顧字晴

【摘要】在傳統(tǒng)自舉開關(guān)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一款應(yīng)用于12位$AR ADC的柵壓自舉開關(guān)電路。電路采用0.18um標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，仿真結(jié)果顯示該電路可實現(xiàn)柵壓自舉，有效位數(shù)高達14位，滿足各項性能指標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】自舉開關(guān);SARADC;有效位數(shù)

CMOS導(dǎo)通電阻雖然很小，當(dāng)工作電壓轉(zhuǎn)向低壓時，開關(guān)在小幅度信號控制下不能充分完成導(dǎo)通關(guān)斷操作，很難完成高線性度的采樣工作，當(dāng)采樣完成后開關(guān)開路，會有電荷注入問題影響SAR ADC輸入信號的精度。所以需要采樣更好性能的開關(guān)，柵壓自舉開關(guān)應(yīng)運而生。

一、電路設(shè)計

在設(shè)計中，采樣保持電路的精度一般都要比ADC設(shè)計精度高2位以上，才能很好地完成采樣工作。但傳統(tǒng)開關(guān)都無法滿足12位SARADC的線性度要求，所以本文設(shè)計了圖1所示的柵壓自舉開關(guān)電路。

圖1結(jié)構(gòu)的自舉開關(guān)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的自舉開關(guān)相比，顯著的優(yōu)勢是減少了電荷泵電路，同時將M1管換成了PMOS管，這樣能在版圖設(shè)計中減少電容面積的消耗同時降低了功耗。

圖中CIk1信號和CIk2信號是一組反相時鐘。當(dāng)cIk2信號是高電平時，cIkl信號為低電平。此時，M2管導(dǎo)通，電路對c1進行充電，同時M9將M10柵極電壓接地，M5此時關(guān)斷，使c1和采樣管M10隔開。當(dāng)CIk2為低電平，M2、M9關(guān)斷，充電結(jié)束，此時clk1電平為高，CIk1通過反相器M3、M4管將M5的柵極拉低，M6、M7柵電位拉到高電路開始導(dǎo)通，完成柵壓自舉的過程，此時M10柵極電壓等于VDD加上Vim信號。M6、M8是保護管，為了讓電路更加可靠。

二、仿真結(jié)果及分析

對柵壓自舉開關(guān)搭建電路進行仿真，負載電容為2.56pF，采樣頻率80MHz，Voutp和Voutn輸入信號采用為39.76MHz，幅度為500mV，相位相反，采樣點數(shù)4096。圖2給出了自舉開關(guān)瞬態(tài)仿真波形圖。

從圖2中可以看出，柵極電壓與源極輸入信號之間保持一個恒定的差值，即柵源電壓恒定，不受輸入信號的影響，達到了柵壓自舉的設(shè)計目標(biāo)。

完成仿真后，對輸出信號Voutp和Voutn進行差分處理，對差分信號進行DFT分析，計算得到自舉開關(guān)的相關(guān)性能參數(shù)，如圖3所示。

從圖3可知，在輸入頻率為39.765MHz的情況下，自舉開關(guān)的無雜散動態(tài)范圍SFDR=92.47dB，信噪比SNR=85.89dB，信噪失真比SNDR=83.56dB，其有效位數(shù)ENOB達到了14位，完全滿足本文12位的設(shè)計要求。

三、結(jié)論

在傳統(tǒng)自舉開關(guān)的基礎(chǔ)上進行改進，設(shè)計了一款柵壓自舉開關(guān)。仿真結(jié)果顯示，電路很好地完成了柵壓自舉目標(biāo)，并且導(dǎo)通電阻變化很小，開關(guān)的線性度很高，有效位數(shù)達到14位，滿足設(shè)計要求的精度。