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图5 开关电容共模反馈电路
图6 辅助放大器及其共模反馈电路
自举开关
开关是采样保持电路的一个重要组成部分。它是信号失真，电荷注入和时钟馈通效应主要来源。后两者可通过采用下极板采样和全差分电路结构来消除。A/D对信号失真要求很高，因为失真直接影响到A/D的精度。当信号幅度较高时，采样保持电路的精度和速度就直接受限于失真。而失真的主要原因是开关导通电阻的非线性。开关导通电阻不是一个固定值，而是输入信号的函数。对于短沟器件的导通电阻为：
其中VG，VS，VD和VB分别为晶体管栅、源、漏和衬底电压。一般，输入信号电压连接在源端。假设，VS=VD=VB。通过PMOS管的自衬底技术使衬底和源短连接在一起，从而消除分母中后半部分平方根中的部分。则开关的导通电阻RON主要有VG-VS的差值决定，自举开关就是通过固定这个差值来实现开关的线性导通电阻，从而消除信号失真。自举开关电路如图7所示，工作原理是：当CLK为高的时候，自举开关属于关断状态，此时开关MS的栅通过管子M1连接在VSS。而同时，电容C1两端电压差为VDD-VTH，其中VTH为NMOS管的阈值电压。当CLK为低的时候，自举开关属于导通状态，此时，M1管关闭，通过M2管使开关MS的栅电压固定为Vin+(VDD-VTH)。其仿真结果如图8所示。需要指出的是，图2中4处有开关，其中S1和S2采用自举开关，S3采用CMOS传输门，S4采用简单NMOS传输门，这样可以简化电路并降低功耗。
图7 自举开关
图8 自举开关仿真结果
仿真结果和结论
图4所示的运算放大器的Hspice的仿真结果为图9，在电路负载为15p的情况下，直流增益为104.6dB，单位增益为166MHz，相位裕度为71度。完全满足设计要求。图10为该采样保持电路的在输入信号为5MHz，全差分信号幅度为2Vpp采样频率为20MHz情况下的输出频谱图。仿真结果显示，该电路的SFDR为92.4dB，SNDR为88.6dB，SNR为96.1dB。
本文描述了一个用于14位20MHz流水线A/D的采样保持电路。该电路采用UMC logic 0.25μm2.5V工艺，通过采用增益增强放大器和自举开关，在输入为±1V频率为5MHz正弦波，采样频率为20MHz的情况下获得了96.1dB的信噪比。
图9 运算放大器的频率特性曲线
图10 仿真频谱图(fin=5MHz，fs=20MHz)
