采用雙采樣技術(shù)的高性能采樣保持電路

　　1 引 言

　　隨著技術(shù)的發(fā)展，高速度高精度已成為流水線A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)目標(biāo)，而采樣/保持電路作為流水線結(jié)構(gòu)A/D轉(zhuǎn)換器的核心部分，他的性能決定了整個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的性能。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)高速高精度的采樣保持電路就顯得尤為重要。采樣保持電路的精度要求一般受限于運(yùn)放的有限增益和開(kāi)關(guān)電路引起的誤差。一方面，運(yùn)放并非理想運(yùn)放，他存在著增益誤差;另一方面由于采樣保持電路是一種開(kāi)關(guān)電容電路的運(yùn)用，他本身存在的開(kāi)關(guān)電荷注入效應(yīng)[1]和時(shí)鐘潰通，以及開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻的非線性[2]，都會(huì)影響采樣保持電路的精度。對(duì)于電荷注入效應(yīng)和時(shí)鐘潰通，一般可以采用底極板采樣技術(shù)[3]，利用開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)序，使電荷注入與輸入信號(hào)無(wú)關(guān)，再通過(guò)全差分結(jié)構(gòu)來(lái)消除。本文采用柵壓自舉電路，在減小電荷注入效應(yīng)和時(shí)鐘潰通的同時(shí)消除了開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻的非線性，減小了信號(hào)失真，提高了電路精度。而對(duì)于采樣保持電路的速度，一般都要求設(shè)計(jì)具有高速的運(yùn)算放大器，但是當(dāng)運(yùn)放的設(shè)計(jì)達(dá)到一定瓶頸時(shí)，就需對(duì)采樣保持電路做進(jìn)一步的改進(jìn)。本文采用了雙采樣的電路結(jié)構(gòu)，即在同一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)進(jìn)行兩次采樣保持的建立，從而使采樣頻率在同等性能運(yùn)算放大器的條件成倍增加，減小了對(duì)運(yùn)算放大器的要求。

　　2 雙采樣的采樣保持電路結(jié)構(gòu)

　　CMOS采樣保持電路通常有電荷轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和電容翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。電荷轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)電路包含兩個(gè)電容，一個(gè)為采樣電容Cs，一個(gè)為保持電容Cf。在采樣相時(shí)鐘下，采樣電容上的電壓跟隨輸入信號(hào)變化，在采樣相結(jié)束，即采樣時(shí)刻到來(lái)時(shí)，采樣到的信號(hào)以電荷形式儲(chǔ)存于采樣電容Cs兩端;在保持相下，Cs儲(chǔ)存的電荷轉(zhuǎn)移到Cf上，令Cf與Cs相等，則穩(wěn)定時(shí)候運(yùn)放輸出電壓即采集到電壓;另一種結(jié)構(gòu)即如圖1所示的電容翻轉(zhuǎn)采樣保持結(jié)構(gòu)，在采樣時(shí)刻，電容C采集輸入信號(hào)量，在保持時(shí)刻電容C與輸出相接，輸出電壓為采樣時(shí)刻電壓，從而實(shí)現(xiàn)采樣保持。

　　這兩種結(jié)構(gòu)比較，電荷轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)有較大的共模輸入范圍，但是在功耗與噪聲方面，在同樣采樣頻率下，電容翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的功耗是電荷轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的一半，且電荷轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的噪聲是電容翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)采樣保持的2倍。因此這里選擇了電容翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。

　　但是，這種采樣保持結(jié)構(gòu)在采樣周期時(shí)，保持電路空閑，在保持周期時(shí)，采樣電路空閑，一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)電路只能對(duì)信號(hào)進(jìn)行一次采集。若在此基礎(chǔ)上增加一個(gè)采樣電容，如圖2所示，兩個(gè)采樣電容交替工作。在電容Cs1采樣周期，輸出端保持電容Cs2的采樣信號(hào);同樣，在輸出端保持電容Cs1的采樣信號(hào)時(shí)，電容Cs2進(jìn)行采樣。兩個(gè)電容輪流工作，使在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，電路實(shí)現(xiàn)兩次采樣保持的建立過(guò)程。因此，在同樣性能的運(yùn)放條件下，采樣頻率提高到了原來(lái)的2倍[4]。

　　兩相時(shí)鐘進(jìn)行采樣時(shí)，由于采樣間隔不均勻，采樣將會(huì)有一個(gè)間隔誤差，設(shè)采樣間隔誤差為△T，則兩個(gè)采樣相的序列分別為：

　　總輸出頻譜為：

　　由于采樣間隔誤差的存在，使采樣信號(hào)將在n