低功耗10位100 MHz流水线A／D转换器设计

由于全差分结构需要共模反馈电路来稳定输出的共模电平。常见的开关电容共模反馈电路在两个相位时引入不同的电容负载，这会增加电路的失真和谐波。而连续型共模反馈电路虽然能够在双相时都正常工作，但同时会增加开关电容电路的功耗和影响运放输出摆幅。
本文采用图4中的双相开关电容共模反馈电路，这样的电路适合本电路采用运放共享技术以后，运放需要双相工作的特点。
该共模反馈电路通过增加2个电容和三组开关，使得共模反馈电路能双相工作。其中C1，C2的取值对共模反馈相当重要，较大的C2可以使共模电压更加精确，而C1和C2的比值又决定了共模反馈建立的时间。
运算放大器的几个性能参数见表1。

2．2 改进的栅压自举采样开关
采样开关对整个电路的性能有着至关重要的作用，较大的开关会使得电荷注入、时钟馈通效应更加显著，而较小的开关又由于导通电阻过大，引入一个极点。
图5为本文采用的栅压自举开关，电路原理为：假设采样时钟的高电平等于电源电压VDD，低电平为O，那么电路上电一个时钟周期后，C1，C2均充电到VDD。因此M3的栅极低电平为VDD，高电平为2VDD的方波信号。在ψ为高电平时，M3和M12同时导通，使电容C3充电至电源电压VDD。

此时M10，M7导通，M11的栅极通过M7和M10与地相连，M11处于断开状态。当为低电平时，M10，M3，M12断开，M8，M9导通，这样C2上的电压VDD加到M11的栅源两端，VGS=VDD。因此ψ为高电平时，这个栅压自举开关导通，ψ为低电平时栅压自举开关断开。
在此采样保持电路和前两级MDAC电路的采样开关均采用了上图所示的栅压自举开关。结果显示采用栅压自举后的采样保持电路的线性度大大提高。采用了这样的采样开关后，在输入信号频率范围在50 MHz以内，采样保持电路的SFDR始终能保持在87 dB以上。较高性能的采样保持电路也决定了整个ADC能够较好地工作在欠采样情况下。
2．3 动态比较器
由于采用1．5位／级的结构，即使比较器具有较大的失调误差，数字校正电路还是可以轻易的将这种误差消除，从而保证了结果的正确性。在本设计中，只要比较器的失调误差在200 mV范围之内都可以接受，对比较器的设计要求放宽很多，就极大地提高了设计的灵活性。
动态比较器具有结构简单、功耗小、而且可以内置可调翻转点的特点。但是其缺点是大的失调和回踢噪声。在此所采用的动态比较器结构如图6所示。

图6中M10和M11组成了一个锁存器(Latch)，M9和M12用来复位锁存器。M1～M4工作在线性区，相当于可调电阻，当输入信号变化时，左右支路的等效阻抗也会发生变化。当锁存信号Latch为高电平时，处于锁存阶段，M5和M6的漏极分别接到Latch的输出端A点和B点。此时，M7和M8仅起到了一个开关的作用，而M3和M4则有加强Latch正反馈的作用，它们的正反馈增益是由M5和M6源极的电阻来决定的。通过正反馈，源极电阻小的那路输出为高，电阻高的那路输出为低。
比较器的阈值由差分对的电流分配来决定，文献给出了详细的推导，而在实际设计时，常需要通过仿真来设计比较器的阈值电压。而本文中需要的阈值电压为+1／4Vref和-1／4Vref。
仿真结果表明，比较器最高工作频率能够达到300 MHz。蒙特卡罗分析表明，比较器的输入失调在62 mV以内，满足1／4Vref的失调范围要求。