一种用于12位SAR ADC的自举开关的设计

顾字晴

【摘要】在传统自举开关的基础上，设计了一款应用于12位$AR ADC的栅压自举开关电路。电路采用0.18um标准CMOS工艺，仿真结果显示该电路可实现栅压自举，有效位数高达14位，满足各项性能指标。

【关键词】自举开关;SARADC;有效位数

CMOS导通电阻虽然很小，当工作电压转向低压时，开关在小幅度信号控制下不能充分完成导通关断操作，很难完成高线性度的采样工作，当采样完成后开关开路，会有电荷注入问题影响SAR ADC输入信号的精度。所以需要采样更好性能的开关，栅压自举开关应运而生。

一、电路设计

在设计中，采样保持电路的精度一般都要比ADC设计精度高2位以上，才能很好地完成采样工作。但传统开关都无法满足12位SARADC的线性度要求，所以本文设计了图1所示的栅压自举开关电路。

图1结构的自举开关与传统结构的自举开关相比，显著的优势是减少了电荷泵电路，同时将M1管换成了PMOS管，这样能在版图设计中减少电容面积的消耗同时降低了功耗。

图中CIk1信号和CIk2信号是一组反相时钟。当cIk2信号是高电平时，cIkl信号为低电平。此时，M2管导通，电路对c1进行充电，同时M9将M10栅极电压接地，M5此时关断，使c1和采样管M10隔开。当CIk2为低电平，M2、M9关断，充电结束，此时clk1电平为高，CIk1通过反相器M3、M4管将M5的栅极拉低，M6、M7栅电位拉到高电路开始导通，完成栅压自举的过程，此时M10栅极电压等于VDD加上Vim信号。M6、M8是保护管，为了让电路更加可靠。

二、仿真结果及分析

对栅压自举开关搭建电路进行仿真，负载电容为2.56pF，采样频率80MHz，Voutp和Voutn输入信号采用为39.76MHz，幅度为500mV，相位相反，采样点数4096。图2给出了自举开关瞬态仿真波形图。

从图2中可以看出，栅极电压与源极输入信号之间保持一个恒定的差值，即栅源电压恒定，不受输入信号的影响，达到了栅压自举的设计目标。

完成仿真后，对输出信号Voutp和Voutn进行差分处理，对差分信号进行DFT分析，计算得到自举开关的相关性能参数，如图3所示。

从图3可知，在输入频率为39.765MHz的情况下，自举开关的无杂散动态范围SFDR=92.47dB，信噪比SNR=85.89dB，信噪失真比SNDR=83.56dB，其有效位数ENOB达到了14位，完全满足本文12位的设计要求。

三、结论

在傳统自举开关的基础上进行改进，设计了一款栅压自举开关。仿真结果显示，电路很好地完成了栅压自举目标，并且导通电阻变化很小，开关的线性度很高，有效位数达到14位，满足设计要求的精度。