高精度SC PIPELINED ADC預(yù)放大鎖存比較器的分析與設(shè)計

摘 要： 提出了一種應(yīng)用于開關(guān)電容流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的CMOS預(yù)放大鎖存比較器。比較器采用了交叉耦合負載、PMOS/NMOS比例優(yōu)化和電容中和技術(shù)。該結(jié)構(gòu)大幅提高了比較器的速度并有效抑制了回饋噪聲，減小了失調(diào)電壓，可以作為Flash ADC應(yīng)用于高精度開關(guān)電容流水線ADC。
關(guān)鍵詞： 預(yù)放大鎖存比較器；開關(guān)電容流水線ADC

流水線型A/D轉(zhuǎn)換器因其在功耗、精度上的優(yōu)勢而廣泛應(yīng)用于視頻處理、數(shù)字通信、數(shù)據(jù)采集、超聲和醫(yī)學(xué)成像等應(yīng)用領(lǐng)域。比較器作為A/D轉(zhuǎn)換器中的關(guān)鍵模塊，已經(jīng)成為決定A/D轉(zhuǎn)換器各項關(guān)鍵指標的重要因素之一。預(yù)放大鎖存比較器因為其精度、速度上的折中，以及較低的失調(diào)電壓與回饋噪聲，成為高精度子ADC中必不可少的一部分。
目前多數(shù)40 MHz～50 MHz CMOS預(yù)放大鎖存比較器都是采用0.18 μm或0.35 μm的工藝進行設(shè)計。采用0.18 μm工藝設(shè)計的預(yù)放大鎖存比較器，其時延比較短，輸入失調(diào)電壓約在10 mV～30 mV之間，靈敏度在0.2 mV～0.3 mV，分辨率為6 bit～8 bit[1]。采用0.35 μm/3.3 V或2.5 V硅CMOS工藝設(shè)計的比較器，時延一般在230 ps～390 ps之間，失調(diào)電壓6.8 mV，回饋噪聲的毛刺峰值為6.35 mV[2-3]。為了平衡這些參數(shù)值之間的優(yōu)劣，許多研究在預(yù)放大器輸入、增益和輸出等電路結(jié)構(gòu)以及回饋噪聲的隔離上進行了設(shè)計[2]。如采用交叉耦合負載、多級預(yù)放大的方式來提升預(yù)放大器的增益[3]，則可減少失調(diào)，從而獲得較好的精度。應(yīng)用電容中和、電路隔離等方式來降低回饋噪聲[3]。本文對所設(shè)計的預(yù)放大鎖存比較器延遲時間進行了詳細的理論建模和分析，在此基礎(chǔ)上著重對鎖存器的延遲時間、失調(diào)電壓和回饋噪聲進行了優(yōu)化設(shè)計。
1 電路時序及原理
根據(jù)所應(yīng)用的流水線工作原理可知，奇數(shù)級中的比較器必須在偶數(shù)級進入保持階段前輸出比較結(jié)果，以便控制偶數(shù)級產(chǎn)生保持所需要的電壓余量，整個電路在兩相不交疊時鐘控制下工作。本文設(shè)計的流水線采樣頻率為50 MHz，時鐘周期為20 ns，其中φ1、φ2為開關(guān)電容電路的非交疊時鐘，為了減少電荷注入效應(yīng)(饋通效應(yīng))，同時需要φ1a、φ2a作為提前關(guān)斷時鐘。當φ1為高電平時，偶數(shù)級MDAC進入保持階段，因此比較器必須在φ2a下降沿與φ1上升沿的時間內(nèi)完成比較并輸出比較結(jié)果。本文中的非重疊時鐘，其中φ1、φ2的非重疊時間及φ2a的下降沿提前時間均為0.3 ns，故比較器最大延遲時間為0.6 ns。
圖1為所設(shè)計預(yù)放大鎖存比較器的開關(guān)電容輸入電路，當φ1為高電平時，開關(guān)管S2、S3導(dǎo)通，固定判決電平Vrefp、Vrefn輸入開關(guān)電容電路，進行電荷存儲，其中Vcm為共模電平。當φ2為高電平時，開關(guān)管S1、S4導(dǎo)通，Vinp、Vinn輸入開關(guān)電容電路，產(chǎn)生預(yù)放大鎖存比較器所需差值輸入電壓。根據(jù)電荷守恒定律可得，預(yù)放大鎖存比較器的輸入電壓為：

3 仿真結(jié)果及分析

本文采用TSMC 0.35 μm/3.3 V工藝設(shè)計了預(yù)放大鎖存比較器核心電路。在Cadence環(huán)境下采用spectre對其進行仿真，時鐘頻率為50 MHz，電源電壓為3.3 V，共模電壓為1.65 Ｖ。
圖5(a)、(b)是M12～M15兩個交叉耦合反相器PMOS、NMOS管寬度比值k不同時，預(yù)放大器鎖存比較器鎖存延遲時間仿真結(jié)果。其中，Vo1為點線，Vo2為虛線，φ2a為實線。從圖中可以看出，當k=1時，鎖存器的延遲時間tp=370.4 ps；當k=3時，鎖存器的延遲時間tp=452.8 ps，二者相比，前者明顯減小了18%左右。最終整體仿真結(jié)果表明比較器的總延遲時間約為388tp ps。