SAR ADC 比较器噪声分析(二)

SAR ADC的比较器是非常重要的模块，需要仔细设计。主要考虑比较器的以下指标：
1)失调电压
2)输入共模范围
3)比较器精度
4)传输延时
5)噪声
6)功耗

这里主要讲一下动态比较器的noise。

动态比较器一般用于高速SAR ADC中，且精度不会超过12bit。在《SAR ADC比较器噪声分析(一)》描述的回踢噪声在动态比较器显的更严重，因为latch把输出分的很开，达到电源和地的地步，所以ΔV变化非常大，回踢噪声就很大。

动态比较器noise的仿真

上面是比较常见的动态比较器，比较器clk从高到低时，比较器开始regeneration，在输出端电压差不超过50mV时，可以认为这个阶段还未产生很强的非线性，还处于可以小信号分析的阶段。所以做仿真时，需要把input的dc 偏差设置的较小，使M1和M2工作时产生的非线性较小。同时dc偏差设置的过小，因为有offset，这样输出的电压差包含offset和信号放大的值，会使偏差较大，需设置一个合适值。

在设置好一个合适的DC电压差值后，可以用tran noise和pss+pnoise的两种方法去做noise仿真分析。具体操作可以查看网上https://zhuanlan.zhihu.com/p/279111199《Comparator动态噪声的仿真》这篇文章，里面做了step to step的仿真指导。

Tran noise 仿真需要有一定的编程能力，写个veriloga代码，有点象一个试错的过程。等计算到84%的点，就算是输入noise的值。Tran noise 仿真比较慢，效率不高，但容易上手。

Pss+pnoise方法效率挺高的，但就是仿真设置要求比较高。各有优缺点，但做设计的最好两者都尝试下，看看用两种方法是否可以比对的上。

常见的动态比较器有strong-arm 结构和double -tail 结构，

Strong-arm 结构简单，无静态功耗，速度快，广泛应用于各种类型的adc中，缺点是电源和地之间堆叠了很多mos管，不适合低压设计。为了解决单级结构的strong-arm比较器存在回踢噪声和不适合低压设计的缺点，两级结构的double tail 比较器被提出。

上图是strong-arm 结构的动态比较器。

上图是double tail结构的比较器

分析一下简单动态比较器的噪声：

在比较阶段，FP-FN因为输入电压差而产生输出电压差，式子(1)乘以gm1得到式子（2），式子（2）除以C0，得到式子(3)。式子（3）正是增益。

当FP-FN因为输入电压差而产生输出电压差，当电压差足够大时，latch的正反馈起作用，把输出拉到电源和地。这个电压差足够大的时刻点就是td。当latch起作用时，preamp的噪声就不重要了。所以在0~td这个阶段，如果需要降低噪声，根据贴图，可以通过降低输入过驱动Vov1，降低输入共模Vcmi，延长有效积分时间td，增加输出电容C0的手段实现。具体原因根据前后两张贴图，不难看出。

动态比较器还有个问题是会出现亚稳态
当FP-FN因为输入电压差足够小而产生输出电压差小，这样会导致latch无法触发，使比较结果出错，从而使整个SAR ADC 性能下降。通常需要一个亚稳态的监测电路。加入前置放大或加强latch能力也是减小亚稳态发生概率的方法