一種12位100MHz流水線ADC采樣保持電路

欒　艦，孫海燕北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京　100144

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一種12位100MHz流水線ADC采樣保持電路

欒艦，孫海燕
北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京100144

摘要本文設(shè)計了一款基于SMIC130nm標準CMOS工藝的應(yīng)用于12位流水線ADC的采樣保持電路。采保（SHA）采用翻轉(zhuǎn)圍繞式結(jié)構(gòu)，以減小電容的匹配要求、降低整體功耗；采用增益提高型二級運算放大器，以保證所設(shè)計的電路處理信號的速率與精度。通過仿真結(jié)果表明，采保電路（SHA）符合12位流水線ADC的性能要求。

關(guān)鍵詞流水線ADC；采樣保持電路；增益提高運算放大器

采保電路（SHA）對于流水線ADC很重要，其作用是對持續(xù)變化的模擬量輸入信號的值進行采集，并在輸出端對這個采樣信號保持一段時間，以保證在給定采樣頻率下，后續(xù)電路對其進行處理，采保電路（SHA）的性能指標直接影響流水線ADC的速率與精度。

本文對采保（SHA）電路進行研究，通過對兩種不同類型的采保的分析，最終選擇翻轉(zhuǎn)圍繞式結(jié)構(gòu)，設(shè)計了高性能的增益提高型運放，以滿足電路的速率與精度的要求，最終設(shè)計實現(xiàn)了應(yīng)用于12位100MHz流水線ADC的采保（SHA）電路。

1　采保結(jié)構(gòu)的分析與選擇

閉環(huán)結(jié)構(gòu)的采保（SHA）電路主要有兩種結(jié)構(gòu)［1-3］：重分配電荷式和翻轉(zhuǎn)圍繞式。在采樣相，重分配電荷式采保的采樣電容對輸入模擬量進行采集；在保持相，對采集信號的電容上的電荷重新分配，使其移動到反饋電容上，從而實現(xiàn)采樣保持功能。翻轉(zhuǎn)圍繞式采保則是在保持相通過翻轉(zhuǎn)采集信號的電容，實現(xiàn)了采樣保持作用。二者相比較，在信噪比相同要求下，重分配電荷式采保電路在采樣相與保持相的熱噪聲均為翻轉(zhuǎn)圍繞式采保電路的2倍。且因為重分配電荷式采保電路（SHA）的反饋系數(shù)是翻轉(zhuǎn)圍繞式采保電路（SHA）的一半，所以在相同建立速率要求下，前者的單位增益帶寬是后者的兩倍，即前者的運放要比后者的運放功耗大很多。所以綜上考慮，本文選擇翻轉(zhuǎn)圍繞式采保電路。

翻轉(zhuǎn)圍繞式采保電路由高增益型兩級運放，開關(guān)和采集信號的電容組成。采保（SHA）電路結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1　采保（SHA）電路結(jié)構(gòu)圖

當CLK1，CLK11閉合，CLK2斷開，電路進入采樣狀態(tài)，VIN對采樣電容Cs充電，當CLK11斷開的瞬間，完成對采樣電容Cs的下極板采樣；隨后CLK1斷開，接著CLK2閉合，電路進入保持狀態(tài)，采集信號的電容Cs上存儲的電荷被傳送到輸出，由于兩級運放的負反饋和高增益，在輸出穩(wěn)定時，運放的輸入點‘虛地’，因為P點電荷不發(fā)生改變，所以輸出電壓VOUT=VIN。

2　誤差分析

采保電路（SHA）的偏差基本由以下幾點組成：

1）采樣保持電路的熱噪聲。

2）采保電路（SHA）的時鐘饋通與電荷注入。

2.1采保（SHA）電路的熱噪聲

圖2　熱噪聲模型

采保電路等效結(jié)構(gòu)圖如圖2示，設(shè)開關(guān)的采集信號的電容的值為C，導(dǎo)通電阻值為R。開關(guān)導(dǎo)通時的熱噪聲功率為4kTR，S/H的傳輸函數(shù)為：

總噪聲功率為：

而流水線ADC的量化噪聲是LSB2/12，LSB=（FS/2n）/12，F(xiàn)S是量化范圍，LSB是ADC的最小分辨率。采保電路的噪聲要求小于一半的量化噪聲，所以由3.1推出的采樣電容需滿足：

2.2采保電路（SHA）的時鐘饋通與電荷注入

當開關(guān)管處于閉合狀態(tài)時，由于界面存在反型層，設(shè)值為Q的電荷存在于反型層中，開關(guān)打開階段，電荷Q會通過開關(guān)管的漏端泄露出來，注入到Cs中的這部分電荷，使得采集信號的電容存儲的電荷值產(chǎn)生偏差。開關(guān)管還會通過柵漏之間的重疊電容將時鐘信號跳變狀態(tài)附加到采集信號的電容上，這種變化會給輸出電壓引入一定的偏差。

3　運算放大器的設(shè)計

圖3　高增益型兩級運算放大器

對于12位100MHz的流水線ADC，所需要最小的直流增益為78dB，0dB時所對應(yīng)的帶寬值為800MHz。下面對高增益型兩級運放（OTA）進行交流分析，結(jié)果如

圖4　運放的交流仿真結(jié)果

從圖中直觀的得出高增益兩級運放的增益值117.8dB，相位裕度值45°。

4　仿真結(jié)構(gòu)

采保（SHA）電路輸出波形。

圖5　采保電路（SHA）瞬態(tài)輸出波形

輸入1.02Mhz的正弦波信號，采樣頻率為100MHz，輸出波形如上圖，采樣波形連續(xù)穩(wěn)定，達到預(yù)期目標。

圖6　采保電路（SHA）建立時間波形

從圖6中可以看出，經(jīng)過3.96ns，采樣精度已經(jīng)達到12bit精度的0.5LSB。

5　結(jié)論

本文在SMIC130nm標準CMOS工藝的支持下設(shè)計了一款應(yīng)用于12位100MHz流水線ADC的采保（SHA）電路，采用翻轉(zhuǎn)圍繞式結(jié)構(gòu)，設(shè)計了高增益高帶寬型兩級運放，保證了所設(shè)計電路處理信號的速率與精度。通過輸入1.02MHz的正弦波信號，在100MHz的采樣頻率下，仿真結(jié)果完全滿足設(shè)計要求。

參考文獻

［1］S.H.Lewis，P.R.Gray. A pipelined 5M sample/s 9-bit an- alog-to-digital converter［J］.IEEE Journal of Solid-StateCircuits，1987，22（6）：954-961.

［2］W.Yang，D.Kelly， A 3-V 340mW 14-b 75-MS/s COMS ADC with 85-dB SFDR at Nyquist input［J］.IEEE Jour-nal of Solid-State Circuits，2001，36（12）：1931-1936.

［3］潘星，王永祿，裴金亮.一種高性能采樣/保持電路的設(shè)計［J］.微電子學(xué)，2008，38（3）：442-444.

中圖分類號TP33

文獻標識碼A

文章編號1674-6708（2016）165-0237-02

作者簡介：欒艦，碩士在讀，北方工業(yè)大學(xué)，研究方向為模擬集成電路設(shè)計。