开关电容S_H电路电荷共享效应建模与优化.docVIP

 开关电容 S/H 电路电荷共享效应建模 与优化# 宁宁，孙振亚，眭志凌，陈华，徐双恒，朱欢，张军* 5 10 （电子薄膜与集成器件国家重点实验室，成都 610054） 摘要：针对开关电容采样/保持（S/H）电路中由负载电容记忆效应引起的电荷共享问题进行 了建模，获得电荷共享效应会导致运放建立幅度增加，并根据所推导的运放建立总公式，得 出建立幅度增加会进而增大对运放功耗和带宽要求或者降低建立速度。为改善该现象，基于 预充电思想和双采样技术提出了一种优化方案，它能在保持原 S/H 电路速度不变时消除电荷 共享效应对运放功耗和带宽的额外要求，仿真实现的 12 位 100Msps 双采样/保持电路证明了 其有效性。 关键词：集成电路技术；开关电容；采样/保持；记忆效应；电荷共享；预充电 中图分类号：TN432 文献标识码：A 15 20 25  Modeling and optimization of the charge sharing effect of switched-capacitor S/H circuit Ning Ning, Sun Zhengya, Sui Zhiling, Chen Hua, Xu Shuangheng, Zhu Huan, Zhang Jun (State Key Lab of Electronic Thin Films and Integrated Devices, ChengDu 610054) Abstract: ICharge sharing phenomenon due to load capacitance’s memory effect in switched-capacitor sample-and-hold(S/H) circuit is modeled, which gives it may cause the opamp settling amplitude increasing. According to the total equation derived from the settling behavior of opamp, the increased amplitude may further cause more power, larger bandwidth or lower speed. For improving this phenomenon, an optimizing methodology is proposed based on pre-discharge theory and double sampling technology, which can eliminate the extra requirement of power and bandwidth without reducing the initial speed of S/H circuit. A 12bit, 100Msps double S/H circuit achieved by simulation proves the availability of this method. Keywords: IC design; switched-capacitor; sample-and-hold; memory effect; charge sharing; pre-charge 30 0 引言 开关电容采样/保持（S/H）电路广泛应用于模数转换器（ADC）。运放在保持阶段对信 号建立过程决定了 S/H 电路乃至整个 ADC 系统的速度和精度。信号建立通常分为大信号建 立和小信号建立两个阶段[1]。牺牲功耗可提高压摆率进而减小大信号建立时间[2]，而增大带 35 宽和优化相位裕度可以获得小信号的快速建立[3-5]。 在开关电容运放建立的过程中，电荷共享现象[6]会对信号建立的速度、运放的功耗和带 宽等指标产生影响。该现象因负载电容由于记忆效应而存储的记忆电荷引起，这些记忆电荷 导致运放在建立的起始时刻出现电荷共享现象，使运放理想建立的起始电压发生电压跳变， 从而导致信号实际建立的幅度 S 实际可能大于理想建立的幅度 S 理想，如图 1 所示。 基金项目：国家教育部博士点基金（200806141100） 作者简介：宁宁，（1981-），男，副教授，主要从事模拟/数模混合集成电路设计研究. E-mail: ning_ning@uestc.edu.cn -1-  40  图 1 (a) 运放对信号的理想建立  (b) 电荷共享导致信号的实际建立 Fig.1 (a)ideal signal setting of amplifier (b)re