低功耗10位100 MHz流水線A／D轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
1．2 運(yùn)放共享技術(shù)
根據(jù)流水線ADC工作的原理，從時(shí)序上來(lái)看，單個(gè)的MDAC中的運(yùn)放只有在保持相處于放大狀態(tài)。而且前一級(jí)的保持與后一級(jí)的采樣同時(shí)進(jìn)行，整個(gè)ADC在全同步時(shí)鐘控制下運(yùn)行。在采樣相時(shí)，運(yùn)放處于失調(diào)消除狀態(tài)，對(duì)電路不能產(chǎn)生任何作用，但同時(shí)運(yùn)放仍要消耗大量的靜態(tài)功耗。所以采用運(yùn)放共用技術(shù)很明顯能夠減少一半的運(yùn)放，減小大量的功耗。
圖3為運(yùn)算放大器共用技術(shù)的原理圖。相對(duì)于普通結(jié)構(gòu)MDAC的流水線ADC，該改進(jìn)結(jié)構(gòu)的ADC兩級(jí)共用一個(gè)運(yùn)放。在時(shí)鐘相clkl時(shí)，n級(jí)采樣余量信號(hào)為Vres(n-1)，n+1級(jí)利用運(yùn)放處于保持狀態(tài)。但當(dāng)下一個(gè)相位時(shí)，n級(jí)利用同一個(gè)運(yùn)放進(jìn)入保持狀態(tài)，而n+1級(jí)則采樣為Vres(n)，也就是n級(jí)的余量輸出。圖3中只給出了單端結(jié)構(gòu)，實(shí)際的電路一般都為全差分結(jié)構(gòu)。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/180264.htm
但是，運(yùn)放共用技術(shù)存在2個(gè)缺點(diǎn)：一是該技術(shù)需引入新的開(kāi)關(guān)，進(jìn)而引入了串聯(lián)電阻，該串聯(lián)電阻與運(yùn)算放大器的輸入電容結(jié)合，影響了增益級(jí)的建立時(shí)間。在高采樣頻率情況下，通常通過(guò)增大開(kāi)關(guān)的寬長(zhǎng)比來(lái)減小串聯(lián)電阻，但是增加了開(kāi)關(guān)引入的非線形和失調(diào)即溝道電荷注入、時(shí)鐘饋通。二是運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)沒(méi)有時(shí)間置零。因此由于放大器的有限增益，每次輸入采樣值均受前次采樣的影響，同時(shí)放大器總是工作在保持狀態(tài)下，其引入的失調(diào)電壓和1／f噪聲亦不能消除。從而影響電路的性能。
在本設(shè)計(jì)中，為了避免由于運(yùn)放沒(méi)有失調(diào)消除的過(guò)程而產(chǎn)生誤差累積的問(wèn)題，通過(guò)增加一個(gè)失調(diào)消除開(kāi)關(guān)和增加一個(gè)失調(diào)消除脈沖，可以較好地解決這個(gè)問(wèn)題。
如圖3中所示，clkA時(shí)鐘為運(yùn)放輸入失調(diào)消除時(shí)鐘相，clkl與clk2為整個(gè)ADC電路所用的兩相不交疊時(shí)鐘。由于在運(yùn)放共享結(jié)構(gòu)中，運(yùn)放在clkl與clk2兩相均處于保持狀態(tài)的負(fù)反饋中。為了不改變電路結(jié)構(gòu)和時(shí)鐘相，在clkl與clk2均為低的時(shí)候，引入一個(gè)新的時(shí)鐘脈沖clkA，來(lái)開(kāi)啟運(yùn)放輸入端連接到地的一個(gè)開(kāi)關(guān)進(jìn)行失調(diào)消除。通過(guò)這樣在兩相不交疊時(shí)鐘間隙增加一個(gè)失調(diào)消除脈沖，較好的解決了運(yùn)放共享結(jié)構(gòu)中輸入失調(diào)累積所造成的影響。
2 電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
2．1運(yùn) 算放大器的設(shè)計(jì)
為了達(dá)到10位以上的線性度，放大器的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)至少大于60 dB；為了滿足100 MHz的采樣頻率，放大器的穩(wěn)定時(shí)間需小于5 ns。鑒于上述要求，本文設(shè)計(jì)的運(yùn)放為折疊式全差分共源共柵結(jié)構(gòu)，并采用增益增強(qiáng)技術(shù)(gain-boost)來(lái)提高增益。盡管折疊式共源共柵運(yùn)放與套筒式共源共柵運(yùn)放相比較具有功耗大、折疊點(diǎn)處寄生電容較大等缺點(diǎn)，但它卻具有高擺幅的優(yōu)點(diǎn)，尤其是它的輸出范圍不會(huì)受到共模輸入電壓的影響。這對(duì)模／數(shù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍的提高是非常有幫助的。
本文通過(guò)調(diào)整電路參數(shù)，以得到優(yōu)化的電流，使其恰好同時(shí)滿足轉(zhuǎn)換速率和建立時(shí)間對(duì)放大器電流的要求。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法只是經(jīng)驗(yàn)性的使轉(zhuǎn)換速率約為1／2個(gè)采樣周期的1／3～1／4，因此，它比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法具有更小的功耗。
運(yùn)放電路如圖4所示，運(yùn)放的增益為：
圖4中Ap，An分別為增益增強(qiáng)的輔助運(yùn)放，輔助運(yùn)放同樣采用折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)?？梢?jiàn)增益增強(qiáng)技術(shù)引入了輔助放大器無(wú)疑極大的提高了主放大器的增益，但是它也在放大器的傳輸函數(shù)中引入了一對(duì)零極點(diǎn)對(duì)(pole-zero doublet)。盡管它對(duì)放大器的頻率響應(yīng)沒(méi)有影響，但卻影響了放大器時(shí)域響應(yīng)。一般要求輔助放大器的單位增益帶寬至少與主放大器的帶寬相等或稍大，此外要求它的次主極點(diǎn)盡可能大，也就是它的相位裕度要求75°以上。
評(píng)論