找回密码
 注册会员
更新自动建库工具PCB Footprint Expert 2024.04 Pro / Library Expert 破解版

[嵌入式/ARM] 一种13 bit 40 MS/s采样保持电路设计

[复制链接]
admin 发表于 2013-3-23 18:31:58 | 显示全部楼层 |阅读模式

本文包含原理图、PCB、源代码、封装库、中英文PDF等资源

您需要 登录 才可以下载或查看,没有账号?注册会员

×
摘  要:  设计了一个用于13 bit  40 MS/s流水线ADC中的采样保持电路。该电路采用电容翻转结构,主运算放大器采用增益提高型折叠式共源共栅结构,以满足高速和高精度的要求。为减小与输入信号相关的非线性失真以获得良好的线性度,采用栅压自举开关。采用电源电压为3.3 V的TSMC 0.18 μm工艺对电路进行设计和仿真,仿真结果表明,在40 MHz的采样频率下,采用保持电路的SNDR达到84.8 dB,SFDR达到92 dB。
关键词:采样保持电路;电容翻转结构;增益提高;栅压自举开关
    近年来,随着通信和多媒体市场的快速增长,数字系统无论在处理能力还是处理速度上都取得了飞速的发展,因此对作为模拟信号通向数字信号桥梁的模数转换器(ADC)的性能要求也越来越高 [1]。在各种ADC结构中,流水线ADC在速度和精度上能够达到合理的折衷,因此得到了广泛应用。在流水线结构ADC中,其前端采样保持电路是整个系统的关键模块之一,其性能直接决定了整个ADC的性能[2]。
     本文对流水线ADC的采样保持电路的结构以及主要模块如增益提高型运算放大器电路、共模反馈电路和开关电路进行了分析,并对各个模块进行了设计,最终设计出一个适合于13 bit 40 MHz流水线ADC的采样保持电路,仿真结果表明,该采样保持电路满足设计要求。
1 采样保持电路结构
 采样保持电路的结构直接决定了采样保持电路的精度和速度,图1为常用的两种全差分结构:电荷再分布型和电容翻转型。全差分结构能够很好地消除直流偏置和偶次谐波失真,并抑制来自衬底的共模噪声。
    20121107051242167801277.gif
    与电荷再分布型结构相比较,电容翻转型结构的反馈系数为1,是电荷转移型(在Cs=Cf=C时,反馈系数为0.5)的两倍,因此在同样的闭环带宽时,电容翻转式结构所要求的运放单位增益带宽(GBW)只是电容电荷再分布式GBW的一半,所以电容翻转型结构具有功耗小的优点[3]。另外由于电荷再分布型电路需要使用4个电容,但电容翻转型只需要2个电容,在CMOS工艺中,电容需要大的实现面积,电容翻转型结构具有小的实现面积。因此,电容翻转型更适合高速高精度的流水线ADC应用,本文的采样保持电路采用电容翻转式结构来实现。
2 增益提高型放大器的设计
 运算放大器是整个采样保持电路中最重要的模块,它的增益和带宽直接决定了采样保持电路的精度和速度。但增益和带宽是相互矛盾的,高增益要求使用多级放大器、小的偏置电流、长沟道器件;而大带宽则要求使用单级放大器、大的偏置电流、短沟道器件,所以放大器是采样保持电路设计的一个难点。
 本文主运算放大器采用全差分的折叠式共源共栅结构,并用增益提高技术来提高放大器的增益,达到了高增益和大带宽的要求[4-5]。主运算放大器电路如图2 所示,由于NMOS管的迁移率高于PMOS管,在跨导相同的情况下,NMOS管具有较小的面积,从而使得运算放大器具有较小的输入电容,有利于提高采样保持电路的反馈系数,所以本文采用了NMOS管作为输入对管的折叠式共源共栅结构。两个辅助运算放大器BN和BP分别为NMOS和PMOS管作为输入对管的折叠式共源共栅放大器。图2 中的CMFB模块为主运算放大器的共模反馈电路,由于主运放的输出摆幅较大,所以采用如图3(a)所示的开关电容共模反馈电路,开关电容共模反馈不会受输出摆幅产生限制,并且其只有静态功耗。对于两个辅助运放而言,由于其输出和输入范围很小,所以采用如图3(b)所示的连续时间共模反馈电路,这种电路没有电容,节省了面积。图2(b)为主运算放大器在负载电容为6 pF时的频率特性曲线,其增益为133 dB,带宽约为478 MHz,相位余度为59.7度。整个放大器(包括偏置电路、辅助运放、共模反馈电路)消耗的平均电流为8.5 mA。      
    20121107051242199051278.gif
    20121107051242214671279.gif
     
3 采样开关的设计
     采样开关的性能在采样保持电路中占有十分重要的地位,对于一个简单的NMOS开关,开关导通时其导通电阻Ron为:
      20121107051242230301280.gif
 可见,导通Ron是一个与输入信号Vin相关的非线性电阻,这将在输出信号中引入谐波失真 [5]。本文采用如图4(a)所示的栅压自举开关,开关的导通电阻随输入信号幅值变化的曲线图如图4(b)所示,曲线的斜率大约为11 Ω/V,其导通电阻随输入信号幅值的变化较小,具有较高的线性度。      
    20121107051242245921281.gif
*滑块验证:
您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册会员

本版积分规则

QQ|手机版|MCU资讯论坛 ( 京ICP备18035221号-2 )|网站地图

GMT+8, 2024-12-25 01:20 , Processed in 0.056402 second(s), 10 queries , Redis On.

Powered by Discuz! X3.5

© 2001-2024 Discuz! Team.

快速回复 返回顶部 返回列表