выходных напряжений повышается с помощью
ивх и
а)
Ф1
ф2
Фз
и
б)
Рис. 4. Блок-схема (а) и временные диаграммы управляющих сигналов (б) компаратора: ивх - входное напряжение;
, Кивых - прямое и инверсное выходные напряжения; иоп - опорное напряжение
дополнительного тактируемого формирователя КМОП-уровней (рис.6), в качестве которого используется защелка [3]. Для исключения влияния собственного смещения защелки (около 30 мВ) на работу компаратора, процесс защелкивания выходных напряжений происходит в момент времени, когда размах напряжений в точках А, Б составит не менее 100 мВ.
Как показали проведенные исследования, самокалибрующийся КМОП-компаратор
обеспечивает устойчивую работу при опорных напряжениях от 0,05 В до 0,75 В, напряжении питания 1,8 В ± 5% и температуре окружающей среды от -60°С до 85°С. При этом рабочий цикл компаратора составляет около 1,3-1,7 нс, а чувствительность достигает 10-40 мкВ. В общем случае чувствительность будет ограничиваться тепловым шумом, который зависит от температуры подложки микросхемы. Этот факт необходимо учитывать при проектировании прецизионных КМОП-АЦП и обеспечивать отвод избыточного тепла, возникающего при рассеянии потребляемой мощности.
R,
UK
___,, Ф1 ,,
---Т Ф2 "
Ртч
и
ип
1
t^TcTb
А
IH
HI-
C ± ф ф Г
R?
Rз
_Г
Рис. 5. Ядро компаратора:
Rl-R3 - нагрузочные резисторы (R1=R2);
С1, С2 - конденсаторы хранения (С1=С2); иоп - опорное напряжение
III. Заключение
1. Известные архитектуры
самокалибрующихся компараторов используют от одного до двух источников питания с
Рис. 6. Формирователь КМОП-уровней
высоким напряжением, что приводит к значительному потреблению мощности и, как следствие, к ограничению чувствительности.
2. Предложенный КМОП-компаратор работает при напряжении питания 1,8 В ±5% и имеет чувствительность до 10-40 мкВ. Рабочий цикл экспериментального компаратора составляет около 1,3-1,7 нс.
Литература
1. Razavi B. Design Techniques for High-Speed, High-Resolution Comparators / B. Razavi end A. Bruce // IEEE Journal of Solid-State Circuits. - 1992. - vol.27. - №12, p. 1916-1925.
2. АЦП фирмы Analog Devices // www/analog/com.
3. Okada H. Offset Calibrating Comparator Array for 1.2-V, 6-bit, 4-Gsample/s Flash ADCs using 0.13-^m generic CMOS technology / H. Okada end an. // ESSCIRC 2003 Proceedings. - 2003, p. 711-714.
4. Razavi B. Design of Analog CMOS Integrated Circuits / B. Razavi // McGraw-Hill publishers. - 2001. -677p.
Воронежский государственный технический университет
LOW VOLTAGE AUTO CALIBRATING COMPARATOR FOR HIGH SPEED HIGH PRECISION CMOS ADC
S.I. Rembeza, V.S. Kononov
Analysis of dynamical offset voltage compensation methods and comparator circuits is done. Low voltage comparator circuit with one power source of 1.8 V ± 5% and 10-40 ^V sensitivity is offered
Key words: comparator, ADC, compensation, offset
