柵壓自舉電路原理詳解

在ADC中，采樣開關引起的誤差主要由兩個因素導致，分別是電荷注入和導通電阻非線性。前者主要由MOS管導通時導電溝道電荷的產(chǎn)生和消失引起。當一個MOS管工作在三極管區(qū)時，溝道電荷的大小為：

當開關關斷的時候，溝道電荷需要消失，電荷只能流入到MOS管本身的S端或D端，對兩端的電壓造成影響。因此流入采樣電容上的電荷會產(chǎn)生一個offset，offset的大小取決于多個因素，如：工藝、晶體管尺寸、輸入電壓和開關時序等。最重要的是offset和輸入相關，這會在采樣時導致產(chǎn)生諧波。

導通電阻非線性主要由開關導通電阻與輸入信號的相關性引起。下圖為導通電阻的大小：

可以看到，無論哪種因素，當VS=VIN時，過驅(qū)動電壓VGS都是輸入電壓的函數(shù)。

下圖所示為柵壓自舉電路，該電路理論上可以擺脫VGS對輸入信號的依賴，使VGS成為一個恒定值，提升導通電阻線性度，降低諧波。

圖1 柵壓自舉電路

在CLK=0時，電容器CB被M1和M2預充電到V DD。M3和M4緊接地輸出時鐘CLK OUT，關閉M8和M10，而M5關閉M7。

當CLK=1時，M6打開M7, M7打開M8，M8和M9在CB的底板處分別得到VIN。這使得CB的上板變成V DD + VIN并由M7向CLK OUT提供這個值。實際上，這個值會被寄生電容C P衰減。該寄生電容主要是M2和M7的體寄生電容和版圖的走線寄生構(gòu)成。因此，在自舉電路的有效性和電路可達到的最大采樣速度之間存有一個折中關系。

M4 的作用是在CLK=1階段降低了對M3施加的VDS和VGS，確保不會有超壓風險。M4和M3一般需要足夠大，使之不會在采樣時鐘的下降沿引入過多的抖動噪聲。而M10確保整個采樣階段M7的持續(xù)導通。

注意：圖1中的M9并不是必須的。它是一個虛擬開關，以平衡在CLKOUT看到的負載，并確保對稱性(和后級電路相關)。