CMOS电压比较器工作原理及电路的主要特点

电压比较器在电路结构、电性能等方面与运放基本相同，而其符号表示也与运放完全一致，即有同相和反相二个输入端，一个输出端，开环增益用A表示。电压比较器的功能是比较两个模拟输入信号的大小，并在输出端得到高电平或低电平。若用V+，和V-分别表示同相输入端和反相输入端电压，那么对于理想的电压比较器，其特性可表示为：当V+大于V-时，它的输出是高电平；当V-大于V+时，它的输出为低电平。图3.9-1a、b分别表示电压比较器的符号和理想电压比较器的传输特性。

CMOS电压比较器

实际上，电压比较器的输出端由低电平转换到高电平时，或从高电平转换到低电平时，需要一定的时间（决定电压比较器的瞬态响应），其次由于电压比较器的增益是有限的，并且存在失调电压，因此它的输入端将出现不确定电压，该不确定电压将直接影响电压比较器的灵敏度（对输入端电压判别的灵敏度）。电压比较器的开环增益A越高，失调电压越小，则其不确定电压越小，即灵敏度越高。对于高性能电压比较器来说，应具有高的开环增益A、低的失调电压和高的压摆率。显然，一般的运放也可以作为电压比较器之用。但在运放电路设计时，着重考虑其输出与输入之间的线性传输特性以及频率补偿的稳定性，因此，运放的响应时间和延迟时间往往很大，开环增益不是很高。若需要高速或高灵敏度的电压比较器，采用运放来代替通常是不适宜的，我们可根据要求，对电压比较器进行设计。在设计电压比较器时，其直流特性的设计原则基本上与运放电路一致，而频率特性的设计与运放电路不同。通常电压比较器在开环条件下工作，因此在电路内部不需要考虑放大器闭环稳定工作的频率补偿。由于MOS型差分放大器的固有缺点是它的输入失调电压较大，用它直接构成电压比较器电路时，比较器的输入不确定区就很大，比较器的灵敏度降低，因此，在MOS电压比较器电路设计时更应注意减小其输入失调电压。

集成电压比较器与集成运放一样，用途十分广泛，在模数转换器等模拟集成电路中电压比较器是不可缺少的主要部件。用CMOS技术，利用第二章介绍过的各种单元电路以及本章上一节的失调电压自动调零技术可以设计出性能较好的电压比较器。本节介绍几种CMOS电压比较器的设计方法。

1、CMOS电压比较器工作原理

图3.9-2所示的电路是CMOS电压比较器5G14574电路原理图。

5G14574电压比较器与常用的两级运放相比，增加了两级反相器，并去掉了内部的补偿电容。由图可知，它为四级放大。第一级为差分输入级，将双端变单端输出，两只n沟MOS管作电流源负载。第二级除提高增益外，在设计方面还要保证静态时其输出电压在电源电压的中点，以保证后级CMOS倒相器偏置在高增益区。第三、四级为偏置在高增益区的CMOS倒相器。根据电路参数和工艺参数并经实际测试，本电路的开环增益A约为10~20万倍。

5G14574电压比较器包含四个相同单元的全MOS电压比较器，简称四比较器，它的偏置电流由外接偏置电阻决定。偏置电流的大小将直接影响电路的上升时间和延迟时间，增大偏置电流可加快上升时间并缩短延迟时间，但电路的功耗增大。

本电路在使用时，通常将差分输入级一端接基准电压VR，另一端接被测电压；根据对输出极性的要求，接在同相输入端或反相输入端。当时或时，输出状态翻转。从原理上讲，若无电压失调，则根据本电路的电压增益，其灵敏度可达50~100微伏。由于电路本身存在着随时间漂移、随温度漂移的失调电压，该失调电压约±10毫伏。因此，要检测毫伏以下的微弱信号是很困难的。