一種13 bit 40 MS/s采樣保持電路設(shè)計

摘 要: 設(shè)計了一個用于13 bit 40 MS/s流水線ADC中的采樣保持電路。該電路采用電容翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，主運算放大器采用增益提高型折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)，以滿足高速和高精度的要求。為減小與輸入信號相關(guān)的非線性失真以獲得良好的線性度，采用柵壓自舉開關(guān)。采用電源電壓為3.3 V的TSMC 0.18 μm工藝對電路進行設(shè)計和仿真，仿真結(jié)果表明，在40 MHz的采樣頻率下,采用保持電路的SNDR達到84.8 dB，SFDR達到92 dB。
關(guān)鍵詞：采樣保持電路；電容翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)；增益提高；柵壓自舉開關(guān)

　近年來，隨著通信和多媒體市場的快速增長，數(shù)字系統(tǒng)無論在處理能力還是處理速度上都取得了飛速的發(fā)展，因此對作為模擬信號通向數(shù)字信號橋梁的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的性能要求也越來越高 [1]。在各種ADC結(jié)構(gòu)中，流水線ADC在速度和精度上能夠達到合理的折衷，因此得到了廣泛應(yīng)用。在流水線結(jié)構(gòu)ADC中，其前端采樣保持電路是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，其性能直接決定了整個ADC的性能[2]。
本文對流水線ADC的采樣保持電路的結(jié)構(gòu)以及主要模塊如增益提高型運算放大器電路、共模反饋電路和開關(guān)電路進行了分析，并對各個模塊進行了設(shè)計，最終設(shè)計出一個適合于13 bit 40 MHz流水線ADC的采樣保持電路，仿真結(jié)果表明，該采樣保持電路滿足設(shè)計要求。
1 采樣保持電路結(jié)構(gòu)
　采樣保持電路的結(jié)構(gòu)直接決定了采樣保持電路的精度和速度，圖1為常用的兩種全差分結(jié)構(gòu)：電荷再分布型和電容翻轉(zhuǎn)型。全差分結(jié)構(gòu)能夠很好地消除直流偏置和偶次諧波失真，并抑制來自襯底的共模噪聲。

　與電荷再分布型結(jié)構(gòu)相比較，電容翻轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)的反饋系數(shù)為1，是電荷轉(zhuǎn)移型（在Cs=Cf=C時，反饋系數(shù)為0.5）的兩倍，因此在同樣的閉環(huán)帶寬時，電容翻轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)所要求的運放單位增益帶寬(GBW)只是電容電荷再分布式GBW的一半，所以電容翻轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)具有功耗小的優(yōu)點[3]。另外由于電荷再分布型電路需要使用4個電容，但電容翻轉(zhuǎn)型只需要2個電容，在CMOS工藝中，電容需要大的實現(xiàn)面積，電容翻轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)具有小的實現(xiàn)面積。因此，電容翻轉(zhuǎn)型更適合高速高精度的流水線ADC應(yīng)用，本文的采樣保持電路采用電容翻轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。
2 增益提高型放大器的設(shè)計
　運算放大器是整個采樣保持電路中最重要的模塊，它的增益和帶寬直接決定了采樣保持電路的精度和速度。但增益和帶寬是相互矛盾的，高增益要求使用多級放大器、小的偏置電流、長溝道器件；而大帶寬則要求使用單級放大器、大的偏置電流、短溝道器件，所以放大器是采樣保持電路設(shè)計的一個難點。
　本文主運算放大器采用全差分的折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)，并用增益提高技術(shù)來提高放大器的增益，達到了高增益和大帶寬的要求[4-5]。主運算放大器電路如圖2 所示，由于NMOS管的遷移率高于PMOS管，在跨導相同的情況下，NMOS管具有較小的面積，從而使得運算放大器具有較小的輸入電容，有利于提高采樣保持電路的反饋系數(shù)，所以本文采用了NMOS管作為輸入對管的折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)。兩個輔助運算放大器BN和BP分別為NMOS和PMOS管作為輸入對管的折疊式共源共柵放大器。圖2 中的CMFB模塊為主運算放大器的共模反饋電路，由于主運放的輸出擺幅較大，所以采用如圖３(a)所示的開關(guān)電容共模反饋電路，開關(guān)電容共模反饋不會受輸出擺幅產(chǎn)生限制，并且其只有靜態(tài)功耗。對于兩個輔助運放而言，由于其輸出和輸入范圍很小，所以采用如圖3(b)所示的連續(xù)時間共模反饋電路，這種電路沒有電容，節(jié)省了面積。圖2(b)為主運算放大器在負載電容為6 pF時的頻率特性曲線,其增益為133 dB，帶寬約為478 MHz，相位余度為59.7度。整個放大器(包括偏置電路、輔助運放、共模反饋電路)消耗的平均電流為8.5 mA。

3 采樣開關(guān)的設(shè)計
采樣開關(guān)的性能在采樣保持電路中占有十分重要的地位，對于一個簡單的NMOS開關(guān)，開關(guān)導通時其導通電阻Ron為：

　可見,導通Ron是一個與輸入信號Vin相關(guān)的非線性電阻，這將在輸出信號中引入諧波失真 [5]。本文采用如圖4(a)所示的柵壓自舉開關(guān)，開關(guān)的導通電阻隨輸入信號幅值變化的曲線圖如圖4(b)所示，曲線的斜率大約為11 Ω/V，其導通電阻隨輸入信號幅值的變化較小，具有較高的線性度。