一種12位25MS /s采樣保持電路設(shè)計(jì)

隨著數(shù)字技術(shù)的不斷突飛猛進(jìn)，越來(lái)越多的電路系統(tǒng)將A／D轉(zhuǎn)換器作為一個(gè)子模塊集成到系統(tǒng)內(nèi)部。例如在便攜式數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)字視頻和圖像處理等應(yīng)用系統(tǒng)中，8～12位分辨率的嵌入式A／D轉(zhuǎn)換器就是這些系統(tǒng)的一個(gè)非常重要的組成部分。在這些應(yīng)用中，如何在保持高采樣頻率下降低功耗是一個(gè)很重要的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。整體而言，流水線型結(jié)構(gòu)A／D轉(zhuǎn)換器是同時(shí)實(shí)現(xiàn)低功耗、高采樣率和高分辨率的合理選擇。

在流水線結(jié)構(gòu)的A／D轉(zhuǎn)換電路中，采樣保持電路是整個(gè)電路的核心模塊。同時(shí)采樣保持電路通常是整個(gè)電路中功耗最大的模塊，其性能直接決定了整個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器的性能。本文介紹了運(yùn)用于視頻處理系統(tǒng)的一種12位25MS／s低功耗采樣保持電路。

2 電路結(jié)構(gòu)分析

本文所采用的采樣保持電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。電路使用全差分結(jié)構(gòu)，可以很好地消除直流偏置和偶次諧波失真，抑制來(lái)自襯底的共模噪聲；采用底板采樣技術(shù)，可以完全抑制采樣時(shí)刻由開關(guān)的電荷注入和時(shí)鐘饋通引入的非線性誤差；使用柵壓自舉開關(guān)，使采樣開關(guān)柵壓隨輸入信號(hào)變化而等量變化，增加開關(guān)的線性度，減小諧波失真。電路功能的實(shí)現(xiàn)基于一個(gè)受兩相不交疊時(shí)鐘控制的單位增益開關(guān)電容電路。

根據(jù)時(shí)鐘可以將該電路工作分為采樣和保持兩個(gè)階段。在采樣階段，時(shí)鐘Ck1為高電平有效，運(yùn)放的兩個(gè)輸入端被短接到Vcm，采樣得到的電壓以電荷的形式存儲(chǔ)在采樣Cs上，由于在采樣的時(shí)候處于開環(huán)狀態(tài)，所以運(yùn)放的兩個(gè)輸出端也被直接短路，在采樣階段即將結(jié)束的時(shí)候，時(shí)鐘Ck1p和Ck1控制的開關(guān)依次斷開，運(yùn)放的正負(fù)兩個(gè)輸入端的結(jié)點(diǎn)完全處于開路的狀態(tài)，所以這兩個(gè)結(jié)點(diǎn)上存儲(chǔ)的電荷差值就不會(huì)再改變了；在保持階段，Ck2為高電平有效，通過(guò)電荷的重新分配，輸入采樣信號(hào)通過(guò)保持電容Cr轉(zhuǎn)移到輸出端，在差分電壓輸出達(dá)到穩(wěn)定值以后，保持過(guò)程結(jié)束。選擇Cs=Cr，采樣保持電路的增益為1。

3 電路實(shí)現(xiàn)

3.1 柵壓自舉開關(guān)設(shè)計(jì)

在A／D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，諧波失真是極為關(guān)鍵的，它主要來(lái)自于開關(guān)的導(dǎo)通電阻、電荷注入和寄生電容隨源漏電壓的變化。為了保證電路的精度和輸入信號(hào)的帶寬，本文中采樣開關(guān)(BSW)采用柵壓自舉開關(guān)。如圖2所示，采樣開關(guān)M11在單個(gè)時(shí)鐘Ck的控制下實(shí)現(xiàn)開關(guān)的功能。

3.2運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)

為了達(dá)到12位以上的線性度，運(yùn)算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)至少大于8 000，因而選擇運(yùn)算放大器的開環(huán)增益為80dB；為了滿足25 MHz的采樣頻率，運(yùn)算放大器的建立時(shí)間需小于20ns，對(duì)應(yīng)單位增益帶寬應(yīng)大于125MHz?；谏鲜鲆螅瑫r(shí)為了達(dá)到最大的輸出擺幅和最小的靜態(tài)功耗，本文采用全差分套筒式共源共柵兩級(jí)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。雖然與增益自舉結(jié)構(gòu)相比，兩級(jí)結(jié)構(gòu)速度不占優(yōu)勢(shì)，但是兩級(jí)結(jié)構(gòu)具有大得多的輸出電壓擺幅，更大的電壓擺幅意味著可以使用較小的采樣電容，而整個(gè)電路的功耗和面積與采樣電容成正比，使用較小的電容使得整個(gè)電路的功耗和面積大為縮小。