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，推導(dǎo)出輸入等效階躍電壓的計算公式。將建立過程劃分為大信號和小信號工作區(qū)，分別用不同的跨導(dǎo)運放(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)與建立時間之間的關(guān)系式。通過對一個10 bit流水線結(jié)構(gòu)ADC的MATLAB進(jìn)行仿真，驗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; 建立時間

對于CMOS流水線結(jié)構(gòu)A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)來講，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)計流水線結(jié)構(gòu)ADC時，對于給定的運算放大器指標(biāo)，如何估算可實現(xiàn)的ADC轉(zhuǎn)換速度，或者對于給定的流水線結(jié)構(gòu)ADC性能要求，如何設(shè)計合適的運算放大器指標(biāo)、采樣電容值等電路參數(shù)是一個很重要的問題。
為了分析建立時間，可將工作在小信號工作狀態(tài)的運放簡化為單極點或二極點模型，相應(yīng)的反饋放大器的建立過程可簡化為一階或二階閉環(huán)反饋系統(tǒng)的階躍響應(yīng)過程[1-2]。而對于大信號工作狀態(tài)時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)，建立過程可被劃分為大信號工作區(qū)和小信號工作區(qū)分別進(jìn)行分析。在大信號工作區(qū)，運放被簡化為一個電流源，而在小信號工作區(qū)，則被簡化為一個單極點模型[3]。本文針對流水線結(jié)構(gòu)ADC中開關(guān)電容電路的工作特點，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)電容電路實現(xiàn)(為簡單起見，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為運放負(fù)輸入端所見的寄生電容，CCM為運放的共模反饋電容，Cn為后級采樣電容和反饋電容之和。在采樣相ΦS，輸入信號Vin被采樣到C1,C2,…,CM和CF上；在放大相ΦF，C1,C2,…,CM在本級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切換到運放輸出端，此時MDAC構(gòu)成一個開關(guān)電容反饋放大器。