一种新型的高性能CMOS电流比较器电路

　　摘要： 分析了目前几种高性能连续时间CMOS 电流比较器的优缺点， 提出了一种新型CMOS 电流比较器电路。 它包含一组具有负反馈电阻的CMOS 互补放大器、两组电阻负载放大器和两组CMOS 反相器。 由于CMOS 互补放大器的负反馈电阻降低了它的输入、输出阻抗， 从而使电压的变化幅度减小， 所以该电流比较器具有较短的瞬态响应时间和较快的速度。 电阻负载放大器的使用减小了电路的功耗。 利用112Lm CMOS 工艺HSP ICE 模型参数对该电流比较器的性能进行了模拟， 结果表明该电路的瞬态响应时间达到目前快的CMOS 电流比较器的水平， 而功耗则低于这些比较器， 具有的速度/功耗比。 此外， 该CMOS 电流比较器结构简单， 性能受工艺偏差的影响小， 适合应用于高速/低功耗电流型集成电路中。

　　1 引言

　　随着VLSI 特征尺寸的不断缩小和高速？低功耗应用需求的不断增加， 电流型电路逐渐受到广泛的重视。 与传统的电压型电路相比， 电流型电路具有面积小、速度快、可在低电压下工作和与数字CMOS 集成电路工艺完全兼容的特点， 成为取代电压型电路的一种有效方式， 现已经广泛应用于A /D变换器、滤波器和神经网络的VL S I 实现中。

　　作为电流型电路的一个基本单元， CMOS 电流比较器简单的一种结构是将两个共源共栅电流镜的输出电流之差通过一个电压比较器放大， 得到一个电压比较信号。 为了提高输出电压信号的幅度，通常需要在后面级联几组容性负载的CMOS 反相器。 但是， 由于共源共栅电流镜的输出阻抗较大， 加入容性负载会造成电流比较器的响应速度下降。 针对速度的问题， 出现了几种高速电流比较器。 图1 （a） 为Traff提出的一种高速CMOS 电流比较器， 其中I in表示两组输入电流之差，V out表示输出的比较结果。 为了提高输出电压的幅度， 通常在后面还需加入几组CMOS 反相器， 为简单起见图中略去这部分电路。 这个电流比较器的输入级（M 1 和M 2） 是一个起电流2电压转换作用的源跟随级， 输出级（M 3和M 4） 是一个起负反馈作用的CMOS 互补放大器，当输入电流之差I in发生变化时， 这个负反馈可以抑制输入端电压的变化， 所以这种电流比较器具有较小的输入和输出阻抗， 与基于共源共栅电流镜结构的传统电流比较器相比有较小的响应时间。 但是， 当I in在变化过程中值很小时， 在一段时间内两个输入管M 1 和M 2 有可能同时处于关断状态， 这时的I in主要是对寄生电容充电或放电， 所以在这种情况下电流比较器仍具有较大的输入阻抗。 故对于这种电流比较器， 随着输入电流的减小， 响应速度急剧下降。 针对这个问题， Tang提出了一种改进型的CMOS 电流比较器， 如图1 （b） 所示。 它加入了两个工作在饱和区的MO S 管MB1、MB2 以及相应的四个偏置电流源， 这实际上是将输入级的工作方式由B 类改为AB 类， 避免M 1 和M 2 同时关断的情况发生， 从而提高了在小电流输入情况下电流比较器的响应速度。 但是， 这个电路结构比较复杂， 四个电流源的具体值对电路性能有较大影响， 而且由于MB1和MB2 管的衬底与源端相联， 使得制作工艺必须采用复杂的双阱工艺。 M in提出了另一种高速CMOS 电流比较器， 它由三个具有恒流源负载的反相放大器和一个CMOS 反相器组成， 同时为个反相放大器加入了电阻反馈网络， 这可以减小电流比较器的输入阻抗。 尽管这个电路具有较高的速度和较好的工艺容错性， 它的比较受到偏置电流的限制。 为了获得较高的比较， 需要采用较大的偏置电流， 从而加大电路的功耗。 此外， 由于采用恒流源负载的反相放大器， 当电流比较器的输入电流增加时， 这个电路的功耗不会降低， 这与Tang 设计的电流比较器和本文设计的电流比较器不同。 针对上述几种电路的缺点， 本文提出了一种新型的高性能CMOS 电流比较器， 它的特点包括速度快、功耗低、结构简单和工艺容错性好。

图1　现有的几种高速CMOS 电流比较器

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