ADC中高速比较器的设计+文献综述(7)
2.2.3 开关电容比较器（Switched Capacitor Comparator）
开关电容比较器属于离散时间比较器。它将受时钟信号控制的开关电容电路和2.2.1节介绍的开环应用的比较器相结合。基本思想是在两个相位阶段分别将待比较的模拟差分输入信号采样至单端，在第二相位阶段，利用电容两端电压不能“突变”的特点，得到开环比较器的输入端信号为两次采样的输入信号之差，即差分输入信号，同时完成直流失调电压的自动校零。除了能够方便地减小失调电压以外，开关电容比较器的另一个优点是可以采用单端结构的电路对差分信号进行比较。
图2.9为一种典型的开关电容比较器电路。其中A为比较器的增益，该比较器在Ф1和Ф2两个相位阶段分别对输入信号V1和V2进行采样，并在Ф2相位阶段完成比较。
图2.9 开关电容比较器
Ф1相位期间，放大器闭环应用，处于单位增益负反馈模式，放大器两输入端“虚短”，输出电压与放大器的两个输入电压相等，满足
(2.9)
电容C上存储的电荷量为
(2.10)
Ф2相位期间，放大器处于开环放大模式，放大器两输入端“虚断”。此时电容C没有电流通路，电荷量保持为Q，电容两端的电压满足下面的关系式
(2.11)
因此Ф2相位期间比较器的输出电压为
(2.12)
接下来分析开关电容比较器的速度。在Ф1相位阶段，电路的时间常数取决于开关的导通电阻和电容C的乘积，以及比较器在单位增益时的动态特性，所有的这些时间常数很小，所以Ф1相位阶段比较器的响应比较快。而在Ф2相位阶段，比较器的速度主要取决于其开环响应，类似于2.2.1节中对开环比较器响应的分析。所以，相对于Ф1相位阶段，Ф2相位阶段比较器的速度对整个周期比较器的速度影响更大。
除了能够用单端方式比较差分信号，开关电容比较器的另一个优点是可以降低放大器的失调电压。关于减小甚至消除失调电压的具体方法，将在后面的章节中详细介绍。
但是开关电容比较器中使用了较多的开关和电容，所以存在较严重的电荷注入效应[21]和时钟馈通效应。需要通过增加虚拟器件[22]来解决这个问题，也可以将 PMOS 和 NMOS 结合起来作开关管来减小电荷注入效应。
2.2.4 可再生比较器（Regenerative Comparators）
可再生比较器[23]又称为Latch电路。利用了正反馈来实现两个模拟输入信号的比较。它也是一种离散时间比较器，工作方式类似于触发器，一般其工作过程可分为两个阶段：第一阶段，正反馈被禁止，将待比较信号加至输入端，即给锁存器输入端施加初始电压；第二阶段，通过正反馈，将第一阶段所施加的初始电压进行比较，并锁存输出为全摆幅的数字电平。
锁存器为这类比较器的重要组成部分，在下面的章节将详细介绍不同锁存器对比较器性能的影响。图2.10(a)是由两个交叉耦合PMOS管组成的最简单的锁存器，电流源被用来确定晶体管中的直流电流。
图2.10 锁存器电路与小信号等效电路
根据图2.10(b)的小信号模型，可以写出节点方程：
可计算出Vo1和Vo2：
假设晶体管均相同，则有gm1=gm2=gm，R1=R2=R，C1=C2=C，从而τ1=τ2=τ。可解得：
其中 。如果 ，经Laplace变换：
可知可再生放大器具有正指数响应。锁存器的时间常数为：
(2.20)
如果C大部分是栅源电容，则锁存器的时间常数为：
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