（微电子学与固体电子学专业论文）基于流水线adc的采样保持电路的研究.pdf

中文摘要 摘要：近年来，随着集成电路技术的飞速进步，流水线模数转换器( a d c ) 向着 高速高精度的方向发展。采样保持电路作为模数转换器的必不可少的关键单元， 很大程度上决定了a d c 的性能。在此基础上，本文设计了一种1 0 b i t1 5 0 m s p s 的 采样保持电路。对s h 中的采样开关，采样保持放大器，采样时钟等关键单元进 行了详细的分析和研究。 论文首先在查阅大量资料文献的基础上，对当前国内外研制出来的a d c 的发 展动态进行了详细的分析，尤其对当前国内在采样保持电路方面的研究和发展趋 势做了详细的介绍。 然后在对采样保持电路原理分析的基础上，对采样开关、采样时钟、采样保 持放大器等单元进行了具体设计。在设计中，应用了下极板采样技术，伪开关， 特殊时钟控制电路来改善采样精度。对当前流行的运算放大器的结构进行了比较 与分析。 最后，采用i b m 公司的0 1 3 1 上m 工艺，在c a d e n c e 环境下对采样保持电路进 行了前仿真。放大器的直流增益6 5 d b ，采样开关建立时间小于0 3 n s 。在达到1 0 b i t l s b 2 精度时，整个采样保持电路建立时间小于3 n s ，满足设计要求。最终完成了 版图设计。 关键词：采样保持电路；采样开关；运算放大器；电荷注入 分类号：t n 7 9 2 a b s t r a c t ：i nr e c e n ty e a r s ，t h et e c h n o l o g yo fi n t e g r a t e dc i r c u i th a sg a i n e dg r e a t p r o g r e s s ；a n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e ri sd e v e l o p i n gt o w a r d sh i 曲一s p e e da n d h i g h - p r e c i s i o n s a m p l ea n dh o l dc i r c u i ti s a ni n d i s p e n s a b l ei m p o r t a n tc i r c u i tb l o c k , w h i c ha l m o s td e t e r m i n e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l ea dc o n v e r t e r b a s e do nt h i s r e q u i r e m e n t s ，alo b i t15 0 m s p ss a m p l e a n d h o l d ( s i - i ) c i r c u i ti sd e s i g n e d ，w h i l et h e i m p o r t a n tc e l l so fs hc i r c u i ta r es t u d i e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gs a m p l i n g - s w i t c h e s 、 c l o c k c o n t r o lc i r c u i t 、s a m p l e - a n d h o l da m p l i f i e r f i r s t l y , b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o na n dr e a d i n go fal a r g en u m b e ro fl i t e r a t u r e s ，t h e c u r r e n td e v e l o p m e n to fa dc o n v e r t e ra th o m ea n da b r o a di sa n a l y z e di nd e t a i l ， e s p e c i a l l yt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fs hc i r c u i ta th o m ei si n t r o d u c e da tl e n g t h s e c o n d l y , b a s e do nt h ed e t a i l e da n a l y s i so ft h eo p e r a t i o no fs a m p l e - a n d - h o l d c i r c u i t , s e v e r a lb l o c k so fs a m p l i n gs w i t c h c l o c k - c o n t r o lc i r c u i ts a m p l e - a n d - h o l d a m p l i f i e ra r ed e s i g n e d t h eb o t t o mp l a t es a m p l i n gt e c h n o l o g y 、d u m m ys w i t c ha n da c l o c k - c o n t r o lc i r c u i ti sd e s i g n e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fs h ，a n ds o m e a r c h i t e c t u r e so fa m p l i f i e ra r ec o m p a r e da n da n a l y z e di nd e t a i l t h ew h o l ed e s i g ni sb a s e do ni b mo 13 1 1 mm i x e ds i g n a lp r o c e s sa n ds i m u l a t e d 、析n lc a d e n c e t h ed cg a i no ft h ea m p l i f i e ri s6 5 d b ；t h es e t u pt i m eo ft h es a m p l i n g - s w i t c hi sl e s st h a n0 3 n s ；s e t u pt i m eo ft h es hc i r c u i ti s3 n sw i t h10b i tr e s o l u t i o n t h e l a y o u to f t h es hc i r c u i ti sd e s i g n e da tl a s t k e y w o r d s ：s a m p l ea n dh o l dc i r c u i t ；s a m p l e - s w i t c h ；o p e r a t i o n a la m p l i f i e r ； c h a r g ei n j e c t i o n c l a s s n 0 ：t n 7 9 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 苏恕 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：琢走、导师签名： 签字日期：年月日签字日期： 谂乃 年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师骆丽教授的悉心指导下完成的，骆丽教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助。在此衷心感谢两年来骆丽老师对我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，宋鹏，熊凯南，胡海峰等同学对我论文中电 路仿真工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 引言 1 1 本文的研究背景 随着现代科学技术的发展，数字信号处理技术得到了迅猛的发展，并广泛应 用于各个领域。数字技术比传统的模拟技术的优越性表现在：第一，由于数字信 号对噪声和电源变化等干扰不敏感，数字处理方式能够达到比模拟处理方式更高 的精度；第二，数字信号能够方便的保存在媒介上而同时不会产生失真和丧失完 整性；第三，数字信号处理方式使得更复杂的处理算法能够比较方便的实现，也 利于产品的升级和更新换代；第四，计算机辅助设计技术的发展使数字技术能够 非常方便和有效的实现设计自动化。更重要的是大规模集成电路工艺的发展使数 字处理的速度越来越高，集成的功能越来越多，实现成本越来越低。 然而在工业检测控制和生活中的许多物理量都是连续变化的模拟量。为了实 现数字系统对这些量进行检测、运算和控制，就需要一个模拟量与数字量之间的 相互转换的过程，即常常需要将模拟量转换成数字量，简称为a d 转换，完成这 种转换的电路称为模数转换器( a n a l o gt od i 西t a lc o n v e r t e r ) ，简称a d c 。 近几年来半导体工艺与技术的发展突飞猛进，加速了微处理器、数字信号处 理器( d s p ) 及p c 的发展、普及和应用，a d c 也逐渐得到了更为广泛的应用。过去， a d c 及d a c 主要应用于数据采集系统、工业过程控制、测量及分析等领域。近 年来，数字技术进入音频及视频领域，如d v d 、m p 3 、数码相机等等。 2 0 0 8 年1 0 月2 7 日，m a x i m 推出引脚兼容的双通道、1 0 位、6 5 1 0 0 1 3 0 m s p s a d c 系列产品m a x l 9 5 1 5 m a x l 9 5 1 6 瓜4 a x l 9 5 1 7 。器件具有业内最低的功耗，每个模 拟通道的功耗仅为4 3 m w 5 7 m w 7 5 m w 。同时，该系列a d c 具有优异的动态性能。 美国国家半导体公司( n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o rc o r p o r a t i o n ) 最新推出一系列8 位 超高速模拟数字转换器，只需耗用3 6 m w 的功率便能以6 g s p s 的速度捕捉数据， 将取样率提升至前所未有的高水平。型号为a d c 0 8 3 0 0 0 的一款模拟数字转换器即 使单独一颗操作，也能以3 g s p s 的速度进行取样；若将两颗j 芯片搭配一起交错操 作，取样率更可提高至6 g s p s ，而且无需另外加设时钟调节电路。这款芯片还有 多个比同级竞争产品优胜的特色，其中包括3 g h z 的全功率输入带宽、卓越的动态 性能及1 8 m w 的极低功耗。 美国模拟器件公司( a n a l o gd e v i c e s ，i n c ) 发布了一款高速模数转换器 a d 9 4 4 5 ，它是业界首款1 4b i t ，1 2 5m s p s ( 每秒兆次采样) a d c ，在输入频率高达 3 0 0m h z 时其无杂散动态范围( s f d r ) 超过8 0d b c 和信噪比( s n r ) 达到7 2 5 d b f s ，分别超出同类产品整整l od b 和4d b 。 不难看出，国外对a d c 的研究相当成熟，m a x i m ，n a t i o n a l s e m i ，a d i 等 公司的产品代表着国际领先水平。相比之下，我国在这方面的研究起步较晚，积 累不够，而且工艺水平和设计水平相对落后，通常仅限于电路仿真阶段，难以与 工业接口。 近年来，随着设计环境和工艺条件的迅速改善，国内单位，如复旦大学，电 子科技大学都设计出了1 0 b i t ，1 0 0 m s p s 的流水线型a d c 。 1 2 本文研究的目的和意义 长期以来，人们在模数转换器的实现上，提出了全并行、逐次比较、折叠差 值、一、流水线等多种结构。全并行结构，也称f l a s h 结构，速度最快、延 时最小，但是比较器的个数和精度的要求随着转换器分辨率的提高呈指数增长， 因此不适合用在高精度场合，一般只在1 0 位以下分辨率的转换器中使用。逐次比 较式a d c 转换速度低于全并行结构，电路的复杂程度适中，在对速度要求并不高 的情况下应用较广。一结构通过过采样和噪声整形可以获得很高的精度，现 在已有的产品已经达到2 4 位的分辨率，但这种结构不利于实现高速转换，一般只 用在兆赫兹以下的场合。流水线模数转换器从整体上看是串行的，而每级都有采 样保持电路，使得各级能够并行工作。并且在保证了速度的同时，也可达到较高 的精度，比较器个数也大大减少，因而应用尤其广泛，成为近些年来国际上研究 的重点课题之一。 流水线结构在设计上具有很大的灵活性，这为设计者带来了方便，但同时也 带来了设计的复杂性，即如何选择最合适结构的问题。在电路实现中，工艺及其 它电路非理想因素如电容失配，放大器有限增益带宽等等影响着流水线模数转换 器的性能。因此，流水线模数转换器的研究主要集中在两个方面：一是系统整体 结构的优化【1 】【2 】【3 1 ，即如何根据设计要求选择最为合适的系统结构，在保证性能的 前提下尽可能减小功耗和面积。二是内部具体电路的设计研究，主要包括放大器 【4 】【5 】【6 】、比较器 7 1 、m o s 开关【8 】等。 而采样保持电路( s a m p l e a n d h o l d ，s h ) 是a d c 的核心，是决定流水线a d c 性能好坏的关键单元，它的速度决定了整个流水线a d c 的转换速度。采样保持电 路对输入信号进行采样，并保持一段时间供后续电路进行量化等处理。a d c 的整 体误差也主要由采样保持电路所决定。 根据以上分析，在当前数模转换技术空前发展的背景下，对采样保持电路的 2 研究也就更有意义。本课题结合现有条件，在0 1 3 i - t m 的工艺条件下实现了1 0 b i t ， 1 5 0 m s p s 的采样保持电路及版图设计。 1 3 论文的主要内容和结构 课题主要进行了以下几个方面的工作：国内对采样保持电路的研究现状；采 样保持电路的原理及结构选取；采样保持电路各关键单元的电路实现、仿真及性 能分析；采样保持电路的版图实现。 第一章：介绍当前流水线a d c 的发展现状、趋势及课题的研究目的和意义。 第二章：介绍了当前国内外对流水线a d c 及采样保持电路的研究现状。 第三章：对采样保持电路的原理进行了研究，分析并选取合适。 第四章：对采样保持电路的关键单元，包括采样开关，采样时钟，采样保持 放大器，偏置电路的原理和结构进行了分析和设计。 第五章：根据上一章的分析，采用i b m 公司的0 1 3 t t m 工艺，在c a d e n c e 环 境下进行仿真、优化，并给出电路前仿真结果。实现采样保持电路的版图设计。 第六章：对本课题的总结和展望。 3 2 国内外对采样保持电路的研究总结 国内对模数转换器的研究大多保持在中等速度、中等精度，但随着a d c 的应 用越来越广，国内对其的重视程度也就越来越高。包括复旦大学、电子科技大学、 西安电子科技大学、天津大学等在内的多所重点大学都在积极的对开展研究，逐 渐缩小着与国外先进水平的差距。采样保持电路作为a d c 的关键单元，各所高校 都对其进行了深入的研究，下面对各校所取得的成果做个大概的总结。 复旦大学近年来对模数转换器的研究投入很大，目前已经研制出1 0 b i t ， 1 0 0 m h z 的流水线a d c ，在功耗、速度、电压等方面的优化都取得了不小的进展， 并且对适于系统集成和应用于视频接收器的模数转换器有专门的研究，而其中的 采样保持电路也有了不少改进。 在对适宜于系统集成的高速低功耗模数转换器的研究中【9 】，作者采用1 8 v ， 0 1 8 1 t m 标准c m o s 工艺，先后设计了两种l o b i t ，速度分别为5 0 m s p s 和1 0 0 s p s 的 高速低功耗a d c 。现已完成1 0 b i t ，5 0 m s p s 流水线操作a d c 的电路设计、版图设 计和流片测试的全部工作。测试结果显示，5 0 m s p s a d c 达到预期性能，其功耗为 5 7 6 m w ，功耗速度为1 1 5 m w m h z ，仅为市场上同类低功耗产品的7 8 和9 0 ， 其静态和动态指标也均接近或超过同类产品。 同时，在此基础上，用两条5 0 m s p s 流水线a d c 组成双通道并行结构完成了 1 0 b i t ，1 0 0 m s p s 并行操作a d c 的电路和版图设计。为降低功耗，改善性能，采取 了一系列的技术和措施。仿真结果证明1 0 0 m s p sa d c 功能正确，功耗仅为6 7 m w ， 功耗速度为0 6 7 m w m h z ，均达到国际低功耗a d c 先进水平。 下面对该设计的采样保持电路进行具体分析。 n 1 图2 - 1 文献9 采用的s h 电路 f i g u r e 2 1t h es hc i r c u i ti nl i t e r a t u r e9 4 图2 - 2 两相非交叠时钟 f i g u r e 2 - 2t w on o n o v e r l a p i n gc l o c k s h 是以o t a 为核心的开关电容电路，如图2 1 所示。该电路工作在如图2 2 所示的两相非重叠时钟0 1 ，0 3 的控制下。s h 电路采用底极板采样技术来抑制在 采样时刻由于开关的电荷注入所引起的误差。而另两相时钟0 2 ，0 4 ，下降沿分别 比0 1 ，0 3 提前t ，可以抑制时钟馈通效应带来的非线性误差。在0 1 ( 2 ) 时钟， o t a 的输出与输入端短路，采样电容c s 对输入信号采样。采样结束后，c s 上的 电压为输入电压与失调电压的差值。在0 3 时钟，c s 跨接在o t a 的输入和输出端， v o u t 在一定的时间内稳定到最终值，在这个过程中，失调电压自动抵消。 在1 8 v 的低电压情况下，为了达到较高增益，设计选用了增益自举折叠共源 共栅放大器。同时，为了达到更高的采样速度，电路选取了如图2 3 所示的栅压自 举开关，在开关导通时，栅源电压v g s 恒定，使得输出电压不受输入信号的变化的 影响，导通电阻获得了更高的线性度。当e l k 为低电平时，电容c b o o s t 充电到电源 电压v d d ，同时采样开关m i 栅极对地短路，m i 关闭：当e l k 变为高电平时，电容 c b o o s t 跨接于m 1 的栅源两端，由于电容上的电荷保持不变，电容两端电压将保持 在v d d ，给采样开关m 1 提供了一个恒定的v g s 。为了减小开关的栅电容以及分布 电容共享电荷所造成的电压损失，c b o o s t 要取的足够大。导通时m i 的栅源电压为： k = v d d 宰“c k + q ) ( 2 - 1 ) 式中c p 是c b o o s t 上极板的分布电容及栅电容的总和。 v d d 图2 3 文献9 采用的栅压自举开关 f i g u r e 2 3t h eb o o s t s t r a ps w i t c hi nl i t e r a t u r e9 下面介绍复旦大学对高速低压a d c 的研究成果【1 0 】。图2 4 所示为该设计选取 的采样保持电路。作者在c m o s 0 6 9 m 工艺基础上，设计了一个电源电压为1 6 v 、 采样频率为2 0 m s s ，1 0 位的流水线a d c 。为了设计作为模数转换器中主要部件 5 的采样保持电路，得到具有快速建立时间的o t a ，作者采用了具有6 个参数的小 信号数学模型，并用m a t l a b 程序对这6 个参数进行扫描，得到最优化设计，该 方法大大提高了设计效率和设计可靠性：s p i c e 仿真表明：负载2 5 p f 的o t a 在16 n s 之内建立精度达到2 叫1 之内，功耗约为9 m w 。实验结果表明；a d c 的整体功耗为 7 2 m w ，采样1m h z 的正弦输入信号时a d c 的s n d r 为5 8 5 d b 。 电路采用了一种新型的适合低压的传输门结构作为采样开关，如图2 5 所示。 m 0 管两端栅源电压恒定，极大的提高了电路的线性度。图2 - 4 中，左侧与输入信 号相连的开关都是这种开关。 v i n + l v d a e + ， v d a c 沥口 2 图2 4 文献1 0 所采用的采样保持电路 f i g u r e 2 - 4t h es hi nl i t e r a t u r e10 图2 5 文献l o 所采用的采样开关 f i g u r e 2 5t h es a m p l i n gs w i t c hi nl i t e r a t u r e10 6 电子科技大学近年来对a d c 的研究也取得了许多成果，包括1 0 位、1 0 0 m h z 的基于功耗优化的流水线模数转换器【】和9 位1 2 5 m h z 的流水线模数转换器【1 2 1 。 文献l l 的设计主要研究了p i p e l i n ea d c 的s h 单元、比较器、m d a c 电路和 采样开关，并对应提出了优化方法。其中，针对s h 单元的折叠共源共栅放大器， 提出了一种新型时钟馈通频率补偿方案，在避免运放产生额外功耗的同时，建立 时间缩短了2 2 7 ；新型预放大锁存比较器结构减少了比较器功耗，1 0 0 m h z 采样 频率下仅为l1 8 m w ，输出信号延迟时间低至2 3 1 p s ；m d a c 电路除引入s c a l i n g d o w n 技术按比例逐级缩减功耗之外，其两级运放中连续型和开关电容型共模反馈 电路的有机结合，使得输入级负载电容由p f 量级降到2 _ 2 p f 量级，显著降低了运 s 2 l s 3 s li l l l + 0 1 i lc s 。烨： i - s l i i c s s 4 ii l 7 ， 2 s 3 s 2 图2 6 文献l l 所采用的采样保持电路 f i g u r e 2 - 6t h es hi nl i t e r a t u r e1 l v o u t v o u t - 图2 7 文献1 1 所采用的采样开关 f i g u r e 2 7t h es a m p l i n gs w i t c hi nl i t e r a t u r e1l 7 放驱动负载的功耗，确保运放实现高性能指标；而高线性c m o s 自举采样开关， 有效抑制了时钟馈通和电荷注入等非线性误差，线性度由普通m o s 开关的5 8 d b 提至8 9 d b 。 基于混合信号集成电路版图设计原理和设计规则，采用中芯国际3 3 v 、 0 3 5 u m 、2 p 4 mc m o s 数模混合工艺，结合所设计的a d c 系统特点和实际的工艺 情况，完成了1 0 位1 0 0 m h za d c 系统的版图设计，面积为2 5 2 4 m m 2 共2 8 个 压焊点。进而，借助c a d e n c e 的l p e 工具完成整体版图后仿真，结果表明，在3 3 v 电源电压下，d n l o 2 l s b ，i n l o 4 9 l s b ，均小于典型要求+ o 5 l s b ，奈奎斯 特采样频率下的s f d r 为7 5 0 6 d b 。考虑到工艺容差，分别在s s ，t t 和f f 模型下 对系统进行工艺角分析，对应a d c 功耗值为8 4 m w ，8 9 m w 和9 6 mw 。 运算放大器方面，如图2 8 作者使用了流行的折叠共源共栅放大器，但为了获 得更快的建立时间提出了一种时钟馈通频率补偿方法。时钟馈通频率补偿方法就 是在f o l d e d c a s c a d e 运放接近地电位的电流源m o s 管的栅极偏压v b l 和v b 2 处， 通过m o s 电容m c l 和m c 2 分别引入相位相反的时钟馈通信号，从而细微调整 m 0 ，m 7 和m 8 的栅极偏置电压大小，进而改变支路电流配比，实现对系统阻尼 因子值的控制，最终获得最小建立时间m s t 状态，达到快速建立的目的。 v d d 图2 8 文献1 1 所采用的运算放大器 f i g u r e 2 8t h ea m p l i f i e ri nl i t e r a t u r el l 8 2 文献1 2 的设计实现了在0 3 5 p mi 艺下的9 位，1 2 5 m s p s 的流水线模数转换 器。该设计基于t s m c0 3 5 9 m3 3 v 工艺，仿真结果表明，在1 2 5 m h z 采样频率下， i n l 小于1 l s b ，d n l 小于0 6 l s b ；当输入1m h z 至4 0 m h z 的正弦信号，s f d r 大约为7 0 d b ，信噪比s n r 大于5 5 d b ，总斜波失真t h d 为6 5 d b ，有效位数e n o b 为8 8 位，而功耗仅为1 0 0 m w ，所有性能指标都能达到设计要求。 采样保持电路的设计采用了流行的电荷翻转式结构，而采样开关选用了较为 简单的c m o s 模拟开关，尽管在导通电阻的线性度上有一些损失，却节省了面积。 运算放大器采用了两级放大的结构，第一级是折叠共源共栅放大器，第二级是差 分放大器。由于使用了两级结构，该放大器较一般放大器而言取得了更大的增益。 第二级采用了差分放大器也使得输出摆幅增大，克服了普通折叠共源共栅放大器 输出摆幅较小的特点。 电子科技大学还提出了一种新型的增益可控的采样保持电路【”】，对不同输入 范围的信号实现不同的增益放大。在c a d e n c e 环境下基于0 3 5 i ，t ms m i cs i c m o s 模型，采用h s p i c e 对电路进行了模拟仿真。结果表明，在输入信号为4 9 2 1 8 7 5 m h z 正弦波，采样频率为1 0 0 m h z 时，该采样保持电路在两种增益模式下的建立时间 均小于4 2 n s ，建立误差小于3 2 7 0 4 3 u v ，达到了l o 位精度、1 0 0 m h z 采样频率的 技术指标。对输出波形进行f f t 分析，两倍增益和一倍增益采样保持电路的s f d r 分别为8 4 5 d b 和6 8 d b 。整体电路功耗为3 5 2 m w 。最后使用s m i c0 3 5s i c m o s d o u b l e p l o y 工艺设计规则对该采样电路进行版图设计。s h 电路通过电荷转移式 实现，具体结构如图2 9 。 图2 - 9 文献1 3 所采用的采样保持电路 f i g u r e 2 9t h es hi nl i t e r a t u r e13 9 1 当模拟输入范围是1 v 时，s w l s w 4 都闭合，c s l c s 4 进行采样，根据电荷 守恒定律，可以得到电压增益为2 。 当模拟输入范围是2 v 时，s w l 、s w 2 闭合，s w 3 、s w 4 断开，c s l 、c s 2 进行采样，这时电压增益为1 。 这样，两种增益模式的输出范围都是2 v ，这就保证了两种模式下可以共用一 套动态比较器和m d a c 电路。 上海交通大学也开展了对a d c 的研究，研制出t s m c0 2 5t u n2 5 v 工艺下的 1 0 位8 0 m h z 的流水线模数转换器【1 4 】。仿真结果表明，其在8 0 m h z 采样频率下的 功耗为8 6 3 m w ，d n l 8 5 巳1 彩m 、_ 一 3 7 5 ，d m 一1 a o ，彩m 5 9 柏 3 0 可 v 2 0 1 a a d 1 a a ，0 1 9 可 一一2 d 一3 d - 4 f l 6 ：v o - ：c l k l 一：v l 2 5 0 彩a g d 0 n1 8 3 3 3 5 3 5 n t i m e 5 4 1 6 6 6 6 7 n5 a 0 彩0 9 0 叠1 n ( s ) 图5 11 输入正弦波时采样的波形图 f i g u r e5 - 11s i m u l a t i o nr e s u l to f s i n es i g n a ls a m p l i n g a cr e s p o n s e 图5 1 2 共模抑止比 f i g u r e5 - 1 2c o m m o nm o d er e j e c t i o nr a t i o a cr e s p o n s e 图5 1 3 电源抑制比 f i g u r e5 13p o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i o 5 4 采样保持电路的版图设计 本设计采用m m 公司的0 1 3 t t m 双层多晶硅六层金属的混合信号工艺实现， 利用c a d e n c e 系统软件提供的v i t u o s o 软件完成版图设计。 本设计采样保持电路的采样速率达到1 5 0 m h z ，版图中引入的寄生电容和电阻 的引入对电路的影响很大，对版图的设计提出了很高的要求。各元器件的匹配就 成了影响电路性能的主要问题。实现匹配主要有以下三条原则；需要匹配的期间 靠近、注意周围器件、保持匹配器件方向一致【2 7 】。具体有如下几种方法：选择一 个中间值作为根部件；共心法；交叉法；使器件宽度一致：采用大尺寸器件等等。 运算放大器首先需要考虑差分对管的匹配问题。通常采用共心法来减低热梯 度和工艺存在的线性梯度。热梯度是由芯片上面的一个发热点产生的，它会引起 其周围的器件的电气特性发生变化。距离发热点越近的器件受到的影响越大。而 所谓线性梯度是指工艺提督的偏差使得器件随位置不同而有一个线性变化。本设 计中n m o s 差分对管采用一种特殊的共心法，使两个差分管一分为二，交叉放置， 如图5 1 4 。 电流镜的版图设计采用纵向中心对称，即把器件纵向排列，并使其围绕一个 中心线上下对称从而降低工艺中存在的线性梯度。在器件两侧还可加入浮置多晶 硅条，减少淘蚀对最外侧多晶硅条的影响。如图5 1 5 为六个p m o s 管组成的的共 源共栅电流镜的版图。n m o s 管也采用同样的方法布局。 ；s ；过瓣璐礞爨 龉糍 粼 鞣搽 辩毯鼹醛蕊蕊慧蕊瀵黼麟黼蕊黼粼图黧霎妻| !擞 ： 藤 冀 粼燃- 搿漱炼粼道崧 阉 蕤 粪 燮 撼 囊 蒸 瓣 瓮i 蘸 鋈 鑫醚i 鋈 ! 随 渊 ：麟漶麟 。女 埝涎鞠 燃 ：+ ： k tj 婚 e 惑： k 媳；圣安s ；避l ：心 璐黼i 、 猢汰汰汰沁蕊心惑 隧淤汰汰沁 沁汰汰添蝴 图5 1 5 电流镜的纵向中心对称 f i g u r e5 - 1 5v e r t i c a lc e n t e rs y m m e t r yo f c u r r e n tm i r r o r 在整体电路版图的设计中，主要考虑了以下几个方面： 电阻的实现应兼顾面积和精度。本设计采用n 阱电阻实现，并且在电阻周围 放置一个接地的p + 注入区，即保护环，从而降低衬底噪声的影响。时钟信号应当 采用大尺寸器件从而提高它的驱动能力。同时也应当采用保护环以避免闩锁效应。 尽量避免不同金属层平行走线，减少交叉，以减少杂散电容。输入输出信号如果 直接耦合或者不相匹配也容易造成信号的不稳定，布局时应当尽量远离，长度也 要尽量一致。最终设计的采样保持电路版图如图5 1 6 ，版图面积为2 8 0 1 a m 4 6 0 1 t m 。 4 2 图5 1 6 采样保持电路的版图设计 f i g u r e5 16t h el a y o u td e s i g no fs hc i r c u i t 4 3 6 结论 本文设计了用于高速高精度流水线a d c 的1 0 b i t1 5 0 m s p s 采样保持电路 ( s h ) 。首先对国内外a d c 的发展动态进行了详细的分析，并且重点对国内基于 流水线的采样保持电路的研究动态和发展趋势做了具体的说明。 然后对采样保持电路的关键单元如采样开关，时钟控制电路和采样保持放大 器进行了详细的讨论和研究。设计采用了如下几种主要技术：采样电容采用下极 板采样技术，有效的降低了电荷注入的影响。采用c m o s 互补开关，通过精准的 互补时钟消除时钟馈通引起的误差。伪开关以及特殊的时钟控制电路有效的进一 步消除电荷注入效应，提高采样精度。 本文采用i b m0 1 3 x m 工艺，对采样保持电路的各个模块和整体电路进行了设 计，并采用上述技术进行优化。在c a d e n c e 环境下进行仿真分析，给出了前仿真 结果。最后设计了采样保持电路的版图。 本文对1 0 b i t1 5 0 m s p s 流水线a d c 的采样保持电路进行了设计与研究。但因 时间和作者能力有限，可以在以下几个方面继续开展工作。 ( 1 ) 改善电路结构，完成采样保持电路的后仿真，使其可以作为一个独立的 口核应用到其他a d c 上。 ( 2 ) 采样保持电路的全差分结构设计，可以进一步提高采样精度，消除固定 失调。 以上两点都可以单独作为一个课题来研究，这也是作者今后努力的方向。 参考文献 【l 】d c l i n e , n o i s e ，s p e e da n dp o w e rt r a d e - o f f si np i p e l i n ea n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r s , p h i ) t h e s i s ，u n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i a ，b e r k e l e y , 19 9 5 【2 】s h l e w i s o p t i m i z i n gt h es t a g er e s o l u t i o ni np i p e l i n e ，m u l t i s t a g e ，a n a l o g t o - d i g i t a l c o n v e r t e r sf o rv i d e o - r a t ea p p l i c a t i o n s 【j 】i e e et r a mc i r c u i t s & s y s t e m s i i , 1 9 9 2 ，3 9 ( 8 ) ：51 6 - 5 2 3 【3 】d w c l i n ea n dprg r a y ap o w e ro p t i m i z e d1 3 - b i t5 m s a m p l e s sp i p e l i n ea n a l o gt od i g i t a l o o n v e r t e ri n1 2 9 i nc m o s j ，i e e ej o u r n a lo fs o l i d s t a t ec i r c u i t s ，19 9 6 ，31 ( 3 ) ：2 9 4 - 3 0 3 【4 】kb u l ta n dgg e 宅l l e n ，af a s t - s e t t l i n gc m o so pa m pf o rs cc i r c u i t sw i t h 9 0 - d bd c g a i n ，”i e e ej s o l i d - s t a t ec i r c u i t s ，d e c 1 9 9 0 ，v 0 1 2 5 ，n o 6 ，p p 1 3 7 9 1 3 8 4 【