ADC中高速比较器的设计+文献综述(9)
输入失调存储技术和输出失调存储技术统称为自动校零技术[27]。其主要思想是用动态技术、分时工作的方法来消除失调电压。动态技术就是指将电路信息在某一段时间内存储于电容或者MOS管的栅电容上，利用开关电容电路，在预充电阶段，把失调而电压先保持在电容上，在下一个工作阶段，利用电容两端的电压不能突变的特性把电容上的失调电压从输入信号中减去，从而到达消除失调的作用。虽然该技术需要增加开关电容电路和时钟信号，但它在处理随时间变化的失调电压时，表现出了很好的效果。在这种开关电容电路中，最重要的基本部件是开关，开关特性的好坏会影响电路的整体特性。
3.2.1 单端输出开关电容比较器
前面章节所介绍的开关电容比较器就可以有效地消除失调电压。把输入端失调电压记为VOS。在φ1相位期间，由于“虚短”，同相输入端的电位为VOS，它对电容C充电，将与VOS相应的电荷量保存在电容上。在φ2相位期间，由于电容C没有泄放电通路，因此电容上的电荷量保持不变。此时放大器对两输入端之间的电压差进行放大，而这个电压差就是输入信号和参考信号的差，放大器固有的失调电压已经被其输入端补偿电容极板上所保存的电荷消除了。
图3.3 单端输出的开关电容比较电路
单端输出的开关电容比较电路不但可以减小失调电压，而且还能消除一部分1/f噪声。但是输入端接入的保存电容使得前级电路的负载电容增加，这就更加考验前级电路的驱动能力。
3.2.2 IOS结构的全差分比较器
这里的全差分结构是指，将比较器的前置放大级设置为双端输入双端输出的全差分结构。全差分比较器的最大特点是可以有效减少直流失调误差和开关的时钟馈通、电荷注入效应，其结构的不同决定了不同的失调补偿方法。
图3.4 IOS结构的全差分比较器
上图的电路中，补偿电容在前置放大器的输入端，这种结构属于输入失调电压存储的结构。
IOS有两种工作状态，其工作时序是：
状态一：S1和S2断开，S3～S6闭合；
状态二：S1和S2闭合，S3～S6断开。
当处于状态一时，S5、S6的闭合使得前置放大器工作在单位增益反馈的状态，输入耦合电容C1、C2一端接地，被充电至输入失调电压Voff；当处于状态二时，S1和S2闭合使输入信号加在前置放大器上，由于输入耦合电容上的电压与输入信号极性相反，所以前置放大器接收到的实际输入信号为Vin-Voff+Voff，也就是说消除了输入失调电压的影响。
将其他一些非理想因素也考虑在内，则前置放大器输入端剩余的等效失调电压是：
(3.2)
上式中VOSI是输入失调电压，A0是前置放大器的增益，ΔQ是开关S5和S6因失配而向C1、C2注入的电荷，VOSL是下一级电路（也就是Latch单元）的失调电压。由这个式子可以看出，为使VOS尽量小，应该使用较高增益的前置放大器和较大的输入补偿电容，而这会使比较器的功耗、稳定性和响应时间等性能变差。
3.2.3 OOS结构的全差分比较器
图3.5中补偿电容连接在前置放大器的输出端与Latch单元的输入端之间，属于输出失调电压存储的结构。相对于IOS，这种结构的输入电容减小了，而且不需要反馈形式，始终是开环应用。但是它相当于增加了Latch单元的输入电容，因而要求前置放大器的驱动能力更高。该结构适于要求比较器输入电容较小的场合，如flash ADC中。
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