一種高線性度CMOS柵壓自舉采樣開關(guān)

楊 揚(yáng)，王 軍，鄧茗誠

（西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621000）

0 引言

模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的接口電路。它是連接模擬信號和數(shù)字處理電路的橋梁。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)和DSP處理器的發(fā)展。模數(shù)轉(zhuǎn)換器也必須向高速高精度發(fā)展，而此類模數(shù)轉(zhuǎn)換器通常采用流水線結(jié)構(gòu)。采樣保持電路作為流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的核心單元，其性能指標(biāo)直接決定整個模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能。隨著采樣速度和精度的不斷提高，傳統(tǒng)的采樣開關(guān)已經(jīng)無法滿足要求。柵壓自舉采樣開關(guān)具有良好的采樣精度和線性度，已經(jīng)成為采樣開關(guān)的首選。本文首先分析了影響（MOSFET，Metal-Oxide -Semiconductor Field Effect Transistor）采樣開關(guān)性能的非理想因素，接著提出了一種新型的柵壓自舉采樣開關(guān)，最后通過仿真驗(yàn)證，結(jié)果顯示這種開關(guān)的線性度高[1-4]。

1 影響采樣開關(guān)性能的非理想因素

最簡單的MOSFET采樣保持電路只需要一個N型MOSFET和負(fù)載電容HC 就可以實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。CK為高電平時N型MOSFET開關(guān)導(dǎo)通，outV 跟隨inV進(jìn)行采樣，對負(fù)載電容HC 進(jìn)行充電。CK為低電平時N型MOSFET開關(guān)截止，HC 保持為采樣電壓，完成一次采樣保持過程。

1.1 開關(guān)導(dǎo)通電阻

開關(guān)在導(dǎo)通情況下可以等效為一個阻抗為onR的電阻，在開關(guān)設(shè)計(jì)中開關(guān)導(dǎo)通電阻的非線性在很大程度上影響著開關(guān)的線性特性。N型MOSFET采樣開關(guān)的導(dǎo)通電阻可由式(1)表示：

圖1 簡單的采樣保持電路

1.2 溝道電荷注入

當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時，溝道中的電荷可以表示為：

當(dāng)開關(guān)斷開后，溝道中的電荷通過源、漏端流出。注入到右邊的電荷使得保持在HC 上的采樣值發(fā)生了變化。假設(shè)注入到采樣電容HC 上的電荷占溝道中的電荷的比例為k。則由溝道電荷而引起的采樣值的變化為：

因此電荷注入而引起的誤差與輸入電壓inV相關(guān)，這樣就會造成采樣保持電路的非線性誤差。

1.3 時鐘饋通效應(yīng)

時鐘跳變也會通過柵漏或柵源電容耦合到HC上。由時鐘饋通效應(yīng)而引起的采樣值的變化為：

2 采樣開關(guān)設(shè)計(jì)

柵壓自舉采樣開關(guān)是用在采樣保持電路前端以提高采樣電路信號線性度的開關(guān)電容電路，它通過采用預(yù)充電的電容穩(wěn)定開關(guān)管的過驅(qū)動電壓，因而可以獲得良好的線性度[7-8]。

圖 2為本文所設(shè)計(jì)的柵壓自舉采樣開關(guān)，M11在單個時鐘CK的控制下實(shí)現(xiàn)采樣開關(guān)的功能。

工作原理如下：CK為低電平時，M10導(dǎo)通，M11的柵極通過M7和M10接地，M11斷開。同時，M3和M6導(dǎo)通，對C3充電直至其電壓等于Vdd，M8和M9在C3充電的時候保持?jǐn)嚅_，對M11進(jìn)行隔離。CK為高電平時，M3、M6斷開，M8和M9導(dǎo)通，這樣C3上電壓就被加到M11的柵源兩端，存儲在電容C3上的電荷保持不變，使得M11柵源保持Vdd的壓差。即對M11來說=，不受輸入信號的影響。

根據(jù)式（1），此時導(dǎo)通電阻為：

圖2 柵壓自舉采樣電路

可以看出與式（1）相比,導(dǎo)通電阻onR 變成一個與輸入信號inV 無關(guān)的電阻,線性度得到了很大的提高。

此外，M12是虛擬管，用來減小 M11的電荷注入和時鐘饋通。其原理如下：當(dāng) M11斷開后，M12導(dǎo)通，M11溝道中原本會注入到HC 上的電荷將被M12吸收。

3 仿真驗(yàn)證

采用華潤上華0.13 um標(biāo)準(zhǔn)數(shù)模混合工藝，采用 Cadence軟件對電路進(jìn)行了仿真。電源電壓為1.2 V，輸入信號為50 MHz正弦波，峰峰值為600 mV，采樣時鐘頻率為 500 MHz，時鐘上升下降時間為0.1 ns，在溫度27℃、TT工藝角下分別對柵壓自舉采樣開關(guān)進(jìn)行了仿真。

圖3是柵壓自舉采樣波形的采樣波形。柵壓自舉采樣開關(guān)的采樣精度高，波形理想。

圖3 柵壓自舉采樣開關(guān)輸入輸出波形

圖4是柵壓自舉采樣開關(guān)輸入信號變化時，采樣開關(guān)柵壓變化的仿真波形。采樣開關(guān)的柵壓隨輸入信號變化而等量改變，所以采樣開關(guān)導(dǎo)通時，柵源電壓基本保持不變，不受輸入信號幅度的影響，線性度高。

圖4 柵壓自舉采樣開關(guān)的柵源電壓仿真波形

4 結(jié)語

分析了影響MOSFET采樣開關(guān)的非理想因素，提出了一種高線性度柵壓自舉自舉采樣開關(guān)。采用預(yù)充電的電容穩(wěn)定開關(guān)管的過驅(qū)動電壓，消除了采樣開關(guān)因輸入電壓引入的非線性以及溝道電荷注入的影響。仿真結(jié)果表明所涉及的的柵壓自舉采樣開關(guān)可以應(yīng)用于高速高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器中。

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