ADC中高速比较器的设计+文献综述(8)
(2.21)
由上式可见，Latch的时间常数主要取决于沟道长度和输入信号的幅度，沟道长度越短，相应越快；而在沟道长度已定的情况下，输入信号越大，则响应时间越短。因此，一般要在Latch前加一级前置放大级，先将信号预放大，以减小Latch的响应时间。
在再生阶段，锁存器输出端的快速变化通过MOS管的栅漏电容耦合到输入信号，对输入信号产生了很大的干扰，这种干扰是回馈噪声的主要来源。在利用可再生比较器时，要多着力于通过结构的改进[24]来抑制回馈噪声。
3 比较器的改进方案
3.1 前置放大器的引入
对于可再生比较器，通常在其Latch环节前加入一级前置放大器[25]对输入信号进行预放大。这一举措能够对比较器的响应速度、失调电压及回馈噪声等各种指标都产生优化作用。
3.1.1 预放大对比较器速度的提升
根据2.2.4节的分析，可再生比较器具有正指数响应，当输入阶跃信号时，其响应曲线是时间的正指数函数，斜率随时间的推移不断增大，也就是说输出电压的上升速度随时间不断增大。而运算放大器的阶跃响应曲线是时间的负指数函数，其斜率随时间推移不断减小，即输出电压的上升速度随时间不断减小。
比较可知，普通放大器的初始阶段响应速度较快，而再生锁存器器恰好相反，其经过了初始阶段后，响应速度较快。因此有效地将两者的不同特点相结合，在再生锁存器前加入前置放大器，使输入信号先经前置放大器快速放大到足够大，然后再输入到再生锁存器的输入端。经过这一改进，比较器的速度得到了提高。
图3.1 三种比较器的阶跃响应曲线
图3.1为各放大器的阶跃响应曲线。可以看出，预放大再生锁存比较器的输出达到足够大电平所用的时间明显比不加前置放大器时所用的时间短。
3.1.2 预放大对失调电压的抑制
假设与放大器的失调电压为VOS_preamp，锁存器的失调电压为VOS_latch，可以认为二者是相互独立的，等效为图3.2的结构。
图3.2预放大级减小比较器输入失调电压原理图
若前置放大器增益为AV，则比较器输入端等效失调电压的标准差为
(3.1)
一般情况下，前置放大器的失调电压很小，电路中主要的失调电压产生在锁存器上，而后者在折合到输入端时要除以前置放大器的增益。因此，预放大再生锁存比较器虽然看似因增加一级放大器而引入了更多的失调电压来源，但总的输入参考失调电压却比再生锁存比较器的更小。
显然，当前置放大器的增益越大，对失调电压的抑制效果越好。但随着前置放大器增益的增大，比较器的速度会降低，在设计时要对速度和失调电压进行折衷考虑。
此外，在前置放大器中可以比较方便地运用回馈噪声抑制技术，这在3.4节中将深入讨论。
3.2 比较器失调电压的消除
在2.1.3节中提到，生产工艺过程中的偏差、环境的变化等因素带来的MOS器件不匹配性，都有可能引入失调电压。失调电压的大小影响着比较器的精度等性能，因此必须采取相应的手段将失调电压降低，才能将比较器应用在精密电路中。
通常用来消除失调电压的技术包括电阻激光修正、输入失调存储（IOS）和输出失调存储（OOS）等。电阻激光修正技术是指在测试时对比较器的负载电阻进行激光修调。由于校准过程只在芯片制造时进行一次，要求电路具有时间和温度的稳定性。这种校准方法可以保证比较器连续工作，且不需要外加片外元件。其缺点是需要校准工序，增加了成本[26]。而且当失调电压随时间和温度变化时，这种方法不再能够消除失调电压。
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