一種低功耗高精度電流比較器的設(shè)計(jì)

余飛，高雷，王春華

（1.長沙理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，湖南 長沙410114；2.湖南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙410082）

隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，高性能的電路設(shè)計(jì)成為設(shè)計(jì)難題[1-2].電流模電路相比于電壓模電路具有更好的傳輸特性，在高頻工作時(shí)不需要考慮雜散電容和寄生電容的影響[3-5]，并且能夠在低電源電壓下工作，在靜態(tài)工作點(diǎn)固定的情況比電壓模電路具有更好的輸入特性.

電流比較器作為ADC（Analog-to-Digital Converter）的接口，負(fù)責(zé)將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，所以電流比較器的性能好壞對ADC的性能有很大影響.通常電流比較器在ADC中不是單獨(dú)存在，當(dāng)其功耗過高時(shí)會嚴(yán)重影響到整個(gè)ADC的性能.對于電流比較器我們通常關(guān)心的是它的功耗和傳播延遲，因此，設(shè)計(jì)低功耗低延遲的電流比較器是非常重要的.

電流比較器通常分為兩類[6]：第1類是將輸入電流與電路的靜態(tài)工作電流進(jìn)行比較，電路的輸入級負(fù)責(zé)將電流轉(zhuǎn)換為可供增益級處理的電壓，作為反饋控制電路的阻抗特性和幅頻特性，并且能夠改善電路的傳輸特性，增益級使得電路能夠產(chǎn)生軌對軌輸出電壓.該類型電路可以用于簡單的電流修正，如共模反饋電路.第2類是比較雙端輸入電流，該結(jié)構(gòu)通常是由差分結(jié)構(gòu)組成，常用到差分放大器，差分放大器可以抑制共模噪聲并且提高電路的處理精度，但該類型電路的缺點(diǎn)是提高了電路的復(fù)雜性和流片的面積與成本，通常該結(jié)構(gòu)適用于并行的ADC.

電流比較器的輸入級通常可以通過簡單的電流鏡來實(shí)現(xiàn)，但由于電流鏡有限的輸出阻抗和電流傳遞誤差，使得電路的優(yōu)化通常需要改善電路的恒流特性[7-8].最早的電流比較器是由Traff[9]提出的基于源隨級（共漏放大器）的電流比較器，它具有較小的輸入阻抗，所以電路處理速度較快，由于支路使用的MOS管的數(shù)量較少，能夠工作在低電源電壓（不需要額外的電壓偏置電路）下.但是該結(jié)構(gòu)有個(gè)明顯的缺點(diǎn)，當(dāng)動態(tài)范圍內(nèi)小部分信號輸入時(shí)可能存在死區(qū)，同時(shí)，該電路具有較為明顯的背柵效應(yīng)（閾值電壓的變化）.

為了改善電路的傳輸特性，Sridhar等人[10]使用cascade結(jié)構(gòu)作為輸入級，該結(jié)構(gòu)具有較高的輸出阻抗，由于MOS管的屏蔽效應(yīng)，使得恒流特性得到了較為可觀的改善，但該電路無法抑制溝道調(diào)制效應(yīng)，并且在低電源電壓（通常為1 V或更低）且不使用額外的電壓偏置的前提下難以使MOS管全部工作于飽和區(qū)域.

為了進(jìn)一步解決由于溝道調(diào)制效應(yīng)帶來的電流傳輸問題，Badal等人[11]提出使用Wilson電流源作為輸入，并使用推挽放大器和反相器獲得軌對軌輸出電壓.由于Wilson電流源良好的恒流特性，并且能夠工作在亞閾值區(qū)（柵源電壓略微低于閾值電壓），該結(jié)構(gòu)被廣泛用作輸入級.但該結(jié)構(gòu)也存在兩點(diǎn)不足，第一，當(dāng)輸入小信號時(shí)（比如輸入電流差為100 nA），單級放大不足以輸出軌對軌電壓；第二，該結(jié)構(gòu)不能比較雙支路差分電流.針對該結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的問題，本文提出了一種改進(jìn)型的基于Wilson電流源的電流比較器.

1 電路原理

1.1 Wilson電流源

Wilson電流源如圖1（a）所示，該結(jié)構(gòu)具有較大的輸出阻抗，M1和M2組成了簡單的電流鏡，M3作為Wilson電流源的反饋提高了該結(jié)構(gòu)的輸出阻抗.輸出阻抗由公式（1）給出：

式中:gMx，x={1，2，3}為MOS管的跨導(dǎo)；rdsx為MOS管的導(dǎo)通電阻.假定gM1=gM2=gM3，且gM1rds1≥1，該式可以表達(dá)為rout=rds3gM1rds1，該輸出阻抗遠(yuǎn)大于簡單電流鏡的輸出阻抗，由于該結(jié)構(gòu)不能實(shí)現(xiàn)真正的恒流特性（M1與M2的漏源電壓不同），故有關(guān)文獻(xiàn)提出了另一種改進(jìn)型結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，當(dāng)M3和M4的柵源電壓相等時(shí)，即Vgs3=Vgs4，該結(jié)構(gòu)的傳輸特性由公式（2）給出：

式中：W和L分別為MOS管溝道的寬度和長度.

不難看出，改進(jìn)型的Wilson電流源消除了溝道調(diào)制效應(yīng)，是一種高精度的電流源.

圖1 電流源電路Fig.1 Current source circuit

1.2 差分放大器

為了比較雙端輸入電流，將差分放大器作為中間級，原理如圖2所示.最簡單的差分級包含兩個(gè)輸入MOS管，一個(gè)尾電流源和電流鏡負(fù)載，該結(jié)構(gòu)的增益由公式（3）表述：

式中：rdsN1，2、rdsP5，6分別為MN1，2和MP5，6的導(dǎo)通電阻.

為了得到軌對軌輸出電壓，通常希望差分級的增益足夠大，但通過增加增益發(fā)現(xiàn)只能增大gMN1，N2或是增大輸出電阻.忽略電流源電阻，Vout端的時(shí)間常數(shù)由公式（4）給出：

式中：CgdN2、CgdP6分別為MN2和MP6的柵漏電容；CdbN2、CdbP6分別為MN2和MP6的漏極到襯底電容；rdsN2、rdsP6分別為MN2和MP6的導(dǎo)通電阻.

增加增益后，不難發(fā)現(xiàn)該點(diǎn)的時(shí)間常數(shù)會同時(shí)增加，時(shí)間常數(shù)的增加意味著電路傳播延遲的增加，這與設(shè)計(jì)的初衷是相違的，所以輸出需要經(jīng)過輸出增益級來改善輸出特性.

1.3 輸出增益級

對于輸出小信號而言，輸出增益級顯得尤為重要，輸出增益級如圖3所示，輸出增益級由2個(gè)共源放大器M1、M4和一個(gè)CMOS反相器組成，輸出信號經(jīng)過共源放大器放大，最終通過CMOS反相器對信號進(jìn)行處理.對于單級的共源放大器而言，每一級的增益可以由公式（5）表示：

式中:rout對應(yīng)于每個(gè)單級放大器的輸出阻抗（rds1‖rds2和rds3‖rds4，rds1～4分別為M1～4的導(dǎo)通電阻）；gM1，4為輸入管M1和M4的跨導(dǎo).不難看出，只需要增加輸出阻抗便可以得到較高的開環(huán)增益.

對于CMOS反相器而言，當(dāng)M4的漏極電壓為高電壓時(shí)，輸出為Vss（在本設(shè)計(jì)中Vss接地），相應(yīng)地，當(dāng)M4的漏極電壓為低電壓時(shí)（Vd4-VthN＜0），輸出為VDD，當(dāng)Vd4接近VthN（NMOS的閾值電壓）時(shí)，M6進(jìn)入亞閾值狀態(tài)，其導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于M5的導(dǎo)通電阻，其最終的輸出電壓由公式（6）給出：

式中：rs6為M6的內(nèi)阻.

圖3 輸出增益級Fig.3 Gain stage of output stage

1.4 基于Wilson電流源的電流比較器

本文提出的基于Wilson電流源的電流比較器電路原理圖如圖4所示.

圖4 提出的基于Wilson電流源的電流比較器電路圖Fig.4 Circuit diagram of current comparator based on Wilson current source

該電路采用差分結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，由于Wilson電流鏡作為輸入級，該結(jié)構(gòu)的輸入阻抗為：

式中：gMx和rdsx分別為MOS管的跨導(dǎo)與內(nèi)阻，該結(jié)構(gòu)的輸入阻抗是較低的.不難看出，該結(jié)構(gòu)的輸入阻抗能夠通過增加M5和M4跨導(dǎo)減小.M22～M23作為電路的輸出級，其輸出阻抗為：

式中：KN為MOS的導(dǎo)電因子.

從式（8）和式（9）可以看出，該電路的輸出阻抗主要由M22～M23的寬長比決定，晶體管尺寸能夠有效地增加電路的負(fù)載能力.

2 仿真結(jié)果

本文提出的電路主要結(jié)構(gòu)為：M1～M6和M7～M12組成的兩個(gè)輸入端，I1為信號電流輸入端，I2為電流參考端，M1～2和M7～8為輸入端電路提供電流偏置，M13～M17組成了簡單差分級，M17為差放的尾電流源，通過改變其兩條支路上電流變化以改變輸出電壓，該結(jié)構(gòu)用于比較雙端電流.M18～M23組成了輸出增益級，M18～M21組成了兩個(gè)共源放大器，而M22～M23為反相器.最后簡單的偏置電路由MB1和MB2組成.該電流比較器的瞬態(tài)仿真如圖5所示.當(dāng)溫度為40℃，工藝為TT，輸入差分電流為1μA的時(shí)候，電路功耗在TT工藝角下的變化曲線如圖6所示.

電路使用Spectre和Hspice進(jìn)行仿真，并使用TSMC 0.18 CMOS工藝和IC5141進(jìn)行布線，電源電壓VDD為1 V，I1端輸入方波電流，其上升沿和下降沿設(shè)置為0.2 ns；I2輸入?yún)⒖茧娏鳎斎雲(yún)⒖茧娏魍ǔ橹绷麟娏?，在輸入差分電流?μA的情況下，該電路取得了2.2 ns的傳播延遲，低于大多數(shù)已提出的電流比較器結(jié)構(gòu)的傳播延遲.該電路精度較高，當(dāng)輸入?yún)⒖级穗娏鳛? nA時(shí)能正常工作.表1給出了圖4所示電路的MOS管參考尺寸比例，對于放大器負(fù)載而言，為了得到更高的輸出擺幅，負(fù)載管的阻抗通常不能過大，所以在本設(shè)計(jì)中使用較大比例的PMOS負(fù)載，同時(shí)為了減小電路的傳播延遲，放大器的輸入管尺寸通常不會太大（考慮開環(huán)增益與傳播延遲之間的折衷）.如圖7所示，對于不同的負(fù)載大小，輸入級的帶寬會有較大的不同，因此減小負(fù)載電容的大小是十分必要的.

圖5 電流比較器的瞬態(tài)仿真Fig.5 Transient wave of current comparator

圖6 電路功耗（溫度為40℃，工藝為TT，輸入差分電流為1μA）Fig.6 Circuit power consumption（temperature is 40℃，process is TT and input differential current is 1μA）

表1 圖4所示電路中MOS管的參考寬長比Tab.1 Width-to-length ratio of MOS transistors in the circuit shown in Fig.4

圖7 輸入級帶寬（不同工藝角TT，F(xiàn)F，SS）Fig.7 Bandwidth with input stage（different corner TT，F(xiàn)F and SS）

圖8給出了因?yàn)殡娐凡煌耆珜ΨQ和電流源的有限阻抗所導(dǎo)致的尾電流源處抖動電壓的大小.表2給出了近年來已提出的電流比較器的性能參數(shù)，包括功耗、延遲、電源電壓、工藝類型；通過比較不難發(fā)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)取得了較低的延遲，功耗也低于大多數(shù)結(jié)構(gòu)（95μW，TT工藝角下，溫度為40℃）.對于文獻(xiàn)[8]中提出的電路結(jié)構(gòu)（采用DCCⅡ作為輸入級），盡管延遲很低，但電路結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)隨著溫度的變化，靜態(tài)工作點(diǎn)漂移嚴(yán)重，對電路的實(shí)用性產(chǎn)生了較大的影響.綜合比較已提出的結(jié)構(gòu)，本文中的基于Wilson電流鏡的電流比較器具有較小的功耗和延遲.

圖8 抖動電壓（差分級尾電流源）Fig.8 Offset voltage（different stage）

由于比較器負(fù)載通常為容性負(fù)載和有源負(fù)載，圖9和圖10分別給出了比較延遲隨著容性負(fù)載大小和電流源負(fù)載大小的變化曲線.在不同負(fù)載情況下，電路的比較延遲變化不大.圖11給出了當(dāng)電流I2為5 nA時(shí)，隨著I1變化，Vout變化的DC曲線，該電路能夠正常工作.

表2 本文與已發(fā)表的電流比較器性能參數(shù)比較Tab.2 Comparison of performance parameters with published current comparators

圖9 比較延遲（隨容性負(fù)載大小變化）Fig.9 Compares delays（varying with value of capacitive loading）

圖10 比較延遲（隨電流源負(fù)載大小變化）Fig.10 Compares delays（varying with value of current source loads）

圖11 當(dāng)電流I2為5 nA時(shí)，隨著I1變化，Vout變化的DC曲線Fig.11 The DC curve of I1 varies with Vout when the current I2 is 5 nA

3 結(jié)論

本文提出了一種基于Wilson電流源的低功耗低延遲電流比較器.首先介紹了幾種典型的電流比較器，特別是基于改進(jìn)電流源結(jié)構(gòu)的電流比較器，并分析了Wilson電流源的特性.所提出的電流比較器的傳播延遲為2.2 ns，功耗為95μW，其傳播延遲低于大多數(shù)已提出的比較器，并且操作速度和功耗與先前的高速設(shè)計(jì)相當(dāng).