10位流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種10位流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，各1.5位級模塊包括采樣保持電路一和二以及帶有兩組差分輸入端的運(yùn)算放大器。各級模塊包括采樣保持模式一和二兩種工作模式，在兩種工作模式中，采樣保持電路一和二交替工作在采樣模式和放大模式。數(shù)字校正電路采用逐級運(yùn)算的方式將運(yùn)算分配到進(jìn)行數(shù)字碼同步的各級第二子電路中，不需要采用加法器，而采用與非門、或非門、倒相器和D觸發(fā)器就能構(gòu)成。本發(fā)明能同時實現(xiàn)10位高精度200MHz的高速，能夠廣泛應(yīng)用于數(shù)字通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及視頻系統(tǒng)中。
【專利說明】10位流水線模數(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10位流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。

【背景技術(shù)】
[0002] 流水線ADC是一種既能實現(xiàn)高速又能實現(xiàn)相當(dāng)分辨率的結(jié)構(gòu)，在電子系統(tǒng)中應(yīng)用 廣泛，同時對性能的要求也越來越高。
[0003] 如圖1所示，是現(xiàn)有流水線ADC的結(jié)構(gòu)圖；通過采樣保持模塊（S/H)101進(jìn)行模 擬輸入，輸入的模擬信號經(jīng)過多個級模塊（stage)如級模塊一 1021、級模塊il02i、級模塊 nl02n以及閃速級模塊103等進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，每一個級模塊形成1位或多位數(shù)字信號， 如I^bits、Kibits、Knbits、Kn+1bits，轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號輸入到移位寄存器104中并通 過數(shù)字校正電路105后輸出，時鐘產(chǎn)生電路106用于產(chǎn)生時鐘信號從而對級模塊的工作模 式進(jìn)行控制。
[0004] 如圖2所示，是圖1中的級模塊的結(jié)構(gòu)圖；級模塊102i包括子ADCiKM和余量增 益電路(MDAO105,輸入的模擬信號Vin經(jīng)過子ADCiKM轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號Kibits;余量增益 電路105包括采樣保持模塊106,子數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC)i107和運(yùn)算放大器108,子DACi107 將數(shù)字信號Kibits轉(zhuǎn)化為模擬量，采樣保持模塊106對輸入的模擬信號Vin進(jìn)行采樣，模 擬信號Vin和子DACi107輸出的模擬量通過減法模塊相減后產(chǎn)生一余量，該余量通過運(yùn)算 放大器108進(jìn)行放大后輸出模擬信號Vwt，模擬信號Vtjut為滿量程的幅度，模擬信號Vwt作 為下一級的級模塊的輸入模擬信號。
[0005] 為了說明運(yùn)放即運(yùn)算放大器在流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的作用，先分析MDAC105的工 作過程。如圖2中所示，余量增益電路的作用有三點：1、減法功能。用前一級的模擬輸出值 Vin減去該值經(jīng)子ADCiKM量化再進(jìn)經(jīng)子DACil07變換后的模擬值以求出余量。2、增益功 能。為了使每級能使用同樣的參考電壓源要對每級的余量乘以一個合適的因子。3、采樣保 持功能。
[0006] 為了分析方便，以每級1. 5位的MDAC單元為例。如圖3A所示，是圖2中的MDAC 為1. 5位時級模塊的采樣模式電路圖；級模塊包括電容Cf和Cs，子DAC107a和運(yùn)算放大器 108a。子DAC107a通過三個開關(guān)選擇電壓VMf、〇和-Vref實現(xiàn)，并輸出電壓信號Vda。。開關(guān) 109和110由時鐘信號一Φ1控制，開關(guān)111由時鐘信號二Φ2控制。在米樣模式時開關(guān) 109和110接通，輸入信號Vi被采樣到電容Cf和Cs ;開關(guān)111斷開，此時運(yùn)算放大器108a 閑置。此時運(yùn)放輸入端的電荷為：
[0007]Q1 = - (Cs+Cf)Vi (1)
[0008] 如圖3B所示，是圖2中的MDAC為1. 5位時級模塊的保持模式即放大模式電路圖； 在放大模式時開關(guān)109和110斷開，開關(guān)111接通，電容器Cf上極板通過開關(guān)111接到運(yùn) 算放大器108a的輸出端，運(yùn)放處于工作狀態(tài)。Cs上極板會接到子DAC107a的輸出即電壓信 號Vda。。此時運(yùn)放輸入端的電荷為：
[0009] Q2= (Vx-Vdac)Cs+(Vx-V0)Cf (2)
[0010] 式（2)中V。=AX(O-Vx)，A為運(yùn)放的有限直流增益，Vx為運(yùn)算放大器108a的輸入 端即反相輸入端的電壓，運(yùn)算放大器l〇8a的正相輸入端接地。
[0011] 由電荷守恒原理，Q1 =Q2,可以得到：

【權(quán)利要求】
1. 一種10位流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，10位流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括由9個級模 塊組成的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，第1至8級級模塊都分別為1. 5位級模塊，第9級級模塊為 2位閃速模數(shù)轉(zhuǎn)換器； 各所述1. 5位級模塊都包括一模擬信號輸入端、數(shù)字信號輸出端和模擬信號輸出端； 第一級所述級模塊的模擬信號輸入端連接外部模擬信號，第一級外的其它各級所述級 模塊的模擬信號輸入端連接上一級所述級模塊的模擬信號輸出端； 各所述1. 5位級模塊包括子模數(shù)轉(zhuǎn)換器和余量增益電路，各所述1. 5位級模塊的子模 數(shù)轉(zhuǎn)換器將輸入模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出； 各所述1. 5位級模塊的余量增益電路包括子數(shù)模轉(zhuǎn)換器、采樣保持電路一、采樣保持 電路二和運(yùn)算放大器； 所述子數(shù)模轉(zhuǎn)換器將輸出的所述數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成中間模擬信號，各所述1. 5位級模塊 的余量增益電路將所述輸入模擬信號和所述中間模擬信號相減后得到模擬信號余量并通 過所述運(yùn)算放大器將該模擬信號余量放大后形成輸出模擬信號； 所述運(yùn)算放大器包括兩組差分輸入端，第一組差分輸入端的輸入管分別和第一開關(guān)管 串聯(lián)，所述第一開關(guān)管通過第一時鐘信號進(jìn)行開關(guān)切換；第二組差分輸入端的輸入管分別 和第二開關(guān)管串聯(lián)，所述第二開關(guān)管通過第二時鐘信號進(jìn)行開關(guān)切換，所述第一時鐘信號 和所述第二時鐘信號為互不交疊時鐘信號； 所述采樣保持電路一的輸出端連接到所述第一組差分輸入端，所述采樣保持電路二的 輸出端連接到所述第二組差分輸入端； 各所述1. 5位級模塊的余量增益電路包括采樣保持模式一和采樣保持模式二兩種工 作模式，兩種工作模式由所述第一時鐘信號和所述第二時鐘信號進(jìn)行切換； 在所述采樣保持模式一時，所述第一組差分輸入端的輸入管和所述第一開關(guān)管接通， 所述第二組差分輸入端的輸入管和所述第二開關(guān)管斷開，所述采樣保持電路二工作在采樣 模式、所述采樣保持電路一工作在放大模式，所述運(yùn)算放大器通過所述第一組差分輸入端 將所述采樣保持電路一采樣得到的所述輸入模擬信號和所述中間模擬信號相減后得到模 擬信號余量并進(jìn)行放大后形成輸出模擬信號； 在所述采樣保持模式二時，所述第二組差分輸入端的輸入管和所述第二開關(guān)管接通， 所述第一組差分輸入端的輸入管和所述第一開關(guān)管斷開，所述采樣保持電路一工作在采樣 模式、所述采樣保持電路二工作在放大模式，所述運(yùn)算放大器通過所述第二組差分輸入端 將所述采樣保持電路二采樣得到的所述輸入模擬信號和所述中間模擬信號相減后得到模 擬信號余量并進(jìn)行放大后形成輸出模擬信號； 所述10位流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器還包括數(shù)字校正電路；第n級級模塊的子模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出 的數(shù)字信號為2位且分別為〇2m和D2m_i，n為1?9中的任意一個整數(shù)值，m為10-n ;所述數(shù) 字校正電路由9級第二子電路組成，第n級第二子電路的輸入端輸入所述第n級級模塊輸 出的2位數(shù)據(jù)D,m和其中，n為1?8中的任意一個整數(shù)值；第9級第二子電路的輸入 端輸入數(shù)據(jù);所述第n級第二子電路的輸入端還輸入第n-1級第二子電路的輸出數(shù)據(jù)， 其中，n為2?9中的任意一個整數(shù)值；所述數(shù)字校正電路輸出10位的量化數(shù)據(jù)，各位量化 數(shù)據(jù)表示為Q。，n為1?10中的任意一個整數(shù)值；由第9級所述第二子電路輸出量化數(shù)據(jù) Q2?Qi。，量化數(shù)據(jù)Qi取為數(shù)據(jù)Di ; 所述第9級第二子電路輸出的量化數(shù)據(jù)91。為；91。= 41。,2+81。,2〇2，其中，41。,2和81。,2由 第8級第二子電路輸出的量化數(shù)據(jù)Qi。的系數(shù)；各所述第n級第二子電路輸出的量化數(shù)據(jù) Qi。的系數(shù)為：
所述第9級第二子電路輸出的量化數(shù)據(jù)Qk為：化=年友+也2 +毎2〇2，其中，k為 3?9中的任意一個整數(shù)值，Ak,2、Bk,2和Bk,2為由所述第8級第二子電路輸出的量化數(shù)據(jù)Qk 的系數(shù)；各所述第n級第二子電路輸出的量化數(shù)據(jù)Qk的系數(shù)為：
所述第9級第二子電路輸出的量化數(shù)據(jù)Q,為：往=+巧化_。
2.如權(quán)利要求1所述的10位流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于：所述采樣保持電路一和 所述采樣保持電路二都采用相同的采樣保持電路單元結(jié)構(gòu)，所述采樣保持電路單元結(jié)構(gòu)包 括；電容一和電容二； 所述電容一的第一端和所述電容二的第一端相連接且作為所述采樣保持電路單元結(jié) 構(gòu)的輸出端； 所述電容一的第二端通過開關(guān)一連接所述輸入模擬信號、所述電容二的第二端通過開 關(guān)二連接所述輸入模擬信號，所述電容一和所述電容二的第一端通過開關(guān)H接地； 所述電容一的第二端通過開關(guān)四連接所述運(yùn)算放大器的輸出端，所述電容二的第二端 通過開關(guān)五連接所述中間模擬信號； 所述開關(guān)一、所述開關(guān)二、所述開關(guān)H都連接第一組時鐘信號，所述開關(guān)四和所述開關(guān) 五都連接第二組鐘信號，所述第一組時鐘信號和所述第二組鐘信號為互為不交疊的時鐘信 號； 所述開關(guān)一、所述開關(guān)二和所述開關(guān)H接通，且所述開關(guān)四和所述開關(guān)五斷開時所述 采樣保持電路單元結(jié)構(gòu)工作于采樣模式； 所述開關(guān)一、所述開關(guān)二和所述開關(guān)H斷開，且所述開關(guān)四和所述開關(guān)五接通時所述 采樣保持電路單元結(jié)構(gòu)工作于放大模式；

所述采樣保持電路一所連接的所述第一組時鐘信號為所述第二時鐘信號，所述采樣保 持電路一所連接的所述第二組時鐘信號為所述第一時鐘信號； 所述采樣保持電路二所連接的所述第一組時鐘信號為所述第一時鐘信號，所述采樣保 持電路二所連接的所述第二組時鐘信號為所述第二時鐘信號。
3. 如權(quán)利要求2所述的10位流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于；各所述1. 5位級模塊為 全差分結(jié)構(gòu)，所述輸入模擬信號、所述中間模擬信號和所述輸出模擬信號都全差分信號；所 述輸出模擬信號的正相信號分別由所述運(yùn)算放大器的正反相輸出端輸出； 所述采樣保持電路一和所述采樣保持電路二都分別由兩個所述采樣保持電路單元結(jié) 構(gòu)組成，對于所述采樣保持電路一和所述采樣保持電路二中任意一個的兩個所述采樣保持 電路單元結(jié)構(gòu)的信號連接關(guān)系分別為： 第一個采樣保持電路單元結(jié)構(gòu)分別連接所述輸入模擬信號的正相信號、所述中間模擬 信號的反相信號、所述運(yùn)算放大器的一組差分輸入端中的正相輸入端、所述運(yùn)算放大器的 反相輸出端； 第二個采樣保持電路單元結(jié)構(gòu)分別連接所述輸入模擬信號的反相信號、所述中間模擬 信號的正相信號、所述運(yùn)算放大器的一組差分輸入端中的反相輸入端、所述運(yùn)算放大器的 正相輸出端。
4. 如權(quán)利要求1或2或3所述的10位流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于；所述運(yùn)算放大 器采用套筒式折疊共源共柵結(jié)構(gòu)。
5. 如權(quán)利要求4所述的10位流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于；所述運(yùn)算放大器包括： 由第一 NMOS管、第二NMOS管和第H NMOS管組成的第一共源共柵放大支路，所述第一 NMOS管為輸入管、柵極為第一組差分輸入端的正相輸入端，所述第一 NMOS管的源極接地； 所述第二NMOS管為第一開關(guān)管，所述第二NMOS管的柵極接第一時鐘信號，所述第二NMOS 管的源極連接所述第一 NMOS管的漏極；所述第H M0S管的源極連接所述第二NMOS管的漏 極，所述第H NMOS管的漏極作為所述運(yùn)算放大器的反相輸出端，所述第H NMOS管的漏極和 電源電壓之間連接第一有源負(fù)載； 由第四NMOS管、第五NMOS管和第六NMOS管組成的第二共源共柵放大支路，所述第四 NMOS管為輸入管、柵極為第一組差分輸入端的反相輸入端，所述第四NMOS管的源極接地； 所述第五NMOS管為第一開關(guān)管，所述第五NMOS管的柵極接第一時鐘信號，所述第五NMOS 管的源極連接所述第一 NMOS管的漏極；所述第六M0S管的源極連接所述第五NMOS管的漏 極，所述第六NMOS管的漏極作為所述運(yùn)算放大器的正相輸出端，所述第六NMOS管的漏極和 電源電壓之間連接第二有源負(fù)載； 第走NMOS管和第八NMOS管，由所述第走NMOS管、所述第八NMOS管和第H NMOS管組 成的第H共源共柵放大支路，所述第走NMOS管為輸入管、柵極為第二組差分輸入端的正相 輸入端，所述第走NMOS管的源極接地；所述第八NMOS管為第二開關(guān)管，所述第八NMOS管的 柵極接第二時鐘信號，所述第八NMOS管的源極連接所述第走NMOS管的漏極；所述第H M0S 管的源極連接所述第八NMOS管的漏極； 第九NMOS管和第十NMOS管，由所述第九NMOS管、所述第十NMOS管和第六NMOS管組 成的第四共源共柵放大支路，所述第九NMOS管為輸入管、柵極為第二組差分輸入端的反相 輸入端，所述第九NMOS管的源極接地；所述第十NMOS管為第二開關(guān)管，所述第十NMOS管的 柵極接第二時鐘信號，所述第十NMOS管的源極連接所述第九NMOS管的漏極；所述第六MOS 管的源極連接所述第十NM0S管的漏極； 第一輔助放大器，所述第一輔助放大器的反相輸入端連接所述第H NMOS管的源極、正 相輸出端連接所述第H NMOS管的柵極，所述第一輔助放大器的正相輸入端連接所述第六 NMOS管的源極、反相輸出端連接所述第六NMOS管的柵極。
6. 如權(quán)利要求5所述的10位流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于： 所述第一有源負(fù)載由第一 PM0S管和第二PM0S管組成，所述第一 PM0S管的漏極連接 所述第H NMOS管的漏極，所述第一 PM0S管的源極連接所述第二PM0S管的漏極，所述第二 PM0S管的源極接電源電壓； 所述第二有源負(fù)載由第H PM0S管和第四PM0S管組成，所述第H PM0S管的漏極連接 所述第六NMOS管的漏極，所述第H PM0S管的源極連接所述第四PM0S管的漏極，所述第四 PM0S管的源極接電源電壓；所述第二PM0S管和所述第四PM0S管的柵極連接相同的偏置電 壓； 第二輔助放大器，所述第二輔助放大器的正相輸入端連接所述第一 PM0S管的源極、反 相輸出端連接所述第一 PM0S管的柵極；所述第二輔助放大器的反相輸入端連接所述第H PM0S管的源極、正相輸出端連接所述第H PM0S管的柵極。
7. 如權(quán)利要求5所述的10位流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于：所述運(yùn)算放大器還包括 第^^一 NMOS管和第十二NMOS管，所述第^^一 NMOS管的漏極連接所述第一 NMOS管的源極、 所述第十一 NMOS管的柵極接所述運(yùn)算放大器的共模反饋信號，所述第十二NMOS管的漏極 連接所述第四NMOS管的源極、所述第十二NMOS管的柵極接參考信號，所述第十一 NMOS管 和所述第十二NMOS管的源極接地。
8. 如權(quán)利要求1所述的10位流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于：各級所述第二子電路由 與非口、或非口、倒相器和D觸發(fā)器構(gòu)成。
【文檔編號】H03M1/38GK104426547SQ201310386513
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月30日
【發(fā)明者】朱紅衛(wèi), 趙郁煒 申請人:上海華虹宏力半導(dǎo)體制造有限公司