用于流水線ADC的無(wú)采樣保持運(yùn)放前端電路

陳迪平 張仁梓 曹倫武 陳卓俊 曾健平

摘? ?要：為了降低流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器功耗與提升輸入信號(hào)范圍，設(shè)計(jì)了一種無(wú)采樣保持運(yùn)放前端電路. 移除采樣保持運(yùn)放降低了功耗，并改進(jìn)開關(guān)時(shí)序進(jìn)一步降低電路功耗;同時(shí)改進(jìn)傳統(tǒng)開關(guān)電容比較器輸入，使得模數(shù)轉(zhuǎn)換器可達(dá)到0 ～ 3.3 V滿電源電壓的量化范圍. 將設(shè)計(jì)的無(wú)采樣保持運(yùn)放前端電路應(yīng)用在一款低功耗12位50 MS/s流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行驗(yàn)證，采用0.18 μm 1P6M工藝進(jìn)行流片，芯片面積為1.95 mm2. 測(cè)試結(jié)果表明：3.3 V電壓下，采樣率為50 MS/s、輸入信號(hào)頻率為5.03 MHz時(shí)，信噪失真比（SNDR）為64.67 dB，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）為72.9 dB，功耗為65 mW.

關(guān)鍵詞：流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器;無(wú)采樣保持運(yùn)放;孔徑誤差;開關(guān)電容比較器

中圖分類號(hào)：TN495? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Front-end Circuit without Sample-and-hold

Amplifier for Pipelined ADC

CHEN Diping1，ZHANG Renzi1?，CAO Lunwu2，CHEN Zhuojun1，ZENG Jianping1

（1. College of Physics and Microelectronics Science，Hunan University，Changsha? 410082，China;

2. Hunan Advancechip Electronic Technology Company，Changsha 410205，China）

Abstract：A front-end circuit without Sample-and-Hold Amplifier（SHA）? is presented for reducing power consumption and increasing input range of pipelined ADC. Removing Sample-and-Hold Amplifier and improving switching timing reduce the circuit power consumption，while improving the traditional switched-capacitor comparator inputs to make ADC achieve a 0-3.3V full supply voltage quantization range. The front-end circuit without Sample-and Hold Amplifier is verified in a low power 12 bit 50 MS/s pipelined ADC. The circuit is implemented in a 0.18 μm 1P6M process，and occupies a chip area of 1.95 mm2. The test? results with a 5.03 MHz input wave under a sampling rate of 50 MS/s show that the ADC achieves a 64.67 dB signal-to-noise and distortion ratio（SNDR）? as well as a 72.9 dB spurious-free dynamic range（SFDR），while it consumes the power consumption of 65 mW.

Key words：pipelined Analog to Digital Converter（ADC）;Sample-and-Hold Amplifier（SHA）-less;aperture error;switched-capacitor comparator

高速高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）是如今眾多高性能數(shù)模混合電路系統(tǒng)中不可或缺的部分[1-4].隨著工藝水平的提高以及便攜式電子設(shè)備的興起，高速低功耗ADC[5-6]也正成為研究熱點(diǎn). 常見的ADC有流水線型（Pipelined）[7-8]、逐次比較型（Successive Approximation Register，SAR）[9]、混合型（Pipelined-SAR）[10]、過(guò)采樣型（Sigma Delta，Δ-Σ）[11]等，而Pipelined ADC因其較快的速度、較高的精度以及適中的功耗而被廣泛應(yīng)用.

為達(dá)到低功耗Pipelined ADC設(shè)計(jì)要求，研究者們提出了許多降低功耗方法，如運(yùn)放共享技術(shù)[12]、無(wú)前端采樣保持運(yùn)放技術(shù)（Sample-and-Hold Amplifier-less，SHA-less）[13-14]等. 傳統(tǒng)Pipelined ADC設(shè)計(jì)中，為使子ADC和余量增益電路（Multiplying Digital-to-Analog Converter，MDAC）兩條路徑傳輸信號(hào)一致，信號(hào)通過(guò)采樣保持電路（Sample-and-Hold Amplifier，SHA）后才開始逐級(jí)量化. 由于SHA電路位于ADC最前端，為達(dá)到高速高精度目的，系統(tǒng)對(duì)SHA中運(yùn)放的增益與帶寬具有很高要求，從而消耗巨大功耗. 因此，降低Pipelined ADC功耗的一種有效方法是移除采樣保持運(yùn)放. SHA電路具有穩(wěn)定兩條信號(hào)路徑一致性和電平轉(zhuǎn)移功能，移除采樣保持運(yùn)放會(huì)帶來(lái)孔徑誤差[14]及輸入信號(hào)范圍變小等問題. 因此，采用SHA-less電路，需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì).

本文設(shè)計(jì)了一種適用于低功耗高精度SHA-less Pipelined ADC的前端電路，改進(jìn)開關(guān)時(shí)序減小首級(jí)ADC比較器導(dǎo)通時(shí)間來(lái)降低功耗和消除孔徑誤差，同時(shí)改進(jìn)傳統(tǒng)開關(guān)電容比較器輸入，使得ADC可量化輸入信號(hào)電平達(dá)到0～3.3 V滿電源電壓. 所設(shè)計(jì)的電路應(yīng)用在一款中低端DSP芯片中的低功耗12位50MS_s_Pipelined ADC進(jìn)行驗(yàn)證，采用0.18 μm 1P6M工藝進(jìn)行電路設(shè)計(jì)仿真及流片，測(cè)試結(jié)果良好.

1? ?傳統(tǒng)前端SHA電路

圖1所示為傳統(tǒng)前端SHA電路原理圖. 采樣相時(shí)，開關(guān)S1閉合，S2斷開，采樣電容CS對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣;保持相時(shí)，開關(guān)S1斷開，S2閉合，電容CS上的電荷往反饋電容CF上進(jìn)行轉(zhuǎn)移，最終得到輸出Vout = Vin CS /CF. 在下一次采樣時(shí)刻到來(lái)前，輸出將保持不變. 因此，在保持相，信號(hào)往首級(jí)子ADC與MDAC傳輸時(shí)，兩條路徑不會(huì)存在偏差. 同時(shí)，若輸入信號(hào)電平超出首級(jí)ADC量化范圍時(shí)，可以通過(guò)設(shè)置合理的CS /CF比值，將輸入信號(hào)進(jìn)行電平變換后再進(jìn)行量化.

由于SHA電路位于Pipelined ADC最前端，因此系統(tǒng)對(duì)SHA電路中運(yùn)放的增益與帶寬具有很高要求，導(dǎo)致SHA電路消耗巨大功耗，通常占據(jù)整個(gè)系統(tǒng)功耗的30%[15]以上. 因此，在低功耗Pipelined ADC設(shè)計(jì)中，移除前端SHA電路中的運(yùn)放顯得很有必要. SHA-less的前端電路信號(hào)傳輸路徑如圖2所示，輸入信號(hào)傳輸存在兩條路徑，一條為信號(hào)直接送入首級(jí)ADC進(jìn)行量化，另一條為送入采樣電路. 若兩條通道時(shí)間常數(shù)不匹配，將會(huì)產(chǎn)生孔徑誤差，從而降低整個(gè)系統(tǒng)量化精度.

由式（1）和圖3可知，ADC可量化的最大信號(hào)輸入電平為ΔVREF = VREFP - VREFN. 增大ADC可量化的輸入信號(hào)電平，只能增大基準(zhǔn)電壓VREFP、VREFN差值，但不能達(dá)到滿電源電壓輸入. 考慮到Pipelined ADC由多級(jí)子ADC組成，若保持圖3中電阻串阻值不變，增大基準(zhǔn)電壓VREFP - VREFN差值將會(huì)明顯增加功耗，同時(shí)對(duì)基準(zhǔn)電壓VREFP、VREFN產(chǎn)生電路的電流驅(qū)動(dòng)能力要求也增高，從而導(dǎo)致基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路面積大幅增加;若增大電阻串阻值以降低功耗和基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的電流驅(qū)動(dòng)能力，由圖4所示保持相比較器等效輸入可知，時(shí)間常數(shù)τ = Rep·VREFP、Co將會(huì)大幅增加，比較器工作速度降低，從而降低ADC量化速度. 因此，圖3所示比較器電路不適合高輸入信號(hào)電平的SHA-less Pipelined ADC.

2? ?SHA-less Pipelined ADC前端電路

圖5為本文設(shè)計(jì)的SHA-less前端電路結(jié)構(gòu)圖，電路為全差分結(jié)構(gòu)，為簡(jiǎn)化這里只給出單端電路圖. 電路共有16個(gè)比較器，可實(shí)現(xiàn)4 bit首級(jí)子ADC功能. 圖中給出了部分開關(guān)時(shí)序，ADC采樣開關(guān)φ1在采樣電容CS開關(guān)φs后導(dǎo)通，降低了比較器導(dǎo)通工作時(shí)間，進(jìn)一步減小部分電路功耗. 因?yàn)椴蓸訒r(shí)刻不一致產(chǎn)生的誤差，可以通過(guò)兩條采樣路徑阻抗不匹配誤差進(jìn)行抵消以達(dá)到數(shù)字邏輯可校準(zhǔn)范圍. 比較器改進(jìn)輸入可實(shí)現(xiàn)滿電源電壓輸入，具體工作原理后面將做詳細(xì)討論.

2.1? ?孔徑誤差的消除

根據(jù)校正原理，總誤差需滿足式（2）：

其中，總誤差包括比較器輸入失調(diào)、孔徑誤差、基準(zhǔn)源誤差等;VFS是ADC滿輸入量程;AV是MDAC增益. 本文設(shè)計(jì)中，ADC輸入為滿電源電壓量程，即0～3.3 V;首級(jí)MDAC增益為8. 假設(shè)因?yàn)閮蓷l信號(hào)路徑不匹配帶來(lái)的孔徑誤差Verror_mismatch占總誤差的一半，則可得：

Verror_mismatch < 51.56 mV? ? ? （3）

圖5給出的部分開關(guān)時(shí)序圖，與傳統(tǒng)開關(guān)時(shí)序不同，為了減少比較器導(dǎo)通時(shí)間以降低ADC功耗，比較器采樣開關(guān)φ1在采樣電容開關(guān)φS后導(dǎo)通. 此處引起的誤差可以通過(guò)采樣路徑不匹配進(jìn)行抵消. 假設(shè)輸入信號(hào)為一正弦波：

Vin = A0 sin ωt? ? ? （4）

采樣電容CS和ADC分別在t1、t2時(shí)刻對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，兩條路徑產(chǎn)生的延遲分別為τ1、τ2 . 因此產(chǎn)生的誤差為：

Verror_mismatch ≌ A0 [sin ω（t1+τ1）-sin ω（t2+τ2）]? （5）

輸入正弦波信號(hào)在過(guò)零處，式（5）所示的誤差將會(huì)呈現(xiàn)最大值：

Verror_mismatch_max ≌ A0 [sin ω（t1-t2）+sin ω（τ1-τ2）]? （6）

通過(guò)合理設(shè)置開關(guān)φS和φ1尺寸，使得Δτ = τ1-τ2 = Rons CS - Ron1 CO與Δt = t1 - t2相抵消，以使誤差最小. 其中，Rons、Ron1分別為開關(guān)φS和φ1的導(dǎo)通阻抗. 本設(shè)計(jì)通過(guò)不斷提取參數(shù)進(jìn)行后仿真來(lái)優(yōu)化電路設(shè)計(jì)與版圖匹配，使得在50 MS/s采樣率下，輸入正弦波頻率達(dá)10 MHz時(shí)，孔徑誤差為11 mV，滿足式（3）要求且有較大余量.

2.2? ?首級(jí)子ADC可量化輸入信號(hào)電平的提升

由第1節(jié)的分析可知，采用SHA-less結(jié)構(gòu)后，首級(jí)ADC能量化的最大輸入信號(hào)電平將會(huì)變小. 如圖5所示，本設(shè)計(jì)對(duì)傳統(tǒng)電容開關(guān)比較器輸入進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)設(shè)置合理的VREFP、VREFN值，可以使得ADC達(dá)到0 ～ 3.3 V的滿電源電壓輸入.

比較器輸出如式（7）所示.

由式（7）可知，輸入信號(hào)ΔVin = Vinp - Vinn，減去一個(gè)固定直流量ΔVREF = VREFP - VREFN后再與參考電壓做比較，實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào)電平變換的功能. 因此，合理設(shè)置VREFP、VREFN的值，可以實(shí)現(xiàn)ADC滿電源電壓的輸入. 本設(shè)計(jì)中，Vrefp - Vrefn的取值為：

因此可得VREFP - VREFN? = 1.65 V，結(jié)合電路設(shè)計(jì)的VREFP + VREFN共模值，便可確定VREFP、VREFN的值. 圖6為0 ～ 3.3 V滿幅輸入時(shí)，運(yùn)放輸出的曲線圖. 由圖可以看出，ADC可以實(shí)現(xiàn)0 ～ 3.3 V滿電源電壓量化范圍.

3? ?SHA-less前端電路應(yīng)用及測(cè)試結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的SHA-less前端電路已成功應(yīng)用于一款12位50 MS/s的pipelined ADC芯片中，結(jié)構(gòu)圖如圖7所示. 12位50 MS/s的pipelined ADC采用4+3+3+3的四級(jí)流水結(jié)構(gòu)，為降低ADC整體功耗，首級(jí)采用了本文設(shè)計(jì)的4bit SHA-less結(jié)構(gòu)，電路0.18 μm 1P6M工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)及流片.

圖8為芯片照片圖，面積為1.95 mm2.

圖9為ADC測(cè)試的線性度曲線，微分非線性（Differential NonLinearity，DNL）誤差為-0.61/+0.61LSB，積分非線性（Integral NonLinearity INL）誤差為-0.82/+0.7LSB.

圖10顯示了在3.3 V電源電壓下，采樣率為50 MS/s、輸入信號(hào)為5.03 MHz時(shí)的測(cè)試FFT頻譜圖，信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）為65.03 dB，信噪失真比（Signal to Noise and Distoration Ratio，SNDR）為64.67 dB，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（Spurious Free Dynamic Range，SFDR）為72.9 dB，整體功耗為65 mW. 功耗與具有采樣保持運(yùn)放的相似架構(gòu)流水線ADC相比[3]，降低了40%.

表1給出了文中所設(shè)計(jì)ADC與部分參考文獻(xiàn)提出的ADC性能對(duì)比，可以看出本文設(shè)計(jì)具有較小的功耗與精度、面積以及最大的輸入范圍.

4? ?結(jié)? ?論

本文提供了一種適用于低功耗Pipelined ADC設(shè)計(jì)的無(wú)采樣保持運(yùn)放的前端電路. 改進(jìn)采樣開關(guān)時(shí)序減小了電路功耗，同時(shí)改進(jìn)傳統(tǒng)開關(guān)電容比較器輸入，使得ADC可量化0～3.3 V滿電源電壓輸入信號(hào)電平. 將所設(shè)計(jì)的SHA-less前端電路應(yīng)用在一款12位50MS/s Pipelined ADC進(jìn)行驗(yàn)證，采用0.18 μm 1P6M工藝進(jìn)行流片，整體ADC面積為1.95 mm2，測(cè)試結(jié)果良好.

參考文獻(xiàn)

[1]? ? MOHAMED M Y，HEGAZI E，EI-NOZAHI M. A 0.35 mW 8-bit 140MS/s asynchronous hybrid ADC for low energy radio applications[C]// 2019 36th National Radio Science Conference. Piscataway： IEEE，2019：315—323.

[2]? ? JEON B K，HONG S K，KWON O K. A low-power 12-Bit extended counting ADC without calibration for CMOS image sensors[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems II：Express Briefs，2018，65（7）：824—828.

[3]? ? MATHUR S，DAS M，TADEPARTHY，et al. A 115mW 12-bit 50 MSPS pipelined ADC[C]// 2002 IEEE International Symposium on Circuits and Systems. Piscataway：IEEE，2002：913—916.

[4]? ? CHEN T，PENG L L，LI H B，et al. A 2-V 40-MS/s 14-bit pipelined ADC for CMOS image sensor[C]// 2015 IEEE 11th International Conference on ASIC. Piscataway：IEEE，2015：1—4.

[5]? ? OHHATA K，HAYAKAWA D，SEWAKI K，et al. A 900-MHz，3.5-mW，8-bit pipelined subranging ADC combining flash ADC and TDC[J]. IEEE Transactions on Very Large Scale Integration（VLSI） Systems，2018，26（9）：1777—1787.

[6]? ? ZHOU Y，XU B W，CHIU Y. A 12-b 1-GS/s 31.5-mW time-interleaved SAR ADC with analog HPF-Assisted skew calibration and randomly sampling reference ADC[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits，2019，54（8）：2207—2218.

[7]? ? 陽(yáng)輝，何怡剛，黃姣英. 0.25μm CMOS工藝10位150MHz流水線型ADC設(shè)計(jì)[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，37（8）：45—48.

YANG H，HE Y G，HUANG J Y.A 10-b 150MHz pipeline ADC in 0.25μm CMOS[J]. Journal of Hunan University（Natural Sciences），2010，37（8）：45—48.（In Chinese）

[8]? ? WU H J，CHEN Z H，YU Z G，et al. A 12-bit 250MSPS pipeline ADC with 4Gbps serial output interface[C]//2016 13th IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology. Piscataway：IEEE，2016：1464—1466.

[9]? ? OKUNO K，OBATA K，KATO T，et al. An 800-MHz 8-bit high speed SAR ADC in 16nm FinFET process[C]//2017 IEEE International Meeting for Future of Electron Devices，Kansai. Piscataway：IEEE，2017：24—25.

[10]? LIU H Z，LIU M L，ZHU Z M. A 12-bit 200MS/s pipelined-SAR ADC in 65-nm CMOS with 61.9 dB SNDR[C]//2019 IEEE International Conference on Electron Devices and Solid-State Circuits. Piscataway：IEEE，2019：1—2.

[11]? 于健海，尹亮. 用于微機(jī)械加速度計(jì)的亞微米工藝ADC設(shè)計(jì)[J]. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，46（3）：140—147.

YU J H，YIN L. Design of an ADC with the submicron process for micromechanical accelerometers[J]. Journal of Xidian University，2019，46（3）：140—147. （In Chinese）

[12]? CHO J K. A 2.24-mW，61.8-dB SNDR，20-MS/s pipelined ADC with charge-pump-based dynamic biasing for power reduction in Op AMP sharing[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems I：Regular Papers，2017，64（6）：1368—1379.

[13]? XU W G，GAO Y F，LIU X D，et al. A 18 mW 12 bit 50MS/s SHA-less pipelined ADC[C]//2017 IEEE 12th International Conference on ASIC. Piscataway：IEEE，2017：776—779.

[14]? WANG C W，WANG X，DING Y，et al. A 14-bit 250MS/s low-power pipelined ADC with aperture error eliminating technique[C]//2018 IEEE International Symposium on Circuits and Systems. Piscataway：IEEE，2018：1—5.

[15]? 張凌東，魏敬和，陳珍海，等. 用于16位125MS_s ADC的無(wú)采樣保持運(yùn)放前端電路[J]. 中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2018，13（3）：331—334.

ZHANG L D，WEI J H，CHEN Z H，et al. Front-end circuit without sample-and-hold amplifier for 16bit 125MS/s ADC[J]. Journal of CAEIT，2018，13（3）：331—334. （In Chinese）