В. Е. ШУНКОВ1,2, М. С. ГОРБУНОВ1,2, В. Н. ИЛЬЯГУЕВ2

1Московский инженерно-физический институт (государственный университет),

2Научно-исследовательский институт системных исследований РАН

АНАЛОГОВЫЕ КЛЮЧИ ДЛЯ 12-РАЗРЯДНОГО

КОНВЕЙЕРНОГО АЦП

Исследованы различные схемы аналоговых ключей, рассмотрена возможность их применения в составе 12-разрядного конвейерного АЦП на основе 0.5 мкм КНИ КМОП технологии.

Современные аналоговые и аналого-цифровые схемы реализуются на переключаемых конденсаторах. Такие схемы содержат большое количество аналоговых ключей, к которым предъявляются весьма жесткие требования, в том числе передача сигнала в широком диапазоне с малой погрешностью. Для минимизации влияния паразитных элементов используются конденсаторы номиналом ~1 пФ, при этом эти емкости должны заряжаться через ключ до требуемого напряжения за такт.

Основные источники ошибок в ключевых схемах – инжекция заряда в нагрузку, сквозное прохождение наводок тактового сигнала и нелинейность проводимости ключа. Для ослабления влияния этих эффектов применяются различные схемотехнические приемы: фиктивные ключи, комплементарные ключи, ключи с вольтодобавкой, а также активные схемы на основе дифференциальных усилителей.

С целью изучения возможности применения в составе проектируемого 12-разрядного конвейерного АЦП были исследованы три основных типа ключей: КМОП-ключ и два ключа с вольтодобавкой – ключ Кайзера [2] и ключ Грэя [3].

Преимущество КМОП-ключа– простота реализации. Основной минус – сильная зависимость сопротивления от входного сигнала. Одним из вариантов КМОП-ключа является ключ с переключаемым карманом [1]. Когда ключ закрыт, подложка p-канального транзистора подключается к питанию, а когда открыт – к входу схемы. Такая конфигурация позволяет улучшить точностные свойства ключа и уменьшить его размеры.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Альтернативой КМОП-ключу являются так называемые ключи с вольтодобавкой (bootstrapped switch). Суть метода вольтодобавки заключается в том, что напряжение на затворе открытого n-канального ключевого транзистора зависит от входного напряжения, т. е. напряжение «затвор-исток» близко к напряжению питания вне зависимости от величины входного сигнала. Обычно ключи с вольтодобавкой реализуют на переключаемых конденсаторах. При этом соответствующая емкость заряжается между землей и питанием, пока ключ закрыт, и подключается между входом и выходом, когда ключ открыт. Основные достоинства ключей с вольтодобавкой – достаточно большая и стабильная во всем диапазоне входного сигнала проводимость, а также возможность реализации ключа только на n-канальном транзисторе.

Ключ Кайзера – улучшенная реализация принципиальной схемы вольтодобавки. Этот ключ характеризуется относительной простотой, небольшими размерами и наличием только одного конденсатора.

Ключ Грэя сложнее и больше, чем ключ Кайзера, но он обеспечивает лучшие точностные параметры и поэтому чаще применяется. Минусами этой схемы являются ее сложность, наличие трех конденсаторов и необходимость зарядки вспомогательных емкостей от фазовых сигналов.

Рис. 1. Ключ Кайзера

Рис. 2. Ключ Грэя

Также были исследованы различные модификации ключей, направленные на улучшение их функциональных параметров, в частности, была исследована возможность применения в ключах с вольтодобавкой переключаемой подложки и фиктивных ключей.

Функциональные параметры ключа очень сильно зависят от нагрузки, поэтому при проектировании разных каскадов АЦП необходимо оптимизировать параметры применяемых ключей с учетом особенностей конкретной схемы.

Список литературы

1. Terje Nortvedt et. al., “A Cost-Efficient High-Speed 12-bit Pipeline ADC in 0.18-mm Digital CMOS”, IEEE JSSC, Vol. 40, No. 7, July 2005

2. M. Dessouky, A. Kaiser, “Very Low-Voltage Digital-Audio ΔΣ Modulator with 88-dB Dynamic Range Using Local Switch Bootstrapping”, IEEE JSSC, Vol. 36, No. 3, March 2001.

3. A. M. Abo, P. R. Gray, “A 1.5-V, 10-bit, 14.3-Ms/s CMOS Pipeline Analog-to-Digital Converter”, IEEE JSSC, Vol. 34, No. 5, May 1999.