一種新型高線性度采樣開關的設計

摘要 設計了一種應用于流水線ADC中的新型高線性度采樣開關，該開關采用比較器、反相器鏈、CMOS對管開關，自舉電容等實現(xiàn)，具有較高的線性度。其基本原理為：使MOS管柵極電壓實時跟隨輸入電壓，保證其差值恒定，從而實現(xiàn)整體采樣保持電路較高的無雜散動態(tài)范圍。通過Flip-around型采樣保持電路進行驗證，其無雜散動態(tài)范圍可達91dB，滿足設計要求。
關鍵詞 采樣開關；柵源跟隨；高線性度

在ADC轉換器的設計和應用中尤其在音頻、視頻系統(tǒng)中，諧波失真是要考慮的因素，對于傳統(tǒng)ADC的采樣開關而言，CMOS對管，用MOS管作為開關使用時是不分漏源級的，當實際采樣到的信號不斷變化時，其源級也無法確定，這就導致無法通過將源級和襯底相連的方式消除襯底偏置效應，從而導致開關的非線性較大，這對ADC的非線性影響也較大。
針對此問題，基于MOS管柵源級電壓跟隨技術，設計了一種新型高精度采樣開關，能有效減小MOS管的襯底偏置效應，可廣泛應用于流水線ADC，逐次逼近ADC等模數轉換器和各種采樣系統(tǒng)中，具備良好的線性度。

1 采樣開關的設計
1．1 工作原理
本項目設計14位100 MHz采樣速率的高精度采樣保持電路，考慮到實際電路中的寄生非理想特性，ADc中采樣保持電路的諧波失真主要由采樣開關的導通等效電阻，溝道電荷注入效應以及輸入寄生電容等因素影響。為確保一定的線性度和輸入信號帶寬，文中對傳統(tǒng)CMOS對管開關電路進行了優(yōu)化和重新設計，確保滿足系統(tǒng)高線性度的要求。

如圖1所示，設計的新型開關主要由基本CMOS對管開關，比較器和反相器鏈組成。由于要實時判斷哪個端口為源級和漏級，因此加入了2個襯底選擇開關S1和S2，由互補開關組成。采用比較器觸發(fā)S1和S2使襯底能夠連接到實時變化的源端。在采樣開關M1管導通的狀態(tài)，襯底確保能夠只連接到一個端口。采用直接連接源端和襯底的結構，使M1管的偏襯效應得以消除，使其具有較小的非線性和較大的輸入擺幅。下面討論兩種情況，分別分析M1管分別導通和關斷時的工作原理。
在關斷時(S6，S5和S3打開)，自舉電容會被充電到Vdd。在導通時(S7和S4打開)，當VinVout，即比較器輸出為低電平時S1打開，直接連接輸入端和襯底。采樣開關M1的柵極電壓此時等于Vin-Vdd，源柵電壓Vsg和源襯電壓Vsb分別接到電源電壓Vdd和0。根據MOS管基本公式可得

當Vin>Vout時，情況和前面正相反。開關S2由比較器作用以連接輸出端和襯底，對應此時真正的源端是輸入端。采樣開關M1的柵極電壓變成Vout-Vdd，同時源端電壓是Vout。此時Vsg仍然準確地為Vdd不變，閾值電壓同樣不變。與式(1)類似，同理可得