高性能低功耗的采樣保持電路的設計與實現(xiàn)

0 引言

流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器(pipeline ADC)是中高精度(10～14 bit)高速(10～500 MS／s)ADC的主流實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，被廣泛應用于通信系統(tǒng)、圖像設備、視頻處理等系統(tǒng)中。作為其前端最關(guān)鍵的模塊，采樣保持電路的性能直接決定了整個ADC的性能，在以上系統(tǒng)中對功耗的要求十分嚴格。本設計在實現(xiàn)高速高精度采樣保持功能的同時，還實現(xiàn)了MDAC功能，這樣既能降低ADC功耗又能減少芯片面積。

1 采樣保持電路結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)流水線ADC的最前面為一級采樣保持電路其后接MDAC級。采樣保持電路能夠較好地減小由于MDAC和子ADC之間的采樣信號失配造成的孔徑誤差。由于采保電路位于整個ADC的最前端，對其精度要求最高，故該模塊需要消耗較大的功耗通常為整個ADC功耗的20％～30％，并且會降低ADC的動態(tài)范圍和線性度。流水ADC是在雙向非交疊時鐘的控制下工作，相鄰的采樣保持電路和第一級MDAC總是工作在不同的狀態(tài)，采樣或保持。每個模塊只是在保持狀態(tài)需要運放參與工作。這樣采樣保持和第一級MDAC可以分時復用同一個運放，達到降低功耗并減少面積的目的。

基于以下原因MDAC級選擇了1.5 bit／級。首先，每級有1 bit冗余位來進行數(shù)字冗余修正，大大減小比較器失調(diào)造成的影響；其次，1.5 bit／級結(jié)構(gòu)的單級閉環(huán)增益為2，開關(guān)電容電路可以具有較小的負載電容和較大反饋因子，較小的單級分辨率可以獲得較高的速度。

圖1為本設計的采樣保持電路結(jié)構(gòu)，圖2為其時序，加圈處為自舉開關(guān)。采樣保持電路在3相時鐘的控制下，工作于3種不同的狀態(tài)，采樣／放大、復位、保持。

具體工作原理如下：當PSA為高電平時電路工作于采樣／放大狀態(tài)，輸入信號被采樣至電容Cs上

Ql=Vin·Cs (1)

運算放大器和電容Cff，Cfs及子ADC構(gòu)成MDAC結(jié)構(gòu)，處于保持狀態(tài)；當PD為高電平時電路工作于復位狀態(tài)，Cs完成對輸入信號的采樣，輸入電荷存于Cs上。運放及Cff，Cfs處于復位狀態(tài)，運放輸入端短接，輸出端短接，電容兩端短接，消除電路的記憶效應，為下一狀態(tài)做準備。當PH為高電平時電路處于保持狀態(tài)，運算放大器呈ChargeTransferring型采保連接形式，輸出電平與采樣電平值接近，輸人電荷轉(zhuǎn)移到Cff，Cfs上

Q2=Q1 (2)

取Cff=Cfs=0.5 Cs，運放的輸出進入子ADC；當PSA為高電平時，Cfr跨接在運放兩端，Cfs與DAC的輸出模擬電平相連，電路呈現(xiàn)減法放大功能

Q3=Vout·Cff+Vdac(D)·Cfs (3)

由于PH和PSA兩個相位運算放大器的輸入始終處于虛地狀態(tài)，根據(jù)電荷守恒Q2=Q3，得到當Cff=Cfs時，就實現(xiàn)了1.5 bit／級MDAC的減法、放大功能。

與傳統(tǒng)的采樣保持電路相比，新型結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于：在一個時鐘周期內(nèi)，單級模塊在實現(xiàn)采樣保持功能的同時，還實現(xiàn)了一級MDAC功能；電容Cff，Cfs在保持相和減法放大相實現(xiàn)了復用，降低了功耗和面積；同一運放分時復用于保持相和減法放大相，降低了功耗和面積；與無采保結(jié)構(gòu)的ADC相比，由于保持相的存在，消除了運放與比較器輸入端信號路徑延時不等的影響，在降低功耗的同時，動態(tài)性能沒有下降。

使用這種結(jié)構(gòu)需要注意的幾個問題：①精度問題。由于PD相的存在，在本設計中PH的時間由傳統(tǒng)的兩相非交疊11.2 ns縮短為8.4 ns，保持相時間內(nèi)運放是否能建立到要求的精度范圍。因為電容Cff，Cfs在PSA和PH相的復用減少了PH相時運放所帶的負載，在1.5 bit結(jié)構(gòu)中運放的負載為

Cload=(1-β)Cfn+Csn+1 (5)

式中：β為反饋系數(shù)，縮減因子取為0.5；Cload=1.5Cfn。新結(jié)構(gòu)中

Cload=(1-β)Cfn=0.5 Cfn (6)

負載減少了60％，時間只縮短了25％，所以可建立到指定精度。因該階段把采樣的電荷轉(zhuǎn)移到了Cff，Cfs，發(fā)生了一次運算，故輸出需達到12 bit的精度，輸出端誤差應滿足ε≤1/212。②功耗問題。由于負載減少的程度大于建立時間減少的程度，所以并不需要增加單個運放的功耗。③穩(wěn)定性問題。在PH和PSA相時，運放需要工作在兩個不同的反饋環(huán)路中，對于本設計選擇的1.5 bit／級結(jié)構(gòu)，每個環(huán)路中運放的反饋系數(shù)都為0.5，所以兩個狀態(tài)電路電路都容易達到穩(wěn)定。當把本結(jié)構(gòu)推廣到每級2.5 bit或以上結(jié)構(gòu)時，在PSA相的反饋系數(shù)將小于0.5，運放的帶寬和極點位置就需仔細考慮，以確保電路的每個狀態(tài)都是穩(wěn)定的。

2 改進的自舉開關(guān)設計

在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設計中，由于模擬信號是先通過采樣開關(guān)，再進人ADC轉(zhuǎn)換電路的，因此，采樣保持電路中接輸入模擬信號的采樣開關(guān)的設計也十分重要。NMOS管的導通電阻可用式(7)表示，其大小與柵源電壓成反比。在低電壓電路中利用電荷泵提高時鐘電壓，可以減小電阻，但卻不能消除由于輸入電壓變化而引起的非線性失真。當柵源電壓超過電源電壓時，會導致器件可靠性不高。

為了減少主要來自于開關(guān)的導通電阻、寄生電容和溝道注入電荷與輸入信號的相關(guān)性引起的非線性失真，設計的采樣保持電路采用了改進的柵壓自舉開關(guān)，如圖3所示，在傳統(tǒng)的自舉開關(guān)的基礎(chǔ)上增加了M10，M11，MSP三個MOS管。自舉開關(guān)用在圖1加圈的開關(guān)處。

電路第一個改進是增加M11。MS左右兩邊并不對稱，當開關(guān)閉合時in和out兩邊泄漏的電荷并不相等，會影響采樣電容上的電荷。通過增加M11令其尺寸和Ml相同，改為對稱結(jié)構(gòu)如圖所示可以解決這一問題。并且讓M1和M11的柵直接由CLK信號控制而不是像傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中那樣與MS的柵相連，這使得他們比MS稍微提前一點關(guān)斷，會減少MS釋放的電荷數(shù)量，提高采樣的精度。增加M11帶來的另一個好處是提高了MS的可靠性。若沒有M11，在MS導通瞬間必須確保其漏端電壓比源端電壓高，使柵漏之間的電壓不大于VDD。增加M11后，電路變?yōu)閷ΨQ結(jié)構(gòu)，源漏電壓相等，電路在滿幅度工作時，柵源柵漏電壓都不會大于VDD提高了可靠性。

電路第二個改進是增加M10。在傳統(tǒng)自舉開關(guān)中，M5和M6的作用是在CLKN為高時，給MS的柵電容提供一條放電的通路。M5是為了提高M6的可靠性而增加的器件，CLKN為高時可以減少M6的Vds和Vgs。在CLK相M5管處于導通狀態(tài)，M6管處于截止狀態(tài)，并且net3電壓很高為(VDD+Vin)，因此沿M5和M6存在著電荷泄漏通路，影響MS的Vgs，導致噪聲。因此本設計對其做了改進，增加M10管，使得在CLK為高時，M5管處于可靠的關(guān)閉狀態(tài)。這樣帶來了兩點好處：第一是有效地減小了泄漏電流；第二是通過在CLK為高時關(guān)閉M7管，減小了M7的電容，從而減小了與C1相關(guān)的寄生電容，使MS能得到更高的Vgs，提高信噪比。

電路的第三個改進是增加了MSP管。MS的導通電阻，會受到體效應的影響而變化，影響采樣的精度。并聯(lián)尺寸很小的MSP管可以很明顯地減小導通電阻，減少輸入信號和體效應對其的影響，同時可以提高整個電路的線性度。采用改進結(jié)構(gòu)后自舉開關(guān)在線性方面與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比有8 dB的提高，后仿結(jié)果SFDR為86.83 dB，SNDR為75.229 dB，符合12 bit要求。

3 運算放大器的設計

運算放大器是本設計的最核心部分。運算放大器采用帶增益提升的套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)，這是由于所需增益比較大(大于80 dB)，單級放大器達不到所需的增益，而采用兩級結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)相位的補償問題，并且功耗也比較大，所以本設計選擇帶增益提升的套筒共源共柵運算放大器如圖4。由于本設計的運放在兩個時鐘狀態(tài)下都要工作，其開關(guān)共模反饋結(jié)構(gòu)如圖5所示。整個ADC的設計要求信號輸出擺幅為2 V，套筒共源共柵運放也完全可以滿足要求。

pbooster和nbooster分別為增益增強的輔助運放，采用折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)，增益增強技術(shù)引入輔助放大器極大地提高了主放大器的增益如公式(8)所示，但是它也在放大器的傳輸函數(shù)中引入了一對零極點對(pole zero doublet)，它會影響放大器的時域響應，在跨導運算放大器的設計過程中，使用Matlab分析發(fā)現(xiàn)運放的極點隨輔助運放帶寬的增加，會由A到B到C變化如圖6所示，仔細優(yōu)化兩個輔助運算放大器的單位增益帶寬，把運放的極點推向較高的頻率如圖所示，可以減小增益自舉運算放大器中零極點對對大信號階躍響應的影響，使電路達到較快的穩(wěn)定。對于12 bit 40 MS／s的要求，由公式(9)和(10)計算并留有一定的預度，運放需要84 dB增益、300 MHz的帶寬。公式(9)中A為放大倍數(shù)，β為反饋系數(shù)。公式(10)中fu為單位增益帶寬；Nr為有效位數(shù)；ts為半個時鐘周期。負載為2 pF時，運放的整個頻率響應如圖7所示，直流增益為131 dB，單位增益帶寬為783 MHz，相位裕度為75°，符合12 bit 40 MS／s的要求。

不同工藝轉(zhuǎn)角TT，F(xiàn)F，SS和溫度下，運放性能如表1所示。表中：G為增益；GBW為增益帶寬；PM為相位裕度；P為功耗；S為擺幅。

4 比較器

由于本設計要達到12 bit的精度要求，為了能夠抑制回程干擾，在鎖存器前面加了一級預放大器。為了消除預放大器自身的失調(diào)電壓，可在比較器的鎖存階段將預放大器接成單位增益負反饋的形式，達到失調(diào)消除的目的。蒙特卡羅分析表明，該比較器輸入失調(diào)電壓10 mV，滿足小于1／4 Vref，250 mV的失調(diào)范圍要求。比較器電路如圖8所示。

5 仿真結(jié)果

本設計的采樣保持電路采用TSMC 0.35μmCMOS標準工藝設計。使用Cadence和HSPICE進行仿真驗證，電路在0～125℃內(nèi)，在各種Comer下均能正常工作。電路在40 MHz采樣頻率工作時功耗僅為14 mW。電路的版圖如圖9所示。

圖10為在輸入為直流0.4 V時，SMDAC模塊的輸出及所對應的時序，在PH相時輸出應為0.6 V，PD相時輸出應為0 V，PSA相時輸出應為

Vout=2×Vin-Vdac(D)=2×0.6-1=0.2 V，輸出值與計算值一致，驗證了電路功能的正確性。

在采樣頻率為40 MHz，輸入信號為19 MHz的滿幅度正弦信號(Vpp=2 V)對電路進行后仿真。對所得的輸出信號進行1024點快速傅里葉變換的頻譜如圖11所示，SNDR=73.22 dB，ENOB=11.87 bit，SFDR=89.34 dB。

6 結(jié)論

本文采用TSMC 0.35μm mix signal 3.3 V工藝沒計了一個高性能低功耗的采樣保持電路，可作為12 bit 40 MHz采樣頻率的流水線A／D轉(zhuǎn)換器的前端模塊。通過對運放的分時復用，一個電路模塊既實現(xiàn)了采樣保持功能，又實現(xiàn)了MDAC功能。而實現(xiàn)該指標的MDAC所需功耗為9 mW，與普通結(jié)構(gòu)相比在達到同樣指標的情況下，可減少了9 mW。通過對傳統(tǒng)柵壓自舉開關(guān)改進，減少電路的非線性失真。通過優(yōu)化輔助運放的寬帶，設計了高增益快速穩(wěn)定的OTA。在40 MHz采樣頻率下，以奈奎斯特采樣頻率滿幅（Vpp=2 V）信號輸入，其SFDR=85 dB，SNDR=72 dB，ENOB=11.6 bit。整個電路消耗的動態(tài)功耗為14 Mw。