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摘 要

模数转换器的分辨率和转换速率取决于运算放大器对信号的建立精度和建立速度。随着尺寸的减小和电源电压的降低。运算放大器的设计变的越来越困难，并成为低压低功耗下高速高精度模数转换器发展的瓶颈。

本文阐述了传统型环路运放的工作原理，详细分析了环路运放的振荡机制并探究了一些因素对环路运放稳定性的影响。由于传统型环路运放存在需要外部偏压的局限性，最终采用了一种新型自偏置环路运放作为设计方案。新型自偏置环路运放保持传统型环路运放基于压摆的充放电和几乎轨到轨输出摆幅的优势的同时提高了稳定性与实用性。然后将改进型环路运放应用于采样保持电路以测试环路运放的性能，为了减少采样保持电路中的MOS开关对测试带来的误差，改进了采样开关，消除了电荷注入、时钟馈通、导通电阻非线性对采样的影响，提高了采样精度，同时采样了一种改进的自动校零方案，消除了由自动校零开关两端的寄生电容引起的增益误差。提高了放大精度。

在SMIC 0.18μm工艺下设计的环路运放电路，在电源电压1.6V，负载电容500fF的条件下达到了以下指标：开环增益：104dB；功耗：0.189mW；输出达到了轨至轨的摆幅，同时对于采样速率为5MS/s的奈奎斯特频率输入，采样保持电路的SFDR为87.887dB。

关键词：模数转换器，振荡机制，自动校零，传统环路运放，自偏置环路运放，MOS开关

ABSTRACT

The ADC's resolution and slew rate depend on the accuracy and speed of the op amp's signal setup. With the reduction in size and power supply voltage. The design of operational amplifiers has become more and more difficult, and has become a bottleneck in the development of high-speed, high-precision ADCs under low voltage and low power consumption.

This paper describes the working principle of the traditional ring amplifier, analyzes the oscillation mechanism of the ring amplifier and explores the influence of some factors on the stability of the ring amplifier. Due to the limitation of the external bias needed for the traditional type of ring amplifier, a new type of self-bias ring amplifier was finally adopted as a design solution. The new self-biased ring amplifier keeps the traditional ring amplifier based on the advantages of slew-charged discharge and almost rail-to-rail output swing while improving stability and practicality. Then the improved ring amplifier is applied to the sample-and-hold circuit to test the performance of the ring amplifier. In order to reduce the error caused by the MOS switch in the sample-and-hold circuit, the sampling switch is improved, and the charge injection and clock feeding are eliminated. The influence of the non-linearity of the pass and on resistance on the sampling improves the sampling accuracy. At the same time, an improved automatic zeroing scheme is sampled, which eliminates the gain error caused by the parasitic capacitance at both ends of the automatic zeroing switch and improves magnification accuracy.

The ring amplifier circuit designed under the SMIC 0.18μm process achieves the following specifications under a supply voltage of 1.6V and a load capacitance of 500fF: Open-loop gain: 104dB; Power dissipation: 0.189mW; Output reaches the rail-to-rail swing . At the same time, for a Nyquist frequency input with a sampling rate of 5 MS/s, the SFDR of the sample and hold circuit is 87.887 dB.

KEY WORDS: ADC, oscillation mechanism, auto-zero,conditional ring amplifier，self-based ring amplifier, MOS switch.

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景与研究意义 1

1.2 国内外发展现状 1

1.3 论文结构安排 2

第二章 环路运放基本理论 3

2.1 环路运放的工作原理 3

2.2 环路运放的优势 4

2.2.1 高增益 4

2.2.2 轨至轨输出摆幅 5

2.2.3 基于压摆的充电特性 5

2.2.4 低功耗 5

2.2.5 性能跟随工艺改进得到提升 6

2.3 环路运放振荡过程的分析 6

2.4 传统型环路运放的改进 8

2.4.1 精准型环形放大器 9

2.4.2 高阈值器件的环形放大器 9

2.4.3 自偏置环形放大器 10

2.5 本章小结 10

第三章 环路运放稳定性的分析 11

3.1 环路运放的稳定性与压摆率的关系 11

3.2 环路运放稳定性与前两级带宽的关系 15

3.3 稳定性与第一二级增益的关系 17

3.4 反馈系数对环路运放稳定性的影响 19

3.5 本章小结 20

第四章 采样保持电路的设计与开关优化 21

4.1 采样保持电路的原理与选型 21

4.2 MOS采样开关非理想因素分析与优化 24

4.2.1 电荷注入 24

4.2.2 时钟馈通 25

4.2.3 MOS导通开关的非线性 26

4.3 一种改进的自动校零开关 27

4.4 电路仿真与结果测量 28

4.4 本章小结 32

第五章 总结与展望 33

致谢 34

参考文献 35

第一章 绪论

1.1 课题背景与研究意义

利用电子技术处理自然界的物理量时首先要将它们先转变成电信号，但这些电信号是在时间和幅值上都连续的模拟信号，必须先将这些模拟量转换为数字量才能输入到数字系统进行处理，模数转换器是连接数字领域与模拟领域的一座重要桥梁，在混合信号处理系统中发挥着不可替代的作用，并广泛应用于消费级电子产品与通信领域中。模数转换器既也是模拟设计领域研究的重点，同时也是难点。随着各类电子产品与通信系统的普及和发展，对数模转换器的精度和速度都提出了更高的要求，同时为了满足电子产品节能的要求，模数转换器也不断向着低压低功耗的方向发展。低压低功耗下高速高精度数模转换器成为了市场的迫切需求。

随着CMOS工艺水平的不断提高，低压低功耗IC技术也取得了巨大进步，尤其体现在数字IC领域，CMOS器件尺寸与电源电压的下降使数字电路的频率逐渐增加，功耗逐渐降低。模拟IC技术随着工艺水平的提高也取得了一些进步，当遇到的困难也越来越多。由于模拟电路中MOS管阈值电压无法跟随电源电压实现等比例缩放，同时MOS管的寄生效应随着特征尺寸的减小越来越严重，导致低压下模拟电路速度精度下降，信号动态范围减小，温漂现象更加明显，电路噪声增加，抗干扰能力变弱。作为典型的模拟模块，运算放大器的设计也面临着诸多问题，并成为了以ADC为代表的数模混合电路的设计瓶颈所在。因此，针对先进工艺下运算放大器的研究，具有重要意义。

1.2 国内外发展现状

一些方案已经被提出用来克服低压低功耗下运放的设计问题，包括亚阈值技术^[1]、衬底驱动技术^[2]、动态源极跟随器技术^[3]、基于比较器的设计技术^[4]、基于反相器的开关电容电路设计方法^[5]等。

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