在高速高精度流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，高性能的采樣保持放大器扮演著重要的角色。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能直接取決于采樣保持放大器的精度、速度和噪聲特性。設(shè)計(jì)高性能采樣保持電路的關(guān)鍵在于合適的運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)。
為滿足高精度和高速度問題，運(yùn)算放大器必須具有高的開環(huán)增益和高的單位增益帶寬。這就需要晶體管具備大的跨導(dǎo)，同時(shí)保持小的寄生電容以消除高階極點(diǎn)對帶寬的限制。對于MOS器件，要實(shí)現(xiàn)大的跨導(dǎo)，晶體管需要大的寬長比。然而寬度大的晶體管會產(chǎn)生大的寄生電容，從而減小非主極點(diǎn)，使運(yùn)算放大器的帶寬受到限制。因此，對于CMOS工藝，要同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速和高精度將是一個難題。如果采用SiGe BiCMOS工藝，這一矛盾會得到很好的解決。通過“能帶工程”與“雜質(zhì)工程”使SiGe HBT具備大的跨導(dǎo)，小的寄生電容以及好的噪聲特性，在電路結(jié)構(gòu)中合理地使用SiGe HBT和MOS器件可以很好的滿足高速、高精度要求，同時(shí)并不需要犧牲噪聲性能或者輸出擺幅。
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| 圖1：單位增益采樣保持電路結(jié)構(gòu)。 |
理論模型
采樣保持電路中放大器的速度決定了整個流水線結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率。為滿足12位250M SPS模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的需要，每個轉(zhuǎn)換周期的大小約為4ns，用于保持階段的時(shí)間為半個周期。同時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度為12比特，所以設(shè)計(jì)指標(biāo)為采樣保持放大器必須在2ns的時(shí)間內(nèi)達(dá)到LSB/2，即0.01%的精度。圖1是單位增益采樣保持電路結(jié)構(gòu)圖，從圖中的結(jié)構(gòu)可推出：
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其中Av是運(yùn)算放大器的開環(huán)增益，K=CIN/CS是運(yùn)算放大器輸入電容(CIN)和采樣電容(CS)的比值。設(shè)計(jì)要求運(yùn)算放大器的輸入電容不大于采樣電容，即K<1，因此Av只要大于20,000(即86dB)，就可以使增益誤差滿足要求。
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| 圖2：運(yùn)算放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 |
采樣保持電路的動態(tài)特性受圖1中運(yùn)算放大器的建立時(shí)間限制。若運(yùn)算放大器的次主極點(diǎn)在靠近GB處，則單位增益結(jié)構(gòu)的傳輸函數(shù)如式2所示。對于單位幅度階躍輸入，輸出電壓的時(shí)域響應(yīng)如式3所示，定義誤差E4。為在2ns內(nèi)達(dá)到0.01%的建立精度，則需要超過1.3GHz的增益帶寬。
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為達(dá)到86dB的增益，同時(shí)還要獲取超過1.3GHz的帶寬，運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)的選取就尤為重要。表1列出了當(dāng)前常用運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)的性能比較，由表1可以看出，套筒結(jié)構(gòu)和折疊共源共柵結(jié)構(gòu)對高速運(yùn)算放大器有優(yōu)勢，考慮功耗和噪聲，我們選取套筒式結(jié)構(gòu)。為同時(shí)兼顧高增益和快速建立時(shí)間，必須采用SiGe HBT器件做為輸入級，同時(shí)在信號通路中盡量限制MOS器件的使用，以免產(chǎn)生大的寄生電容，從而限制帶寬。
電路設(shè)計(jì)
SiGe BiCMOS運(yùn)算放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，電路的低頻增益Av≈-gmN1-Q1×(RO1‖RO2)，其中g(shù)m和RO分別為電路的等效跨導(dǎo)和等效輸出電阻。由圖3可知，電路的跨導(dǎo)gm=gmN1-Q1，輸出電阻RO=RO1‖RO2，由小信號分析可得：
RO1≈gmP1×gmP3×ROP1×ROP3×ROP5 (4)
RO2≈gmQ3×ROQ3×(RπQ3‖ROQ1) (5)
為獲得大的直流增益，PMOS共源共柵極的輸出電阻RO1和HBT cascode的輸出電阻RO2必須很大且大致相等。同MOS器件相比，SiGe HBT具有較大的跨導(dǎo)和輸出電阻，因此只需要兩個HBT層疊就能獲得與三個PMOS器件層疊相同的輸出電阻。
N1和Q1構(gòu)成達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，它既能提供無窮大的輸入電阻，又能提供大的跨導(dǎo)。N1選擇小的尺寸能獲得更大的帶寬，由式(6)可得達(dá)林頓管的輸入跨導(dǎo)gmN1-Q1≈gmQ1。
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P1至P6組成的電流源負(fù)載，它們分別被0.3V的過驅(qū)動電壓偏置。SiGe HBT的BC結(jié)與BE結(jié)有著相同的導(dǎo)通電壓0.85V，通過單管模擬仿真表明，當(dāng)Vbc=0.5V時(shí)(此時(shí)HBT工作在飽和區(qū))，共射電流增益β降低5%。我們?nèi)bc-max=0.45V，可得Vce-min=0.4V，N3的過驅(qū)動電壓低于4V。因此運(yùn)算放大器全差分輸出擺幅為：2×[3.3－(0.3×3＋0.4＋0.4×2)]V。因?yàn)镾iGe HBT具有較小的寄生參數(shù)和較大的跨導(dǎo)，所以能夠提供比MOS器件大得多的fT，通過對電路進(jìn)行小信號分析，我們可以在不同的結(jié)點(diǎn)處計(jì)算運(yùn)算放大器的極點(diǎn)。主極點(diǎn)ωP1在結(jié)點(diǎn)O處，另外還有兩個非主極點(diǎn)ωP2、ωP3分別在結(jié)點(diǎn)Y、X處。
