CMOS混合信号电路设计

迟滞比较器的设计摘要:迟滞比较器是一个具有迟滞回环传输特性的比较器。在反相输入单门限电压比较器的基础上引入正反馈网络，就组成了具有双门限值的反相输入迟滞比较器。由于反馈的作用这种比较器的门限电压是随输出电压的变化而变化的。它的灵敏度低一些，但抗干扰能力却大大提高。1.迟滞比较器的原理在一般的情况下，比较器多数工作于噪声环境中，并且是在阈值点检测信号的变化。如果比较器工作速度足够快且噪声的幅度足够大的话，其输出端也将会存在噪声，在这种状况下，就需要在比较器中引入迟滞的效果。在一般的情况下，比较器多数工作于噪声环境中，并且是在阈值点检测信号的变化。如果比较器工作速度足够快且噪声的幅度足够大的话，其输出端也将会存在噪声，在这种状况下，就需要在比较器中引入迟滞的效果。在比较器中引入迟滞效果的方法有很多种，但是所有的方法都是要使用正反馈。使用外部正反馈来达到迟滞效果，通常是在没有迟滞效果的比较器建成以后利用外加反馈环路得以实现。使用内部迟滞的比较器其自身具有迟滞功能，不需要利用外部正反馈。本文设计的比较器直接利用内部反馈实现迟滞，但是我们可以先通过利用外部正反馈的实现方法去了解迟滞比较器的实现原理。2.比较器的设计上文介绍了通过利用外部正反馈来实现迟滞比较器的原理，迟滞同样可以利用内部的正反馈来实现。图1是本文设计的带有迟滞比较器的完整接收电路。图中CANH（输入1）和CANL（输入2）是从CAN物理总线上引入的差分信号，作为迟滞比较器的输入，M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7是比较器的核心电路单元。M1、M2是差分对输入级，M3、M6为短接成二极管形式的有源负载。此电路中一共有两条反馈通路，第一条是通过晶体管M1和M2共源节点的串联电流反馈，是负反馈；第二条是M4和M5的源漏极的并联电压反馈，这条反馈通路是正反馈。当正反馈系数小于负反馈的系数时，整个电路将表现为负反馈，同时电路将失去迟滞效果，当电路的正反馈系数大于负反馈系数时，整个电路将会表现为正反馈，同时电路将出现迟滞效果。即当43、56（为MOS管的宽长比）时电路则没有迟滞效果，当43、56时迟滞效果将会出现。M8、M9、M10、M11在输出端将差分输入转变为单端输出，M7与M14组成镜像电流镜，用于对差分放大器进行直流偏置。M12、M13为反相器，用于将输出电平转化为符合CAN总线标准的逻辑状态。M1M2M3M4M5M6M9M12M11M13M10M8M14M7VDDGNDRXCANLCANH图1:完整接收电路图以下我们将分析上述迟滞比较器的工作原理并推导出比较器的两个转折点的电压值。为了方便对其进行分析，图2给出了迟滞比较器的核心电路。M2导通，M1截止，于是导致M5、M6导通，M3、M4截止。此时V1表现为高电平，偏置电流7i将全部流经M2和M6（M5虽然导通，但此时由于V1为高电平所以M5没有电流2流过），但是此时M5可以提供的最大电流为526iki。之后随着VCANH电压的降低、VCANL电压的上升，7i的一部分电流将开始流入M1，此现象一直保持到这样一个状态，即M1的电流等于M5可以提供的最大电流。当超过这一状态之后比较器的输出电平会发生改变。下面我们估算其转折点，即在M1的电流等于M6可以提供的最大电流这一点进行分析。分析如下所示:526iki（1）15ii（2）26ii（3）712iii（4）所以，可以得到：124356设、，当，76221iiik（5）172iii（6）算出了M1和M2的电流就可以很简单地计算出它们的GSV，用M1和M2的栅源电压的差值可以得出转折点（这里忽略沟道长度调制效应），计算如下：1211112GSTiVV(7)1222222GSTiVV（8）21TRPGSGSVVV（9）M1M2M3M4M5M6M7VDDGNDCANLCANHV1V2图2:迟滞比较器工作原理图只要输入电压经过转折点，比较器就会改变输出状态，之后大部分偏置电流将流过M1和M3。于是M4导通，M5、M6和M2将截止。与之前的情况类似，随着VCANH的增大和VCANL的减小，电路达到某一状态使得M2的电流和M4能够提供的最大电流相等时，在这一状态下M1和M2的栅源电压差值便是正转折点的阈值电压，阈值电压的计算如下所示：413iki（10）24ii(11）13ii（12）712iii（13）73111iiik（14）172iii（15）21TRPGSGSVVV（16）根据以上的分析结果，差分输入小于等于0.5V时RX输出逻辑高，差分输入大于等于0.9V时RX输出逻辑低，所以要求迟滞比较器的TRPV为0.9V而TRPV为0.5V并且根据每一个电路模块的工作原理去调节每一个MOS管的宽长比。最终对整个接收电路的仿真结果如图3所示：图3：接收电路整体仿真图从图中可以看出当CANH和CANHL之间的电压差值超过0.9V时，RX输出为高电平；当CANH和CANL之间的电压差值小于0.5V时，RX输出为低电平，很好地符合了CAN总线的电压规范。所以此接收电路能够完成对CAN总线的差分接收，实现差分电平到逻辑电平的转换。