大家好！轉眼又是年底了。這一年馬上要過去，不知道大家今年收獲到了什么呢？

高速ADC一直是個特別火的課題，無論是科研還是實際項目。與此同時，高速動態comparator的設計也就隨之非常普遍。在這里，作者君想跟大家分享一下自己所采用的兩種對comparator input referred noise的仿真方法。大家有什么疑問或者經驗分享，請在評論區留言。

一個典型的dynamic comparator，如圖所示：

來自：Liu， Chun-Cheng， Soon-Jyh Chang， Guan-Ying Huang， and Ying-Zu Lin. “A 10-bit 50-MS/s SAR ADC with a monotonic capacitor switching procedure.” IEEE Journal of Solid-State Circuits 45， no. 4 （2010）： 731-740.

這篇來自CC.Liu的SAR ADC 設計，目前citations已經過千，想必很多讀者都看過了。沒看過的建議去看看，確實是經典。

對于一個這樣的comparator，沒有傳統的模擬pre-amp，整個電路都是dynamic的。因此，如何對input referred noise進行仿真呢？作者君有如下兩種方法：

Transient noise

大致的思路是這樣的：

加一個快于實際工作的時鐘頻率；

在輸入端加一個DC的差（比如一端是0.5VDD，另外一端加0.5VDD+0.2mV）;

計算仿真時間內的counting number，和correct counting number（比如時鐘頻率是1GHz，仿真時間是1us，那么應該是1000個counts；用viva的calculator計算正確的counts）；

掃描不同的輸入DC差之下，正確的counts的數量（比如輸入差是0.1mV，0.2mV，0.3mV，etc.）;

當正確的counts數量大約是84%的時候，我們認為此時的input差就是一個sigma（50%+0.5*68%=84%）；

當PVT改變的時候，可以不斷重復上面的步驟，來求得對應的sigma；

Transient Noise settings and simulation results （Input difference is 0.1mV）

作者君的transient noise設置和仿真結果如上圖。可以看到，當input的差別很小的時候（Vip大于Vin），本來應該是只有Vop出現pulse，Von全部應該是0。但是由于noise的存在，導致某些錯誤的輸出。

按照前面的方法，用calculator計算出全部和正確的counts數量。可以看到，目前的正確counts大概是84%，也就是對于一個input referred noise sigma.

PSS+Pnoise

大致的思路是這樣的：

加一個快于實際工作的時鐘頻率；

在輸入端加一個DC的差；

采用PSS，PAC， Pnoise的仿真；

Pnoise計算出integrated output noise（用V^2/Hz作積分然后sqrt做開方）；

PAC計算出comparator的gain；

第四步得到的noise除以第五步得到的gain，就是input referred noise;

Input difference is 0.1mV.Pnoise integration is from 1Hz to 500MHz. The output noise is 34.86mV.With PAC gain of 51dB （363.584）， the input referred noise is 0.096mV ~ 0.1mV.

相比于Transient noise，這種pnoise的方法一步就能得出input referred noise；所以也有paper專門對比過效率。

上面這張圖是input差為0.1mV時候的仿真結果。作者君又勤快了點，多跑了一個仿真：

Input difference is 0.2mV.Pnoise integration is from 1Hz to 500MHz. The output noise is 17.35mV.With PAC gain of 45dB （181）， the input referred noise is 0.096mV ~ 0.1mV.

當input差別變成0.2mV的時候，相對應的輸出pnoise變小了差不多一半（34mV變成17mV），同樣的，PAC得到的增益gain也減小了一半。因此，最后得到的input referred noise也基本上沒變。

最后，對比一下transient noise 和Pnoise的結果，可以看到，我們拿到的input referred noise差不多都是0.1mV。哈哈哈，結果挺相符的，太棒了！（作者君這個comparator做得不錯吧？加大input pair的size真的是挺有用的……就是面積有點大……囧）

參考文獻：

https://www.cadence.com/content/dam/cadence-www/global/en_US/videos/tools/custom-_ic_analog_rf_design/NoiseAnalyisposting201612Chalk%20Talk.pdf

https://www.researchgate.net/publication/270105586_Noise-aware_simulation-based_sizing_and_optimization_of_clocked_comparators

PS：關于加的時鐘頻率比實際工作頻率要高這點，作者君不是特別確定。希望讀者們可以給出評論。謝謝大家！

在正常的用vpwl sweep comparator一端，固定另外一端的transient仿真時，比如工作頻率是250MHz，可能出現因為時鐘上升沿剛好沒有對齊輸入過零點導致的誤差。這種情況下，加500MHz的時鐘，可能會避免出現這種誤差。

編輯：jq