“比較器是模數轉換器ADC中的核心電路之一。研究比較器失調等非理想因素的產生機制對提高ADC性能具有重要意義。鑒于此，本文以Strong ARM比較器為例，從工作原理和失調兩個方面對Strong ARM進行介紹。”

01 Strong ARM比較器電路

Strong ARM比較器是由T.Kobayashi等人提出的[1].Strong ARM比較器具有結構簡單、無靜態功耗以及能夠產生軌到軌輸出等優點[2]。圖1為常見的Strong ARM比較器電路結構。

圖1 Strong ARM比較器

02 工作原理

如圖1所示， 當時鐘信號CK為低電平時，開關管S1-S4導通進而將節點P、Q、X和Y置為高電平；開關管M7關斷，輸入對管M1和M2的源極電壓會被充到某一個高電平。對應的等效電路如圖2所示。

當時鐘信號CK為高電平時，開關管S1-S4關斷；開關管M7導通，輸入對管的源極電壓被放電至電源地。輸入電壓Vin1和Vin2存在電壓差(假設Vin1>Vin2)，與M2相比，M1管柵極電壓高，對P點的放電速度要快于M2對Q點的放電速度。當P點電壓等于Vdd-Vthn時，此時M3管導通，X點也會從電源電壓Vdd開始放電。當X點電壓被放電至Vdd-|Vthp|時，M6管導通Y點被充電至Vdd,X點快速泄放至電源地，最終實現一次比較操作。

圖2 復位階段等效電路圖

圖3 比較器各關鍵節點的電壓變化圖

03 失調

由比較器工作原理可知，開關CK變化為高電平時，開關管S1-S4關斷，從而減小了其失調的影響。在M3(M4)開啟之前，僅輸入對管M1與M2參與工作，因此其失調對總的輸入失調電壓具有決定性影響。對于M3和M4，由于其失調電壓等效到輸入端需要除以電壓增益A1(約為4)[2],因此其失調電壓可忽略。M5和M6亦是如此。因此，比較器的等效輸入失調電壓主要受輸入對管M1和M2的失配決定。

如圖4所示，不考慮輸入對管寬長以及閾值電壓等因素產生偏差的影響，僅考慮節點Q和P不同寄生電容CQ和CP對輸入失調的影響。

圖4 比較器初始放大階段等效電路圖

假設M1和M2的跨導相等且為gm1,2，M1和M2流過的靜態電流均為ICM,則P和Q點的電壓差可表示為[2]

(1)

由公式(1)可知，在初始比較階段(放大)，VP-VQ對應的累積失調電壓為(Cp-Cq)/(Cp Cq)ICMt。放大階段結束且Latch開始工作時，對應的時間t約為Vthn (Cp+Cq)/(2ICM)。因此放大階段產生的失調電壓可表示為Vthn*(Cp/Cq-Cq/Cp)/2。由此可得，通過并聯若干小電容來調節P和Q點寄生電容相等的方法減小失調電壓。其等效原理如圖5所示。

圖5 可編程電容消除失調電壓