一種用于12位SAR ADC的自舉開關(guān)的設(shè)計(jì)

顧字晴

【摘要】在傳統(tǒng)自舉開關(guān)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于12位$AR ADC的柵壓自舉開關(guān)電路。電路采用0.18um標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，仿真結(jié)果顯示該電路可實(shí)現(xiàn)柵壓自舉，有效位數(shù)高達(dá)14位，滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】自舉開關(guān);SARADC;有效位數(shù)

CMOS導(dǎo)通電阻雖然很小，當(dāng)工作電壓轉(zhuǎn)向低壓時(shí)，開關(guān)在小幅度信號(hào)控制下不能充分完成導(dǎo)通關(guān)斷操作，很難完成高線性度的采樣工作，當(dāng)采樣完成后開關(guān)開路，會(huì)有電荷注入問題影響SAR ADC輸入信號(hào)的精度。所以需要采樣更好性能的開關(guān)，柵壓自舉開關(guān)應(yīng)運(yùn)而生。

一、電路設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中，采樣保持電路的精度一般都要比ADC設(shè)計(jì)精度高2位以上，才能很好地完成采樣工作。但傳統(tǒng)開關(guān)都無法滿足12位SARADC的線性度要求，所以本文設(shè)計(jì)了圖1所示的柵壓自舉開關(guān)電路。

圖1結(jié)構(gòu)的自舉開關(guān)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的自舉開關(guān)相比，顯著的優(yōu)勢(shì)是減少了電荷泵電路，同時(shí)將M1管換成了PMOS管，這樣能在版圖設(shè)計(jì)中減少電容面積的消耗同時(shí)降低了功耗。

圖中CIk1信號(hào)和CIk2信號(hào)是一組反相時(shí)鐘。當(dāng)cIk2信號(hào)是高電平時(shí)，cIkl信號(hào)為低電平。此時(shí)，M2管導(dǎo)通，電路對(duì)c1進(jìn)行充電，同時(shí)M9將M10柵極電壓接地，M5此時(shí)關(guān)斷，使c1和采樣管M10隔開。當(dāng)CIk2為低電平，M2、M9關(guān)斷，充電結(jié)束，此時(shí)clk1電平為高，CIk1通過反相器M3、M4管將M5的柵極拉低，M6、M7柵電位拉到高電路開始導(dǎo)通，完成柵壓自舉的過程，此時(shí)M10柵極電壓等于VDD加上Vim信號(hào)。M6、M8是保護(hù)管，為了讓電路更加可靠。

二、仿真結(jié)果及分析

對(duì)柵壓自舉開關(guān)搭建電路進(jìn)行仿真，負(fù)載電容為2.56pF，采樣頻率80MHz，Voutp和Voutn輸入信號(hào)采用為39.76MHz，幅度為500mV，相位相反，采樣點(diǎn)數(shù)4096。圖2給出了自舉開關(guān)瞬態(tài)仿真波形圖。

從圖2中可以看出，柵極電壓與源極輸入信號(hào)之間保持一個(gè)恒定的差值，即柵源電壓恒定，不受輸入信號(hào)的影響，達(dá)到了柵壓自舉的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

完成仿真后，對(duì)輸出信號(hào)Voutp和Voutn進(jìn)行差分處理，對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行DFT分析，計(jì)算得到自舉開關(guān)的相關(guān)性能參數(shù)，如圖3所示。

從圖3可知，在輸入頻率為39.765MHz的情況下，自舉開關(guān)的無雜散動(dòng)態(tài)范圍SFDR=92.47dB，信噪比SNR=85.89dB，信噪失真比SNDR=83.56dB，其有效位數(shù)ENOB達(dá)到了14位，完全滿足本文12位的設(shè)計(jì)要求。

三、結(jié)論

在傳統(tǒng)自舉開關(guān)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一款柵壓自舉開關(guān)。仿真結(jié)果顯示，電路很好地完成了柵壓自舉目標(biāo)，并且導(dǎo)通電阻變化很小，開關(guān)的線性度很高，有效位數(shù)達(dá)到14位，滿足設(shè)計(jì)要求的精度。