0 引言
近年來(lái)，隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。因此對(duì)作為模擬和數(shù)字系統(tǒng)之間橋梁的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的性能也提出了越來(lái)越高的要求。低電壓高速ADC在許多的電子器件的應(yīng)用中是一個(gè)關(guān)鍵部分。由于其他結(jié)構(gòu)諸如兩步快閃結(jié)構(gòu)或內(nèi)插式結(jié)構(gòu)都很難在高輸入頻率下提供低諧波失真，因此流水線結(jié)構(gòu)在高速低功耗的ADC應(yīng)用中也成為一個(gè)比較常用的結(jié)構(gòu)。
作為流水線ADC前端的采樣保持電路是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊電路之一。設(shè)計(jì)一個(gè)性能優(yōu)異的采樣保持電路是避免采樣歪斜(timing skew)最直接的方法。
本文基于TSMC 0.25μm CMOS工藝，設(shè)計(jì)了一個(gè)具有高增益、高帶寬的OTA，并且利用該OTA構(gòu)造一個(gè)適用于10位，100 MS／s的流水線ADC的采樣保持電路。文章討論了適宜采用的跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)以及對(duì)其性能產(chǎn)生影響的因素和采樣保持電路的結(jié)構(gòu)，最后給出了仿真結(jié)果。
1 OTA的設(shè)計(jì)
1.1 OTA結(jié)構(gòu)
在2.5 V的電源電壓下，雖然套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)具有高速、高頻、低功耗的特點(diǎn)，但由于套筒式結(jié)構(gòu)的輸出擺幅低，不太適合低壓下的設(shè)計(jì)。因此折疊式共源共柵的運(yùn)放結(jié)構(gòu)是一個(gè)較好的選擇，如圖1(a)所示。由于該OTA將用于閉環(huán)結(jié)構(gòu)，為了減少輸入端的寄生電容，采用了NMOS管作為輸入管。
本文采用如圖1(b)所示的增益自舉電路結(jié)構(gòu)。放棄使用四個(gè)單端輸入-單端輸出的運(yùn)放是因?yàn)楹笳卟粌H會(huì)增加功耗和面積，而且由于不可避免地采用電流鏡結(jié)構(gòu)會(huì)引入鏡像極點(diǎn)，限制了OTA的頻率特性，使其單位增益帶寬變小。為了提供最大的輸出擺幅，放大器A2必須采用NMOS的輸入差動(dòng)對(duì)。同理，放大器A1必須采用PMOS作為輸入差動(dòng)對(duì)。
由于該OTA將應(yīng)用到10位，100 MS／s流水線ADC的采樣保持電路中，其增益A0應(yīng)滿(mǎn)足式中 ，N為ADC的分辨率，B為每級(jí)的有效位數(shù)。對(duì)于本例，N=10，B=1，則A0>72.25 dB。對(duì)于如此大的直流增益，即使采用了增益自舉電路結(jié)構(gòu)，主運(yùn)放和輔助運(yùn)放的增益還是要達(dá)到40 dB以上。以圖1(b)為例，提高折疊式共源共柵運(yùn)放的直流增益的方法有：①增加M7和M8管的跨導(dǎo)和溝道長(zhǎng)度，但是會(huì)增大寄生電容，降低運(yùn)放的次極點(diǎn)頻率。②增大M1和M2管的跨導(dǎo)和溝道長(zhǎng)度，由于次極點(diǎn)處在折疊點(diǎn)處，因此會(huì)降低運(yùn)放的次極點(diǎn)頻率。③可以增加M5和M6管的溝道長(zhǎng)度，由于信號(hào)不經(jīng)過(guò)這幾個(gè)管子，因此不會(huì)降低工作速度。
為滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，該OTA的單位增益帶寬至少要達(dá)到800 MHz以上。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，單位增益帶寬GBW滿(mǎn)足
式中：K=μ0Cox，μ0是電子遷移率；Cox是單位面積的柵氧化層電容；Id1是尾電流；W1和L1分別是M1管的寬和長(zhǎng)；CL是負(fù)載電容。根據(jù)式(2)，提高單位增益帶寬可以通過(guò)：增加尾電流，但這樣會(huì)增加功耗；增大W1，但會(huì)增大折疊點(diǎn)處的寄生電容，減小相位裕度。
同時(shí)，OTA的有限增益和有限的穩(wěn)定時(shí)間會(huì)使采樣保持的實(shí)際結(jié)果與理想情況之間出現(xiàn)偏差，例如信號(hào)失真，低信噪比(SNR)等。因此需要一個(gè)快速穩(wěn)定的高直流增益OTA。為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需要反復(fù)進(jìn)行模擬和折中，進(jìn)行優(yōu)化。
該OTA采用如圖2所示的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)電容共模反饋。選擇這種共模反饋的原因是：首先，由于此共模反饋電路是離散型共模反饋結(jié)構(gòu)，所以不會(huì)浪費(fèi)功耗。其次，這種共模反饋結(jié)構(gòu)也不會(huì)限制OTA的輸出擺幅。OTA的主運(yùn)放和兩個(gè)輔助運(yùn)放將采用同一個(gè)偏置電路。
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