专利名称：带两级分段共享运算放大器的乘法型数模转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种带两级分段共享运算放大器的乘法型数模转换器，它的直接应用领域是高速高精度、低功耗、多通道流水线A/D转换器。
背景技术：
近年来，随着流水线A/D转换器功耗的降低以及通道数的增加，对于其内部核心单元乘法型数模转换电路的要求也越来越高，因此，降低乘法型数模转换电路的功耗与规模是迫切需要。在乘法型数模转换器中，采用共享运算放大器是降低乘法型数模转换器功耗与规模的一种常用技术，它利用流水线A/D转换器相邻两级交替工作的特点，将两个运算放大器的功能由一个运算放大器来实现，减少了一个运算放大器的使用，从而降低了乘法型数模转换电路功耗与规模。但是，常规技术是将运算放大器作为一个整体，在使用中存在以下问题1)限制了相邻两级流水线A/D转换器的位数，要求它们的位数必须相同，如不相同，以4位流水线A/D转换器与1. 5位流水线A/D转换器为例，4位流水线A/D转换器中运算放大器功耗为16 18mW，1. 5位流水线A/D转换器中运算放大器功耗为4 5mW，两级流水线A/D转换器总的平均功耗为10 12mW。采用常规共享运算放大器技术后，由于要保证 4位流水线A/D转换器的精度，1. 5位流水线A/D转换器必须享用4位流水线A/D转换器中的运算放大器，两级流水线A/D转换器总的平均功耗为16 18mW，因此，常规共享运算放大器技术不但不会降低两级流水线的功耗，反而造成功耗的增加。2)限制了流水线A/D转换器总体结构的设计。由于流水线A/D转换器中每级流水线级位数的设计比较灵活，以14位A/D转换器为例，它的流水线级数就有5+4+4+4、 4+8X1. 5+3,5+3+3+1. 5+1. 5+1. 5+3等各种实现方式，其中最后一位为flashADC，内部不需要运算放大器。从上例可以看出，相邻两级流水线一般有前级高位、后级低位以及前后级同位两种组合，但是常规共享运算放大器只能适应前后级同位的组合，应用范围较窄，已无法满足低功耗、多通道流水线A/D转换器的设计要求。
发明内容
为克服上述常规共享运算放大器中相邻两级流水线A/D转换器的位数与总体结构设计受限的问题，本发明提供了一种带两级分段共享运算放大器的乘法型数模转换电路，实现4位与1. 5位两种不同位数流水线级中运算放大器的有效合并，既减少版图面积， 又不会造成功耗的增加。为实现上述目的，本发明解决上述技术问题所采取的技术方案在于本发明的一种带两级分段共享运算放大器的乘法型数模转换电路含有一个4位乘法型数模转换单元，实现16倍放大功能，包括第一级运算放大器Al、 第二级运算放大器 A2、10 个开关 SIA/ Φ 1、SIB/ Φ 1、S2A/ Φ 2、S2B/ Φ 2、S3A/ Φ 1、S3B/ Φ 1、
3S4A/Φ 2，、S4B/Φ 2，、S5A/Φ 2，、S5B/Φ 2，、2 个采样电容 CIA、C1B、2 个反馈电容 C2A、C2B，其中，ClA的一端通过SlA/Φ 1和S2A/Φ 2分别连接正向输入信号Vinp和共模电压 Vcm, ClA的另一端接Al的正输入端，C2A的一端通过S3A/0 1和S4A/02’分别连接共模电压Vcm和A2的正输出端VQUTP，C2A的另一端接Al的正输入端，ClB的一端通过SIB/Φ 1和 S2B/C52分别连接负向输入信号Vinn和共模电压Vcm，ClB的另一端接Al的负输入端，C2B 的一端通过S3B/cm和S4B/02’分别连接共模电压Vcm和A2的负输出端Vqutn，C2B的另一端接Al的负输入端，Ξ5Α/Φ2’的一端接Al的负输出端，Ξ5Α/Φ2’的另一端接Α2的负输入端，85Β/Φ2'的一端接Al的正输出端，85Β/Φ2'的另一端接Α2的正输入端；和一个1. 5位乘法型数模转换单元，实现2倍放大功能，包括第二级运算放大器 Α2、4 个开关 S6A/ Φ 1，、S6B/ Φ 1，、S7A/ Φ 2，、S7B/ Φ 2，、2 个采样电容 C3A、C3B、2 个采样、反馈、补偿电容C4A、C4B，其中，C3A的一端通过S6A/01，和S7A/02，分别连接共模电压Vcm和A2的正输出端VQUTP，C3A的另一端接A2的负输入端，C4A的一端接A2的正输出端VQUTP，C4A的另一端接A2的负输入端，C3B的一端通过SeB/ΦΓ和S7B/02，分别连接共模电压Vcm和A2的负输出端Vqutn，C3B的另一端接A2的正输入端，C4B的一端接A2的负输出端Vqutn，C4B的另一端接A2的正输入端。所述开关中的相位Φ1、Φ2、Φ1，、Φ2，为4相非交叠时钟，Φ 1、Φ 1，为4位乘法型数模转换单元的采样相与1. 5位乘法型数模转换单元的放大相，Φ2、Φ2’为4位乘法型数模转换单元的放大相与1.5位乘法型数模转换单元的采样相，它们的具体时序为ΦΓ 在Φ 1导通前导通、Φ 1关断后关断，Φ2在Φ2’导通前导通、Φ2’关断后关断。所述电容CIA、C2A、C2A、C2B、C3A、C3B、C4A、C4B均为常规的金属电容，它们电容值之间的关系为C1A = ClB = 16C2A = 16C2B, C3A = C3B = C4A = C4B。所述C4A、C4B具有采样、放大、补偿三种功能当Ξ7Α/Φ2，、Ξ7Β/Φ2，导通时，C4A 与C3A并联，C4B与OB并联，构成两组采样电容；当Ξ7Α/Φ2，Α7Β/Φ2，关断时，只有C4A、 C4B连接Α2的输入输出端，起到放大作用；C4A、C4B始终跨接于Α2的输入输出端，起到补偿作用。有益效果本发明的带两级分段共享运算放大器的乘法型数模转换器与常规带共享运算放大器的乘法型数模转换电路相比，具有以下特点1.本发明电路在两级运算放大器Al、A2之间增加了一对开关S5A/02’、S5B/ Φ 2’，将运算放大器的两级进行有效分离，当流水线位数较高时，采用两级运算放大器，当流水线位数较低时，采用一级运算放大器。因此，乘法型数模转换电路就可以根据每级流水线A/D转换器位数的不同，来确定运算放大器的使用级数，从而克服了相邻两级流水线A/D 转换器的位数必须相同才能采用共享运算放大器的限制，将共享运算放大器的适用范围从相邻流水线前后级同位扩展到前级高位、后级低位。同时，共享运算放大器技术也不会再限制流水线A/D转换器总体结构设计的多样性，因此，更加适用于低功耗、多通道流水线A/D 转换器的发展需求。2.本发明电路通过采用两个电容C4A、C4B，就起到了采样、放大、补偿的三种作用，有效替代了常规共享运算放大器中所需要的4 6个电容，将电容使用量降低了 50% 66%。3.本发明电路通过分段共享两级运算放大器，降低了乘法型数模转换电路的功耗，常规带共享运算放大器的乘法型数模转换器功耗为16 18mW，采用本发明电路后，乘法型数模转换器的功耗降低到10 12mW，功耗减少30%以上。因此，本发明电路既减少了版图面积，又没有造成功耗的增加。
图1为本发明的带两级分段共享运算放大器的乘法型数模转换器的电路图；图2为本发明电路中的4相非交叠时钟Φ 1、Φ2、Φ 1’、Φ2’的工作时序图。
具体实施例方式本发明的具体实施方式
不仅限于下面的描述，现结合附图加以进一步说明。本发明的带两级分段共享运算放大器的乘法型数模转换电路如图1所示。它包括一个4位乘法型数模转换单元和一个1. 5位乘法型数模转换单元。4位乘法型数模转换单元包括第一级运算放大器Al、第二级运算放大器Α2、10个开关SIA/Φ 1、SIB/Φ 1、S2A/ Φ2、S2B/。2、S3A/。1、S3B/。1、S4A/02，、S4B/02，、S5A/02，、S5B/02，、2 个采样电容 C1A、C1B、2个反馈电容C2A、C2B ；1. 5位乘法型数模转换单元包括第二级运算放大器A2、4 个开关 S6A/01，、S6B/01，、S7A/02，、S7B/02，、2 个采样电容 C3A、C3B、2 个采样、反馈、 补偿电容C4A、C4B。本发明电路的总体工作原理差分输入模拟信号VINP、Vlffl先经过4位乘法型数模转换单元进行信号的采样、放大，然后，4位乘法型数模转换单元的差分输出模拟信号再经过1. 5位乘法型数模转换单元进行信号的采样、放大，最终输出差分模拟信号VaiPVtmi^图1中的具体连接关系、作用关系与本说明书的发明内容部分相同，此处不再重复。它的工作原理如下对于4位乘法型数模转换单元在采样相时，SlA/Φ 1、SlB/Φ 1、S3A/Φ 1、S3B/Φ 1 导通，S2A/。2、S2B/02、S4A/02，、S4B/02，、S5A/02，、S5B/02，关断，Al 的输出端与 A2的输入端关断，CIA、ClB两端电压分别跟踪差分输入模拟信号VINP、Vlffl，C2A、C2B两端电压虚地。在放大相时，S1A/01、S1B/01、S3A/01、S3B/01 关断，S2A/02、S2B/02、S4A/ Φ2\84Β/Φ2\85Α/Φ2\85Β/Φ2'导通，Al的输出端与A2的输入端导通，CIA、ClB两端电压虚地，C2A、C2B两端电荷与上一次采样状态下的C1A、C1B两端电荷相等，因此产生的电压增益分别为 C1A/C2A、C1B/C2B，由于 ClA = ClB = 16XC2A = 16XC2B，最终实现了 16 倍放大功能。对于1. 5位乘法型数模转换单元在采样相时，S7A/0 2’、87Β/Φ2'导通，S6A/ Φ1\86Β/Φ1'关断，Al的输出端与Α2的输入端导通，C3A、C!3B、C4A、C4B两端电压分别跟踪4位乘法型数模转换单元的差分输出模拟信号。在放大相时，S7A/c52’、S7B/c52’关断， S6A/01，、S6B/01，导通，Al的输出端与A2的输入端关断，C3A、C!3B两端电压虚地，C4A、 C4B两端电荷与上一次采样状态下的C3A、C3B、C4A、C4B两端电荷相等，产生的电压增益分别(C3A+C4A)/C4A、(C3B+C4B)/C4B,由于 C3A = C3B = C4A = C4B，最终实现了 2 倍放大功
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C4A、C4B具有采样、放大、补偿等三种功能；当1. 5位乘法型数模转换单元工作在采样相时，开关S7A/0 2’、S7B/0 2’导通，C4A与C3A并联、C4B与C3B并联，它们分别构成了两组采样电容；当1. 5位乘法型数模转换单元工作在放大相时，开关S7A/ Φ 2 ’、S7B/ Φ 2， 关断，C4A、C4B将Α2的输入端与输出端相连，把之前积累的电荷转移到输出端，从而起到放大作用；C4A、C4B始终跨接于A2的输入输出端，起到补偿作用。图2为本发明电路中的4相非交叠时钟工作时序图，分别包括Φ1、Φ2、Φ1’、Φ2’ 四个相位，其中Φ1与Φ2反相，ΦΓ与Φ2’反相。当4相非交叠时钟的电压为高时，开关导通；当4相非交叠时钟的电压为低时，开关关断；当Φ1、ΦΓ导通，Φ2、Φ2’关断时， 4位乘法型数模转换单元工作在采样相，1.5位乘法型数模转换单元工作在放大相；当Φ1、 ΦΓ关断，Φ2、Φ2’导通时，4位乘法型数模转换单元工作在放大相，1.5位乘法型数模转换单元工作在采样相。因此，4位乘法型数模转换单元与1. 5位乘法型数模转换单元始终处于交替工作。为确保电荷守恒，防止引入误差，必须要求4相非交叠时钟Φ1、Φ2、Φ1’、Φ2具有一定的开关顺序，具体为ΦΓ在Φ1导通前导通、在Φ1关断后关断，Φ2在Φ2’导通前导通、在Φ2’关断后关断。本发明电路采用0. 18μπι CMOS工艺制造。所述开关SIA/ Φ 1、SIB/ Φ 1、S2A/ Φ 2、S2B/ Φ 2、S3A/ Φ 1、S3B/ Φ 1、S4A/ Φ 2，、S4B/ Φ2，、S5A/0 2，、S5B/0 2，、S6A/01，、S6B/01，、S7A/0 2，、S7B/0 2，均为常规的 CMOS 开关。所述电容CIA、C1B、C2A、C2B、C3A、C3B、C4A、C4B均为常规的金属电容，电容值分别为 ClA = ClB = 4pF, C2A = C2B = 250fF, C3A = C3B = C4A = C4B = 300fF。所述两级运算放大器Al、A2为常规的运算放大器，总增益为120dB，Al、A2的增益均为60dB。
权利要求
1.一种带两级分段共享运算放大器的乘法型数模转换器，其特征在于含有一个4位乘法型数模转换单元，实现16倍放大功能，包括第一级运算放大器Al、第二级运算放大器 A2、10 个开关 SIA/ Φ 1、SIB/ Φ 1、S2A/ Φ 2、S2B/ Φ 2、S3A/ Φ 1、S3B/ Φ 1、S4A/ Φ2，、S4B/。2，、S5A/。2，、S5B/。2，、2 个采样电容 CIA、C1B、2 个反馈电容 C2A、C2B,其中，ClA的一端通过SlA/ Φ 1和S2A/ Φ 2分别连接正向输入信号Vinp和共模电压Vcm， ClA的另一端接Al的正输入端，C2A的一端通过S3A/cm和S4A/02’分别连接共模电压 Vcm和A2的正输出端VOTTP，C2A的另一端接Al的正输入端，ClB的一端通过SIB/Φ 1和S2B/ Φ 2分别连接负向输入信号Vinn和共模电压Vcm，ClB的另一端接Al的负输入端，C2B的一端通过S3B/C5 1和S4B/0 2’分别连接共模电压Vcm和A2的负输出端Vqutn，C2B的另一端接 Al的负输入端，Ξ5Α/Φ2’的一端接Al的负输出端，Ξ5Α/Φ2’的另一端接Α2的负输入端， 85Β/Φ2'的一端接Al的正输出端，85Β/Φ2'的另一端接Α2的正输入端；和一个1. 5位乘法型数模转换单元，实现2倍放大功能，包括第二级运算放大器Α2、4个开关 S6A/ Φ 1，、S6B/ Φ 1，、S7A/ Φ 2，、S7B/ Φ 2，、2 个采样电容 C3A、C3B、2 个采样、反馈、补偿电容C4A、C4B，其中，C3A的一端通过SeA/ΦΓ和S7A/02，分别连接共模电压Vcm和A2的正输出端 Voutp, C3A的另一端接A2的负输入端，C4A的一端接A2的正输出端VOTTP，C4A的另一端接A2 的负输入端，OB的一端通过SeB/ΦΓ和S7B/C52，分别连接共模电压Vcm和A2的负输出端Votn，C3B的另一端接A2的正输入端，C4B的一端接A2的负输出端VOTTN，C4B的另一端接 A2的正输入端。
2.根据权利要求1所述的带两级分段共享运算放大器的乘法型数模转换，其特征在于所述开关中的相位Φ1、Φ2、Φ1’、Φ2’为4相非交叠时钟，Φ 1、Φ 1’为4位乘法型数模转换单元的采样相与1. 5位乘法型数模转换单元的放大相，Φ2、Φ2’为4位乘法型数模转换单元的放大相与1.5位乘法型数模转换单元的采样相，它们的具体时序为ΦΓ在Φ1导通前导通、Φ 1关断后关断，Φ2在Φ2’导通前导通、Φ2’关断后关断。
3.根据权利要求1所述的带两级分段共享运算放大器的乘法型数模转换，所述电容 CIA、C2A、C2A、C2B、C3A、C3B、C4A、C4B均为常规的金属电容，它们电容值之间的关系为C1A =ClB = 16C2A = 16C2B, C3A = C3B = C4A = C4B。
4.根据权利要求1所述的带两级分段共享运算放大器的乘法型数模转换，其特征在于所述C4A、C4B具有采样、放大、补偿三种功能当Ξ7Α/Φ2，Α7Β/Φ2，导通时，C4A与C3A并联，C4B与OB并联，构成两组采样电容；当S7A/0 2，、S7B/0 2，关断时，只有C4A、C4B连接 A2的输入输出端，起到放大作用；C4A、C4B始终跨接于A2的输入输出端，起到补偿作用。
全文摘要
本发明涉及一种带两级分段共享运算放大器的乘法型数模转换器，它含有一个4位乘法型数模转换单元和一个1.5位乘法型数模转换单元。本发明电路在两级运算放大器之间增加一对开关，将运算放大器的两级进行有效分离，采用两个电容，就起到采样、放大、补偿三种作用，将共享运算放大器的适用范围从相邻流水线前后级同位扩展到前级高位、后级低位，1.5位乘法型数模转换单元的电容使用量降低50%～66%，乘法型数模转换器的功耗减少30%以上。本发明电路具有结构新颖、功耗低、集成度高的特点，适用于高速高精度、低功耗、多通道流水线A/D转换器领域。
文档编号H03M1/72GK102291149SQ201110245380
公开日2011年12月21日 申请日期2011年8月25日 优先权日2011年8月25日
发明者刘凡, 尹湘坤, 肖坤光, 苏晨, 郭艾, 雷朗成 申请人:中国电子科技集团公司第二十四研究所