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一種用于高速ADC的采樣保持電源電路的設(shè)計(jì)
近年來(lái)，隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。因此對(duì)作為模擬和數(shù)字系統(tǒng)之間橋梁的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的性能也提出了越來(lái)越高的要求。低電壓高速ADC在許多的電子器件的應(yīng)用中是一個(gè)關(guān)鍵部分。由于其他結(jié)構(gòu)諸如兩步快閃結(jié)構(gòu)或內(nèi)插式結(jié)構(gòu)都很難在高輸入頻率下提供低諧波失真，因此流水線結(jié)構(gòu)在高速低功耗的ADC應(yīng)用中也成為一個(gè)比較常用的結(jié)構(gòu)。
作為流水線ADC前端的采樣保持電路是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊電路之一。設(shè)計(jì)一個(gè)性能優(yōu)異的采樣保持電路是避免采樣歪斜（timing skew）最直接的方法。
本文基于TSMC 0.25μm CMOS工藝，設(shè)計(jì)了一個(gè)具有高增益、高帶寬的OTA，并且利用該OTA構(gòu)造一個(gè)適用于10位，100 MS/s的流水線ADC的采樣保持電路。文章討論了適宜采用的跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)以及對(duì)其性能產(chǎn)生影響的因素和采樣保持電路的結(jié)構(gòu)，最后給出了仿真結(jié)果。
OTA的設(shè)計(jì)
1、OTA結(jié)構(gòu)
在2.5 V的電源電壓下，雖然套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)具有高速、高頻、低功耗的特點(diǎn)，但由于套筒式結(jié)構(gòu)的輸出擺幅低，不太適合低壓下的設(shè)計(jì)。因此折疊式共源共柵的運(yùn)放結(jié)構(gòu)是一個(gè)較好的選擇，如圖1（a）所示。由于該OTA將用于閉環(huán)結(jié)構(gòu)，為了減少輸入端的寄生電容，采用了NMOS管作為輸入管。
本文采用如圖1（b）所示的增益自舉電路結(jié)構(gòu)。放棄使用四個(gè)單端輸入-單端輸出的運(yùn)放是因?yàn)楹笳卟粌H會(huì)增加功耗和面積，而且由于不可避免地采用電流鏡結(jié)構(gòu)會(huì)引入鏡像極點(diǎn)，限制了OTA的頻率特性，使其單位增益帶寬變小。為了提供最大的輸出擺幅，放大器A2必須采用NMOS的輸入差動(dòng)對(duì)。同理，放大器A1必須采用PMOS作為輸入差動(dòng)對(duì)。
由于該OTA將應(yīng)用到10位，100 MS/s流水線ADC的采樣保持電路中，其增益A0應(yīng)滿足式中，
N為ADC的分辨率，B為每級(jí)的有效位數(shù)。對(duì)于本例，N=10，B=1，則A0>72.25 dB.對(duì)于如此大的直流增益，即使采用了增益自舉電路結(jié)構(gòu)，主運(yùn)放和輔助運(yùn)放的增益還是要達(dá)到40 dB以上。以圖1（b）為例，提高折疊式共源共柵運(yùn)放的直流增益的方法有：①增加M7和M8管的跨導(dǎo)和溝道長(zhǎng)度，但是會(huì)增大寄生電容，降低運(yùn)放的次極點(diǎn)頻率。②增大M1和M2管的跨導(dǎo)和溝道長(zhǎng)度，由于次極點(diǎn)處在折疊點(diǎn)處，因此會(huì)降低運(yùn)放的次極點(diǎn)頻率。③可以增加M5和M6管的溝道長(zhǎng)度，由于信號(hào)不經(jīng)過(guò)這幾個(gè)管子，因此不會(huì)降低工作速度。
為滿足設(shè)計(jì)要求，該OTA的單位增益帶寬至少要達(dá)到800 MHz以上。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，單位增益帶寬GBW滿足
式中：K=μ0Cox，μ0是電子遷移率；Cox是單位面積的柵氧化層電容；Id1是尾電流；W1和L1分別是M1管的寬和長(zhǎng)；CL是負(fù)載電容。根據(jù)式（2），提高單位增益帶寬可以通過(guò)：增加尾電流，但這樣會(huì)增加功耗；增大W1，但會(huì)增大折疊點(diǎn)處的寄生電容，減小相位裕度。
同時(shí)，OTA的有限增益和有限的穩(wěn)定時(shí)間會(huì)使采樣保持的實(shí)際結(jié)果與理想情況之間出現(xiàn)偏差，例如信號(hào)失真，低信噪比（SNR）等。因此需要一個(gè)快速穩(wěn)定的高直流增益OTA.為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需要反復(fù)進(jìn)行模擬和折中，進(jìn)行優(yōu)化。
該OTA采用如圖2所示的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)電容共模反饋。選擇這種共模反饋的原因是：首先，由于此共模反饋電路是離散型共模反饋結(jié)構(gòu)，所以不會(huì)浪費(fèi)功耗。其次，這種共模反饋結(jié)構(gòu)也不會(huì)限制OTA的輸出擺幅。OTA的主運(yùn)放和兩個(gè)輔助運(yùn)放將采用同一個(gè)偏置電路。
2、頻率特性與建立時(shí)間
為了使放大器穩(wěn)定，輔助運(yùn)放的單位增益帶寬必須要小于主運(yùn)放的次極點(diǎn)頻率，但要大于其主極點(diǎn)的頻率。即
式中：ω3是主運(yùn)放的-3 dB帶寬；ω4是輔助運(yùn)放的單位增益帶寬；ω6是主運(yùn)放的次極點(diǎn)。
除了對(duì)于放大器穩(wěn)定性的考慮之外，還需要對(duì)OTA的建立時(shí)間進(jìn)行考慮。減少OTA建立時(shí)間最有效的方法是減小doublets的影響。
因此，式（3）的范圍就顯得太大了，根據(jù)文獻(xiàn)[5]，輔助運(yùn)放的單位增益極點(diǎn)應(yīng)該大于整個(gè)閉環(huán)回路的-3 dB帶寬，即
式中βω5是整個(gè)閉環(huán)回路的-3 dB帶寬。需要注意的是，ω4不必比βω5大太多，因?yàn)檫^(guò)分增大ω4的代價(jià)是使OTA的功耗變大。采樣保持電路的結(jié)構(gòu)
本文的采樣保持電路采用電容翻轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)。如圖3所示。該結(jié)構(gòu)具有實(shí)現(xiàn)面積小、噪聲低、功耗低、保持相穩(wěn)定時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。適用于高速的流水線ADC.同時(shí)采用了下極板采樣技術(shù)和全差分結(jié)構(gòu)。全差分結(jié)構(gòu)可以消除電路的共模失調(diào)誤差，抑制襯底噪聲。下極板采樣技術(shù)的應(yīng)用則可以幾乎完全抑制了在采樣時(shí)刻由于開(kāi)關(guān)的電荷注入和時(shí)鐘饋通引入的非線性誤差。
仿真結(jié)果
采用Cadence Spectre作為仿真工具。電源電壓為2.5 V，采用TSMC 0.25μm CMOS工藝，在各個(gè)工藝角下對(duì)OTA進(jìn)行AC分析，仿真結(jié)果如表1所示，在TT工藝角下的波特圖如圖4所示。
表中的建立時(shí)間t是以達(dá)到0.05%精度的建立時(shí)間進(jìn)行計(jì)算的。將OTA接成單位增益放大器，輸入幅值為1 V的差分階躍信號(hào)，得到如圖5所示的瞬態(tài)響應(yīng)曲線。
在電路的輸入端加一個(gè)正弦波信號(hào)（Vpp為2 V，頻率為10 MHz），輸出端在保持相時(shí)能在4 ns內(nèi)穩(wěn)定到1 V，這滿足100 MHz采樣頻率的要求。
將該OTA應(yīng)用到圖3所示的采樣保持電路中，輸入幅值為1 V的差分正弦信號(hào)，輸出信號(hào)如圖6所示。由圖可知，保持值與輸入信號(hào)的采樣值之間的差值小于0.3 mV.對(duì)于10位精度的ADC來(lái)說(shuō)，采樣保持的誤差應(yīng)該小于
即0.488 mV.因此該采樣保持電路可以應(yīng)用于10位ADC中。
測(cè)量動(dòng)態(tài)特性最直接的方法是對(duì)其輸出做快速傅里葉變換（FFT）。無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（spurious freedynamic range，SFDR）是衡量動(dòng)態(tài)性能的一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)。SFDR是指所能處理的最大和最小信號(hào)之比。它與輸入信號(hào)的幅度無(wú)關(guān)，因此，用它表示的動(dòng)態(tài)性能更具有普遍意義。
圖7（a）和（b）分別是在采樣頻率為100 MHz下，對(duì)由輸入信號(hào)為5.1758 MHz和47.9492 MHz（約為奈奎斯特采樣頻率）的滿幅度正弦信號(hào)（Vpp=2 V）所得的輸出信號(hào)的FFT頻譜圖。
式中：fin是輸入頻率；fs是采樣頻率；Nwindow是記錄的正弦波的周期數(shù)，它必須是一個(gè)質(zhì)數(shù)。測(cè)量FFT的頻譜圖可知當(dāng)輸入信號(hào)fin=5.175 8 MHz時(shí)，SFDR為81 dB；當(dāng)輸入信號(hào)fin=47.949 2 MHz（約為奈奎斯特采樣頻率）時(shí)，SFDR為80 dB.
結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了一個(gè)可應(yīng)用于10位、100 MS/s流水線ADC前端模塊的采樣保持電路。采用增益提升技術(shù)使得采樣保持電路中的OTA達(dá)到100 dB的增益，并且GBW達(dá)到1 GHz，達(dá)到0.05%精度的建立時(shí)間小于4 ns.采用上述OTA的采樣保持電路在100 MHz采樣頻率下，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率為5.175 8MHz時(shí)，SFDR為81 dB.當(dāng)輸入信號(hào)的頻率為47.949 2 MHz（約為奈奎斯特采樣頻率）時(shí)，SFDR為80 dB.與近期國(guó)內(nèi)外同類電路進(jìn)行比較，比較結(jié)果如表2所示。由表2可知，該采樣保持電路在性能上還是不錯(cuò)的。
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