10bit 60MsPs 15mW流水線ADC的設(shè)計(jì)

0 引言
    模數(shù)轉(zhuǎn)換器是現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)中十分重要的單元。與模擬信號(hào)相比，數(shù)字信號(hào)具有便于存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移、保真度和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。但是因?yàn)槿藗兯幍氖澜缡沁B續(xù)的模擬環(huán)境，其中所有(物理、化學(xué)、生物等)信號(hào)都是模擬的，這是數(shù)字電路無(wú)法直接處理的。因此，必須借助于ADC將從外部采集來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，才能由數(shù)字電路處理，然后再以適當(dāng)?shù)姆绞捷敵觥ｋS著無(wú)線通信系統(tǒng)和手持設(shè)備的快速發(fā)展，ADC的功耗已經(jīng)成為ADC設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題。特別是在移動(dòng)電話、數(shù)碼相機(jī)、手持存儲(chǔ)設(shè)備等應(yīng)用中，減小ADC的功耗已成為必然的趨勢(shì)。本文通過(guò)對(duì)比較器進(jìn)行特殊的處理，去掉了ADC中的采樣保持電路，并且引入運(yùn)放共享(op-amp shar-ing)技術(shù)，從而完成了一個(gè)分辨率為10bit、采樣頻率為60 MHz、功耗為15 mW的全差分流水線低功耗ADC的設(shè)計(jì)。

1 ADC第一級(jí)的設(shè)計(jì)
    在傳統(tǒng)流水線ADC結(jié)構(gòu)中，為了減小MDAC和比較器之間時(shí)鐘不匹配帶來(lái)的動(dòng)態(tài)誤差，通常需要引入一個(gè)采樣保持電路來(lái)保證MDAC和比較器具有同樣的采樣電平。雖然，采樣保持器的引入可以很大程度的減小ADC的動(dòng)態(tài)誤差。但是，為保證整個(gè)ADC的精度，采樣保持電路的精度必須高于ADC的要求。這就要求采樣保持電路中的運(yùn)放必須有足夠高的增益和足夠大的帶寬，因此采樣保持器就成為整個(gè)ADC功耗最大的一個(gè)模塊，通常要消耗整個(gè)ADC器件1／5到1／4的功耗。
    傳統(tǒng)無(wú)采樣保持電路ADC的第一級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在ψ2時(shí)刻，比較器對(duì)閾值電壓VTH進(jìn)行采樣，與此同時(shí)，MDAC處于對(duì)余量電壓進(jìn)行放大的狀態(tài)。當(dāng)ψ1到來(lái)時(shí)，MDAC和比較器同時(shí)對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。MDAC在ψ1P下降沿采到V2，但是由于比較器前置放大器存在一個(gè)△t的延時(shí)，所以比較器實(shí)際采到并決定輸出比特值的電壓是在ψ1P下降沿前△t時(shí)刻采到的V1。換一句話說(shuō)，由于前置放大器存在延時(shí)，比較器采到的電壓值要比V2早，故與V2存在一個(gè)Ve的差值。而Ve與輸入頻率、最大斜率等參數(shù)有關(guān)，其每級(jí)1．5 bit的傳遞函數(shù)如下式所示：
   
    式中，Dn可取-1，0，1。它的誤差容忍范圍(即Ve的最大值)為1／4VREF。假設(shè)輸入信號(hào)為Vin=VREFsin(2πfint)，fin為其輸入頻率，那么，它的最大斜率可以表示為：
   

    所以，△t時(shí)間的不匹配所引入的Ve可以表示為2πfinVREF△t。可見(jiàn)，輸入越快，Ve越大。對(duì)于每級(jí)2．5 bit的ADC，Ve允許的最大值為1／8 Vref。
    為了消除Ve，本設(shè)計(jì)中采用改進(jìn)的ADC第一級(jí)結(jié)構(gòu)，其電路如圖2所示。其中比較器有兩個(gè)分開(kāi)的電容，在φ1時(shí)候，分別對(duì)信號(hào)和閾值電壓VTH進(jìn)行采樣。φ1結(jié)束時(shí)，前置放大器有一段時(shí)間Tamp對(duì)φ1p下降沿采到的信號(hào)進(jìn)行放大。這就避免了由于前置放大器延時(shí)所引入的△t，消除了Ve，因此也就提高了第一級(jí)電路的動(dòng)態(tài)性能。

2 運(yùn)放分享技術(shù)
    流水線ADC是在兩相非交疊時(shí)鐘的控制下，使各流水線子級(jí)在采樣和保持狀態(tài)之間切換。流水線ADC相鄰兩級(jí)的控制時(shí)間是相反的，當(dāng)前一級(jí)處于采樣狀態(tài)時(shí)，后一級(jí)處于保持狀態(tài)。運(yùn)放只有在保持狀態(tài)時(shí)，才能真正被用到，在采樣狀態(tài)，運(yùn)放實(shí)際處于重置狀態(tài)，輸出是短接的。所以，可以利用流水線ADC的這一特性，使相鄰兩級(jí)共用一個(gè)運(yùn)放，從而減小功耗。
    本設(shè)計(jì)采用4級(jí)2．5 bit加一個(gè)2 bit Flash的ADC結(jié)構(gòu)。由于運(yùn)放共享技術(shù)的引入，運(yùn)放的數(shù)量從原來(lái)的4個(gè)減少到了2個(gè)，因而大大減小了功耗，優(yōu)化了設(shè)計(jì)。其運(yùn)放共享技術(shù)原理圖如圖3所示，與傳統(tǒng)流水線ADC相比，它只是添加了開(kāi)關(guān)ISO1租ISO2來(lái)對(duì)運(yùn)放的輸入進(jìn)行切換。但開(kāi)關(guān)ISO1和ISO2的引入又會(huì)引發(fā)其他問(wèn)題，如ISO1和ISO2的開(kāi)關(guān)電阻會(huì)加大信號(hào)通路的阻值，同時(shí)，這些電阻和寄生電容的結(jié)合會(huì)產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)，而這會(huì)引起閉環(huán)電路的過(guò)沖和震蕩。所以，必須對(duì)這些開(kāi)關(guān)進(jìn)行優(yōu)化，以減小過(guò)沖并避免震蕩。增加開(kāi)關(guān)的尺寸可以減小開(kāi)關(guān)的阻值，但是又會(huì)增加寄生電容，減小反饋系數(shù)，降低閉環(huán)的帶寬，導(dǎo)致閉環(huán)速度降低。

3 運(yùn)放的具體設(shè)計(jì)
    在選取運(yùn)放結(jié)構(gòu)時(shí)，需要對(duì)運(yùn)放增益、帶寬、輸出擺幅、速度、功耗和穩(wěn)定性等方面進(jìn)行綜合考慮和折中。隨著工藝尺寸的不斷縮小和供電電壓的不斷降低，兩級(jí)運(yùn)放比單級(jí)運(yùn)放具有更高的增益和輸出范圍。但是，在速度、功耗、共模反饋，特別是穩(wěn)定性方面，兩級(jí)運(yùn)放也有著明顯的缺陷。本設(shè)計(jì)中的信號(hào)輸入范圍為500mVpp，這樣，折疊式運(yùn)放(folded-cascode op-amp)已經(jīng)足以滿足擺幅的要求。但為了達(dá)到低功耗，高速度，高直流增益以及非常良好的穩(wěn)定性，本設(shè)計(jì)在第一、二級(jí)所用的運(yùn)放采用折疊式增益增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(gain boosting)。其電路結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示。

    為了避免出現(xiàn)慢建立(slow settling)和不穩(wěn)定，輔助運(yùn)放的單位增益帶寬ωadd必須滿足：
    βωμ<ωadd<ωp2 (3)
    式中，ωμ表示主運(yùn)放的單位增益帶寬，ωp2表示主運(yùn)放的次極點(diǎn)。

4 仿真結(jié)果
    筆者在SMIC 0．13μm CMOS工藝下，對(duì)整個(gè)ADC進(jìn)行了瞬態(tài)仿真。在60MHz采樣頻率下，其輸入幅度為475mV的正弦信號(hào)。那么，在輸入頻率為9MHz時(shí)。即可得到圖5所示的FFT頻譜圖。圖中，信號(hào)的有效比特?cái)?shù)(ENOB)為9．67bit，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)為75．2 dB。整個(gè)ADC的功耗為15 mW?？梢詽M足模擬電路高線性度和低功耗的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)
    本文給出了一種高性能低功耗流水線ADC設(shè)計(jì)方法，它對(duì)比較器進(jìn)行了特殊處理，并去除了采樣保持電路，同時(shí)引入運(yùn)放共享技術(shù)，使電路所需的運(yùn)放數(shù)目比傳統(tǒng)流水線ADC減少了一半，從而大大降低了功耗。該ADC電路在1．2 V供電電壓下，采樣率可達(dá)60 MHz，ENOB為9．67 bit，功耗為15 mW。