专利名称：采用分组式t/h开关的低电压低功耗折叠内插模数转换器的制作方法
技术领域：
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种采用分组式T/H开关的低电压、低 功耗折叠内插模数转换器。
背景技术：
传统的采用单一跟踪保持电路的折叠内插模数转换器结构示意图如图1所示，主 要由单一跟踪保持电路7、电压驱动电路8、电阻串参考电压产生电路1、细子预放大电路 2、粗子预放大电路9、折叠电路3、内插电路4、细子比较器电路5、粗子比较器电路10和编 码电路6构成。传统的采用分布式跟踪保持电路的折叠内插模数转换器结构示意图如图2 所示，主要由电阻串参考电压产生电路11、细子预过零点产生电路12分布式跟踪保持电路 13、粗子预放大电路18、折叠电路14、内插电路15、细子比较器电路16、粗子比较器电路19 和编码电路构成。折叠内插模数转换器中普遍采用跟踪保持电路的目的在于消除由于折叠电路所 带来的倍频效应，同样的前端的跟踪保持电路的性能决定了整个折叠内插模数转换器的 性能。因此对于前端跟踪保持电路的设计尤为重要。传统的单一跟踪保持电路的等效模 型如图4所示，该模型图包括单一跟踪保持电路35、电压驱动电路41和预放大电路输入 端等效寄生电容42，单一跟踪保持电路35包括栅压自举电路38、理想开关37、等效模拟 信号输入36、开关等效导通电阻39和采样保持电容40。根据信号处理的相关知识，可得
^ksr由此可得当输入的飢-定时，采样保
持的输入信号的增益是与导通电阻以及保持电容成反比。传统实现中采用栅压自举电路38 的方法保证导通电阻和输入信号幅度的非相关，采用电压驱动电路39隔离的方法实现保 持电路和预放大电路输入寄生电容之间的非相关。这其中对于电压驱动电路的设计提出了 很高的要求，既要保证很高的线性度还要保证超高速应用中高带宽，这就使得该驱动电路 消耗的功耗很大，甚至采用高电源电压，这非常不利于折叠内插模数转换器的芯片集成和 低功耗、高精度设计。同样，对于分布式跟踪保持电路如图5所示，该电路包括模拟信号输入43、预过零 点产生电路44和分布式跟踪保持开关49，其中分布式跟踪保持开关49包括栅压自举电路 45、理想开关46、开关等效导通电阻47和预放大电路输入端寄生电容48。分布式跟踪保持 电路49将预放大电路输入端的寄生电容48作为保持电容，但是由于预放大电路的输入端 寄生电容是随着输入管工作状态的不同而变化的。如图6所示，该图中包括预放大电路等 效差分输入管Ml 54、栅源寄生电容50、栅漏寄生电容51、负载电阻52、漏衬底电容53和尾 电流源55。输入寄生电容48主要由栅源寄生电容50和栅漏寄生电容51密勒等效电容构 成，随输入管工作状态的变化而变化，从而导致了不同幅度输入时采样值增益的不同，引入 非线性从而导致折叠内插模数转换器性能的下降。虽然，分布式跟踪保持开关后端的寄生电容48是单一跟踪保持开关后端的寄生电容42的(1/NP)。但是，对于中高精度的设计还 是不够的。此外，分布式跟踪保持电路的面积将会很大，尤其是采用栅压自举的分布式采样 开关，这同样是不适合低压、低功耗和可嵌入式设计的。
发明内容
本发明的目的是在降低输入端寄生电容42对保持电容40影响的前提下，省略单 一跟踪保持电路中电压驱动电路41，降低功耗同时摒弃分布式跟踪保持开关面积大的缺 陷，从而提供一种低电压、低功耗和高精度的折叠内插模数转换器。本发明提出了一种应用于折叠内插模数转换器中的分组式跟踪保持开关，首先将 预放大电路分为Np组，Np确定的前提是保证在精度允许的范围内输入端寄生电容对保持电 容的影响可以忽略，省去了电压驱动电路41，降低了功耗，同时比较分布式跟踪保持电路采 用固定的保持电容和较少的子开关，无论是从功耗面积方面还是从开关性能方面都有着很 大的提高。本发明提出的整体折叠内插模数转换器的架构如图3所示，包括电阻串参考电压 产生电路20、分组式跟踪保持电路27、预放大电路28、N级级联折叠内插电路22 24、比 较器电路25和编码电路26。其中
(1)模拟输入信号经过分组式跟踪保持电路27得到保持信号。(2)保持信号与参考电压电阻串20产生的参考电平作为预放大电路28的输入信 号，预放大电路的输出为保持信号与参考电平之间的差值放大信号，预放大电路的输出信 号为第一级折叠电路29的输入信号，其中，每隔((NpXX)/F)-l个输出取一个输出连接到 比较器25，一共QCtl个输出信号直接成为比较器25的输入信号。(3)第一级折叠电路29的输入信号为预放大电路28的输出信号，第一级折叠电路 的输出信号作为第一级内插电路30的输入信号，第一级的内插电路的输出信号作为第二 级折叠电路31的输入信号，其中，每隔((NpXX)/F)-l个输出取一个输出连接到比较器25， 一共QC1个输出信号直接成为比较器25的输入信号。(4)第二级折叠电路31的输入信号为第一级内插电路30的输出信号，第二级折叠 电路31的输出信号作为第二级内插电路32的输入信号，第二级的内插电路32的输出信号 作为第三级折叠电路33的输入信号，其中，每隔((NpXX)/F)-l个输出取一个输出连接到 比较器25，一共QC2个输出信号直接成为比较器25的输入信号。(5)依此类推，第N-I级内插电路的输出信号作为第N级折叠电路33的输入信号， 其中，每隔((NpXX) /F)-1个输出取一个输出连接到比较器25，一共QCV1个输出信号直接 成为比较器25的输入信号。(6)第N级折叠电路33的输出信号作为第N级内插电路34的输入信号，第N级内 插电路34的输出信号连接到比较器25。(7)比较器25的输出信号经过编码电路26的编码后，得到模数转换器的二进制输 出码。本发明提出的分组式跟踪保持电路27，拥有固定的采样保持电容，同时省略了单 一跟踪保持开关中的电压驱动电路8，极大的降低了系统功耗，同时NP<< (Np X X)，摒弃了分 布式跟踪保持开关面积大的缺陷。
本发明提出的折叠内插模数转换器中，分组式跟踪保持电路采用分组式跟踪保持 开关。分组式跟踪保持开关的子开关为Np个，Np为预放大电路组数。将预放大电路分为 Np组，Np确定的前提是保证在精度允许的范围内输入端寄生电容对保持电容的影响可以忽 略，省去了电压驱动电路41，降低了功耗，同时比较分布式跟踪保持电路采用固定的保持电 容和较少的子开关，无论是从功耗面积方面还是从开关性能方面都有着很大的提高。本发明中，采用分组式跟踪保持电路负责Np X X个预放大电路模块，其中每一个跟 踪保持开关负责χ个预放大电路。在分组式跟踪保持电路中
(1)各个子跟踪保持电路各自有独立的采样保持电容66CHi， =ΓΧ ；
(2)每个子跟踪保持电路负责X个预放大电路，X>1；
(3)连接方式为第一组的栅压自举开关的正向输出端接第一组的预放大电路正向输入 端，而其负向输出端接第Np组的预放大电路的负向输入端；同理第Np组的栅压自举开关的 负向输出端接第一组的预放大电路的负向输入端；
(4)第二组的栅压自举开关的正向输出端接第二组的预放大电路正向输入端，而其负 向输出端接第Np-I组的预放大电路的负向输入端，同理第Np-I组的栅压自举开关的负向输 出端接第二组的预放大电路的负向输入端；
(5)依此类推，针对于第NP/2组的栅压自举开关则是不进行交叉连接。本发明折叠内插模数转换器的特征为模拟输入信号在相同的时钟相位下分别 由Np个子开关将信号采样到固定的保持电容上；保持信号与参考电压电阻串产生的参考电 平作为预放大电路的输入信号，预放大电路的输出为保持信号与参考电平之间的差值放大 信号；预放大电路的输出信号通过级间开关选择一个第一级折叠电路信号路径作为其输入 信号，其中一些输出信号直接成为比较器的输入信号；第一级折叠电路的输出信号作为第 一级内插电路的输入信号；第一级内插电路的输出信号作为第二级折叠电路信号的输入信 号，其中一些输出信号直接成为比较器的输入信号；第二级折叠电路的输出信号作为第二 级内插电路的输入信号；第二级内插电路的输出信号作为第三级折叠电路的输入信号，其 中一些输出信号直接成为比较器的输入信号；依此类推，第N-I级内插电路的输出信号作 为第N级折叠电路的输入信号，其中一些输出信号直接成为比较器的输入信号；第N级折叠 电路的输出信号作为第N级内插电路的输入信号，第N级内插电路的输出信号作为比较器 的输入信号；比较器的输出信号经过编码电路的编码后，得到模数转换器的二进制输出码。对于N (N>1)级级联折叠电路，每一级折叠电路的折叠系数为F，内插系数为F， 预放大电路有(NpX X)，每一级折叠放大器个数为((Np X X) /F)，每一级内插放大器个数为 (NpXX)0假设分组式T/H开关数目为Nth，预放大电路阵列数目为NP，这样将实际的量化量 程范围缩小为原来的Np/Nth。这将降低预放大阵列的线性度设计要求，同时等效到每个T/H 开关保持电容Ch上的预放大阵列输入端的寄生电容Cp减小为原来的Np/Nth，从而保证了 T/ H开关中开关采用RC常数的恒定，提高跟踪保持开关的高线性度设计，省略传统结构中T/H 开关和预放大电路之间的隔离用电压驱动器，减小了模数转换器的功耗。
图1为传统采用单一跟踪保持电路折叠内插模数转换器的架构图。图2为传统采用分布式跟踪保持电路折叠内插模数转换器的架构图。图3为采用分组式跟踪保持电路和折叠内插级间开关乱序的模数转换器的架构图。图4为单一跟踪保持电路等效模型。图5为分布式跟踪保持电路等效模型。图6为预放大电路输入端寄生电容等效模型。图7为分组式跟踪保持电路与预放大电路连接方式。图中标号1为折叠内插模数转换器中电阻串参考电压产生电路，2 5为折叠内 插模数转换器中细子量化器，6为折叠内插模数转换器中编码电路，7 8为折叠内插模数 转换器中带电压驱动器的单一跟踪保持电路，9 10为折叠内插模数转换器中粗子量化 器，11为折叠内插模数转换器中电阻串参考电压产生电路，12为折叠内插模数转换器中预 过零点产生电路，13为折叠内插模数转换器中分布式跟踪保持电路，14 16为折叠内插模 数转换器中细子量化器，17为折叠内插模数转换器中编码电路，18 19为折叠内插模数转 换器中粗子量化器，20为折叠内插模数转换器中电阻串参考电压产生电路，21、27 28为 折叠内插模数转换器中分组式跟踪保持电路，66为分组式跟踪保持电路中独立的采样保 持电容，22-24、29-34为折叠内插模数转换器中级联折叠内插电路，25为折叠内插模数转 换器中比较器电路，26为折叠内插模数转换器中编码电路，35、36 40为单一跟踪保持电 路等效模型，41为电压驱动电路，42为预放大电路输入端寄生电容，43为模拟信号输入，44 为预过零点产生电路，49、45 48为分布式跟踪保持电路等效模型，50 55为预放大电路 输入端寄生电容等效模型，56 60、61为分组式跟踪保持开关，62为分组式跟踪保持开关 和预放大电路连接关系，63 65为差分输入预放大电路，67为分组式跟踪保持电路中独立 的保持电容。
具体实施例方式下面结合附图对本发明提出的分组式跟踪保持开关结构进行详细说明。针对于分组式跟踪保持开关电路，如图7所示，假设预放大电路分为了 Np组，每组 中包含有一个栅压自举开关61、独立的采样保持电容67和X个差分输入的预放大电路63， 该分组式跟踪保持(T/H)电路中，每一组子开关均包括一个固定的采样保持电容，抵消相应 的预放大电路输入端寄生电容的影响，稳定相应的采样增益，提高跟踪保持电路的线性度 和性能。因为将(NpXX)个预放大电路分成Np组分别交给Np个栅压自举开关61来处理，所 以各组等效到保持电容上的可变寄生电容减小为原来的(l/Νρ)，从而保证了采样开关的RC 常数近似为恒定值，保证了相应的采样增益恒定。如图7中62所示的连接方式，假设过零点 为vl v(NPX)0，当输入信号的正向端使得vl所对应的预放大电路输入管处于饱和区时，相 应的输入信号的负向端会使ν (NPX)0所对应的预放大电路输入管也处于饱和区，然而相应的 输入信号的负向端使vl所对应的预放大电路输入管反而处于线性区；同样的当输入信号 的正向端使得v(NPX)0所对应的预放大电路输入管处于饱和区时，相应的输入信号的负向端 会使vl所对应的预放大电路输入管也处于饱和区，然而相应的输入信号的负向端使v(NPX)0 所对应的预放大电路输入管反而处于线性区；依此类推，如62所示的连接方式，为了保证差分信号两端看到的寄生电容相同，因此本发明中分组式跟踪保持开关的连接方式为第一 组的栅压自举开关的正向输出端接第一组的预放大电路正向输入端，而其负向输出端接第 Np组的预放大电路的负向输入端，同理第Np组的栅压自举开关的负向输出端接第一组的预 放大电路的负向输入端；第二组的栅压自举开关的正向输出端接第二组的预放大电路正向 输入端，而其负向输出端接第Np-I组的预放大电路的负向输入端，同理第Np-I组的栅压自 举开关的负向输出端接第二组的预放大电路的负向输入端；依此类推。针对于第(NP/2)组 的栅压自举开关则是不进行交叉连接。本发明提出的整体折叠内插模数转换器的架构如图3所示，架构包括电阻串参考 电压产生电路20、分组式跟踪保持电路27、预放大电路28、N级级联折叠内插电路22 24、 比较器电路25和编码电路26。其中
(1)模拟输入信号经过分组式跟踪保持电路27得到保持信号。(2)保持信号与参考电压电阻串20产生的参考电平作为预放大电路28的输入信 号，预放大电路的输出为保持信号与参考电平之间的差值放大信号，预放大电路的输出信 号为第一级折叠电路29的输入信号，其中，每隔((NpXX)/F)-l个输出取一个输出连接到 比较器25，一共QCtl个输出信号直接成为比较器25的输入信号。(3)第一级折叠电路29的输入信号为预放大电路28的输出信号，第一级折叠电路 的输出信号作为第一级内插电路30的输入信号，第一级的内插电路的输出信号作为第二 级折叠电路31的输入信号，其中，每隔((NpXX)/F)-l个输出取一个输出连接到比较器25， 一共QC1个输出信号直接成为比较器25的输入信号。(4)第二级折叠电路31的输入信号为第一级内插电路30的输出信号，第二级折叠 电路31的输出信号作为第二级内插电路32的输入信号，第二级的内插电路32的输出信号 作为第三级折叠电路33的输入信号，其中，每隔((NpXX)/F)-l个输出取一个输出连接到 比较器25，一共QC2个输出信号直接成为比较器25的输入信号。(5)依此类推，第N-I级内插电路的输出信号作为第N级折叠电路33的输入信号， 其中，每隔((NpXX) /F)-1个输出取一个输出连接到比较器25，一共QCV1个输出信号直接 成为比较器25的输入信号。(6)第N级折叠电路33的输出信号作为第N级内插电路34的输入信号，第N级内 插电路34的输出信号连接到比较器25。(7)比较器25的输出信号经过编码电路26的编码后，得到模数转换器的二进制输 出码。本发明提出的分组式跟踪保持电路，拥有固定的采样保持电容，同时省略了单一 跟踪保持开关中的电压驱动电路8，极大的降低了系统功耗，同时NP<< (Np X X)，摒弃了分布 式跟踪保持开关面积大的缺陷。此外本领域的技术人员可以根据本发明中分组开关理念采用其它相似类型的开 关变形，应用于折叠内插模数转换器，因此倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利 要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
1.一种采用分组式跟踪保持开关(τ/Η)的低电压低功耗折叠内插模数转换器，其特征 在于由电阻串参考电压产生电路(20)、分组式跟踪保持电路(21)、预放大电路(28)、N级级 联折叠内插电路(22 24)、比较器电路(25)和编码电路(26)连接而成；其中(1)模拟输入信号经过分组式跟踪保持电路(27)得到保持信号；(2)保持信号与参考电压电阻串(20)产生的参考电平作为预放大电路(28)的输入信 号，预放大电路(28)的输出为保持信号与参考电平之间的差值放大信号，预放大电路(28) 的输出信号为第一级折叠电路(29)的输入信号，其中，每隔((NpXX)/F)-l个输出取一个输 出连接到比较器(25)，一共QCtl个输出信号直接成为比较器(25)的输入信号；(3)第一级折叠电路(29)的输入信号为预放大电路(28)的输出信号，第一级折叠电路 的输出信号作为第一级内插电路(30)的输入信号，第一级的内插电路的输出信号作为第二 级折叠电路(31)的输入信号；其中，每隔((NpXX)/F)-l个输出取一个输出连接到比较器 (25)，一共QC1个输出信号直接成为比较器(25)的输入信号；(4)第二级折叠电路(31)的输入信号为第一级内插电路(30)的输出信号，第二级折叠 电路(31)的输出信号作为第二级内插电路(32)的输入信号，第二级的内插电路(32)的输 出信号作为第三级折叠电路(33)的输入信号；其中，每隔((NpXX)/F)-l个输出取一个输 出连接到比较器(25)，一共QC2个输出信号直接成为比较器(25)的输入信号；(5)依此类推，第N-I级内插电路的输出信号作为第N级折叠电路(33)的输入信号，其 中，每隔((NpXX)/F)-l个输出取一个输出连接到比较器(25)，一共QCV1个输出信号直接 成为比较器(25)的输入信号；(6)第N级折叠电路(33)的输出信号作为第N级内插电路(34)的输入信号，第N级内 插电路(34)的输出信号连接到比较器(25)；(7)比较器(25)的输出信号经过编码电路(26)的编码后，得到模数转换器的二进制输 出码；N为级级联折叠电路的级数，N>1，F为每一级折叠电路的折叠系数，Np为预放大电路组 数，X为每组的预放大电路个数，X>1 ； (NpXX)/F为每一级折叠放大器个数，NpXX为每一 级内插放大器个数。
2.根据权利要求1所述的折叠内插模数转换器，其特征在于采用分组式跟踪保持电路 负责NpXX个预放大电路模块，其中每一个跟踪保持开关负责X个预放大电路。
3.根据权利要求1所述的折叠内插模数转换器，其特征在于在分组式跟踪保持电路中(1)每个子跟踪保持电路各自有独立的采样保持电容Cai(66)， =ΓΧ ；(2)每个子跟踪保持电路负责X个预放大电路，X>1；(3)连接方式为第一组的栅压自举开关的正向输出端接第一组的预放大电路正向输入 端，而其负向输出端接第Np组的预放大电路的负向输入端；同理第Np组的栅压自举开关的 负向输出端接第一组的预放大电路的负向输入端；(4)第二组的栅压自举开关的正向输出端接第二组的预放大电路正向输入端，而其负 向输出端接第Np-I组的预放大电路的负向输入端，同理第Np-I组的栅压自举开关的负向输 出端接第二组的预放大电路的负向输入端；(5)依此类推，针对于第NP/2组的栅压自举开关则是不进行交叉连接。
全文摘要
本发明属于集成电路技术领域，具体为一种采用分组式T/H开关的低电压低功耗折叠内插模数转换器。该折叠内插模数转换器包含具有折叠单元模拟预处理模块或者内插模拟预处理模块；分组式T/H开关结构中，每个T/H开关所处理的后级预放大电路的数目至少两个。该模数转换器整体结构是由分组式T/H电路、参考电压电阻串、预放大电路阵列、N级级联的折叠电路、内插电路、比较器和编码电路构成。本发明的折叠模数转换器，可提高跟踪保持开关的高线性度设计，省略传统结构中T/H开关和预放大电路之间的隔离用电压驱动器，减小了模数转换器的功耗。
文档编号H03M1/12GK102006072SQ20101055711
公开日2011年4月6日 申请日期2010年11月24日 优先权日2010年11月24日
发明者任俊彦, 叶凡, 王振宇, 王明硕, 陈迟晓, 顾蔚如 申请人:复旦大学