浅析Comparator动态噪声的仿真

大家好！转眼又是年底了。这一年马上要过去，不知道大家今年收获到了什么呢？

高速ADC一直是个特别火的课题，无论是科研还是实际项目。与此同时，高速动态comparator的设计也就随之非常普遍。在这里，作者君想跟大家分享一下自己所采用的两种对comparator input referred noise的仿真方法。大家有什么疑问或者经验分享，请在评论区留言。

一个典型的dynamic comparator，如图所示：

来自：Liu， Chun-Cheng， Soon-Jyh Chang， Guan-Ying Huang， and Ying-Zu Lin. “A 10-bit 50-MS/s SAR ADC with a monotonic capacitor switching procedure.” IEEE Journal of Solid-State Circuits 45， no. 4 （2010）： 731-740.

这篇来自CC.Liu的SAR ADC 设计，目前citations已经过千，想必很多读者都看过了。没看过的建议去看看，确实是经典。

对于一个这样的comparator，没有传统的模拟pre-amp，整个电路都是dynamic的。因此，如何对input referred noise进行仿真呢？作者君有如下两种方法：

Transient noise

大致的思路是这样的：

加一个快于实际工作的时钟频率；

在输入端加一个DC的差（比如一端是0.5VDD，另外一端加0.5VDD+0.2mV）;

计算仿真时间内的counting number，和correct counting number（比如时钟频率是1GHz，仿真时间是1us，那么应该是1000个counts；用viva的calculator计算正确的counts）；

扫描不同的输入DC差之下，正确的counts的数量（比如输入差是0.1mV，0.2mV，0.3mV，etc.）;

当正确的counts数量大约是84%的时候，我们认为此时的input差就是一个sigma（50%+0.5*68%=84%）；

当PVT改变的时候，可以不断重复上面的步骤，来求得对应的sigma；

Transient Noise settings and simulation results （Input difference is 0.1mV）

作者君的transient noise设置和仿真结果如上图。可以看到，当input的差别很小的时候（Vip大于Vin），本来应该是只有Vop出现pulse，Von全部应该是0。但是由于noise的存在，导致某些错误的输出。

按照前面的方法，用calculator计算出全部和正确的counts数量。可以看到，目前的正确counts大概是84%，也就是对于一个input referred noise sigma.

PSS+Pnoise

大致的思路是这样的：

加一个快于实际工作的时钟频率；

在输入端加一个DC的差；

采用PSS，PAC， Pnoise的仿真；

Pnoise计算出integrated output noise（用V^2/Hz作积分然后sqrt做开方）；

PAC计算出comparator的gain；

第四步得到的noise除以第五步得到的gain，就是input referred noise;

Input difference is 0.1mV.Pnoise integration is from 1Hz to 500MHz. The output noise is 34.86mV.With PAC gain of 51dB （363.584）， the input referred noise is 0.096mV ~ 0.1mV.

相比于Transient noise，这种pnoise的方法一步就能得出input referred noise；所以也有paper专门对比过效率。

上面这张图是input差为0.1mV时候的仿真结果。作者君又勤快了点，多跑了一个仿真：

Input difference is 0.2mV.Pnoise integration is from 1Hz to 500MHz. The output noise is 17.35mV.With PAC gain of 45dB （181）， the input referred noise is 0.096mV ~ 0.1mV.

当input差别变成0.2mV的时候，相对应的输出pnoise变小了差不多一半（34mV变成17mV），同样的，PAC得到的增益gain也减小了一半。因此，最后得到的input referred noise也基本上没变。

最后，对比一下transient noise 和Pnoise的结果，可以看到，我们拿到的input referred noise差不多都是0.1mV。哈哈哈，结果挺相符的，太棒了！（作者君这个comparator做得不错吧？加大input pair的size真的是挺有用的……就是面积有点大……囧）

参考文献：

https://www.cadence.com/content/dam/cadence-www/global/en_US/videos/tools/custom-_ic_analog_rf_design/NoiseAnalyisposting201612Chalk%20Talk.pdf

https://www.researchgate.net/publication/270105586_Noise-aware_simulation-based_sizing_and_optimization_of_clocked_comparators

PS：关于加的时钟频率比实际工作频率要高这点，作者君不是特别确定。希望读者们可以给出评论。谢谢大家！

在正常的用vpwl sweep comparator一端，固定另外一端的transient仿真时，比如工作频率是250MHz，可能出现因为时钟上升沿刚好没有对齐输入过零点导致的误差。这种情况下，加500MHz的时钟，可能会避免出现这种误差。

编辑：jq