一种高精度、低功耗采样保持电路的设计.doc

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1、目录1引言12采样保持电路基本理论分析及主要设计考虑32.1基本采样保持电路的分析32.2采样保持电路的性能指标32.3采样保持电路结构分析及选择42.3.1采样保持的基本结构42.3.3电荷重分配式采样保持电路52.3.4电容翻转式采样保持电路63采样保持电路的设计与实现93.1采样保持电路的整体结构93.2采样保持运算放大器的设计113.2.1运算放大器的性能参数113.2.2几种运放的结构比较123.2.3采样保持放大器的设计与仿真133.2.4偏置电路的设计163.3开关电容的选取173.4采

2、样开关的设计183.4.1MOS开关简介193.4.2MOS开关非理想因素的分析193.4.3栅压自举开关193.4.4时钟产生电路的设计213.5采样保持电路总体仿真244采样保持模块版图实现264.1版图设计基本原则264.2采样保持电路版图实现264.2.1整体设计布局264.2.2元器件版图设计274.2.3各个模块的版图设计294.2.4整体版图设计305总结33谢辞34参考文献35附录1361引言近几年微电子技术发展十分迅速，数字信号技术已经十分广泛，在生产生活中变得越来越重要，很多模拟电

3、路在数字领域也变得能够实现[1]。模数转换器（ADC）是数字信号和模拟信号的接口，已近成为各种数字系统中必不可少的一个模块，它对整个数字系统有着十分巨大的作用。模数转换电路的发展趋势是高分辨率、高转换速率、低功耗方向发展；采样保持电路，它与模数转换器有着相同的发展方向。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，采样模式包括栅压自举开关电路，MOS管电荷注入效应，时钟馈通效应，开关导通电阻的非线性和噪声；保持模式主要对运放的建立过程的

4、研究。本设计讨论的就是模数转换器的一个最前端的模块——采样保持电路。采样保持电路（sampleholddevices)简称S/H，它是用在模拟/数字转换系统中的一种电路[2]。作用是采集模拟输入电压在某一时刻的瞬时值，并在模数转换器进行转换期间保持输出电压不变，以供模数转换。模数转换需要一定时间，在转换过程中，如果送给ADC的模拟量发生变化，则不能保证精度。采样保持电路有两种工作状态：采样状态和保持状态。采样状态：控制开关K闭合，输出跟随输入变化。保持状态：控制开关K断开，由保持电容Ch维持该电路的输

5、出不变。采样保持电路在流水线ADC电路中有重要应用，本文设计的就是流水线模数转换器中的采样保持电路。流水线结构是通过将高精度的模数转换分为多级低精度的模数转换，每级可以流水工作，互不影响，这样可以同时获得高速和高分辨率，在流水线ADC电路的设计中，由于整个转换器的动态范围不可能超越其前端采样保持电路，所以采样保持电路的性能将直接影响整个流水线ADC电路[3]。因此，流水线型模数转换器在高速高分辨率场合得到了最广泛的应用。本课题结合现有条件,在0.13umCMOS工艺条件下，设计了适用流水线的模数转换器

6、的采样保持电路。本文探讨位于整个模数转换器最前端的采样保持电路的研究和设计。采样保持电路位于整个A/D转换最前端，其性能高低决定了整个流水线ADC的精度与速度[4]。采样保持电路的增益、输入输出范围和噪声都直接影响到后面各个子ADC的工作；特别是噪声会被后级电路放大，这是流水线ADC研究的一个重点，对于高性能采样保持电路，主要是研究其速度和精度，速度主要与采样保持电路的结构、运算放大器的增益带宽积以及采样保持电路保持相位时的闭环相位裕度等有关。精度主要取决于采样开关的非线性、采样开关断开时的沟道电荷注

7、入、运算放大器的直流增益、开关噪声以及运算放大器热噪声等。本论文分为五章，其中：1第一章，提出研究的课题,介绍了课题研究的背景和意义，说明了采样保持电路的重要性。第二章，介绍了基本理论知识，重点分析了采样保持电路的性能指标和结构选择。第三章，详细具体介绍采样保持电路的设计与实现，首先给出采样保持电路的总体图，然后对电路各个模块分别进行电路得搭建，最后用Tanner进行仿真。第四章，采样保持电路版图的设计。第五章，总结与展望。12采样保持电路基本理论分析及主要设计考虑2.1基本采样保持电路的分析采样保持

8、电路是对连续变化的模拟信号进行采样，利用电容的电荷不突变的作用，在输出端保持电压不变，再将模拟信号进行量化和编码，变成数字信号。所以必须在保持一定的时间，保证能够完成量化编码。根据采样的时间间隔可以确定采样的频率。采样保持电路有两个模式：采样模式和保持模式[5]。在采样模式下，输出随着输入的变化而变化，也就是说输出跟随输入。在保持模式下，电路的输出的结果是采样结束时刻的数值。图2-1是采样保持电路的基本原理图。Vin是输入信号，采样开关是一个简单的MOS