一種新型高線性度采樣開關(guān)的設(shè)計

摘要 設(shè)計了一種應(yīng)用于流水線ADC中的新型高線性度采樣開關(guān)，該開關(guān)采用比較器、反相器鏈、CMOS對管開關(guān)，自舉電容等實現(xiàn)，具有較高的線性度。其基本原理為：使MOS管柵極電壓實時跟隨輸入電壓，保證其差值恒定，從而實現(xiàn)整體采樣保持電路較高的無雜散動態(tài)范圍。通過Flip-around型采樣保持電路進(jìn)行驗證，其無雜散動態(tài)范圍可達(dá)91dB，滿足設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞 采樣開關(guān)；柵源跟隨；高線性度

在ADC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計和應(yīng)用中尤其在音頻、視頻系統(tǒng)中，諧波失真是要考慮的因素，對于傳統(tǒng)ADC的采樣開關(guān)而言，CMOS對管，用MOS管作為開關(guān)使用時是不分漏源級的，當(dāng)實際采樣到的信號不斷變化時，其源級也無法確定，這就導(dǎo)致無法通過將源級和襯底相連的方式消除襯底偏置效應(yīng)，從而導(dǎo)致開關(guān)的非線性較大，這對ADC的非線性影響也較大。
針對此問題，基于MOS管柵源級電壓跟隨技術(shù)，設(shè)計了一種新型高精度采樣開關(guān)，能有效減小MOS管的襯底偏置效應(yīng)，可廣泛應(yīng)用于流水線ADC，逐次逼近ADC等模數(shù)轉(zhuǎn)換器和各種采樣系統(tǒng)中，具備良好的線性度。

1 采樣開關(guān)的設(shè)計
1．1 工作原理
本項目設(shè)計14位100 MHz采樣速率的高精度采樣保持電路，考慮到實際電路中的寄生非理想特性，ADc中采樣保持電路的諧波失真主要由采樣開關(guān)的導(dǎo)通等效電阻，溝道電荷注入效應(yīng)以及輸入寄生電容等因素影響。為確保一定的線性度和輸入信號帶寬，文中對傳統(tǒng)CMOS對管開關(guān)電路進(jìn)行了優(yōu)化和重新設(shè)計，確保滿足系統(tǒng)高線性度的要求。

如圖1所示，設(shè)計的新型開關(guān)主要由基本CMOS對管開關(guān)，比較器和反相器鏈組成。由于要實時判斷哪個端口為源級和漏級，因此加入了2個襯底選擇開關(guān)S1和S2，由互補開關(guān)組成。采用比較器觸發(fā)S1和S2使襯底能夠連接到實時變化的源端。在采樣開關(guān)M1管導(dǎo)通的狀態(tài)，襯底確保能夠只連接到一個端口。采用直接連接源端和襯底的結(jié)構(gòu)，使M1管的偏襯效應(yīng)得以消除，使其具有較小的非線性和較大的輸入擺幅。下面討論兩種情況，分別分析M1管分別導(dǎo)通和關(guān)斷時的工作原理。
在關(guān)斷時(S6，S5和S3打開)，自舉電容會被充電到Vdd。在導(dǎo)通時(S7和S4打開)，當(dāng)VinVout，即比較器輸出為低電平時S1打開，直接連接輸入端和襯底。采樣開關(guān)M1的柵極電壓此時等于Vin-Vdd，源柵電壓Vsg和源襯電壓Vsb分別接到電源電壓Vdd和0。根據(jù)MOS管基本公式可得

當(dāng)Vin>Vout時，情況和前面正相反。開關(guān)S2由比較器作用以連接輸出端和襯底，對應(yīng)此時真正的源端是輸入端。采樣開關(guān)M1的柵極電壓變成Vout-Vdd，同時源端電壓是Vout。此時Vsg仍然準(zhǔn)確地為Vdd不變，閾值電壓同樣不變。與式(1)類似，同理可得