流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，相鄰兩級(jí)級(jí)模塊中的后一級(jí)模塊包括第二運(yùn)算放大器，前后一級(jí)模塊分別工作于保持模式和采樣模式時(shí)，第二運(yùn)算放大器的輸入端連接前一級(jí)模塊的第一運(yùn)算放大器的輸入端、第二運(yùn)算放大器的輸出端連接到后一級(jí)模塊的采樣保持模塊的第一輸入端，第二運(yùn)算放大器將前一級(jí)模塊的第一運(yùn)算放大器的輸入端的輸入失調(diào)電壓進(jìn)行放大后得到誤差放大信號(hào)并輸入到采樣保持模塊中，采樣保持模塊將前一級(jí)模塊的輸出模擬信號(hào)減去誤差放大信號(hào)得到采樣模擬信號(hào)。本發(fā)明能有效減少或消除級(jí)模塊的運(yùn)算放大器的增益有限導(dǎo)致的非線性誤差，能提高電路的工作速度。
【專利說(shuō)明】流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體集成電路，特別是涉及一種流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。

【背景技術(shù)】
[0002]流水線ADC是一種既能實(shí)現(xiàn)高速又能實(shí)現(xiàn)相當(dāng)分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，在通信系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，對(duì)性能的要求也越來(lái)越高。運(yùn)算放大器是流水線ADC中的核心模塊，理想狀態(tài)下運(yùn)放即運(yùn)算放大器的直流增益為無(wú)窮大。然而實(shí)際中，運(yùn)放的增益是有限的，從而在輸入端產(chǎn)生誤差電壓即輸入失調(diào)電壓，導(dǎo)致流水線傳輸函數(shù)偏離理想曲線?，F(xiàn)有的數(shù)字校正方法需要很長(zhǎng)的時(shí)間實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確校正，大大影響了流水線ADC的工作速度。
[0003]現(xiàn)有流水線ADC是由多個(gè)級(jí)模塊連接形成，如圖1所示，是現(xiàn)有流水線ADC的級(jí)模塊的運(yùn)算放大器在理想狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)示意圖，級(jí)模塊為1.5位每級(jí)(1.5bit/stage)結(jié)構(gòu)，
1.5位每級(jí)的級(jí)模塊能輸出2位數(shù)據(jù)，2位數(shù)據(jù)的有效值分別為00，01和10 ；11為冗余碼。級(jí)模塊包括:
[0004]子模數(shù)轉(zhuǎn)換器(未不出)，用于將對(duì)輸入模擬信號(hào)米樣后形成的米樣模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出。
[0005]余量增益電路，余量增益電路包括子數(shù)模轉(zhuǎn)換器(未示出)、第一運(yùn)算放大器1la和采樣保持模塊。
[0006]子數(shù)模轉(zhuǎn)換器用于將子模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為中間模擬信號(hào)Vda。，由于數(shù)字信號(hào)包括3個(gè)值即00，01和10，也即十進(jìn)制的0，I和2 ;現(xiàn)有技術(shù)中中間模擬信號(hào)Vda?？梢酝ㄟ^(guò)數(shù)字信號(hào)開(kāi)關(guān)陣列進(jìn)行控制使得中間模擬信號(hào)Vda。分別取電壓_VMf、0和Vref之一。Vref為基準(zhǔn)電壓。用公式可以表示為:
[0007]Vdac= (d_l)VMf，其中d取數(shù)字信號(hào)的值即0、1或2。
[0008]余量增益電路包括采樣模式和保持模式兩種工作模式，工作模式由一對(duì)互為反相的第一時(shí)鐘信號(hào)Φ^Ρ第二時(shí)鐘信號(hào)O1控制，即通過(guò)第一時(shí)鐘信號(hào)Φ^Ρ第二時(shí)鐘信號(hào)O1控制對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)工作模式的切換。
[0009]當(dāng)?shù)谝粫r(shí)鐘信號(hào)O1控制對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)導(dǎo)通、第二時(shí)鐘信號(hào)O1控制對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，余量增益電路處于采樣模式，此時(shí)采樣保持模塊為電容C1和電容C2形成的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，電容C1和電容C2的第一端接地，第二端連接輸入模擬信號(hào)Vin，采樣后，電容C1和電容C2的第一端的電荷為:
[0010]Q1 = -(C^C2)Vi(I)。
[0011]當(dāng)?shù)谝粫r(shí)鐘信號(hào)O1控制對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)、第二時(shí)鐘信號(hào)O1控制對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，余量增益電路處于保持模式，此時(shí)采樣保持模塊為電容C1和電容C2形成的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，電容Cl和電容C2的第一端連接第一運(yùn)算放大器1la的反相輸入端，電容Cl的第二端連接第一運(yùn)算放大器1la的輸出端，電容C2的第二端連接中間模擬信號(hào)Vda。。由于理想狀態(tài)下第一運(yùn)算放大器1la的增益即放大倍數(shù)為無(wú)窮大，故第一運(yùn)算放大器1la的正反相輸入端為虛短,所以電容Cl和電容C2的第一端的電壓接地，此時(shí)電容Cl和電容C2的第一端的電荷為:
[0012]Q2 = VdacC2-V0C1(2)。
[0013]由Ql等于Q2，以及Vdac=(d-1) V,ef，可以得到如下級(jí)模塊的傳輸函數(shù)公式:

【權(quán)利要求】
1.一種流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括由多個(gè)級(jí)模塊組成的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，各級(jí)所述級(jí)模塊都包括模擬信號(hào)輸入端、數(shù)字信號(hào)輸出端和模擬信號(hào)輸出端；第一級(jí)所述級(jí)模塊的模擬信號(hào)輸入端連接外部模擬信號(hào)，第一級(jí)外的其它各級(jí)所述級(jí)模塊的模擬信號(hào)輸入端連接上一級(jí)所述級(jí)模塊的模擬信號(hào)輸出端； 各級(jí)所述級(jí)模塊包括子模數(shù)轉(zhuǎn)換器和余量增益電路，各級(jí)所述級(jí)模塊的子模數(shù)轉(zhuǎn)換器將輸入模擬信號(hào)的采樣模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出；各級(jí)所述級(jí)模塊的余量增益電路包括子數(shù)模轉(zhuǎn)換器、第一運(yùn)算放大器和采樣保持模塊，通過(guò)所述子數(shù)模轉(zhuǎn)換器將輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成中間模擬信號(hào)； 各級(jí)所述級(jí)模塊的余量增益電路包括采樣模式和保持模式兩種工作模式，各級(jí)所述級(jí)模塊的余量增益電路的工作模式由一對(duì)互為反相的第一時(shí)鐘信號(hào)和第二時(shí)鐘信號(hào)控制，各奇數(shù)級(jí)的所述級(jí)模塊的余量增益電路的工作模式相同且和各偶數(shù)級(jí)的所述級(jí)模塊的余量增益電路的工作模式都相反； 在采樣模式時(shí)，各級(jí)所述級(jí)模塊的余量增益電路的采樣保持模塊對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行采樣并得到采樣模擬信號(hào)；在保持模式時(shí)，各級(jí)所述級(jí)模塊的余量增益電路將所述采樣模擬信號(hào)和所述中間模擬信號(hào)相減并通過(guò)所述第一運(yùn)算放大器放大后形成輸出模擬信號(hào)，所述第一運(yùn)算放大器的輸出端為對(duì)應(yīng)的所述級(jí)模塊的模擬信號(hào)輸出端； 至少一個(gè)相鄰兩級(jí)所述級(jí)模塊中的后一級(jí)模塊還包括一第二運(yùn)算放大器，當(dāng)相鄰兩級(jí)所述級(jí)模塊的前一級(jí)模塊工作于保持模式、所述后一級(jí)模塊工作于采樣模式時(shí)，所述第二運(yùn)算放大器的輸入端連接所述前一級(jí)模塊的所述第一運(yùn)算放大器的輸入端、所述第二運(yùn)算放大器的輸出端連接到所述后一級(jí)模塊的所述采樣保持模塊的第一輸入端，所述采樣保持模塊的第二輸入端作為所述后一級(jí)模塊的模擬信號(hào)輸入端并連接所述前一級(jí)模塊的模擬信號(hào)輸出端；所述第二運(yùn)算放大器將所述前一級(jí)模塊的所述第一運(yùn)算放大器的輸入端的輸入失調(diào)電壓進(jìn)行放大后得到誤差放大信號(hào)并輸入到所述采樣保持模塊中，所述采樣保持模塊通過(guò)將所述前一級(jí)模塊的輸出模擬信號(hào)減去所述誤差放大信號(hào)得到所述采樣模擬信號(hào)；所述輸入失調(diào)電壓的值為所述第一運(yùn)算放大器的輸出模擬信號(hào)除以所述第一運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)，所述輸入失調(diào)電壓使所述第一運(yùn)算放大器的輸出模擬信號(hào)相對(duì)于放大倍數(shù)是無(wú)窮大的理想運(yùn)算放大器小于一個(gè)誤差偏離值，所述誤差偏離值的大小為所述輸入失調(diào)電壓除以所述第一運(yùn)算放大器的反饋系數(shù)，所述誤差放大信號(hào)要求滿足能夠部分或全部抵消所述誤差偏離值； 當(dāng)相鄰兩級(jí)所述級(jí)模塊的前一級(jí)模塊工作于采樣模式、所述后一級(jí)模塊工作于保持模式時(shí)，所述后一級(jí)模塊的所述第二運(yùn)算放大器的輸出端和所述采樣保持模塊的第一輸入端斷開(kāi)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:各級(jí)所述級(jí)模塊的余量增益電路包括所述子數(shù)模轉(zhuǎn)換器、所述第一運(yùn)算放大器、第一電容和第二電容；在采樣模式時(shí)，由所述第一電容和所述第二電容并聯(lián)形成所述采樣保持模塊，所述第一電容和所述第二電容的第一端連接在一起并作為所述采樣保持模塊的第一輸入端，所述第一電容和所述第二電容的第二端連接在一起并作為所述采樣保持模塊的第二輸入端；在保持模式時(shí)，所述第一電容和所述第二電容的第一端連接在一起并連接到所述第一運(yùn)算放大器的輸入端，所述第一電容的第二端連接所述第一運(yùn)算放大器的輸出端，所述第二電容的第二端連接所述子數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端并輸入所述中間模擬信號(hào)。
3.如權(quán)利要求2所述的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:所述第一運(yùn)算放大器的反饋系數(shù)為C1/ (Q+C^Cp), C1為所述第一電容的電容值，C2為所述第二電容的電容值，Cp為所述運(yùn)算放大器的輸入端和地之間的寄生電容值。
4.如權(quán)利要求1所述的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:所述第一運(yùn)算放大器和所述第二運(yùn)算放大器都為全差分運(yùn)算放大器，都分別包括一對(duì)差分輸入端和一對(duì)差分輸出端；所述子數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的中間模擬信號(hào)、所述第一運(yùn)算放大器輸出的輸出模擬信號(hào)、所述輸入失調(diào)電壓、所述誤差放大信號(hào)和所述采樣模擬信號(hào)都分別包括一對(duì)差分信號(hào)； 所述輸入失調(diào)電壓的差分對(duì)從對(duì)應(yīng)的所述第一運(yùn)算放大器的一對(duì)差分輸入端引出，所述輸入失調(diào)電壓的差分對(duì)分別輸入到對(duì)應(yīng)的所述第二運(yùn)算放大器的一對(duì)差分輸入端，所述第二運(yùn)算放大器的一對(duì)差分輸出端輸出所述誤差放大信號(hào)的差分對(duì)； 所述采樣保持模塊包括一對(duì)對(duì)稱的采樣保持模塊一和采樣保持模塊二，所述采樣保持模塊一用于將所述前一級(jí)模塊的輸出模擬信號(hào)差分對(duì)中的一個(gè)減去所述誤差放大信號(hào)差分對(duì)中的一個(gè)得到所述采樣模擬信號(hào)差分對(duì)中的一個(gè)，所述采樣保持模塊二用于將所述前一級(jí)模塊的輸出模擬信號(hào)差分對(duì)中的另一個(gè)減去所述誤差放大信號(hào)差分對(duì)中的另一個(gè)得到所述采樣模擬信號(hào)差分對(duì)中的另一個(gè)。
5.如權(quán)利要求4所述的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:各級(jí)所述級(jí)模塊的余量增益電路包括子數(shù)模轉(zhuǎn)換器、第一運(yùn)算放大器、一對(duì)第一電容和一對(duì)第二電容； 在采樣模式時(shí)，由第一個(gè)所述第一電容和第一個(gè)所述第二電容并聯(lián)形成所述采樣保持模塊一，第一個(gè)所述第一電容和第一個(gè)所述第二電容的第一端連接在一起并作為所述采樣保持模塊一的第一輸入端，第一個(gè)所述第一電容和第一個(gè)所述第二電容的第二端連接在一起并作為所述采樣保持模塊一的第二輸入端；由第二個(gè)所述第一電容和第二個(gè)所述第二電容并聯(lián)形成所述采樣保持模塊二，第二個(gè)所述第一電容和第二個(gè)所述第二電容的第一端連接在一起并作為所述采樣保持模塊二的第一輸入端，第二個(gè)所述第一電容和第二個(gè)所述第二電容的第二端連接在一起并作為所述采樣保持模塊二一的第二輸入端； 在保持模式時(shí)，第一個(gè)所述第一電容和第一個(gè)所述第二電容的第一端連接在一起并連接到所述第一運(yùn)算放大器的第一個(gè)差分輸入端，第一個(gè)所述第一電容的第二端連接所述第一運(yùn)算放大器的第一個(gè)差分輸出端，第一個(gè)所述第二電容的第二端連接所述子數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端并輸入所述中間模擬信號(hào)差分對(duì)中的一個(gè)；第二個(gè)所述第一電容和第二個(gè)所述第二電容的第一端連接在一起并連接到所述第一運(yùn)算放大器的第二個(gè)差分輸入端，第二個(gè)所述第一電容的第二端連接所述第一運(yùn)算放大器的第二個(gè)差分輸出端，第二個(gè)所述第二電容的第二端連接所述子數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端并輸入所述中間模擬信號(hào)差分對(duì)中的另一個(gè)。
6.如權(quán)利要求5所述的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:所述第一運(yùn)算放大器的兩個(gè)差分輸出端和對(duì)應(yīng)的差分輸入端之間的反饋系數(shù)都分別為C1/ (CACfCpXC1為所述第一電容的電容值，C2為所述第二電容的電容值，Cp為所述運(yùn)算放大器的輸入端和地之間的寄生電容值。
7.如權(quán)利要求4所述的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于:所述第二運(yùn)算放大器為單級(jí)差分放大器。
【文檔編號(hào)】H03M1/12GK104168021SQ201310182986
【公開(kāi)日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2013年5月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月17日
【發(fā)明者】朱紅衛(wèi), 趙郁煒 申請(qǐng)人:上海華虹宏力半導(dǎo)體制造有限公司