專利名稱：一種管道式差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器，尤其涉及管道式差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器，屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，模數(shù)轉(zhuǎn)換的技術(shù)在許多應(yīng)用上扮演著相當(dāng)重要的角色，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將 現(xiàn)實(shí)生活中的模擬信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，是現(xiàn)實(shí)世界和數(shù)字世界之間的橋梁。在通信領(lǐng)域， 消費(fèi)電子領(lǐng)域，工業(yè)控制領(lǐng)域會(huì)經(jīng)常用到。面對(duì)實(shí)際應(yīng)用中越來越高的要求，對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 的采樣頻率、分辨率、穩(wěn)定性、功率消耗和面積要求都越來越高。
而管道式模數(shù)轉(zhuǎn)換器在幾種較流行的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中以其優(yōu)秀的分辨率和采樣率表現(xiàn)被頻 繁應(yīng)用。就管道式模數(shù)轉(zhuǎn)換器而言，相鄰兩級(jí)之間殘差值的傳遞是最影響模數(shù)轉(zhuǎn)換器分辨率 和工作頻率的因素，現(xiàn)有的殘差值傳遞的方案主要是通過單端運(yùn)算跨導(dǎo)放大器來實(shí)現(xiàn)的，而
這種方案不利于差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種精確的管道式差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
為了解決這個(gè)問題，我們?cè)诠艿朗讲罘帜?shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)中提出一種利用差分運(yùn)算跨導(dǎo) 放大器結(jié)合開關(guān)電容來實(shí)現(xiàn)管道式差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器中前一級(jí)向后一級(jí)提供精確殘差值的電 路。本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器可以避免單端運(yùn)算跨導(dǎo)放大器不易于實(shí)現(xiàn)差分模數(shù)轉(zhuǎn)換的問題。
管道式模數(shù)轉(zhuǎn)換器是利用多級(jí)子ADC同時(shí)工作來獲得高的分辨率，而其中每一級(jí)子ADC 只需要獲得較低的分辨率就可以了；再將該級(jí)子ADC量化后所產(chǎn)生的量化誤差放大，得到殘 差值送至下一級(jí)子ADC作為下一級(jí)子ADC的輸入。
由上面的分析，我們知道在管道式模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，每一級(jí)子ADC都需要給下一級(jí)子ADC 提供該級(jí)量化后所剩下的殘差值，而在1.5位每級(jí)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，每一級(jí)子ADC需要給下一級(jí) 子ADC提供的殘差值輸出VON與模擬輸入VIN之間的關(guān)系如下所表示
rav-2(rav)-^一 當(dāng)rav>^raax/4 (1) raw = 2(rav)當(dāng)U4>rav>-U4 (2)
FOiV-2(WW) + K細(xì)當(dāng)WV<-^max/4 (3)而同時(shí)<formula>formula see original document page 4</formula>
即
<formula>formula see original document page 4</formula>
正如圖1中轉(zhuǎn)移特性曲線所示。每一級(jí)子ADC需要給下一級(jí)子ADC提供的殘差值輸出 VON與模擬輸入VIN之間的轉(zhuǎn)移特性曲線，其中Vin就代表了該級(jí)子ADC的模擬輸入，而 residue就代表了該級(jí)子ADC需要給下一級(jí)子ADC提供的殘差值，而圖中out=00， 01， 10 則代表相應(yīng)的該級(jí)子ADC的量化結(jié)果。
很顯然，這是易于單端實(shí)現(xiàn)的，那么我們?cè)趺蠢貌罘諧MOS電路實(shí)現(xiàn)這樣的轉(zhuǎn)移特性 曲線呢？
當(dāng)前的設(shè)計(jì)一般都是采用單端運(yùn)算跨導(dǎo)放大器來實(shí)現(xiàn)這樣的功能，如附圖2， 3所示。 可以看到，當(dāng)時(shí)鐘工作在PHI—l相位時(shí)，電路如圖2所示工作，輸入經(jīng)過開關(guān)連接在兩個(gè)電 容上底板上；而電容的下底板連接到地上。此時(shí)電容上存儲(chǔ)的電荷為g-《+CJ
而當(dāng)時(shí)鐘工作在PHI一2相位時(shí)，電路如圖3所示，在運(yùn)算跨導(dǎo)放大器正輸入端通過一個(gè) 電容與2Vdac連接；同時(shí)，在運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的輸出端也接一個(gè)反饋電容連接到單端運(yùn)算跨 導(dǎo)放大器的正輸入端。此時(shí)電容上存儲(chǔ)的電荷為0= rC+CJ =CVoW+C*2raac。
通過比較兩式，就可以得出Vout為我們所需得到的殘差值。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下
一種管道式差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于其中的殘差值產(chǎn)生電路的電路連接關(guān)系為
差分輸入正端分別經(jīng)過開關(guān)MOS管1與電容Cl的上底板連接，經(jīng)過開關(guān)MOS管2與 電容C2的上底板連接；
所述電容Cl和C2的下底板與所述差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的正輸入端連接；
數(shù)模轉(zhuǎn)換器結(jié)果正端與所述電容C2的上底板連接；
所述差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的負(fù)輸出端通過開關(guān)MOS管3和所述電容Cl的上底板連接； 共模輸入端通過開關(guān)MOS管4與所述差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的正輸入端連接； 所述差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的負(fù)輸出端通過開關(guān)MOS管5與所述共模輸入端連接；所述開關(guān)MOS管1 、開關(guān)MOS管2、開關(guān)MOS管5的柵極與PHI—1信號(hào)線連接；所述 開關(guān)MOS管3的柵極與PHI—2信號(hào)線連接；所述開關(guān)MOS管4的柵極與PHI_1P信號(hào)線連 接；
差分輸入負(fù)端分別經(jīng)過開關(guān)MOS管l，與電容Cl，的上底板連接，經(jīng)過開關(guān)MOS管2，與 電容C2'的上底板連接；
所述電容Cl'和C2'的下底板與所述差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的負(fù)輸入端連接； 數(shù)模轉(zhuǎn)換器結(jié)果負(fù)端與所述電容C2，的上底板連接；
所述差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的正輸出端通過開關(guān)MOS管3'和所述電容Cl'的上底板連接； 所述共模輸入端通過開關(guān)MOS管4，與所述差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的負(fù)輸入端連接； 所述差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的正輸出端通過開關(guān)MOS管5'與所述共模輸入端連接； 所述開關(guān)MOS管l'、開關(guān)MOS管2'、開關(guān)MOS管5，的柵極與PHI—l信號(hào)線連接；所 述開關(guān)MOS管3'的柵極與PHI—2信號(hào)線連接；開關(guān)MOS管4'的柵極與PHI—IP信號(hào)線連 接，所述差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的共模輸入端與所述共模輸入端連接；所有所述連接為信號(hào)線 連接。
所述開關(guān)MOS管為NMOS管。 所述電容C1、 C2、 Cl'、 C2'的電容值相等。 所述共模輸入端的共模值為差分輸入的中間值，是固定的輸入值。
本發(fā)明的積極效果
可以發(fā)現(xiàn)，利用本發(fā)明提出的開關(guān)電容配合差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器聯(lián)合作用的轉(zhuǎn)換器，可 以精確地得到用在管道式差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器里前一級(jí)送給后一級(jí)的殘差值。


圖1是每一級(jí)子ADC需要給下一級(jí)子ADC提供的殘差值輸出VON與模擬輸入VIN之 間的轉(zhuǎn)移特性曲線；
圖2是采用單端運(yùn)算跨導(dǎo)放大器當(dāng)時(shí)鐘工作在PHI_1相位時(shí)，電路的等效工作方式； 圖3是采用單端運(yùn)算跨導(dǎo)放大器當(dāng)時(shí)鐘工作在PHI—2相位時(shí)，電路的等效工作方式； 圖4是本發(fā)明的殘差值產(chǎn)生電路的電路圖5是本發(fā)明的電路圖在時(shí)鐘工作在PHI—1相位時(shí)，電路的等效工作方式； 圖6是本發(fā)明的電路圖在時(shí)鐘工作在PHL2相位時(shí)，電路的等效工作方式。具體實(shí)施例
我們提出了利用差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器結(jié)合開關(guān)MOS管和電容實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，差分運(yùn)算 跨導(dǎo)放大器與開關(guān)MOS管和電容的連接方式如附圖4所示。
附圖4中標(biāo)注了PHIJ， PHIJP或是PHI—2的開關(guān)即是開關(guān)MOS管，實(shí)現(xiàn)方法是通過 將NMOS的柵極分別連接在PHI—1或是PHI—2信號(hào)線上。將差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器通過開關(guān) MOS管與四個(gè)電容值相同的電容連接，連接方式正如附圖4所示，可以看到的是，與現(xiàn)有的 單端運(yùn)算跨導(dǎo)放大器實(shí)現(xiàn)方案不同的是，由于我們采用的是差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器，所以每一 級(jí)子ADC的殘差值輸出都是一對(duì)差分信號(hào)，這樣就便于差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)了。下面是電 路的具體工作工程。
差分輸入正端VINP(positive VIN)分別經(jīng)過開關(guān)MOS管1與電容Cl的上底板連接，經(jīng) 過開關(guān)MOS管2與電容C2的上底板連接,且開關(guān)MOS管1和開關(guān)MOS管2的柵極與PHI一1 信號(hào)線連接，電容C1和C2的下底板連接在差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的正輸入端(VIP)上；數(shù)模轉(zhuǎn) 換器(DAC)結(jié)果正端(VDACP)與電容C2的上底板連接，串聯(lián)電容C2后與差分運(yùn)算跨 導(dǎo)放大器的正輸入端(VIP)連接在一起；而差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的負(fù)輸出端(VON)通過開關(guān) MOS管3和電容Cl的上底板連接，串連電容Cl后反饋連接在差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的正輸 入端(VIP)上，同時(shí)共模輸入(VCM)通過開關(guān)MOS管4與差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的正輸入端 (VIP)、電容Cl和C2的下底板連在一起，其中開關(guān)MOS管3的柵極與PHI_2信號(hào)線連接， 開關(guān)MOS管4的柵極與PHI_1P信號(hào)線連接。
差分輸入負(fù)端VINN(negative VIN)分別經(jīng)過開關(guān)MOS管l'與電容Cl'的上底板連接，經(jīng) 過開關(guān)MOS管2，與電容C2'的上底板連接，且開關(guān)MOS管l'和開關(guān)MOS管2'的柵極與PHI_1 信號(hào)線連接，電容C1'和C2，的下底板連接在差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的負(fù)輸入端(VIN)上；DAC 結(jié)果負(fù)端VDACN與電容C2'的上底板連接，串連電容C2'后與差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的負(fù)輸入 端(VIN)連接在一起；而差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的正輸出端(VOP)通過開關(guān)MOS管3'和電容Cl'
的上底板連接，串聯(lián)電容cr后反饋連接在差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的負(fù)輸入端(viN)上，同時(shí)共
模輸入(VCM)通過開關(guān)MOS管4'與差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的負(fù)輸入端(VIN)、電容Cl'和C2' 的下底板連在一起，其中開關(guān)MOS管3'的柵極與PHU信號(hào)線連接，開關(guān)MOS管4'的柵極 與PHIJP信號(hào)線連接。
差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的負(fù)輸出端(VON)通過開關(guān)MOS管5與共模輸入(VCM)連接， 且開關(guān)MOS管5的柵極與PHI_1信號(hào)線連接；差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的正輸出端(VOP)通過開 關(guān)MOS管5，與共模輸入(VCM)連接，且開關(guān)MOS管5，的柵極與PHI—l信號(hào)線連接。同 時(shí)本級(jí)差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的負(fù)輸出端(VON)、正輸出端(VOP)的輸出分別對(duì)應(yīng)下一級(jí)的輸入VINP、 VINN。每一級(jí)的VDACP和VDACN是輸入模擬信號(hào)經(jīng)過子ADC再經(jīng)過子DAC后 所得到。共模輸入VCM從輸入得到，每一級(jí)的共模輸入VCM都相同，為一固定的輸入值。
可以看到與圖2和圖3所表示的方法最大的區(qū)別在于，所有的信號(hào)都是差分信號(hào)，即原 來的單端輸入信號(hào)VIN變?yōu)橐粚?duì)差分信號(hào)VINP和VINN;原來的2Vdac變?yōu)閂DACP和 VDACN;而最重要的是差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的輸出端現(xiàn)在也是一對(duì)差分信號(hào)VOP和VON， 從而得到差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器。
首先將時(shí)鐘工作在PHI—1相位，此時(shí)電路將如圖5中所顯示的方式工作，其中PHI—1P與
PHIJ相位為同相位；因?yàn)?br> 1) 所有柵極連接在PHI一1和PHI—1P信號(hào)上的開關(guān)MOS管都導(dǎo)通；
2) 所有柵極連接在PHI—2信號(hào)上的開關(guān)MOS管都不導(dǎo)通； 而此時(shí)積累在上下部分電路中的電容板上的電荷分別為
2HC + C)(r鮮-PO/) (8)
22 = (C + C) (r層- fOZ) (9)
接下來將時(shí)鐘工作在PHI一2相位，此時(shí)電路將如圖6中所顯示的方式工作；因?yàn)?br> 1) 所有柵極連接在PHI—2信號(hào)上的開關(guān)MOS管都導(dǎo)通；
2) 所有柵極連接在PHI一1和PHI—1P信號(hào)上的開關(guān)MOS管都不導(dǎo)通； 而此時(shí)積累在上下部分電路中的電容板上的電荷分別為-
= c (,c尸-f證)+c -K0，) (10) 0 = C (隨CiV - r。麗)+ C (濯-K麵) (11)
C為四個(gè)相同電容的電容值，VDACP和VDACN為輸入模擬信號(hào)量化后的數(shù)字信號(hào)所表 示的模擬值(連接在附圖4中的相應(yīng)的VDACP和VDACN信號(hào)線上)，是輸入模擬信號(hào)經(jīng)過 子ADC再經(jīng)過子DAC后所得到的，VIP和VIN為差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器兩個(gè)輸入端信號(hào)線上 的值，VINP和VINN為一對(duì)差分模擬輸入，VCM為設(shè)定的共模值(一般設(shè)定為差分輸入的 中間值)，而VOP和VON則為我們需要的一對(duì)差分模擬殘差值輸出。
由于電容板上的電荷守恒，我們可以再通過上面得到的電荷值列出等式
(C + C)(f鮮- rCM) = C(,C戶_ P7尸)+ C(, - W尸) (12)
(C + C) (,iV - rCM) = C (,CW -咖)+ C (rCW -麗) (13)
再經(jīng)過計(jì)算可以得到
ranD」c尸+2(麼戶-R:M)+2w尸 (m)<formula>formula see original document page 8</formula> (15)
<formula>formula see original document page 8</formula>(16)
由于差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的一對(duì)輸入端應(yīng)該虛短路在一起。即可以近似為
<formula>formula see original document page 8</formula> (17)
則式16可以近似為
<formula>formula see original document page 8</formula> (18)
即
<formula>formula see original document page 8</formula> (19)
這樣就可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)在輸出端得到的一對(duì)差分輸出信號(hào)就實(shí)現(xiàn)了我們所需要得到的送給下一 級(jí)量化的殘差值。
權(quán)利要求
1.一種管道式差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于其中的殘差值產(chǎn)生電路的電路連接關(guān)系為差分輸入正端分別經(jīng)過開關(guān)MOS管1與電容C1的上底板連接，經(jīng)過開關(guān)MOS管2與電容C2的上底板連接；所述電容C1和C2的下底板與所述差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的正輸入端連接；數(shù)模轉(zhuǎn)換器結(jié)果正端與所述電容C2的上底板連接；所述差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的負(fù)輸出端通過開關(guān)MOS管3和所述電容C1的上底板連接；共模輸入端通過開關(guān)MOS管4與所述差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的正輸入端連接；所述差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的負(fù)輸出端通過開關(guān)MOS管5與所述共模輸入端連接；所述開關(guān)MOS管1、開關(guān)MOS管2、開關(guān)MOS管5的柵極與PHI_1信號(hào)線連接；所述開關(guān)MOS管3的柵極與PHI_2信號(hào)線連接；所述開關(guān)MOS管4的柵極與PHI_1P信號(hào)線連接；差分輸入負(fù)端分別經(jīng)過開關(guān)MOS管1’與電容C1’的上底板連接，經(jīng)過開關(guān)MOS管2’與電容C2’的上底板連接；所述電容C1’和C2’的下底板與所述差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的負(fù)輸入端連接；數(shù)摸轉(zhuǎn)換器結(jié)果負(fù)端與所述電容C2’的上底板連接；所述差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的正輸出端通過開關(guān)MOS管3’和所述電容C1’的上底板連接；所述共模輸入端通過開關(guān)MOS管4’與所述差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的負(fù)輸入端連接；所述差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的正輸出端通過開關(guān)MOS管5’與所述共模輸入端連接；所述開關(guān)MOS管1’、開關(guān)MOS管2’、開關(guān)MOS管5’的柵極與PHI_1信號(hào)線連接；所述開關(guān)MOS管3’的柵極與PHI_2信號(hào)線連接；開關(guān)MOS管4’的柵極與PHI_1P信號(hào)線連接；所述差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器的共模輸入端與所述共模輸入端連接，所有所述連接為信號(hào)線連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述開關(guān)MOS管為NMOS管。
3. 如權(quán)利要求l所述的差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述電容C1、 C2、 Cl'、 C2'的電容值相等。
4. 如權(quán)利要求1所述的差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述共模輸入端的共模值為差分輸入的 中間值。
5. 如權(quán)利要求4所述的差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述共模值為固定的輸入值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種管道式差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其利用差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器結(jié)合開關(guān)MOS管和電容來實(shí)現(xiàn)管道式差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器中前一級(jí)向后一級(jí)提供精確殘差值。本發(fā)明的模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以避免單端運(yùn)算跨導(dǎo)放大器不易于實(shí)現(xiàn)差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器的問題。
文檔編號(hào)H03M1/12GK101320973SQ200710178119
公開日2008年12月10日 申請(qǐng)日期2007年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月27日
發(fā)明者于敦山, 越 劉, 吳亞東, 孫金鐸, 興 張, 彭春干, 健 曹, 曹喜信, 白書俊 申請(qǐng)人:北京大學(xué)軟件與微電子學(xué)院