差分BiCMOS采样电路仿真设计

文章摘要： 图4为多增益级折叠式共栅-共源运放电路，采用Q1和Q2双极型晶体管(BJT)差动输入方式，共栅-共源镜像电流源VP3和VP4，VP1和VP2作为有源负载，藉此提高运放的电压增益；采用Q3，Q4和Q5，Q6共基-共射电路作为运放的差动输出级，以增强运放的负载驱动能力并具有高速特性；开关电容构成共模反馈电路(CMFB)，可使运放的输出信号和输入信号的直流分量相等；UB1，UB2，UB3和UB4为偏置电压。转换时间tC和建立时间tS分别约为采样周期TS的1／8和3／8。经过计算，当fS为250 MHz时，tC=0.5 ns，tS=1.5 ns。这就要求转换速率(SR)为500 V／μs

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    图4为多增益级折叠式共栅-共源运放电路，采用Q1和Q2双极型晶体管(BJT)差动输入方式，共栅-共源镜像电流源VP3和VP4，VP1和VP2作为有源负载，藉此提高运放的电压增益；采用Q3，Q4和Q5，Q6共基-共射电路作为运放的差动输出级，以增强运放的负载驱动能力并具有高速特性；开关电容构成共模反馈电路(CMFB)，可使运放的输出信号和输入信号的直流分量相等；UB1，UB2，UB3和UB4为偏置电压。转换时间tC和建立时间tS分别约为采样周期TS的1／8和3／8。经过计算，当fS为250 MHz时，tC=0.5 ns，tS=1.5 ns。这就要求转换速率(SR)为500 V／μs，计算公式如下：SR=UP-P／tC(式中UP-P为输入电压峰-峰值，UP-P=250 mV)。为使运放获得较高的直流增益和高精度，所设计S／H电路的绝对误差δ≤±ULSB／2，它的输出电压有效值U。与直流增益A、采样电容CS及寄生电容CP的关系式为

Uo≈UI[1-(1+CP／CS)／A](2)

    由式(2)可见，通过增大运放的直流增益A来减小增益误差(1+Cp／Cs)／A，可使Uo与UI之间的偏差小于1／2N+1(N是系统所要得到的精度位数)。因而对于10位系统，电压增益至少为67.21 dB，此时CP≈0.12 pF。考虑到电路提速的要求，取CS=1 pF。对于线性采样电路来说，为使tS=0.375 7TS，取单位增益带宽fT大于725MHz。fT与反馈系数F、建立时间常数τS之间有如下关系

fT>1／2π(FτS)=1／2π[F(tS／7.6)]  (3)

式中：建立时间tS=7.6τs，F=0.89。与CMOS运放相比，BiCMOS运放不但具有高增益、低噪声特性，而且具有较短的建立时间ts，速度较快，尤其是其相位裕度大于45°，因此运放的工作性能稳定。

4  双通道共模反馈电路的设计

    因为全差分折叠式运放的共模输出电压对器件的适配情况较为敏感，所以在运放中加入双通道开关电容CMFB电路，可以达到稳定其静态工作点和增大共模输出电压摆幅的目的。图5为采用开关电容结构设计的共模反馈电路，用以稳定输出摆幅和电路阻抗。设计的CMFB电路通过对共模输出电压进行反馈校正，确保运放输入和输出短路。图5中uO+和uO-为运放的输出电压，uc为运放的理想共模输出电压，uc=(uO++uO-)／2，uc作为图4中VP和VP构成的共栅-共源电流源I3和I4的栅极电压。共模反馈系数β=2CS／(2CS+CP)，图5φ1和φ2为时钟信号，其中的开关均为PMOS管；φ1时刻开关电容CS进行充电，φ2时刻非开关电容Cc产生输出电压的平均值，用以形成控制运放电流源IS的电压。CC上的直流电压由CS决定，CS和CC并联在UB1和UB2两个偏置电压之间起开关作用，UB2=uc-VDD，CS为0.1～0.25 CC。图6是电源电压为1.2 V，输入电压uI峰-峰值为0.6 V，采用0.18 μm CMOS工艺，共模输出电压uc的仿真波形。由图6可截出uc的最大输出电压幅值Ucm≈600 mV，运放达到共模输出电压的稳定时间tW=(4.135-4.12)×10-7s≈1.5 ns。

5  实验结果与分析

    利用Cadence Spectre软件工具的仿真环境，采用SMIC公司0.25μm标准BiCMOS工艺，进行了模拟仿真实验。实验运放电路的参数如下：输入信号频率fI为0～10 MHz的正弦波电压，共模输入电压为1.5 V，UP-P=1 V，fS=250 MHz，输出端负载电容CL=0.5 pF。从图7采样放大器的频响曲线可见：运放直流电压增益A=72 dB，单位增益带宽fT=1.6 GHz；S／H电路的反馈系数F=0.89时，对应的相位为-107.9°，故相位裕度Pm为72.1°，满足系统大于725 MHz的带宽要求，同时相位裕度大于45°，因而所设计的系统是稳定的。图8为所设计的S／H电路，经仿真实验获得的离散傅里叶变换(DFT)频谱分布，可见当fI=10 MHz，fS=250 MHz时，S／H电路的SFDR=-61 dB，SNR=62 dB，三次谐波电压201gU3=-105.6 dB，SNR大于50 dB，此时S／H分辨率ENOB=(SNR-1.76)／6.02>10位，满足10位ADC的性能要求。表1为运放的仿真结果，建立时间tS=1.37 ns，转换速率SR=500 V／μs，功耗PD=8 mW，tS较短，SR较高，PD较低，符合ADC的高速要求。表2为所设计的S／H电路与其他文献S／H电路的仿真结果性能对比情况，由表可见，所设计的S／H电路的fS=250 MHz，采样频率适中；其VDD=3 V，比文献[3]中的S／H电路低0.3 V，而功耗PD=10.85 mW，介于前两者之间，比文献[3]S／H电路降低15.15 mW；但它具有10位的高精度，比文献[3]S／H电路提高了两个精度等级。

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