适用于SAR ADC的CMOS比较器的设计

　　比较器要在规定的时间内分辨出两输入信号之间微小的差值，先通过前置预放在T1时间把输入电压放大到Vin，将Vin加到锁存器的输入端，再经过Tp时间达到要求的输出电压，所以总的响应时间T1+Tp必须足够小。而T1与前置放大器的3dB带宽有关，带宽越高则放大信号的时延越小。此设计中两级前置放大器的-3dB带宽约为50MHz，所以T1较小；Tp与锁存器的输入有关，想使Tp越短，其输入Vin就应该越大。前面的两级前置放大器刚好解决这个问题，可以快速建立锁存器的输入，从而提高电路的工作速度。

　　另外，锁存器较大的输入失调电压和输入管寄生电容的KT／C噪声也会直接影响到比较器的性能，因为这将会限制锁存器的精度。同样通过前两级前置放大器的作用，锁存器的输入失调电压等效到前置放大器的输入端就会变得很小，因此可以较大程度上减小锁存器的输入失调电压和输入MOS管寄生电容的KT／C噪声对比较器性能的影响。

　　设计结果分析与版图

　　为了提高增益和工作速度，输入对管的宽长比取值要稍大些。在设计中第一级和第二级前置放大器的偏置电流取值为52μA，其增益分别为14.75和11.8，带宽为40MHz。前置放大器的大带宽有利于减小其响应时间，经过两级放大后，第三级锁存器的输入电压的最小值为Vin_min×14.75×11.8，锁存器较大的输入相应地减小了锁存器的时间常数，使锁存器的输出达到VOH-VOL的时间减小，实现了锁存器的快速锁存。经过仿真，其性能参数如下：电源电压3.3V，输出VOH-VOL=3.3V，最小分辨率0.8mV，功耗<0.6mW，输出动态范围3.3V。

　　芯片采用了0.18μm的1P6MCMOS设计工艺，在实现高分辨率的同时也能获得较高的速度，模拟结果表明，分辨率可以达到12bit。在版图设计中，为了增强差分管的匹配性，管子和连线都采用全对称的设计结构，版图如图6所示，面积为120μm×130μm。

　　结语

　　本设计介绍了一种ADC中常用的比较器，采用了两级前置放大器和一级锁存器组成的三级结构，而且每一级结构内部都带有内置正反馈。本设计采用了简单的结构，以较小的芯片面积，实现了较高的速度和12bit的高精度，可以广泛应用于高速和高精度的ADC中。