時間數字單斜模數轉換器中斜坡發生器的研究

摘要：本文設計了一款應用于時間數字單斜模數轉換器中的12位斜坡發生器電路。該電路主要由電流源網絡、開關網絡及輸出轉換電路三部分組成。該斜坡發生器是基于電流舵結構實現的，采用了4+4的分段方式。電流源網絡用三層共源共柵結構的電流源來實現；差分開關來代替傳統的開關電路，設計了一個軌到軌運算放大器來實現輸出轉換電路中的跟隨器以驅動后級電路。

關鍵詞：斜坡發生器 電流舵 TDC

中圖分類號：TN792 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0153-01

近年來，隨著CMOS集成電路工藝水平和設計技術的不斷發展，CMOS圖像傳感器得到迅速的發展。普通單斜模數轉換器（Single-Slope ADC）以其優越的性能廣泛應用，但其速度限制了它在高速高精度CMOS圖像傳感器中的應用，而Time to Digital Single-Slope ADC（TDSS ADC）既保留了普通單斜結構的優勢，又提高轉換速率。而斜坡發生器作為普通Single-Slope ADC的重要組成部分，在TDSS ADC也是必不可少的。

1 斜坡發生器電路的設計與分析

斜坡發生器為8位，實現精度為12位。電壓幅度為1.5V，單個臺階高度為：

產生單個臺階電流增量為ILSB=16μA，那么電流源網絡的整體負載電阻為：

為了滿足精細比較階段的要求，還需要增加32個臺階。那么斜坡發生器需要的總臺階數量為M=28-1+2×24=287個，最終降斜坡電壓范圍約為2.5V-0.818V。

1.1 電流舵分段方式的確定

電流舵斜坡發生器根據電流源網絡的實現方式可以分為二進制譯碼型和溫度計譯碼型[1]。通過比較兩種網絡的優缺點，最終采用二進制和溫度計型混合譯碼型電路。采用4+4的分段方式實現了一個8位斜坡發生器，即低4位用二進制譯碼型，高4位用溫度計碼型，實際精度達到12位。

1.2 輸出轉換電路的設計

驅動電路就是運算放大器組成的跟隨器，所以驅動電路的設計就是對運放的設計。

實際運放接為的跟隨器的增益誤差可以表示為公式（1.3），Vout是理想輸出，實際輸出Vout。

增益誤差應該小于0.5LSB，對于該電路要求的1.68V的電壓擺幅，即Vref=1.68V，實現12位的精度，可以得出對運放增益誤差的要求為：

由上式可得運算放大器的最小增益為74dB。

運放的時間常數可以表示為公式（1.5），其中ω0為3dB帶寬，Av（0）ω0是單位增益帶寬，Av（0）即為跟隨器的低頻環路增益。

對于12位的精度要求的運放，輸出增益誤差達到小于0.0205%的時間t0.0205%可以得出：

該運算放大器工作頻率為50MHz，取其穩定時間為時鐘周期的65%，那么由t0.0205%=13ns就可以得到該運放需要達到的單位增益帶寬為：

所以要滿足設計要求，運放的單位增益帶寬要達到104MHz。

1.3 運算放大器的設計

根據計算要求，本文中的運算放大器采用了軌到軌運算放大器來實現。該放大器可以分為輸入級、中間級、輸出級和補償電路組成。

輸入電路采用了PMOS和NMOS共用的互補差分輸入，同時采用了電流鏡技術來使得互補輸入在輸入共模范圍內具有較為恒定的總輸入跨導[2]。

本運放中間放大級設計采取折疊式共源共柵結構。折疊共源共柵中間放大級構成加法電路，從差分輸出的電流進入此加法電路后，通過兩個電流鏡實現雙端到單端的轉換，輸出給下一級電路。設計時一方面為了提高輸出電阻和擺幅，采用了含有反饋電路的寬擺幅共源共柵結構的電流鏡作為負載。

輸出級采用帶有AB類偏置的推挽輸出級，它可以實現全擺幅輸出，并且其送至負載的最大信號電流與輸出級靜態電流的比值大，電源利用率高。

兩級電路中需要加入補償電路以確保有合適的相位裕度來使運放工作狀態穩定，該運算放大中的補償電路通過接入合適的電容Cc1和Cc2來實現的。補償電容的大小與負載電容、兩級電路的輸入跨導和電路的單位增益帶寬等因素有關，設計中需要綜合考慮。

2 結語

論文首先詳細介紹了適用于TDSS ADC實現12位精度的斜坡發生器設計過程，電路主要包括電流源網絡、開關網絡及輸出轉換電路三部分。論文詳細分析了電流源電路、開關電路和輸出級電路的設計。

在UMC130nm CMOS工藝下完成整體電路的設計后，分別仿真驗證了各個電路模塊的功能和輸出，然后對整體斜坡發生器進行了仿真分析，最終得到0.81V-2.48V的斜坡仿真電壓，其中Dnl+-0.485LSB，INL+-0.0869LSB，仿真結果滿足設計要求。

參考文獻

[1]黎佳.一種12位500MS/s分段型電流舵DAC的設計[J].電子技術應用，2013，39（5）：48-50.

[2]劉華珠，黃海云，宋瑞.功耗軌至軌CMOS運算放大器設計[J].半導體技術，2011年6期.

收稿日期：2016-08-19

作者簡介：趙鵬（1988—），男，漢，陜西米脂人，碩士，助理實驗師，研究方向為大規模集成電路設計與應用。