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适用于高速流水线ADC中基于双采样技术的高性能采样保持电路设计

发布时间:2019-05-01 19:03 来源:未知 编辑:admin

  随着现代电子技术迅猛发展,电子产业逐步形成了以数字为主的格局。数字信号处理 技术日渐成熟的同时, 对模拟信号和数字信号的转换接口(Analog-to-Digital Conver)的速度和精度方面的要求也越来越高。ADC 的性能在整个信号处理系统中起到至关重要的作用,成为限制整个系统性能的瓶颈。在整个 ADC 系统中,前级采样保持电路(sample-and-hold circuit 简称S/H)的性能直接影响到 后续电路对采样保持信号处理的正确性,从而影响整个系统的性能,因此对其速度和精度要 求十分严格。S/H 电路的精度很大程度上取决于运放的增益,S/H 电路的带宽则取决于运放 的带宽,所以设计一个相对高增益、高带宽的运放是整个ADC 设计的关键,本文采用的是增 益自举运放结构,可以在增益和带宽方面得到较好的效果。此外,随着采样的速度和精度的 不断提高,简单的CMOS 开关已经不能满足设计的需要,本文采用了栅压自举开关[2],可以 得到较好的采样精度和线性度。针对运放的增益误差和开关电路误差所引起S/H 电路速度受 限的问题,在整个S/H 电路结构方面采用了双采样技术[3],使同一周期内的采样保持工作由 原来的一次变为两次,整个S/H 电路的速度得到极大的提高。

  运放是S/H 电路中的核心模块。CMOS 的运放主要包括四种常见结构:简单两级运算放大器、套筒式的共源共栅放大器、折叠式共源共栅放大器、增益自举运算放大器[4,5]。比较 四种结构的性能发现,套筒式共源共栅在速度、功耗和噪声方面具有优势,但是它的增益和 输出摆幅有限,不适用于采样增益电路中。折叠式共源共栅的速度较高,但其他四个性能参 数一般,也不采用。两级运放最大的缺点是速度提升较为困难。增益自举运放在增益、带宽、 速度等方面表现较好。根据S/H 电路的设计要求,对运放的各参数的性能指标为:

  综合考虑这四种结构的优缺点以及S/H 电路对运放的要求,本文采用了增益自举运放来作为S/H 电路中的核心模块。

  增益自举运放在增益和带宽方面都具有明显的优势,基本的增益自举运放为一个主运 放内连接四个辅运放构成,这种结构在功耗和面积方面没有优势。本文设计的增益自举运放 只采用三个运放构成,主运放采用全差分折叠共源共栅结构,考虑到匹配问题,两个辅运放 也采用全差分折叠共源共栅结构设计。辅运放单位增益频率的选择根据经验[7]单位增益带 宽应大于主运放的-3dB 带宽,这样主运放就能保持原有的的高频特性。具体电路布局如下 图:

  在流水线结构中,采样模式的开关等效为一个阻抗为 Ron 的电阻,忽略体衬偏效应的影响,Ron 的值为:

  影响开关主要性能的因素包括:开关导通阻抗的非线性、开关电荷注入效应以及时钟馈通效应等。开关导通阻抗的非线性主要影响着无杂散动态范围(spurious free dynamic range,SFDR);电荷注入效应给电路引入了非线性;时钟馈通效应带来了一个与输入电压 无关的固定失调。针对这些问题,设计选用了带时钟馈通补偿结构的栅压自举开关。

  当时钟 CLK 为高电平时,开关处于采样状态,当CLK 为低电平时,开关处于保持状 态。MS 为栅压自举开关中的开关管,DS 为引入的虚拟开关,其作用是在时钟由高变低的 时刻在输出端产生一个补偿电压,用于补偿时钟馈通效应带来的影响。在开关电路中,电容两端电压虽然在保持阶段能够被充到电源电压值,但在采样阶段由于寄生电容的影响,使得 电容两端电压值产生变化,这将给开关电路带来非线性。因此在设计时,对电容值的选取要 求较高。

  采样保持电路是流水线 ADC 中至关重要的部分。特别是前端采样保持电路,它将直接 影响到后续电路对采样保持信号处理的正确性,从而影响整个系统的性能。基本采样保持电 路由开关和电容组成,电容翻转结构的采样保持电路,在采样时刻,电容C 采集输入信号 量,在保持时刻电容C 输出电压为采样时刻电压,从而实现采样保持。电容翻转结构在功 耗与噪声较低,适用于该流水线结构ADC 的设计。

  通过研究电路的时序发现,基本的采样保持结构在采样周期,保持电路处于空闲,在 保持周期,采样电路处于空闲,一个时钟周期内电路只能对输入信号进行一次处理。双采样 结构的采样保持电路对电容翻转结构进行扩展,利用两个采样电容交替工作。在时钟信号为高电平时刻,电容 C1 进行采样,输出端保持电容C2 的采样信号;时钟信号为低电平时刻, 电容C2 进行采样,输出端保持电容C1 的采样信号。在一个时钟周期内两个电容如此交替工 作,完成两次采样保持过程。

  整体采样保持电路采用SMIC0.18um 工艺,利用spectre 进行仿真。输出的仿真结果为, 电路工作电压1.8V,输入信号频率为800KHZ,采样频率为50MHZ。满足流水线ADC 系统中 对采样保持电路的设计要求,下图为双采样技术的采样保持电路仿线、结束语

  本文设计了一种采用双采样技术、全差分增益自举运放和栅压自举开关的采样保持电 路。采用增益自举运放达到较好的增益和带宽性能指标;采用栅压自举开关克服了开关导通 阻抗的非线性、开关电荷注入效应以及时钟馈通效应等不良影响;双采样电路的使用使得采 样速率达到同等结构单采样速率的两倍。通过对这几种结构进行分析设计,最终得到的采样 保持电路能够满足10bits50MS/s 的流水线ADC 的应用。整个电路设计基于SMIC0.18um 工 艺,仿真结果表明,该采样保持电路达到设计要求,能够满足中高精度高速流水线ADC 的 应用。

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  = 0 V 24 mA输出接收器和电源能力 所有三种逻辑状态(10μA)的近零静态电源电流大幅降低系统电源要求

  闩锁性能超过250 mA ESD性能:人体模型

  2000 V;机器型号

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  2000 V;机器型号

  74LVC07 低压CMOS六路缓冲器,具有漏极开路输出和5V容差输入

  信息 74LVC07A是一款高性能十六进制缓冲器,采用1.2 V至5.5 V电源供电。高阻抗TTL兼容输入可显着降低输入驱动器的电流负载。这些LVC器件具有开漏输出,可提供设置输出电平,或执行高电平有效和低电平有效功能。 AV规格为5.5 V,允许从5.0 V器件安全驱动74LVC07A输入。 设计用于1.2 V至5.5 VV 操作 5.0 V容差输入/输出 兼容LVTTL LVCMOS兼容 24 mA输出接收能力 接近零静态电源电流(10μA)显着降低系统电源要求 闩锁性能超过250 mA 有线或,有线和 输出电平可在外部设置,不会影响设备速度

  ESD性能:人体模型

  2000 V;机器型号

  74LVC06 低压CMOS六路反向器,具有漏极开路输出和5V容差I / O.

  信息 74LVC06A是一款高性能六角形逆变器,采用1.2 V至5.5 V电源供电。高阻抗TTL兼容输入可显着降低输入驱动器的电流负载。这些LVC器件具有开漏输出,可提供设置输出电平,或执行高电平有效和低电平有效功能。 AV规格为5.5 V,允许从5.0 V器件安全驱动74LVC06A输入。 设计用于1.2 V至5.5 VV 操作 5.0 V容差输入/输出 32 mA输出吸收能力 近零静态电源电流(10μA)大幅降低系统电源要求 闩锁性能超过250 mA

  有线连接,有线连接 可在不影响设备速度的情况下在外部设置输出电平 与LCX05功能兼容 ESD表现:人体模型

  2000 V;机器型号

  信息 74LVC00A是一款高性能,四路2输入与非门,工作电压为1.2V至3.6V。高阻抗TTL兼容输入可显着降低输入驱动器的电流负载,而TTL兼容输出可提供更高的开关噪声性能。 AV规格5.5V允许74LVC00A输入从5V器件安全驱动。输出电流驱动能力为24mA。 设计用于1.2 V至3.6 VV 操作 5 V容差输入 - 具有5 V TTL逻辑的接口功能 24 mA输出接收器和电源能力 接近零静态电源电流(10μA) )大幅度降低系统电源要求 闩锁性能超过250 mA ESD性能:人体模型

  2000 V;机器型号

  信息 74LVC04A是一款高性能六角形逆变器,采用1.2至3.6 V电源供电。高阻抗TTL兼容输入可显着降低输入驱动器的电流负载,而TTL兼容输出可提供更高的开关噪声性能。如果VCC小于5.0 V,则5.5 V的VI规格允许从5 V器件安全驱动74LVC04A输入。输出端的电流驱动能力为24mA。 设计用于1.2 V至3.6 VV 操作 5.0 V容差输入 - 具有5.0 V TTL逻辑的接口功能 24 mA输出接收器和源功能 接近零静态电源电流(10μA)大幅降低系统电源要求 闩锁性能超过250 mA ESD性能:人体模型

  2000 V;机器型号

  信息 74LVC02A是一款高性能,四路2输入NOR门,工作电压为1.2V至3.6V。高阻抗TTL兼容输入可显着降低输入驱动器的电流负载,而TTL兼容输出可提供更高的开关噪声性能。 AV规格5.5V允许74LVC02A输入从5V器件安全驱动。输出电流驱动能力为24mA。 设计为1.2 V至3.6 VV 操作 5 V容差输入 - 具有5 V TTL逻辑的接口功能 24 mA输出接收器和电源能力 接近零静态电源电流(10μA) )大幅度降低系统电源要求 闩锁性能超过250 mA ESD性能:人体模型

  2000 V;机器型号

  信息优势和特点 吞吐速率:2 MSPS(最大值) 积分非线 ppm(最大值) 保证20位无失码 低功耗 9.5 mW(2 MSPS,仅VDD) 80 μW (10 kSPS),16 mW(2 MSPS)(总计) 信噪比(SNR):100.5 dB(典型值,1 kHz),99 dB(典型值,100 kHz) 总谐波失线 kHz) 易用特性可降低系统功耗和复杂性 输入过压箝位电路 减少了非线性输入电荷反冲 高阻态模式 长采集阶段 输入范围压缩 快速转换时间支持很低的SPI时钟速率 SPI可编程模式、读/写能力、状态字 差分模拟输入范围:±VREF 0 V至VREF(VREF在2.4 V至5.1 V之间) 单电源工作:1.8 V,逻辑接口电压:1.71 V至5.5 V SAR架构:无延迟/流水线°C 串行接口SPI/QSPI/MICROWIRE/DSP兼容 以菊花链形式连接多个ADC,并能提供繁忙指示 10引脚封装:3 mm × 3 mm LFCSP、3 mm × 4.90 mm MSOP封装产品详情AD4020是一款低噪声、低功耗、高速、20位、1.8 MSPS精密逐次逼近型寄存器(SAR)模数转换器(ADC)。它集成了易用特性,可...

  信息优势和特点 吞吐速率:1 MSPS 积分非线.9 mW(仅限 VDD) 10 kSPS 时为 80 µW,1 MSPS 时为 8 mW(合计) 信噪比:1 kHz 时为 100.5 dB(典型值),VREF = 5 V;100 kHz 时为 99 dB(典型值)  总谐波失线 dB(典型值),VREF = 5 V;100 kHz 时为 −100 dB(典型值)  易用特性降低了系统功率和复杂性 输入过压箝位电路 减少了非线性输入电荷反冲 高阻模式 长时间采集相位 输入范围压缩 快速转换时间允许较低的 SPI 时钟频率 SPI 可编程模式、读写能力、状态字 差分模拟输入范围:±VREF 0 V 至 VREF,VREF 的范围为 2.4 V 至 5.1 V 1.8 V 单电源供电,具有 1.71 V 至 5.5 V 逻辑接口  SAR 架构:无延时/流水线延迟,首次转换有效  首次准确转换 保证工作温度:−40°C 至 +125°C 兼容 SPI/QSPI/MICROWIRE/DSP 的串行接口 可以通过菊花链连接多个 ADC 且具有繁忙指示器 10 引脚封装:3 mm × 3 mm LFCSP、3 mm × 4.90 mm LFCSP 产品详情AD4007 是一款...

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  信息优势和特点 吞吐速率:2 MSPS(最大值) INL:±1.0 LSB(最大值) 保证16位无失码 低功耗 9.75 mW(2 MSPS,仅VDD) 70 μW (10 kSPS),14 mW(2 MSPS)(总计) SNR:93 dB(典型值,1 kHz),90 dB(典型值,100 kHz) THD:-115 dB(典型值,1 kHz),-95 dB(典型值,100 kHz) 易用特性可降低系统功耗和复杂性 输入过压箝位电路 减少了非线性输入电荷反冲 高阻态模式 长采集阶段 输入范围压缩 快速转换时间支持很低的SPI时钟速率 SPI可编程模式、读/写能力、状态字 伪差分(单端)模拟输入范围:0 V至VREF(VREF在2.4 V至5.1 V之间) 单电源工作:1.8 V,逻辑接口电压:1.71 V至5.5 V SAR架构:无延迟/流水线°C 串行接口SPI/QSPI/MICROWIRE/DSP兼容 以菊花链形式连接多个ADC,并能提供繁忙指示 10引脚封装:3 mm × 3 mm LFCSP和3 mm × 4.90 mm MSOP封装产品详情AD4000是一款低噪声、低功耗、高速、16位、2 MSPS精密逐次逼近型寄存器(SAR)模数转换器(ADC)。它集成了易用特性,可降低信号链的功耗和复杂性,支持较...

  信息优势和特点 吞吐速率:2 MSPS(最大值) INL:±1.0 LSB(±3.8 ppm,最大值) 保证18位无失码 低功耗 9.5 mW(2 MSPS,仅VDD) 80 μW (10 kSPS),16 mW(2 MSPS)(总计) SNR:100.5 dB(典型值,1 kHz),99 dB(典型值,100 kHz) THD:-123 dB(典型值,1 kHz),-100 dB(典型值,100 kHz) 易用特性可降低系统功耗和复杂性 输入过压箝位电路 减少了非线性输入电荷反冲 高阻态模式 长采集阶段 输入范围压缩 快速转换时间支持很低的SPI时钟速率 SPI可编程模式、读/写能力、状态字 差分模拟输入范围:±VREF 0 V至VREF(VREF在2.4 V至5.1 V之间) 单电源工作:1.8 V,逻辑接口电压:1.71 V至5.5 V SAR架构:无延迟/流水线°C 串行接口SPI/QSPI/MICROWIRE/DSP兼容 以菊花链形式连接多个ADC,并能提供繁忙指示 10引脚封装:3 mm × 3 mm LFCSP和3 mm × 4.90 mm MSOP封装产品详情AD4003是一款低噪声、低功耗、高速、18位、2 MSPS精密逐次逼近型寄存器(SAR)模数转换器(ADC)。它集成了易用特性,可降低信号链的功耗...

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  信息优势和特点 FIR 数字滤波器/抽取器 串行或并行配置选择 输出字速率:250 SPS至16 kSPS 低功耗:6.2 mW(典型值) 待机模式:70 µW 提供参考设计和带软件的评估板产品详情AD1555是一款完整的Σ-Δ调制器,并集成有可编程增益放大器,主要用于低频、高动态范围的测量应用。该器件输出与模拟输入成比例的1密度位流。当配合数字滤波器/抽取器AD1556使用时,可实现带宽为1+ kHz的业界最高性能ADC。它采用连续时间模拟调制器输入架构,无需外部抗混叠滤波器。可编程增益前端可简化系统设计,扩展动态范围,并缩小系统板面积。低工作功率和待机模式使AD1555成为电池供电远程数据采集系统的理想之选。...

  AD1555 24位、121 dB典型SNR、Σ-Δ型ADC,集成PGA

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  CAT25128 128-kb SPI串行CMOS EEPROM存储器

  信息 CAT25128是一个128 kb串行CMOS EEPROM器件,内部组织为16kx8位。它具有64字节页写缓冲区,并支持串行外设接口(SPI)协议。该器件通过片选()输入启用。此外,所需的总线信号是时钟输入(SCK),数据输入(SI)和数据输出(SO)线。 输入可用于暂停与CAT25128设备的任何串行通信。该器件具有软件和硬件写保护功能,包括部分和全部阵列保护。片上ECC(纠错码)使该器件适用于高可靠性应用。适用于新产品(Rev. E) ) 20 MHz SPI兼容 1.8 V至5.5 V操作 硬件和软件保护 低功耗CMOS技术 SPI模式(0,0和1,1) 工业和扩展温度范围 自定时写周期 64字节页写缓冲区 块写保护 - 保护1 / 4,1 / 2或全部EEPROM阵列 1,000,000编程/擦除周期 100年数据保留

  8引脚PDIP,SOIC,TSSOP和8焊盘TDFN,UDFN封装 此器件无铅,无卤素/ BFR,符合RoHS标准 具有永久写保护的附加标识页...

  CAT25256 256-kb SPI串行CMOS EEPROM存储器

  信息 CAT25256是一个256 kb串行CMOS EEPROM器件,内部组织为32kx8位。它具有64字节页写缓冲区,并支持串行外设接口(SPI)协议。该器件通过片选()输入启用。此外,所需的总线信号是时钟输入(SCK),数据输入(SI)和数据输出(SO)线。输入可用于暂停与CAT25256设备的任何串行通信。该器件具有软件和硬件写保护功能,包括部分和全部阵列保护。片上ECC(纠错码)使该器件适用于高可靠性应用。适用于新产品(Rev. E) ) 20 MHz(5 V)SPI兼容 1.8 V至5.5 V电源电压范围 SPI模式(0,0)和(1,1) ) 64字节页面写缓冲区 具有永久写保护的附加标识页(新产品) 自定时写周期 硬件和软件保护 100年数据保留 1,000,000编程/擦除周期 低功耗CMOS技术 块写保护

  - 保护1 / 4,1 / 2或整个EEPROM阵列 工业和扩展温度范围 8引脚PDIP,SOIC,TSSOP和8焊盘UDFN和TDFN封装 此器件无铅,无卤素/ BFR,符合RoHS标准...

  信息 CAT25040是一个4-kb SPI串行CMOS EEPROM器件,内部组织为512x8位。安森美半导体先进的CMOS技术大大降低了器件的功耗要求。它具有16字节页写缓冲区,并支持串行外设接口(SPI)协议。该器件通过片选()启用。此外,所需的总线信号是时钟输入(SCK),数据输入(SI)和数据输出(SO)线。 输入可用于暂停与CAT25040设备的任何串行通信。该器件具有软件和硬件写保护功能,包括部分和全部阵列保护。 20 MHz(5 V)SPI兼容 1.8 V至5.5 V电源电压范围 SPI模式(0,0和1,1) 16字节页面写入缓冲区 自定时写入周期 硬件和软件保护 块写保护 - 保护1 / 4,1 / 2或整个EEPROM阵列 低功耗CMOS技术 1,000,000编程/擦除周期 100年数据保留 工业和扩展温度范围 PDIP,SOIC,TSSOP 8引脚和TDFN,UDFN 8焊盘封装 这些器件无铅,无卤素/ BFR,符合RoHS标准...

  信息 CAT25080 / 25160是8-kb / 16-kb串行CMOS EEPROM器件,内部组织为1024x8 / 2048x8位。它们具有32字节页写缓冲区,并支持串行外设接口(SPI)协议。该器件通过片选()输入启用。此外,所需的总线信号是时钟输入(SCK),数据输入(SI)和数据输出(SO)线。 输入可用于暂停与CAT25080 / 25160设备的任何串行通信。这些器件具有软件和硬件写保护功能,包括部分和全部阵列保护。 10 MHz SPI兼容 1.8 V至5.5 V电源电压范围 SPI模式(0,0和1,1) 32字节页写缓冲区 自定时写周期 硬件和软件保护 块写保护 - 保护1 / 4,1 / 2或全部EEPROM阵列 低功耗CMOS技术 1,000,000个编程/擦除周期 100年数据保留 工业和扩展温度范围 符合RoHS标准的8引脚PDIP,SOIC,TSSOP和8焊盘TDFN,UDFN封装...

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