一種12位50 MS／s CMOS流水線A／D轉(zhuǎn)換器
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2 電路設(shè)計(jì)
2．1 采樣網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù)匹配
如前所述，直接利用MDAC以取消SHA模塊會帶來潛在的孔徑誤差的問題。由圖2可知，MDAC與Sub ADC通過兩組不同的開關(guān)與電容組成的采樣網(wǎng)絡(luò)對輸入信號采樣。由于采樣網(wǎng)絡(luò)直接面對快速變化的輸入信號而非采樣保持電路輸出的直流信號，因此，采樣網(wǎng)絡(luò)時間常數(shù)的失配會造成MDAC與Sub ADC采樣到的電壓不同。并且這種誤差會隨著輸入信號頻率的增加而增加。當(dāng)誤差超過數(shù)字校正電路所能處理的范圍時ADC的性能就會下降。為了克服時間常數(shù)失配引起的ADC高頻性能的退化，兩個采樣網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù)不能失配過多。另外，第1級電路的位數(shù)越低，數(shù)字校正電路可以處理的誤差電壓就越大，這可以放寬對時間常數(shù)匹配的要求。
當(dāng)輸入頻率是fIN，幅度是Vref的正弦波時，如果MDAC與Sub ADC的采樣網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù)分別是τ，τ+△τ(△τ表示他們之間的失配)，且當(dāng)采樣網(wǎng)絡(luò)的帶寬遠(yuǎn)高于輸入信號的帶寬：
對于1．5位的結(jié)構(gòu)，數(shù)字電路可以校正的誤差范圍是1／4Vref。為了不讓孔徑誤差超過這個范圍，必須使得：
因此只要兩者之間的時間常數(shù)的失配不超過40％，孔徑誤差就會落在數(shù)字電路的校正范圍以內(nèi)。實(shí)際上，數(shù)字校正電路處理的誤差還應(yīng)該包括比較器的失調(diào)電壓，所以應(yīng)該保證MDAC與Sub ADC的采樣網(wǎng)絡(luò)時間常數(shù)失配小于40％。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/178824.htm
本文使用的Bootstrapped開關(guān)作為輸入開關(guān)。這種開關(guān)在導(dǎo)通時可以保持導(dǎo)通電阻恒定，這樣，因?yàn)殚_關(guān)導(dǎo)通電阻與輸入信號相關(guān)而造成的非線性會被大大降低。具體電路如圖3所示。M1，M2，C1，C2組成電荷泵，使M3的柵極與低電平為VDD，高電平為2VDD的方波信號相連。在CK為低電平時，M3和M12同時導(dǎo)通，使電容C2充電至電源電壓。此時M10，M7導(dǎo)通，M11的柵極通過M7和M10與地相連，M11處于斷開狀態(tài)。當(dāng)CK為高電平時，M10，M3，M12斷開，M8，M9導(dǎo)通，這樣，C3上的電壓加到M11的柵源兩端。可見在CK為高電平時M11的柵源電壓一直固定在VDD，與輸入信號無關(guān)。對于Sub ADC與MDAC，輸入開關(guān)的導(dǎo)通電阻可以分別表示為：
由于Bootsrapped開關(guān)在導(dǎo)通時，開關(guān)管的柵源電壓保持在VDD，因此開關(guān)的導(dǎo)通電阻只與開關(guān)管的尺寸有關(guān)。這樣開關(guān)導(dǎo)通電阻因與輸入信號相關(guān)而產(chǎn)生的非線性就被大大降低。
為了保持兩條信號通路的時間常數(shù)(τ=RC)一致，有：
于是，MDAC與Sub ADC的采樣開關(guān)的尺寸應(yīng)該滿足：
式中：RONM，RONF，CS，Cc分別指MDAC與Sub ADC的采樣開關(guān)的導(dǎo)通電阻和采樣電容；(W／L)M，(W／L)M分別指MDAC與Sub ADC的開關(guān)管的尺寸。
2．2 運(yùn)算放大器
運(yùn)算放大器是流水線ADC中最重要的單元模塊，其消耗了整個ADC的大部分功耗。為了避免運(yùn)放有限增益與帶寬對ADC的轉(zhuǎn)換精度產(chǎn)生影響，運(yùn)放的開環(huán)增益和單位增益帶寬必須滿足：
設(shè)計(jì)的運(yùn)放如圖4所示。主運(yùn)放采用折疊式結(jié)構(gòu)以擴(kuò)大輸出擺幅。自舉放大器商樣是兩個折疊式放大器，其輸入管分別采用PMOS管與NMOS管輸入。這樣主運(yùn)放中靠近電源與地的晶體管只需一個過驅(qū)動電壓大小的壓降，這可以避免輔助運(yùn)放限制主運(yùn)放的輸出擺幅。輔助運(yùn)算放大器可以顯著提升運(yùn)算放大器的整體增益，但是它會與主運(yùn)放形成局部反饋環(huán)路。該環(huán)路會在傳輸函數(shù)中引入零極點(diǎn)對。零極點(diǎn)對會延長運(yùn)算放大器的建立時間。
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