高速高精度流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

　　摘要：本文給出了兩版基于0.18mm CMOS工藝的12位100MS/s 流水線ADC。測試、分析了兩版芯片，經(jīng)過改進(jìn)版圖得到滿意結(jié)果。

　　關(guān)鍵詞：流水線ADC;參考電路;寄生電阻

　　引言

　　隨著新一代無線移動通信時代的到來，通信系統(tǒng)中數(shù)字中頻接收機(jī)對ADC的速度和精度的要求越來越高，而兼顧了速度和精度的流水線ADC是適應(yīng)這種要求的較好選擇。

　　在大規(guī)模模擬電路的設(shè)計(jì)中，由于電路規(guī)模比較大，提取寄生參數(shù)時如果提取寄生電阻，那電路節(jié)點(diǎn)數(shù)急劇增加，后仿真速度將會很慢甚至無法收斂，所以在提取寄生參數(shù)時一般只提取寄生電容，這樣電路節(jié)點(diǎn)數(shù)不會增加，仿真時間也不會太長。但采用這種方式時仿真將忽略寄生電阻的影響，這與實(shí)際情況是有差別的，在版圖設(shè)計(jì)時需酌情考慮，尤其當(dāng)版圖走線中有靜態(tài)電流流過的時候。

　　本文給出了兩次流片(tape out)的測試結(jié)果。著重分析了第一版芯片參考電壓模塊版圖設(shè)計(jì)時由于不合理的布線，導(dǎo)線上的寄生電阻對ADC參考電壓、靜態(tài)特性和動態(tài)特性的影響，并用MATLAB搭建流水線ADC的行為級模型來模擬驗(yàn)證寄生電阻對ADC性能的影響。此外，根據(jù)對第一版芯片測試結(jié)果的分析，第二版芯片對參考電壓產(chǎn)生電路的版圖進(jìn)行了修正然后重新流片，測試結(jié)果表明，對寄生電阻的分析是合理的，對應(yīng)的修正措施也是行之有效的。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵電路模塊設(shè)計(jì)

　　本流水線ADC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由時鐘電路、參考電路和ADC核心電路三部分組成。ADC核心電路用采樣保持放大器(SHA)采集模擬輸入信號，接著第1級采用3.5位/級的結(jié)構(gòu)，后面7級采用1.5位/級的結(jié)構(gòu)，最后1級為2位的ash ADC。

　　采樣保持放大器

　　如果不使用采樣保持放大器，ADC的輸入帶寬將受限于孔徑誤差(aperture error)[1]，所以本設(shè)計(jì)在級電路之前放置了一個SHA。從噪聲和功耗兩方面考慮，SHA采用電荷翻轉(zhuǎn)式(flip-around)結(jié)構(gòu)而不是電荷重分配式結(jié)構(gòu)(charge-redistribution)。

　　級分辨率的優(yōu)化

　　當(dāng)?shù)谝患夒娐窂牟蓸酉噙M(jìn)入到建立相的一瞬間，運(yùn)放輸入端會產(chǎn)生一個階躍電壓Vx，文獻(xiàn)[2]指出第一級電路分辨率越高這個階躍電壓Vx越小，意味著建立時間越短，并且對運(yùn)放壓擺率的要求越低。第一級電路分辨的提高可以降低對電容匹配的要求[3]，從而可以不用校準(zhǔn)電容失配而實(shí)現(xiàn)12位的ADC。此外，相比1.5比特/級的結(jié)構(gòu)，3.5比特/級的結(jié)構(gòu)在功耗和面積上都更有優(yōu)勢。

　　級縮減技術(shù)

　　由于系統(tǒng)對每一級建立精度的要求逐級降低，所以運(yùn)放的速度和增益也可以逐級降低，從而運(yùn)放的功耗和面積也逐級降低，這就降低了ADC的總功耗和總面積。此外，電容在MDAC工作過程中動態(tài)得充放電造成一部分動態(tài)功耗，所以也可以在滿足KTC噪聲要求的前提下逐級縮減電容值來降低功耗。在減少電容的同時，其實(shí)也減小了運(yùn)放的負(fù)載，從而進(jìn)一步減小運(yùn)放功耗。

　　運(yùn)算放大器

　　高精度ADC對運(yùn)放的增益要求很高，對于12位ADC的SHA來說，要求由有限直流增益造成的誤差小于1/2 LSB，即：

　　其中，N是ADC的分辨率，Cp是運(yùn)放輸入端的寄生電容，Cs是采樣電容。假設(shè)Cp/Cs<<0，那A0至少要大于78dB，考慮到工藝偏差，設(shè)計(jì)時至少留6dB的裕量，也就是說A0要大于84dB。在0.18mm CMOS工藝下，本征增益本來就比較小，要實(shí)現(xiàn)如此大的增益采用一般的結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)。我們選擇如圖2所示結(jié)構(gòu)，第一級為帶增益自舉技術(shù)的共源共柵結(jié)構(gòu)[4]，主要用來實(shí)現(xiàn)高增益。而第二級為簡單的共源放大器，主要用來實(shí)現(xiàn)大輸出擺幅。

　　自舉開關(guān)

　　在CMOS電路設(shè)計(jì)中，常用開關(guān)有MOS管單管開關(guān)、傳輸門開關(guān)(CMOS互補(bǔ)開關(guān))和柵壓自舉開關(guān)[5]。由于單管開關(guān)和傳輸門開關(guān)在接通變化幅度較大的信號時會引入嚴(yán)重的非線性，而柵壓自舉開關(guān)的線性度很好，所以采樣保持放大器、第一級電路和第二級電路中的采樣開關(guān)均采用柵壓自舉開關(guān)以提高ADC的線性度，而后面各級由于要求逐級降低采樣開關(guān)用簡單的CMOS互補(bǔ)開關(guān)即可。