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1、第6 期靖 2 4 卷 浙 江 大 学 学 报(自 然科 版 学)V o!2 4 6，I 9 9 o年I 1 月 J o u r n a l o f e j i a n g U t v e r s i t y (Na t u r a t S o l e n c e)No v c mb e r|1 9 9 0 国产MO S 电压比较 器 5 G1 4 5 7 4 实 用 宏 模 型 陈邦嫒何小艇、(信 息与 也子 工 系)楗 l堇、本文提出丁 个集成 MoS电压比较器的实用宏摸型的拓扑结构，介绍了建 立实用化 宏 模 型 的方法，最后给出了模 拟和实验结 果。，-、关键词：实用宏模型 0引 言
2、随着MO S 集成电路的迅速发展以及MO s 集成模数 转换器的实用化，集成MO s电压 比 较 器的应用越来越广 泛。在计算机辅助设计领域中，建立MOS 集成电压比较器的宏 模 型，以 缩短模拟 时间，保证模 拟精度是 很必要的了。文献 1 提 出了双极型 电压 比较器的宏模型，它 能很 好地 模拟比较器的瞬态 特性。我们 参 考此模型，建立了国产MOS 集成电压 比较器5 G1 4 5 7 4 的实用化宏模型。所谓实用化是指以欲建 模的器件的手册或实测参数为依据，讣算宏型模的宏参数，并可根据用户的不同使 用条件自 动进行修改j模拟结果与实测结果应在一定的误差 范围内(例 如 1 0 )，该
3、宏 模型应可在通 用 电路模 拟程 序上(u S mCE)运行。l MOS电压 比较 器5 G1 4 5 7 4 的特性 5 G1 4 5 7 4 是上海元件五厂的产船，它的 内部电路如图 1 所示，其中R 为用户所接 外偏置 电阻。比较器工作时的外接线路 如网 2(a)所 示。图 2(b)表示 当输人 电压 超 过参考 电 术文于1 睥 I O 月 7日收到。图 1 5 G1 4 5 7 4 部 匿路 维普资讯 http:/ 第6 期 陈却照午：国产M0 s 电压此较器5 G 1 4 5 7 4 实用宏模型8 7 I 鞋j。器 一-一(b 【呀 一 图 2 (a)电压地牧船工作卦接 乜 瞎(
4、b)输H：下F b 时的赣、输出被形(c)输出电压上跳对的输入、输 出嫒形 V。，时，输 出电压将从正的钳位电平V口 H 跳到负 的钳 位 电平Vo L。V s =V 一v0 L称 为 输 出电压的摆幅。Vr H V o 、o 的中间，称为输出门限电压。当 N 等于，印输入端 为零差分输入且无失调时，u 从 o l1 F e l v 为了保证输 出电压从 口 H 跳到 Vo ，V 必 缅超过(V 。+V w 2 A o)，2 A。是l由 比 鞍器的 有限增益A。引起的 增益误差。N；进一步超过 ，+s 2 A 0 的屋称为过激励r 巳 压 。很明显，当 2 A 0 可忽 略时，输出电压下跳时的
5、过激励电压与输入电压。及参考电压 的关系为(见图 2(b)v o 口 一 y r 同哩，当输 出电压上 跳时，输 入端 的过 激励 电压 为(见图 2(c)v D=v i i _ 由上海元件五 厂的手册中可鸯到5 G1 4 5 7 4 的主要外特性参数 如表 1 所示。同时，手册中 也给 出了偏 置 电阻R 和失调 电压；共摸输入 电压。和失调 电F v 0 t I，外偏置电流I t“和上升时延t ，下降时 延 t j 的关系曲线。见图图3、4 所示。但是由于比输器的输出波形参数 t；，t ，t，f 与工作条件、v o D、负载电容 c I 有明显关系，而工厂手册又没有提供。为了设计一个能在各
6、种条件下获得符合模拟精度要求 _ 的宏模型及其相应的宏参数，我们通过大量的实验测量得到了，-,r,R 一、6 -v o 口、一 扣、t 、t C ，C L N,见 图5 圈9 维普资讯 http:/ 8 7 2 浙 江 大 学 学 扳(白拣科学版)1 9 9 0丰 囊 l J 参数规范 参 数 名 称 特 号 单 位 最小值 典型值 最大值 共 横输电压范围 输出电压。O 电平 l 电平 输八失诃电压 输偏置电流 静巷电源 屯流 输 出驱 动 电流 开环电压增益 共模抑耕比 输 出 上 升、下胙时问 输出延 迟时坷 V c P V(D )Vo V V0 V V0 m V I t 0 nA I
7、DD mA 1 0 mA I D m A A 0 d b CM RR d b t-t y ng ：，：目 O 9 9 ：s 0(A)2 2 1 0 0 8 0 1 0 0 l a 0 o 8 I l 0 0 A 0 1 2 0(B)0 1 0 I。c l S I A R-l括1 0 0 k 口 CL一 5 0 PF C=5 0 PF I l 5 n A 图 3 -m)图 5 偏置 电阻R e t 和 儡置电流 I 的关 系 川()图4 ，t 与 偏置电 流I：e t 的 关系 1 ,=5 A C L=SI p F V mv)图 输 出 上 升 时延 与 输 人 过 激 励 电 压y 的 关 系
8、 维普资讯 http:/ 第 6期 陈却琏等：国产MOS 电压比较器5 G 1 4 5 7 4 实用宏模型8 7 3 圜7 输出 下降 时延 t 与 输 人过激 励电 压 的关 系 根据 以上这些 曲线 和内部 电路图，可 以 得 出与 5 GH5 7 4 瞬态性 能有关 的一些 特性 如 下，而这些特性必须在器件的实用化宏模型 中得到充分反映。以便用户根据自己不同的；使 用工 作条件进行模 拟。(1)当过激励 电压(或 D)超 过某一值 y t(或 y ，)时，比较器 叠 ：；l 4 0 i u Ip C 0 6 O 图 8上、下降 时 间、t，与 过 激励 电压的关系 蛳f 5 -IO专O
9、m V，。4一 三 l一 二一 一 l_ 百 曹 5 D 7，CL(口 F)图 9 负 载 电容 甜，t Y 的 影 响 的上升时间t (或下降时间t )趋于定值(见图 8)。此过激励电压值称为临界过激励值(V )，但 当 Vo D y ，(V )时，t 、迅速发生变 化。(2)在一定的外偏置电流j 下，、t 5 与过激励电压有关(见图6、圈 7)。(3)在一定的过激励电压下，t 、t 5 与偏置电流j 有关(见图 4)。(4)偏置 电流 j 的大小取决 于用户 外接偏置 电阻R 的大小(见图 5)，因此 当用户不 论给 出以R 还 是以J 一 表示 的工作条件时，宏模型都 应能 自动 地调整
10、相应 的参数。(5)失调电压与偏置电阻R 及共模输入 电压V 。有关(见图 3)，由于我们的宏参数 是建立 在以手册给 出的指标或实测参数指标的基础上 的，因此失调 电压 对瞬态特 性 的 影 响 已包括在 内，宏模型可 以不单 箍考虑失调 电压。同时 由于5 G1 4 5 7 4 的yo s 2 0 mv，比较 大，为了抵 消失调 电压 的不稳定 因素的影 响，正 常工作时应要求过激 励 电压大于3 0 my。事实 上，从实验中也可 看出，当yo o 3 0 my 时，示波器上的输出电压波形已明显抖动。(6)输出端 电容 负载 的大 小明显地影 响输出电压 上升、下降 时间t 、(见圈 9)
11、。(7)由5 G 1 4 5 7 4 的内部电路图可知，输出级为推挽互补形式。当饱和电压=0 5 v 时，灌电流=2 mA，困此在饱和时输出阻抗约为2 5 0 O 而在跳变时，两只管子分别在饱和与 截 止之 间转换，因此在跳变时输出 阻抗 会发 生变化。总之，实用化宏模型不仅要能模拟器件在典型工作条件下的特性，而且要能模拟器件在 维普资讯 http:/ 8 7 4 浙 江 大 学 学 报(自然科学版)1 9 9 0卑 非典型工作条件时的变化，为用户正确 模拟特 定工作条件下的结果创造 条件。2 5 G1 4 5 7 4 宏模 型 针 MOS电压 比较器 5 G1 4 5 7 4 的一 卜 述特
12、性，根据宏模型实用化的要求，参 照文献 1 的双极 型 电压比较器 的宏 模 型，我们提出了实用化的MO S 5 G1 4 5 7 4 的宏模型(图1 O)。它的基本原理详细 参 见文 献1。宏 模型主要分三 部分。输入级 用来 模拟比较器的差分输入特性。图1 O M0 S 也压比较器5 G H5 7 4 塞模型 中阔级通过受控 电流源、i 对 电容c的充放 电来模拟输出 电压的上升、下降时 间。由 于t r、t 随 V 、V 的增大而达一恒定最小值，因此充放电流源 和f 曲g 最大值鹿受 到 限 制 模型 中用DI、D2 的导通对。进行限幅，以达到对。、i D 进行限制 的功 能。由于延迟时
13、问，与过激劢电压育关，所以延迟时问用D 、D：的渡越 时 问 T 来 模 拟，而 D。、D 、Ds 的渡越 时间为 0。输出级模拟比较器的输出阻抗及电容的负载效应。与文献 1 相比，本宏模型特别增加了实用性，考虑用户的不同工作条件及器件参数的 离散性。为此，在模拟之前，有一套宏参数计算程序，它先根据用户输入的不同工作条件或 用户提供的器件的特定外特洼参数值来计算宏模型的相应宏参数值。然后 自动修改S P I C E 源 文件再进行模拟。如果用户采用厂家手册中的典型工作条件秆典型器件参数，则使用宏模型 提供的隐含值进行模拟。在电路结构及宏 参数计算上，本实用化宏模型又有以下一些新的特点。(1)5
14、 G1 4 5 7 4 是MOS 电压 比较器，故 输入级采 用MOS 场效应管差分对。它们的 阀值 电压 V m殛本征跨导耳坷 假 设。此差分对 的跨导 g =T 一 (1)是差 分对 的源极端恒流源值。增 益为 A l=g m-R。(2)R 是差分对 负载 电阻，每 只管子 的漏 电流是 1 =g 一 V G l G 2 (3)VG G z 是差 分对的差模输 八电压。(2)由于t；、t；受偏置电流L。的影响，而一般用户在使用时通常是只知外接 偏 置 电 阻 维普资讯 http:/ 第 6 期 陈邦媛等：国产 MOS 电压比较嚣5 G1 4 5 7 4 实用宏鳗型8 7 5 R 而不测量L
15、 t。为此，我们采用图l 1 示电路来表征R 和 L 的关系 在此电路中 V,o ffi v 一 v。c生o e 寺(4)夸 I =8 1 0 。A，然后用实验测得的L 一R 数据与(4)式进 行非 线性拟合，求出方程(4)中的二极 管发射系数N。从而 当用户输 入 R 的值后，宏参数计算程序会 舟动 算出相 应 的 L t 值。图n偏置部分简化电原理图(3)在宏模型中采用变化 来模拟I 以及V o D 对、t；的控制，即当f 变化时，、c：相应发生变化。为了使 槿拟与实验结果一致，对模型中在不同的过激励电压y o D 下，变化日 l 起、f 变化的摸拟结果和实验中在相同的过激励电压y o n
16、 条件下J 变化引起 咏 l 变 化的实验结果进行非线性拟合，确定在不同的过激肪电压yo o 下L 和I 的近似关系式 一 r I =B+Ae (5)中的系数B、A、K。当用户提供偏置条件R，(或 一)值以及相应的工作条件 N(输入电 压)、V州(参考电压)后，宏 参数计算程序会 自动修改I 一”然后再进行模拟，以实现 J 以及Vo n 对、t 5 的控制。(4)由于MO S 器件的延迟肘间和上升、下降时间与双极型器件相比要犬得多，因 此 不 能象文献 1 那样把对上升、下降时间的模拟全部集中在中问级，这样会使中间级的时间常 数很大，而无法体现电容负载对上升、下降时间的影响。我们把对、f 的控
17、制分配在输出 级时间常数R 0 c 及中问级的时间常数上。模型中i =G u。，i 口=G B u 和0c u 是 三 个 受 控 源，中间级与输出级的时间常数与总时间常数的关系较复杂。图l 2 是宏模型的中问级与输出 级的简化关系 电路 图。解此 电路微分方程 后得出 t 一1一 一L t ：1一 P 一一(P 一 P)(6)一!2 百 t 其中f L=R C，f 2=R 0 c ，如果 已 知 输 出 电压，上升 时间t 和f z，则可通过解 方 程(6)近似求出中间级的时间常数f 。然而 由于宏 模型 中存在二极管D 、D。，中 问级 电压u 远没 有上升到终 止 值 G。u。R 就将产
18、生二极管限幅作用，使 U 值 限 于y。(见图 1 0、图1 3)。所 以实际输出 电压 的上 升时间只是图1 2 示电路中上升时间的很小一 确、硇 图l 2 两十受控源 i 成的充 电电路 维普资讯 http:/ 8 7 6 浙 江 大 学 学 报(自然科学版)1 9 9 0年 图l 3 输出电压曲线 图1 4 =极管导通 电阻R P 与发射系数N的关系 部分。为了反映c 对f ，f 的影响，宏 参数计算程序根据用户输入的 的大小，选定 一 个 合 适 的f z，然后根 据终止值G。u R 与二极管限 幅值 c，E 的比例将t ，t 扩大一定 倍 数，解 方程(6)求出对应于输出 电压上升
19、和下降的中间级的二个 时间常数 的近 似值，再 由这些对 问 常数 决定 Re、c、RB 等各元件 值。(5)输出阻抗在输出端为高电平或低电平的饱和状态时为低值，此值基本上由导通的二 极管(D 或D，)的直流电阻决定。根据二极管 的伏安 特性，I D：I t e ，令I；=1 0 A，适 当选 择发射系数N控制二极管导通 时的直流 电阻，使 之等于 比较器 输 出 电 阻 R。=V I。(见图1 4)。在电平转换过程中输出阻抗变化可通过控制D。、D 的状态实现，y 、根 据 比较器输出高低 电平值决 定。3宏模型 的应用 此宏模型适用于通用电路模拟程序S P I C E，可作为S P I C
20、E 的集成电路宏模型库的元件之 一。当用户不 知5 G1 4 5 7 4 的外特性参数时，可用本宏 模型 的隐含值，这些隐含值是 根据 手 册 给出的典型工作条件及手册和实验测得的指标计算而得的 当用户在不 同于手 册的典型 工作条件下工作 时，宏参数计算程 序根据用户输 八的外 特性 参数对宏参数进行修改，修改是 自动完成的。其中可以修改的外特性参数有；开环增益A。、外 偏鼍电阻R (或偏置 电流J )、过激励 电压、(或 输八 毫压 幅度V J 、参 孝 电 压v)、上跳时延、下跳n 延 t 5、上升时阃t、下降时间t，、负载 电容c L、电源 电 压 y D ，s s。用户在修改器件的外
21、特性参数值时，不能超出器件实际的可能范围，并应兼顾各外特性 的变化趋势，不能 引入 矛盾 的条件，例 如t 大 于(实际 电路 的 一定小于t，)。4 模拟结果与实测结果的比较(i)输出毫压时延(1：，)与外 置电流J 的关系，如表2 所示 维普资讯 http:/ 第 6期 陈邦媛等：国产M0 s 电压比较器5 G 1 4 5 7 4 实用老模型8 7 7 表2 CL=5 0 p F(模拟实测)t；、t (s)V O D(m v)I 1 30 40 5fl 60 7。8。90 l口 0 2口 0 I J e (u A)l V ：v g t；t t t I t；t I t 1 t：t；】t l
22、t t；t；I t l t 10 0 。2 8【1 7 6 2 4 2 1,g fl 1 4 lf1 7 7 I 2 6 l1 驰 1 6 fI 3 9 I 1 2 4 1 o l f 1 f1 0 j 3 5 2 2 7 JL 6 5 12：11 s I 2 I I I l 1 I 1 2 5 j1 5 1 2 1 1 1 5 1 10 9 80。夕 z夕 。夕 z；二；z iz 岁 z 乡 l 岁 l 岁。l 4 8,1 52 1-g 14 4 1 3 8 1 4 4 11 2 36 l 2 5 3 2 9 l2 2【2 4 3 2 0 5 J 22 l 9 l1 9 l 8 1 8 l
23、ll 76 5 l1-76 I 3 5 a 5 60 44岁,4：。3 0 3 13 72 I2 64；13。2 3 23 l：2 14I2 3 一 n5 1 I l l 5 1 76j17 61 7I 1 9 3 1 95 11 85 1 8 5 2 2 32,5 o u I。l l1 9 5 1 8 5 1 9 l1 8 (2)输出电压延迟时间(t；，与输入过激励电压y。的关系如表 3 所示。裹 3 I 一=5 0 v AC L=5 0 PF(模 拟实测)V 5 =V (m V)1 0 ft 8 0 7 口 6 0 s o I 4 9 I t (s)2 4 2 2 4 2,5 2 2 4
24、5 l 2$2 2 6 5 3，2 3 3 13 6 2 6 1 4 3 2 43 t (邸)I S 6 I _S I 9 7 2 I 2 1 6 2 2 2 3 5 2 2 s2 5 6 26 3 0 6 3 1 5 I (3)输出电压上升，下降时间c，t 与负鞍电容的关系如表 4 所示。表 4 I ：5 0#A V D=V D=l O O mV模拟 实测 C (PF)t (ns)t，(ns)23 0 1 1 口 1 1 0 0 6 0 0 8 50 0 1 2 1；0 1 3 0 0 8 5 0 f1 9 10 ft 0 1 5 0 1 5 0 1 4 0 1 1 (4)输出 电压 在高
25、电平、低 电平 时的输 出阻抗(见 表 5)表5 模拟条件：I ：5 0 J A，y D：y 口：1 0 0 mV，cL=5 0 p F 输出状鸯 I 高 电 平VO H一 9 8 7 V 低色平Vo 口 0 7 V、极 8 81 0-!24 9,6：l 0 0 3D D 4 7 1 8 8 1 0 2 4 9-9 8 i 0 0 3 1 1 5 xl0 一f 8 f舞 fl-6、状 态 1 0 I x 1 l 26O 1。输出阻抗 I Ro =RD 6=2 4 9 6 Q J R一RD r=2 6 0 8 0 J 。，。维普资讯 http:/ 8 7 8 浙 江 大 学 学 报(自然科学版)
26、1 9 9 0年 手 册 植：。t=o 5 IV 一 =2 m A，R at=羔 t_=2 5 o 口 4结 语 5 G1 4 5 7 4 MOS 电压比较器的实用化宏模型能缀好地模拟器件的输入、输出阻抗特 性 及 瞬态特性 对于在手册中给出的及实验中所反映的各种工作条件下瞬态特性的变化都作了相 应的模拟，除个别数据外，横拟结果与实测数据误差均小于1 O。这个结果远远超出了直接 使 用5 G1 4 5 7 4 实际电路进行模拟的精度，因为在使用5 G1 4 5 7 4 实际电路进行模拟时，我们 无 法准确确定每个晶体管的参数及工作条件，从而引入很大误差甚至无法使用。此外还需要说明的是元件五厂手
27、册中给出的参数指标只是典型值，而且工作条件规定得 不完整，因此我们所取的宏模型参数的隐含值是根据对大量I,j S G1 i 5 7 4 实验铡量结果与 手册 参数相结合而 定的。参考文献 l An i n t e g r at e d c i r c ui t c o m p a r a t o r m a c r o mo d e i I EEE J S o l l d s t a t e c l r c ui t s VOL SCU 6 PP8 2 6 8 3 3 DEC1 97 6 2 Ma c r o mo d e l o f F E T b i P o l a r o p e r a
28、 t l o n I a md l i f i e r s I EE E J S o l i d s t a t e c i r c u i t s V0LSC l 4 PPl 0 8 3 i 0 8 7 DEC 1 9 7 9 3 A mac r o mo d e l f or i nt e g r a t e d a1 I M0S o p e r at l o na 1 a mpl j tie r I EEE J S o 1 i d s t z t e c i r c ui t s 0LS C一1 8 4 PP3 8 9-3 9 5 AUG1 9 8 3 d SPI CE V e r s
29、i o n 2 G5 u s e r s g ume 5 集成 电路设计原理一模拟集成电路 复旦大 学融电子教研拿 6 男大义 数值方法 浙江科学技术哪 E Th e p r a c t i c al ma c r o mo d e l o f d o me s t i c M OS v ol t a g e c o mp a r a t o r el l e n Ba ng yu an He X i a o t i i n g (D e p a r t me n t o f I n f o r ma t i o n a n d El e c t o l n i c En g i n e e
30、r i n g)ABS TRACT A p r a c t i c a l ma c r o md e l f o r MOS i n t e g r a t e d e l r c ui t c o r a p a r a t o r s ui t a b l e f o r t y pi c a l p r e s e nt d a y c i r c ui t s i mul a t o r S PI CEWa S pr e s e n t e d Th e me t ho d o f d e s i g n i n g t h e ma c r o mode l wa s p r e s e n t e d Ms o Go o d a g r e e me n t(t y p i c a l l y i n o N)b e t we e n e x p e r i me n t a l a n d c o mp u t a t i o n r e s u l t s b y u s i n g t h e ma g r o mod l i n s pI CE pr og r a m Was o b t ai ne d 。wo r d s：p r a c t i c a1 c r 咖。维普资讯 http:/