0 引言

近年来，随着数字信号处理技术的迅猛发展，数字信号处理技术广泛地应用于各个领域。因此对作为模拟和数字系统之间桥梁的模数转换器(ADC)的性能也提出了越来越高的要求。低电压高速ADC在许多的电子器件的应用中是一个关键部分。由于其他结构诸如两步快闪结构或内插式结构都很难在高输入频率下提供低谐波失真，因此流水线结构在高速低功耗的ADC应用中也成为一个比较常用的结构。

作为流水线ADC前端的采样保持电路是整个系统的关键模块电路之一。设计一个性能优异的采样保持电路是避免采样歪斜(timing skew)最直接的方法。

本文基于TSMC 0.25μm CMOS工艺，设计了一个具有高增益、高带宽的OTA，并且利用该OTA构造一个适用于10位，100 MS／s的流水线ADC的采样保持电路。文章讨论了适宜采用的跨导运算放大器的结构以及对其性能产生影响的因素和采样保持电路的结构，最后给出了仿真结果。

1 OTA的设计

1.1 OTA结构

在2.5 V的电源电压下，虽然套筒式共源共栅结构具有高速、高频、低功耗的特点，但由于套筒式结构的输出摆幅低，不太适合低压下的设计。因此折叠式共源共栅的运放结构是一个较好的选择，如图1(a)所示。由于该OTA将用于闭环结构，为了减少输入端的寄生电容，采用了NMOS管作为输入管。

本文采用如图1(b)所示的增益自举电路结构。放弃使用四个单端输入-单端输出的运放是因为后者不仅会增加功耗和面积，而且由于不可避免地采用电流镜结构会引入镜像极点，限制了OTA的频率特性，使其单位增益带宽变小。为了提供最大的输出摆幅，放大器A2必须采用NMOS的输入差动对。同理，放大器A1必须采用PMOS作为输入差动对。

由于该OTA将应用到10位，100 MS／s流水线ADC的采样保持电路中，其增益A0应满足式中，N为ADC的分辨率，B为每级的有效位数。对于本例，N=10，B=1，则A0>72.25 dB。对于如此大的直流增益，即使采用了增益自举电路结构，主运放和辅助运放的增益还是要达到40 dB以上。以图1(b)为例，提高折叠式共源共栅运放的直流增益的方法有：①增加M7和M8管的跨导和沟道长度，但是会增大寄生电容，降低运放的次极点频率。②增大M1和M2管的跨导和沟道长度，由于次极点处在折叠点处，因此会降低运放的次极点频率。③可以增加M5和M6管的沟道长度，由于信号不经过这几个管子，因此不会降低工作速度。
为满足设计要求，该OTA的单位增益带宽至少要达到800 MHz以上。根据文献[4]，单位增益带宽GBW满足

式中：K=μ0Cox，μ0是电子迁移率；Cox是单位面积的栅氧化层电容；Id1是尾电流；W1和L1分别是M1管的宽和长；CL是负载电容。根据式(2)，提高单位增益带宽可以通过：增加尾电流，但这样会增加功耗；增大W1，但会增大折叠点处的寄生电容，减小相位裕度。
同时，OTA的有限增益和有限的稳定时间会使采样保持的实际结果与理想情况之间出现偏差，例如信号失真，低信噪比(SNR)等。因此需要一个快速稳定的高直流增益OTA。为了达到设计要求，需要反复进行模拟和折中，进行优化。

该OTA采用如图2所示的动态开关电容共模反馈。选择这种共模反馈的原因是：首先，由于此共模反馈电路是离散型共模反馈结构，所以不会浪费功耗。其次，这种共模反馈结构也不会限制OTA的输出摆幅。OTA的主运放和两个辅助运放将采用同一个偏置电路。

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