一種運(yùn)用于高速ADC的采樣保持電路設(shè)計(jì)

1、第卷第期年月文章編號(hào)：（）電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，一種運(yùn)用于高速的采樣保持電路設(shè)計(jì)蔡坤明，丁扣寶群，羅豪，韓雁（浙江大學(xué)微電子與光電子研究所，浙江杭州）摘要。設(shè)計(jì)了一種用于中的前置采樣保持電路。從理論上推導(dǎo)了、的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)采樣保持電路各個(gè)子電路的性能指標(biāo)要求，按此要求設(shè)計(jì)了增益增強(qiáng)型運(yùn)放、自舉開關(guān)等子電路?；卺叮に?，仿真結(jié)果表明，在采樣頻率為，輸入信號(hào)頻率為時(shí)實(shí)現(xiàn)了的信噪失真比（）和位的有效位數(shù)（），無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（）可達(dá)，功耗僅為。輸入直到奈奎斯特頻率，仍能保持的信噪失真比和位的有效位數(shù)，可達(dá)到。關(guān)鍵詞。采樣保持；增益增強(qiáng)性運(yùn)放；自舉開關(guān)中圖分類號(hào)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼引言隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，

2、特別是在圖形處理、視頻成像和無(wú)線通信等領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（）要求具有更高的轉(zhuǎn)換精度和更快的轉(zhuǎn)換速度【】。流水線結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)高速高精度的一種常用結(jié)構(gòu)，而采樣保持電路作為流水線前端最重要的模塊，它的精度和速度直接決定著的整體性能。采樣保持電路主要有電荷重分配型（）和電容翻轉(zhuǎn)型（）兩種，前者輸入共模范圍大，但需要個(gè)電容；后者只需兩個(gè)電容，所需面積小，同時(shí)在狀態(tài)切換時(shí)無(wú)電荷傳輸現(xiàn)象，噪聲性能更好?；诟咝旁氡鹊目紤]，本文采用電容翻轉(zhuǎn)型采樣保持電路。電路設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)于、采樣速度的，其前置采樣保持電路在采樣速度下應(yīng)該達(dá)到的精度。運(yùn)放設(shè)計(jì)指標(biāo)：圖單端采樣保持電路考慮單端采樣保持電路的情形，如圖所示，和是

3、兩相不交疊時(shí)鐘，是比提前關(guān)斷的時(shí)鐘，引入它的目的是利用底極板采樣技術(shù)減少溝道注入電荷對(duì)電路的影響【】。當(dāng)、時(shí)，電路對(duì)進(jìn)行采樣，電荷存儲(chǔ)到上；當(dāng)、時(shí)，電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行保持。設(shè)為小幅值階躍信號(hào)，當(dāng)保持時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，圪以將趨近于。在有限的建立時(shí)間內(nèi)，輸出階躍響應(yīng)為：因有限的建立時(shí)間引起的保持誤差圪。，為：！、（）圪。一；三（）對(duì)于的轉(zhuǎn)換速率，主時(shí)鐘周期為，其中用于保持相的時(shí)間為（假設(shè)時(shí)鐘占空比為）。的系統(tǒng)精度要求誤差圪。，小于，因此：收藕日期修訂日期：通信作者萬(wàn)方數(shù)據(jù)電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)第卷研運(yùn)放的單位增益帶寬設(shè)計(jì)為。下面討論由于運(yùn)放有限增益帶來的誤差。（）其中五為運(yùn)算放大器增益帶寬，夕是反饋系數(shù)，這里取。

4、計(jì)算得六，若考慮其他誤差，對(duì)圖的采樣保持電路，電容在采樣相時(shí)，端存儲(chǔ)的電荷為：。（一）；在保持相，端存儲(chǔ)的電荷為：（匕一）；其中彳圪。由點(diǎn)電荷守恒（島）可得：毿土因此一吃一，該值?。?。即：（）吆擊每增益大千開關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)由此可知增益應(yīng)該大于。對(duì)于位的一般要求運(yùn)放的在開關(guān)電容電路中，開關(guān)的非線性導(dǎo)通電阻不僅會(huì)產(chǎn)生熱噪音，而且其引入的非線性誤差制約著整個(gè)電路的線性度。圖中，開關(guān)在采樣模式下可以等效為電阻咒。，它與采樣電容構(gòu)成一個(gè)低通濾波器，電路的最大采樣頻率和采樣精度受這個(gè)低通濾波器帶寬的限制，濾波器的帶寬為：圖套筒式增益增強(qiáng)型運(yùn)放厶積芴麗雨了需的精度要滿足【】：一其中，。為。右端的寄生電容。開關(guān)等

5、效低通濾波器帶寬與所六皿厶（）其中，為所需的精度，此處是，厶是輸入信號(hào)的頻率。當(dāng)，厶，（。）時(shí)，計(jì)算得開關(guān)的導(dǎo)通電阻小于歐姆。電路設(shè)計(jì)套筒式增益增強(qiáng)型運(yùn)放的設(shè)計(jì)由第部分的分析可知，高速、高精度采樣保持圖開關(guān)電容反饋電路電路要求運(yùn)放具有大的帶寬和高的增益。運(yùn)放的種類主要有兩級(jí)運(yùn)放、折疊式共源共柵運(yùn)放和套筒式運(yùn)放等。本設(shè)計(jì)采用套筒式運(yùn)放，它具有頻率特性好、單位增益帶寬大、不需要米勒補(bǔ)償和速度快等優(yōu)點(diǎn)。普通的單級(jí)套筒式運(yùn)放很難實(shí)現(xiàn)高增益、高帶寬，但采用一種稱為增益增強(qiáng)的技術(shù)便可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，如圖所示。一構(gòu)成套筒式運(yùn)放的主電路。和是兩個(gè)全差分折疊共源共柵輔助運(yùn)放，、構(gòu)成的負(fù)反饋提高了電路的輸出阻抗，進(jìn)

6、而提高電路圖自舉開關(guān)電路增益。由式（）的增益表達(dá)式可知，利用增益增強(qiáng)技術(shù)可以使運(yùn)放的增益提高一個(gè)輔助運(yùn)放的增益。萬(wàn)方數(shù)據(jù)第期蔡坤明等：一種運(yùn)用于高速的采樣保持電路設(shè)計(jì)?！踞埽?。）】（。）開關(guān)電容共模反饋電路的設(shè)計(jì)（）全差分結(jié)構(gòu)具有良好的抑制共模擾動(dòng)的作用，在電路設(shè)計(jì)中獲得廣泛的應(yīng)用，但全差分結(jié)構(gòu)的輸出共模電平對(duì)器件的特性和失配相當(dāng)敏感，而且不能通過差動(dòng)反饋達(dá)到穩(wěn)定，必須增加共模反饋網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)。共模反饋電路主要有兩種，一種是連續(xù)時(shí)間的共模反饋，一種是開關(guān)電容共模反饋，本文采用后者。如圖所示，圪。件，圪一是運(yùn)放的兩個(gè)輸出端，是共模反饋電路產(chǎn)生的反饋信號(hào)，是理想的輸出共模電平，是理想的反饋信號(hào)

7、。當(dāng)是高電平時(shí)，電路總電荷為：（盯一）（乙一）（圪。一一耀）當(dāng)是高電平時(shí)，電路總電荷為：（少）（，）（一一）（）根據(jù)電荷守恒定律可得：（）首荽（）：堡鱉一刪（）圖運(yùn)放的幅頻和相頻響應(yīng)較（二牛一）、反饋（當(dāng)匕牛：時(shí)，：刪）的作用。值得注意的是，為了減少時(shí)鐘饋通和電荷注入對(duì)反饋信號(hào)的影響，圖所示的共模反饋電路加入了管。自舉開關(guān)的設(shè)計(jì)由（）式可知，共模反饋電路完成了電平檢測(cè)（蘭業(yè)鱉）、比貧輸入信號(hào)頻率為的點(diǎn)分析獸型惋整豁雷枷霸襲耋奮習(xí)，佃：逸舳中爐擻蚺頻率（）開關(guān)是影響電路線性度的關(guān)鍵因素，采用源跟隨技術(shù)可以明顯提高開關(guān)的線性度。如圖所示自舉開關(guān)電路中，和互為反相時(shí)鐘，是開關(guān)管。當(dāng)時(shí)，導(dǎo)通，將開關(guān)管

8、的柵極接地，關(guān)斷開關(guān)管，同時(shí)充電到電源電壓；當(dāng)、時(shí)，圖輸入信號(hào)為時(shí)自舉開關(guān)的點(diǎn)仿真導(dǎo)通，的底端極板跟隨輸入信號(hào)，開關(guān)管的柵源電壓為：育半蘆越大，越小，開關(guān)管的柵源電壓就越趨近于電源電壓。（）仿真與比較結(jié)果采用，工藝，仿時(shí)間（）圖采樣保持電路的輸出真表明，在各個(gè)工藝角下，該采樣保持電路都能滿足，高速的要求。圖是套筒式運(yùn)放在工藝角下、負(fù)載一一輸入信號(hào)頻率魯薯襲釜蠹詈譬。有效位數(shù)？譬唑磐翁謄豆”輸入信號(hào)頻率信噪失真比有效位數(shù)為時(shí)的仿真結(jié)果。運(yùn)放增益為，單位增益帶寬為。表是運(yùn)放在各囂幣。獺斛雷嫠枷艇督個(gè)工藝角下的仿真結(jié)果，可以看出，在三種工藝角下，套簡(jiǎn)式運(yùn)放均能滿足采樣保持電路的要求。頻率（）頻率（）

9、圖輸入信號(hào)厶圖輸入信號(hào)厶的分析的分析圖是在輸入為的正弦波信號(hào)時(shí)，對(duì)自舉開關(guān)的輸出信號(hào)進(jìn)行點(diǎn)分析的仿真圖，可以看出，自舉開關(guān)具有的信噪失真比和的動(dòng)態(tài)范圍，動(dòng)態(tài)特性良好，滿足系統(tǒng)要求。圖是采樣保持電路的瞬態(tài)仿真，輸入萬(wàn)方數(shù)據(jù)電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)表性能指標(biāo)增益帶寬相位裕度第卷運(yùn)放在各個(gè)工藝角下的仿真正弦信號(hào)，頻率，輸出在內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。圖、是對(duì)采樣保持電路輸出信號(hào)進(jìn)行點(diǎn)的分析，在輸入為時(shí)，電路能夠達(dá)到的，為，為。當(dāng)輸入接近奈奎斯特頻率時(shí)，仍可保持為和位的有效位數(shù)，仍能達(dá)到，具有很高的信噪失真比和動(dòng)態(tài)范圍。表是本文與近幾年報(bào)道的三篇文獻(xiàn)的對(duì)比，這三篇文獻(xiàn)均為仿真結(jié)果。由對(duì)比可知，作為衡量采樣保持電路性能高低的主

10、要?jiǎng)討B(tài)指標(biāo)：信噪失真比、無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍，本文均優(yōu)于這些文獻(xiàn)。參數(shù)。表性能對(duì)比本文文獻(xiàn)【】文獻(xiàn)【】文獻(xiàn)【】工藝（電源（）采樣頻率（）結(jié)論本文從系統(tǒng)的要求出發(fā)推導(dǎo)了高速高精度的輸入頻率（）（）對(duì)采樣保持電路的要求，確定了設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用增益增強(qiáng)、共模反饋、源跟隨等技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)了一個(gè)采樣保持電路。仿真結(jié)果表明電路性能優(yōu)越，可用于位采樣精度，工作的中。（）（）功耗（）（）。參考文獻(xiàn)【】【】，【】，】【】【】【】【】【】，【】“【】鄭曉燕，仇玉林流水線的電路級(jí)設(shè)計(jì)【】電子器件，（）：潘星，王永祿，斐金亮一種高性能采樣保持電路的設(shè)計(jì)【】微電子學(xué)，（）：“楊斌，殷秀梅，楊花中一種高速高精度采樣保持電路【】半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，（）：作者簡(jiǎn)介蔡坤明（），男（漢族），福建漳州人，碩士研究生，年畢業(yè)于廈門大學(xué)物理系，獲學(xué)士學(xué)位，數(shù)?；旌想娐吩O(shè)計(jì)方向，目前主要從事高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的研究；扣寶（），男（漢族），江蘇東臺(tái)人，副教授，年和年先后畢業(yè)子南京大學(xué)和浙江大學(xué)，工學(xué)博士，目前主要從事微電子技