栅电压自举开关时钟馈通效应及补偿策略详解

本文主要探讨的是栅电压自举开关时钟馈通效应及其在高精度sigma-delta模数转换器（Σ-Δ ADC）设计中的影响。σ-Δ ADC是一种能实现高精度和低功耗转换的模数转换器，但其高速性能受到时钟馈通效应的限制。时钟馈通效应是指当开关管栅极电压变化时，通过寄生电容耦合到采样输出，导致非线性误差，且误差与输入信号幅度和开关尺寸成正比。 图4．14所示的栅电压自举开关示意图清晰地展示了这一现象，当栅极电压从输入信号V_in(n)+V_c变为0时，开关关断，由此产生的电压变化通过寄生电容CGD耦合到输出，引入的误差影响了差分采样输出信号。设计者们正在寻找解决方案，如时钟馈通补偿结构，其基本原理是在时钟下降沿施加补偿电压来抵消原效应。然而，这类补偿并非完美，它可能存在自身的问题，如补偿电压的准确实现和对高速性能的影响。 在Σ-Δ ADC的设计中，性能指标至关重要，包括动态特性如信噪比、动态范围以及无杂波动态范围，以及静态特性如积分非线性和微分非线性。作者使用Matlab进行建模和系统仿真，以确定模拟调制器的阶数、前馈因子、反馈因子和积分器增益，以满足过采样率、精度和动态性能的需求。设计过程中，对各种非理想因素如运放的直流增益限制、带宽和摆率、输出摆幅限制、开关非线性、时钟抖动和采样电容热噪声进行了量化分析，以确保系统设计的优化。 在模拟调制器电路级设计上，作者采用了2阶单环多位结构，结合优化的前馈和反馈系数，以实现高精度。为了减小量化噪声，采用4位量化器。通过采用新型时钟馈通补偿技术，如自举开关，有效地降低了输入级采样开关非线性引起的谐波失真，从而提升系统的动态性能。考虑到信号带的宽度，选择高增益的运算放大器是保证高精度的重要条件，设计中采用了共源共栅和共源放大器的双级结构，并利用开关电容技术来增强共模反馈，以扩大输出摆幅。 本文不仅深入研究了栅电压自举开关时钟馈通效应，还探讨了如何通过Σ-Δ ADC设计策略来应对这一挑战，包括优化的模拟调制器设计和新型补偿技术的应用，以实现高速、高精度和低功耗的平衡。