低压高性能采样/保持电路的研究

摘要

伴随数字工艺Scaling技术的不断发展和片上系统集成的需求，低压技术成为实现高端模数转换器(Analog-to-Digital Converter)ADC的发展趋势之一。与此同时，高清数字视频和无线射频技术的进步对ADC速度和精度也提出了更高要求。因此，研究对ADC系统速度、精度和功耗有着重要影响的采样/保持(Sample and Hold)S/H模块如何在低压下达到高性能成为热门课题。
　　本文源于S/H基本理论，从采样开关、跨导放大器(Operational Transconductance Amplifier)OTA和S/H电路拓扑结构三个方面研究和探讨了在低压工艺下实现高性能S/H电路的难点和相关技术方法，并基于SMIC Si0.18μm CMOS工艺模型进行了设计和验证。
　　首先，推导了电源电压VDD按比例减小的情况下S/H电路各主要参数之间的制约关系：要保持精度N不变，电路允许的最小噪声电压σ也必须按比例减小，由带宽GBW和采样率fs决定的速度均需不同程度下降；当工艺线宽L、GBW、fs和N均恒定时，功耗反而会上升，要降低功耗则要牺牲速度和精度；当深亚微米工艺中L足够小使VDD随之线性减小时，功耗在GBW、fs、N恒定情况下降低。
　　其次，在对比总结采样开关各种非理想因素及其相关解决技术基础上，提出了一种高线性度无馈通双边对称(No-Feedthrough Double-Side Symmetrical)NFDSS栅压自举NMOS采样开关；在1.8V电源电压下，仿真测试了8种类型采样开关并比较其在满摆幅输入下导通电阻Ron曲线，得到该NFDSS开关具有仅不足4最小且最稳定的Ron，更适合低压高性能应用。
　　接着，通过求证适合高性能S/H系统OTA的增益自举和无电容前馈补偿技术增益带宽设计规则，提出了一种高增益大带宽大摆幅的共源共栅跨导前馈补偿(Cascode Gm-FeedForwrd)CGFF两级全差分OTA，其性能优于传统套筒式、折叠式共源共栅Cascode-OTA和Miller补偿两级OTA。
　　然后，从分析相关双采样(Correlated Double Sampling)CDS原理和比较不同CDS技术入手，揭示了它与S/H原理的相关性，并将同向宽带CDS原理应用于传统电荷转移型S/H电路，获得能消除OTA失调、低频噪声和开关电荷注入等直流误差且增益误差远低于传统值的CDS-S/H拓扑。
　　最后，综合前述不同技术，在3.3V电源电压下，提出了12bit精度100Msps采样率S/H电路的3例设计方案。优化的仿真结果表明：应用NFDSS栅压自举采样开关和增益95.47dB带宽760MHz相位裕度59.56°增益自举OTA的方案Ⅰ得到了84.24dB-SFDR；仅替换90.39dB增益726.9MHz带宽CGFF-OTA的方案Ⅱ比方案Ⅰ功耗低10.69mW且平台稳定时间长6.3％；改用CDS-S/H拓扑结构的方案Ⅲ相比方案Ⅰ与Ⅱ有最小增益误差0.1199‰，OTA结构最为简单，增益仅需69.96dB。
　　3例方案均实现了12bit、100Msps S/H电路，验证了本文提出技术方法的可行性，从不同角度克服了S/H电路精度N、带宽GBW、采样率fs和功耗等指标之间相互制约的性能瓶颈，为解决低压带来的设计难题提供了可选途径。
　　上述理论和方法可望用于高性能流水线Pipeline ADC的前端S/H模块实现和相关技术领域的进一步研究探讨。

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第一章 引言

1.1 课题意义

1.2 发展现状

1.3 论文架构

第二章 S/H理论

2.1 信号处理原理

2.2 基本指标定义

2.3 基本拓扑结构

2.4 Pipeline ADC中的S/H模块

2.5 低压设计策略

2.6 小结

第三章 高性能MOSFET采样开关

3.1 采样开关基本特性

3.2 下极板采样技术

3.3 栅压提高技术

3.4 栅压自举技术

3.5 馈通消除技术

3.6 NFDSS采样开关

3.7 性能对比

3.8 小结

第四章 高性能跨导放大器

4.1 OTA基本特性

4.2 增益自举Cascode-OTA

4.3 无电容前馈补偿两级OTA

4.4 OTA-CMFB

4.5 小结

第五章 CDS-S/H拓扑

5.1 CDS技术原理

5.2 CDS-SCA类型

5.3 CDS-SCA性能对比

5.4 CDS-S/H

5.5 小结

第六章 电路设计方案

6.1 高线性度NFDSS采样开关

6.2 高性能OTA

6.3 S/H电路实验方案

6.4 3例方案比较分析

6.5 小结

第七章 结论与展望

致谢

参考文献

附录 GB-Cascode-OTA设计规则推导

攻硕期间取得的研究成果