高增益三级比较器设计与仿真研究

 

　　比较器可以比较一个模拟信号和另一个模拟信号或者参考信号，并且输出比较得到的二进制信号。这里所说的模拟信号是指在任何给定时刻幅值都连续变化的信号。严格意义上讲，二进制信号在任何时刻只能取得两个给定值中的一个。

　　比较器被广泛使用于开关电源和数模转换器中，此外还应用于过零检测系统(zero-crossing detectors)、峰值检测系统(peak detectors)、全波整形系统(full-waverectifiers)等。

　　1 比较器的设计

　　本文设计的比较器是一个高增益的三级比较器，第一级为普通差分放大器，第二级为折叠式共源共栅差分放大器，第三级为共源极放大器和一个推挽式反向放大器。另外还有一个为放大器提供偏置的偏置电路。

　　1.1 比较器一级放大器

　　第一级放大器即比较器的输入级电路，如图1所示，为普通结构的差分放大器，和带隙基准电压源的运算放大器的第一级结构基本相同，所以不再对其进行分析。

　　调节管子参数使其所有管子处于饱和区，仿真其增益-频率特性，结果如图2所示。

　　

 

　　图1 比较器的输入级

　　

 

　　图2 增益极折叠式共源共栅差分放大器

　　1.2 比较器第二级放大器

　　比较器的第二级放大器又称中间级或增益极。采用PMOS管作为折叠式共源共栅结构的的输入管，电路如图2所示。PMOS管可以采用以衬源短接以消除衬偏效应。对其进行输出增益仿真如图3所示。

　　

 

　　图3 放大级瞬时仿真波形

　　1.3 比较器输出级

　　如图4所示，输出级由M13和M14组成的共源极放大电路和M15和M16组成的推挽式反向放大器共同组成。

　　

 

　　图4 比较器的输出级

　　1.4 偏置电路设计

　　如图5所示，偏置电路采用共源共栅电流镜的，二极管连接的M19、M21和M23用来作为分压电路，调节管子参数使所有管子处于饱和区。

　　

 

　　图5 比较器偏置电路

　　2 比较器的仿真结果分析

　　基于0.18μm CMOS工艺在Hspice下进行仿真。采用电源电压VDD=1.8V。

　　首先对本文设计的比较器进行瞬态仿真，当输入Vin1=0.6V，Vin2=sin(0.6 500m 1k)时，输入输出波形如图6所示。图3所示的是一级输出、二级输出和三级共源级输出的波形。

　　

 

　　图6 输入输出的瞬时仿真

　　对输出的增益进行仿真，如图7所示。可见最大增益为143dB。在-3dB处增益为143dB，频率为377kHz。用。meas语句测试其最大增益、-3dB增益和-3dB增益频率如图8所示。

　　

 

　　图7 输出总增益仿真

　　

 

　　图8 输出增益和频率的测试

　　3 结束语

　　文中电路图在LTspice下得到netlist后，在Hspice中进行仿真。文献中增益为104dB，工作频率145kHz，文献[2]的增益为104dB，工作频率为710kHz。本文在结构上都采用三级结构，可见本文设计的比较器既可用作PWM比较器也可用于限流比较器，其本质都是相同的。