流水线模数转换器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种流水线模数转换器，相邻两级级模块中的后一级模块包括第二运算放大器，前后一级模块分别工作于保持模式和采样模式时，第二运算放大器的输入端连接前一级模块的第一运算放大器的输入端、第二运算放大器的输出端连接到后一级模块的采样保持模块的第一输入端，第二运算放大器将前一级模块的第一运算放大器的输入端的输入失调电压进行放大后得到误差放大信号并输入到采样保持模块中，采样保持模块将前一级模块的输出模拟信号减去误差放大信号得到采样模拟信号。本发明能有效减少或消除级模块的运算放大器的增益有限导致的非线性误差，能提高电路的工作速度。
【专利说明】流水线模数转换器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体集成电路，特别是涉及一种流水线模数转换器(ADC)。
【背景技术】
[0002]流水线ADC是一种既能实现高速又能实现相当分辨率的模数转换器结构，在通信系统中应用广泛，对性能的要求也越来越高。运算放大器是流水线ADC中的核心模块，理想状态下运放即运算放大器的直流增益为无穷大。然而实际中，运放的增益是有限的，从而在输入端产生误差电压即输入失调电压，导致流水线传输函数偏离理想曲线。现有的数字校正方法需要很长的时间实现准确校正，大大影响了流水线ADC的工作速度。
[0003]现有流水线ADC是由多个级模块连接形成，如图1所示，是现有流水线ADC的级模块的运算放大器在理想状态下的结构示意图，级模块为1.5位每级(1.5bit/stage)结构，
1.5位每级的级模块能输出2位数据，2位数据的有效值分别为00，01和10 ；11为冗余码。级模块包括:
[0004]子模数转换器(未不出)，用于将对输入模拟信号米样后形成的米样模拟信号转换为数字信号输出。
[0005]余量增益电路，余量增益电路包括子数模转换器(未示出)、第一运算放大器1la和采样保持模块。
[0006]子数模转换器用于将子模数转换器输出的数字信号转换为中间模拟信号Vda。，由于数字信号包括3个值即00，01和10，也即十进制的0，I和2 ;现有技术中中间模拟信号Vda。可以通过数字信号开关阵列进行控制使得中间模拟信号Vda。分别取电压_VMf、0和Vref之一。Vref为基准电压。用公式可以表示为:
[0007]Vdac= (d_l)VMf，其中d取数字信号的值即0、1或2。
[0008]余量增益电路包括采样模式和保持模式两种工作模式，工作模式由一对互为反相的第一时钟信号Φ^Ρ第二时钟信号O1控制，即通过第一时钟信号Φ^Ρ第二时钟信号O1控制对应的开关的通断来实现工作模式的切换。
[0009]当第一时钟信号O1控制对应的开关导通、第二时钟信号O1控制对应的开关断开时，余量增益电路处于采样模式，此时采样保持模块为电容C1和电容C2形成的并联结构，电容C1和电容C2的第一端接地，第二端连接输入模拟信号Vin，采样后，电容C1和电容C2的第一端的电荷为:
[0010]Q1 = -(C^C2)Vi(I)。
[0011]当第一时钟信号O1控制对应的开关断开、第二时钟信号O1控制对应的开关导通时，余量增益电路处于保持模式，此时采样保持模块为电容C1和电容C2形成的串联结构，电容Cl和电容C2的第一端连接第一运算放大器1la的反相输入端，电容Cl的第二端连接第一运算放大器1la的输出端，电容C2的第二端连接中间模拟信号Vda。。由于理想状态下第一运算放大器1la的增益即放大倍数为无穷大，故第一运算放大器1la的正反相输入端为虚短,所以电容Cl和电容C2的第一端的电压接地，此时电容Cl和电容C2的第一端的电荷为:
[0012]Q2 = VdacC2-V0C1(2)。
[0013]由Ql等于Q2，以及Vdac=(d-1) V,ef，可以得到如下级模块的传输函数公式:
【权利要求】
1.一种流水线模数转换器，其特征在于:流水线模数转换器包括由多个级模块组成的流水线模数转换结构，各级所述级模块都包括模拟信号输入端、数字信号输出端和模拟信号输出端；第一级所述级模块的模拟信号输入端连接外部模拟信号，第一级外的其它各级所述级模块的模拟信号输入端连接上一级所述级模块的模拟信号输出端； 各级所述级模块包括子模数转换器和余量增益电路，各级所述级模块的子模数转换器将输入模拟信号的采样模拟信号转换为数字信号输出；各级所述级模块的余量增益电路包括子数模转换器、第一运算放大器和采样保持模块，通过所述子数模转换器将输出的数字信号转化成中间模拟信号； 各级所述级模块的余量增益电路包括采样模式和保持模式两种工作模式，各级所述级模块的余量增益电路的工作模式由一对互为反相的第一时钟信号和第二时钟信号控制，各奇数级的所述级模块的余量增益电路的工作模式相同且和各偶数级的所述级模块的余量增益电路的工作模式都相反； 在采样模式时，各级所述级模块的余量增益电路的采样保持模块对输入模拟信号进行采样并得到采样模拟信号；在保持模式时，各级所述级模块的余量增益电路将所述采样模拟信号和所述中间模拟信号相减并通过所述第一运算放大器放大后形成输出模拟信号，所述第一运算放大器的输出端为对应的所述级模块的模拟信号输出端； 至少一个相邻两级所述级模块中的后一级模块还包括一第二运算放大器，当相邻两级所述级模块的前一级模块工作于保持模式、所述后一级模块工作于采样模式时，所述第二运算放大器的输入端连接所述前一级模块的所述第一运算放大器的输入端、所述第二运算放大器的输出端连接到所述后一级模块的所述采样保持模块的第一输入端，所述采样保持模块的第二输入端作为所述后一级模块的模拟信号输入端并连接所述前一级模块的模拟信号输出端；所述第二运算放大器将所述前一级模块的所述第一运算放大器的输入端的输入失调电压进行放大后得到误差放大信号并输入到所述采样保持模块中，所述采样保持模块通过将所述前一级模块的输出模拟信号减去所述误差放大信号得到所述采样模拟信号；所述输入失调电压的值为所述第一运算放大器的输出模拟信号除以所述第一运算放大器的放大倍数，所述输入失调电压使所述第一运算放大器的输出模拟信号相对于放大倍数是无穷大的理想运算放大器小于一个误差偏离值，所述误差偏离值的大小为所述输入失调电压除以所述第一运算放大器的反馈系数，所述误差放大信号要求满足能够部分或全部抵消所述误差偏离值； 当相邻两级所述级模块的前一级模块工作于采样模式、所述后一级模块工作于保持模式时，所述后一级模块的所述第二运算放大器的输出端和所述采样保持模块的第一输入端断开连接。
2.如权利要求1所述的流水线模数转换器，其特征在于:各级所述级模块的余量增益电路包括所述子数模转换器、所述第一运算放大器、第一电容和第二电容；在采样模式时，由所述第一电容和所述第二电容并联形成所述采样保持模块，所述第一电容和所述第二电容的第一端连接在一起并作为所述采样保持模块的第一输入端，所述第一电容和所述第二电容的第二端连接在一起并作为所述采样保持模块的第二输入端；在保持模式时，所述第一电容和所述第二电容的第一端连接在一起并连接到所述第一运算放大器的输入端，所述第一电容的第二端连接所述第一运算放大器的输出端，所述第二电容的第二端连接所述子数模转换器的输出端并输入所述中间模拟信号。
3.如权利要求2所述的流水线模数转换器，其特征在于:所述第一运算放大器的反馈系数为C1/ (Q+C^Cp), C1为所述第一电容的电容值，C2为所述第二电容的电容值，Cp为所述运算放大器的输入端和地之间的寄生电容值。
4.如权利要求1所述的流水线模数转换器，其特征在于:所述第一运算放大器和所述第二运算放大器都为全差分运算放大器，都分别包括一对差分输入端和一对差分输出端；所述子数模转换器输出的中间模拟信号、所述第一运算放大器输出的输出模拟信号、所述输入失调电压、所述误差放大信号和所述采样模拟信号都分别包括一对差分信号； 所述输入失调电压的差分对从对应的所述第一运算放大器的一对差分输入端引出，所述输入失调电压的差分对分别输入到对应的所述第二运算放大器的一对差分输入端，所述第二运算放大器的一对差分输出端输出所述误差放大信号的差分对； 所述采样保持模块包括一对对称的采样保持模块一和采样保持模块二，所述采样保持模块一用于将所述前一级模块的输出模拟信号差分对中的一个减去所述误差放大信号差分对中的一个得到所述采样模拟信号差分对中的一个，所述采样保持模块二用于将所述前一级模块的输出模拟信号差分对中的另一个减去所述误差放大信号差分对中的另一个得到所述采样模拟信号差分对中的另一个。
5.如权利要求4所述的流水线模数转换器，其特征在于:各级所述级模块的余量增益电路包括子数模转换器、第一运算放大器、一对第一电容和一对第二电容； 在采样模式时，由第一个所述第一电容和第一个所述第二电容并联形成所述采样保持模块一，第一个所述第一电容和第一个所述第二电容的第一端连接在一起并作为所述采样保持模块一的第一输入端，第一个所述第一电容和第一个所述第二电容的第二端连接在一起并作为所述采样保持模块一的第二输入端；由第二个所述第一电容和第二个所述第二电容并联形成所述采样保持模块二，第二个所述第一电容和第二个所述第二电容的第一端连接在一起并作为所述采样保持模块二的第一输入端，第二个所述第一电容和第二个所述第二电容的第二端连接在一起并作为所述采样保持模块二一的第二输入端； 在保持模式时，第一个所述第一电容和第一个所述第二电容的第一端连接在一起并连接到所述第一运算放大器的第一个差分输入端，第一个所述第一电容的第二端连接所述第一运算放大器的第一个差分输出端，第一个所述第二电容的第二端连接所述子数模转换器的输出端并输入所述中间模拟信号差分对中的一个；第二个所述第一电容和第二个所述第二电容的第一端连接在一起并连接到所述第一运算放大器的第二个差分输入端，第二个所述第一电容的第二端连接所述第一运算放大器的第二个差分输出端，第二个所述第二电容的第二端连接所述子数模转换器的输出端并输入所述中间模拟信号差分对中的另一个。
6.如权利要求5所述的流水线模数转换器，其特征在于:所述第一运算放大器的两个差分输出端和对应的差分输入端之间的反馈系数都分别为C1/ (CACfCpXC1为所述第一电容的电容值，C2为所述第二电容的电容值，Cp为所述运算放大器的输入端和地之间的寄生电容值。
7.如权利要求4所述的流水线模数转换器，其特征在于:所述第二运算放大器为单级差分放大器。
【文档编号】H03M1/12GK104168021SQ201310182986
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2013年5月17日 优先权日:2013年5月17日
【发明者】朱红卫, 赵郁炜 申请人:上海华虹宏力半导体制造有限公司