采樣電容對實驗數(shù)據(jù)影響的實驗報告

采樣電容對實驗數(shù)據(jù)影響的實驗報告實驗?zāi)康模涸诓蓸颖３蛛娐分?，采樣電容的取值對SHA電路的性能有直接的影響。因此，如何選取合適的采樣、反饋電容選取，以減小KT/C噪聲，同時達到較高的速度和較低的功耗，是本項目研究的主要內(nèi)容之一。實驗軟件：MATLAB軟件實驗原理：采樣電容越小，熱噪聲就大，因為熱噪聲主要由電路中的開關(guān)導(dǎo)通電阻產(chǎn)生，則電路的信噪比(SNR)就降低。如果采樣電容較大，會使電路的功耗增大，速度變慢，而此時信噪比主要受量化噪聲的限制，沒有明顯改善。實驗建模方案設(shè)計、分析：對于流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器各級子電路電容的取值，主要是從系統(tǒng)熱噪聲和功耗的角度來考慮的。每一級開關(guān)電路的熱噪聲主要來自于采樣開關(guān)的KT/C噪聲，此外運放的熱噪聲也是重要的噪聲源，主要利用公式(1.1)和(1.2)來估計采樣保持電路和后幾級MDAC電路中采樣電容的取值。一般通過總體熱噪聲來衡量整個流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的噪聲，總體熱噪聲是將流水線各級子模塊中的噪聲折算到流水線輸入端所得到的值。電路輸入端等效噪聲：一般通過總體熱噪聲來衡量整個流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的噪聲，總體熱噪聲是將流水線各級子模塊中的噪聲折算到流水線輸入端所得到的值。其中每一級的噪聲由該級的開關(guān)熱噪聲和運放噪聲組成，不考慮寄生電容的存在，采樣保持電路f=l，MDAc電路f=l/2，由公式(1.1)，(1.2)和(1.3)可以得到:

由于級間增益的存在，后幾級MDAC的噪聲受到級間增益的衰減，對噪聲的貢獻將遠小于前幾級，因此在估計總體噪聲時只計算了采樣保持電路和前兩級MDAC電路的噪聲，可以得出:為了得到比較直觀的估算公式，公式（1.8）作了一些近似，首先對于短溝道期間來說，廳一］十g竺R|EeJ近似取2,運放熱噪聲系數(shù) 近似取為4,同時認為整個流水線采樣電容的取值沒有進行逐級衰減，那么并且認為運放補償電容的取值和采樣電容相等。信噪比是衡量模數(shù)轉(zhuǎn)換器動態(tài)性能的一個重要指標，它由最大輸入信號的均方根值除以等效輸入噪聲的均方根值得到:從（1.10）式可以明顯看出，采樣電容的取值直接影響電路的性噪比，廠「二為電路的量化噪聲，當(dāng)電路熱噪聲大于該量化噪聲時，性噪比主要受到電路熱噪聲的限制，當(dāng)電路熱噪聲小于該量化噪聲時，性噪比主要受到量化噪聲的限制，一般在設(shè)計采樣電容的取值時，取小吶2（1.11）顯然如果采樣電容的取值越大，電路的性噪比越好，但是考慮到采樣電容將作為前一級電路運放的負載，如果運放負載太大，將使得功耗增加比較嚴重。因此考慮到精度和功耗的折衷關(guān)系，并且根據(jù)(1.8)和(1.11),在本設(shè)計中采樣保持電路的采樣電容C取為1.4pf。各級MDAC電路的采樣電容根據(jù)衰減因子逐級衰減得到。根據(jù)系統(tǒng)噪聲和功耗的公式，通過matlab建模仿真，可以得到8種方案的系統(tǒng)采樣電容、噪聲(kT/C噪聲和熱噪聲)和功耗值，如表4-1所示。設(shè)輸入滿幅范圍VFS=2V，差分輸入管過驅(qū)動電壓Vod=0.1V，溫度取最壞的情況125T,即398K。此外，設(shè)單個比較器的電流為0.2mA，其輸入電容為O.lpF。在電路設(shè)計時，通常會把差分輸入管的寬、長設(shè)計的比較大，從而獲得較大的跨導(dǎo)，所以流水線的輸入寄生電容不可忽略，設(shè)各流水級的寄生電容大小為該級電容匹配要求和工藝限制的最小采樣電容值。表4-1 8種方案的系統(tǒng)采樣電容、噪聲和功耗值參數(shù)方案1方案2方案3方案4方案5方案6方案7方案8采樣電容總值(pf)182.8179.2169.8150.4176.5149.1161.9132.3系統(tǒng)噪聲(uV)8.648.648.6810.028.6410.039.7612.92系統(tǒng)功耗(mW)459.42437.21373.42228.09421.75222.86332.18133.51

從對比圖4-2、4-3和3-4可以看出，方案1、2和5由于選擇過多的3位有效精度的流水級，雖然系統(tǒng)噪聲比較小，但是所需要的采樣電容值很大，從而使得系統(tǒng)功耗過大。而方案8正好與之相反，系統(tǒng)功耗很小，但是噪聲過大，甚至可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)噪聲超過16位流水線ADC的量化噪聲，雖然可以通過增加采樣電容來降低噪聲，但是這樣一來，就會增加系統(tǒng)功耗，從而喪失了本身低功耗的優(yōu)勢。剩下的四種方案從噪聲和功耗上看比較折衷，從電路設(shè)計的角度來分析，通常為了簡化電路設(shè)計和更好的版圖布局布線，通常會選擇級精度相似的架構(gòu)，而方案3(3.5x2+2.5x3+1.5x1+3)和方案6(3.5xl+2.5x3+1.5x4+3)中級精度的選擇，包含了3.5比特/級、2.5比特/級和1.5比特/級的結(jié)構(gòu)，明顯要比方案4(3.5