低功耗10位100 MHz流水線(xiàn)A／D轉換器設計
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
1．2 運放共享技術(shù)
根據流水線(xiàn)ADC工作的原理，從時(shí)序上來(lái)看，單個(gè)的MDAC中的運放只有在保持相處于放大狀態(tài)。而且前一級的保持與后一級的采樣同時(shí)進(jìn)行，整個(gè)ADC在全同步時(shí)鐘控制下運行。在采樣相時(shí)，運放處于失調消除狀態(tài)，對電路不能產(chǎn)生任何作用，但同時(shí)運放仍要消耗大量的靜態(tài)功耗。所以采用運放共用技術(shù)很明顯能夠減少一半的運放，減小大量的功耗。
圖3為運算放大器共用技術(shù)的原理圖。相對于普通結構MDAC的流水線(xiàn)ADC，該改進(jìn)結構的ADC兩級共用一個(gè)運放。在時(shí)鐘相clkl時(shí)，n級采樣余量信號為Vres(n-1)，n+1級利用運放處于保持狀態(tài)。但當下一個(gè)相位時(shí)，n級利用同一個(gè)運放進(jìn)入保持狀態(tài)，而n+1級則采樣為Vres(n)，也就是n級的余量輸出。圖3中只給出了單端結構，實(shí)際的電路一般都為全差分結構。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/180264.htm
但是，運放共用技術(shù)存在2個(gè)缺點(diǎn)：一是該技術(shù)需引入新的開(kāi)關(guān)，進(jìn)而引入了串聯(lián)電阻，該串聯(lián)電阻與運算放大器的輸入電容結合，影響了增益級的建立時(shí)間。在高采樣頻率情況下，通常通過(guò)增大開(kāi)關(guān)的寬長(cháng)比來(lái)減小串聯(lián)電阻，但是增加了開(kāi)關(guān)引入的非線(xiàn)形和失調即溝道電荷注入、時(shí)鐘饋通。二是運算放大器的輸入失調沒(méi)有時(shí)間置零。因此由于放大器的有限增益，每次輸入采樣值均受前次采樣的影響，同時(shí)放大器總是工作在保持狀態(tài)下，其引入的失調電壓和1／f噪聲亦不能消除。從而影響電路的性能。
在本設計中，為了避免由于運放沒(méi)有失調消除的過(guò)程而產(chǎn)生誤差累積的問(wèn)題，通過(guò)增加一個(gè)失調消除開(kāi)關(guān)和增加一個(gè)失調消除脈沖，可以較好地解決這個(gè)問(wèn)題。
如圖3中所示，clkA時(shí)鐘為運放輸入失調消除時(shí)鐘相，clkl與clk2為整個(gè)ADC電路所用的兩相不交疊時(shí)鐘。由于在運放共享結構中，運放在clkl與clk2兩相均處于保持狀態(tài)的負反饋中。為了不改變電路結構和時(shí)鐘相，在clkl與clk2均為低的時(shí)候，引入一個(gè)新的時(shí)鐘脈沖clkA，來(lái)開(kāi)啟運放輸入端連接到地的一個(gè)開(kāi)關(guān)進(jìn)行失調消除。通過(guò)這樣在兩相不交疊時(shí)鐘間隙增加一個(gè)失調消除脈沖，較好的解決了運放共享結構中輸入失調累積所造成的影響。
2 電路設計實(shí)現
2．1運 算放大器的設計
為了達到10位以上的線(xiàn)性度，放大器的開(kāi)環(huán)放大倍數至少大于60 dB；為了滿(mǎn)足100 MHz的采樣頻率，放大器的穩定時(shí)間需小于5 ns。鑒于上述要求，本文設計的運放為折疊式全差分共源共柵結構，并采用增益增強技術(shù)(gain-boost)來(lái)提高增益。盡管折疊式共源共柵運放與套筒式共源共柵運放相比較具有功耗大、折疊點(diǎn)處寄生電容較大等缺點(diǎn)，但它卻具有高擺幅的優(yōu)點(diǎn)，尤其是它的輸出范圍不會(huì )受到共模輸入電壓的影響。這對模／數轉換器的動(dòng)態(tài)范圍的提高是非常有幫助的。
本文通過(guò)調整電路參數，以得到優(yōu)化的電流，使其恰好同時(shí)滿(mǎn)足轉換速率和建立時(shí)間對放大器電流的要求。傳統的設計方法只是經(jīng)驗性的使轉換速率約為1／2個(gè)采樣周期的1／3～1／4，因此，它比傳統設計方法具有更小的功耗。
運放電路如圖4所示，運放的增益為：
圖4中Ap，An分別為增益增強的輔助運放，輔助運放同樣采用折疊式共源共柵結構?？梢?jiàn)增益增強技術(shù)引入了輔助放大器無(wú)疑極大的提高了主放大器的增益，但是它也在放大器的傳輸函數中引入了一對零極點(diǎn)對(pole-zero doublet)。盡管它對放大器的頻率響應沒(méi)有影響，但卻影響了放大器時(shí)域響應。一般要求輔助放大器的單位增益帶寬至少與主放大器的帶寬相等或稍大，此外要求它的次主極點(diǎn)盡可能大，也就是它的相位裕度要求75°以上。
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