一种高输入低输出阻抗的互补开关式采样保持电路

2021-09-24赵川

科技与创新 2021年18期

赵川

（百色学院，广西百色533000）

1 引言

模数转换器（ADC）实现将连续的模拟信号转换为时间离散、幅度离散的数字化信号，以便进一步进行数字信号处理。整个模数转换过程中，采集到的模拟输入信号必须要保持不变，因此，需要一个采样保持电路作为ADC的前端，以均匀的时间间隔采样输入信号，在时域上对模拟输入信号离散化，同时保持其在幅值上的连续。

2 采样保持电路设计

单管S/H电路如图1所示。从图1中可以看出，一个简单的S/H电路由一个MOS开关管和一个电容构成，MOS管导通时输出随输入变化，MOS管断开时输出保持为常数，电路通过电容将输入“冻结”，该电路存在输入电压摆幅小、电荷注入效应大、电路线性度差的缺点[1]。

为改善上述问题，本文设计的改进的S/H电路如图2所示，主要做了2点改进。

2.1 采用“互补开关”代替“单管MOS开关”

PMOS开关在输入很大的正电压时，导通电阻明显减小，所以采用互补开关来为S/H电路提供全摆幅电压是可能的，如图2中，互补开关由mp、mn两个MOS管构成，其等效电阻为：

图2 改进的S/H电路

图1 单管S/H电路

因此，将p管和n管结合起来的互补开关，会产生相反的电荷量Δq1和Δq2，且被两个沟道相互注入，当保证WpLpCOX（Vin－︱VTHp︱）=WpLpCOX（VCLK－Vin－VTHn）时，可使Δq1和Δq2正好抵消，很好地改善了电荷注入效应。

2.2 加入输入、输出缓冲放大器

ADC的信号源往往由传感器采集得到，传感器通常是电阻桥这类高阻元件，其内阻通常可以达到数千欧姆，信号源进入ADC前，为得到最好的输出需进行阻抗变换。图2中OP1、OP2为两个单位增益负反馈形式的运放，分别加在输入端和输出端，用来提高S/H电路的输入阻抗、减小输出阻抗，以便与信号源和负载连接。高输入阻抗的OP2将CH和负载隔离，避免在保持阶段CH上的电荷会通过负载放掉而无法实现保持功能。当互补开关导通时，S/H为跟踪状态，由于OP1是高增益放大器，其输出电阻和开关导通电阻很小，输入信号IN通过OP1对CH的充电速度很快，CH的电压将更能接近且跟随IN变化。

2.3 S/H中的电压跟随器

用集成运放构成的电压跟随器（即单位增益负反馈形式）具有非常大的输入阻抗，几乎不从信号源汲取电流，同时具有非常小的输出阻抗，向负裁输出电流时几乎不在内部引起电压降，可视为理想电压源，其等效电路如图3所示，输入电阻无穷大，输出电阻趋于零，增益为1，因此可起到阻抗变换作用。

图3 电压跟随器及其等效电路

电压跟随器采用的运放结构如图4所示。M8和M9接为二极管形式，为运放各级提供偏置电流，M5、M9和M3、M4分别组成电流镜，M6、M7组成第二级共源放大器，引入R、Cc来改善运放稳定性。使M3和M4管对称，则相同的结构使得在a，b两点的电压在共模输入范围内不随着Vin的变化而变化，为第二极放大器提供了恒定的电压和电流。该运放在10 pF的电容负载CL下有足够大的相位裕度、增益和单位增益带宽，保证运放能稳定工作且不会给S/H电路造成大于LSB/2的误差或导致S/H不能在要求的时间内建立。

图4 自偏置标准运算放大器

3 仿真分析

影响S/H电路的主要因素是它的建立时间和其在保持阶段的电压下降率。S/H电路正弦激励的瞬态响应如图5所示。本次设计基于Cadence平台，采用华润上华CSMC 0.5μm的CMOS亚微米工艺设计电路并进行仿真验证[2]，给该S/H电路输入一个电压峰——峰值为2 V、频率为100 Hz的正弦信号（图5中net02信号），当S/H的采样频率是128 kHz（图5中net4信号）时，进行瞬态响应仿真，放大其中一段波形，垂直坐标V1时刻开关断开，采样该时刻的电压值，并在垂直坐标V2时刻采样保持输出电压Vout建立完毕，建立时间大约是0.36μs，在保持阶段Vout几乎不变，可见该S/H电路能对输入信号进行良好的跟踪和保持，达到设计要求。