适用于高速流水线ADC中基于双采样技术的高性能采样/保持电路设计

1 引言

随着现代电子技术迅猛发展，电子产业逐步形成了以数字为主的格局。数字信号处理 技术日渐成熟的同时， 对模拟信号和数字信号的转换接口电路模数转换器 （Analog-to-Digital Converter 简称ADC）的速度和精度方面的要求也越来越高。ADC 的性能在整个信号处理系统中起到至关重要的作用，成为限制整个系统性能的瓶颈。在整个 ADC 系统中，前级采样保持电路（sample-and-hold circuit 简称S/H）的性能直接影响到 后续电路对采样保持信号处理的正确性，从而影响整个系统的性能，因此对其速度和精度要 求十分严格。S/H 电路的精度很大程度上取决于运放的增益，S/H 电路的带宽则取决于运放 的带宽，所以设计一个相对高增益、高带宽的运放是整个ADC 设计的关键，本文采用的是增 益自举运放结构，可以在增益和带宽方面得到较好的效果。此外，随着采样的速度和精度的 不断提高，简单的CMOS 开关已经不能满足设计的需要，本文采用了栅压自举开关[2]，可以 得到较好的采样精度和线性度。针对运放的增益误差和开关电路误差所引起S/H 电路速度受 限的问题，在整个S/H 电路结构方面采用了双采样技术[3]，使同一周期内的采样保持工作由 原来的一次变为两次，整个S/H 电路的速度得到极大的提高。

2 运放的设计

运放是S/H 电路中的核心模块。CMOS 的运放主要包括四种常见结构：简单两级运算放大器、套筒式的共源共栅放大器、折叠式共源共栅放大器、增益自举运算放大器[4,5]。比较 四种结构的性能发现，套筒式共源共栅在速度、功耗和噪声方面具有优势，但是它的增益和 输出摆幅有限，不适用于采样增益电路中。折叠式共源共栅的速度较高，但其他四个性能参 数一般，也不采用。两级运放最大的缺点是速度提升较为困难。增益自举运放在增益、带宽、 速度等方面表现较好。根据S/H 电路的设计要求，对运放的各参数的性能指标为：

综合考虑这四种结构的优缺点以及S/H 电路对运放的要求，本文采用了增益自举运放来作为S/H 电路中的核心模块。

增益自举运放在增益和带宽方面都具有明显的优势，基本的增益自举运放为一个主运 放内连接四个辅运放构成，这种结构在功耗和面积方面没有优势。本文设计的增益自举运放 只采用三个运放构成，主运放采用全差分折叠共源共栅结构，考虑到匹配问题，两个辅运放 也采用全差分折叠共源共栅结构设计。辅运放单位增益频率的选择根据经验[7]单位增益带 宽应大于主运放的－3dB 带宽，这样主运放就能保持原有的的高频特性。具体电路布局如下 图：

对运放采用SMIC0.18um 工艺库进行仿真，得到仿真结果如下：

仿真波形如下图所示：

3、栅压自举开关设计

在流水线结构中，采样模式的开关等效为一个阻抗为 Ron 的电阻，忽略体衬偏效应的影响，Ron 的值为：

影响开关主要性能的因素包括：开关导通阻抗的非线性、开关电荷注入效应以及时钟 馈通效应等。开关导通阻抗的非线性主要影响着无杂散动态范围（spurious free dynamic range，SFDR）；电荷注入效应给电路引入了非线性；时钟馈通效应带来了一个与输入电压 无关的固定失调。针对这些问题，设计选用了带时钟馈通补偿结构的栅压自举开关。

当时钟 CLK 为高电平时，开关处于采样状态，当CLK 为低电平时，开关处于保持状 态。MS 为栅压自举开关中的开关管，DS 为引入的虚拟开关，其作用是在时钟由高变低的 时刻在输出端产生一个补偿电压，用于补偿时钟馈通效应带来的影响。在开关电路中，电容 两端电压虽然在保持阶段能够被充到电源电压值，但在采样阶段由于寄生电容的影响，使得 电容两端电压值产生变化，这将给开关电路带来非线性。因此在设计时，对电容值的选取要 求较高。

4、双采样技术采样保持电路

采样保持电路是流水线 ADC 中至关重要的部分。特别是前端采样保持电路，它将直接 影响到后续电路对采样保持信号处理的正确性，从而影响整个系统的性能。基本采样保持电 路由开关和电容组成，电容翻转结构的采样保持电路，在采样时刻，电容C 采集输入信号 量，在保持时刻电容C 输出电压为采样时刻电压，从而实现采样保持。电容翻转结构在功 耗与噪声较低，适用于该流水线结构ADC 的设计。

通过研究电路的时序发现，基本的采样保持结构在采样周期，保持电路处于空闲，在 保持周期，采样电路处于空闲，一个时钟周期内电路只能对输入信号进行一次处理。双采样 结构的采样保持电路对电容翻转结构进行扩展，利用两个采样电容交替工作。在时钟信号为高电平时刻，电容 C1 进行采样，输出端保持电容C2 的采样信号；时钟信号为低电平时刻， 电容C2 进行采样，输出端保持电容C1 的采样信号。在一个时钟周期内两个电容如此交替工 作，完成两次采样保持过程。

整体采样保持电路采用SMIC0.18um 工艺，利用spectre 进行仿真。输出的仿真结果为， 电路工作电压1.8V，输入信号频率为800KHZ，采样频率为50MHZ。满足流水线ADC 系统中 对采样保持电路的设计要求，下图为双采样技术的采样保持电路仿真波形图。

5、结束语

本文设计了一种采用双采样技术、全差分增益自举运放和栅压自举开关的采样保持电 路。采用增益自举运放达到较好的增益和带宽性能指标；采用栅压自举开关克服了开关导通 阻抗的非线性、开关电荷注入效应以及时钟馈通效应等不良影响；双采样电路的使用使得采 样速率达到同等结构单采样速率的两倍。通过对这几种结构进行分析设计，最终得到的采样 保持电路能够满足10bits50MS/s 的流水线ADC 的应用。整个电路设计基于SMIC0.18um 工 艺，仿真结果表明，该采样保持电路达到设计要求，能够满足中高精度高速流水线ADC 的 应用。