10bit 60MsPs 15mW流水線ADC的設(shè)計(jì)
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本設(shè)計(jì)采用4級(jí)2．5 bit加一個(gè)2 bit Flash的ADC結(jié)構(gòu)。由于運(yùn)放共享技術(shù)的引入，運(yùn)放的數(shù)量從原來(lái)的4個(gè)減少到了2個(gè)，因而大大減小了功耗，優(yōu)化了設(shè)計(jì)。其運(yùn)放共享技術(shù)原理圖如圖3所示，與傳統(tǒng)流水線ADC相比，它只是添加了開(kāi)關(guān)ISO1租ISO2來(lái)對(duì)運(yùn)放的輸入進(jìn)行切換。但開(kāi)關(guān)ISO1和ISO2的引入又會(huì)引發(fā)其他問(wèn)題，如ISO1和ISO2的開(kāi)關(guān)電阻會(huì)加大信號(hào)通路的阻值，同時(shí)，這些電阻和寄生電容的結(jié)合會(huì)產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)，而這會(huì)引起閉環(huán)電路的過(guò)沖和震蕩。所以，必須對(duì)這些開(kāi)關(guān)進(jìn)行優(yōu)化，以減小過(guò)沖并避免震蕩。增加開(kāi)關(guān)的尺寸可以減小開(kāi)關(guān)的阻值，但是又會(huì)增加寄生電容，減小反饋系數(shù)，降低閉環(huán)的帶寬，導(dǎo)致閉環(huán)速度降低。本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/188469.htm
3 運(yùn)放的具體設(shè)計(jì)
在選取運(yùn)放結(jié)構(gòu)時(shí)，需要對(duì)運(yùn)放增益、帶寬、輸出擺幅、速度、功耗和穩(wěn)定性等方面進(jìn)行綜合考慮和折中。隨著工藝尺寸的不斷縮小和供電電壓的不斷降低，兩級(jí)運(yùn)放比單級(jí)運(yùn)放具有更高的增益和輸出范圍。但是，在速度、功耗、共模反饋，特別是穩(wěn)定性方面，兩級(jí)運(yùn)放也有著明顯的缺陷。本設(shè)計(jì)中的信號(hào)輸入范圍為500mVpp，這樣，折疊式運(yùn)放(folded-cascode op-amp)已經(jīng)足以滿足擺幅的要求。但為了達(dá)到低功耗，高速度，高直流增益以及非常良好的穩(wěn)定性，本設(shè)計(jì)在第一、二級(jí)所用的運(yùn)放采用折疊式增益增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(gain boosting)。其電路結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示。
為了避免出現(xiàn)慢建立(slow settling)和不穩(wěn)定，輔助運(yùn)放的單位增益帶寬ωadd必須滿足：
βωμωaddωp2 (3)
式中，ωμ表示主運(yùn)放的單位增益帶寬，ωp2表示主運(yùn)放的次極點(diǎn)。
4 仿真結(jié)果
筆者在SMIC 0．13μm CMOS工藝下，對(duì)整個(gè)ADC進(jìn)行了瞬態(tài)仿真。在60MHz采樣頻率下，其輸入幅度為475mV的正弦信號(hào)。那么，在輸入頻率為9MHz時(shí)。即可得到圖5所示的FFT頻譜圖。圖中，信號(hào)的有效比特?cái)?shù)(ENOB)為9．67bit，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)為75．2 dB。整個(gè)ADC的功耗為15 mW。可以滿足模擬電路高線性度和低功耗的要求。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文給出了一種高性能低功耗流水線ADC設(shè)計(jì)方法，它對(duì)比較器進(jìn)行了特殊處理，并去除了采樣保持電路，同時(shí)引入運(yùn)放共享技術(shù)，使電路所需的運(yùn)放數(shù)目比傳統(tǒng)流水線ADC減少了一半，從而大大降低了功耗。該ADC電路在1．2 V供電電壓下，采樣率可達(dá)60 MHz，ENOB為9．67 bit，功耗為15 mW。
評(píng)論