模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，包括至少兩個(gè)并行的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，在各模數(shù)轉(zhuǎn)換單元中均有：柵極連接輸入電壓的NMOS管，NMOS管的源極和漏極分別連接到第一電容的兩端，其中源極接地，漏極通過(guò)第一PMOS管的漏極和源極接電源，第一PMOS管的柵極接時(shí)鐘電路，NMOS管的漏極和第一PMOS管的漏極一并通過(guò)第一反向器連接第二PMOS管的柵極，第二PMOS管的源極接電源，漏極通過(guò)電阻和第一開(kāi)關(guān)，經(jīng)并聯(lián)且一端接地的第二開(kāi)關(guān)和第二電容后輸出，第一開(kāi)關(guān)和第二開(kāi)關(guān)受時(shí)鐘電路控制且開(kāi)/閉時(shí)機(jī)相反。本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合單端電路，并且無(wú)需內(nèi)部基準(zhǔn)和非交疊時(shí)鐘，能夠很好的適用于極低功耗的應(yīng)用，并且不需要運(yùn)算放大器，適合納米級(jí)工藝，能夠很好的適合高速模數(shù)轉(zhuǎn)換的應(yīng)用。
【專利說(shuō)明】模數(shù)轉(zhuǎn)換電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及電子電路，具體的講是模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今世界是一個(gè)高度信息化的社會(huì)，日新月異的數(shù)字通信技術(shù)推動(dòng)社會(huì)高速發(fā)展，利用數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行信息處理已經(jīng)成為普遍的選擇，但是現(xiàn)實(shí)世界中的各種實(shí)物和信號(hào)均是模擬的，因此需要利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。
[0003]模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)最重要的參數(shù)是轉(zhuǎn)換的精度與轉(zhuǎn)換速率，通常用輸出的數(shù)字信號(hào)的二進(jìn)制位數(shù)的多少表示精度，用每秒轉(zhuǎn)換的次數(shù)來(lái)表示速率。轉(zhuǎn)換器能夠準(zhǔn)確輸出的數(shù)字信號(hào)的位數(shù)越多，表示轉(zhuǎn)換器能夠分辨輸入信號(hào)的能力越強(qiáng)，轉(zhuǎn)換器的性能也就越好。模數(shù)轉(zhuǎn)換器分辨率越高(位數(shù)越多)，需要轉(zhuǎn)換的時(shí)間就越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)換速率就越低。因此的分辨率和轉(zhuǎn)換速率兩者總是相互制約的。為滿足現(xiàn)代高新【技術(shù)領(lǐng)域】的需求，在發(fā)展中需要同時(shí)兼顧高速和高分辨率，在此基礎(chǔ)上，還要考慮功耗、體積、與計(jì)算機(jī)及通信網(wǎng)絡(luò)的兼容性、接口配置等問(wèn)題，這樣就使得結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜。
[0004]自七十年代中期以來(lái)，隨著結(jié)構(gòu)與工藝的不斷突破，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能得到了較大改善，其中包括高轉(zhuǎn)換速率、高分辨率、低失真以及開(kāi)關(guān)電容輸入結(jié)構(gòu)、單電源工作等。高精度高速度的A/D轉(zhuǎn)換器在軍事、太空、醫(yī)療等尖端領(lǐng)域有著至關(guān)重要的地位。但是近年來(lái)隨著制造工藝的不斷發(fā)展和對(duì)電路低功耗性能的追求，集成電路的供電電壓逐步降低，這使得以電壓信號(hào)為變量的設(shè)計(jì)變得越來(lái)越困難。
[0005]最近，一些研究開(kāi)始轉(zhuǎn)向基于時(shí)間的模數(shù)轉(zhuǎn)換器?；跁r(shí)間模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬電壓通過(guò)調(diào)制系統(tǒng)，變成純粹的數(shù)字信號(hào)，然后對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。但是基于時(shí)間模數(shù)轉(zhuǎn)換器目前仍具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、精度不高等問(wèn)題，也不能適應(yīng)當(dāng)前對(duì)應(yīng)模式轉(zhuǎn)換器的需求。因此，基于時(shí)間的模數(shù)轉(zhuǎn)換器也需要進(jìn)一步降低功耗，進(jìn)一步提高精度和速度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供了一種模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，可以進(jìn)行高速率、低功耗的數(shù)模轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)目前的應(yīng)用趨勢(shì)。
[0007]本發(fā)明的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，包括:至少兩個(gè)并行的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，在各模數(shù)轉(zhuǎn)換單元中均有:柵極連接輸入電壓的NMOS管，NMOS管的源極和漏極分別連接到第一電容的兩端，其中源極接地，漏極通過(guò)第一 PMOS管的漏極和源極接電源，第一 PMOS管的柵極接時(shí)鐘電路，NMOS管的漏極和第一 PMOS管的漏極一并通過(guò)第一反向器連接第二 PMOS管的柵極，第二 PMOS管的源極接電源，漏極通過(guò)電阻和第一開(kāi)關(guān)，經(jīng)并聯(lián)且一端接地的第二開(kāi)關(guān)和第二電容后輸出，第一開(kāi)關(guān)和第二開(kāi)關(guān)受時(shí)鐘電路控制且開(kāi)/閉時(shí)機(jī)相反。
[0008]在第一 PMOS管導(dǎo)通時(shí)將第一電容充電至電源電壓，連接于第一電容兩端的NMOS管為第一電容提供放電通路，放電電流的大小由輸入電壓及NMOS管的尺寸決定，適當(dāng)調(diào)節(jié)各模數(shù)轉(zhuǎn)換單元中NMOS管的尺寸可以得到合適的電容充放電時(shí)間。第一反相器具有一定的翻轉(zhuǎn)電壓，第一電容放電至第一反向器的翻轉(zhuǎn)電壓時(shí)，第一反相器翻轉(zhuǎn)。第一反相器的輸出端與第二 PMOS管的柵端相連接，當(dāng)?shù)谝环聪蚱鞣D(zhuǎn)為低電平時(shí)第二 PMOS管導(dǎo)通。第二電容的充放電由第二 PMOS管、電阻及第一開(kāi)關(guān)和第二開(kāi)關(guān)決定。當(dāng)?shù)诙?PMOS管導(dǎo)通，第一開(kāi)關(guān)閉合，第二開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的情況下，第二電容充電，充電時(shí)間由第二 PMOS管和第一開(kāi)關(guān)共同決定。電阻和第二電容的大小決定充電的速度。第二開(kāi)關(guān)并聯(lián)在第二電容的兩端，提供了第二電容的放電通路。輸出端輸出的高低電平?jīng)Q定模數(shù)轉(zhuǎn)換的編碼。
[0009]進(jìn)一步的，所述的時(shí)鐘電路包括反向器和與門(mén)，反向器的輸入端控制所述的第二開(kāi)關(guān)，輸出端連接與門(mén)的一個(gè)輸入端，與門(mén)的另一輸入端連接時(shí)鐘信號(hào)，與門(mén)輸出端控制所述的第一開(kāi)關(guān)。
[0010]優(yōu)選的，信號(hào)經(jīng)所述并聯(lián)且一端接地的第二開(kāi)關(guān)和第二電容后，再經(jīng)緩沖單元后輸出。通過(guò)緩沖單元對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行緩沖和延時(shí)，同時(shí)也有利于后續(xù)對(duì)電路的擴(kuò)展。
[0011]具體的，所述的緩沖單元為兩個(gè)串聯(lián)的反向器。適當(dāng)調(diào)節(jié)電阻和第二電容的大小，使得第二電容的充電時(shí)間為一固定值時(shí)達(dá)到與之連接的反相器的翻轉(zhuǎn)電壓。
[0012]可選的，各模數(shù)轉(zhuǎn)換單元中NMOS管的尺寸大小不同，通過(guò)合適的NOMS管尺寸，使各模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的第一電容具有合適的充放電時(shí)間。
[0013]具體的，所述的第一開(kāi)關(guān)和第二開(kāi)關(guān)均為電控開(kāi)關(guān)。
[0014]本發(fā)明模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合單端電路，并且無(wú)需內(nèi)部基準(zhǔn)和非交疊時(shí)鐘，能夠很好的適用于極低功耗的應(yīng)用，并且不需要運(yùn)算放大器，適合納米級(jí)工藝，能夠很好的適合高速模數(shù)轉(zhuǎn)換的應(yīng)用。
[0015]以下結(jié)合實(shí)施例的【具體實(shí)施方式】，對(duì)本發(fā)明的上述內(nèi)容再作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實(shí)例。在不脫離本發(fā)明上述技術(shù)思想情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識(shí)和慣用手段做出的各種替換或變更，均應(yīng)包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為本發(fā)明模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的示意圖。
[0017]圖2為圖1中單個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的電路圖。
[0018]圖3為圖1的時(shí)鐘電路脈沖信號(hào)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]如圖1所示本發(fā)明的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，是一個(gè)具體的2位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路，包括:三個(gè)并行的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，分別為第一模數(shù)轉(zhuǎn)換單元100，第二模數(shù)轉(zhuǎn)換單元200和第三模數(shù)轉(zhuǎn)換單元300，各模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的結(jié)構(gòu)相同。還具有一個(gè)時(shí)鐘電路400，在時(shí)鐘電路400中包括反向器401和與門(mén)402,反向器401的輸入端為第二脈沖信號(hào)S2’，輸出端連接與門(mén)402的一個(gè)輸入端，與門(mén)402的另一輸入端連接時(shí)鐘信號(hào)CLK,與門(mén)402輸出端為第一脈沖信號(hào)SI’。
[0020]如圖2所示，以第一模數(shù)轉(zhuǎn)換單元100為例，其中具有:柵極連接輸入電壓VIN的NMOS管101，NMOS管101的源極和漏極分別連接到第一電容102的兩端，其中源極接地，漏極通過(guò)第一 PMOS管103的漏極和源極接電源VDD，第一 PMOS管103的柵極接時(shí)鐘電路400的時(shí)鐘信號(hào)CLK，NMOS管101的漏極和第一 PMOS管103的漏極一并通過(guò)第一反向器104連接第二 PMOS管105的柵極，第二 PMOS管105的源極接電源VDD，漏極通過(guò)電阻106和第一開(kāi)關(guān)SI，經(jīng)并聯(lián)且一端接地的第二開(kāi)關(guān)S2和第二電容107后，通過(guò)兩個(gè)串聯(lián)的反向器108、109輸出，第一開(kāi)關(guān)SI和第二開(kāi)關(guān)S2受時(shí)鐘電路400的時(shí)鐘信號(hào)CLK控制且開(kāi)/閉時(shí)機(jī)相反。在時(shí)鐘電路400中的反向器401的輸入端第二脈沖信號(hào)S2’控制所述的第二開(kāi)關(guān)S2，與門(mén)402輸出端的第一脈沖信號(hào)SI，控制所述的第一開(kāi)關(guān)SI。其中第一開(kāi)關(guān)SI和第二開(kāi)關(guān)S2均為電控開(kāi)關(guān)。
[0021]當(dāng)時(shí)鐘電路和第一模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的時(shí)鐘信號(hào)CLK為低電平時(shí)，第一 PMOS管103導(dǎo)通，A點(diǎn)充電至電源電壓Vdd,通過(guò)第一反相器104輸出低電壓,此時(shí)第二 PMOS管105導(dǎo)通，C點(diǎn)升為高電壓，由于第一開(kāi)關(guān)SI斷開(kāi)，D點(diǎn)保持初始低電壓狀態(tài)。輸入電壓VIN，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)CLK由低電平變?yōu)楦唠娖角业谝幻}沖信號(hào)SI，信號(hào)也由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，第一開(kāi)關(guān)SI閉合，第二電容107開(kāi)始充電，D點(diǎn)電壓升高。第一 PMOS管103關(guān)斷，第一電容102對(duì)NMOS管101放電，在輸入電壓VIN作用下NMOS管101工作于飽和區(qū)，第一電容102具有一定的放電電流，A點(diǎn)電壓不斷下降，當(dāng)A點(diǎn)電壓下降到第一反相器104的反轉(zhuǎn)電壓Vtkan時(shí)，B點(diǎn)變?yōu)楦唠娖?，此時(shí)第二 PMOS管105關(guān)斷，第二電容107充電終止。以時(shí)鐘信號(hào)CLK周期IOns為例，第一脈沖信號(hào)SI，為占空比1/4，脈寬5ns的信號(hào)。第一開(kāi)關(guān)SI在第一脈沖信號(hào)SI’為高電平時(shí)閉合接通，低電平時(shí)斷開(kāi)截止。無(wú)論第一電容102對(duì)NMOS管101放電至第一反相器104翻轉(zhuǎn)電壓時(shí)間，即第二 PMOS管105導(dǎo)通時(shí)間有多長(zhǎng)，第二電容107充電時(shí)
間最長(zhǎng)為5ns。第二電容107的電壓U。與充電時(shí)間的關(guān)系如下C2表
示第二電容107的容量，R為電容106的阻值。
[0022]通過(guò)調(diào)節(jié)電阻106的阻值和第二電容107的容值，實(shí)現(xiàn)當(dāng)電源電壓Vdd對(duì)第二電容107充電5ns時(shí)達(dá)反相器108的翻轉(zhuǎn)電壓，因此當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換單元在第二電容107充電達(dá)5ns時(shí)，輸出高電平，充電時(shí)間小于5ns的輸出低電平?，F(xiàn)計(jì)算第一電容102對(duì)NMOS管101放電至第一反相器104翻轉(zhuǎn)電壓的時(shí)間:
[0023]由電容上電荷守恒定律，可以得到:
[0024]
【權(quán)利要求】
1.模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征包括:至少兩個(gè)并行的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，在各模數(shù)轉(zhuǎn)換單元中均有:柵極連接輸入電壓的NMOS管，匪OS管的源極和漏極分別連接到第一電容的兩端，其中源極接地，漏極通過(guò)第一 PMOS管的漏極和源極接電源，第一 PMOS管的柵極接時(shí)鐘電路，NMOS管的漏極和第一 PMOS管的漏極一并通過(guò)第一反向器連接第二 PMOS管的柵極，第二PMOS管的源極接電源，漏極通過(guò)電阻和第一開(kāi)關(guān)，經(jīng)并聯(lián)且一端接地的第二開(kāi)關(guān)和第二電容后輸出，第一開(kāi)關(guān)和第二開(kāi)關(guān)受時(shí)鐘電路控制且開(kāi)/閉時(shí)機(jī)相反。
2.如權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征為:所述的時(shí)鐘電路包括反向器和與門(mén)，反向器的輸入端控制所述的第二開(kāi)關(guān)，輸出端連接與門(mén)的一個(gè)輸入端，與門(mén)的另一輸入端連接時(shí)鐘信號(hào)，與門(mén)輸出端控制所述的第一開(kāi)關(guān)。
3.如權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征為:信號(hào)經(jīng)所述并聯(lián)且一端接地的第二開(kāi)關(guān)和第二電容后，再經(jīng)緩沖單元后輸出。
4.如權(quán)利要求3所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征為:所述的緩沖單元為兩個(gè)串聯(lián)的反向器。
5.如權(quán)利要求1至4之一所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征為:各模數(shù)轉(zhuǎn)換單元中NMOS管的尺寸大小不同。
6.如權(quán)利要求1至4之一所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其特征為:所述的第一開(kāi)關(guān)和第二開(kāi)關(guān)均為電控開(kāi)關(guān)。
【文檔編號(hào)】H03K3/012GK103746697SQ201310670036
【公開(kāi)日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2013年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月10日
【發(fā)明者】劉洋, 董華, 張鐸, 吳霜毅, 胡紹剛, 顧野, 徐艷飛 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)