时间数字单斜模数转换器中斜坡发生器的研究

摘要：本文设计了一款应用于时间数字单斜模数转换器中的12位斜坡发生器电路。该电路主要由电流源网络、开关网络及输出转换电路三部分组成。该斜坡发生器是基于电流舵结构实现的，采用了4+4的分段方式。电流源网络用三层共源共栅结构的电流源来实现；差分开关来代替传统的开关电路，设计了一个轨到轨运算放大器来实现输出转换电路中的跟随器以驱动后级电路。

关键词：斜坡发生器 电流舵 TDC

中图分类号：TN792 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0153-01

近年來，随着CMOS集成电路工艺水平和设计技术的不断发展，CMOS图像传感器得到迅速的发展。普通单斜模数转换器（Single-Slope ADC）以其优越的性能广泛应用，但其速度限制了它在高速高精度CMOS图像传感器中的应用，而Time to Digital Single-Slope ADC（TDSS ADC）既保留了普通单斜结构的优势，又提高转换速率。而斜坡发生器作为普通Single-Slope ADC的重要组成部分，在TDSS ADC也是必不可少的。

1 斜坡发生器电路的设计与分析

斜坡发生器为8位，实现精度为12位。电压幅度为1.5V，单个台阶高度为：

产生单个台阶电流增量为ILSB=16μA，那么电流源网络的整体负载电阻为：

为了满足精细比较阶段的要求，还需要增加32个台阶。那么斜坡发生器需要的总台阶数量为M=28-1+2×24=287个，最终降斜坡电压范围约为2.5V-0.818V。

1.1 电流舵分段方式的确定

电流舵斜坡发生器根据电流源网络的实现方式可以分为二进制译码型和温度计译码型[1]。通过比较两种网络的优缺点，最终采用二进制和温度计型混合译码型电路。采用4+4的分段方式实现了一个8位斜坡发生器，即低4位用二进制译码型，高4位用温度计码型，实际精度达到12位。

1.2 输出转换电路的设计

驱动电路就是运算放大器组成的跟随器，所以驱动电路的设计就是对运放的设计。

实际运放接为的跟随器的增益误差可以表示为公式（1.3），Vout是理想输出，实际输出Vout。

增益误差应该小于0.5LSB，对于该电路要求的1.68V的电压摆幅，即Vref=1.68V，实现12位的精度，可以得出对运放增益误差的要求为：

由上式可得运算放大器的最小增益为74dB。

运放的时间常数可以表示为公式（1.5），其中ω0为3dB带宽，Av（0）ω0是单位增益带宽，Av（0）即为跟随器的低频环路增益。

对于12位的精度要求的运放，输出增益误差达到小于0.0205%的时间t0.0205%可以得出：

该运算放大器工作频率为50MHz，取其稳定时间为时钟周期的65%，那么由t0.0205%=13ns就可以得到该运放需要达到的单位增益带宽为：

所以要满足设计要求，运放的单位增益带宽要达到104MHz。

1.3 运算放大器的设计

根据计算要求，本文中的运算放大器采用了轨到轨运算放大器来实现。该放大器可以分为输入级、中间级、输出级和补偿电路组成。

输入电路采用了PMOS和NMOS共用的互补差分输入，同时采用了电流镜技术来使得互补输入在输入共模范围内具有较为恒定的总输入跨导[2]。

本运放中间放大级设计采取折叠式共源共栅结构。折叠共源共栅中间放大级构成加法电路，从差分输出的电流进入此加法电路后，通过两个电流镜实现双端到单端的转换，输出给下一级电路。设计时一方面为了提高输出电阻和摆幅，采用了含有反馈电路的宽摆幅共源共栅结构的电流镜作为负载。

输出级采用带有AB类偏置的推挽输出级，它可以实现全摆幅输出，并且其送至负载的最大信号电流与输出级静态电流的比值大，电源利用率高。

两级电路中需要加入补偿电路以确保有合适的相位裕度来使运放工作状态稳定，该运算放大中的补偿电路通过接入合适的电容Cc1和Cc2来实现的。补偿电容的大小与负载电容、两级电路的输入跨导和电路的单位增益带宽等因素有关，设计中需要综合考虑。

2 结语

论文首先详细介绍了适用于TDSS ADC实现12位精度的斜坡发生器设计过程，电路主要包括电流源网络、开关网络及输出转换电路三部分。论文详细分析了电流源电路、开关电路和输出级电路的设计。

在UMC130nm CMOS工艺下完成整体电路的设计后，分别仿真验证了各个电路模块的功能和输出，然后对整体斜坡发生器进行了仿真分析，最终得到0.81V-2.48V的斜坡仿真电压，其中Dnl+-0.485LSB，INL+-0.0869LSB，仿真结果满足设计要求。

参考文献

[1]黎佳.一种12位500MS/s分段型电流舵DAC的设计[J].电子技术应用，2013，39（5）：48-50.

[2]刘华珠，黄海云，宋瑞.功耗轨至轨CMOS运算放大器设计[J].半导体技术，2011年6期.

收稿日期：2016-08-19

作者简介：赵鹏（1988—），男，汉，陕西米脂人，硕士，助理实验师，研究方向为大规模集成电路设计与应用。