一种低功耗高精度电流比较器的设计

余飞　高雷　王春华

摘   要：针对传统电流比较器功耗高、精度低等问题，提出了一种基于Wilson电流源的CMOS电流比较器电路. 它由Wilson电流源、差分放大器和输出增益级3部分组成. 由于Wilson电流源具有较好的恒流特性以及较高的输出阻抗，所以该电流比较器具有较高的比较精度和低延迟的传播特性. 采用TSMC 0.18  CMOS 工艺HSPICE模型参数对该电流比较器的性能进行了模拟，该电路具有较高的比较精度，当参考输入电流为5  nA时，电路正常工作. 当输入差分电流为1 μA时延迟为2.2 ns，电路的功耗在TT（typical）工艺角下为95 μW. 结果表明，该CMOS电流比较器具有较大的速度/功耗比，性能受工艺偏差影响较小，适用于高速、低功耗电流模集成电路.

关键词：Wilson电流源;低功耗;高精度;电流比较器;比较器电路

中图分类号：TN433                             文献标志码： A

Abstract：A CMOS current comparator circuit based on Wilson current source is proposed to solve the problems of high-power consumption and low precision of traditional current comparator. It consists of Wilson current source， differential amplifier and output gain stage. Because Wilson current source has better constant current characteristics and higher output impedance， the current comparator has higher comparative accuracy and low delay propagation characteristics. The HSPICE model parameters of TSMC 0.18 CMOS process are used to simulate the performance of the current comparator. The circuit has a high precision of 5 nA. When the input differential current is 1 μA， the delay is 2.2 ns， and the power consumption of the circuit is 95 μW at TT （typical） process angle. The results show that the CMOS current comparator has a high speed/power ratio， and its performance is less affected by the process deviation which is suitable for high-speed and low-power current-mode integrated circuits.

Key words： Wilson current source;low power;high precision;current comparator;comparator circuits

随着集成电路技术的发展，高性能的电路设计成为设计难题[1-2]. 电流模电路相比于电压模电路具有更好的传输特性，在高频工作时不需要考虑杂散电容和寄生电容的影响[3-5]，并且能够在低电源电压下工作，在静态工作点固定的情况比电压模电路具有更好的輸入特性.

电流比较器作为ADC（Analog-to-Digital Converter）的接口，负责将模拟信号转化成数字信号，所以电流比较器的性能好坏对ADC的性能有很大影响. 通常电流比较器在ADC中不是单独存在，当其功耗过高时会严重影响到整个ADC的性能. 对于电流比较器我们通常关心的是它的功耗和传播延迟，因此，设计低功耗低延迟的电流比较器是非常重

要的.

电流比较器通常分为两类[6]：第1类是将输入电流与电路的静态工作电流进行比较，电路的输入级负责将电流转换为可供增益级处理的电压，作为反馈控制电路的阻抗特性和幅频特性，并且能够改善电路的传输特性，增益级使得电路能够产生轨对轨输出电压. 该类型电路可以用于简单的电流修正，如共模反馈电路. 第2类是比较双端输入电流，该结构通常是由差分结构组成，常用到差分放大器，差分放大器可以抑制共模噪声并且提高电路的处理精度，但该类型电路的缺点是提高了电路的复杂性和流片的面积与成本，通常该结构适用于并行的ADC.

电流比较器的输入级通常可以通过简单的电流镜来实现，但由于电流镜有限的输出阻抗和电流传递误差，使得电路的优化通常需要改善电路的恒流特性[7-8]. 最早的电流比较器是由Traff[9]提出的基于源随级（共漏放大器）的电流比较器，它具有较小的输入阻抗，所以电路处理速度较快，由于支路使用的MOS管的数量较少，能够工作在低电源电压（不需要额外的电压偏置电路）下. 但是该结构有个明显的缺点，当动态范围内小部分信号输入时可能存在死区，同时，该电路具有较为明显的背栅效应（阈值电压的变化）.

为了改善电路的传输特性，Sridhar 等人[10]使用cascade结构作为输入级，该结构具有较高的输出阻抗，由于MOS管的屏蔽效应，使得恒流特性得到了较为可观的改善，但该电路无法抑制沟道调制效应，并且在低电源电压（通常为1 V或更低）且不使用额外的电压偏置的前提下难以使MOS管全部工作于饱和区域.

為了进一步解决由于沟道调制效应带来的电流传输问题，Badal 等人[11]提出使用Wilson 电流源作为输入，并使用推挽放大器和反相器获得轨对轨输出电压. 由于Wilson电流源良好的恒流特性，并且能够工作在亚阈值区（栅源电压略微低于阈值电压），该结构被广泛用作输入级. 但该结构也存在两点不足，第一，当输入小信号时（比如输入电流差为100 nA），单级放大不足以输出轨对轨电压;第二，该结构不能比较双支路差分电流. 针对该结构出现的问题，本文提出了一种改进型的基于Wilson电流源的电流比较器.

3   结   论

本文提出了一种基于Wilson电流源的低功耗低延迟电流比较器. 首先介绍了几种典型的电流比较器，特别是基于改进电流源结构的电流比较器，并分析了Wilson电流源的特性. 所提出的电流比较器的传播延迟为2.2 ns，功耗为95 μW，其传播延迟低于大多数已提出的比较器，并且操作速度和功耗与先前的高速设计相当.

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