欒 艦,孫海燕北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院,北京 100144
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一種12位100MHz流水線ADC采樣保持電路
欒艦,孫海燕
北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院,北京100144
摘要本文設(shè)計(jì)了一款基于SMIC130nm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的應(yīng)用于12位流水線ADC的采樣保持電路。采保(SHA)采用翻轉(zhuǎn)圍繞式結(jié)構(gòu),以減小電容的匹配要求、降低整體功耗;采用增益提高型二級(jí)運(yùn)算放大器,以保證所設(shè)計(jì)的電路處理信號(hào)的速率與精度。通過(guò)仿真結(jié)果表明,采保電路(SHA)符合12位流水線ADC的性能要求。
關(guān)鍵詞流水線ADC;采樣保持電路;增益提高運(yùn)算放大器
采保電路(SHA)對(duì)于流水線ADC很重要,其作用是對(duì)持續(xù)變化的模擬量輸入信號(hào)的值進(jìn)行采集,并在輸出端對(duì)這個(gè)采樣信號(hào)保持一段時(shí)間,以保證在給定采樣頻率下,后續(xù)電路對(duì)其進(jìn)行處理,采保電路(SHA)的性能指標(biāo)直接影響流水線ADC的速率與精度。
本文對(duì)采保(SHA)電路進(jìn)行研究,通過(guò)對(duì)兩種不同類型的采保的分析,最終選擇翻轉(zhuǎn)圍繞式結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了高性能的增益提高型運(yùn)放,以滿足電路的速率與精度的要求,最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用于12位100MHz流水線ADC的采保(SHA)電路。
閉環(huán)結(jié)構(gòu)的采保(SHA)電路主要有兩種結(jié)構(gòu)[1-3]:重分配電荷式和翻轉(zhuǎn)圍繞式。在采樣相,重分配電荷式采保的采樣電容對(duì)輸入模擬量進(jìn)行采集;在保持相,對(duì)采集信號(hào)的電容上的電荷重新分配,使其移動(dòng)到反饋電容上,從而實(shí)現(xiàn)采樣保持功能。翻轉(zhuǎn)圍繞式采保則是在保持相通過(guò)翻轉(zhuǎn)采集信號(hào)的電容,實(shí)現(xiàn)了采樣保持作用。二者相比較,在信噪比相同要求下,重分配電荷式采保電路在采樣相與保持相的熱噪聲均為翻轉(zhuǎn)圍繞式采保電路的2倍。且因?yàn)橹胤峙潆姾墒讲杀k娐罚⊿HA)的反饋系數(shù)是翻轉(zhuǎn)圍繞式采保電路(SHA)的一半,所以在相同建立速率要求下,前者的單位增益帶寬是后者的兩倍,即前者的運(yùn)放要比后者的運(yùn)放功耗大很多。所以綜上考慮,本文選擇翻轉(zhuǎn)圍繞式采保電路。
翻轉(zhuǎn)圍繞式采保電路由高增益型兩級(jí)運(yùn)放,開(kāi)關(guān)和采集信號(hào)的電容組成。采保(SHA)電路結(jié)構(gòu)如下圖1所示。
圖1 采保(SHA)電路結(jié)構(gòu)圖
當(dāng)CLK1,CLK11閉合,CLK2斷開(kāi),電路進(jìn)入采樣狀態(tài),VIN對(duì)采樣電容Cs充電,當(dāng)CLK11斷開(kāi)的瞬間,完成對(duì)采樣電容Cs的下極板采樣;隨后CLK1斷開(kāi),接著CLK2閉合,電路進(jìn)入保持狀態(tài),采集信號(hào)的電容Cs上存儲(chǔ)的電荷被傳送到輸出,由于兩級(jí)運(yùn)放的負(fù)反饋和高增益,在輸出穩(wěn)定時(shí),運(yùn)放的輸入點(diǎn)‘虛地’,因?yàn)镻點(diǎn)電荷不發(fā)生改變,所以輸出電壓VOUT=VIN。
采保電路(SHA)的偏差基本由以下幾點(diǎn)組成:
1)采樣保持電路的熱噪聲。
2)采保電路(SHA)的時(shí)鐘饋通與電荷注入。
2.1采保(SHA)電路的熱噪聲
圖2 熱噪聲模型
采保電路等效結(jié)構(gòu)圖如圖2示,設(shè)開(kāi)關(guān)的采集信號(hào)的電容的值為C,導(dǎo)通電阻值為R。開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的熱噪聲功率為4kTR,S/H的傳輸函數(shù)為:
總噪聲功率為:
而流水線ADC的量化噪聲是LSB2/12,LSB=(FS/2n)/12,F(xiàn)S是量化范圍,LSB是ADC的最小分辨率。采保電路的噪聲要求小于一半的量化噪聲,所以由3.1推出的采樣電容需滿足:
2.2采保電路(SHA)的時(shí)鐘饋通與電荷注入
當(dāng)開(kāi)關(guān)管處于閉合狀態(tài)時(shí),由于界面存在反型層,設(shè)值為Q的電荷存在于反型層中,開(kāi)關(guān)打開(kāi)階段,電荷Q會(huì)通過(guò)開(kāi)關(guān)管的漏端泄露出來(lái),注入到Cs中的這部分電荷,使得采集信號(hào)的電容存儲(chǔ)的電荷值產(chǎn)生偏差。開(kāi)關(guān)管還會(huì)通過(guò)柵漏之間的重疊電容將時(shí)鐘信號(hào)跳變狀態(tài)附加到采集信號(hào)的電容上,這種變化會(huì)給輸出電壓引入一定的偏差。
圖3 高增益型兩級(jí)運(yùn)算放大器
對(duì)于12位100MHz的流水線ADC,所需要最小的直流增益為78dB,0dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的帶寬值為800MHz。下面對(duì)高增益型兩級(jí)運(yùn)放(OTA)進(jìn)行交流分析,結(jié)果如
圖4 運(yùn)放的交流仿真結(jié)果
從圖中直觀的得出高增益兩級(jí)運(yùn)放的增益值117.8dB,相位裕度值45°。
采保(SHA)電路輸出波形。
圖5 采保電路(SHA)瞬態(tài)輸出波形
輸入1.02Mhz的正弦波信號(hào),采樣頻率為100MHz,輸出波形如上圖,采樣波形連續(xù)穩(wěn)定,達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
圖6 采保電路(SHA)建立時(shí)間波形
從圖6中可以看出,經(jīng)過(guò)3.96ns,采樣精度已經(jīng)達(dá)到12bit精度的0.5LSB。
本文在SMIC130nm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的支持下設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于12位100MHz流水線ADC的采保(SHA)電路,采用翻轉(zhuǎn)圍繞式結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了高增益高帶寬型兩級(jí)運(yùn)放,保證了所設(shè)計(jì)電路處理信號(hào)的速率與精度。通過(guò)輸入1.02MHz的正弦波信號(hào),在100MHz的采樣頻率下,仿真結(jié)果完全滿足設(shè)計(jì)要求。
參考文獻(xiàn)
[1]S.H.Lewis,P.R.Gray. A pipelined 5M sample/s 9-bit an- alog-to-digital converter[J].IEEE Journal of Solid-StateCircuits,1987,22(6):954-961.
[2]W.Yang,D.Kelly, A 3-V 340mW 14-b 75-MS/s COMS ADC with 85-dB SFDR at Nyquist input[J].IEEE Jour-nal of Solid-State Circuits,2001,36(12):1931-1936.
[3]潘星,王永祿,裴金亮.一種高性能采樣/保持電路的設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué),2008,38(3):442-444.
中圖分類號(hào)TP33
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A
文章編號(hào)1674-6708(2016)165-0237-02
作者簡(jiǎn)介:欒艦,碩士在讀,北方工業(yè)大學(xué),研究方向?yàn)槟M集成電路設(shè)計(jì)。