適用于12 bit流水線ADC采樣保持電路的設(shè)計(jì)
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2.2 采樣開關(guān)的設(shè)計(jì)
2.2.1 開關(guān)類型的選取
在采樣保持電路中，開關(guān)的性能對電路有著非常重要的影響。因此對于圖1中的開關(guān)作了詳細(xì)設(shè)計(jì)。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到性能和功耗的優(yōu)化，在對性能沒有明顯影響時(shí)，盡可能采用簡單電路，否則以性能為主。圖1中SW2和SW3處的開關(guān)主要用于連接到共模參考電壓，短接輸入端，短接輸出端，對其性能要求不是很高，故采用簡單的NMOS開關(guān)和CMOS互補(bǔ)型開關(guān)。在SWl處由于采樣開關(guān)線性度對電路采樣相的線性性能影響最大，如果用一個(gè)簡單的NMOS開關(guān)，當(dāng)輸入信號電壓變化時(shí)，其導(dǎo)通電阻也隨之變化，這在實(shí)際工作中會(huì)引起較大的誤差。而CMOS開關(guān)其導(dǎo)通電阻雖有所減小，但隨輸入信號的變化，其柵-源電壓會(huì)隨之改變，因此信號仍有失真，所以本文采用了一種線性度更好的柵壓自舉開關(guān)。
2.2.2 開關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)
由于小尺寸的開關(guān)會(huì)帶來大的導(dǎo)通電阻，嚴(yán)重影響電路的速度，而大尺寸的開關(guān)則會(huì)引入非常大的饋通電容，對前級造成明顯的影響。在本電路中，NMOS開關(guān)的W／L為12／1時(shí)仿真性能最好；對于CMOS互補(bǔ)型開關(guān)，其導(dǎo)通電阻的線性度受p管和n管的寬長比比例影響。所以要對管子的寬長比進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過仿真發(fā)現(xiàn)，在本電路中，當(dāng)PMOS和NMOS的寬度比為2.8／1時(shí)，導(dǎo)通電阻Ron在整個(gè)工作范圍內(nèi)變化最小，線性度最好。柵壓自舉開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。它由時(shí)鐘倍增電路、傳輸管和柵-源電壓控制電路組成。由于傳輸管M1的柵-源電壓Vgs恒定為VDD，因此自舉開關(guān)的導(dǎo)通電阻Ron較小，且基本恒定，線性度較好。圖4為輸入正弦信號時(shí)，開關(guān)傳輸管M1的Vgs仿真波形，從圖中可以看出，其Vgs基本不變，由于受M1柵上的寄生電容的影響，柵源電壓略小于VDD。
3 運(yùn)算放大器(OTA)的設(shè)計(jì)
OTA是采樣保持電路的核心，它決定了該采樣保持電路的精度和建立時(shí)間。由于該采樣保持電路運(yùn)用于12 bit 20 MHz流水線ADC，則要求該放大器的輸出在25 ns的建立時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定在最終值0.012％。如果將OTA設(shè)為單極點(diǎn)放大器，則可估算出OTA的直流增益最好能達(dá)到84 dB以上，單位增益帶寬必須大于72 MHz。為了能達(dá)到較好的性能，一般都留有一定的余量，因此實(shí)際上設(shè)計(jì)中要比這些值大很多。考慮到普通一級運(yùn)放的增益不夠高；兩級運(yùn)放則速度上又達(dá)不到，故本文采用增益增強(qiáng)的折疊式共源共柵運(yùn)放。
本文采用的放大器為如圖5所示的帶有A1和A2兩個(gè)輔助放大器的增益增強(qiáng)型折疊式共源共柵放大器。從工程設(shè)計(jì)角度考慮，采用統(tǒng)一模塊化可簡化設(shè)計(jì)過程，減少設(shè)計(jì)出錯(cuò)的可能性。因此輔助放大器也采用折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)，所有偏置電壓都由一個(gè)偏置電路產(chǎn)生，并取偏置電流為主運(yùn)放的1／10，以減小功耗。其中，Al以NMOS管作為輸入端，A2以PMOS管作為輸入端。考慮到這兩個(gè)運(yùn)放的直流輸出是為主運(yùn)放的M7，M8，M9，M10提供直流偏置，不需要大范圍的波動(dòng)，因此采用一種簡單實(shí)用的共模反饋。另外，輔助放大器的單位增益帶寬至少與主放大器的帶寬相等，稍大則穩(wěn)定時(shí)間會(huì)更短一些，因此可在其輸出端接電容來調(diào)節(jié)帶寬，將其控制在主運(yùn)放第二極點(diǎn)內(nèi)的合適位置。主運(yùn)放則采用連續(xù)時(shí)間型共模反饋。
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