高增益三級比較器設計與仿真研究 - 全文

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　　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(xù)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(guān)電源和數(shù)模轉(zhuǎn)換器中，此外還應用于過零檢測系統(tǒng)(zero-crossing detectors)、峰值檢測系統(tǒng)(peak detectors)、全波整形系統(tǒng)(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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)基本相同，所以不再對其進行分析。

　　調(diào)節(jié)管子參數(shù)使其所有管子處于飽和區(qū)，仿真其增益-頻率特性，結(jié)果如圖2所示。

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　　圖1 比較器的輸入級

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　　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(jié)構(gòu)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。

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　　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。

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　　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(diào)節(jié)管子參數(shù)使所有管子處于飽和區(qū)。

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　　圖5 比較器偏置電路

　　2 比較器的仿真結(jié)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(tài)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。

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　　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?？梢娮畲笤鲆鏋?43dB。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。

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　　圖7 輸出總增益仿真

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　　圖8 輸出增益和頻率的測試

　　3 結(jié)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(jié)構(gòu)上都采用三級結(jié)構(gòu)，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(zhì)都是相同的。