专利名称：开关电容器流水线级的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于具有流水线架构的模数转换器(ADC)的开关电容器电路，更具体地，涉及允许基准和范围缩放(scaling)的电路设计
背景技术：
用于实现ADC功能的一般架构是流水线架构[1]。在
图1中示出了典型流水线ADC 的构建模块。第一模块100是可选专用采样和保持(SH)电路，该电路对输入信号Vin进行采样，并且对信号进行缓冲以驱动后续级。可选前端SH 100之后的每个流水线级11(V·· IlOlri，IlOk分解多个比特。每个流水线级IlOi包括SH 120，以对来自先前级的输入进行采样。ADC 130对保持的采样进行量化，数模转换器(DAC) 140将所获得的数字输出转换回到模拟域。加法器150将所获得的模拟信号从保持的采样中减去，并且所获得的信号被传递至放大器160。减法点150之后获得的剩余信号由放大器160进行放大，并且被馈送到下一级。每个流水线级IlOi内所包含的功能可以利用开关电容器电路来实现。在最后一级Iiok中，仅需要量化前一级IKV1的剩余。因此该功能仅利用ADC来实现。在数字域中组合来自所有级的输出比特，以形成流水线ADC的最终输出字。在图加中示出了流水线级电路110的开关电容器实现方式的基本架构。时钟信号ΦΙ、Φ 2用于控制流水线级电路110的操作。如图2b所示，时钟信号是非交叠信号，即当Φ1高时，Φ2为低，反之亦然。可以使用时钟信号Φ 1的略微提前的版本，在图加和2b 中被示为时钟信号Φ1θ。两个时钟信号Φ1和Φ Ie至少在为高时是与时钟信号Φ2非交叠的。在Φ1和为高的时间段期间，采样电容器Cs上的电压跟踪输入信号Vin，并且反馈电容器&放电。在(略微在Φ 1之前的)Φ Ie的下降沿上，对采样电容器Cs上的瞬时电压进行采样，并且ADC 130被选通以量化输入。时钟信号Φ 1的提前版本Φ Ie确保了关键采样时刻由受Φ Ie控制的底板开关来确定。该采样方法一般被称作底板采样。DAC 140输出对ADC 130的量化结果加以表示的模拟信号。在Φ2为高的时间段期间，op-amp(运算放大器)210的反相输入处保持虚地，假定运算放大器210具有足够的开环增益，以及采样电容器Cs被充电到DAC输出电压。从而，将电荷量传送至反馈电容器Cf。该电荷量1等于Qtl-A。电量％由CsVdac给出，电量A由CsVin(ts)给出。剩余输出电压V。ut由以下等式给出
权利要求
1.一种设计电路的方法，该电路用于流水线ADC的N比特级，所述N比特级具有L = 2n 个电平，所述电路包括运算放大器；第一反馈电容器，第一反馈电容器的第一极板连接至运算放大器的输入，第一反馈电容器的第二极板可切换地按照第一时钟信号连接至第一输入电压，而按照第二时钟信号连接至运算放大器的输出；第二反馈电容器，第二反馈电容器的第一极板连接至运算放大器的输入，第二反馈电容器的第二极板可切换地按照第一时钟信号连接至放电连接，而按照第二时钟信号连接至运算放大器的输出；以及数目为K的多个采样电容器，每个采样电容器的第一极板连接至运算放大器的输入， 每个采样电容器的第二极板可切换地按照第一时钟信号连接至第二输入电压，而按照第二时钟信号根据模拟输入信号的量化值连接至正和负基准电压之一，所述方法包括以下步骤对于给定的基准缩放因子H，根据以下关系式确定数目为K的多个采样电容器的总电容值C；和第一反馈电容器的电容值Cfl HTCfl =Cr(Y-I);以及对于给定的级增益G，根据以下关系式确定第二反馈电容器的电容值Cf2: C -C^fl ~ QIfl O
2.根据权利要求1所述的方法，其中，第一输入电压信号与第二输入电压信号幅度相等且符号相同。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，第一输入电压信号与第二输入电压信号幅度相等但符号相反。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，K= L-2。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括根据设计来制造电路的步骤。
6.一种用于N比特流水线ADC的级的电路，所述电路具有根据权利要求1至5中任一项所述的设计。
7.一种用于流水线ADC的N比特级的电路，所述N比特级具有L = 2N个电平，所述电路包括运算放大器；第一反馈电容器，第一反馈电容器的第一极板连接至运算放大器的输入，第一反馈电容器的第二极板可切换地按照第一时钟信号连接至第一输入电压，而按照第二时钟信号连接至运算放大器的输出；第二反馈电容器，第二反馈电容器的第一极板连接至运算放大器的输入，第二反馈电容器的第二极板可切换地按照第一时钟信号连接至放电连接，而按照第二时钟信号连接至运算放大器的输出；以及数目为K的多个采样电容器，每个采样电容器的第一极板连接至运算放大器的输入， 每个采样电容器的第二极板可切换地按照第一时钟信号连接至第二输入电压，而按照第二时钟信号根据模拟输入信号的量化值连接至正和负基准电压之一，其中，第二输入电压与第一输入电压幅度相等但符号相反。
8.根据权利要求7所述的电路，其中，数目为K的多个采样电容器的总电容值C；与第一反馈电容器的电容值Cfl有以下关系Cfl=Cr(^-I);其中，H是电路的基准缩放因子，并且第二反馈电容器的电容值Cf2与第一反馈电容器的电容值和数目为K的多个采样电容器的总电容值有以下关系C -CC - r f2 Γ^n — G^fi其中，G是电路的级增益。
9.根据权利要求7或8所述的电路，其中，K= L-2。
10.一种设计电路的方法，该电路用于具有L = 2Ν个电平的N比特流水线ADC级，所述电路包括运算放大器；反馈电容器，反馈电容器的第一极板连接至运算放大器的输入，反馈电容器的第二极板可切换地按照第一时钟信号连接至输入电压，而按照第二时钟信号连接至运算放大器的输出；由K个采样电容器组成的第一采样电容器组，第一采样电容器组具有总电容值。，第一采样电容器组中每个采样电容器的第一极板连接至运算放大器的输入，第一采样电容器组中每个采样电容器的第二极板可切换地按照第一时钟信号连接至输入电压，而按照第二时钟信号根据输入模拟信号的量化值连接至正和负基准电压之一；由K个采样电容器组成的第二采样电容器组，第二采样电容器组具有总电容值(；2，第二采样电容器组中每个采样电容器的第一极板连接至运算放大器的输入，第二采样电容器组中每个采样电容器的第二极板可切换地按照第一时钟信号连接至放电连接，而按照第二时钟信号根据输入模拟信号的量化值连接至正和负基准电压之一，所述方法包括以下步骤对于给定的基准缩放因子H，根据以下关系式，确定第一采样电容器组和第二采样电容器组的总电容值cx = cri+c;2，和电路的分布式电容值Cs C = —C， r HL s其中，Cs = crl+cf ；以及对于给定的级增益G，根据以下关系式确定反馈电容器的电容值Cf:Cf =^Cs ° ‘G
11.根据权利要求10所述的方法，其中，K= L-2。
12.根据权利要求10或11所述的方法，包括根据设计来制造电路的步骤。
13.一种用于流水线ADC的N比特级的电路，所述电路具有根据权利要求10至12中任一项所述的设计。
14.一种用于流水线ADC的N比特级的电路，所述N比特级具有具有L = 2N个电平，所述电路包括 运算放大器；第一反馈电容器，第一反馈电容器的第一极板连接至运算放大器的非反相输入，第一反馈电容器的第二极板可切换地按照第一时钟信号连接至第一输入电压，而按照第二时钟信号连接至运算放大器的反相输出；第二反馈电容器，第二反馈电容器的第一极板连接至运算放大器的非反相输入，第二反馈电容器的第二极板可切换地按照第一时钟信号连接至放电连接，而按照第二时钟信号连接至运算放大器的反相输出；由K个采样电容器组成的第一采样电容器组，第一采样电容器组中每个采样电容器的第一极板连接至运算放大器的非反相输入，第一采样电容器组中每个采样电容器的第二极板可切换地按照第一时钟信号连接至第二输入电压，而按照第二时钟信号根据模拟输入信号的量化值连接至正和负基准电压之一；第三反馈电容器，第三反馈电容器的第一极板连接至运算放大器的反相输入，第三反馈电容器的第二极板可切换地按照第一时钟信号连接至第二输入电压，而按照第二时钟信号连接至运算放大器的非反相输出；第四反馈电容器，第四反馈电容器的第一极板连接至运算放大器的反相输入，第四反馈电容器的第二极板可切换地按照第一时钟信号连接至放电连接，而按照第二时钟信号连接至运算放大器的非反相输出；由K个采样电容器组成的第二采样电容器组，第二采样电容器组中每个采样电容器的第一极板连接至运算放大器的反相输入，第二采样电容器组中每个采样电容器的第二极板可切换地按照第一时钟信号连接至第一输入电压，而按照第二时钟信号根据模拟输入信号的量化值连接至正和负基准电压之一，其中，第二输入电压与第一输入电压幅度相等但符号相反。
全文摘要
一种用于具有L＝2N个电平的流水线ADC的N比特级(110i)的电路，所述电路包括运算放大器(420)；第一反馈电容器(Cf1)，第一反馈电容器的第一极板连接至运算放大器的输入，第一反馈电容器的第二极板可切换地按照第一时钟信号(φ1)连接至第一输入电压(±Vm)，而按照第二时钟信号(φ2)连接至运算放大器的输出；第二反馈电容器(Cf2)，第二反馈电容器的第一极板连接至运算放大器的输入，第二反馈电容器的第二极板可切换地按照第一时钟信号连接至放电连接，而按照第二时钟信号(φ2)连接至运算放大器的输出；以及数目为K的多个采样电容器(Cu)，每个采样电容器的第一极板按照第一时钟信号连接至运算放大器的输入，每个采样电容器的第二极板可切换地按照第一时钟信号连接至第二输入电压(Vin)，而按照第二时钟信号根据模拟输入信号(Vin)的量化值连接至正和负基准电压(+Vref、-Vref)之一。
文档编号H03M1/06GK102177658SQ200980140543
公开日2011年9月7日 申请日期2009年10月5日 优先权日2008年10月13日
发明者汉斯·文德卫尔, 贝里·安东尼·约翰内斯·巴特 申请人:Nxp股份有限公司