高增益三級比較器設計與仿真研究

比較器可以比較一個模擬信號和另一個模擬信號或者參考信號，并且輸出比較得到的二進制信號。這里所說的模擬信號是指在任何給定時刻幅值都連續變化的信號。嚴格意義上講，二進制信號在任何時刻只能取得兩個給定值中的一個。

　　比較器被廣泛使用于開關電源和數模轉換器中，此外還應用于過零檢測系統（zero-crossing detectors）、峰值檢測系統（peak detectors）、全波整形系統（full-waverectifiers）等。

　　1 比較器的設計

　　本文設計的比較器是一個高增益的三級比較器，第一級為普通差分放大器，第二級為折疊式共源共柵差分放大器，第三級為共源極放大器和一個推挽式反向放大器。另外還有一個為放大器提供偏置的偏置電路。

　　1.1 比較器一級放大器

　　第一級放大器即比較器的輸入級電路，如圖1所示，為普通結構的差分放大器，和帶隙基準電壓源的運算放大器的第一級結構基本相同，所以不再對其進行分析。

　　調節管子參數使其所有管子處于飽和區，仿真其增益－頻率特性，結果如圖2所示。

　　圖1 比較器的輸入級

　　圖2 增益極折疊式共源共柵差分放大器

　　1.2 比較器第二級放大器

　　比較器的第二級放大器又稱中間級或增益極。采用PMOS管作為折疊式共源共柵結構的的輸入管，電路如圖2所示。PMOS管可以采用以襯源短接以消除襯偏效應。對其進行輸出增益仿真如圖3所示。

　　圖3 放大級瞬時仿真波形

　　1.3 比較器輸出級

　　如圖4所示，輸出級由M13和M14組成的共源極放大電路和M15和M16組成的推挽式反向放大器共同組成。

　　圖4 比較器的輸出級

　　1.4 偏置電路設計

　　如圖5所示，偏置電路采用共源共柵電流鏡的，二極管連接的M19、M21和M23用來作為分壓電路，調節管子參數使所有管子處于飽和區。

　　圖5 比較器偏置電路

　　2 比較器的仿真結果分析

　　基于0.18μm CMOS工藝在Hspice下進行仿真。采用電源電壓VDD=1.8V。

　　首先對本文設計的比較器進行瞬態仿真，當輸入Vin1=0.6V，Vin2=sin（0.6 500m 1k）時，輸入輸出波形如圖6所示。圖3所示的是一級輸出、二級輸出和三級共源級輸出的波形。

　　圖6 輸入輸出的瞬時仿真

　　對輸出的增益進行仿真，如圖7所示。可見最大增益為143dB。在－3dB處增益為143dB，頻率為377kHz。用。meas語句測試其最大增益、－3dB增益和－3dB增益頻率如圖8所示。

　　圖7 輸出總增益仿真

　　圖8 輸出增益和頻率的測試

　　3 結束語

　　文中電路圖在LTspice下得到netlist后，在Hspice中進行仿真。文獻中增益為104dB，工作頻率145kHz，文獻［2］的增益為104dB，工作頻率為710kHz。本文在結構上都采用三級結構，可見本文設計的比較器既可用作PWM比較器也可用于限流比較器，其本質都是相同的。