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1、一种高速、高精度全差分采样保持电路的ASIC设计,2010年 8月14日,中国科学院高能物理研究所,魏微,中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室,2,主要内容,设计需求结构选择工作原理设计指标整体设计仿真结果部分测试结果改进方案,3,高能物理中的模数变换器,典型的高能物理读出电子学系统特殊需求：多通道：64128通道低功耗：探测器端、总体消耗、散热？较高的精度、合适的速度业界没有高能物理专用的ADC，一直只能采用其他类型替代物理信号同计算机信号的最终接口，模数混合器件设计困难，经常受到禁运等因素的限制,4,多通道模数变换,片外ADC：需引出模拟信号 电缆连接，波形读出 电缆驱动，阻性负载
2、，功耗很大 不适合多通道集成基于分立元件的前端读出方式片上高速ADC：无驱动问题 多路开关，电平读出 模拟电平读出，功耗大大降低 切换的死时间需要高速ADC基于集成电路的前端读出方式,片内ADC的结构选择主流ADC发展趋势,FLASH,多通道变换需要合适的精度，较快的速度-：精度高、速度太慢 Pipeline：功耗、面积 Flash：功耗、面积太大，精度低 逐次逼近：精度速度都比较合适、功耗低,采样保持电路在模数变换中的地位,多通道、高计数率变换需要较快的ADC变换速度S/H将信号离散化，使后端电路仅面对固定电平，降低了孔径误差的影响，对后端电路要求降低S/H电路是ADC动态误差的主要来源之一
3、，对模数变换的性能影响至关重要高速、高精度ADC要求S/H电路具有较小的精度误差（增益）和很小的建立时间（速度）设计采样保持模块，应用在一款逐次逼近ADC设计中，实现实用性,7,主要内容,设计需求结构选择工作原理设计指标整体设计仿真结果部分测试结果改进方案,整体结构和工作原理,全差分采样保持电路，驱动后级逐次逼近ADC单元工作原理：复位：1闭合，运放建立工作点，电容上极板电荷清零采样：1d闭合，电容充电，输入信号被采样保持读出：2闭合，其他断开，电容下极板翻转到输出端，作为运放反馈路径进行信号读出需采用两相不交叠时钟，防止交替过程中电荷泄放,优点,谐波全差分电路抑制偶次谐波开关注入效应开关对差
4、分支路注入等量电荷，电荷注入效应和时钟馈通效应作为共模噪声被抵消运放失调采样相运放失调被电容储存，读出相被抵消。运放失调被自动消零电容匹配性电容值仅影响采样速度，完全建立后采样信号同电容值无关读出相未发生电荷转移，保持信号同电容值也无关电容不需要精确匹配即能保证差分特性,辅助开关1、_2：反馈开关尺寸失配将导致注入到输入端的电荷不一致添加辅助开关消除有限电荷注入失配的影响,采样开关,采样开关导通电阻决定采样速率采用CMOS开关降低导通电阻导通电阻随输入信号电平而变化，导致谐波失真选择开关合适的宽长比比例，使导通电阻随输入电平变化较较为平坦,10,全差分采样保持运放设计,三个部分：运放主体：两级
5、增益连续时间共模反馈开关电容共模反馈,11,性能要求：开环增益80dB单位增益带宽100MHz负载电容6p建立时间小于20ns,结构考虑,采用两级结构：增益要求80dB，单级难以实现；建立时间小于20ns，有带宽要求Folded Cas+Gain Boosting？Doublet可能影响建立时间特性Telescopic：动态范围主运放：差分对+共源共栅缺点：输出动态范围不如简单共源减小vdsat保证动态范围如果共源共栅在输入级？输入动态范围受限共模反馈复杂度增加,两级结构带来共模反馈问题纯连续时间共模反馈：动态范围共模探测电阻驱动能力带宽、稳定性无法采用单一SC cmfb,开关电容共模反馈,S
6、C cmfb通常控制偏置节点采用统一SC cmfb：正反馈，cmfb反馈环路需反相两级分别采用独立的SC cmfb？复杂：控制逻辑、开关、电容元件多利用部分连续时间共模反馈，复制第一级作为cmfb反相,连续时间共模反馈设计考虑,一般连续时间共模反馈问题阻性驱动、环路稳定性、动态范围结构选择：直接复制输入级、低阻输出（不存在稳定性问题）各工作点同输入级相同，容易建立版图可统一进行，提高匹配性环路稳定性设计考虑及仿真,14,共模反馈环路稳定性,环路切断点,采用理想共模反馈替代,共模反馈环路相位裕度 60,输入共模范围：0.53.3共模增益：-46.3dB,运放AC性能分析,开关电容cmfb采用理想
7、共模反馈替代Worst Case：GBW 100MHz增益 79dB相位裕度均 60,集成电路制造工艺将使得实际电路参数偏离仿真值工艺Corner仿真确定了工艺制造的最坏条件，保证运放在各种工艺条件下性能均能满足要求,开关电容共模反馈,传统结构工作原理参考电容被充至参考值探测电容探测实际工作点采样相运放空闲，电容并联，电荷分配，稳定工作点保持相刷新参考电容，重新探测实际工作点尺寸选择输出端负载电容 vs.收敛速度收敛速度：2个周期11bit建立时间：正沿13ns，负沿15ns,17,采样保持增益线性动态范围,输入差分Vpp 1.1V考察输出 vs.输入线性度线性度好于210-5,18,采样保持
8、动态性能,采用10MHz采样率仿真（实际为3.125MHz）256点FFT动态特性：采样率10MHz，输入信号351.5625kHz（相关采样比为9）SFDR=82.3dB,19,采样保持版图,1,2 2,3,4,主运放SC cmfb采样控制电源版图设计考虑：共心匹配噪声隔离电源网络分配作为IP单元集成在逐次逼近ADC中,21,主要内容,设计需求结构选择工作原理设计指标整体设计仿真结果部分测试结果改进方案,22,测试环境,将采样保持模块集成于逐次逼近ADC中，对逐次逼近ADC进行测试测试平台：基于Altera DE2开发板和板载Cyclone II FPGA完成数据读出利用FPGA外部引脚控制
9、芯片以及同芯片进行互联利用FPGA内部自带nios II软核，同计算机进行通讯，完成数据传递,FPGA,USB,To PC,Socket,LVDS Buffer,DUT,SDRAM,功能测试（通过片上模拟Probe buffer）,23,全差分采样保持输出,瞬态波形和建立良好变化开始在采样开始后的第4个周期（100ns）同仿真相符,动态性能测试（连同ADC）,16384点FFT，采样率3.125MHz，输入信号211.52kHz（相关系数1109）（-3dBFS）ADC的非线性较大，反映到频谱中：无明显谐波，杂波很多,24,初步刻度考虑,通过后端刻度，消除ADC非线性对动态性能的影响，从而留下
10、采样保持电路的谐波特性以供分析刻度方案：,25,实际SARADC,实际SARADC+刻度表,一般刻度方法基于DAC，精度受限，且主要适合于修正线性误差（增益误差、失调误差），对非线性误差修正能力很有限,基于正弦波的刻度方案,26,利用被测ADC采样并FFT：得到精确的输入正弦波的频率FIR：通过FIR滤波器构建，确定各阶系数，构建极窄带带通滤波器由于已知输入信号特性，通频带仅设定为输入频率一个点输入信号重建：利用上述FIR滤波器对输入信号重新进行数字滤波，得到基本noise free的纯净参考正弦波利用running average方法获得刻度表,刻度结果-低频,27,刻度结果-中频,28,刻度结果-高频,29,定量总结,30,刻度后，ADC整体动态性能SFDR约70dB，SNDR约45dBADC引入的非线性被刻度消除，采样保持电路的动态性能实测结果初步满足10bit的要求,改进和总结,采样保持电路的初步设计是成功的可以供10bit以内的ADC作为高速采样保持模块集成应用改进考虑：采样开关可以采用自举开关形式，进一步降低开关导通电阻随输入信号的变化，提高动态性能采样保持运放的结构可以做进一步优化片外尚需全差分驱动运放，可以考虑片内集成该驱动单元,Thank you！,
