Strong ARM比较器电路的工作原理

“比较器是模数转换器ADC中的核心电路之一。研究比较器失调等非理想因素的产生机制对提高ADC性能具有重要意义。鉴于此，本文以Strong ARM比较器为例，从工作原理和失调两个方面对Strong ARM进行介绍。”

01 Strong ARM比较器电路

Strong ARM比较器是由T.Kobayashi等人提出的[1].Strong ARM比较器具有结构简单、无静态功耗以及能够产生轨到轨输出等优点[2]。图1为常见的Strong ARM比较器电路结构。

图1 Strong ARM比较器

02 工作原理

如图1所示， 当时钟信号CK为低电平时，开关管S1-S4导通进而将节点P、Q、X和Y置为高电平；开关管M7关断，输入对管M1和M2的源极电压会被充到某一个高电平。对应的等效电路如图2所示。

当时钟信号CK为高电平时，开关管S1-S4关断；开关管M7导通，输入对管的源极电压被放电至电源地。输入电压Vin1和Vin2存在电压差(假设Vin1>Vin2)，与M2相比，M1管栅极电压高，对P点的放电速度要快于M2对Q点的放电速度。当P点电压等于Vdd-Vthn时，此时M3管导通，X点也会从电源电压Vdd开始放电。当X点电压被放电至Vdd-|Vthp|时，M6管导通Y点被充电至Vdd,X点快速泄放至电源地，最终实现一次比较操作。

图2 复位阶段等效电路图

图3 比较器各关键节点的电压变化图

03 失调

由比较器工作原理可知，开关CK变化为高电平时，开关管S1-S4关断，从而减小了其失调的影响。在M3(M4)开启之前，仅输入对管M1与M2参与工作，因此其失调对总的输入失调电压具有决定性影响。对于M3和M4，由于其失调电压等效到输入端需要除以电压增益A1(约为4)[2],因此其失调电压可忽略。M5和M6亦是如此。因此，比较器的等效输入失调电压主要受输入对管M1和M2的失配决定。

如图4所示，不考虑输入对管宽长以及阈值电压等因素产生偏差的影响，仅考虑节点Q和P不同寄生电容CQ和CP对输入失调的影响。

图4 比较器初始放大阶段等效电路图

假设M1和M2的跨导相等且为gm1,2，M1和M2流过的静态电流均为ICM,则P和Q点的电压差可表示为[2]

(1)

由公式(1)可知，在初始比较阶段(放大)，VP-VQ对应的累积失调电压为(Cp-Cq)/(Cp Cq)ICMt。放大阶段结束且Latch开始工作时，对应的时间t约为Vthn (Cp+Cq)/(2ICM)。因此放大阶段产生的失调电压可表示为Vthn*(Cp/Cq-Cq/Cp)/2。由此可得，通过并联若干小电容来调节P和Q点寄生电容相等的方法减小失调电压。其等效原理如图5所示。

图5 可编程电容消除失调电压