模擬IC設計之OP的指標計算方法

我們知道，一個處在系統(tǒng)中的組件，總會有一些指標是需要滿足的。自然，pipelinedADC中的OP也要滿足一定的增益和帶寬指標。

PipelinedADC中的OP主要分布在S/H電路和MDAC電路中。單就運放指標計算而言，無論是S/H還是MDAC，都可以作為同一類問題處理——即運放閉環(huán)系統(tǒng)的性能問題。運放有限增益導致即使時間足夠長，輸出仍然存在一個直流誤差；運放的有限帶寬導致在限定的時間窗口期內(nèi)，輸出并不能實現(xiàn)100%精度的建立。要使誤差在系統(tǒng)允許范圍內(nèi)，運放的增益和帶寬必須要達到一定限值以上。

圖：ADC架構圖

在計算之前，我們有必要先了解一下ADC的架構，這對理解計算過程是有幫助的。我們看上圖，它由S/H電路、1~M個流水級和一個FlashADC組成。圖中G表示每個流水極放大相時的閉環(huán)增益。對于1.5bit結構，G=2。

OP增益指標的計算

假設運放的增益為A，且暫不考慮寄生電容Cp的影響， MDAC閉環(huán)時的反饋系數(shù)為β，由于運放帶來的有限開環(huán)增益誤差， 可以證明輸出電壓表達式為：

公式（1）

公式（2）

其中， 是Vout，ideal是理想的輸出電壓如下（具體參考：如何推導一個1.5位MDAC的輸出函數(shù)？）：

公式（3）

因此， 增益誤差為：

公式（4）

接下來我們將這個誤差量折算到ADC的最前端，折算的方法是將該誤差除以前向增益。根據(jù)前文的ADC架構圖，設當前級為第i個流水級（i=1~M），折算到輸入端的誤差為：

公式（5）

從MDAC傳輸曲線可看出，其最大輸出擺幅是（3/4）*VFS（具體參考：如何推導一個1.5位MDAC的輸出函數(shù)？）。計算時我們按VFS進行，則上述最大增益誤差應該小于整體精度的1/2。則有：

公式（6）

推出：

公式（7）

根據(jù)上式，假設一個9bit的ADC，我們嘗試計算，結果如下表所示：

注意：

β值受Cp的影響，實際會小于1/2。因此考慮Cp影響后，因此實際要比表中的計算值更大?？梢宰C明，只需要用代替上述公式中的β就可以得到考慮寄生后的表達式。

公式7也適用于S/H電路中OP的計算，但要取β=1，i=0。

審核編輯：黃飛