一種新型的高性能CMOS電流比較器電路
2020-11-22 電子產品世界
1 引言
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201809/388691.htm隨著VLSI 特徵尺寸的不斷縮小和高速?低功耗應用需求的不斷增加， 電流型電路逐漸受到廣泛的重視。 與傳統的電壓型電路相比， 電流型電路具有面積小、速度快、可在低電壓下工作和與數字CMOS 集成電路工藝完全兼容的特點， 成為取代電壓型電路的一種有效方式， 現已經廣泛應用於A /D變換器、濾波器和神經網絡的VL S I 實現中。
作為電流型電路的一個基本單元， CMOS 電流比較器最簡單的一種結構是將兩個共源共柵電流鏡的輸出電流之差通過一個電壓比較器放大， 得到一個電壓比較信號。 為了提高輸出電壓信號的幅度，通常需要在後面級聯幾組容性負載的CMOS 反相器。 但是， 由於共源共柵電流鏡的輸出阻抗較大， 加入容性負載會造成電流比較器的響應速度下降。 針對速度的問題， 出現了幾種高速電流比較器。 圖1 (a) 為Traff提出的一種高速CMOS 電流比較器， 其中I in表示兩組輸入電流之差，V out表示輸出的比較結果。 為了提高輸出電壓的幅度， 通常在後面還需加入幾組CMOS 反相器， 為簡單起見圖中略去這部分電路。 這個電流比較器的輸入級(M 1 和M 2) 是一個起電流2電壓轉換作用的源跟隨級， 輸出級(M 3和M 4) 是一個起負反饋作用的CMOS 互補放大器，當輸入電流之差I in發生變化時， 這個負反饋可以抑制輸入端電壓的變化， 所以這種電流比較器具有較小的輸入和輸出阻抗， 與基於共源共柵電流鏡結構的傳統電流比較器相比有較小的響應時間。 但是， 當I in在變化過程中值很小時， 在一段時間內兩個輸入管M 1 和M 2 有可能同時處於關斷狀態， 這時的I in主要是對寄生電容充電或放電， 所以在這種情況下電流比較器仍具有較大的輸入阻抗。 故對於這種電流比較器， 隨著輸入電流的減小， 響應速度急劇下降。 針對這個問題， Tang提出了一種改進型的CMOS 電流比較器， 如圖1 (b) 所示。 它加入了兩個工作在飽和區的MO S 管MB1、MB2 以及相應的四個偏置電流源， 這實際上是將輸入級的工作方式由B 類改為AB 類， 避免M 1 和M 2 同時關斷的情況發生， 從而提高了在小電流輸入情況下電流比較器的響應速度。 但是， 這個電路結構比較複雜， 四個電流源的具體值對電路性能有較大影響， 而且由於MB1和MB2 管的襯底與源端相聯， 使得製作工藝必須採用複雜的雙阱工藝。 M in提出了另一種高速CMOS 電流比較器， 它由三個具有恆流源負載的反相放大器和一個CMOS 反相器組成， 同時為第一個反相放大器加入了電阻反饋網絡， 這可以減小電流比較器的輸入阻抗。 儘管這個電路具有較高的速度和較好的工藝容錯性， 它的比較精度受到偏置電流的限制。 為了獲得較高的比較精度， 需要採用較大的偏置電流， 從而加大電路的功耗。 此外， 由於採用恆流源負載的反相放大器， 當電流比較器的輸入電流增加時， 這個電路的功耗不會降低， 這與Tang 設計的電流比較器和本文設計的電流比較器不同。 針對上述幾種電路的缺點， 本文提出了一種新型的高性能CMOS 電流比較器， 它的特點包括速度快、功耗低、結構簡單和工藝容錯性好。
圖1 現有的幾種高速CMOS 電流比較器
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