专利名称：一种模数转换器前端采样保持和余量放大的电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及流水线操作模数转换器技术领域，尤其涉及一种流水线操作模数转换 器前端采样保持和余量放大的电路。
背景技术：
模数转换器是混合信号系统中的重要组成部分，有多种结构类型，其中流水线结构有利于模数转换器在功耗、面积、速度和精度之间进行折中，因而受到广泛应用。传统的流水线操作模数转换器前端需要一个精确的采样保持电路[]，该采样保持 电路不可避免地引入了噪声和各种误差，但其精度要求在各个流水线子级中是最高的，因 此它消耗了流水线模数转换器大部分的功耗。消除流水线模数转换器前端的采样保持电路大大减小了电路的功耗，但输入信号 到达第一级MDAC和第一级子模数转换器的时间常数不一致，使得模数转换器的精度大大 降低。传统的采样保持电路消除技术通过精确地设计电容和开关的尺寸使这两条信号路径 的时间常数保持一致，但工艺变动和时钟偏差等因素仍然限制了精度的提高。第二种解决 方案是在采样相采样电容采样后，保持所采信号并由子模数转换器作粗量化，然后在下一 相再进行余量放大□，但该方案需将原有的采样相分割成采样相和粗量化相，从而限制了 采样率的进一步提高。另外一种方法通过在前端采样保持电路和第一级MDAC之间共享运 放从而降低电路的功耗□，但由于采样保持电路和第一级MDAC各用一套采样电容，当第一 级MDAC的采样电容采样时仍然会引入各种误差，不利于精度的提高。
发明内容
本发明的主要目的在于解决现有技术存在的问题，提供一种流水线操作模数转换 器前端采样保持和余量放大的电路，该电路能降低电路的功耗，提高模数转换器的精度。为达到上述目的，本发明提供了一种流水线操作模数转换器前端采样保持和余量 放大的电路，该电路包括运放(1)、第一开关电容单元(2)、第二开关电容单元(3)和两个采 样开关(4)；其中，第一开关电容单元(2)、第二开关电容单元(3)交替与运放(1)和两个采 样开关(4)组成采样保持或余量放大电路；在采样相，第一开关电容单元(2)或者第二开关 电容单元(3)和两个采样开关(4)采样当前的信号，同时第二开关电容单元(3)或者第一 开关电容单元(2)和运放(1)对上一次采样到的样本进行余量放大；在保持相，第一开关电 容单元(2)或者第二开关电容单元(3)和运放(1)对当前的样本进行保持。上述方案中，该电路采用第一开关电容单元或者第二开关电容单元和两个采样开 关进行采样，使得两套开关电容单元在每个时钟周期的同一边沿时刻进行采样。上述方案中，该电路在四相互不交叠时钟phi、ph2、ph3和ph4的控制下工作，其 中，在phi相，第一开关电容单元进行采样，同时第二开关电容单元对ph3相采样到 的电压进行余量放大，此时，电容Cspl和Cfpl的底极板接差分输入电压的正端Vinp，电容Csnl和Cfnl的底极板接差分输入电压的负端Virm，这四个电容的上极板分别经过两个采 样开关接运放的输入共模电压Vicom，另外，电容Csp2和Csn2的上极板分别接运放的差分 输入端opinp和opirm，底极板分别接本级子数模转换器的差分输出Vdacp和Vdacn，电容 Cfp2和Cfn2的上极板分别接运放的差分输入端opinp和opirm，底极板分别接运放的差分 输出端outn禾口 outp ；在ph2相，第一开关电容单元对Phl相采样到的电压进行保持，第二开关电容单元 放电清零，此时，电容Cfpl和Cfnl的上极板分别接运放的差分输入端opinp和opirm，底极 板分别接运放的差分输出端outn和outp，电容Cspl和Csnl的上极板分别接运放的差分输 入端opinp和opirm，底极板悬空，另外，电容Csp2、Csn2、Cfp2和Cfn2的上极板都接运放 的输入共模电压Vicom，底极板都接运放的输出共模电压Vocom ；在ph3相，第二开关电容单元进行采样，同时第一开关电容单元对Phl相采样到 的电压进行余量放大，此时，电容Csp2和Cfp2的底极板接差分输入电压的正端Vinp，电容 Csn2和Cfn2的底极板接差分输入电压的负端Virm，这四个电容的上极板分别经过两个采 样开关接运放的输入共模电压Vicom，另外，电容Cspl和Csnl的上极板分别接运放的差分 输入端opinp和opirm，底极板分别接本级子数模转换器的差分输出Vdacp和Vdacn，电容 Cfpl和Cfnl的上极板分别接运放的差分输入端opinp和opirm，底极板分别接运放的差分 输出端outn禾口 outp ；在ph4相，第二开关电容单元对ph3相采样到的电压进行保持，第 一开关电容单元 放电清零，此时，电容Cfp2和Cfn2的上极板分别接运放的差分输入端opinp和opirm，底极 板分别接运放的差分输出端outn和outp，电容Csp2和Csn2的上极板分别接运放的差分输 入端opinp和opirm，底极板悬空，另外，电容Cspl、CsnU Cfpl和Cfnl的上极板都接运放 的输入共模电压Vicom，底极板都接运放的输出共模电压Vocom。上述方案中，所述的运放在采样相和保持相连续工作，没有复位。本发明与现有技术比较，具有以下有益效果1、利用本发明，采用两套开关电容单元和一个运放组成流水线操作模数转换器前 端采样保持和余量放大的电路，同时实现了前端采样保持电路和第一级MDAC的功能，通过 运放的连续工作提高了运放的利用率，大大降低了电路的功耗。2、利用本发明，对于一个信号，采样保持和余量放大均使用同一套采样电容，这样 就避免了在保持期间采用另一套采样电容采样而引入新的误差，提高了模数转换器的精度。3、利用本发明，两套开关电容单元串联了一对共同的采样开关，消除了采样时钟 偏差的影响，提高了模数转换器的精度。4、利用本发明，采样电容在采样之前复位清零，可以消除记忆误差，即消除上一次 样本对本次采样的影响，进一步提高模数转换器的线性度，并降低前级驱动电路的要求，有 利于高速高精度模数转换器和相关系统方案的设计实现。
图1为本发明提供的流水线操作模数转换器前端采样保持和余量放大的电路的 结构示意图。
图2为图1电路中各时钟信号时序关系示意图。图3为图1电路在phi相工作时的结构示意图。图4为图1电路在ph2相工作时的结构示意图。
图5为图1电路在ph3相工作时的结构示意图。图6为图1电路在ph4相工作时的结构示意图。为了便于理解，以下将结合具体的附图和实施例对本发明的进行详细地描述。需 要特别指出的是，具体实例和附图仅是为了说明，显然本领域的普通技术人员可以根据本 文说明，在本发明的范围内对本发明做出各种各样的修正和改变，这些修正和改变也纳入 本发明的范围内。
具体实施例方式实施例1如图1所示，图1为本发明提供的流水线操作模数转换器前端采样保持和余量放 大的电路的结构示意图，该电路包括运放、第一开关电容单元、第二开关电容单元和两个采 样开关。其中，第一开关电容单元、第二开关电容单元交替与运放和两个采样开关组成采样 保持和余量放大电路。在采样相，第一开关电容单元或者第二开关电容单元和两个采样开 关采样当前的样本，同时第二开关电容单元或者第一开关电容单元和运放对上一次采样到 的样本进行余量放大；在保持相，第一开关电容单元或者第二开关电容单元和运放对当前 的样本进行保持。图1电路在图2所示的各时钟信号的控制下工作。如图1和图2所示，时钟信号 sample的上升沿与phi或者ph2或者ph3或者ph4的上升沿相同，下降沿比phi或者ph2 或者ph3或者ph4的下降沿略微提前，它通过控制串联在第一开关电容单元和第二开关电 容单元上的两个采样开关，使得两套开关电容单元在每个时钟周期的同一边沿时刻进行采 样，消除了采样时钟偏差的影响，提高了模数转换器的精度。如图2所示，phl、ph2、ph3和 ph4为四相互不交叠的时钟信号，在这四相时钟信号的控制下，图1电路中的第一开关电容 单元和第二开关电容单元交替进行采样保持和余量放大。由于有的开关在ph2相和ph3相 连续闭合，有的开关在Ph4相和phi相连续闭合，因此分别采用包含ph2相和ph3相的时钟 信号ph2&3和包含ph4相和phi相的时钟信号ph4&l加以控制。图1电路在phi相的工作状态如图3所示，第一开关电容单元进行采样，同时第 二开关电容单元进行余量放大，此时，电容Cspl和Cfpl的底极板接差分输入电压的正端 Vinp,电容Csnl和Cfnl的底极板接差分输入电压的负端Virm，这四个电容的上极板分别 经过两个采样开关接运放的输入共模电压Vicom，另外，电容Csp2和Csn2的上极板分别接 运放的差分输入端opinp和opirm，底极板分别接本级子数模转换器的差分输出Vdacp和 Vdacn,电容Cfp2和Cfn2的上极板分别接运放的差分输入端opinp和opirm，底极板分别接 运放的差分输出端outn和outp。图1电路在ph2相的工作状态如图4所示，第一开关电容单元对phi相采样到的 电压进行保持，第二开关电容单元放电清零，此时，电容Cfpl和Cfnl的上极板分别接运放 的差分输入端opinp和opirm，底极板分别接运放的差分输出端outn和outp，电容Cspl 和Csnl的上极板分别接运放的差分输入端opinp和opinn，底极板悬空，另外，电容Csp2、Csn2、Cfp2和Cfn2的上极板都接运放的输入共模电压Vicom，底极板都接运放的输出共模 电压Vocom0图1电路在ph3相的工作状态如图5所示，第二开关电容单元进行采样，同时第 一开关电容单元进行余量放大，此时，电容Csp2和Cfp2的底极板接差分输入电压的正端 Vinp,电容Csn2和Cfn2的底极板接差分输入电压的负端Virm，这四个电容的上极板分别 经过两个采样开关接运放的输入共模电压Vicom，另外，电容Cspl和Csnl的上极板分别接 运放的差分输入端opinp和opirm，底极板分别接本级子数模转换器的差分输出Vdacp和 Vdacn,电容Cfpl和Cfnl的上极板分别接运放的差分输入端opinp和opirm，底极板分别接 运放的差分输出端outn和outp。图1电路在ph4相的工作状态如图6所示，第二开关电容单元对ph3相采样到的 电压进行保持，第一开关电容单元放电清零，此时，电容Cfp2和Cfn2的上极板分别接运放 的差分输入端opinp和opirm，底极板分别接运放的差分输出端outn和outp，电容Csp2 和Csn2的上极板分别接运放的差分输入端opinp和opinn，底极板悬空，另外，电容Cspl、 CsnU Cfpl和Cfnl的上极板都接运放的输入共模电压Vicom，底极板都接运放的输出共模 电压Vocomo如图3、图4、图5和图6所示，运放在phi相、ph2相、ph3相和ph4相连续工作，提高了利用率，大大降低了电路的功耗。对于第一开关电容单元在Phi相采样到的电压， 在Ph2相对它进行保持，在ph3相对它进行余量放大，采样保持和余量放大均在电容Cspl、 CsnU Cfpl和Cfnl上进行；对于第二开关电容单元在ph3相采样到的电压，在ph4相对它 进行保持，在Phl相对它进行余量放大，采样保持和余量放大均在电容Csp2、Csn2、Cfp2和 Cfn2上进行。因此，对于每一个样本，采样保持和余量放大均在一套电容上进行，而在保持 期间该套电容上的电荷总量守恒，不会引入新的误差，从而提高了模数转换器的精度。如图3和图5所示，该电路在余量放大期间采用1. 5位/级的结构，相对于多位/ 级的结构来说，提高了比较器对电压失调的容忍程度，但该电路同样可以推广到多位/级 的结构。
权利要求
一种模数转换器前端采样保持和余量放大的电路，其特征在于，该电路包括运放(1)、第一开关电容单元(2)、第二开关电容单元(3)和两个采样开关(4)；其中，第一开关电容单元(2)、第二开关电容单元(3)交替与运放(1)和两个采样开关(4)组成采样保持或余量放大电路；在采样相，第一开关电容单元(2)或者第二开关电容单元(3)和两个采样开关(4)采样当前的信号，同时第二开关电容单元(3)或者第一开关电容单元(2)和运放(1)对上一次采样到的样本进行余量放大；在保持相，第一开关电容单元(2)或者第二开关电容单元(3)和运放(1)对当前的样本进行保持。
2.根据权利要求1所述的模数转换器前端采样保持和余量放大的电路，其特征在于， 该电路采用第一开关电容单元(2)或者第二开关电容单元(3)和两个采样开关(4)进行采 样，使得两套开关电容单元在每个时钟周期的同一边沿时刻进行采样。
3.根据权利要求1所述的模数转换器前端采样保持和余量放大的电路，其特征在于， 该电路在四相互不交叠时钟Phl、ph2、ph3和ph4的控制下工作，其中，在phi相，第一开关电容单元(2)进行采样，同时第二开关电容单元(3)对ph3相采样 到的电压进行余量放大，此时，电容Cspl和Cfpl的底极板接差分输入电压的正端Vinp，电 容Csnl和Cfnl的底极板接差分输入电压的负端Virm，该四个电容的上极板分别经过两个 采样开关(4)接运放(1)的输入共模电压Vicom;电容Csp2和Csn2的上极板分别接运放 (1)的差分输入端opinp和opirm，底极板分别接本级子数模转换器的差分输出Vdacp和 Vdacn,电容Cfp2和Cfn2的上极板分别接运放(1)的差分输入端opinp和opirm，底极板分 别接运放⑴的差分输出端outn和outp ；在ph2相，第一开关电容单元(2)对phi相采样到的电压进行保持，第二开关电容单 元⑶放电清零，此时，电容Cfpl和Cfnl的上极板分别接运放(1)的差分输入端opinp和 opinn,底极板分别接运放(1)的差分输出端outn和outp，电容Cspl和Csnl的上极板分别 接运放(1)的差分输入端opinp和opirm，底极板悬空；电容Csp2、Csn2、Cfp2和Cfn2的上 极板都接运放(1)的输入共模电压Vicom，底极板都接运放(1)的输出共模电压Vocom;在ph3相，第二开关电容单元(3)进行采样，同时第一开关电容单元(2)对phi相采样 到的电压进行余量放大，此时，电容Csp2和Cfp2的底极板接差分输入电压的正端Vinp，电 容Csn2和Cfn2的底极板接差分输入电压的负端Virm，该四个电容的上极板分别经过两个 采样开关(4)接运放(1)的输入共模电压Vicom;电容Cspl和Csnl的上极板分别接运放 (1)的差分输入端opinp和opirm，底极板分别接本级子数模转换器的差分输出Vdacp和 Vdacn,电容Cfpl和Cfnl的上极板分别接运放(1)的差分输入端opinp和opirm，底极板分 别接运放(1)的差分输出端outn和outp ；在ph4相，第二开关电容单元(3)对ph3相采样到的电压进行保持，第一开关电容单 元⑵放电清零，此时，电容Cfp2和Cfn2的上极板分别接运放(1)的差分输入端opinp和 opinn,底极板分别接运放(1)的差分输出端outn和outp，电容Csp2和Csn2的上极板分别 接运放(1)的差分输入端opinp和opirm，底极板悬空；电容Cspl、Csnl、Cfpl和Cfnl的上 极板都接运放(1)的输入共模电压Vicom，底极板都接运放(1)的输出共模电压Vocom。
4.根据权利要求1所述的模数转换器前端采样保持和余量放大的电路，其特征在于， 所述的运放(1)在采样相和保持相连续工作，没有复位。
全文摘要
本发明涉及流水线操作模数转换器技术领域，公开了一种流水线操作模数转换器前端采样保持和余量放大的电路，包括运放、第一开关电容单元、第二开关电容单元和两个采样开关。其中，第一开关电容单元、第二开关电容单元交替与运放和两个采样开关组成采样保持或余量放大电路。在采样相，第一开关电容单元或者第二开关电容单元和两个采样开关采样当前的信号，同时第二开关电容单元或者第一开关电容单元和运放对上一次采样到的信号的余量(信号去除量化的部分)进行放大；在保持相，第一开关电容单元或者第二开关电容单元和运放对当前的信号进行保持。利用本发明，可以用较低的功耗同时实现流水线模数转换器前端采样保持电路和第一级MDAC电路的功能，提高流水线模数转换器的精度。
文档编号H03M1/12GK101834606SQ20091004726
公开日2010年9月15日 申请日期2009年3月9日 优先权日2009年3月9日
发明者秦亚杰, 陈奇辉 申请人:复旦大学