專利名稱：一種適用于流水線模數(shù)轉換器的mdac結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及流水線模數(shù)轉換器技術領域，尤其涉及一種適用于流水線模數(shù)轉換器的新型MDAC結構。
背景技術：
流水線模數(shù)轉換器是模數(shù)轉換器的一種經典結構類型，可以在功耗、面積、速度和精度之間進行較好地折中，因而受到廣泛的應用。高精度的流水線模數(shù)轉換器常采用多位
/級結構。在傳統(tǒng)的多位/級結構流水線模數(shù)轉換器中，MDAC在保持相進行余量放大，使得由運算放大器和采樣電容、反饋電容及閉合開關構成的閉環(huán)放大器在保持相同時具有反饋系數(shù)小和負載電容大的特點，而這兩個特點都不利于MDAC建立速度的提高，從而限制了高速高精度流水線模數(shù)轉換器的實現(xiàn)。此外，在傳統(tǒng)的流水線模數(shù)轉換器結構中，MDAC只在保持相進行余量放大，在采樣相并不工作，因此運放有將近一半的功耗是被浪費的。針對這個問題，采用運放共享技術可以有效地提高運放功耗的利用率，降低模數(shù)轉換器的整體功耗，但是由于運放連續(xù)工作， 沒有復位，存在穩(wěn)定問題和記憶效應(即上一次的樣本會繼續(xù)保留在運放輸入端的寄生電容，影響下一次的樣本)，降低了模數(shù)轉換器的精度，另外，增加了一些額外的開關，降低了模數(shù)轉換器的速度。另外一種解決方案是采用開關運放技術，在運放不工作的時候將運放關掉以節(jié)省功耗，但是由于運放重新啟動需要一定時間，該技術并不利于模數(shù)轉換器速度的提高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種適用于流水線模數(shù)轉換器的新型MDAC結構，以降低模數(shù)轉換器的功耗，提高轉換速率。為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種適用于流水線模數(shù)轉換器的新型MDAC結構， 該結構包括運放、第一開關電容單元和第二開關電容單元。其中，第一開關電容單元和第二開關電容單元均由采樣電容Cs、反饋電容CF、負載電容CL和開關組成。在采樣相WiiS，采樣電容采樣輸入信號，同時運放保持反饋電容上的電壓，運放和反饋電容構成單位增益閉環(huán)放大器，對負載電容進行充放電；在復位相WiiR，采樣電容懸空，運放的輸入端接共模電平Vcomi，輸出端接共模電平Vcomo，反饋電容上的電壓復位；在傳輸相W!iT，運放、采樣電容和反饋電容構成反饋系數(shù)為CF/(CF+CQ的閉環(huán)放大器，利用電荷轉移對采樣電容上的樣本進行余量放大，余量電壓傳輸?shù)椒答侂娙萆?，此時下一級的采樣電容與本級MDAC中的閉環(huán)放大器未連接；在清零相WiiC，采樣電容兩端都接共模電平Vcomi，電荷清零，準備下一次的采樣。上述方案中，PhiSp的下降沿比WiiS的下降沿略微提前，使采樣開關在采樣相 WiiS結束時提前關斷。
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上述方案中，運放在采樣相PhiS、傳輸相Η Τ和清零相WiiC工作，在復位相WiiR復位。上述方案中，在采樣相WiiS，運放與反饋電容構成負反饋網絡，反饋系數(shù)為1，同時運放對負載電容進行充放電；在傳輸相WiiT，運放與采樣電容、反饋電容構成負反饋網絡，反饋系數(shù)為CF/CS，此時運放只進行余量放大，不驅動負載電容。上述方案中，相鄰級的比較器均在采樣相WiiS采樣MDAC的輸出，在復位相WiiR 進行比較。上述方案中，該結構不僅可以采用多位/級的結構，還可以采用1. 5位/級的結構。上述方案中，運放采用改進的兩級密勒補償結構，輸入級為折疊式輸入，通過開關改變補償電容在采樣相WiiS和傳輸相WiiT的電容值大小，使運放在兩種不同的反饋系數(shù)下都保持穩(wěn)定，同時采用開關電容共模反饋電路和一個共模電平反相器將輸出級共模電平的變化反饋到輸入級，保持輸出級共模電平的穩(wěn)定。本發(fā)明的特點在于，本發(fā)明具有如下有益效果1、利用本發(fā)明，運放在采樣相PhiS、傳輸相Η Τ和清零相WiiC工作，提高了運放功耗的利用率。由于傳統(tǒng)的余量放大相被分割為復位相WiiR和傳輸相WiiT，運放分別工作在反饋系數(shù)小、無負載和反饋系數(shù)大、有負載兩種情況下，性能要求大大降低，有利于模數(shù)轉換器整體功耗的降低。2、利用本發(fā)明，采樣開關在采樣相WiiS結束時提前關斷，有利于減小電荷注入效應的影響。3、利用本發(fā)明，運放在復位相WiiR復位，可以消除記憶效應，提高模數(shù)轉換器的精度。4、利用本發(fā)明，采樣電容在清零相WiiC清零，可以消除采樣電容的殘留電壓對下一次采樣的影響，同時提高下一次采樣時運放的建立速度。5、利用本發(fā)明，比較器在復位相WiiR有足夠的時間進行比較，有利于減小比較器的失調和功耗。6、利用本發(fā)明，可以根據(jù)指標要求調節(jié)四個相位的時間，優(yōu)化系統(tǒng)。


圖1為本發(fā)明提供的適用于流水線模數(shù)轉換器的新型MDAC結構的結構示意圖。圖2為圖1結構中各時鐘信號時序關系示意圖。圖3為圖1結構在WiiS相工作時的結構示意圖。圖4為圖1結構在WiiR相工作時的結構示意圖。圖5為圖1結構在Η Τ相工作時的結構示意圖。圖6為圖1結構在WiiC相工作時的結構示意圖。圖7位圖1結構中運放的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明進一步詳細說明。
實施例1如圖1所示，圖1為本發(fā)明提供的適用于流水線模數(shù)轉換器的新型MDAC結構的結構示意圖，該結構包括運放、第一開關電容單元和第二開關電容單元。其中，第一開關電容單元和第二開關電容單元均由采樣電容Cs、反饋電容CF、負載電容CL和開關組成。在采樣相WiiS，采樣電容采樣輸入信號，同時運放保持反饋電容上的電壓，對負載電容進行充放電；在復位相WiiR，采樣電容懸空，運放的輸入端接共模電平Vcomi，輸出端接共模電平 Vcomo，反饋電容上的電壓復位；在傳輸相WiiT，運放對采樣電容上的樣本進行余量放大， 余量電壓傳輸?shù)椒答侂娙萆?；在清零相WiiC，采樣電容兩端都接共模電平Vcomi，電荷清零，準備下一次的采樣。圖1結構在圖2所示的各時鐘信號的控制下工作。如圖2所示，PhiSp的下降沿比WiiS略微提前，使采樣開關在采樣相WiiS結束時提前關斷，減小電荷注入效應的影響； PhiS與PhiSB互為反相信號；PhiR與PhiRB互為反相信號；PhiS, PhiR, PhiT和PhiC為非交疊時鐘，保證MDAC正常工作。圖1結構在WiiS相的工作狀態(tài)如圖3所示，兩個采樣電容CS—端分別接差分輸入信號Vinp、Vinn,另一端分別接共模電平Vcomi，對差分輸入信號進行采樣，同時運放與兩個反饋電容CF構成反饋系數(shù)為1的負反饋網絡，對兩個負載電容CL分別進行充放電。圖1結構在WiiR相的工作狀態(tài)如圖4所示，兩個采樣電容CS懸空，兩個反饋電容 CF的一端和運放的輸入端接共模電平Vcomi，另一端和運放的輸出端接共模電平Vcomo進行復位，消除了記憶效應的影響。同時，比較器在WiiR相有足夠的時間進行比較，有利于減小比較器的失調和功耗。圖1結構在WiiT相的工作狀態(tài)如圖5所示，兩個采樣電容CS、兩個反饋電容CF與運放構成反饋系數(shù)為CF/(CS+CF)的負反饋網絡，對兩個采樣電容CS上的差分電壓進行余量放大，差分余量電壓傳輸?shù)絻蓚€反饋電容上。圖1結構在WiiC相的工作狀態(tài)如圖6所示，兩個采樣電容CS的兩端均接共模電平 Vcomi，實現(xiàn)電荷清零，減小了兩個采樣電容CS上的殘留電壓對下一次采樣的影響，并且提高了下一次采樣時運放的建立速度。此時，運放繼續(xù)保持兩個反饋電容CF上的差分電壓。如圖3、圖4、圖5和圖6所示，運放在PhiS相、PhiT相和PhiC相工作，在PhiR相復位，提高了運放功耗的利用率。由于傳統(tǒng)的余量放大相在這里被分割為采樣相WiiS和傳輸相WiiT，運放分別工作在反饋系數(shù)小、無負載和反饋系數(shù)大、有負載兩種情況下，性能要求大大降低，有利于模數(shù)轉換器整體功耗的降低。如圖3、圖4、圖5和圖6所示，該結構不僅可以采用1. 5位/級的結構，還可以采用多位/級的結構。如圖7所示，運放采用改進的兩級密勒補償結構，輸入級為折疊式輸入，通過開關 M12和M13改變補償電容在采樣相WiiS和傳輸相Η Τ的電容值大小，使運放在兩種不同的反饋系數(shù)下都保持穩(wěn)定，同時采用由兩個反饋電容Cfb和開關Mfb4組成的開關電容共模反饋電路和一個由MfbO、兩個Mfbl和Mfb2組成的共模電平反相器將輸出級共模電平的變化反饋到輸入級，保持輸出級共模電平的穩(wěn)定。
權利要求
1.一種適用于流水線模數(shù)轉換器的MDAC結構，其特征在于，該結構包括運放(1)、第一開關電容單元(2)和第二開關電容單元(3)，其中，第一開關電容單元(1)和第二開關電容單元⑵均由采樣電容CS、反饋電容CF、負載電容CL和開關組成；在采樣相WiiS，采樣電容采樣輸入信號，同時運放(1)保持反饋電容上的電壓，對負載電容進行充放電；在復位相 PhiR，采樣電容懸空，運放(1)的輸入端接共模電平Vcomi，輸出端接共模電平Vcomo，反饋電容上的電壓復位；在傳輸相WiiT，運放(1)對采樣電容上的樣本進行余量放大，余量電壓傳輸?shù)椒答侂娙萆?；在清零相WiiC，采樣電容兩端均接共模電平Vcomi，電荷清零。
2.根據(jù)權利要求1所述的適用于流水線模數(shù)轉換器的MDAC結構，其特征在于，所述的 PhiSp的下降沿比WiiS的下降沿略微提前，使采樣開關在采樣相WiiS結束時提前關斷。
3.根據(jù)權利要求1所述的適用于流水線模數(shù)轉換器的MDAC結構，其特征在于，所述運放(1)在采樣相WiiS、傳輸相Η Τ和清零相WiiC工作，在復位相WiiR復位。
4.根據(jù)權利要求1所述的適用于流水線模數(shù)轉換器的MDAC結構，其特征在于，在采樣相WiiS，運放(1)與反饋電容構成負反饋網絡，反饋系數(shù)為1，同時運放(1)對負載電容進行充放電；在傳輸相WiiT，運放(1)與采樣電容、反饋電容構成負反饋網絡，反饋系數(shù)為CF/ CS，此時運放(1)只進行余量放大，不驅動負載電容。
5.根據(jù)權利要求1所述的適用于流水線模數(shù)轉換器的MDAC結構，其特征在于，相鄰級的比較器均在采樣相WiiS采樣MDAC的輸出，在復位相WiiR進行比較。
6.根據(jù)權利要求1所述的適用于流水線模數(shù)轉換器的MDAC結構，其特征在于，該結構采用多位/級的結構，或采用1. 5位/級的結構。
7.根據(jù)權利要求1所述的適用于流水線模數(shù)轉換器的MDAC結構，其特征在于，所述運放(1)采用改進的兩級密勒補償結構，輸入級為折疊式輸入，通過開關改變補償電容在采樣相WiiS和傳輸相WiiT的電容值大小，使運放(1)在兩種不同的反饋系數(shù)下都保持穩(wěn)定， 同時采用開關電容共模反饋電路和一個共模電平反相器將輸出級共模電平的變化反饋到輸入級，保持輸出級共模電平的穩(wěn)定。
全文摘要
本發(fā)明屬流水線模數(shù)轉換器技術領域，涉及一種適用于流水線模數(shù)轉換器的新型MDAC結構，包括運放、第一開關電容單元和第二開關電容單元。其中，第一開關電容單元和第二開關電容單元均由采樣電容CS、反饋電容CF、負載電容CL和開關組成。在采樣相PhiS，采樣電容采樣輸入信號，同時運放保持反饋電容上的電壓，對負載電容進行充放電；在復位相PhiR，采樣電容懸空，運放的輸入端接共模電平Vcomi，輸出端接共模電平Vcomo，反饋電容上的電壓復位；在傳輸相PhiT，運放對采樣電容上的樣本進行余量放大，余量電壓傳輸?shù)椒答侂娙萆?；在清零相PhiC，采樣電容兩端都接共模電平Vcomi，電荷清零，準備下一次的采樣。利用本發(fā)明能降低模數(shù)轉換器的功耗，提高轉換速率。
文檔編號H03M1/12GK102255615SQ20101018056
公開日2011年11月23日 申請日期2010年5月20日 優(yōu)先權日2010年5月20日
發(fā)明者洪志良, 秦亞杰, 陸波, 陳奇輝 申請人:復旦大學