9位100 MSPS流水線(xiàn)結構A／D轉換器的設計

片上系統(SoC)需要在單個(gè)硅片上實(shí)現模／數混合集成。與數字系統工藝兼容、功耗、面積等指標優(yōu)化的高性能模／數轉換器(Analog to Digital Converters，ADC)是片上系統中非常重要的單元，它實(shí)現了模擬電路與數字電路之間的聯(lián)系。流水線(xiàn)結構模／數轉換器(Pipelined ADC)是一種研究和應用非常廣泛的模／數轉換器，其結構本身并非屬于基本模／數轉換器結構，但在精度、速度及功耗方面相對于其他類(lèi)型都有很大的改進(jìn)，是高速高精度領(lǐng)域的主要應用類(lèi)型之一。本文介紹了流水線(xiàn)A／D轉換器的基本原理，并構造了一個(gè)三級流水線(xiàn)結構的9位100 MSPS A／D轉換器(ADC)，采用Zarlink 0．6μm互補雙極工藝模型對電路進(jìn)行了模擬驗證。

1 三級流水線(xiàn)A／D轉換器電路設計
使用分級技術(shù)是解決高速高分辨率的一種方法?？梢允褂脙杉壔蚨嗉壐咚?、低分辨率子ADC組合起來(lái)，形成一個(gè)高速高分辨率的流水線(xiàn)ADC。
1．1 三級流水線(xiàn)A／D轉換器工作原理
在基本A／D轉換結構中，有些具備高速性能，有些具備高精度性能，沒(méi)有能夠同時(shí)達到高速高精度的要求。流水線(xiàn)ADC的出現在一定程度上解決了這個(gè)難題。流水線(xiàn)結構可以在采樣速度和轉換精度之間取得較好的平衡。圖1是三級流水線(xiàn)ADC的結構。

由圖1可知，流水線(xiàn)結構模／數轉換器主要是由采樣保持器、子ADC、子DAC及減法電路組成。輸入模擬信號首先送入第一個(gè)采保電路(TH 1)，TH1的輸出信號輸出給第一個(gè)的子ADC(ADC1)和第二個(gè)采保電路(TH2)，ADC1將輸入信號轉換得到高3位數字信號，該高3位數據通過(guò)DAC(DA C1)還原成模擬量，再將該模擬量和TH2的輸出一同輸入到減法電路，并將差值由放大器放大一定倍數，便得到第一級模擬余量信號。此模擬余量將作為第二級轉換電路的輸入信號。重復上述步驟，得到次3位轉換數據，依此類(lèi)推。
設輸入信號為Vin，Vin通過(guò)3位ADC產(chǎn)生的數字量為Dm，3位DAC輸一模擬量為Vout，則Vin，Dm和Vout的關(guān)系由式(1)、(2)決定。

由式(2)可知，3位DAC還原得到的Vout小于等于輸入信號Vin，其差值就是包含低位數據位信息的模擬余量。為了使下一單元的ADC得到滿(mǎn)幅輸入，以降低對子ADC性能的要求，還需將此模擬余量乘以ADC量化單位的倒數，即將此模擬余量放大23倍后再送給下一級子轉換器。
1．2 采樣保持電路的設計與分析
圖2為全差分采樣保持電路(T／H電路)的半邊電路；圖3為該T／H電路控制時(shí)鐘信號。

當PCLK和NCLK信號為低電平時(shí)，T／H電路工作在采樣模式，Q5，Q7導通，Q6，Q8截止，A節點(diǎn)電壓升高，B節點(diǎn)電壓降低，這時(shí)Q1～Q4均導通且工作在正向放大區，它們形成一個(gè)AB類(lèi)緩沖器驅動(dòng)保持電容CH。該輸入電路結構具有輸入偏置電流小、輸入阻抗高、交調失真小的特點(diǎn)。當PCLK和NCLK信號為高電平時(shí)，T／H電路工作在保持模式，Q5，Q7截止，Q6，Q8導通，鉗位電路(CLAMP)開(kāi)始作用，使A節點(diǎn)電壓鉗位在VCH-VthN，使B結點(diǎn)的電壓鉗位在VCH+VthP(VthN和Vthp分別表示NPN管和PNP管的BE結導通屯壓)，也使A，B兩節點(diǎn)呈現為低阻抗節點(diǎn)。此時(shí)Q1～Q4均截止，故而形成輸入信號與保持電容之間的二重隔離，消除保持模式的信號饋通。
RC和CH構成一個(gè)低通濾波器，其截止頻率會(huì )隨負載而變化。為克服這一缺點(diǎn)，在輸出端設計一個(gè)輸出緩沖器。采樣／保持電路的噪聲特性主要來(lái)自于Q1～Q4的基極寄生電阻熱噪聲以及它們的散粒噪聲和帶寬限制電阻RC熱噪聲。電路設計時(shí)，選用大尺寸的器件來(lái)減小基極電阻Rb，使得基極寄生電阻熱噪聲最小化。將Q3，Q4偏置在較大的靜態(tài)電流來(lái)最小化它們的散粒噪聲，同時(shí)采樣模式動(dòng)態(tài)特性也要求Q3，Q4有大的靜態(tài)電流，以減小VBE調制的影響。當該T／H電路被偏置在大電流時(shí)，它將有大的帶寬，因此必須串聯(lián)電阻RC來(lái)限制帶寬以濾除高頻噪聲。大的偏置電流也要在功耗和性能之間進(jìn)行折衷考慮。