一种流水线结构AD转换器的速度分析方法

提出了一种开关电容流水线结构A/D转换器(ADC)的速度分析方法。流水线结构ADC的速度取决于其级电路中开关电容反馈放大器的建立速度。根据流水线结构的特点，推导出输入等效阶跃电压的计算公式。将建立过程划分为大信号和小信号工作区，分别用不同的跨导运放(OTA)模型进行分析，得出了OTA指标、采样电容值等电路参数与建立时间之间的关系式。通过对一个10 bit流水线结构ADC的MATLAB进行仿真，验证了所提出的分析方法和得到的关系式的有效性。
关 键 词 模数转换器; 流水线; 开关电容; 建立时间

对于CMOS流水线结构A/D转换器(ADC)来讲，开关电容流水线结构是一种合适的选择。ADC的转换速度取决于其中反馈放大器的建立速度，因此在设计流水线结构ADC时，对于给定的运算放大器指标，如何估算可实现的ADC转换速度，或者对于给定的流水线结构ADC性能要求，如何设计合适的运算放大器指标、采样电容值等电路参数是一个很重要的问题。
为了分析建立时间，可将工作在小信号工作状态的运放简化为单极点或二极点模型，相应的反馈放大器的建立过程可简化为一阶或二阶闭环反馈系统的阶跃响应过程[1-2]。而对于大信号工作状态时等效阶跃输入情况下(如Δ−Σ调制器中的开关电容积分器)，建立过程可被划分为大信号工作区和小信号工作区分别进行分析。在大信号工作区，运放被简化为一个电流源，而在小信号工作区，则被简化为一个单极点模型[3]。本文针对流水线结构ADC中开关电容电路的工作特点，提出了一种流水线结构A/D转换器的速度分析方法。

等效阶跃电压
图1为流水线结构中典型的采样/保持/DAC/减法/增益模块(MDAC)开关电容电路实现(为简单起见，仅分析单端配置的情况)，其中C1,C2,…,CM为采样电容，CF为反馈电容，Cp为运放负输入端所见的寄生电容，CCM为运放的共模反馈电容，Cn为后级采样电容和反馈电容之和。在采样相ΦS，输入信号Vin被采样到C1,C2,…,CM和CF上；在放大相ΦF，C1,C2,…,CM在本级ADC(sub-ADC)输出的控制下接到参考电压VR、0或−VR，且CF的右极板从Vin切换到运放输出端，此时MDAC构成一个开关电容反馈放大器。