流水线模数转换器的制作方法

本发明属于模数转换技术领域，涉及一种模数转换器，尤其涉及一种采用电荷复用技术的流水线模数转换器。

背景技术：

流水线模数转换器(pipelinedanalog-to-digitalconverters)是一种常用的模数转换器架构，尤其适用于高速率和高分辨率的模数转换器。当模数转换器的采样率要求超过每秒几十兆个采样点，分辨率要求超过12比特时，其他常用的架构如快闪式模数转换器(flashadc)、逐次逼近式模数转换器(saradc)、sigma-delta模数转换器等都不适用。只有流水线式模数转换器是最佳的选择，因为它由许多低分辨率的子模数转换器级联组成，每一级只需要产生几个比特，每一级都是高速地并行运行，所以既可以达到高速率，又可以达到高分辨率。

图1显示了一种典型的每级产生1.5比特，总共13比特的流水线模数转换器的系统框图及每一级的内部结构。每一个1.5比特级由一个子模数转换器(sub-adc)、一个子数模转换器(sub-dac)和一个余量放大器(residueamplifier)组成。子模数转换器将输入信号量化为1.5比特的数字信号(对应3个电平)，其中的0.5比特是为了防止失配电压(offsetvoltage，可能来自运放或其他器件)造成动态范围溢出而设置的冗余。子数模转换器将这个数字信号再转换成模拟信号后，与输入信号做差得到的余量既是1.5比特的量化噪声。该余量放大两倍后送到下一级做进一步的量化。如此反复，每一级得到1比特的实际精度提升，9级总共9比特，加上最后一级4比特的快闪式数模转换器，最终得到13位的量化精度。

流失线模数转换器的缺点主要是结构比较复杂、面积较大和功耗较高。尤其是较高的功耗限制了其在许多应用中的推广，如需要电池供电的移动设备。本发明提出了一种利用电荷复用技术降低功耗和减少面积的方案。以下章节将以1.5比特的流水线级为例具体描述其工作原理和实现方法。此方法可以被很容易地推广到高比特的流水线级，如2.5比特等。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种流水线模数转换器，可降低流水线模数转换器功耗和面积。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种流水线模数转换器，所述流水线模数转换器包括：第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、运算放大器、第一比较器、第二比较器、第一触发器、第二触发器、参考电压选择模块、若干开关；

所述第一电容c1的第一端通过第一开关连接输入电压vin，第一电容c1的第一端通过第二开关连接输出电压vout、运算放大器的输出端；第一电容c1的第二端连接运算放大器的负极、第二电容c2的第二端；运算放大器的正极接地；

所述第二电容c2的第一端通过第四开关连接输入电压vin；

所述第三电容c3的第一端通过第七开关连接输入电压vin，第三电容c3的第二端连接第一比较器的第一输入端，第一比较器的第二输入端接地，第一比较器的输出端连接第一触发器；

所述第四电容c4的第一端通过第十开关连接输入电压vin，第四电容c4的第二端连接第二比较器的第一输入端，第二比较器的第二输入端接地，第二比较器的输出端连接第二触发器。

作为本发明的一种优选方案，所述第一触发器的输出端连接参考电压选择模块，第二触发器的输出端连接参考电压选择模块；参考电压选择模块输出电压vdac；第二电容c2的第一端通过第五开关连接电压vdac。

作为本发明的一种优选方案，所述第三电容c3的第一端通过第八开关连接电压vr1，第四电容c4的第一端通过第十一开关连接电压vr2；其中，vr1为第二电容c2的参考电压，vr2为第三电容c3的参考电压。

作为本发明的一种优选方案，所述第一电容c1的第二端通过第三开关接地，第二电容c2的第二端通过第六开关接地，第三电容c3的第二端通过第九开关接地，第四电容c4的第二端通过第十二开关接地。

作为本发明的一种优选方案，所述第一触发器、第二触发器均为d触发器。

一种流水线模数转换器，所述流水线模数转换器包括：第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、运算放大器、第一比较器、第二比较器、第一触发器、第二触发器、参考电压选择模块、若干开关；

所述第一电容c1的第一端通过第一开关连接输入电压vin，第一电容c1的第一端通过第二开关连接输出电压vout、运算放大器的输出端；第一电容c1的第二端连接运算放大器的负极，第一电容c1的第二端通过第四开关连接第二电容c2的第二端，第一电容c1的第二端通过第五开关连接第二电容c3的第二端；运算放大器的正极接地；

所述第二电容c2的第一端通过第六开关连接输入电压vin，第二电容c2的第二端通过第八开关连接第一比较器的第一输入端，第一比较器的第二输入端接地，第一比较器的输出端连接第一触发器；

所述第三电容c3的第一端通过第九开关连接输入电压vin，第三电容c3的第二端通过第十一开关连接第二比较器的第一输入端，第二比较器的第二输入端接地，第二比较器的输出端连接第二触发器。

作为本发明的一种优选方案，所述第一触发器的输出连接参考电压选择模块，第二触发器的输出端连接参考电压选择模块；参考电压选择模块输出电压vdac；第二电容c2的第一端通过第十二开关连接电压vdac，第三电容c3的第一端通过第十四开关连接电压vdac。

作为本发明的一种优选方案，所述第二电容c2的第一端通过第十三开关连接电压vr1，第三电容c3的第一端通过第十五开关连接电压vr2；其中，vr1为第二电容c2的参考电压，vr2为第三电容c3的参考电压。

作为本发明的一种优选方案，所述第一电容c1的第二端通过第三开关接地，第二电容c2的第二端通过第七开关接地，第三电容c3的第二端通过第十开关接地。

作为本发明的一种优选方案，所述第一触发器、第二触发器均为d触发器。

本发明的有益效果在于：本发明提出的流水线模数转换器，可以有效降低流水线模数转换器功耗和面积。本发明利用电荷复用技术，将每一级的子模数转换器中的采样电容在比较相位结束后复用到余量放大电路中，达到了降低电容充放电能量的目的，同时减少了采样电容的总面积。

附图说明

图1为一种典型的流水线数模转化器的系统框图。

图2为基于开关电容电路的1.5比特流水线级实现方案。

图3为与图2中电路对应的时钟信号示意图。

图4为采用了电荷复用技术的电路。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

请参阅图4，本发明揭示一种流水线模数转换器，所述流水线模数转换器包括：第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、运算放大器、第一比较器、第二比较器、第一触发器、第二触发器、参考电压选择模块、若干开关。所述第一触发器、第二触发器可以均为d触发器。参考电压选择模块是由参考电压发生器和一些开关组成的模块。它的功能是根据b0、b1的值选择将vdac连接到不同的参考电压上，实现数模转换功能。

所述第一电容c1的第一端通过第一开关连接输入电压vin，第一电容c1的第一端通过第二开关连接输出电压vout、运算放大器的输出端；第一电容c1的第二端连接运算放大器的负极、第二电容c2的第二端；运算放大器的正极接地。所述第二电容c2的第一端通过第四开关连接输入电压vin。

所述第三电容c3的第一端通过第七开关连接输入电压vin，第三电容c3的第二端连接第一比较器的第一输入端，第一比较器的第二输入端接地，第一比较器的输出端连接第一触发器。

所述第四电容c4的第一端通过第十开关连接输入电压vin，第四电容c4的第二端连接第二比较器的第一输入端，第二比较器的第二输入端接地，第二比较器的输出端连接第二触发器。

所述第一触发器的输出端连接参考电压选择模块，第二触发器的输出端连接参考电压选择模块；参考电压选择模块输出电压vdac；第二电容c2的第一端通过第五开关连接电压vdac。

所述第三电容c3的第一端通过第八开关连接电压vr1，第四电容c4的第一端通过第十一开关连接电压vr2；其中，vr1为第二电容c2的参考电压，vr2为第三电容c3的参考电压。

所述第一电容c1的第二端通过第三开关接地，第二电容c2的第二端通过第六开关接地，第三电容c3的第二端通过第九开关接地，第四电容c4的第二端通过第十二开关接地。

本发明的核心思想是将用作子模数转换器的c3、c4上存储的电荷在比较周期p2c结束后复用到放大周期p3，这样采样电容c2就可以被去掉，即降低了功耗，又减小了电路的面积。改进后的电路如图4所示。首先，在采样周期中c3和c4上存储的电压与c1和c2上一样的。其次，由于在比较相位中，c3和c4上存储的电荷(除少量用于给比较器的输入寄生电容充电外)并没有被消耗掉，所以可以在放大相位中复用。此处需要增加的器件只有c3和c4连接到运放和比较器的4个开关，减少的器件有c2和其连接的两个采样开关。时钟信号也不需要改变。在这个设计中，电荷复用技术的应用可以减少33％的电容面积和节省33％的电容充放电功耗。

实施例二

请参阅图2，本发明揭示了一种流水线模数转换器，所述流水线模数转换器包括：第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、运算放大器、第一比较器、第二比较器、第一触发器、第二触发器、参考电压选择模块、若干开关。所述第一触发器、第二触发器可以均为d触发器。

所述第一电容c1的第一端通过第一开关连接输入电压vin，第一电容c1的第一端通过第二开关连接输出电压vout、运算放大器的输出端；第一电容c1的第二端连接运算放大器的负极，第一电容c1的第二端通过第四开关连接第二电容c2的第二端，第一电容c1的第二端通过第五开关连接第二电容c3的第二端；运算放大器的正极接地。

所述第二电容c2的第一端通过第六开关连接输入电压vin，第二电容c2的第二端通过第八开关连接第一比较器的第一输入端，第一比较器的第二输入端接地，第一比较器的输出端连接第一触发器。

所述第三电容c3的第一端通过第九开关连接输入电压vin，第三电容c3的第二端通过第十一开关连接第二比较器的第一输入端，第二比较器的第二输入端接地，第二比较器的输出端连接第二触发器。

所述第一触发器的输出连接参考电压选择模块，第二触发器的输出端连接参考电压选择模块；参考电压选择模块输出电压vdac；第二电容c2的第一端通过第十二开关连接电压vdac，第三电容c3的第一端通过第十四开关连接电压vdac。参考电压选择模块是由参考电压发生器和一些开关组成的模块。它的功能是根据b0、b1的值选择将vdac连接到不同的参考电压上，实现数模转换功能。

所述第二电容c2的第一端通过第十三开关连接电压vr1，第三电容c3的第一端通过第十五开关连接电压vr2；其中，vr1为第二电容c2的参考电压，vr2为第三电容c3的参考电压。

所述第一电容c1的第二端通过第三开关接地，第二电容c2的第二端通过第七开关接地，第三电容c3的第二端通过第十开关接地。

图2显示了一种采用开关电容电路实现的1.5比特流水线级的设计方案，图3是与之对应的时钟信号示意图。其中c1、c2和运算放大器组成了子数模转换器和余量放大器的核心，c3、c4、两个比较器和d-触发器组成了子模数转换器。在每一个时钟周期内，p1相位为采样相位，所有的电容都连接到输入vin完成采样；p2c相位为比较相位，c3和c4连接到比较器输入和各自的参考电压vr1和vr2，比较完成后得到两位数字输出b0和b1；p2相位为放大相位，c1和c2连接到运放，其中c1为反馈电容，用于存储放大后的余量电压；c2的一端连接到vdac，实现输入信号与量化后的模拟信号之间的减法运算；其中vdac既代表量化后的模拟信号，由b0、b1通过参考信号选择电路得到。这个电路中功耗最大的部件是运放和采样电容c1、c2、c3、c4。为了降低kt/c噪声和提高匹配精度，一般电容值c会选取得尽量大些。但是对电容充放电所需要的能量是与电容值成正比的。也就是说要降低噪声和提高精度就需要在电容上消耗更多的能量。

综上所述，本发明提出的流水线模数转换器，可以有效降低流水线模数转换器功耗和面积。本发明利用电荷复用技术，将每一级的子模数转换器中的采样电容在比较相位结束后复用到余量放大电路中，达到了降低电容充放电能量的目的，同时减少了采样电容的总面积。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。