一種提高流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)化器中余量放大器建立速度電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及半導(dǎo)體集成電路技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)化器。
【背景技術(shù)】 陽〇〇引在過去的幾十年中，集成電路技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。特別是W通訊為首的電子 系統(tǒng)，向著高速率、高性能、高集成度、低成本的方向不斷向前發(fā)展。運(yùn)就對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)模 塊提出了更高的要求。如模數(shù)轉(zhuǎn)化器，系統(tǒng)要求提高模數(shù)轉(zhuǎn)化器的采樣速率、量化精度等要 求的同時(shí)，也希望提高模數(shù)轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率，降低其功耗。
[0003] 隨著采樣速率的提高，流水線模數(shù)轉(zhuǎn)化器中余量放大器的建立時(shí)間變短。對(duì)于傳 統(tǒng)的流水線電路，只能通過增加運(yùn)算放大器的功耗來提高帶寬，提高余量放大器的建立速 度。然而，在同一工藝條件不變的前提下，通過增加功耗并不能有效地提高高速運(yùn)算放大器 的帶寬。而且，在增加運(yùn)算放大器的帶寬的同時(shí)，會(huì)降低其直流增益，降低余量放大器的有 效建立精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種提高流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)化器中余量放 大器建立速度電路，可W在不增加電路功耗的前提下提高余量放大器輸出信號(hào)的建立速 度。 陽〇化]為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供了一種提高流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)化器中余量放大器 建立速度電路，其特征在于：包含一個(gè)帶內(nèi)部復(fù)位開關(guān)的兩級(jí)運(yùn)算放大器0PA，輸入采樣電 容Cs,反饋電容Cf,負(fù)載電容Cl, 一個(gè)sub-dac電路和開關(guān)Sl、開關(guān)S2、開關(guān)S3 ;所述的余 量放大器電路W單端電路顯示，開關(guān)S1、開關(guān)S2、開關(guān)S3、運(yùn)算放大器的內(nèi)部開關(guān)S4、開關(guān) S5均連接到虛擬地。
[0006] 所述的運(yùn)算放大器OPA包含復(fù)位開關(guān)S4、開關(guān)S5,補(bǔ)償電容Cc;所述的運(yùn)算放大 器OPA的第一級(jí)輸出跨導(dǎo)為gml，第二級(jí)輸出跨導(dǎo)為gm2 ;所述的復(fù)位開關(guān)S4連接在運(yùn)算放 大器的第一級(jí)輸出端和虛擬地之間；當(dāng)余量放大器進(jìn)入余量放大階段，所述的運(yùn)算放大器 OPA需要從復(fù)位狀態(tài)切換成正常的放大模式，開關(guān)S4先斷開，經(jīng)過延時(shí)量At后，開關(guān)S5再 斷開。
[0007] 所述的Sub-dac電路，在開關(guān)S3斷開時(shí)，量化輸入信號(hào)，并將結(jié)果通過開關(guān)S2輸 入到余量放大器的電容反饋網(wǎng)絡(luò)。
[0008] 所述電路在采樣時(shí)刻點(diǎn)，所述開關(guān)S3從閉合狀態(tài)切換到斷開狀態(tài)，所述開關(guān)S1、 開關(guān)S4、開關(guān)S5處于閉合狀態(tài)，開關(guān)S2處于斷開狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)S3完全斷開后，開關(guān)Sl斷 開，其它開關(guān)保持不變；隨后，開關(guān)S2由斷開狀態(tài)切換到閉合狀態(tài)，開關(guān)S4由閉合狀態(tài)切換 到斷開狀態(tài)；開關(guān)S2的閉合可W早于開關(guān)S4的斷開；開關(guān)S4斷開At時(shí)間后，開關(guān)S5斷 開；余量放大器進(jìn)入復(fù)位相位時(shí)，開關(guān)S2從閉合狀態(tài)切換到斷開狀態(tài)早于開關(guān)Sl從閉合狀 態(tài)切換到斷開狀態(tài)。
[0009] 所述電路，當(dāng)余量放大器進(jìn)入余量放大相位時(shí)，延遲運(yùn)算放大器OPA輸出端的復(fù) 位開關(guān)S5由閉合狀態(tài)切換到斷開狀態(tài)；將運(yùn)算放大器OPA的第一級(jí)輸出節(jié)點(diǎn)VOl預(yù)充到一 定的電壓值；當(dāng)開關(guān)S5斷開時(shí)，節(jié)點(diǎn)VOl的電位，可W加快運(yùn)算放大器OPA第二級(jí)的建立速 度。
【附圖說明】
[0010] 圖1為本實(shí)用新型一種提高流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)化器中余量放大器建立速度電路的 結(jié)構(gòu)圖；
[0011] 圖2為本實(shí)用新型一種提高流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)化器中余量放大器建立速度電路的 工作時(shí)序圖；
[0012] 圖3為本實(shí)用新型一種提高流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)化器中余量放大器建立速度電路在 不同延時(shí)量下，余量放大器的建立情況對(duì)比圖。 具體實(shí)施例
[0013] 下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。
[0014] 本實(shí)用新型的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。包含一個(gè)帶內(nèi)部復(fù)位開關(guān)的兩級(jí)運(yùn)算放大器 0PA，輸入義樣電容Cs,反饋電容Cf，負(fù)載電容Cl, 一個(gè)sub-dac電路和開關(guān)S1、開關(guān)S2、開 關(guān)S3 ;所述的余量放大器電路W單端電路顯示，開關(guān)S1、開關(guān)S2、開關(guān)S3、運(yùn)算放大器的內(nèi) 部開關(guān)S4、開關(guān)S5均連接到虛擬地。圖2是本實(shí)用新型電路的工作時(shí)序，當(dāng)時(shí)序信號(hào)為高 時(shí)，開關(guān)閉合；反之，開關(guān)斷開。
[0015]在輸入跟隨相位，開關(guān)Sl、開關(guān)S3、開關(guān)S4、開關(guān)S5都處于閉合狀態(tài)，而開關(guān)S2處 于斷開狀態(tài)。開關(guān)信號(hào)S3的下降沿是本實(shí)用新型的采樣時(shí)刻點(diǎn)。開關(guān)S3的下降沿必須超 前開關(guān)S1、開關(guān)S4、開關(guān)S5的下降沿和開關(guān)S2的上升沿。假設(shè)在采樣時(shí)刻點(diǎn)，模數(shù)轉(zhuǎn)化器 的模擬輸入信號(hào)的差分電壓為va。那么采樣電容上的電壓被鎖定在va。
[0016] 隨后，開關(guān)SI斷開，開關(guān)S2閉合。開關(guān)S2的作用是將模數(shù)轉(zhuǎn)化器的輸入電壓的 量化結(jié)果和輸入信號(hào)相減。假設(shè)量化結(jié)果為vax。那么在開關(guān)S2閉合后，電容Cs需要轉(zhuǎn)移 至IJ電容Cf上的總電荷量為
[0017] QO= (va-vax)*Cs
[0018] 當(dāng)余量放大器建立完成后，余量放大器的輸出為
[0020] 開關(guān)信號(hào)S4的下降沿可W和開關(guān)信號(hào)S2的上升沿重合，或者滯后于開關(guān)信號(hào)S2。 當(dāng)開關(guān)S4斷開后，兩級(jí)運(yùn)算放大的第一級(jí)的輸出端VOl開始充電。將開關(guān)S4斷開的時(shí)刻 點(diǎn)記為t= 0。此時(shí)運(yùn)算放大器的輸入端電壓是
[0022] 在開關(guān)S5斷開前，運(yùn)算放大器的輸入端電壓Vi不變，即
[0024]經(jīng)過At時(shí)間后，VOI的電壓為
[00%] 其中g(shù)ml是運(yùn)算放大器第一級(jí)的跨導(dǎo)值，Cc是運(yùn)算放大器的補(bǔ)償電容值。 陽027] 當(dāng)開關(guān)S5斷開時(shí)，運(yùn)算放大器的輸出節(jié)點(diǎn)VO開始充放電。由于節(jié)點(diǎn)VOl被預(yù)充 到一個(gè)非零電位，并且該電位的極性和運(yùn)算放大器的最終輸出電壓的極性相反。而運(yùn)算放 大器的第二級(jí)是一個(gè)反向放大器。在開關(guān)S5斷開的瞬間，運(yùn)算放大器的輸出端輸出一個(gè)大 電流
[0029] 該輸出電流和余量放大器的最終建立電壓的極性是一致的，可W加快余量放大器 的建立。而在傳統(tǒng)的余量放大器電路中，開關(guān)S4、開關(guān)S5是同時(shí)斷開的。在斷開的瞬間，運(yùn) 算放大器的輸出端的初始電流為零。
[0030]設(shè)定Cs= 6. 4pF，Cf= 0. 8pF，Cc=IpF,Cl=IpF,卵1 = 8mS，卵2 = 20mS。開關(guān) S4在第Ins斷開。而開關(guān)S5分別延時(shí)化、In、1. 5n后斷開。電路的輸入va-vax= 125mV。 圖3是運(yùn)算放大器輸出端VO的響應(yīng)波形圖。圖中的實(shí)線、點(diǎn)虛線、點(diǎn)線分別對(duì)應(yīng)At為化、 In、1. 5n。如果要求余量放大器建立到千分之一的誤差，那么需要的建立時(shí)間分別是7. 91n、 5. 34n、8. 65n。從建立的結(jié)果可W知道，只要設(shè)定合適的延時(shí)量At，就可W加快余量放大器 的建立。使用本實(shí)用新型提供的方法，只需調(diào)整運(yùn)算放大器輸出端復(fù)位開關(guān)的時(shí)序，即可減 小余量放大器的建立時(shí)間，提高模數(shù)轉(zhuǎn)化器的最高轉(zhuǎn)化速率。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種提高流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)化器中余量放大器建立速度電路，其特征在于：包含一個(gè) 帶內(nèi)部復(fù)位開關(guān)的兩級(jí)運(yùn)算放大器OPA，輸入采樣電容Cs，反饋電容Cf，負(fù)載電容C1，一個(gè) sub-dac電路和開關(guān)S1、開關(guān)S2、開關(guān)S3 ;所述的余量放大器電路以單端電路顯示，開關(guān) S1、開關(guān)S2、開關(guān)S3、運(yùn)算放大器的內(nèi)部開關(guān)S4、開關(guān)S5均連接到虛擬地。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)化器中余量放大器建立速度電路， 其特征在于：所述的運(yùn)算放大器OPA包含復(fù)位開關(guān)S4、開關(guān)S5,補(bǔ)償電容Cc ;所述的運(yùn)算放 大器OPA的第一級(jí)輸出跨導(dǎo)為gml，第二級(jí)輸出跨導(dǎo)為gm2 ;所述的復(fù)位開關(guān)S4連接在運(yùn)算 放大器的第一級(jí)輸出端和虛擬地之間；當(dāng)余量放大器進(jìn)入余量放大階段，所述的運(yùn)算放大 器OPA需要從復(fù)位狀態(tài)切換成正常的放大模式，開關(guān)S4先斷開，經(jīng)過延時(shí)量A t后，開關(guān)S5 再斷開。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)化器中余量放大器建立速度電路， 其特征在于：所述的Sub-dac電路，在開關(guān)S3斷開時(shí)，量化輸入信號(hào)，并將結(jié)果通過開關(guān)S2 輸入到余量放大器的電容反饋網(wǎng)絡(luò)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)化器中余量放大器建立速度電路， 其特征在于：在采樣時(shí)刻點(diǎn)，所述開關(guān)S3從閉合狀態(tài)切換到斷開狀態(tài)，所述開關(guān)S1、開關(guān) S4、開關(guān)S5處于閉合狀態(tài)，開關(guān)S2處于斷開狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)S3完全斷開后，開關(guān)S1斷開，其 它開關(guān)保持不變；隨后，開關(guān)S2由斷開狀態(tài)切換到閉合狀態(tài)，開關(guān)S4由閉合狀態(tài)切換到斷 開狀態(tài)；開關(guān)S2的閉合可以早于開關(guān)S4的斷開；開關(guān)S4斷開A t時(shí)間后，開關(guān)S5斷開； 余量放大器進(jìn)入復(fù)位相位時(shí)，開關(guān)S2從閉合狀態(tài)切換到斷開狀態(tài)早于開關(guān)S1從閉合狀態(tài) 切換到斷開狀態(tài)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)化器中余量放大器建立速度電路， 其特征在于：當(dāng)余量放大器進(jìn)入余量放大相位時(shí)，延遲運(yùn)算放大器OPA輸出端的復(fù)位開關(guān) S5由閉合狀態(tài)切換到斷開狀態(tài)；將運(yùn)算放大器OPA的第一級(jí)輸出節(jié)點(diǎn)vol預(yù)充到一定的電 壓值；當(dāng)開關(guān)S5斷開時(shí)，節(jié)點(diǎn)vol的電位，可以加快運(yùn)算放大器0PA第二級(jí)的建立速度。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種提高流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)化器中余量放大器建立速度電路。該電路包含了一個(gè)帶電容補(bǔ)償?shù)膬杉?jí)運(yùn)算放大器OPA、一個(gè)采樣電容Cs、一個(gè)反饋電容Cf、一個(gè)負(fù)載電容Cl、一個(gè)Sub-dac電路和開關(guān)S1、開關(guān)S2、開關(guān)S3、開關(guān)S4、開關(guān)S5。此電路通過將兩級(jí)運(yùn)算放大器的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)預(yù)充到高電位，加快運(yùn)算放大器輸出端的電壓建立，從而減小運(yùn)算放大器單位帶寬積的設(shè)計(jì)要求，降低運(yùn)算放大器的功耗。最終實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化器的低功耗設(shè)計(jì)。
【IPC分類】H03M1/12
【公開號(hào)】CN204993306
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520663964
【發(fā)明人】廖浩勤, 嚴(yán)偉
【申請(qǐng)人】西安啟微迭儀半導(dǎo)體科技有限公司
【公開日】2016年1月20日
【申請(qǐng)日】2015年8月28日