时间内插闪速ADC中的高速比较器的自校准流水线式动态前置放大器的系统和方法与流程

时间内插闪速adc中的高速比较器的自校准流水线式动态前置放大器的系统和方法
技术领域
1.本公开涉及放大器以及可以利用一个或多个放大器的各种电路。


背景技术：

2.放大器可以用于放大信号。放大器可以用于许多应用中，包括lidar应用。


技术实现要素：

3.根据一个实施例，一种系统包括电路，该电路包括第一前置放大器、采样开关、再生锁存器和与第一前置放大器以流水线序列对准的第二前置放大器，其中第一和第二前置放大器与动态比较器相关联并且被配置为利用多个级联增益和包括多个阶段的采样保持级来对信号进行增益。
4.根据第二实施例，一种流水线式动态前置放大器系统包括第一动态前置放大器、第二动态前置放大器、一个或多个采样开关以及再生锁存器，其中第一和第二动态前置放大器被布置成流水线序列，其中再生锁存器被配置为利用多个级联增益和包括多个阶段的采样保持级来对信号进行增益。
5.根据第三实施例，一种用于经由流水线式动态前置放大器系统输出数字信号的方法包括以级联布置来布置第一动态前置放大器和第二动态前置放大器，以及在采样保持序列的最后阶段期间量化数字信号，其中量化利用再生锁存器。
附图说明
6.图1公开了包括前置放大器和再生锁存器的比较器的示意图。
7.图2公开了时域内插方案的架构及其传递曲线。
8.图3公开了内插方案中比较器的偏移行为的实施例。
9.图4a公开了前置放大器的传统结构的第一实施例。
10.图4b公开了前置放大器的传统结构的第二实施例。
11.图4c公开了具有较高dc增益的前置放大器的传统结构的第三实施例。
12.图5公开了动态前置放大器及其时序图的示意图。
13.图6a公开了流水线式动态前置放大器的示意图。
14.图6b公开了图6a的流水线式动态前置放大器的对应时序图。
15.图7公开了一种进入内插方案的流水线式动态前置放大器的示意图。
具体实施方式
16.本文描述了本公开的实施例。然而，要理解的是，所公开的实施例仅仅是示例，并且其他实施例可以采取各种和替代的形式。附图不一定是按比例的；一些特征可能被夸大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限
制性的，而仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式采用实施例的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考任何一个附图示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中示出的特征组合，以产生未明确示出或描述的实施例。所示出的特征的组合提供了典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改对于特定应用或实施方式可能是期望的。
17.fmcw(调频连续波)型汽车激光雷达(光测距和检测)系统需要高速模数转换器(adc)用于其读出。这可能是因为其输入信号可以具有高达1ghz的带宽，该输入信号根据到目标对象的距离而变化。除此之外，还需要具有中等分辨率(6位)来检测目标对象的反射率。最后，adc设计可以避免在其输出处产生采取毛刺信号（spurious tone）的所谓的幻影目标。考虑到所需的带宽和分辨率，闪速adc（全并行adc，flash adc）可能是最合适的候选。然而，n位闪速adc需要至少2n-1个比较器，这导致adc的大的芯片大小和功耗。adc的一个主要性能参数是每个电平检测比较器的输入参考偏移，其应该被最小化以避免非线性和非单调性。例如，在6位闪速adc中，偏移的标准偏差应小于0.15lsb，以具有针对单调性的99.9%的获利率（yield rate）。通常，低偏移比较器可通过增加晶体管的大小来实现，但这可由于寄生电容器的大小的增加而显著限制其速度。通常，可以使用具有内插方案的前置放大器，其后跟随再生锁存器（regenerative latch），来实现比较器。内插方案可以将比较器的数量减少一半。通常，当参考输入时，再生锁存器的偏移由前置放大器的增益来减轻，而前置放大器的偏移应当由校准或自动调零方案来补偿。然而，在设计用于高速应用时，在前置放大器中实现足够的增益(
×
5~
×
20)以便抑制再生锁存器的偏移成为主要瓶颈。在现有技术中，已经研究了高速、基于锁存器(正反馈)的前置放大器，但是这种方法可能不能适用于必须保证在工艺、温度和电源电压变化(pvt变化)上的鲁棒性的汽车应用。
18.以下各种实施例的此公开内容通过在
×
2内插闪速adc（
×
2 interpolating flash adc）中引入用于高速比较器的流水线式动态前置放大器，提出了上述问题的解决方案。所提出的流水线方法最大化了前置放大器的增益，并且因此，在提供pvt(性能验证测试)容限校准方法的同时，有效地抑制了比较器的偏移，而不牺牲adc的转换速度。
19.图1公开了包括前置放大器和再生锁存器的比较器的示意图。前置放大器101可以广泛地用于在包括比较器103的再生锁存器之前放大模拟输入信号，所述再生锁存器产生数字输出位。这不仅可以有助于减小锁存器的偏移，而且还防止输入驱动器和参考驱动器对锁存器的反冲。在该实施例中，可以有两个主要偏移源，前置放大器101的输入参考偏移，其被称为(v
os,pre
)，以及再生锁存器的输入参考偏移(v
os,latch
)。然后，对此的输入参考噪声(v
os,comp
)可以由下式描述：
ꢀꢀ
(1)其中a是前置放大器的增益。在典型的实施方式中，v
os,comp
由前置放大器的偏移控制。因此，前置放大器应该伴随有适合于特定应用的偏移减小技术，同时该前置放大器的增益应该被最大化以使得锁存器的偏移可忽略。自动调零技术被广泛用于补偿前置放大器偏移。这种技术的可能缺点是，它可能需要专用阶段来对前置放大器的偏移进行采样，使得这可以存储在存储器(通常是电容器)中，以便在转换期间用于补偿，使得其在高速应用中的使用具有挑战性。作为其替代，可以存在校准技术的使用。校准可以在工厂生产之后执行，
然而，这不能保证在寿命期间和在环境变化上的性能(pvt鲁棒性)。因此，可以使用自校准技术，因为在操作期间可以周期性地校准偏移，诸如当不使用adc时，而不牺牲速度来分配诸如自动调零技术所需的阶段的特定阶段。如图1中所示，当自校准开始时，变高，这将比较器103的输入端子连接，而断开输入源(v
in
)。因此，比较器的输出(d
out
)由比较器103的偏移确定，其可以是v
os,comp
。因此，取决于输出(d
out
)的极性，校准逻辑105可以被配置为开始在负反馈方式中调谐校准电压(v
x
)。结果，在校准结束时，v
x 达到v
os,comp
附近，然后有效地消除比较器103的偏移。
20.图2公开了时域内插方案的架构及其传递曲线。在一个实施例中，比较器205(例如，一个或多个比较器205)的前置放大级也可以用于闪速adc的内插方案。第n+1级的前置放大器可以被去除，并且第n+1个比较器取相邻级的前置放大器201、203中的每一个的两个输出中的一者(例如，v
o_n+
和v
o_n+2-)，并且这样，它可以通过在第n级和第n+2级之间的第n+1级之间进行内插，在这两点处产生过零点。
21.图3公开了内插方案中比较器305的偏移行为的实施例。如上面图1中所解释的，自校准可以校正v
os,pre
和v
os,latch
两者的偏移。这可能是因为v
os,latch 也经由校准逻辑(例如校准逻辑302、304)校准，前置放大器301的增益不需要如此高。然而，当在内插闪速adc中实现相同的校准方案时，应当对内插级(第n+1个)中的锁存器的偏移有另一个考虑。如图3所示，非内插级(第n个、第n+2个)的偏移通过校准方案连同它们相应的前置放大器(例如，前置放大器301)被消除，而内插级(第n+1个)中的再生锁存器的偏移仍然保留。在这种情况下，由于校准电压(v
x,n
, v
x,n+2
)包含随后的再生锁存器的输入参考偏移，因此被校准的前置放大器303的输出包含再生锁存器的偏移的相反极性(-v
os,latch,n
, v
os,latch,n+2
)。这些不仅抵消了对应再生锁存器的偏移，而且被加到内插级(第n+1个)中的再生锁存器的输入。因为每一级的再生锁存器的偏移是不相关的，所以内插级(第n+1个)的输入参考偏移可以表示为：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)。
22.考虑到由于用于再生锁存器的相同电路，这些偏移的标准偏差是相同的，上文的输入参考偏移可以再次写为：
ꢀꢀꢀꢀ
(3)其中是在所有级中使用的再生锁存器的输入参考偏移。这表明，即使通过校准消除了非内插式级(第n个、第n+2个)的偏移，内插式级(第n+1个)的偏移也增加。这意味着与非内插闪速adc相比，内插闪速adc的前置放大器应该具有大得多的增益值(》
×
10)以克服这个问题。
23.实现高速和较高增益的前置放大器具有重大挑战。例如，图4a和图4b中所示的传统结构不能实现大增益，因为增益由g
m,in
/g
m,load
确定，其中g
m,in
和g
m.load
分别是输入晶体管和负载晶体管的跨导。图4c上的具有gm∙rout 的高dc增益的结构还与不完全建立（incomplete settling）一起使用，其中g
m 是输入晶体管的跨导且r
out 是输出阻抗。然而，增加r
out 总是需要增加晶体管长度，但这显著增加了输出节点处的寄生电容，从而导致带
宽减小。
24.图5示出了用于比较器的动态前置放大器的示意图。在开始放大之前，在期间将输出(v
outp
、v
outn
)复位到v
dd 。在复位阶段之后，输入晶体管从负载电容器c
p
汲取与差分输入信号(v
inp
、v
inn
)成比例的差分电流。这对应于在放大阶段期间从c
p
电容器取出的净电荷量，从而产生输出差分电压(v
outp
、v
outn
)。因此，放大因子或放大器增益(av)由下式确定：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中是放大时间(阶段的持续时间)，g
m 是输入晶体管的跨导，并且c
p
是输出节点处的寄生电容。
25.表i示出了动态放大器(图5)和传统前置放大器结构(图4a-4b)之间的增益比较。这里，进行了一些假设：放大器的 g
m 和寄生负载电容c
p
相等，并且对于fb为传统前置放大器的-3db带宽，是1/fb的一半，以便允许动态放大器的足够的复位时间。基于这些假设，动态前置放大器实现了比传统前置放大器大~
×
3的增益。考虑到传统放大器的更大的c
p
，动态放大器的增益效益甚至更大。
26.表i. 所提出的动态前置放大器与传统前置放大器的增益比较图5中的动态前置放大器增益（av）图4a-4b中的传统前置放大器增益(av） 27.然而，动态放大器也有局限性，例如，为了在给定的放大时间实现更大的增益电平，它们的g
m 应当根据等式(4)增加。增加gm需要增加静态电流id，由于共模电流以快的速度对负载电容器放电的影响，导致对于给定c
p
值v
out
的饱和。因此，动态放大器的实际可实现的增益通常被限制为小于
×
10。
28.图6a公开了流水线式动态前置放大器的示意图。图6b公开了图6a的流水线式动态前置放大器的对应时序图。为了解决增益增加的挑战，所示出的实施例提出了一种流水线式动态前置放大器。图6中示出了所提出的前置放大器的示意图、操作和其时序图。流水线式动态放大器由两个级联动态前置放大器601、605(a1、a2)、采样开关(s1)、再生锁存器、比较器609和校准逻辑604组成。操作原理步骤描述如下：阶段(1)：第1动态放大器的输出节点(v
o1p
、v
o1n
)被复位为v
dd
。阶段(2)：第一前置放大器的输出节点基于输入电压开始对负载电容器603、c1放电，如前面部分中所解释的。在相同阶段期间，第2动态放大器的输入电容器(cs)被复位到v
dd
。阶段(3)：采样开关(s1)导通，并且然后第1前置放大器 (a1) 的输出与第2前置放大器 (a2)的输入连接。因此，c
1 和c
s 上的电荷被瞬间共享，并且第一放大器从阶段(2)结束时的电平继续放大，但是由于增加的负载电容而以降低的增益继续放大。同时，第2放大器的输出被复位到v
dd
，以便使该放大器准备用于第二阶段放大(流水线操作)。阶段(4)～(5)：s1断开，且c
s 上的电荷保持在第二放大器的输入处，直到其被复位。这对应于信号的采样和保持功能。然后在这些阶段期间由 a2放大采样信号。同时，在阶
段(5)期间复位第一放大器，以准备下一个采样。阶段(6)：最后，在该阶段开始时，通过再生锁存器将放大的信号量化为数字信号。
29.在整个步骤中，流水线式前置放大器的增益是前置放大器这两个增益的乘积值，因此可以获得如下的高增益(av)：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)其中是每个阶段的时间步长，a
v1
和a
v2
是a
1 和 a2的增益， 并且g
m1
和g
m2 分别表示a
1 和a2的输入跨导。除此之外，由于两级放大，即使在高增益前置放大器的情况下，输入驱动器和参考驱动器也很少受到锁存器的反冲效应的影响。
30.图7公开了一种进入内插方案的流水线式动态前置放大器的示意图。流水线式动态放大器的这种示例实施方式可以用于图3中描述的内插方案。这样，图3上所示的前置放大器可以被替换为2级差分流水线式动态前置放大器701、703，其由两级动态放大器(a1、a2)、积分电容器 (c1、cs、c2)和采样开关(s1)组成，与图6所述的那样相同。图中的其余模块可以与图3相同。例如，比较器709a、709b和709c可以用于内插方案。另外，可以利用校准逻辑705、707。
31.从流水线式前置放大器架构的操作可以看出，在保持adc的采样率的同时，可以实现更多的放大，但是由于流水线操作而以一个时钟延迟为代价。在诸如汽车激光雷达的许多应用中，该延迟可能与整个系统的性能和操作无关。
32.本文公开的过程、方法或算法能够可递送至处理装置、控制器或计算机/由处理装置、控制器或计算机实施，处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地，过程、方法或算法可以以许多形式存储为可由控制器或计算机执行的数据和指令，包括但不限于永久存储在诸如rom装置的非可写存储介质上的信息和可更改地存储在诸如软盘、磁带、cd、ram装置和其他磁介质和光介质的可写存储介质上的信息。过程、方法或算法也可以在软件可执行对象中实现。替代性地，可以使用适当的硬件组件，诸如专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)、状态机、控制器或其他硬件组件或装置，或者硬件、软件和固件组件的组合，来整体或部分地实施所述过程、方法或算法。
33.尽管上面描述了示例性实施例，但并不意味着这些实施例描述了权利要求所包含的所有可能形式。说明书中使用的词语是描述性的词语而不是限制性的词语，并且应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。如前所述，可以组合各种实施例的特征以形成可能未明确描述或示出的本发明的另外的实施例。虽然各种实施例可能已经被描述为提供优点或者相对于其他实施例或现有技术实施方式在一个或多个期望的特性方面是优选的，但是本领域普通技术人员认识到，一个或多个特征或特性可以被折衷以实现期望的总体系统属性，这取决于具体应用和实施方式。这些属性可以包括但不限于成本、强度、耐久性、寿命周期成本、可销售性、外观、包装、大小、可维修性、重量、可制造性、组装容易性等。因此，就一个或多个特性而言，在任何实施例被描述为比其他实施例或现有技术实施方式不太合乎期望的程度上，这些实施例不在本公开的范围之外，并且对于特定应用可能是合乎期望的。