一种并行模数转换器中的比较器的设计方法技术

本发明专利技术提出了一种并行模数转换器中比较器的设计方法。方法中采用的比较器电路以反相器阈值电压量化技术为基础，通过改变反相比较器中晶体管的尺寸以获得不同的转换阈值电压，由此选择出具有合适转换阈值电压的比较器组成相应的电压比较器阵列。方法主要针对现有技术中存在的问题，对晶体管尺寸数据组的生成方法，待选反相比较器转换阈值电压的计算方法以及反相比较器阵列的筛选方法做出改进，由此形成了一种高效、快速、灵活的设计方法。利用此方法，集成电路设计人员可以在短时间内完成并行模数转换器中比较器的设计、分析和优化工作，从而得到更有效的比较器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于模数转换器设计领域，具体涉及一种用于高速并行模数转换器中比较器的设 计方法。
技术介绍
模数转换器(Analog-to-Digital Converter, ADC)是本领域中公知的，其作用是将电压或 者电流形式的模拟信号转换成数字信号的一种装置。 一般根据模数转换器的分辨率、采样速 率、功耗等参数的不同，可以把模数转换器划分成不同的种类。而参数一方面决定了模数转 换器的结构，同时也限制了模数转换器的运用范围。如逐次逼近式模数转换器(Successive Approximation ADC)按顺序逐步将模拟信号转换成数字信号，通常每一个时钟周期转换一位， 即几位模数转换器就需要几个时钟周期完成转换。此种类型的模数转换器兼顾了速度和功耗 的需求， 一般适用于中等转换速度、中高分辨率的运用。另一类型的模数转换器，并行或快闪式模数转换器(Parallel/FlashADC)。由于它的并行 比较器结构，使得所有的转换工作可以在一个时钟周期内完成，是速度最快的模数转换器结 构， 一般适用于高速、低分辨率的运用。其基本设计思想是将一个未知的模拟输入信号和一 组已知的、均分的参考值进行比较，利用比较器将未知模拟输入信号转换成温度计码。通常 情况下N位的并行模数转换器需要2N-1个比较器，此类型的模数转换器所占的面积、消耗的 功耗和输入电容都随位数增长而急速增加， 一般很少用来实现8位以上的模数转换。目前，随着集成电路设计及制造技术的飞速发展，纯粹的模拟电路设计或数字电路设计 已基本结束。大多数情况下，电路设计工程师面对的都是数字信号和模拟信号混合的电路设 计。然而作为混合信号系统芯片(System-on-Chip, SoC)重要组成部分的模数转换器的设计 却面临着如高速转换、低功耗、低电压等诸多问题的困扰。尽管采用GaAs工艺、双极型工 艺或者BiCMOS工艺可以设计并制造出满足速度要求的模数转换器，但是所带来的兼容性问 题及成本问题等又制约了其在混合信号芯片设计中的应用。在过去的20年间，随着CMOS 工艺的进步和CMOS模拟集成电路设计技术的不断提高，CMOS工艺由于其低成本、低功耗、 便于和数字电路集成等特点，已被证明是混合信号系统设计的最佳选择。这使得设计并制造 一种满足高速转换、低功耗、低电压和数字电路高度兼容的模数转换器成为可能。为了应对这些问题，目前提出了一种叫做反相器阈值电压量化技术(Threshold Inverter Quantization ,TIQ)的方法。这种方法由AUTangel所提出，并由宾夕法尼亚州立大学的K. Choi 及其同事所发展。这种方法得名于使用两个级联的内建比较电压的反相器作为比较器。电压比较器通过改变晶体管的尺寸或参数来达到改变内建比较电压的目的，因此不需要传统的阶 梯电阻来产生参考电压，避免了在CMOS工艺中实现阶梯电阻所带来的面积和匹配等问题。 这使得这种方法十分适于既要考虑兼容性，又要考虑低功耗，还要考虑低电压的混合信号芯 片中高速度模数转换器的设计。K. Choi等人在此基础上实现随机尺寸变化法(Random Size Variation technique, RSV) 和系统尺寸变化法(Systematic Size Variation technique, SSV)来进行反相比较器的设计，但 是无论是RSV还是SSV都面临着如比较器阈值电压计算时间过长，比较器阵列筛选方法单 一，且易受工艺变化影响等诸多问题。例如在反相比较器的转换阈值电压计算阶段，传统的 反相比较器设计方法需要花费大量的时间，如文献(J. Yoo, K. Choi and D. Lee "Comparatorgeneration and selection for highly linear CMOS flash analog-to-digital converter," J. Analog Integr.Circuits Signal Process., vol. 35, pp. 179, 2003)中所述的方法，执行该计算至少需要5台 Sun-Blade 2000型工作站同时进行运算，大约4个小时才能完成28000个点的计算。本专利技术 将针对这些问题做出改进。本专利技术的目的在于提供一种用于并行模数转换器中比较器的设计方法，特别用以克服利 用反相器阈值电压量化技术进行比较器设计中面临的诸多问题，降低设计难度，缩短设计时 间，减少设计成本。一个反相比较器的结构图如图1所示，图中的反相比较器14由两个级联的内建比较电压 的反相器12, 13组成。而两个反相器12， 13分别由一个P型金属氧化物半导体场效应管 (PMOS) IO和一个N型金属氧化物半导体场效应管(NMOS) 11组成。反相比较器的输入 为V^，第一级反相器12的输出为、，第二级反相器13的输出为V。m，即整个反相比较器 14的输出。当两反相器12和13的参数相同时，反相比较器和其中比较器的转换阈值电压可 由下式描述其中V^p和Vt朋分別代表反相比校器中PMOS管10和NMOS管11的阈值电压，V。d表 示电源电压。而kp，pC。x (W/L)p和kn=pnC。x (W/L)n ，式中的 和 分别代表空穴和电子的 迁移率，C。x代表单位面积的栅氧化层电容，(W/L)p和(W/L)。分别代表反相比较器中PMOS 管和NMOS管的宽长比。由上式可以看出若要获得不同的转换阈值电压，可以通过改变V。d、 VTHP、 VT皿或W/L来实现。如将比较器阵列中的各反相比较器连接到不同的电源电压vdd上可以获得不同的转换阈 值电压。也可以通过调整不同比较器区域的掺杂浓度来实现不同的转换阈值电压。但是这两 种方法不但存在非线性变化的问题，而且在工艺和设计上也难以实现。比较简单的办法是通
技术实现思路
过改变比较器的宽长比来获得不同的转换阈值电压，这也是反相比较器设计中使用的方法， 通过固定上式中的晶体管的长度可将该公式转换成如图2所示，这样， 一个反相比较器的转换阈值电压V,n21可由反相比较器中两级反相 器12和13中，PMOS管IO和NMOS管11的宽度Wp/W。的比值决定。图中曲线20标明了 反相器12的电压传输特性，即图1中的、的电压传输特性；曲线22则标明反相器13，也是 整个反相比较器14的电压传输特性。点21标明了反相比较器14和其中两个反相器12， 13 的转换阈值电压V^，直线25标明了输入电压的变化特性。从图中可以看出当输入电压Vw25 小于Vm21时，反相器12输出为低，而反相器13输出为高；当输入电压V^25增大到超过Vm21 时，反相器12输出为高，而反相器13输出为低。曲线24描述了减小电路中PMOS管10的 宽度Wp并增大NMOS管11的宽度Wn后，转换闽值电压Vm,23的取值和此情况下的电压 传输特性；曲线26描述了增大反相比较器中PMOS管10的宽度Wp并减小NMOS管11的宽度Wn后，转换阈值电压Vm"25的取值和此情况下的电压传输特性。转换阈值电压l，n23ffVm，max25标明了反相比较器的转换阈值电压的取值范围，也标明电路中晶体管的宽度的取 值范围。这简化了转换阈值电压的计算方法，使其更本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种并行模数转换器中比较器的设计方法，其特征在于：以反相器阈值电压量化技术为基础，构建基本的比较器结构；通过改变反相比较器中晶体管的尺寸以获得不同的转换阈值电压；选择具有合适转换阈值电压的反相比较器并组成相应的电压比较器阵列；提供一种晶体管尺寸数据组的生成方法；提供一种待选反相比较器转换阈值电压的计算方法；提供一种反相比较器的筛选算法。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈英涛，
申请(专利权)人：云南大学，
类型：发明
国别省市：53[中国|云南]