適用于12 bit流水線ADC采樣保持電路的設(shè)計(jì)
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隨著CMOS技術(shù)的迅猛發(fā)展，CMOS圖像傳感器以其高集成度、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于超微型數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)等圖像采集的領(lǐng)域。而流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器以其高速、低功耗、中高精度而被廣泛應(yīng)用于圖像傳感器的芯片級(jí)和列級(jí)A／D轉(zhuǎn)換器中。當(dāng)前，流水線A／D轉(zhuǎn)換器比較成熟的國(guó)際水平已達(dá)到14 bit 10 MHz。國(guó)內(nèi)已流片成功的大多數(shù)是10 bit流水線A／D轉(zhuǎn)換器，因此10 bit以上的高精度流水線A／D轉(zhuǎn)換器還需要進(jìn)一步研究。在A／D轉(zhuǎn)換器中，采樣保持電路作為其前端最關(guān)鍵的模塊，它的性能直接決定了整個(gè)ADC的性能。
本文采用一種全差分電荷轉(zhuǎn)移型結(jié)構(gòu)的采樣保持電路，這種結(jié)構(gòu)可以很好地消除與輸入信號(hào)無關(guān)的電荷注入和時(shí)鐘饋通；通過底極板采樣技術(shù)，消除與輸入信號(hào)相關(guān)的電荷注入和時(shí)鐘饋通；使用柵壓自舉電路來消除開關(guān)的非線性。同時(shí)采用折疊式增益增強(qiáng)運(yùn)算放大器，減小由于有限增益和不完全建立帶來的誤差。該采樣保持電路在5 V電源電壓，20 MS／s采樣頻率下，在輸入信號(hào)為奈奎斯特頻率時(shí)，無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)為76 dB，采樣精度達(dá)到0.012％，滿足12 bit精度要求。
1采樣保持電路
圖1為本文設(shè)計(jì)的采樣保持電路結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)稱為電荷轉(zhuǎn)移型采樣保持電路。
它的工作時(shí)序如圖2所示，clk1和clk2是兩相不交疊時(shí)鐘，控制采樣保持電路分別工作于采樣相和保持相；clkb為clkl的反相。當(dāng)clk1為高電平時(shí)，電路進(jìn)入采樣相，運(yùn)放兩個(gè)輸入端被短路，輸入信號(hào)存儲(chǔ)在采樣電容Cs上；clk2為高電平時(shí)，電路進(jìn)入保持相，將差分電荷轉(zhuǎn)移到反饋電容Cf上。
在從采樣相向保持相轉(zhuǎn)變的過程中，clklpp，clklp，clkl依次關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)了底極板采樣，以減少開關(guān)時(shí)鐘饋通和溝道電荷注入的影響；且只有差分電荷轉(zhuǎn)移到反饋電容Cf上，共模電荷一直保存在采樣電容Cs上。因此，這種結(jié)構(gòu)可以處理共模范圍較大的輸入信號(hào)。
2采樣電容、開關(guān)的選取和設(shè)計(jì)
2.1采樣電容的選取
在采樣保持電路中，采樣電容的取值對(duì)電路的性能有直接的影響。采樣電容越小，熱噪聲就大，因?yàn)闊嵩肼曋饕呻娐分械拈_關(guān)導(dǎo)通電阻產(chǎn)生，其方差是開關(guān)電容值的函數(shù)(σ2thermal≈kT／C，其中k為波爾茲曼常量，T為絕對(duì)溫度)，則電路的信噪比(SNR)就降低。如果采樣電容較大，會(huì)使電路的功耗增大，速度變慢，而此時(shí)信噪比主要受量化噪聲的限制，沒有明顯改善。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，把噪聲限制在一定范圍之內(nèi)，得到電容的最小值，再犧牲一些功耗和速度，取稍大電容值即可。本文所設(shè)計(jì)的ADC具有12 bit分辨率，量化范圍為±1 V。如果要求由熱噪聲與量化噪聲所引起的SNR最多能下降1 dB，即需滿足：kT／Cs△2／46.3，△為1 LSB對(duì)應(yīng)的幅度。根據(jù)上式算出，采樣電容Cs>0.8 pF，取Cs=Cf=1 pF。
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