0  引言

随着CMOS技术的迅猛发展，CMOS图像传感器以其高集成度、低功耗、低成本等优点，已广泛用于超微型数码相机、手机等图像采集的领域。而流水线模数转换器以其高速、低功耗、中高精度而被广泛应用于图像传感器的芯片级和列级A／D转换器中。当前，流水线A／D转换器比较成熟的国际水平已达到14 bit 10 MHz。国内已流片成功的大多数是10 bit流水线A／D转换器，因此10 bit以上的高精度流水线A／D转换器还需要进一步研究。在A／D转换器中，采样保持电路作为其前端最关键的模块，它的性能直接决定了整个ADC的性能。

本文采用一种全差分电荷转移型结构的采样保持电路，这种结构可以很好地消除与输入信号无关的电荷注入和时钟馈通；通过底极板采样技术，消除与输入信号相关的电荷注入和时钟馈通；使用栅压自举电路来消除开关的非线性。同时采用折叠式增益增强运算放大器，减小由于有限增益和不完全建立带来的误差。该采样保持电路在5 V电源电压，20 MS／s采样频率下，在输入信号为奈奎斯特频率时，无杂散动态范围(SFDR)为76 dB，采样精度达到0.012％，满足12 bit精度要求。

1 采样保持电路

图1为本文设计的采样保持电路结构，该结构称为电荷转移型采样保持电路。



它的工作时序如图2所示，clk1和clk2是两相不交叠时钟，控制采样保持电路分别工作于采样相和保持相；clkb为clkl的反相。当clk1为高电平时，电路进入采样相，运放两个输入端被短路，输入信号存储在采样电容Cs上；clk2为高电平时，电路进入保持相，将差分电荷转移到反馈电容Cf上。



在从采样相向保持相转变的过程中，clklpp，clklp，clkl依次关断，实现了底极板采样，以减少开关时钟馈通和沟道电荷注入的影响；且只有差分电荷转移到反馈电容Cf上，共模电荷一直保存在采样电容Cs上。因此，这种结构可以处理共模范围较大的输入信号。

2 采样电容、开关的选取和设计

2.1 采样电容的选取

在采样保持电路中，采样电容的取值对电路的性能有直接的影响。采样电容越小，热噪声就大，因为热噪声主要由电路中的开关导通电阻产生，其方差是开关电容值的函数(σ²_thermal≈kT／C，其中k为波尔兹曼常量，T为绝对温度)，则电路的信噪比(SNR)就降低。如果采样电容较大，会使电路的功耗增大，速度变慢，而此时信噪比主要受量化噪声的限制，没有明显改善。因此在设计时，把噪声限制在一定范围之内，得到电容的最小值，再牺牲一些功耗和速度，取稍大电容值即可。本文所设计的ADC具有12 bit分辨率，量化范围为±1 V。如果要求由热噪声与量化噪声所引起的SNR最多能下降1 dB，即需满足：kT／Cs<△²／46.3，△为1 LSB对应的幅度。根据上式算出，采样电容Cs>0.8 pF，取Cs=Cf=1 pF。

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