0 引言

    高速高精度A/D轉(zhuǎn)換器是無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)和便攜式數(shù)據(jù)采集設(shè)備的關(guān)鍵模塊,。流水線(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器能在速度和精度之間合理折衷,，同時(shí)實(shí)現(xiàn)較小的芯片面積和較低的功耗。近些年來(lái),，流水線(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器的精度能達(dá)到14～16位,，速度達(dá)到80～150 MS/s。

    本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種低功耗16位100 MS/s流水線(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器,。該流水線(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器的第三級(jí)到第五級(jí)采用簡(jiǎn)化的MDAC結(jié)構(gòu),，減小了芯片面積和功耗。MDAC中的OTA在增益,、帶寬,、相位裕度和建立時(shí)間方面都達(dá)到了很高的性能。由于OTA占據(jù)了MDAC大部分的功耗,，通過(guò)優(yōu)化OTA的功耗有助于提高轉(zhuǎn)換器的整體功率效率,。動(dòng)態(tài)偏置技術(shù)降低了采樣相電路的功耗。

1 ADC結(jié)構(gòu)

    流水線(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理是多級(jí)轉(zhuǎn)換,。除了最后一級(jí),，每一級(jí)都實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)的數(shù)字量化、模數(shù)轉(zhuǎn)換,、余差電壓的計(jì)算和放大,。流水線(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)選取很靈活。級(jí)精度的分配復(fù)雜而重要,。每級(jí)位數(shù)越少,，子ADC對(duì)比較器失調(diào)的要求越低,，每級(jí)的轉(zhuǎn)換速度越快。轉(zhuǎn)換器所需的比較器數(shù)量減少了,，但是級(jí)數(shù)增多,，所需的MDAC數(shù)量和OTA的數(shù)量也隨之增加。整體功耗也增大,。后級(jí)引入的噪聲和誤差對(duì)轉(zhuǎn)換精度影響較大,。常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)是第一級(jí)采用多比特位，后級(jí)均采用1.5比特/級(jí),，能在功耗和精度之間合理折衷,。反之，每級(jí)位數(shù)越多,，后級(jí)引入的噪聲和誤差對(duì)整體轉(zhuǎn)換精度的影響越小,，但是對(duì)子ADC精度的要求提高，所需比較器的數(shù)量也成冪指數(shù)增長(zhǎng),。由于反饋系數(shù)減小,，MDAC中的運(yùn)放驅(qū)動(dòng)的電容變大，要求運(yùn)放有更高的帶寬^[1],。因此,，轉(zhuǎn)換器整體功耗也相應(yīng)增加。

    文獻(xiàn)[2]相對(duì)詳細(xì)地分析了級(jí)精度分配問(wèn)題,。分析指出,，在高速應(yīng)用中，假定信噪比（SNR）和功耗嚴(yán)格折衷,，最優(yōu)的級(jí)精度是2比特/級(jí)或3比特/級(jí),。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中，電路參數(shù),、電路結(jié)構(gòu)和版圖結(jié)構(gòu)均不相同,，很難用一種統(tǒng)一的方法去分配級(jí)精度,。本論文采用的流水線(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)如圖1所示,。流水線(xiàn)前三級(jí)采用4比特/級(jí)，后三級(jí)采用3比特/級(jí),，該流水線(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器還包括采樣保持電路,、帶隙基準(zhǔn)電路和時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路。采用優(yōu)化的MDAC結(jié)構(gòu),，可以在高速高精度的基礎(chǔ)上,，進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)換器的功耗。

2 ADC電路設(shè)計(jì)

2.1 MDAC結(jié)構(gòu)

    MDAC是一種開(kāi)關(guān)電容電路,，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的采樣保持,，電壓差的計(jì)算和倍乘,。電路主要由開(kāi)關(guān)、電容陣列和OTA組成,。輸入信號(hào)傳輸路徑上的開(kāi)關(guān)通常采用柵壓自舉開(kāi)關(guān)以提高信號(hào)線(xiàn)性度,。采樣電容和反饋電容均由尺寸相同的單位電容組成，保證了版圖中電容的匹配,。OTA的增益決定了余差電壓的精度,，OTA的帶寬決定了建立特性，制約著OTA的工作速度,。

    傳統(tǒng)的MDAC結(jié)構(gòu)如圖2所示,，工作在全差分模式，有著較高的電容匹配精度和轉(zhuǎn)換精度,。該結(jié)構(gòu)有效抑制了信號(hào)的偶次諧波,。但是全差分電路的電容面積和電路規(guī)模較大，功耗較高,。MDAC中的OTA也需要更高的帶寬,，驅(qū)動(dòng)更大的電容。由于后級(jí)的噪聲對(duì)等效輸入噪聲的貢獻(xiàn)很小,，可以通過(guò)縮減采樣電容的大小和數(shù)量,，降低OTA的性能，從而降低電路功耗,。

    由于后級(jí)MDAC對(duì)電容失配和OTA失調(diào)的要求很低,，可以改進(jìn)MDAC。簡(jiǎn)化的MDAC結(jié)構(gòu)如圖3所示,。通過(guò)改變比較器輸出和采樣電容陣列的連接方式,，可以減少采樣電容數(shù)量。由于一個(gè)比較器僅控制一個(gè)采樣電容,，MDAC并不是工作在全差分模式,。電容C0和C₀′是半單位電容，通過(guò)電壓移位產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)的正參考電壓和負(fù)參考電壓,。其他的電容均為單位電容,。Φ₁和Φ₂分別表示采樣相和保持相。MDAC工作的時(shí)序圖如圖4所示,。

    以第三級(jí)MDAC為例說(shuō)明工作原理,。級(jí)精度為4，則n為8,。在采樣相,，采樣電容均與輸入信號(hào)相連，OTA輸入端的電荷量如下：

    在m為奇數(shù)時(shí)可以得到相同的轉(zhuǎn)移函數(shù)，且該轉(zhuǎn)移函數(shù)與電路工作在全差分模式的轉(zhuǎn)移函數(shù)相同,。簡(jiǎn)化的MDAC結(jié)構(gòu)使采樣電容數(shù)量減半,，MDAC電路的建立速度變快，OTA的設(shè)計(jì)約束條件放寬,。電路噪聲和信號(hào)的偶次諧波失真變差,，但是并不限制運(yùn)放的整體性能。簡(jiǎn)化的MDAC結(jié)構(gòu)只在第二級(jí)的后級(jí)采用,，前兩級(jí)由于對(duì)噪聲和失真要求苛刻,，仍采用傳統(tǒng)的全差分MDAC結(jié)構(gòu)。

2.2 OTA設(shè)計(jì)

    OTA是MDAC電路的關(guān)鍵模塊,。前級(jí)MDAC中的OTA需要驅(qū)動(dòng)后級(jí)的MDAC和子ADC,，所以O(shè)TA的靜態(tài)電流很大，使得OTA成為了ADC中最消耗功耗的模塊,。OTA的建立時(shí)間分為非線(xiàn)性擺率時(shí)間和線(xiàn)性小信號(hào)建立時(shí)間,。為了更快穩(wěn)定，OTA需要很高的帶寬和足夠的相位裕度,。OTA的有限增益導(dǎo)致了余差電壓的誤差,。實(shí)際的余差電壓如下：

    式(7)中β是反饋因子，除了采樣電容和反饋電容,，還與OTA輸入端寄生電容值有關(guān),。可以看出運(yùn)放的增益越高,，余差電壓誤差越小,。

    MDAC對(duì)OTA的增益、帶寬,、擺率和相位裕度的要求都很高,，需要選擇合適的OTA結(jié)構(gòu)。隨著特征尺寸的減小,，MOS管的本征增益不斷降低,，單極結(jié)構(gòu)很難滿(mǎn)足增益要求。經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析,，本論文采用的OTA結(jié)構(gòu)如圖5所示,。第一級(jí)采用簡(jiǎn)單的共源運(yùn)放，提供高輸入擺率,。PMOS管作為輸入管,，可以消除體效應(yīng),，提供更好的線(xiàn)性度,。第二級(jí)為帶增益自舉套筒式共源共柵運(yùn)放。相對(duì)于折疊式結(jié)構(gòu)，套筒式結(jié)構(gòu)的功耗更低,。第二級(jí)提供了高增益和高擺率,。全差分運(yùn)放需要共模反饋電路穩(wěn)定輸出共模電平。第一級(jí)采用簡(jiǎn)單的連續(xù)時(shí)間共模反饋電路,。當(dāng)晶體管M1的電流小于M2的電流,，輸出電平升高。流經(jīng)M5的電流增大,。由于M4的電流為恒定值,，M2的電流減小并逐漸與M1的電流保持一致。輸出共模電平保持穩(wěn)定,，反之則反,。第二級(jí)采用開(kāi)關(guān)電容共模反饋電路，如圖6所示,。在采樣相,，開(kāi)關(guān)S1閉合，開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi),，電容C₁被參考電壓V_cm和偏置電壓V_b充電,。在保持相，開(kāi)關(guān)S2閉合,，開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi),，電容C₁和C₂通過(guò)電荷重分配穩(wěn)定輸出共模電平。在反饋電壓V_cmfb和偏置電壓V_b8之間增加一個(gè)源隨器隔離反饋電路的噪聲,。兩級(jí)運(yùn)放的頻率特性不穩(wěn)定,，通過(guò)在第二級(jí)輸入和輸出之間接入補(bǔ)償?shù)拇?lián)電容和電阻，引入一個(gè)零點(diǎn)去消除一個(gè)極點(diǎn),。

2.3 動(dòng)態(tài)偏置電路

    OTA是ADC中高功耗模塊,，通過(guò)減小OTA的功耗會(huì)顯著優(yōu)化ADC的功耗。由于OTA只在保持相工作,，所以其采樣相的功耗是多余的,。部分文獻(xiàn)采用開(kāi)關(guān)運(yùn)放技術(shù)，通過(guò)切斷OTA在采樣相的電流來(lái)降低功耗^[3],。但是這樣運(yùn)放的建立時(shí)間會(huì)增加電流恢復(fù)時(shí)間,，限制轉(zhuǎn)換速度。動(dòng)態(tài)偏置技術(shù)是功耗和速度的一種折衷,。在采樣相,，通過(guò)調(diào)整OTA的偏置電壓值，使OTA的靜態(tài)電流減小而不完全切斷,。OTA第一級(jí)動(dòng)態(tài)偏置電壓V_b1的產(chǎn)生電路如圖7所示,。Φ₁和Φ₂是兩相不交疊時(shí)鐘。在采樣相，Φ₁和Φ₃為高,，電容C₁,、C₂和C₃被分別充電。在保持相,，Φ₂和Φ₄為高,，三個(gè)電容被接在一起。其中柵寄生電容Cp不可忽略,。在兩個(gè)工作相位,，晶體管M1的柵電荷保持恒定。得到采樣相時(shí)的偏置電壓如下：

    通過(guò)調(diào)整電容C₂和C₃的比率可以得到合適的偏置電壓,。該電壓值低于正常工作的偏置電壓,，OTA的靜態(tài)電流減小，功耗降低,。

3 測(cè)試結(jié)果

    本論文設(shè)計(jì)的流水線(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器在0.18 μm混合信號(hào)CMOS工藝下流片,，在單電源1.8 V供電，100 MS/s采樣率下測(cè)試,，整體功耗為210 mW,。

    采用碼密度法測(cè)量A/D轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)特性微分非線(xiàn)性（DNL）和積分非線(xiàn)性（INL）。輸入信號(hào)為5 MHz的正弦信號(hào),，在100 MS/s采樣率下進(jìn)行16 M采樣,。DNL和INL的測(cè)量結(jié)果如圖8所示。DNL誤差在±0.3 LSB范圍內(nèi),，INL誤差在±2.3 LSB范圍內(nèi),，滿(mǎn)足16位流水線(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)要求。

    在5 MHz正弦輸入條件下,，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行64k采樣并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)分析,，結(jié)果如圖9所示?？梢缘玫絊FDR為91.9 dB,，SNR為74.4 dB，SNDR為74.2 dB,，有效位數(shù)(ENOB)為12.04,。表1是本論文設(shè)計(jì)的流水線(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器與近年來(lái)發(fā)表的參數(shù)相近的A/D轉(zhuǎn)換器的性能對(duì)比?？梢钥闯霰疚腁/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)值（FOM）為0.5 fJ/step,，在同類(lèi)電路中性能出色。

4 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)了一種基于MDAC優(yōu)化的低功耗16位100 MS/s流水線(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器,。采用級(jí)間縮減技術(shù)減小了芯片面積,。采用了簡(jiǎn)化MDAC結(jié)構(gòu),，在不影響電路性能的情況下，降低了芯片面積和功耗,。設(shè)計(jì)了一種適用于MDAC的高性能OTA,，在增益,、帶寬和擺率方面都達(dá)到了很高的性能,。在OTA中提出了一種動(dòng)態(tài)偏置技術(shù)，進(jìn)一步降低了電路功耗,。測(cè)試結(jié)果顯示,，流水線(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器的有效位數(shù)達(dá)到了12.04，優(yōu)值為0.5 fJ/step,。

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作者信息:

楊  龍，王宗民

（北京微電子技術(shù)研究所,，北京100076）