论文总字数：15015字

摘 要

本文介绍了一种低功耗低电压轨至轨比较器的设计方法。D类放大器和常见的A,B,C放大器相比具有更高的工作效率，它常在音频信号处理的过程中使用，用以提高音频处理模块的性能，要想实现高效率，D类放大器必须实现低功耗，必须实现轨至轨的功能，因此本文详细介绍了一种低功耗低电压轨至轨的比较器的设计，并进行了仿真。此比较器的共模输入范围是0-3.3v，输出摆幅为0-3.3v，该比较器在CSMC0.35μm工艺下完成设计，能够在1M时钟频率下实现完成1mV分辨率的比较，比较器的传输延时是15ns，功耗小于200μ

关键词：低电压; 低功耗; 轨至轨; 比较器

A low-power low-voltage rail to rail comparator design

Abstract

This paper presents a low-power low-voltage rail to rail comparator design. Class D amplifiers and common A, B, C amplifier has higher efficiency, it is often used in the process of the audio signal processing, audio processing modules to improve performance, in order to achieve high efficiency, Class D amplifier must achieve low power consumption, rail-to-rail must function, so paper describes a low power low voltage rail-to-rail comparators design, and simulation. This comparator common mode input range is 0-3.3v, output swing 0-3.3v, which compares to complete the design at CSMC0.35μm process can be achieved at a clock frequency of 1M complete comparative 1mV resolution, more transmission delay is 15ns, power consumption less than 200μw。

Keywords: low voltage and low power rail-to-rail comparators

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 引言 1

1.1设计背景 1

1.2设计的意义 1

1.3设计的总体流程 1

第二章 比较器结构分析 3

2.1比较器的特性 3

2.1.1比较器的静态特性 3

2.1.2比较器的动态特性 4

2.2前级比较器 5

2.2.1二极管放大器 5

2.2.2电流源放大器 6

2.2.3二极管和电阻并联的放大器 6

2.2.4套筒式放大电路 7

2.2.5折叠式共源共栅放大电路 8

2.2.6轨至轨运算放大器 8

2.3偏置电路 10

2.4整形电路 11

2.5锁存器 12

2.5.1锁存器的结构分析 12

2.5.2小信号分析 13

2.5.3时钟馈通 14

2.6输出级电路结构与作用 14

2.6.1多级反相器的作用 15

2.6.2 RS锁存器工作原理 15

第三章 电路仿真 16

3.1仿真软件Candence的介绍 16

3.2 整体电路设计 16

3.3前级比较器的仿真 17

3.4自偏电路仿真 17

3.5整形电路仿真 18

3.6锁存器的仿真 18

3.7整体电路仿真 19

3.8电路功耗仿真 20

3.9不同温度和工艺角的仿真验证 21

第四章 总结 22

致谢 24

参考文献 25

第一章 引言

1.1设计背景

随着人们对高效率低功耗低电压音频放大器的不断要求，人们对具有高效率的D类低压低功耗的放大器越来越重视。随着信息和微电子制作的高速发展，器件的尺寸和电压越来越低，全球兴起绿色环保，低功耗是全球绿色环保的主要动力。D类功放工作在开关状态的时候，其最大效率可以达到100％，但是由于各种外在条件，其实际能达到80％以上，它采用脉宽调制 PWM（Pulse Width Modulation）技术，大大降低了功耗的损耗，避免使用散热片，减小了芯片的面积,可以很好地驱动后续电路。

比较器是模拟和数字电路设计中最常见的模块单元之一。在通信信号发送器和接收器，医学设备和多媒体电子等诸多应用中都能看到比较器的存在。随着生活水平的不断提高，社会的不断进步，人们的要求也越来越高，比较器技术也越来越成熟，正在不断进步，高速发展中。

比较器将输入的正弦波信号和三角波信号比较，然后输出脉宽调制信号。后级的驱动电路需要将脉冲信号放大，原来的模拟信号不在这个阶段中，而包含在它的相位之中。想要得到放大以后的音频信号需要将低频分量从放大的脉宽调制信号中分解就可以得到。即使在放大的时候，PWM 输出幅度上产生失真，但是对音频信号分量并没有什么影响，它不会产生失真。这样，后级的驱动电路就可以完全工作在开关状态了。在完全畅通的情况下，虽然晶体管的内的电流非常大但是电压变化却很小，在截止状态，晶体管电压虽然很高，但是电流却很小。因此晶体管若处在截止状态，可其比较器的效率将大大提高。

1.2设计的意义

设计一种低压低功耗轨至轨比较器具有重要的意义，在当今高速发展的时代，随着比较器技术的不断发展，人们对高速低压低消耗比较器的需求也越来越高，通过设计一种D类低压低功耗的比较器可以有效的减少功耗，更好的驱动后续电路，传统的比较器被修改成可在小供应电压下运行的低功耗，快速运行的比较器。通过添加一些晶体管，不需要复杂的设计仅仅加强反馈调节从而显著的降低延迟时间，布线后仿真结果通过0.18-μm CMOS 技术确认并分析结果，结果表明，动态比较器的功耗和延迟的时间明显的减少了。它推动了高速高效率比较器的发展，为将来开发出新型动态比较器做好了铺垫。本人设计的新型动态比较器可以降低能量的转换和功耗，大大提高了工作的效率，传统的比较器已经无法满足21世纪的需求，低压低功耗高速动态比较器的设计将带动一个时代的进步。

1.3设计的总体流程

本次比较器的设计需要设计以下4个部分程序：偏置电路，前级比较电路，锁存比较电路和输出级电路

①偏置电路②前级比较电路③锁存比较电路④输出级电路

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