（电路与系统专业论文）14bit+80mhz流水线adc中的采样保持电路（sh）的研究与设计.pdf

摘要 摘要 随着通讯新技术的发展，对信号链路前端的数据转换器的速度和精度也提出了更高的要求。采 样保持( s h ) 电路单元作为高速高分辨率流水线型模数转换器中的重要单元一直是研究者十分关注 的内容。采样保持电路用于流水线型模数转换器的最前端，其信号的建立精度和建立速度直接影响 到整个流水线型模数转换器的分辨率和转换速率，同时也是采样保持电路性能评估的主要因素。这 里采用基于c h r tc m o s0 3 5 1 t t m2 p 4 m 混合信号工艺，3 3 v 电源电压，研究和设计一个适用于差分 输入信号范围为2 v ，分辨率为1 4 b i t ，转换速率为8 0 m h z 流水线型模数转换器中的采样保持电路。 在输入满幅度，3 8 9 4 m h z 正弦波，时钟采样率为8 0 m h z 的条件下，为了使a d c 得到1 3 b i t 有效精 度，要求采样保持电路的s n r 不小于7 8 d b ，s f d r 不小于9 0 d b 。 论文介绍了采样保持电路在流水线型模数转换器中的功能和作用，概述了近2 0 年的a d c 发展 研究的现状，分析了采样保持电路的基本理论并对常见的采样保持电路进行了比较和介绍。通过建 立基于m a t l a bs i m u l i n k 的流水线模数转换器模型，分析了占空比失配对a d c 性能的影响。采用了 一种基于连续时间积分器的新型高精度占空比调整电路。经过仿真在输入时钟频率1 0 m h z - 1 0 0 m l - l z 范围内，在小于5 0 个时钟周期，失调3 0 7 0 的占空比可以调整到5 0 1 - 0 1 。同时根据理论分析 和系统要求设计采样保持电路，确定了翻转式采样保持电路的结构，并由量化噪声的要求确定了电 路中采样电容的大小。根据采样、保持相的数学建立模型确定了运算放大器的各项指标，并进行了 电路实现。同时提出了一种改进的共模反馈电路和b o o t s t r a p 采样开关。电路设计完成后，进行了采 样保持电路的版图设计。 用l - - l s p i e e 对采样保持电路进行静态仿真，当建立精度小于00 1 时，建立时间为3 3 4 a s 。输入 满幅度，频率为3 8 9 4 5 3m h z 的正弦信号输入信号，在采样频率为8 0 m h z 下仿真的结果：s n r 为 7 7 7 2 6 1 d b ，s f d r 为8 5 7 d b ，结果显示设计的采样保持电路完全满足a d c 的系统要求。 关键字：流水线型模数转换器，采样保持电路，占空比，增益增强，开关电容 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi m p r o v e s ，t h er e q u i r e m e n t sf o rd a t ac o n v e r t e ri nt h ed a mp a t h m o v et 0 血ch i g h e rr e v o l u t i o na n df a s t e rs e t t l i n gs p e e d a sa ni m p o r t a n tu n i to f p i p e l i n e da n a l o g - t o - d i g i t a l c o n v e r t e r , s a m p l e - a n d - h o l dc i r c u i ti sa l w a y sg i v e nm u c ha t t e n t i o nb yr d b e c a u s ei ti si nt h ef r o n to f t h ea d c ，t h es e t t l i n ge r r o ra n ds e t t l i n gs p e e da r et h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r so ft h es a m p l e - a n d - h o l d c i r c u i tw h i c ha f f e c t st h er e s o l u t i o na n ds p e e do ft h ew h o l ep i p e l i n e da d cd k e e t l y b a s e do nc h a r t e r e d c m o s0 3 5 9 m2 p 4 ms i n g l eg a t em i x e da n d3 3 vp o w e rs u p p l yp r o c e s s ，o n es a m p l e - a n d h o l dc i r c u i to f 2 vf s ( f u l l - s c a l e ) 。1 4 b i t , 8 0 m h zp i p e l m e da d ci sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e d ，i no r d e rt 0g e tt h e1 3e n o b ， w i t h3 9 2 0 m h z2 v v sd i f f e r e n t i a ls i n u s o i d a li n p u ta n d8 0 m h zc l o c ks i g n a li n p u t , t h es n ro ft h i s s a m p l e a n d h o l dc i r c u i t m u s t b eh i g h e l t h a n7 8 d b a n d t h e s f d ro f t h e s h m u s t b e h i g h e l t h a n9 0 d b 1 n 血i sp a p e gt h ef u n c t i o na n di m p o r m c eo ft h es a m p l e - a n d h o l dc i r c u i ti np i p d i n e da d ca 球 d i s c u s s e d a ni n t r o d u c t i o ni sp r e s e n t e da b o u tt h el a s t2 0y e a r so f a d cd e v e l o p m e n t t h es a m p l e - e n d h o l d b a s i c sa r ed e a c r i b e da n dac o m p a r i s o no fd i f f e r e n ts hs t r u c t u r ei sg i y e n o n em a t l a bs i m u l i n km o d u l eo f 1 4 b i tp i p e l i n ea d ci se s t a b l i s h c dt oa n a l y s et h ed u t yc y c l eo f f s e te f f e c t so f t h ea d co n en e wd u t yc y c l e s t a b i l m c rb a s eo i n t e g r a t o ri sp r o p o s e d ，n ep o s ts i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ec i r c u i tc a na d j u s td u t yc y c l e i n t o5 0 4 - 0 1 w i t hai n p u tc l o c kf r e q u e n c yf r o ml o m h zt o1 0 0 舭w h i l et h ei n p u td u t yc y c l e sr a n g e f r o m3 0 e t o7 0 i n1 e s st h e n5 0c y c l e s f o l l o w i n gt h er e s e a r c ho ft h es a m p l e - a n d h o l dc i r c u i t t h e f l i p f l o ps a m p l e a n d h o l dc k c u i t i sa d o p t e da n dt h es i z eo f s a m p l i n gc a p a c i t o ri sc a l c u h t e db a s e do nt h e q u a n t i z a t i o nn o i s er e q u i r e m e n t s t h eo t ai si m p l e m e n t e d 也e o o n ed e v e l o p e dc m f b ( c o m m o nm o d e f e e db a c k ) a n do n eb o o t s h - a ps w i t c ha r cp r e s e n t e d a r e rt h es c h e m a t i ci sf i n i s h e d ，t h el a y o u to ft h e c i r c u i ti sd e s i g n e d h s p i c es i m u l m i o ns h o w st h a tt h es e a l i n g t i m ei s3 3 4 n sw i t h i n 0 ，0 1 s e t t i n g e n o lt h e s a m p l e - a n d - h o l dc i r c u i ti sa p p l i e di n1 4b n1 8 0 m h zp i p e l i n e da d c w i t h3 8 9 4 5 3m h zi v r ss i n u s o i d a l i n p u ta n d8 0 m h zc l o c ks i g n a li n p u t , t h es n ra n ds f d ro fs a m p l e - a n d h o l dc i r c u i ti s7 7 7 2 6 l d ba n d 8 5 7 d br e s p e c t i v e l y , w h i c hr e a c ht h ed e l n a o d ao f a d c k e y w o r d s ：p i p e l i n e da n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t e r , s a m p l e - a n d h o l dc i r c u i t , d u t yc y c l e ，g a i n - b o u s t n d , s w i t c h e dc a p a c i t o r i i 东南大学硕士学位论文 图表索引 图1 1 数字接收机组成原理框图l 图1 2 数字接收机噪声系数分析实例2 图1 31 9 8 4 年2 0 0 4 年性能参数p 的发展变化。3 图1 41 9 8 4 年2 0 0 4 年性能参数f 的发展变化。4 图2 1 模拟信号采样示意图5 图2 2 混叠频域示意图5 图2 3 混叠时域示意图一6 图2 4 输入信号、采样信号和重构信号的频谱，6 图2 5 两种采样模式7 图2 6 采样保持器的误差7 图2 7 采样时的误差8 图2 8 采样时钟的抖动8 图2 9 时钟抖动对信噪比的影响9 图3 1 常见二极管桥式结构采样电路1 1 图3 2 开环采样保持电路1 2 图3 3m o s 管导通电阻与输入信号关系1 2 图3 4 c m o s 导通电阻与输入信号关系1 3 图3 5c m o s 导通电阻及其二阶分量与p n m o s 尺寸的关系1 4 图3 6 基本的闭环采样保持电路1 5 图3 7 电荷重分配式采样保持电路1 6 图3 8 翻转式采样保持电路。1 7 图3 9 非交叠时钟和下降沿提前时钟1 8 图4 ，1 常见流水线a d c 架构1 9 图4 2 占空比5 0 时的s n r 、s f d r 。2 0 图4 3 占空比3 7 时的s n r 、s f d r 2 0 图4 4s f d r 、s i n a d 与占空比的关系。2 0 图4 5 脉宽控制环路调整占空比2 l 图4 6 占空比调整电路框图2 2 图4 7 占空比调整波形示意图。2 2 图4 8 连续时间积分器 图4 9 连续时间积分器的工作示意波形 图4 1 0 占空比调整波形一 图4 1 l 不同频率下的占空比调制输出波形 2 4 ，2 4 图4 1 2 后仿真输出时钟眼图2 4 图4 1 3 时钟抖动柱状图2 5 图5 1 实际采用的采样保持器2 6 图5 2 采样保持器噪声源分析2 6 图5 3 折叠式增益增强型跨导运算放大器。2 8 图5 4 采样电容c h 大小随a 、b 参量变化关系图2 9 图5 5 大信号二阶欠阻系统建立曲线3 0 图5 6 次极点位置与单位增益带宽积比值与建立精度的关系3 l 图5 7 次极点位置与单位增益带宽积比值与相位裕度的关系3 2 6 2 图表索g 图5 8 主运放交流特性3 3 图5 9 辅助运放结构3 3 图51 0 原运放、辅助运放和增益提高运放的波特图3 4 图5 1 l 辅助运放交流特性3 4 图5 1 2 经典的b o o t s t r a p 开关结构3 5 图5 1 3 改进的b o o t s t r a p 开关结构。3 6 图5 1 4b o o t s l a a p 采样开关m n 8 上的栅压3 6 图5 1 5b o o t s t r a p 开关输出频谱3 6 图5 1 6 开关电容共模反馈3 7 图5 1 7 改进的开关电容共模反馈。3 8 图51 8 改进开关电容共模反馈的线性叠加一3 8 图5 1 9 本论文开关电容共模反馈的线性叠加3 9 图5 2 0 本论文设计的开关电容共模反馈3 9 图5 2 l 两种开关电容共模反馈的建立速度比较4 0 图5 2 2 整个运放的交流特性4 0 图5 2 3 阶跃输入l v 时的输出电压4 l 图5 2 4 正弦波采样波形4 l 图5 2 5 占空比失配时采样保持电路的输出频谱图4 l 图5 2 6 占空比校准后采样保持电路的输出频谱图。4 2 图6 1n m o s 和p m o s 版图示意图4 3 图6 2m o s 管设计和制造时的朝向4 5 图6 3 考虑大功率器件的温度效应的版图设计一4 5 图6 a 两个匹配的m o s 管的版图设计4 5 图6 5 加了d m m n y 的匹配电阻的设计4 6 图6 6 电源、地线的s t a c k 布法4 6 图6 7o t a 版图4 7 图6 8 占空比校准电路( d c s ) 版图4 7 图6 9 部分模块流片版图。4 8 图6 1 0 测试框图镐 图6 1 l 测试原理4 9 图a 1 理想采样门5 5 图a 2 冲檄采样后的频谱和原信号频谱的关系5 5 图a 3 零阶保持采样5 6 图a 4 跟踪保持信号的频谱和原信号频谱5 7 图a 5 跟踪保持和采样保持信号的频谱5 8 图b 11 4 b i t8 0 m h z 流水线模数转换器的s i m u l i n k 模型5 9 图b 2 每级m d a c 的框图5 9 图b 3s t a g e 0 的传输曲线6 0 表3 1 建立时间和建立精度的关系1 4 表3 2 电荷重分配式和翻转式采样保持电路的比较。1 8 表4 1 占空比稳定电路性能指标2 5 表5 1o t a 设计指标一3 2 表5 2 各频率点说明3 4 表6 1c h r t 0 3 5 9 i n2 p 4 m 工艺中的电阻4 4 表b 1s i m u l i n k 模型各级量化电平5 9 6 3 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：亟勤e t 期： ：! ：3 ：1 3 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：鼬导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 对于高速数据采集系统而言，基于标准总线、具有海量数据存储深度、高速d s p 能力和高速 a d c 组成的高速数据采集系统为当今发展趋势。高速高精度a d c 对于数据采集系统的发展具有重 要的意义。在数字电路处理速度极大提高的情况下，如何快速采样模拟信号并对其进行量化，是系 统能否快速处理的一个关键环节。采样保持电路是实现从模拟到数字的接口，其性能高低决定了整个 模数转换器的精度与速度。本章阐述了本课题的目的、意义及研究的主要工作，说明了本论文的内 容和结构框架。 1 1 课题的目标及意义 为了讨论高速高精度a d c 的重要性，以雷达接收机系统为例，如图l l 所示。接收机对噪声系 数与灵敏度的要求，主要是为了获得a d c 与接收前端的最佳匹配。即，接收前端和a d c 性能允许 范围之内获得所需要的接收机灵敏度和动态范围。图1 1 中，p 和p 。分别为接收前端的输入、输出 信号功率，n i 和n 。为接收前端的输入、输出噪声功率，f l l 、亿为接收前端本振频率，为采样频率。 图1 1 数字接收机组成原理框图 i ( m q ( n ) 肚p j n , = 矗gn n - ， p o f n ot 其中p i 、p 。为系统的输入输出信号功率，n i 、n 。为系统的输入输出噪声功率，g 为系统功率增 益。前端输入噪声经滤波器后为带限噪声，假设无噪声通过a d c 量化后进入基带。而采样保持器作 为a d c 的前端。其性能决定了a d c 所能达到的性能上限。所以可以用采样保持器的最大噪声来代 替a d c 的最大噪声，表征系统可取得的最大信噪比。其最大系统的输出噪声n s 简化为： n s = n o + w( 1 2 ) 所以系统的噪声系数为： 只：堕：n o + n s s ：n 堑( 1 3 ) 。 g n ；g n ，g n ； 、 其中，差蒡是采样保持器对系统噪声系数的恶化量令m = 害 ，则由上式可得： 尽：攀叫等， m 。， 东南大学硕士学位论文 用d b 表示 e = n f + 1 0 1 9 ( m + 1 ) 一1 0 1 9 m ( d 8 ) 以一个具体设计实例说明”。该接收机的原理框图和性能指标如下： 1 ) 、接收机的瞬时动态范围不小于6 0 d b 2 ) 、接收机的系统带宽2 m h z 3 ) 、接收机的灵敏度为1 0 8 d b m 钔，中频信号输入频率8 m h z 5 ) 、系统增益为5 2 d b 丘l 轧 图1 2 数字接收机噪声系数分析实例 ( 1 5 ) 由图上所标，接收前端进入a d c 输入端采样保持器的噪声功率为5 6 d b m ，折合成2 0 0 f l 的输入 阻抗上的均方噪声电压，即接收前端的输出噪声电压为： k2 = 2 0 0 p n = 5 0 2 x 1 0 4v 2( 1 ，6 ) 因为采样保持器的信噪比要求在建立时间内，建立精度为0 5 l s b 。所以其s n r 为： s n r a s ：2 0 k 掣 ( 1 7 ) 7 d 则采样保持器的均方噪声电压为： = 长枷一警 n s ， 下面选择两种采样保持器来计算其与接收前端组合后对系统噪声系数的量化 1 ) 、选用1 0 b i t 精度的采样保持器，v b 取为2 v ，计算得其均方噪声电压为： 矿2 一= ( 长，o 1 ) 6 0 2 = s 枷。7 矿2 ( 1 功 求得： 肚粤v _ 1 ( 1 。) 2 d 、 系统得噪声系数恶化量为： a n ，j = 1 0 1 9 ( m + 1 ) 一1 0 1 9 m = 3 d b ( 1 1 1 ) 这种噪声恶化量是不能容忍的，因为其使得接收机的瞬时动态范围小于了6 0 d b 。 2 ) 、若选用1 2 b i t 的采样保持器，同样条件下获得的s n r 为7 2 d b ，计算得其均方噪声电压为： 第一章绪论 y 2 一= ( 长枷焉) 2 - ，胍t 。v ( 1 1 2 ) 可得m 。1 6 2 ，对系统噪声系数得恶化量f = o 2 6 d b 。恶化显著减小 可见高精度采样保持器是系统性能有效性的重要保证。同时高速a d c 又能降低变频次数，直接 实现数字中频甚至数字射频接收，所以需要高速高精度的采样保持器前端。 1 2 国内外研究状况 在刚过去的1 5 年中微处理器的性能提高了1 0 0 0 倍，而同时期a d c 在速度和精度的比值方面的 性能指数仅提高了1 0 倍。文献 3 】通过对学术和商业化的约1 5 0 种a d c 总结分析，得到了对任意 采样率下的有效比特数( e n o b 汗均6 - 8 年才提高j 5 位。同时设定两个性能指数： p = z 2 ” ( 1 1 3 ) f = z 2 ”8 气 ( 1 1 4 ) 其中为a d c 的采样频率，e n o b 为a d c 的有效比特数p “为a d c 的功耗。由p 的相对恒定得 出了提高l 位精度和增加l 倍工作频率同样困难的结论。而性能指数f 则在不断改进。这主要因为 a d c 的功耗和a d c 的结构有关，采用如流水线结构大大改善了功耗。而文献 4 】在此基础上，分析 了到2 0 0 4 年为止的2 0 年中，约1 0 0 0 种商业化芯片，提出了p 、f 参数发展的新趋势，如图1 3 和 1 4 所示 尽管国外a d c 及其相关产品的研究与开发十分活跃，但是国内a d c 国内模数转换器研究现状 大多停留在十m h z 的设计水平，而精度多为l o 比特及其以下，且多是仿真结果并且在高速高精 度a d c 方面，国外对我国实现了技术垄断。目前我们能申请到的最高性能的1 4 b i t a d c 仅为1 0 m h z 。 随着集成电路工艺不断向更小的特征尺寸发展，晶体管特征频率不断提高，电源电压也相应的越来 越低，在高速高精度a d c 方面，无论是在商用产品级还是在研究方面，与国外都有较大差距。研究 与掌握高速a d c 的前端高速高精度采样保持器，既可以满足高速高精度a d c 对输入信号的要求， 也填补了国内空白。 55 5 4 5 4 35 3 t 25 2 15 1 o 5 0 1 9 8 41 鲇61 9 8 81 9 9 01 9 9 2 19 9 419 9 61 9 9 8 2 0 0 0 2 0 3 22 0 0 4 y e ，a , r 图1 31 9 8 4 年2 0 0 4 年性能参数p 的发展变化 4 】 3 东南大学硕士学位论文 图1 41 9 8 4 年- 2 0 0 4 年性能参数f 的发展变化f 4 】 1 3 研究范围和主要内容 对于采样保持电路主要是研究采样保持电路速度和精度，速度主要与采样保持电路结构、运 算放大器的增益带宽积以及采样保持电路保持相位的闭环相位裕度等相关，如目前流行的翻转式、 电荷分配式等采样保持电路；精度主要与采样开关的非线性，采样时钟抖动、采样开关断开时的时 钟馈通和沟道电荷注入、运算放大器的直流增益、开关噪声以及运算放大器热噪声等。为确保宽范 围的输入时钟占空比基本恒定和低的时钟抖动，提出了一种基于连续时问积分器的时钟占空比稳定 电路。而高速、高增益的运放则是设计采样保持电路和开关电容积分器电路的关键所在。 本论文分为六章，其中 第一章绪论，介绍提出研究课题。分析了高速高精度采样保持器在通信系统中的重要性，以及 国内外发展的现状 第二章主要从时域和频域上对采样保持电路的理论进行了分析，介绍了采样保持电路在采样、 采样到保持，保持、保持到采样的各种误差来源和各项性能指标 第三章介绍了常见的采样保持电路，包括二极管桥式结构，开环m o s 管开关结构和闭环结构 分析了电荷注入、和信号相关的关断瞬间、非线性的导通电阻以及寄生电容等。 第四章分析了输入时钟占空比对流水线a d c 性能的影响。提出了一种新型的基于连续时间积分 器的高速高精度占空比调整电路。 第五章介绍了1 4 b i t8 0 m h zp i p e l i n ea d c 中采样保持器的性能要求，并采用c h a p t e r 0 3 5 c m o s 工艺进行了电路实现。并利用最佳建立时间分析和占空比稳定电路对所设计的采样保持器进 行了一系列优化。 第六章对所设计的电路进行了版图实现和测试设计。 附录a 针对采样保持理论，推导了冲激采样，零阶保持采样，跟踪保持和采样保持的时域和频 域的表达式。 附录b 对1 4 b i t8 0 m h z 流水线模数转换器的s i m u l i n k 模型进行了介绍，并给出了m a t l a b 测试 动态性能的源程序 4 第二章采样保持电路的理论分析 2 1 采样定理 第二章采样保持电路的理论分析 对于一周期为t 的理想冲击采样保持电路，模拟信号经采样后，时域波形如图2 1 所示。 采样 x ( t ) 兰： y ( 0 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ ，_ - _ _ _ _ _ _ 。一 t 伯) 图2 1 模拟信号采样示意图 ( a ) 理想采样保持器模拟信号( c ) 采样后的数字信号 最后得到的频域表达式为 5 1 ，详细计算见附录a ： 】，( ，) = x ( f - 叽) jm ；一 其中t s 为采样周期。可以看到采样后的信号为原信号以采样频率为周期的延拓，如图2 2 所示。 采样后信号频谱中的点线部分为理想延拓的信号，实线部分为延拓信号的叠加。可以看出，当信号 带宽b 大于f s 2 时，信号将发生混叠，信号失真。这是我们不希望看到的。为了避免混叠( a l i a s ) 现 象，输入信号带宽b 必须小于f s 2 ，即采样频率f s 必须大于2 倍的输入信号带宽，满足此条件的最 小采样频率我们称之为奈奎斯特频率，即奈奎斯特采样定理( n y q u i s t s a m p l i n g ) 。 输入模拟信号额* 时同 采样后信号须替 圈2 2 混叠频域示意图 5 蚋掣t 舡 劬 i 珊 去 东南大学硕士学位论文 1 混叠现象同样也可以从时域来考虑，如图2 3 所示。实线为输入的模拟信号，频率f = 二， ”。 2 万 采样信号频率为，= l 。图内圆圈所示为采样点，从图上可以看出，这些采样点也对应着虚线所示 仃一1 的正弦波，该信号即为混叠信号，其频率为正= 正一厶= 三：；二。而图2 4 为输入信号、采样信 厅 号和采样理想滤波器重构信号的频谱。 图2 3 混叠时域示意图 输入信号额蕾鼙梓信号缸甘 重构信号箍灌 图2 4 输入信号、采样信号和重构信号的频谱 实际采样信号不可能如图2 1 中的冲激信号，所以实际采样保持电路往往采用两相工作，即为 采样模式和保持模式。在保持模式下，电路的输出等于前面采样的数值。在采样模式下，输出既可 以跟随输入而变化，这种电路常称为跟踪保持( t r a c k a n d - h o l d ) 路，或者可以被置为某一固定值， 这种电路常称为采样保持( s a m p l e a n d - h o l d ) 电路，如图25 所示。在奈奎斯特采样的电路中，通常采 用图2 5 ( b ) 所示的采样保持电路，因为在输入最大信号的建立时，采样保持电路的压摆时间要比跟踪 采样电路小但是采样保持信号的频谱往往会存在失真，详细分析见附录a 6 第二章采样保持电路的理论分析 “t 2 z 采样保持的性能指标 f 卜r 三一 图2 5 两种采样模式 ( a ) 跟踪保持( b ) 采样保持 早期的a d o ( 无论集成或分离的) ，由于转换速率比较低，前端往往都没有采样保持电路，这是 因为在a d c 转换完成时，模拟输入信号的变化往往很小吼 设输入信号为y = p ks i n ( 2 矽) ，其摆幅为2 v f s 信号最大变化发生在过零点： 吲一= 剖r z 矾 l 刮一2 司，：。= 2 矿8 ( 2 2 ) 要保证在a d c 转换时间内，信号的变化小于o 5 l s b ，可得下式： 尝= k 小南 ( 2 3 ) 其中t 。为a d c 的转换时间。则系统可数字化的最高正弦频率为： r = 一 。“2 ”仍乙 c 4 ) 由式( 2 4 ) 可以看出a d c 的最高输入信号频率是由a d c 的转换时间确定的。但随着a d c 的 转换速率越来越快，要处理的模拟输入信号频率也越来越高。所以，目前采样保持器都已集成在a d c 的前端，以保证在a i x 3 的转换时间内输入信号的变化小于o 5 l s b 。一个采样保持器的工作过程 可以分为采样、采样到保持的转换，保持和保持到采样的转换四个阶段。在这四个阶段中，往往都 存在误差，如图2 6 所示。 图2 6 采样保持器的误差 7 东南大学硕士学位论文 2 2 1 采样保持器的误差 ( 一) 、采样时的误差m 采样时的误差如图27 所示，主要有失调( o 舔c t ) 和增i l i i 吴差( g a i a ) 。失调误差常由运放的失调电 压引起。若采用双极采样开关，由于集射极间电流为零时，仍有压降，所以往往也会造成失调。对 采样保持而言，增益应为l 。但是由于运放的有限增益，往往也会存在增益误差，可以用非线性度 来表示。表征了采样保持器输出，输入特性偏离最佳直线的程度。 图2 7 采样时的误差 ( 二) 、采样到保持转换瞬间的误差 n 、孔径时间( a p e r t u r et i m e a p e r t u r ed e l a y ) 指的是从保持命令发出到开关完全断开，即模拟开关从闭合状态到断开状态的时间间隔。在这 段时间中，输出信号依然跟随输入信号，使得希望采样的时间展宽了而保持建立的时间减少了，于 是使实际的电压保持值与希望的电压保持值之间产生误差，影响精度。 2 ) 、孔径抖动( a p e r t u r et i m e j i t t e r ) 由于输入采样时钟往往存在时钟抖动，造成采样输出值也存在抖动即噪声，如图2 8 所示。孔 径抖动可以认为是噪声调制保持命令的结果下面详细分析采样时钟的抖动对a d c 性能的影响。 图2 8 采样时钟的抖动 设t 0 为理论的采样时刻，而为实际的采样时刻。则( t j t o ) 为采样的时钟抖动，令其满足均值 唧，标准差为的高斯分布1 e l ( t j - 岛) 2 】= e 【q f o ) 】2 一h ( t j - t o ) = 一筮。再假设警和 一f o ) 独立不相关，可得下式： 8 1 差 一 潞 眦 一廖一 坐+ 第二章采样保持电路的理论分析 州警( t j 训】2 ) = 研百d v 】2 陋( 。f o ) 2 = 研2 须c o s ( 2 研f ) 】z 2( 2 5 ) = 2 万2 2 2 2 2 若只考虑采样时钟的抖动，则a d c 的信噪f f f i ( s n r ) 可写为： s n r 叫吨高薏b 列蜮妇 仁s ， 根据式( 2 6 ) ，可以得到图2 9 。由公式2 6 可知，若要设计1 4 b i t8 0 m h z 的采样保持器则采样 时钟的抖动要小于0 2 5 p s 。在高速系统中。孔径误差产生于样本间可变的延时。可能是因为，采样 时钟被一些不需要的信号相位调制。这个信号可能是宽带的随机噪声，电源线噪声，或由接地不良 产生的数字噪声等。 1 加 s n r i d b ) , 4 0 2 口 o 图2 9 时钟抖动对信噪比的影响哪 ! 6 1 4 1 2 1 0 8 6 4 采样产生的误差可以用一个r m s 时间抖动来表示。对均值u = 0 ，标准差为的高斯分布采样时 钟抖动，其r m s 时间抖动即为。因为 三 三 f m = 【e ( x e x ) 2 】2i ( d x ) 2 = a( 2 7 ) 有时往往要将r a m s 时钟抖动转化为最大值。假设要达到9 5 的置信空间，通过标准高斯分布 表，查找9 7 5 的概率分布【1 ( 两边对称，即为9 5 的置信空间) ，可得值1 9 6 所以时钟抖动的最大 值就取为2 t s u s 。 ( 三) 、保持时的误差 1 ) 、建立时间( s e t t l i n gt i m e ) 指从电路输出达到其要求的精度的稳定时间。建立时间是采样保持器的一个关键误差源，若采 样保持器在要求的建立时间内达不到指定的建立精度，则a d c 量化的就是一个未完全建立的采样信 号，从而影响整个a d c 的性能。 2 ) 、下降( d r o o p ) 采样保持电路的下限是由电路的漏电流决定的，其保持电压衰减速率( d r o o pr a t e ) 为： d i ， 斑 c 。 、1 9 东南大学硕士学位论文 其中i 。是保持时的漏电流。这个参数由采样电容c ，的漏电流、运算放大器的偏置电流和采样开 关的漏电流等决定所以往往要求使用的电容器是由一些漏电流和介电吸收都很小的材料，比如多 晶电容( p i p ) 。增大c s 也可以减小保持电压的衰减，但往往会引起建立时间的增大。 3 ) 、馈通( f e e d t h r o u g h ) 对m o s 采样开关而言，采样时钟的关断会通过其栅漏或栅源交叠电容将时钟跳变耦合到采样 电容上，从而给采样输出电压引入误差。常常要通过增加虚拟开关来消除 4 1 、介电吸收( d i e l e c t r i ca b s o r p t i o n ) 最近的研究显示“w ，当电压施加到绝缘体时，会引起绝缘体内的正负电荷极化，绝缘体会发生 介电吸收。当电压消失后，分离的电荷通过连接到绝缘体的电路产生渐降电流，还原原始的状态， 因各种极性的分子有不同程度的松驰，表现为已被放电的电容仍然持有一些电荷类似于一种记忆 效应，称为介电吸收。为了克服采样电容介电吸收效应，往往要采样介电常数较小的电容。 ( 四) 、保持到采样转换瞬间的误差 采集时间( a c q u i s i t i o nt i m e ) 指的是采样保持器在采样方式下使电容采集到一个满量程的阶跃输入所需要的时间。充分的采 集时间可使其后保持状态下的输出处于最终值的一个特定误差范围内。从保持相到采样相，采集时 间的大小是影响a d c 可达到的最大采样率的一个重要因素。当时钟重新变为高电平，进行下次采样 时。因为采样电容此时还保持着上一时刻的电压值，会产生一个正比于两时刻采样电压差值( c h a r g i n g g l i t c h ) ，会恶化采集时间。 2 2 2 采样保持器的性能指标 采样信号的范围( f s f u l ls c a l e ) z 等于输入信号的峰峰值吃一。 动态范围( d r - - d y n a m i cr a n g e ) 定义为最大可采样电平和在指定精度内能采样最小电平的d b 范 围。 信噪比( s n r - - s i g n a l t o - n o i s er a t i o ) ，表达式为： s n r = i o i 等卜华凇， 无杂散动态范围( s f d r - - s p u r i o u sf r e ed y n a m i cr a n g e ) ：等于最大信号成分与最大失真成分的 比值。 总谐波失真( t h d - - t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) ：指的是输出信号频谱中，谐波分量的功率总和 与基波的比值。t h d 可以用比率或分贝的方式来表示。在采样系统中，