一个用于流水线模数转换器的高精度、低功耗采样坚持电路

导言

采样坚持电路(S/H)是数据收集体系尤其是模数转化器(A/D)的一个重要组成部分。近几十年来无线通讯的迅速发展，使得数据的传输速率越来越快。复杂度不断进步的调制体系和电路使得模数转化器(ADC)的采样频率到达射频的数量级，与此一起，模数转化器的精度也超越12位以上。在这种高速度和高精度的要求下，采样坚持电路的效果就越发显得重要，由于它能够消除模数转化器前端采样级的大部分动态错误。传统的开环采样坚持电路只能到达8～10位的精度，首要由于开关的非抱负特性，比如电荷注入、时钟馈通、开关的非线性电阻等。

另一方面，高精度的闭环采样坚持电路又受限于运算放大器的功能。无线通讯体系十分重视降低功耗，流水线A/D一般是无线通讯器材中的一部分，因而在规划的时分也将功耗作为一个重要的考虑要素。本文规划了一个用于14位20MHz流水线A/D的采样坚持电路，经过选用flip-around结构来降低功耗。一起为了按捺传统开关的一些非抱负特性，采纳自举开关来下降信号失真，然后进步整个体系的信噪比。经过选用增益增强技能，完成了高增益低功耗运算放大器。经过这些办法，在较低功耗的状况下依然获得了14位的精度。

本文首要分以下几部分：介绍采样坚持电路的结构；具体介绍运算放大器的规划；描绘自举开关的完成；最终给出电路的仿真成果和定论。

采样坚持电路的结构

采样坚持电路的要求首要是在较低功耗的状况下能采样大带宽、高频率输入信号，并且在驱动较大负载的状况下完成尽可能小的失真。闭环转化电容采样坚持电路一般有两种结构，如图1和图2所示。

图1　电荷传输结构采样坚持电路

图2　Filp-around结构采样坚持电路

图1所示的结构称之为电荷传输采样坚持电路(charge-transferringS/H)。在采样阶段，将输入信号存储在采样电容C_S上，并且在坚持阶段，仅将差分电荷转移到反应电容C_f上。由于共模电荷存储在采样电容C_S上，所以这种结构的采样坚持电路能够处理共模规模较大的输入信号。

图2所示的结构称之为翻转(flip-around)采样坚持电路。在采样阶段，将输入信号存储在采样电容C上，而在坚持阶段，将采样电容C翻转到输出端。因而，抱负的反应因子β，第一种结构为0.5，然后一种在疏忽输入管的寄生电容状况下为1，后者的反应因子是前者的两倍。因而在相同的闭环带宽要求下，后者的放大器单位增益带宽(GBW)只需求前者的一半，这就大大地下降了放大器的功耗。而采样坚持电路的功耗首要来自于内部运算放大器的功耗。

关于A/D而言，采样坚持电路的输入噪声直接影响到A/D的输入参阅噪声。因而要尽量减小由采样坚持电路引进的噪声。在采样阶段，疏忽晶体管的寄生电容，则电荷传输采样坚持电路的输入参阅噪声功率为V²_n=(2κT)/C。而翻转采样坚持电路的输入参阅噪声功率为V²_n=κT/C。后者的噪声比前者下降了一半。在坚持阶段，假定放大器的噪声首要由输入晶体管的热噪声决议，则输入参阅噪声功率能够用公式标明：

V²_n=(8πκT)P3βC_L^[1] (1)

(1)式标明翻转采样坚持电路由于较高的反应因子使得噪声功率仅为电荷传输采样坚持电路的1/2。

由于在减小噪声和下降功耗方面的优势，选用翻转结构作为采样坚持电路结构。但需求指出的是，由于输入晶体管寄生电容的影响，使得反应因子小于抱负值1，所以在噪声和功率方面的改善可能会小于上面的抱负值。别的，假如输入信号的共模电压V _sig-cm不等于采样坚持电路中运算放大器的输出共模电压V _out-cm，则在坚持阶段，由于运算放大器的共模反应电路使得输出的共模电压安稳在V _out-cm，因而运算放大器的输入共模电压会有一个阶跃改动ΔV _in-cm=V _out-cm-V _sig-cm。因而为了满意各种共模信号的要求，则该运算放大器要求较大的输入共模规模。

运算放大器的规划

由于噪声和功率方面的优势，选用翻转结构作为采样坚持电路的结构，一起选用折叠式共源共栅放大器来完成大输入共模规模的要求。选用PMOS管作为输入管，这样就能够使第二个极点推到较高的方位。由于，第二个极点的方位为折叠点。而NMOS折叠管的寄生电容比PMOS折叠管的寄生电容小的多。除此之外，PMOS管还能够选用自衬底工艺，然后大大减小由于工艺发生的误差。仅有的缺陷是PMOS输入管有较大的寄生电容，然后减小翻转结构在功率和噪声方面的改善。

别的由于该采样坚持电路运用于14位20MHz流水线A/D，则要求该放大器的直流增益有必要大于93dB，输出在25ns的树立时刻内安稳在最终值0.003%。关于单极点放大器，树立时刻又能够转化为对GBW的要求。因而为了完成近似单极点放大器，则要求放大器有必要为一级结构。而为了完成如此高的直流增益，则有必要选用增益增强技能，原理示意图如图3所示。图中，由M1、M2和抱负电流源构成主运放，Aadd为用于增益增强的辅佐放大器。选用该技能后，这个电路的直流增益为：

其间，r_o1、r_o2为M1、M2的输出电阻，g_M1、g_M2为M1、M2的跨导。

图3　增益增强结构的运算放大器

选用该技能之前，放大器的直流增益为：

(2)式和(3)式标明，增益增强技能能够使放大器的直流增益进步一个数量级。因而在该放大器的规划中，选用如图4所示的带有A1和A2两个辅佐放大器的增益增强折叠式共源共栅放大器，其间，A1和A2以外的部分为主放大器。为了简化规划，辅佐放大器也选用折叠式共源共栅结构。因而，辅佐方法器和主放大器的偏置电路可选用同一个偏置电路，大大简化了规划。而辅佐放大器的电流仅为主放大器电流的1/10，因而与套筒式共源共栅放大器比较，全体电路并不会额定添加电流。

图4　增益增强折叠式共源共栅运算放大器

需求提出的是，主放大器和辅佐放大器选用了不同的共模反应电路(CMFB)。关于主放大器而言，由于输出电压规模2V_pp，因而在完成较大的输出摆幅，又不额定添加功耗的要求下，选用开关电容共模反应电路。如图5所示，经过电容C1和C2间的电荷转移调理电流源管的栅电压来改动输出电流，然后安稳输出共模电压。关于辅佐放大器而言，其输出摆幅很小，输出为共栅管的偏置电压，选用一种简略的接连时刻共模反应电路，如图6所示，其原理是经过调理M_cmfb1和M_cmfb2管子的电流来安稳输出共模电压。

图5　开关电容共模反应电路

图6　辅佐放大器及其共模反应电路

自举开关

开关是采样坚持电路的一个重要组成部分。它是信号失真，电荷注入和时钟馈通效应首要来历。后两者可经过选用下极板采样和全差分电路结构来消除。A/D对信号失真要求很高，由于失真直接影响到A/D的精度。当信号起伏较高时，采样坚持电路的精度和速度就直接受限于失真。而失真的首要原因是开关导通电阻的非线性。开关导通电阻不是一个固定值，而是输入信号的函数。关于短沟器材的导通电阻为：

其间V_G，V_S，V_D和V_B分别为晶体管栅、源、漏和衬底电压。一般，输入信号电压衔接在源端。假定，V_S=V_D=V_B。经过PMOS管的自衬底技能使衬底和源短衔接在一起，然后消除分母中后半部分平方根中的部分。则开关的导通电阻R_ON首要有V_G-V_S的差值决议，自举开关便是经过固定这个差值来完成开关的线性导通电阻，然后消除信号失真。自举开关电路如图7所示，作业原理是：当CLK为高的时分，自举开关归于关断状况，此刻开关M_S的栅经过管子M₁衔接在VSS。而一起，电容C₁两头电压差为V_DD-V_TH，其间V_TH为NMOS管的阈值电压。当CLK为低的时分，自举开关归于导通状况，此刻，M₁管封闭，经过M₂管使开关M_S的栅电压固定为V_in+(V_DD-V_TH)。其仿真成果如图8所示。需求指出的是，图2中4处有开关，其间S₁和S₂选用自举开关，S₃选用CMOS传输门，S₄选用简略NMOS传输门，这样能够简化电路并下降功耗。

图7　自举开关

图8　自举开关仿真成果

仿真成果和定论

图4所示的运算放大器的Hspice的仿真成果为图9，在电路负载为15p的状况下，直流增益为104.6dB，单位增益为166MHz，相位裕度为71度。彻底满意规划要求。图10为该采样坚持电路的在输入信号为5MHz，全差分信号起伏为2V_pp采样频率为20MHz状况下的输出频谱图。仿真成果显现，该电路的SFDR为92.4dB，SNDR为88.6dB，SNR为96.1dB。

本文描绘了一个用于14位20MHz流水线A/D的采样坚持电路。该电路选用UMC logic 0.25μm2.5V工艺，经过选用增益增强放大器和自举开关，在输入为±1V频率为5MHz正弦波，采样频率为20MHz的状况下获得了96.1dB的信噪比。

图9　运算放大器的频率特性曲线

图10　仿真频谱图(f_in=5MHz，f_s=20MHz)