一種流水線結(jié)構(gòu)AD轉(zhuǎn)換器的速度分析方法

提出了一種開關(guān)電容流水線結(jié)構(gòu)A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)的速度分析方法。流水線結(jié)構(gòu)ADC的速度取決于其級(jí)電路中開關(guān)電容反饋放大器的建立速度。根據(jù)流水線結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，推導(dǎo)出輸入等效階躍電壓的計(jì)算公式。將建立過(guò)程劃分為大信號(hào)和小信號(hào)工作區(qū)，分別用不同的跨導(dǎo)運(yùn)放(OTA)模型進(jìn)行分析，得出了OTA指標(biāo)、采樣電容值等電路參數(shù)與建立時(shí)間之間的關(guān)系式。通過(guò)對(duì)一個(gè)10 bit流水線結(jié)構(gòu)ADC的MATLAB進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了所提出的分析方法和得到的關(guān)系式的有效性。
關(guān) 鍵 詞 模數(shù)轉(zhuǎn)換器; 流水線; 開關(guān)電容; 建立時(shí)間

對(duì)于CMOS流水線結(jié)構(gòu)A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)來(lái)講，開關(guān)電容流水線結(jié)構(gòu)是一種合適的選擇。ADC的轉(zhuǎn)換速度取決于其中反饋放大器的建立速度，因此在設(shè)計(jì)流水線結(jié)構(gòu)ADC時(shí)，對(duì)于給定的運(yùn)算放大器指標(biāo)，如何估算可實(shí)現(xiàn)的ADC轉(zhuǎn)換速度，或者對(duì)于給定的流水線結(jié)構(gòu)ADC性能要求，如何設(shè)計(jì)合適的運(yùn)算放大器指標(biāo)、采樣電容值等電路參數(shù)是一個(gè)很重要的問(wèn)題。
為了分析建立時(shí)間，可將工作在小信號(hào)工作狀態(tài)的運(yùn)放簡(jiǎn)化為單極點(diǎn)或二極點(diǎn)模型，相應(yīng)的反饋放大器的建立過(guò)程可簡(jiǎn)化為一階或二階閉環(huán)反饋系統(tǒng)的階躍響應(yīng)過(guò)程[1-2]。而對(duì)于大信號(hào)工作狀態(tài)時(shí)等效階躍輸入情況下(如Δ?Σ調(diào)制器中的開關(guān)電容積分器)，建立過(guò)程可被劃分為大信號(hào)工作區(qū)和小信號(hào)工作區(qū)分別進(jìn)行分析。在大信號(hào)工作區(qū)，運(yùn)放被簡(jiǎn)化為一個(gè)電流源，而在小信號(hào)工作區(qū)，則被簡(jiǎn)化為一個(gè)單極點(diǎn)模型[3]。本文針對(duì)流水線結(jié)構(gòu)ADC中開關(guān)電容電路的工作特點(diǎn)，提出了一種流水線結(jié)構(gòu)A/D轉(zhuǎn)換器的速度分析方法。

等效階躍電壓
圖1為流水線結(jié)構(gòu)中典型的采樣/保持/DAC/減法/增益模塊(MDAC)開關(guān)電容電路實(shí)現(xiàn)(為簡(jiǎn)單起見，僅分析單端配置的情況)，其中C1,C2,…,CM為采樣電容，CF為反饋電容，Cp為運(yùn)放負(fù)輸入端所見的寄生電容，CCM為運(yùn)放的共模反饋電容，Cn為后級(jí)采樣電容和反饋電容之和。在采樣相ΦS，輸入信號(hào)Vin被采樣到C1,C2,…,CM和CF上；在放大相ΦF，C1,C2,…,CM在本級(jí)ADC(sub-ADC)輸出的控制下接到參考電壓VR、0或?VR，且CF的右極板從Vin切換到運(yùn)放輸出端，此時(shí)MDAC構(gòu)成一個(gè)開關(guān)電容反饋放大器。