МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 36, № 5, с. 390-400
СХЕМОТЕХНИКА
УДК 621.382
УСТРОЙСТВА ВЫБОРКИ-ХРАНЕНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ АЦП
© 2007 г. А. С. Гуменшк, Ю. И. Бочаров
Московский инженерно-физический институт E-mail: asgumenjuk@ipmce.ru Поступила в редакцию 20.03.2007 г.
Рассмотрены способы построения устройств выборки-хранения (УВХ), применяемых в конвейерных аналого-цифровых преобразователях, реализуемых по КМОП технологии. Приведены результаты анализа погрешностей УВХ различных типов и показаны методы повышения их точности. Дан пример практической реализации устройств выборки-хранения, которые использованы в конвейерном АЦП с быстродействием 20 Мвыб/с, выполненного по КМОП технологии с проектными нормами 0.18 мкм.
ВВЕДЕНИЕ
Устройства выборки-хранения позволяют зафиксировать аналоговый сигнал на определенное время, требуемое для его обработки. Самое широкое применение они находят в конвейерных аналого-цифровых преобразователях (АЦП). На рис. 1 показана типовая структура конвейерного АЦП с дифференциальными 1.5-битными каскадами. В каждом из них имеется устройство выборки-хранения.
Широкополосное УВХ на входе схемы позволяет использовать АЦП в режиме субдискретизации и преобразовывать однопроводные сигналы в дифференциальные. От параметров УВХ зависят и разрешающая способность, и динамические характеристики АЦП.
В связи с критичностью параметров устройств выборки-хранения представляется актуальным рассмотреть основные принципы их построения, выявить источники погрешностей и оценить вли-
Рис. 1. Конвейерный АЦП как пример применения УВХ.
яние неидеальности компонентов на результирующую точность УВХ.
ПРОСТЕЙШЕЕ УСТРОЙСТВО ВЫБОРКИ-ХРАНЕНИЯ
Схема УВХ, показанная на рис. 2, является базовой для всех других конфигураций, но в представленном виде не применяется в АЦП из-за недостаточной точности. К наиболее существенным составляющим погрешности можно отнести следующие.
■ МОП транзисторный ключ вносит нелинейные искажения в выходной сигнал. Его проводимость в замкнутом состоянии зависит от уровня входного сигнала:
W
gds = ЦCox—( Vg - Vin- Vth),
устройства выборки-хранения быстродействующих ацп
Vh = Vh0 + Y(V(Vin-Vb) + 21- ^фЯ).
Здесь - подвижность электронов в канале, Сох -удельная емкость подзатворного диэлектрика, Ж, Ь - ширина и длина канала транзистора соответственно, - напряжение на затворе открытого ключевого транзистора, Ут - входное напряжение, Уй0 - пороговое напряжение при нулевом смещении на подложке относительно истока, у - коэффициент влияния подложки, ф^. - поверхностный потенциал в режиме сильной инверсии, Уь - потенциал подложки.
Следовательно, уровень входного сигнала влияет на сопротивление открытого ключа как напрямую, так и опосредованно, изменяя пороговое напряжение.
■ Ключевой транзистор обладает нелинейной емкостью на подложку:
С =
1 утту^'
где С10 - постоянный коэффициент, УЬх - смещение исток-подложка. Поэтому, величина ослаб-
.Co
ления и фазового запаздывания, вносимого ЯС-фильтром нижних частот, образованным сопротивлением канала МОП ключа и емкостью хранения, изменяется в зависимости от уровня входного сигнала.
■ Прямое прохождение сигнала управления ключом в цепь выборки через емкости перекрытия затвор-исток и затвор-сток [1]. Этот эффект линейный и вносит ошибку, оцениваемую как:
А V =
C
gd0
Cs + C.
V
gd0
где С^0 - суммарная емкость перекрытия затвор-исток и затвор-сток.
■ Эффект инжекции заряда, который проявляется при резком выключении транзистора. Заряд подвижных носителей выводится из канала в области стока и истока, становясь причиной погрешности выборки [2-4]. Если предположить в наихудшем случае, что весь заряд в канале перейдет на емкость С3, то эту погрешность можно оценить как:
А Vs = WL-^( Vg - Vin- Vth).
CS
Можно отметить погрешности, присущие большей части устройств выборки хранения независимо от их конфигурации:
■ тепловой шум конденсаторов, характеризуемый средней мощностью v2 = kT/C, где к - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура, C - емкость конденсатора;
■ апертурное дрожание (jitter) управляющего сигнала - неопределенность момента времени перехода УВХ из режима выборки в режим хранения;
■ зависимость емкости некоторых структур МОП конденсаторов от приложенного напряжения;
■ эффекты абсорбции-релаксации заряда в диэлектриках конденсаторов и динамического сдвига порогового напряжения МОП транзисторов [5-7].
МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ БАЗОВОЙ СХЕМЫ УВХ
Погрешность, обусловленную эффектом инжекции заряда, можно уменьшить введением в
о Vg
О Fid
Vo
out
VmO
VinO~
С
T
M1
vou >
f
a
Cs
h
I— m2
Fi
F
id
Рис. 2. Простейшая схема УВХ. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА том 36 < 5 2007
Рис. 3. Коммутация со стороны верхней и нижней обкладки.
V
inP
F2 J VoutN
VinN O-
F
1d
cs
Рис. 4. УВХ с переворачивающимся конденсатором.
базовую схему УВХ дополнительного ключа (рис. 3). Конденсатор выборки коммутируется не только со стороны верхней обкладки, подключенной к сигнальной цепи, но и со стороны нижней обкладки (bottom plate sampling). Пока сигналы управления F1 и F1d имеют высокие уровни, выходное напряжение на конденсаторе выборки повторяет напряжение на входе УВХ. Когда F1 переключится в низкий уровень, ключ на транзисторе M2 закроется, и заряд на конденсаторе зафиксируется на уровне q = CSVin. Плавающее состояние конденсатора препятствует изменению заряда. Когда сигнал F1d также переключится в низкий уровень и закроет ключ на транзисторе M1, инжекция не сможет изменить заряд, сохраненный на конденсаторе выборки.
Погрешности, обусловленные влиянием сопротивления канала МОП транзистора в замкнутом состоянии ключа, можно уменьшить, применяя сложные ключи с вольтодобавкой [8, 9].
Погрешности, связанные с эффектом прямого прохождения управляющих сигналов в цепь выборки через емкости перекрытия, а также связанные с влиянием других паразитных емкостей, можно уменьшить, используя УВХ с архитектурой дифференциального типа. Она основана на использовании полностью дифференциальных операционных усилителей (ОУ), имеющих, как правило, токовые выходы. Особенностью таких усилителей является наличие встроенной цепи отрицательной обратной связи (ОС) по синфазному сигналу (обычно на переключаемых конденсаторах), благодаря которой уровень синфазной составляющей выходного сигнала оказывается близким к уровню поданного на специальный вход усилителя опорного напряжения [10]. Установление нужной величины выходного синфазного сигнала возможно в отсутствие ОС для дифференциального сигнала.
Существует множество вариантов реализации схем выборки-хранения, в которых используются отмеченные способы повышения точности. Большинство их основано на использовании одной из двух основных конфигураций. Это УВХ с переворачивающимся конденсатором (flip-around) [11] и с перераспределением заряда [12]. Разновидностями последней схемы являются УВХ с общим конденсатором [13] и с двойной коррелированной выборкой [14].
УВХ С ПЕРЕВОРАЧИВАЮЩИМСЯ КОНДЕНСАТОРОМ
В устройствах с такой архитектурой (рис. 4) имеется по одному конденсатору в каждой половине дифференциальной схемы. На этапе выборки сигнальная обкладка каждого из конденсаторов подключена к входу, а на этапе хранения - к выходу. При смене режима меняется направление подключения конденсаторов, а заряды на емкостях не меняются, поэтому УВХ этого типа могут иметь лишь единичный коэффициент передачи. В режиме выборки замкнуты ключи F1 и F1d, разомкнуты ключи F2. В режиме хранения замкнуты F2, разомкнуты F1 и F1d. Для повышения точности применяется рассмотренный метод коммутации с обеих сторон конденсаторов выборки: при переходе в режим хранения ключи F1 закрываются прежде, чем закроются ключи F1d, препятствуя инжекции заряда в конденсаторы. На рис. 5 приведены эквивалентные схемы УВХ в фазах выборки и хранения.
По окончании фазы выборки заряды на конденсаторах
qP = (Vref - ^nP^ qN = (Vref - VinN)CS,
^пРО
^N0
С
С
^оо
^ойР • ►
^оШ? • ►
с
С
Рис. 5. УВХ в фазе выборки (слева) и в фазе хранения (справа).
^пР о-
О-
Рис. 6. Схема УВХ с указанием источников погрешностей.
где У1пР, У-1Шзначения входных сигналов, УгеГ - уровень опорного сигнала. Индексами Р и N обозначены величины, относящиеся к тем частям схемы, которые связаны с неинвертирующим и инвертирующим входом УВХ соответственно.
Усилитель не охвачен обратной связью для дифференциального сигнала, однако, благодаря наличию внутренней цепи ОС по синфазному сигналу и соединению выходов между собой, на них устанавливается напряжение Уои(, ст, приблизительно равное УгеГ.
В фазе хранения конденсаторы отключаются от входа и включаются в цепи обратной связи усилителя. При достаточно большой величине дифференциального коэффициента усиления ОУ, потенциалы его входов можно считать практически одинаковыми. Обозначив потенциал входов усилителя X, можно записать выражения для зарядов на конденсаторах в фазе хранения:
ЧР = (X - Уо^Р ) С8
Ч N = (Х - УoutN) С5-
При переключении УВХ из режима выборки в режим хранения заряды на конденсаторах не изменились:
_ I _ I
ЧР = ЧР, ЧN = ЧN •
Поэтому дифференциальные составляющие входного и выходного сигналов одинаковы:
АУои1 = АУ;п,
где ЛУои = ЛУоиР - , ЛУ;п = Л^пР - АУш . Так осуществляется функция выборки-хранения с единичным коэффициентом передачи дифференциальной составляющей сигнала.
ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТИ УВХ С ПЕРЕВОРАЧИВАЮЩИМСЯ КОНДЕНСАТОРОМ
На рис. 6 приведена схема УВХ с переворачивающимся конденсатором, на которой отмечены элементы, характеризующие источники погрешности: конечный коэффициент усиления ОУ - А0, напря-
жение смещения усилителя - Vos и суммарные паразитные емкости - С на входах ОУ. Конденсаторы выборки характеризуются величиной взаимного рассогласования емкостей dC, причем, dC/C < 1.
На рис. 7 представлены эквивалентные схемы с источниками погрешностей в фазах выборки и хранения. По аналогии с предыдущими выкладками:
( Vref VinP)С + VrefCP = (XP - V0UtP)С + XpCP, ( Vref - VinN)(C + dC) + VrefCp = (Xn - ^n)(C + dC) + XnCp,
XP + Vos - XN = 1( VoutN - VoutP) • A0
Учитывая, что
VoutP + VoutN
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.