专利名称：一种适用于流水线模数转换器的mdac结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及流水线模数转换器技术领域，尤其涉及一种适用于流水线模数转换器的新型MDAC结构。
背景技术：
流水线模数转换器是模数转换器的一种经典结构类型，可以在功耗、面积、速度和精度之间进行较好地折中，因而受到广泛的应用。高精度的流水线模数转换器常采用多位
/级结构。在传统的多位/级结构流水线模数转换器中，MDAC在保持相进行余量放大，使得由运算放大器和采样电容、反馈电容及闭合开关构成的闭环放大器在保持相同时具有反馈系数小和负载电容大的特点，而这两个特点都不利于MDAC建立速度的提高，从而限制了高速高精度流水线模数转换器的实现。此外，在传统的流水线模数转换器结构中，MDAC只在保持相进行余量放大，在采样相并不工作，因此运放有将近一半的功耗是被浪费的。针对这个问题，采用运放共享技术可以有效地提高运放功耗的利用率，降低模数转换器的整体功耗，但是由于运放连续工作， 没有复位，存在稳定问题和记忆效应(即上一次的样本会继续保留在运放输入端的寄生电容，影响下一次的样本)，降低了模数转换器的精度，另外，增加了一些额外的开关，降低了模数转换器的速度。另外一种解决方案是采用开关运放技术，在运放不工作的时候将运放关掉以节省功耗，但是由于运放重新启动需要一定时间，该技术并不利于模数转换器速度的提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于流水线模数转换器的新型MDAC结构，以降低模数转换器的功耗，提高转换速率。为达到上述目的，本发明提供了一种适用于流水线模数转换器的新型MDAC结构， 该结构包括运放、第一开关电容单元和第二开关电容单元。其中，第一开关电容单元和第二开关电容单元均由采样电容Cs、反馈电容CF、负载电容CL和开关组成。在采样相WiiS，采样电容采样输入信号，同时运放保持反馈电容上的电压，运放和反馈电容构成单位增益闭环放大器，对负载电容进行充放电；在复位相WiiR，采样电容悬空，运放的输入端接共模电平Vcomi，输出端接共模电平Vcomo，反馈电容上的电压复位；在传输相W!iT，运放、采样电容和反馈电容构成反馈系数为CF/(CF+CQ的闭环放大器，利用电荷转移对采样电容上的样本进行余量放大，余量电压传输到反馈电容上，此时下一级的采样电容与本级MDAC中的闭环放大器未连接；在清零相WiiC，采样电容两端都接共模电平Vcomi，电荷清零，准备下一次的采样。上述方案中，PhiSp的下降沿比WiiS的下降沿略微提前，使采样开关在采样相 WiiS结束时提前关断。
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上述方案中，运放在采样相PhiS、传输相Η Τ和清零相WiiC工作，在复位相WiiR复位。上述方案中，在采样相WiiS，运放与反馈电容构成负反馈网络，反馈系数为1，同时运放对负载电容进行充放电；在传输相WiiT，运放与采样电容、反馈电容构成负反馈网络，反馈系数为CF/CS，此时运放只进行余量放大，不驱动负载电容。上述方案中，相邻级的比较器均在采样相WiiS采样MDAC的输出，在复位相WiiR 进行比较。上述方案中，该结构不仅可以采用多位/级的结构，还可以采用1. 5位/级的结构。上述方案中，运放采用改进的两级密勒补偿结构，输入级为折叠式输入，通过开关改变补偿电容在采样相WiiS和传输相WiiT的电容值大小，使运放在两种不同的反馈系数下都保持稳定，同时采用开关电容共模反馈电路和一个共模电平反相器将输出级共模电平的变化反馈到输入级，保持输出级共模电平的稳定。本发明的特点在于，本发明具有如下有益效果1、利用本发明，运放在采样相PhiS、传输相Η Τ和清零相WiiC工作，提高了运放功耗的利用率。由于传统的余量放大相被分割为复位相WiiR和传输相WiiT，运放分别工作在反馈系数小、无负载和反馈系数大、有负载两种情况下，性能要求大大降低，有利于模数转换器整体功耗的降低。2、利用本发明，采样开关在采样相WiiS结束时提前关断，有利于减小电荷注入效应的影响。3、利用本发明，运放在复位相WiiR复位，可以消除记忆效应，提高模数转换器的精度。4、利用本发明，采样电容在清零相WiiC清零，可以消除采样电容的残留电压对下一次采样的影响，同时提高下一次采样时运放的建立速度。5、利用本发明，比较器在复位相WiiR有足够的时间进行比较，有利于减小比较器的失调和功耗。6、利用本发明，可以根据指标要求调节四个相位的时间，优化系统。
图1为本发明提供的适用于流水线模数转换器的新型MDAC结构的结构示意图。图2为图1结构中各时钟信号时序关系示意图。图3为图1结构在WiiS相工作时的结构示意图。图4为图1结构在WiiR相工作时的结构示意图。图5为图1结构在Η Τ相工作时的结构示意图。图6为图1结构在WiiC相工作时的结构示意图。图7位图1结构中运放的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进一步详细说明。
实施例1如图1所示，图1为本发明提供的适用于流水线模数转换器的新型MDAC结构的结构示意图，该结构包括运放、第一开关电容单元和第二开关电容单元。其中，第一开关电容单元和第二开关电容单元均由采样电容Cs、反馈电容CF、负载电容CL和开关组成。在采样相WiiS，采样电容采样输入信号，同时运放保持反馈电容上的电压，对负载电容进行充放电；在复位相WiiR，采样电容悬空，运放的输入端接共模电平Vcomi，输出端接共模电平 Vcomo，反馈电容上的电压复位；在传输相WiiT，运放对采样电容上的样本进行余量放大， 余量电压传输到反馈电容上；在清零相WiiC，采样电容两端都接共模电平Vcomi，电荷清零，准备下一次的采样。图1结构在图2所示的各时钟信号的控制下工作。如图2所示，PhiSp的下降沿比WiiS略微提前，使采样开关在采样相WiiS结束时提前关断，减小电荷注入效应的影响； PhiS与PhiSB互为反相信号；PhiR与PhiRB互为反相信号；PhiS, PhiR, PhiT和PhiC为非交叠时钟，保证MDAC正常工作。图1结构在WiiS相的工作状态如图3所示，两个采样电容CS—端分别接差分输入信号Vinp、Vinn,另一端分别接共模电平Vcomi，对差分输入信号进行采样，同时运放与两个反馈电容CF构成反馈系数为1的负反馈网络，对两个负载电容CL分别进行充放电。图1结构在WiiR相的工作状态如图4所示，两个采样电容CS悬空，两个反馈电容 CF的一端和运放的输入端接共模电平Vcomi，另一端和运放的输出端接共模电平Vcomo进行复位，消除了记忆效应的影响。同时，比较器在WiiR相有足够的时间进行比较，有利于减小比较器的失调和功耗。图1结构在WiiT相的工作状态如图5所示，两个采样电容CS、两个反馈电容CF与运放构成反馈系数为CF/(CS+CF)的负反馈网络，对两个采样电容CS上的差分电压进行余量放大，差分余量电压传输到两个反馈电容上。图1结构在WiiC相的工作状态如图6所示，两个采样电容CS的两端均接共模电平 Vcomi，实现电荷清零，减小了两个采样电容CS上的残留电压对下一次采样的影响，并且提高了下一次采样时运放的建立速度。此时，运放继续保持两个反馈电容CF上的差分电压。如图3、图4、图5和图6所示，运放在PhiS相、PhiT相和PhiC相工作，在PhiR相复位，提高了运放功耗的利用率。由于传统的余量放大相在这里被分割为采样相WiiS和传输相WiiT，运放分别工作在反馈系数小、无负载和反馈系数大、有负载两种情况下，性能要求大大降低，有利于模数转换器整体功耗的降低。如图3、图4、图5和图6所示，该结构不仅可以采用1. 5位/级的结构，还可以采用多位/级的结构。如图7所示，运放采用改进的两级密勒补偿结构，输入级为折叠式输入，通过开关 M12和M13改变补偿电容在采样相WiiS和传输相Η Τ的电容值大小，使运放在两种不同的反馈系数下都保持稳定，同时采用由两个反馈电容Cfb和开关Mfb4组成的开关电容共模反馈电路和一个由MfbO、两个Mfbl和Mfb2组成的共模电平反相器将输出级共模电平的变化反馈到输入级，保持输出级共模电平的稳定。
权利要求
1.一种适用于流水线模数转换器的MDAC结构，其特征在于，该结构包括运放(1)、第一开关电容单元(2)和第二开关电容单元(3)，其中，第一开关电容单元(1)和第二开关电容单元⑵均由采样电容CS、反馈电容CF、负载电容CL和开关组成；在采样相WiiS，采样电容采样输入信号，同时运放(1)保持反馈电容上的电压，对负载电容进行充放电；在复位相 PhiR，采样电容悬空，运放(1)的输入端接共模电平Vcomi，输出端接共模电平Vcomo，反馈电容上的电压复位；在传输相WiiT，运放(1)对采样电容上的样本进行余量放大，余量电压传输到反馈电容上；在清零相WiiC，采样电容两端均接共模电平Vcomi，电荷清零。
2.根据权利要求1所述的适用于流水线模数转换器的MDAC结构，其特征在于，所述的 PhiSp的下降沿比WiiS的下降沿略微提前，使采样开关在采样相WiiS结束时提前关断。
3.根据权利要求1所述的适用于流水线模数转换器的MDAC结构，其特征在于，所述运放(1)在采样相WiiS、传输相Η Τ和清零相WiiC工作，在复位相WiiR复位。
4.根据权利要求1所述的适用于流水线模数转换器的MDAC结构，其特征在于，在采样相WiiS，运放(1)与反馈电容构成负反馈网络，反馈系数为1，同时运放(1)对负载电容进行充放电；在传输相WiiT，运放(1)与采样电容、反馈电容构成负反馈网络，反馈系数为CF/ CS，此时运放(1)只进行余量放大，不驱动负载电容。
5.根据权利要求1所述的适用于流水线模数转换器的MDAC结构，其特征在于，相邻级的比较器均在采样相WiiS采样MDAC的输出，在复位相WiiR进行比较。
6.根据权利要求1所述的适用于流水线模数转换器的MDAC结构，其特征在于，该结构采用多位/级的结构，或采用1. 5位/级的结构。
7.根据权利要求1所述的适用于流水线模数转换器的MDAC结构，其特征在于，所述运放(1)采用改进的两级密勒补偿结构，输入级为折叠式输入，通过开关改变补偿电容在采样相WiiS和传输相WiiT的电容值大小，使运放(1)在两种不同的反馈系数下都保持稳定， 同时采用开关电容共模反馈电路和一个共模电平反相器将输出级共模电平的变化反馈到输入级，保持输出级共模电平的稳定。
全文摘要
本发明属流水线模数转换器技术领域，涉及一种适用于流水线模数转换器的新型MDAC结构，包括运放、第一开关电容单元和第二开关电容单元。其中，第一开关电容单元和第二开关电容单元均由采样电容CS、反馈电容CF、负载电容CL和开关组成。在采样相PhiS，采样电容采样输入信号，同时运放保持反馈电容上的电压，对负载电容进行充放电；在复位相PhiR，采样电容悬空，运放的输入端接共模电平Vcomi，输出端接共模电平Vcomo，反馈电容上的电压复位；在传输相PhiT，运放对采样电容上的样本进行余量放大，余量电压传输到反馈电容上；在清零相PhiC，采样电容两端都接共模电平Vcomi，电荷清零，准备下一次的采样。利用本发明能降低模数转换器的功耗，提高转换速率。
文档编号H03M1/12GK102255615SQ20101018056
公开日2011年11月23日 申请日期2010年5月20日 优先权日2010年5月20日
发明者洪志良, 秦亚杰, 陆波, 陈奇辉 申请人:复旦大学