一种降低流水线中运算放大器功耗的系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及集成电路设计中降低功耗的系统及方法，尤其设及一种降低流水线中 运算放大器功耗的系统及方法。
【背景技术】
[0002] 模数转换器作为沟通模拟世界和数字世界的中间桥梁电路，在通讯领域有着广泛 的应用。随着便携式设备的日益普及，要求模数转换器具有高速高精度的同时，可获得更低 的功耗。然而为获得较高的速度和精度，常常牺牲模数转换器的功耗为代价。高速高精度模 数转换器通常采用流水线结构，流水线模数转换器包含多个中低精度子级转换单元，在采 样相和保持相两相不交叠的时钟控制下，各个子级转换单元交替进行模数转换。运算放大 器作为流水线模数转换器中的核屯、单元和主要功耗来源，如何降低运算放大器的功耗成为 降低整体系统功耗的关键。
【发明内容】
[0003] 本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供了设计简单、降功耗明显、 通用性强的降低流水线中运算放大器功耗的系统及方法。
[0004] 本发明的技术解决方案是：一种降低流水线模数转换器中运算放大器功耗的系 统，其特征在于包括:电流源管Ml. . .Mn;两组开关单元肺1....肺n和Kl. .. .Kn;两个时钟信 号CKl和CK2,其中CKl为保持相时钟，CK2为采样相时钟;产生偏置电压Vbl. .. .Vbn和偏置电 压Vl--Vn的偏置电压供给模块VBIAS ;运算放大器的主体电路OPAbody;电流源管 Ml. . .Mn,包括并联的恒流源尾管Mal. . .Man和动态源管Mbl. . .Mbn,电流源管Ml. . .Mn的源 端直接接电源或接地；
[0005] 偏置电压VI. .. .Vn直接接入恒流源尾管Mal. . .Man的栅端，形成固定偏置；同时， 偏置电压Vl... .Vn经保持相开关Kl... .Kn-端连接至动态源尾管Mbl.. .Mbn的栅端，形成 固定偏置;偏置电压Vbl.. .Vbn经采样相开关肺1....肺n-端连接至动态源尾管Mbl.. .Mbn 的栅端，形成动态偏置;开关单元肺1--肺n受采样相时钟CK2控制，开关单元Kl--Kn受 保持时钟CKl控制；恒流源尾管Mal.. .Man的漏端和动态源尾管Mbl.. .Mbn的漏端直接接运 算放大器的主体电路OPAbody。
[0006] 将偏置电压Vi... Vn设置在使得恒流源尾管Mal .. .Man的漏端和动态源尾管 Mbl. . .Mbn的静态电流最大，即尾管处于饱和区时的电压;偏置电压Vbl. . .Vbn电压与动态 源管Mbl. . .Mbn的源端电压差值与动态源管Mbl. . .Mbn的阔值电压相差0~lOOmV，此时动态 源管Mbl.. .Mbn工作在亚阔值区，反型层较弱，动态源管Mbl.. .Mbn存在部分漏电流，该漏电 流可帮助运算放大器在进入保持相时快速地建立输出信号，同时缩减功耗开销。
[0007] 所述的时钟信号CKl和CK2为两个相位不交叠的时钟信号。
[000引一种降低流水线模数转换器中运算放大器功耗的方法，其步骤如下：
[0009] (1)根据运算放大器整体电路功耗要求，确定功耗缩减比例；
[0010] (2)根据功耗缩减比例，分配所有可控电流源管Ml. . .Mn的比例和个数，使得恒流 源尾管Mal.. .Man和动态源尾管Mbl.. .Mbn的并联个数之和等于电流源管Ml.. .Mn的并联个 数，其中动态源尾管Mbl. . .Mbn用于调节运算放大器在采样相CK2工作时的电流；
[0011] (3)保持运算放大器的主体部分OPAbody不动；
[0012] (4)根据动态源尾管Mbl.. .Mbn的实际宽长，设计偏置电压供给模块VBIAS，使其在 保持相时钟CKl输出偏置电压Vl......化，该偏置电压使得恒流源尾管Mal.. .Man的漏端和 动态源尾管Mbl. . .Mbn的静态电流最大，即尾管均处于饱和区；在采样相时钟CK2输出偏置 电压Vbl.. .Vbn:偏置电压Vbl.. .Vbn电压与动态源管Mbl.. .Mbn的源端电压差值与动态源 管Mbl. . .Mbn的阔值电压相差0~lOOmV，此时动态源管Mbl. . .Mbn工作在亚阔值区，反型层 较弱，动态源管Mbl. . .Mbn存在部分漏电流，该漏电流可帮助运算放大器在进入保持相时快 速地建立输出信号，同时缩减功耗开销。
[OOU] (5)电压VI....化直接接入恒流源尾管Mal. . .Man的栅端，形成固定偏置；同时偏 置电压VI....化经保持相开关Kl. .. .Kn-端连接至动态源尾管Mbl. . .Mbn的栅端，形成固 定偏置;偏置电压Vbl.. .Vbn经采样相开关肺1....肺n-端连接至动态源尾管Mbl.. .Mbn的 栅端，形成动态偏置;开关单元肺1--肺n受采样相时钟CK2控制，开关单元Kl--Kn受保 持时钟CKl控制；恒流源尾管Mal. . .Man的漏端和动态源尾管Mbl. . .Mbn的漏端直接接运算 放大器的主体电路OPAbody。
[0014] (6)计算保持相和采样相的平均功耗;假设单个电流管饱和态电流为1〇,一个时钟 周期T由保持相周期Tl和采样相周期T2组成。保持相时恒流源管Mal. . .Man和动态源尾管 Mbl.. .Mbn全部处于饱和状态，则单个恒流源尾管Mal和动态源尾管Mbl在保持相周期时的 工作电流之和为化*1〇,此时采样相运算放大器不参与电荷传递，此时Mal管产生的饱和电流 为Mal*I〇，Mbl管工作在弱反型区，其电流约为一个单管电流1〇，1〇远小于Mbl管处于饱和状态 时的电流Mbi* Io，此时恒流源尾管Mal和动态源尾管Mb 1在采样相周期时的工作电流之和Mai* 1〇+1〇。单个恒流源尾管Ma巧日动态源尾管Mbl的平均功耗之和为
[0016]化是运电流源管Ml的宽度，是恒流源尾管Mal和动态源尾管 [0017] Mbl宽度之和;Vdd为电源电压；
[0018]设n个电流源管Ml. . .Mn的并联个数一致，则总功耗：
[0020] 整体电路的平均功耗大大减小。
[0021] (7)仿真验证整体电路的平均功耗，根据仿真结果反复调整恒流源管Mal. . .Man和 动态源尾管Mbl. . .Mbn的比例个数，W满足功耗要求。
[0022] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0023] (1)本发明操作简单。现有的降低功耗方法操作复杂，通常需要省去流水线前端的 采样保持电路从而省去其内部运算放大器，才能有效降低功耗。因此需要引入更为复杂的 数字校准技术才能弥补缺少运算放大器所导致的精度损失。本发明在电流源管Mbl.. .Mbn 的栅端引入偏置电压供给模块VBIAS和时钟开关，在运算放大器的采样相周期，有效降低部 分尾电流源管电流，从而降低整个时钟周期的平均功耗，设计简单。
[0024] (2)本发明设计全面。现有的降低功耗方法设计单一，通常在采样相将运算放大器 的电流源管Ml. . .Mn直接关断，在运算放大器不工作的半周期，使得电流源管Ml. . .Mn电流 降至最低;但同时导致下半工作周期的充电速度减慢，压摆率变缓，建立时间甚至超过要求 的半周期，信号建立时间延长，无法满足高频的时钟要求。本发明提供固定偏置电压 Vbl. . .Vbn,可实现运算放大器部分动态源尾管Mbl. . .Mbn在不工作的采样周期，快速进入 亚阔值区，降低功耗的同时，保留部分漏电流，帮助运算放大器在保持相周期快速恢复到正 常工作状态，减小电流缩减对建立时间的影响。
[0025] (3)本发明灵活性高。相比于现有技术降低功耗不灵活的缺点，本发明可根据整体 电路功耗要求，初步确定运算放大器功耗缩减比例，再确定恒流源尾管Mal. . .Man和动态源 尾管Mbl. . .Mbn的比例关系，有针对性地降低功耗，设计上更加灵活。
[0026] (4)本发明通用性强。对任意工作在两相不交叠时钟相位下的高性能运算放大器 系统，均可采用本发明的方法。在采样相时钟周期降低尾电流源管功耗，从而降低电路的平 均功耗，具有较强的通用性。特别是针对工程应用中的高速高精度模数转换器系统中的运 算放大器具有更实际意义。
【附图说明】
[0027] 图1为本发明较理想实施方式的多电流源管运算放大器系统结构图；
[0028] 图2为本发明较理想实施方式的对运算放大器多个节点进行降低功耗的方法实施 电路系统图；
[0029] 图3为本发明较理想实施方式的两相不交叠时钟时序图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行解释说明。
[0031] 如图1所示，为本发明较理想实施方式的多电流源管运算放大器系统结构图。该运 算放大器系统包含多个电流源管M1、M2......Mn,产生偏置电压VI....化偏置电压的供给 单元VBIASO和运算放大器的主体电路OPAbody，电流源管Ml.. .Mn的源端直接接电源地;偏 置电压Vl....化直接接入电流源管Ml.. .Mn的源端的栅端，形成固定偏置，该偏置电压使得 电流源管Ml.. .Mn工作点在饱和区，此时电流最大；电流源管Ml.. .Mn的漏端直接接运算放 大器的主体电路OPAbody。
[0032] 假设单个电流管饱和态电流为1〇, 一个时钟周期为T。W电流源管Ml为例，一个时 钟周期内运算放大器电路的平均工作电流为= 电流源管M2. . .Mn的电流分别为 12. . .In。假设n个电流源管Ml. . .Mn的并联个数一致，则运算放大器平均总功耗为：
[0034] 通常n和并联个数M较大，总功耗也相应较大。降低运算放大器电路的功耗，可降低 电流源管在时钟周期T内产生的电流大小。
[0035] 如图2所示为本发明的一种降低流水线模数转换器中运算放大器功耗的系统，包 括：电流源管Ml. . .Mn;两组开关单元肺I....肺n和Kl. . . .Kn;两个时钟信号CIQ和CK2,其中 CKl为保持相时钟，CK2采样相时钟；产生偏置电压Vbl. .. .Vbn和VI....化的偏置电压供给 模块VBIAS;运算放大器的主体电路OPAbody;电流源管Ml.. .Mn,包括并联的恒流源尾管 Mal.. .Man和动态源管Mbl.. .Mbn,电流源管Ml.. .Mn的源端直接接电源地；
[0036] 偏置电压VI. .. .Vn直接接入恒流源尾管Mal. . .Man的栅端，形成固定偏置；同时， 偏置电压Vl... .Vn经保持相开关Kl... .Kn-端连接至动态源尾管Mbl.. .Mbn的栅端，形成 固定偏置;偏置电压Vbl.. .Vbn经采样相开关肺1...