用于时间交织ADC的高精度开环跟踪保持电路设计

文章摘要：0 引言 随着数字通信系统的发展，高速数字处理系统对模拟信号和数字信号之间的转换要求越来越高。目前高性能模数转换器(ADC)的两大主要发展方向是高速、中低精度ADC和低速、高精度ADC。前端T&H电路通常是ADC设计的一个关键，其动态精度的好坏直接影响着ADC性能的优劣。1 开环T&H电路在超高速ADC的设计中，一般多采用全并行Flash结构或者是时间交织结构。而在时间交织结构中，其前端T&H电路则可以根据设计要求分别采用开环或者闭环结构。闭环结构速度较低，精度较高，而开环结构速度高，但本身精度较低。本设计中采用后者。T&H电路的失真主要来源于非线性MOS开关电阻、开关寄生电容和开关电荷注

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0  引言

  随着数字通信系统的发展，高速数字处理系统对模拟信号和数字信号之间的转换要求越来越高。目前高性能模数转换器(ADC)的两大主要发展方向是高速、中低精度ADC和低速、高精度ADC。前端T&H电路通常是ADC设计的一个关键，其动态精度的好坏直接影响着ADC性能的优劣。

　　1 开环T&H电路

　　在超高速ADC的设计中，一般多采用全并行Flash结构或者是时间交织结构。

　　而在时间交织结构中，其前端T&H电路则可以根据设计要求分别采用开环或者闭环结构。闭环结构速度较低，精度较高，而开环结构速度高，但本身精度较低。本设计中采用后者。

　　T&H电路的失真主要来源于非线性MOS开关电阻、开关寄生电容和开关电荷注入。MOS开关导通电阻的非线性在跟踪信号时产生的失真，也限制了电路跟踪和建立时间。因此，在超高速T&H电路中，输入采样开关必须具有较低且近乎恒定的导通电阻。

　　图1所示是开环T&H电路的结构，该电路主要包括采样开关、采样电容和输出缓冲器三个部分。为了解决开环电路本身线性度差的问题，本文采用了自举开关技术和加强型缓冲器技术。自举采样开关可提高开关导通电阻的线性度，且差分结构可以降低电荷注入，改善电路性能；而后端的加强型缓冲器技术则提高了带宽和增益，降低了管子尺寸和功耗，最终达到提高开环T&H电路精度的目的。

　　2 自举采样开关

　　由于采样开关在导通时可等效为一个非线性电阻，它会引入噪声和非线性失真，因此，采样开关的线性度直接影响着T&H电路的精度。现在应用中的高线性度开关主要有互补MOS开关和自举采样开关。

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　　参考零极点分析，在适当的设计参数下，由于左半平面零点的存在，使得增益曲线中有一个上翘的过程，从而展宽了缓冲器带宽，图4所示为其缓冲的增益曲线。从图4中给出的三种结构的增益仿真结果可以看出，在驱动相同的负载情况下，本文的输出缓冲器结构增益和有效增益带宽都明显好于其他两种结构。

　　4 仿真结果分析

　　该电路采用0.18μCMOS工艺模型，输入信号峰峰值为1.6Vpp，采样频率为400 MHz，可在HSPICE仿真条件下进行设计仿真。图5给出了T&H电路的无杂散动态范围仿真结果。从图中可以看出，本T&H电路结构的静态精度为79 dB，相对于交叉耦合对结构的59 dB静态精度，有近20 dB的提高。电路的动态精度可以达到58.7 dB，相对提高了16.5 dB。可见，本文介绍的T&H电路无论是静态精度，还是动态精度都优于以往文献中的结构性能，而且在面积功耗方面也都有所缩小。

　　5 结束语

　　本文采用0.18 μm CMOS工艺设计了一种适用于TI-ADC的高速、低功耗开环T&H电路。仿真结果表明：通过采用高线性度自举开关和高增益高带宽输出缓冲器可以显著改善开环T&H电路的精度。可在400 MHz的采样频率，1.6Vpp的输入信号范围，799.8047 MHz信号输入频率下，最终获得9.5位的近似精度，同时电路功耗仅10.56mW。由此可见，本开环T&H电路的设计简单，功耗低，能够较好满足较高线性度的应用要求

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