一種用于12位SAR ADC的自舉開關的設計

顧字晴

【摘要】在傳統自舉開關的基礎上，設計了一款應用于12位$AR ADC的柵壓自舉開關電路。電路采用0.18um標準CMOS工藝，仿真結果顯示該電路可實現柵壓自舉，有效位數高達14位，滿足各項性能指標。

【關鍵詞】自舉開關;SARADC;有效位數

CMOS導通電阻雖然很小，當工作電壓轉向低壓時，開關在小幅度信號控制下不能充分完成導通關斷操作，很難完成高線性度的采樣工作，當采樣完成后開關開路，會有電荷注入問題影響SAR ADC輸入信號的精度。所以需要采樣更好性能的開關，柵壓自舉開關應運而生。

一、電路設計

在設計中，采樣保持電路的精度一般都要比ADC設計精度高2位以上，才能很好地完成采樣工作。但傳統開關都無法滿足12位SARADC的線性度要求，所以本文設計了圖1所示的柵壓自舉開關電路。

圖1結構的自舉開關與傳統結構的自舉開關相比，顯著的優勢是減少了電荷泵電路，同時將M1管換成了PMOS管，這樣能在版圖設計中減少電容面積的消耗同時降低了功耗。

圖中CIk1信號和CIk2信號是一組反相時鐘。當cIk2信號是高電平時，cIkl信號為低電平。此時，M2管導通，電路對c1進行充電，同時M9將M10柵極電壓接地，M5此時關斷，使c1和采樣管M10隔開。當CIk2為低電平，M2、M9關斷，充電結束，此時clk1電平為高，CIk1通過反相器M3、M4管將M5的柵極拉低，M6、M7柵電位拉到高電路開始導通，完成柵壓自舉的過程，此時M10柵極電壓等于VDD加上Vim信號。M6、M8是保護管，為了讓電路更加可靠。

二、仿真結果及分析

對柵壓自舉開關搭建電路進行仿真，負載電容為2.56pF，采樣頻率80MHz，Voutp和Voutn輸入信號采用為39.76MHz，幅度為500mV，相位相反，采樣點數4096。圖2給出了自舉開關瞬態仿真波形圖。

從圖2中可以看出，柵極電壓與源極輸入信號之間保持一個恒定的差值，即柵源電壓恒定，不受輸入信號的影響，達到了柵壓自舉的設計目標。

完成仿真后，對輸出信號Voutp和Voutn進行差分處理，對差分信號進行DFT分析，計算得到自舉開關的相關性能參數，如圖3所示。

從圖3可知，在輸入頻率為39.765MHz的情況下，自舉開關的無雜散動態范圍SFDR=92.47dB，信噪比SNR=85.89dB，信噪失真比SNDR=83.56dB，其有效位數ENOB達到了14位，完全滿足本文12位的設計要求。

三、結論

在傳統自舉開關的基礎上進行改進，設計了一款柵壓自舉開關。仿真結果顯示，電路很好地完成了柵壓自舉目標，并且導通電阻變化很小，開關的線性度很高，有效位數達到14位，滿足設計要求的精度。