高精度SC PIPELINED ADC預(yù)放大鎖存比較器的分析與設(shè)計(jì)
摘 要: 提出了一種應(yīng)用于開關(guān)電容流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的CMOS預(yù)放大鎖存比較器。比較器采用了交叉耦合負(fù)載、PMOS/NMOS比例優(yōu)化和電容中和技術(shù)。該結(jié)構(gòu)大幅提高了比較器的速度并有效抑制了回饋噪聲,減小了失調(diào)電壓,可以作為Flash ADC應(yīng)用于高精度開關(guān)電容流水線ADC。
關(guān)鍵詞: 預(yù)放大鎖存比較器;開關(guān)電容流水線ADC
流水線型A/D轉(zhuǎn)換器因其在功耗、精度上的優(yōu)勢而廣泛應(yīng)用于視頻處理、數(shù)字通信、數(shù)據(jù)采集、超聲和醫(yī)學(xué)成像等應(yīng)用領(lǐng)域。比較器作為A/D轉(zhuǎn)換器中的關(guān)鍵模塊,已經(jīng)成為決定A/D轉(zhuǎn)換器各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)的重要因素之一。預(yù)放大鎖存比較器因?yàn)槠渚?、速度上的折中,以及較低的失調(diào)電壓與回饋噪聲,成為高精度子ADC中必不可少的一部分。
目前多數(shù)40 MHz~50 MHz CMOS預(yù)放大鎖存比較器都是采用0.18 μm或0.35 μm的工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用0.18 μm工藝設(shè)計(jì)的預(yù)放大鎖存比較器,其時(shí)延比較短,輸入失調(diào)電壓約在10 mV~30 mV之間,靈敏度在0.2 mV~0.3 mV,分辨率為6 bit~8 bit[1]。采用0.35 μm/3.3 V或2.5 V硅CMOS工藝設(shè)計(jì)的比較器,時(shí)延一般在230 ps~390 ps之間,失調(diào)電壓6.8 mV,回饋噪聲的毛刺峰值為6.35 mV[2-3]。為了平衡這些參數(shù)值之間的優(yōu)劣,許多研究在預(yù)放大器輸入、增益和輸出等電路結(jié)構(gòu)以及回饋噪聲的隔離上進(jìn)行了設(shè)計(jì)[2]。如采用交叉耦合負(fù)載、多級預(yù)放大的方式來提升預(yù)放大器的增益[3],則可減少失調(diào),從而獲得較好的精度。應(yīng)用電容中和、電路隔離等方式來降低回饋噪聲[3]。本文對所設(shè)計(jì)的預(yù)放大鎖存比較器延遲時(shí)間進(jìn)行了詳細(xì)的理論建模和分析,在此基礎(chǔ)上著重對鎖存器的延遲時(shí)間、失調(diào)電壓和回饋噪聲進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。
1 電路時(shí)序及原理
根據(jù)所應(yīng)用的流水線工作原理可知,奇數(shù)級中的比較器必須在偶數(shù)級進(jìn)入保持階段前輸出比較結(jié)果,以便控制偶數(shù)級產(chǎn)生保持所需要的電壓余量,整個(gè)電路在兩相不交疊時(shí)鐘控制下工作。本文設(shè)計(jì)的流水線采樣頻率為50 MHz,時(shí)鐘周期為20 ns,其中φ1、φ2為開關(guān)電容電路的非交疊時(shí)鐘,為了減少電荷注入效應(yīng)(饋通效應(yīng)),同時(shí)需要φ1a、φ2a作為提前關(guān)斷時(shí)鐘。當(dāng)φ1為高電平時(shí),偶數(shù)級MDAC進(jìn)入保持階段,因此比較器必須在φ2a下降沿與φ1上升沿的時(shí)間內(nèi)完成比較并輸出比較結(jié)果。本文中的非重疊時(shí)鐘,其中φ1、φ2的非重疊時(shí)間及φ2a的下降沿提前時(shí)間均為0.3 ns,故比較器最大延遲時(shí)間為0.6 ns。
圖1為所設(shè)計(jì)預(yù)放大鎖存比較器的開關(guān)電容輸入電路,當(dāng)φ1為高電平時(shí),開關(guān)管S2、S3導(dǎo)通,固定判決電平Vrefp、Vrefn輸入開關(guān)電容電路,進(jìn)行電荷存儲(chǔ),其中Vcm為共模電平。當(dāng)φ2為高電平時(shí),開關(guān)管S1、S4導(dǎo)通,Vinp、Vinn輸入開關(guān)電容電路,產(chǎn)生預(yù)放大鎖存比較器所需差值輸入電壓。根據(jù)電荷守恒定律可得,預(yù)放大鎖存比較器的輸入電壓為:
3 仿真結(jié)果及分析
本文采用TSMC 0.35 μm/3.3 V工藝設(shè)計(jì)了預(yù)放大鎖存比較器核心電路。在Cadence環(huán)境下采用spectre對其進(jìn)行仿真,時(shí)鐘頻率為50 MHz,電源電壓為3.3 V,共模電壓為1.65 V。
圖5(a)、(b)是M12~M15兩個(gè)交叉耦合反相器PMOS、NMOS管寬度比值k不同時(shí),預(yù)放大器鎖存比較器鎖存延遲時(shí)間仿真結(jié)果。其中,Vo1為點(diǎn)線,Vo2為虛線,φ2a為實(shí)線。從圖中可以看出,當(dāng)k=1時(shí),鎖存器的延遲時(shí)間tp=370.4 ps;當(dāng)k=3時(shí),鎖存器的延遲時(shí)間tp=452.8 ps,二者相比,前者明顯減小了18%左右。最終整體仿真結(jié)果表明比較器的總延遲時(shí)間約為388tp ps。