一種1.9V供電、8位3.0GSPS A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

　　寬帶模擬開關(guān)

　　良好的模擬輸入開關(guān)是一個(gè)超高速A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)優(yōu)異性能的基礎(chǔ)，因此在轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)中，一個(gè)高帶寬、低失真的模擬開關(guān)是必不可少的。要使開關(guān)具有低失真特性，最基本的思想就是使得開關(guān)的柵源電壓與輸入信號(hào)無關(guān)，并盡可能地消除體效應(yīng)的影響。本文設(shè)計(jì)的模擬開關(guān)電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　圖3中，N1、N2、P1、P2、P6、P7、N9等晶體管組成了低失真、寬帶NMOS開關(guān);其它部分用于控制開關(guān)的開啟與關(guān)斷;V1、V2是直流偏置電壓。電路的工作過程如下：當(dāng)時(shí)鐘CLK1為高電平時(shí)，節(jié)點(diǎn)①為低電平，適當(dāng)?shù)腣1、V2偏置使得P9、P10、N11均導(dǎo)通，所以節(jié)點(diǎn)④被偏置到Vdd電位，P8管導(dǎo)通，使得節(jié)點(diǎn)③的電位近似為2Vdd，從而P7和N9導(dǎo)通，并為N1和P1通路提供偏置電流，開關(guān)N2導(dǎo)通，最終N2的柵源電壓等于N1和P1的開啟電壓之和。反之，當(dāng)時(shí)鐘CLK1為低電平時(shí)，節(jié)點(diǎn)④被電容N10自舉到接近2Vdd的電位，由于節(jié)點(diǎn)⑦的電位也近似為2Vdd，故P8截至，同時(shí)節(jié)點(diǎn)②為低電位，N4管導(dǎo)通，最終使得節(jié)點(diǎn)⑥為低電平，NMOS開關(guān)N2關(guān)斷。

　　高速混合型比較器

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換器通過比較器才能產(chǎn)生最后的輸出碼，需要數(shù)量較多的比較器。比較器會(huì)為模數(shù)轉(zhuǎn)換器帶來延遲、精度、功耗、輸入電壓范圍、輸入阻抗以及芯片面積等諸多方面的影響。比較器的性能，特別是速度和精度，會(huì)直接決定模數(shù)轉(zhuǎn)換器所能夠?qū)崿F(xiàn)的性能。

　　在高速A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)中，一般都采用動(dòng)態(tài)鎖存再生比較器。動(dòng)態(tài)鎖存比較器內(nèi)部包含一個(gè)交叉耦合的正反饋回路，從而能夠大大地提高比較器的速度。同時(shí)由于動(dòng)態(tài)比較器在復(fù)位過程中，電路中沒有直流通路，所以相對(duì)靜態(tài)比較器，其靜態(tài)功耗大大減小。這種結(jié)構(gòu)的不足之處是在復(fù)位狀態(tài)和再生狀態(tài)之間還存在一個(gè)過渡狀態(tài)，用于完成共源節(jié)點(diǎn)電位的建立，會(huì)影響比較器的再生速度。在再生狀態(tài)時(shí)，比較器電路中會(huì)有很大的動(dòng)態(tài)電流，會(huì)產(chǎn)生比較大的動(dòng)態(tài)誤差。由于本設(shè)計(jì)前級(jí)電路的增益足夠大，能夠使得比較器自身的失調(diào)電壓被忽略。因此，在進(jìn)行比較器的設(shè)計(jì)時(shí)，可放寬對(duì)于失調(diào)電壓的要求，著重提高比較器的再生速度。

　　本文所設(shè)計(jì)的比較器如圖4所示。CLK為高電平時(shí)，M13、M16、M20、M23開啟，再生級(jí)的N2、N3會(huì)被復(fù)位到相同的電位。而由于M17被一個(gè)預(yù)設(shè)的直流電平偏置，這時(shí)節(jié)點(diǎn)N1仍會(huì)維持在一個(gè)較高的電位。當(dāng)CLK為低電平時(shí)， M13、M16、M20、M23均關(guān)閉，比較器工作在再生狀態(tài)。前級(jí)電路的輸入VINN、VINP通過M14、M15輸入到鎖存再生級(jí)。M11和M12構(gòu)成了一組正反饋，正反饋使得N1、N2的輸出電位被分離成一組不平衡的輸出(一端為高接近VDD，一端為低接近GND)。這一組非平衡的輸出經(jīng)過輸出鎖存級(jí)進(jìn)一步的調(diào)整后，產(chǎn)生最終的比較器輸出信號(hào)。

　　與傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)鎖存式比較器相比，增加了一個(gè)由預(yù)設(shè)直流電平偏置的管子M17，M17會(huì)在比較器的工作過程之中一直穩(wěn)定地提供一個(gè)恒定的靜態(tài)電流，從而大大提高了比較器的再生速度，完全滿足本文轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)對(duì)于比較器速度的要求。