一个用于流水线模数转换器的高精度、低功耗采样保

则要求放大器必须为一级结构。而为了实现如此高的直流增益，则必须采用增益增强技术，原理示意图如图3所示。图中，由M1、M2和理想电流源构成主运放，Aadd为用于增益增强的辅助放大器。采用该技术后，这个电路的直流增益为：

其中，r_o1、r_o2为M1、M2的输出电阻，g_M1、g_M2为M1、M2的跨导。

图3　增益增强结构的运算放大器

采用该技术之前，放大器的直流增益为：

(2)式和(3)式表明，增益增强技术可以使放大器的直流增益提高一个数量级。因此在该放大器的设计中，采用如图4所示的带有A1和A2两个辅助放大器的增益增强折叠式共源共栅放大器，其中，A1和A2以外的部分为主放大器。为了简化设计，辅助放大器也采用折叠式共源共栅结构。因此，辅助方法器和主放大器的偏置电路可采用同一个偏置电路，大大简化了设计。而辅助放大器的电流仅为主放大器电流的1/10，因此与套筒式共源共栅放大器相比，整体电路并不会额外增加电流。

图4　增益增强折叠式共源共栅运算放大器

需要提出的是，主放大器和辅助放大器采用了不同的共模反馈电路(CMFB)。对于主放大器而言，因为输出电压范围2V_pp，因此在实现较大的输出摆幅，又不额外增加功耗的要求下，采用开关电容共模反馈电路。如图5所示，通过电容C1和C2间的电荷转移调节电流源管的栅电压来改变输出电流，从而稳定输出共模电压。对于辅助放大器而言，其输出摆幅很小，输出为共栅管的偏置电压，采用一种简单的连续时间共模反馈电路，如图6所示，其原理是通过调节M_cmfb1和M_cmfb2管子的电流来稳定输出共模电压。

图5　开关电容共模反馈电路

图6　辅助放大器及其共模反馈电路

自举开关

开关是采样保持电路的一个重要组成部分。它是信号失真，电荷注入和时钟馈通效应主要来源。后两者可通过采用下极板采样和全差分电路结构来消除。A/D对信号失真要求很高，因为失真直接影响到A/D的精度。当信号幅度较高时，采样保持电路的精度和速度就直接受限于失真。而失真的主要原因是开关导通电阻的非线性。开关导通电阻不是一个固定值，而是输入信号的函数。对于短沟器件的导通电阻为：

其中V_G，V_S，V_D和V_B分别为晶体管栅、源、漏和衬底电压。一般，输入信号电压连接在源端。假设，V_S=V_D=V_B。通过PMOS管的自衬底技术使衬底和源短连接在一起，从而消除分母中后半部分平方根中的部分。则开关的导通电阻R_ON主要有V_G-V_S的差值决定，自举开关就是通过固定这个差值来实现开关的线性导通电阻，从而消除信号失真。自举开关电路如图7所示，工作原理是：当CLK为高的时候，自举开关属于关断状态，此时开关M_S的栅通过管子M₁连接在VSS。而同时，电容C₁两端电压差为V_DD-V_TH，其中V_TH为NMOS管的阈值电压。当CLK为低的时候，自举开关属于导通状态，此时，M₁管关闭，通过M₂管使开关M_S的栅电压固定为V_in+(V_DD-V_TH)。其仿真结果如图8所示。需要指出的是，图2中4处有开关，其中S₁和S₂采用自举开关，S₃采用CMOS传输门，S₄采用简单NMOS传输门，这样可以简化电路并降低功耗。

图7　自举开关

图8　自举开关仿真结果

仿真结果和结论

图4所示的运算放大器的Hspice的仿真结果为图9，在电路负载为15p的情况下，直流增益为104.6dB，单位增益为166MHz，相位裕度为71度。完全满足设计要求。图10为该采样保持电路的在输入信号为5MHz，全差分信号幅度为2V_pp采样频率为20MHz情况下的输出频谱图。仿真结果显示，该电路的SFDR为92.4dB，SNDR为88.6dB，SNR为96.1dB。

本文描述了一个用于14位20MHz流水线A/D的采样保持电路。该电路采用UMC logic 0.25μm2.5V工艺，通过采用增益增强放大器和自举开关，在输入为±1V频率为5MHz正弦波，采样频率为20MHz的情况下获得了96.1dB的信噪比。

图9　运算放大器的频率特性曲线

图10　仿真频谱图(f_in=5MHz，f_s=20MHz)