專利名稱：用于電荷耦合流水線adc的反饋增強(qiáng)型電荷傳輸電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的反饋增強(qiáng)型電荷傳輸電路，屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展，電子系統(tǒng)的數(shù)字化和集成化是必然趨勢。然而現(xiàn)實(shí)中的信號大都是連續(xù)變化的模擬量，需經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號方可輸入到數(shù)字系統(tǒng)中進(jìn)行處理和控制，因而模數(shù)轉(zhuǎn)換器在未來的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是不可或缺的組成部分。在寬帶通信、數(shù)字高清電視和雷達(dá)等應(yīng)用領(lǐng)域，系統(tǒng)要求模數(shù)轉(zhuǎn)換器同時(shí)具有非常高的采樣速率和分辨率。這些應(yīng)用領(lǐng)域的便攜式終端產(chǎn)品對于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求不僅要高采樣速率和高分辨率，其功耗還應(yīng)該最小化。目前，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)高采樣速率和高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)為流水線結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。流水線結(jié)構(gòu)是一種多級的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，每一級使用低精度的基本結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸入信號經(jīng)過逐級的處理，最后由每級的結(jié)果組合生成高精度的輸出。其基本思想就是把總體上要求的轉(zhuǎn)換精度平均分配到每一級，每一級的轉(zhuǎn)換結(jié)果合并在一起可以得到最終的轉(zhuǎn)換結(jié)果。由于流水線結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以在速度、功耗和芯片面積上實(shí)現(xiàn)最好的折中，因此在實(shí)現(xiàn)較高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)仍然能保持較高的速度和較低的功耗?，F(xiàn)有比較成熟的實(shí)現(xiàn)流水線結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的方式是基于開關(guān)電容技術(shù)的流水線結(jié)構(gòu)。基于該技術(shù)的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中采樣保持電路和各個(gè)子級電路的工作也都必須使用高增益和寬帶寬的運(yùn)算放大器。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速度和處理精度取決于所使用高增益和超寬帶寬的運(yùn)算放大器負(fù)反饋的建立速度和精度。因此該類流水線結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的核心是所使用高增益和超寬帶寬的運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)。這些高增益和寬帶寬運(yùn)算放大器的使用限制了開關(guān)電容流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速度和精度，成為該類模數(shù)轉(zhuǎn)換器性能提高的主要限制瓶頸，并且精度不變的情況下模數(shù)轉(zhuǎn)換器功耗水平隨速度的提高呈直線上升趨勢。要降低基于開關(guān)電容電路的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的功耗水平，最直接的方法就是減少或者消去高增益和超寬帶寬的運(yùn)算放大器的使用。電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器就是一種不使用高增益和超寬帶寬的運(yùn)算放大器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有低功耗特性同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)高速度和高精度。電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用電荷耦合信號處理技術(shù)。電路中，信號以電荷包的形式表示，電荷包的大小代表不同大小的信號量，不同大小的電荷包在不同存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)間的存儲(chǔ)、傳輸、加/減、比較等處理實(shí)現(xiàn)信號處理功能。通過采用周期性的時(shí)鐘來驅(qū)動(dòng)控制不同大小的電荷包在不同存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)間的信號處理便可以實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。在電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，各級電荷耦合流水線子級電路由本級電荷傳輸控制開關(guān)、多個(gè)電荷物理存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)、多個(gè)連接到電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的電荷存儲(chǔ)元件、多個(gè)比較器、多個(gè)受比較器輸出結(jié)果控制的基準(zhǔn)電荷選擇電路在控制時(shí)鐘的控制下構(gòu)成。各級流水線子級電路的工作過程中，電荷的傳輸、加/減、比較量化等功能均圍繞各子級的電荷物理存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行。由于流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)包括了大量的數(shù)字電路，而普通CMOS工藝是實(shí)現(xiàn)這些大規(guī)模數(shù)字電路的最佳工藝。要借助數(shù)字信號處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)超高速和超高精度的電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最核心的一個(gè)問題就是電荷包的存儲(chǔ)傳輸、比較量化以及加減運(yùn)算等關(guān)鍵步驟在現(xiàn)有的普通CMOS工藝條件下能夠高效并精確地實(shí)現(xiàn)。因此，為借助大規(guī)模數(shù)字信號處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高速度和高精度電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，必須提供一種適用于普通CMOS工藝的高精度電荷傳輸電路。對于高效電荷傳輸技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)有的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式典型的有專禾Ij US2007/0279507A1增強(qiáng)型電荷傳輸電路，其典型電路結(jié)構(gòu)如

圖1所示。電荷傳輸MOSFET S的柵極Ve被連接到由MOS管M1、M2和M3構(gòu)成的運(yùn)算放大器1的輸出端。運(yùn)算放大器1的輸出端運(yùn)算電荷傳輸之前，S處于關(guān)斷狀態(tài)，待傳輸電荷被存儲(chǔ)在C1上。圖2為該電路的工作電壓波形示意圖。t0時(shí)刻，Ckl發(fā)生負(fù)階越變化，Ckln發(fā)生正階越變化，導(dǎo)致Ni電壓VNi突變到一個(gè)低電位而No的電壓VN。突變到一個(gè)高電位，運(yùn)算放大器1將會(huì)響應(yīng)該變化并驅(qū)動(dòng)MOSFET S柵極Ve電壓為高電平，使得S開始導(dǎo)通；由于電勢差的緣故，Ni上所存儲(chǔ)電荷將會(huì)以電子形式向No轉(zhuǎn)移，引起VNi上升而VN。下降，運(yùn)算放大器1將同樣會(huì)響應(yīng)該變化并驅(qū)動(dòng)MOSFET S柵極Ve電壓逐漸降低；tl時(shí)亥lj，當(dāng)VNi上升到電壓V,時(shí)，Vg電壓逐漸降低到截止電壓Vth時(shí)，S重新關(guān)斷，電荷傳輸過程結(jié)束，其中Vt由共源共柵運(yùn)算放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)確定。圖1所示電路在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)所傳輸?shù)碾姾闪緼可以用C1上電荷變化量表示。Qt = C1* ( Δ Vckl-Δ VNi)(1)= C1* ((Vckl (to) -Vckl (tl)) - (VNi (to) -VNi (tl))上式中，Vckl(t0)、Vckl(tl)、VNi(t0)均為由基準(zhǔn)電壓直接控制的固定量；VNi (to)由待傳輸信號電荷量決定，而VNi (tl)在電荷傳輸結(jié)束時(shí)逼近到電壓Vp整個(gè)電荷傳輸過程中，VNi向Vt逼近的速度和精度直接決定了 BCT電路的電荷傳輸速度和精度。若Vt精確穩(wěn)定，則傳輸過程中所傳輸?shù)碾姾闪繛榇齻鬏斝盘栯姾傻木€性函數(shù)。但由于Vt由共源共柵運(yùn)算放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)確定，Vt對于PVT波動(dòng)非常敏感。假設(shè)由于PVT波動(dòng)t產(chǎn)生了 Δ V的變化，對應(yīng)VNi(tl)將會(huì)產(chǎn)生AV的電壓變化量。由(1)式，我們可以看到AV會(huì)直接在Qt上產(chǎn)生AQ = AV^C1的誤差電荷量。圖3為BCT電路對應(yīng)的小信號模型。該模型中Cpl為Cp2寄生電容，電荷傳輸過程中由Ni流向No的電流為Idl，運(yùn)放A的增益為Αη。顯然有Idl== k(Vgs-Vth)2(2)其中彳= ICotWWZAQSC1電荷，c。x*氧化層電容，U為載流子遷移率，W/L為S的寬長比，Vgs為柵源電壓，Vth為閾值電壓，又Vgs = Vg-Vs = Vg-Vm = AnVd-Vm = An (Vr-Vm) -Vm(3)其中& =c ^c，將⑶式帶入⑵式我們得到[0019]
權(quán)利要求1.用于電荷耦合流水線ADC的反饋增強(qiáng)型電荷傳輸電路，其特征是包括一個(gè)電荷傳輸MOSFET和一個(gè)運(yùn)算放大器；所述運(yùn)算放大器的第一輸入信號端連接到電荷待傳輸節(jié)點(diǎn)Ni，即電荷傳輸MOSFET的源極；運(yùn)算放大器的第二輸入信號端連接到電荷傳輸目標(biāo)節(jié)點(diǎn)No,即電荷傳輸MOSFET的漏極；運(yùn)算放大器的第三輸入信號端和第四輸入信號端分別連接到第一基準(zhǔn)電壓Vrj和第二基準(zhǔn)電壓Vr2 ；運(yùn)算放大器的輸出信號端連接到電荷傳輸MOSFET的柵極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述反饋增強(qiáng)型電荷傳輸電路，其特征在于，所述時(shí)鐘控制的運(yùn)算放大器電路包括11個(gè)MOS管，分別為第一 NMOS管(Ml)、第二 NMOS管(M2)、第三NMOS管(M3)、第四 NMOS 管(M4)、第九 NMOS 管(M9)、第十 NMOS 管(M10)、第^^一 NMOS 管(Mil)、第五PMOS管(M5)、第六PMOS管(M6)、第七PMOS管(M7)、第八PMOS管(M8)；連接關(guān)系為第一NMOS管(Ml)的柵極連接到運(yùn)算放大器的第一輸入信號端，第一 NMOS管(Ml)漏極連接到第六PMOS管(M6)的漏極和柵極，第一 NMOS管(Ml)源極連接到第十NMOS管(MlO)的漏極；第二 NMOS管(M2)的柵極連接到運(yùn)算放大器的第二輸入信號端，第二 NMOS管(M2)漏極連接到第五PMOS管(M5)的漏極，第二 NMOS管(M2)源極連接到第十NMOS管(MlO)的漏極；第三NMOS管(M3)的柵極連接到運(yùn)算放大器的第三輸入信號端，第三NMOS管(M3)漏極連接到第六PMOS管(M6)的漏極和柵極，第三NMOS管(M3)源極連接到第九NMOS管(M9)的漏極；第四NMOS管(M4)的柵極連接到運(yùn)算放大器的第四輸入信號端，第四NMOS管(M4)漏極連接到第五PMOS管(M5)的漏極，第四NMOS管(M4)源極連接到第九NMOS管(M9)的漏極；第九NMOS管(M9)的漏極連接到第三和第四NMOS管(M4)的源極，第九NMOS管(M9)柵極連接到偏置電壓，第九NMOS管(M9)源極連接到地；第十NMOS管(MlO)的漏極連接到第一和第二NMOS管(M2)的源極，第十NMOS管(MlO)柵極連接到偏置電壓，第十NMOS管(MlO)源極連接到地；第五PMOS管(M5)的柵極連接到第六PMOS管(M6)的柵極，第五PMOS管(M5)漏極連接到第二和第四NMOS管(M4)的漏極，第五PMOS管(M5)源極連接到第七PMOS管(M7)的漏極；第六PMOS管(M6)的柵極和漏極連接到第五PMOS管(M5)的柵極，同時(shí)連接到第一和第三NMOS管(M3)的漏極，第六PMOS管(M6)源極連接到第八PMOS管(M8)的漏極；第七PMOS管(M7)的漏極連接到第五PMOS管(M5)的源極，第七PMOS管(M7)柵極連接到時(shí)鐘信號，第七PMOS管(M7)源極連接到電源；第八PMOS管(M8)的漏極連接到第六PMOS管(M6)的源極，第八PMOS管(M8)柵極連接到時(shí)鐘信號，第八PMOS管(M8)源極連接到電源；第十一NMOS管(Mil)的柵極連接到時(shí)鐘信號，第i^一 NMOS管(Mil)源極連接到地，第i^一 NMOS管(Mil)漏極連接到第五PMOS管(M5)的漏極；第五PMOS管(M5)的漏極連接到運(yùn)算放大器的輸出信號端。
專利摘要本實(shí)用新型屬于集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種適用于普通CMOS工藝的電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的反饋增強(qiáng)型電荷傳輸電路，該反饋增強(qiáng)型電荷傳輸電路包括一個(gè)電荷傳輸MOSFET和一個(gè)輸出端連接到電荷傳輸MOSFET柵極的差動(dòng)差分運(yùn)算放大器連接構(gòu)成。其優(yōu)點(diǎn)是本實(shí)用新型所提供的反饋增強(qiáng)型電荷傳輸電路，能夠精確控制所傳輸?shù)碾姾闪看笮?，克服了現(xiàn)有電荷傳輸電路對于PVT波動(dòng)敏感的問題，可以廣泛應(yīng)用于電荷耦合流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中各級電荷耦合子級流水電路中。
文檔編號H03M1/12GK202309681SQ20112038630
公開日2012年7月4日 申請日期2011年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月11日
發(fā)明者于宗光, 季惠才, 陳珍海, 黃嵩人 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所