超高速采样保持电路

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1、超高速的DAC数模转换器设计一、研究背景人类目前所处的是信息时代，信息时代的高速发展得益于通信技术的进步，当前的技术发展中，通信技术中广泛使用的是数字信号处理方式，比如数宇信号处理器(DSP)、微处理器(MPU)以及微控制器(MCU)等等，这是因为数字信号相对于模拟(Analog)信号具有更好的稳定性和抗干扰性。然而我们生活中能够感知的都是模拟信息，比如温度、速度、声音等等，这些信息需要转换成数字信号之后才能被计算机处理，这种从模拟到数字两种数据类型之间的转换就是由模数转换器(ADC)实现的。事实上，通信领域数字电路的发展是非常快速的，"摩尔定律"一直在促使人们研发更先进的集成电路工芝，

2、但这仅仅限于数字电路，成熟的模拟电路工艺通常要落后数字电路工艺几代，这给模数转换技术的进步提岀了严重的挑战，作为连接模拟世界和数字系统的桥梁，ADC将会是电子技术发展的关键和瓶颈所在。采样保持电路(THC或者SHC)是离速ADC的核心模块，它通常位于ADC的最前端，对输入的信号进行采样和保持，是模数转换功能的开始。在后续的工作中，THC将会不间断的以等间隔的时间对输入信号进行采样，并保持采样到的信号一段时间，以便ADC核心部分对此信号进行处理。因此，THC的最大采样率和采样到的信号的精确度就决定了整个ADC的最大釆样率和最大分辨率，THC的转换速度影响整体的转换速度，可以说THC的性能对

3、整个ADC是至关重要的。纵观世界潮流，科学技术走向高精尖，工业生产也在向数字化、自动化方向发展，这就需要现代电子技术的大力支持。而现阶段，ADC已成为制约现代电子设备发展的主要因素，这使得对ADC的研制开发更加迫切，因此得到世界各国的高度重视。目前，我国在ADC芯片研究方面与世界一流水平仍有较大差距，已量产的国产ADC芯片远远不能满足工业产品的性能要求，同时也大大限制了国防工业技术发展，无奈国内企业也只能花费大量的外汇从国外进口ADC芯片。所以，国内急需自主产权的高性能ADC芯片来满足产业的要求。二、研究现状综合国内外一些集成电路制造公司的技术资料，产品手册提供的信息及一些高质量论文，可

4、以看出，数据转换电路的发展趋势是高分辨率、高转换速率、低电压、低功耗、CMOS型方向发展。对于用于模数转换器中的重要模块一一采样保持电路，其与数据转换器有着相同的发展方向。近年来，低电压、高速、高精度的采样保持电路一直是一个设计难点，也是一个研究热点。研究主要从采样模式和保持模式两方面进行，采样模式包括栅压跟随电路，MOS管电荷注入效应(chargeinjiection),馈通效应(clockfeed-through),时钟jitter和噪声；保持模式主要对运放的建立过程的研究。国外由于起步早，技术基础实力雄厚，在这方面进行了较多的研究，因此可以实现很高的分辨率和转换速率，10—14bi

5、t的ADC已有100MHz的产品。国内主要是一些大学及研究所在研究较高速度的ADC,对于lObit的ADC只有10MHz左右的产品在一些公司出现。这方面与国外存在较大的差距。随着国家对集成电路产业的重视和投入，现在已有了一定的发展，相信今后我国在这方面会有很大的发展。二、基木原理采样保持电路是一种用逻辑电平控制其工作状态的电路。它有两个稳定的工作状态：跟踪状态（在此期间尽可能快地接收模拟输入信号，并精确跟踪模拟输入信号的变化，直到接收到保持指令为止）和保持状态（对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保持）。最简单的采样保持电路原理就是一个MOS开关和采样电容的串联，通过时钟的控制来对

6、采样电容进行不断的保持和充电刷新储存在上面的电荷，得到采样电压。然而实际的采样保持电路并不是如此的简单,要考虑到HTC电路的电荷注入效应、信号馈通效应，时钟jitter和噪声以及工艺等各方面的影响。匕”_ono——orI1图二、采样保持电路的理想逻辑控制输出图三、采样保持电路的基本结构1、并联采样和串联采样采样保持电路按照釆样电容接入电路的方式大体可分为并联采样和串联采样，它们分别对应开环的和闭环的采样保持电路。架构女口图三所示。VDDn•1tnVICsIF■VoutSi丄(a)并联采样(b)串联采样图三、并联釆样和串联采样示意图在并联采样中，采样电容是并联在信号通路上的，输入信号和输

7、出信号通过直流方式耦合；在串联采样电路中，采样电容是串联在信号通路中的，信号通过交流方式耦合，输入和输出的共模电平是隔离的。并联采样结构中，电路采样和保持的实现相当简单，完全由开关S1的状态来决定：S1闭合和打开时，电路分别处于采样和保持的状态;串联采样结构中，电路的采样和保持的动作語要几个开关的配合来完成：采样模式下，S1断开，S2和S3闭合，Vout=VDD,电容上的电压跟随输入信号变化。在电路向保持模式转变时，首先S2打开使Y