低功耗10位100 MHz流水線A／D轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一個(gè)10位100 MHz，1．8 V的流水線結(jié)構(gòu)模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，該ADC運(yùn)用相鄰級運(yùn)算放大器共享技術(shù)和逐級電容縮減技術(shù)，可以大大減小芯片的功耗和面積。電路采用級聯(lián)1個(gè)高性能前置采樣保持單元和4個(gè)運(yùn)放共享的1．5位／級MDAC，并采用柵壓自舉開關(guān)和動態(tài)比較器來縮減功耗。結(jié)果顯示，在輸入頻率達(dá)到奈奎斯特頻率范圍內(nèi)，整個(gè)ADC的有效位數(shù)始終高于9位。電路使用TSMC O．18 μm 1P6M CMOS工藝，在100 MHz的采樣頻率下，功耗僅為45 mW。
關(guān)鍵詞：流模／數(shù)轉(zhuǎn)換器；運(yùn)放共享；柵壓自舉開關(guān)；動態(tài)比較器

O 引言
在混合信號集成電路系統(tǒng)中，模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是一個(gè)關(guān)鍵的模塊。許多現(xiàn)代應(yīng)用，如數(shù)字便攜設(shè)備、視頻處理及無線通信等，都要求具有高采樣率、低功耗的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器。同時(shí)，由于許多模／數(shù)轉(zhuǎn)換器被使用在電池供電的便攜式設(shè)備中，降低其功耗就變得越加重要。對于10 b，1 MSPS以上的ADC系統(tǒng)而言，流水線結(jié)構(gòu)是一種合適的設(shè)計(jì)方案。在此闡述了能夠滿足10位精度、100 MHz采樣率的流水線結(jié)構(gòu)ADC，并且運(yùn)用了相鄰兩級共用一個(gè)運(yùn)放的運(yùn)放共享技術(shù)和逐級電容縮減技術(shù)來減小功耗和面積。該模／數(shù)轉(zhuǎn)換器中采用了低功耗增益提高運(yùn)算放大器和動態(tài)比較器等元件，也更好的降低了功耗。

1 ADC電路結(jié)構(gòu)
1．5位／級結(jié)構(gòu)的ADC具有許多優(yōu)點(diǎn)，首先每級多產(chǎn)生一位冗余位來進(jìn)行數(shù)字冗余修正，大大減小比較器失調(diào)造成的影響。其次較小的單級分辨率可以獲得較高的速度。1．5位／級結(jié)構(gòu)的單級閉環(huán)增益為2，開關(guān)電容電路可以具有較小的負(fù)載電容和反饋因子，因此每級可以獲得較大的帶寬。所以本電路采用1．5位／級級聯(lián)的結(jié)構(gòu)。

圖1為本文所采用的流水線ADC結(jié)構(gòu)，采用了每級1．5位流水線級級聯(lián)。最前端是一個(gè)高性能采樣保持電路，雖然采樣保持電路需要消耗大量的功耗，但它能夠較好地減小由于MDAC和子ADC之間的采樣信號失配造成的孔徑誤差，可以使得電路性能得到較大提高。依次級聯(lián)8個(gè)相同的1．5位／級結(jié)構(gòu)MDAC，最后一級是一個(gè)2位的FLASH ADC。所得到的18位數(shù)字輸出依次經(jīng)過時(shí)間對齊電路和數(shù)字校正電路，經(jīng)過數(shù)字校正后得到所需要的10位數(shù)字輸出。
如圖1所示，電路采用相鄰級運(yùn)算放大器共享技術(shù)，后面的8個(gè)MDAC僅需要4個(gè)運(yùn)算放大器。為了更好地降低功耗，電路使用了逐級電容縮減技術(shù)。電路中的Stage 1＆2和Stage 3＆4采用了相同的運(yùn)算放大器，Stage 5＆6和Stage 7＆8進(jìn)行了縮減，縮減因子為0．7。
1．1 采樣保持電路結(jié)構(gòu)
圖2為電容翻轉(zhuǎn)型采樣保持電路的結(jié)構(gòu)圖。相對于電荷轉(zhuǎn)移型的采保電路，這種結(jié)構(gòu)具有較大地反饋系數(shù)和較少的電容，使得電路具有實(shí)現(xiàn)面積小，噪聲低，功耗低，保持相建立時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，因而更適合于高速的流水線ADC。

該電路工作在采樣和保持2個(gè)階段：采樣階段，clkl，clkl_p，clkl_pp為高電平，clk2為低電平，此時(shí)輸入信號存儲在電容上，clkl_PP先于clkl_p和clkl截止，clkl_p先于clkl，采用2個(gè)提前截至的時(shí)鐘波形是為了減小圖中采樣開關(guān)的溝道電荷注入的影響。保持階段，clkl，clkl_p，clkl_PP為低電平，clk2為高電平，存儲于采樣電容的電荷傳輸至采樣保持電路的輸出并驅(qū)動下級負(fù)載。該電路的閉環(huán)增益為1。
由于開關(guān)的開關(guān)電阻和電荷注入會對電路產(chǎn)生巨大的影響，圖2中的輸入采樣開關(guān)采用了柵壓自舉開關(guān)，這樣可以較大的避免與輸入信號相關(guān)的電荷的注入。