前置放大器 (Pre-amplifier)

2 /

PA comp os PA

os PA in

PA

A

V V C

C A C

A

LSB ≥ +

+

其中APA1為PA1 的增益、APA2為PA2 的增益，並且假設 C=C1=C2=C3=C4、

PA22及PA23的輸入電容都為相等，即等於Cin，由Calibre PEX 萃取出其輸 入電容之大概為9f F 左右，故在設計時將其帶入符合(3.8)式，則 PA23即可 不用加Offset cancellation 的電容。而比較器中所用之開關，其必須要傳遞 的信號都為接近1/2 VDD 的電壓，為了避免 Dead zone 的情形，所以都採 用Bootstrapped 的開關來完成，由圖 3-2 我們可以了解比較器操作情形，φ1 用來 Clear C1-C4 的前一次轉換所儲存的 Offset，φ2 則為將 PA1、PA21及 PA22的偏移量分別儲存到C1-C4 中，即 C1 和 C2 兩個電容總共所儲存的電 荷為 APA2*(APA1*Vos_PA1+V_{os_ PA21})，而 C3 及 C4 兩個電容總共所儲存的電荷 為APA2*V_{os_ PA22}，φ3 則 S11 及 S12 on 開始每個位元的轉換，而這期間會將 偏移量儲存於C1-C4 上，在比較 S/H 保持住Vin的值與DAC 值的同時一起 消除。

3.1.3.1 前置放大器 (Pre-amplifier)

在設計時為了要得到較好的效能需要有軌對軌輸入範圍的前置放大 器，因此我們分析要使用那一種放大器才能達到我們的需求。在低電壓供

應下，有二種能實現軌對軌的前置放大器電路，一為使用Bulk driven 的架 構，其主要是從bulk 端來輸入信號，由[23][24]可知 bulk-driven 架構適合於 操作於需要軌對軌的輸入，並且其也能使用在低供應電壓的操作，當使用 PMOS 來當輸入級時，其 Vtp與bulk 電壓的關係式為

) 2 2

(

|

|

|

|V^tp =V^t0 +γ φ^F−V^BS − φ^F (3.9) 其中Vt0為當沒有body effect 時的臨界電壓。其主要是藉由輸入差動電壓來 改變Vtp而得到差動的電流值，再由負載來將差動電流轉成差動電壓，而可 以控制負載來得到不同的增益，但是PMOS 的源極與汲極對於 bulk 端存在 著 pn 界面，其 pn 界面可能會造成漏電流的發生，而又由於我們的輸入差 動電壓很小，所以漏電流將會成為很嚴重的影響，故不太適合用在於我們 的設計。而另一種則為輸入同時連接P 及 N 型差動對，如[25][26]即是採用 此一方法來完成，但由於我們所使用的供應電壓小於 0.9V，所以其所採用 的 Cascode 負載電路就不能使用於我們的設計中，而[4]能使用於較低電壓 且同時連接P 和 N 型差動對的架構，但為比較器的架構，所以只需要將其 Latch 的地方改換成負載的型式，就能完成軌對軌的前置放大器，故我們來 選擇適用於低供應電壓的負載電路。一般差動對可運用二極體連接之MOS 或電流鏡來做為其負載，但是由於使用的電壓較低，所以MOS 可能會工作 在次臨界(Sub-threshold)區域，故分析這個區域所用到之參數。在這個區域 其電流公式為[15][35][36]

)) exp(

1 )(

exp(

T ds

T th gs

D V

V V

V V L

K W

i − −

⋅

⋅

≅ η (3.10)

其中η 為 Sub-threshold slope factor，而 K 為一 Process-dependent parameter，

q

V_T = kT 為溫度電壓，在室溫下約為25mV，而由電流之公式，我們可推導

使用傳統差動放大器時，其小訊號參數電導g 為

D 足以將增益放大20dB 左右，故使用了 diode-connected 電晶體 Ro1 和負電 阻Ro2 並聯來提高負載值[15]，兩者所並聯起來的負載電阻如下：

軌的輸入範圍，故在輸入共模電壓較低時，由 P 型差動對將輸入電壓轉成 電流，在藉由N3 至 N6 所組成的負載轉換成電壓的型式；而在輸入共模電 壓較高時，N 型差動對也是將輸入電壓轉成電流，在由 P1 至 P3 所組成之 電流鏡將電流複製到輸出端，最後在由負載轉換成電壓的型式；然而輸入 共模電壓介於兩者之間時，P 型及 N 型差動對將同時操作，而最後是將其 兩者的電流總和藉由負載轉成電壓。而由於此種前置放大器的輸出在 1/2 VDD左右，而為了得到更好的效能，所以所有的前置放大器和比較器都是採 用軌對軌的電路來完成。

圖3-18 為 PA1 的頻率響應，其 corner 的範圍在 6.2-9.3dB 之間，而圖 3-19 為 PA2 的頻率響應，其 corner 的範圍在 17.9dB-22.9dB，其最差的情形 也符合(3.8)式，故在此比較器在供應電壓 0.9V 是可行的。而為了更進一步 的降低功率消耗，所以降低供應電壓至0.55V，圖 3-20 為在 0.55V 時之 PA1 頻率響應，圖 3-21 為在 0.55V 之 PA2 的頻率響應，其則是以 10 位元的解 析度來設計，也符合(3.8)式。

=V_SS

V_DD

V_in−

V_bias2

P3 P2 P1 P0

N0 N1

N2 N5

N4 P5

V_in+

P4

Vout−

V_out+

P6

N6 N3

V_bias1

圖3- 17 軌對軌之前置放大器

10⁰ 10¹ 10² 10³ 10⁴ 10⁵ 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Frequency (log) (KHz)

Vo lts d B

tt ff fs sf ss

圖3- 18 供應電壓 0.9V 之 PA1 頻率響應

10⁰ 10¹ 10² 10³ 10⁴ 10⁵

0 5 10 15 20

Frequency (log) (KHz)

Vo lts d B

tt ff fs sf ss

圖3- 19 供應電壓 0.9V 之 PA2 頻率響應

10⁰ 10¹ 10² 10³ 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Frequency (log) (KHz)

Vo lts d B

tt ff fs sf ss

圖3- 20 供應電壓 0.55V 之 PA1 頻率響應

10⁰ 10¹ 10² 10³

0 5 10 15 20 25

Frequency (log) (KHz)

Vo lts d B

tt ff fs sf ss