一種提高流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)化器中余量放大器建立速度電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)化器。
【背景技術(shù)】
[0002] 在過去的幾十年中，集成電路技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。特別是以通訊為首的電子 系統(tǒng)，向著高速率、高性能、高集成度、低成本的方向不斷向前發(fā)展。這就對系統(tǒng)中的各個模 塊提出了更高的要求。如模數(shù)轉(zhuǎn)化器，系統(tǒng)要求提高模數(shù)轉(zhuǎn)化器的采樣速率、量化精度等要 求的同時，也希望提高模數(shù)轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率，降低其功耗。
[0003] 隨著采樣速率的提高，流水線模數(shù)轉(zhuǎn)化器中余量放大器的建立時間變短。對于傳 統(tǒng)的流水線電路，只能通過增加運算放大器的功耗來提高帶寬，提高余量放大器的建立速 度。然而，在同一工藝條件不變的前提下，通過增加功耗并不能有效地提高高速運算放大器 的帶寬。而且，在增加運算放大器的帶寬的同時，會降低其直流增益，降低余量放大器的有 效建立精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種提高流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)化器中余量放大器 建立速度電路，可以在不增加電路功耗的前提下提高余量放大器輸出信號的建立速度。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種提高流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)化器中余量放大器建 立速度電路，其特征在于：包含一個帶內(nèi)部復(fù)位開關(guān)的兩級運算放大器0PA，輸入采樣電容 Cs，反饋電容Cf，負(fù)載電容C1，一個sub-dac電路和開關(guān)S1、開關(guān)S2、開關(guān)S3 ;所述的余量 放大器電路以單端電路顯示，開關(guān)S1、開關(guān)S2、開關(guān)S3、運算放大器的內(nèi)部開關(guān)S4、開關(guān)S5 均連接到虛擬地。
[0006] 所述的運算放大器OPA包含復(fù)位開關(guān)S4、開關(guān)S5,補償電容Cc;所述的運算放大 器OPA的第一級輸出跨導(dǎo)為gml，第二級輸出跨導(dǎo)為gm2 ;所述的復(fù)位開關(guān)S4連接在運算放 大器的第一級輸出端和虛擬地之間；當(dāng)余量放大器進(jìn)入余量放大階段，所述的運算放大器 OPA需要從復(fù)位狀態(tài)切換成正常的放大模式，開關(guān)S4先斷開，經(jīng)過延時量At后，開關(guān)S5再 斷開。
[0007] 所述的Sub-dac電路，在開關(guān)S3斷開時，量化輸入信號，并將結(jié)果通過開關(guān)S2輸 入到余量放大器的電容反饋網(wǎng)絡(luò)。
[0008] 所述電路在采樣時刻點，所述開關(guān)S3從閉合狀態(tài)切換到斷開狀態(tài)，所述開關(guān)S1、 開關(guān)S4、開關(guān)S5處于閉合狀態(tài)，開關(guān)S2處于斷開狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)S3完全斷開后，開關(guān)Sl斷 開，其它開關(guān)保持不變；隨后，開關(guān)S2由斷開狀態(tài)切換到閉合狀態(tài)，開關(guān)S4由閉合狀態(tài)切換 到斷開狀態(tài)；開關(guān)S2的閉合可以早于開關(guān)S4的斷開；開關(guān)S4斷開At時間后，開關(guān)S5斷 開；余量放大器進(jìn)入復(fù)位相位時，開關(guān)S2從閉合狀態(tài)切換到斷開狀態(tài)早于開關(guān)Sl從閉合狀 態(tài)切換到斷開狀態(tài)。
[0009] 所述電路，當(dāng)余量放大器進(jìn)入余量放大相位時，延遲運算放大器OPA輸出端的復(fù) 位開關(guān)S5由閉合狀態(tài)切換到斷開狀態(tài)；將運算放大器OPA的第一級輸出節(jié)點vol預(yù)充到一 定的電壓值；當(dāng)開關(guān)S5斷開時，節(jié)點vol的電位，可以加快運算放大器OPA第二級的建立速 度。
【附圖說明】
[0010] 圖1為本發(fā)明一種提高流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)化器中余量放大器建立速度電路的結(jié)構(gòu) 圖；
[0011] 圖2為本發(fā)明一種提高流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)化器中余量放大器建立速度電路的工作 時序圖；
[0012] 圖3為本發(fā)明一種提高流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)化器中余量放大器建立速度電路在不同 延時量下，余量放大器的建立情況對比圖。 具體實施例
[0013] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0014] 本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。包含一個帶內(nèi)部復(fù)位開關(guān)的兩級運算放大器0PA， 輸入采樣電容Cs，反饋電容Cf，負(fù)載電容Cl，一個sub-dac電路和開關(guān)Sl、開關(guān)S2、開關(guān)S3 ; 所述的余量放大器電路以單端電路顯示，開關(guān)S1、開關(guān)S2、開關(guān)S3、運算放大器的內(nèi)部開關(guān) S4、開關(guān)S5均連接到虛擬地。圖2是本發(fā)明電路的工作時序，當(dāng)時序信號為高時，開關(guān)閉合； 反之，開關(guān)斷開。
[0015] 在輸入跟隨相位，開關(guān)S1、開關(guān)S3、開關(guān)S4、開關(guān)S5都處于閉合狀態(tài)，而開關(guān)S2處 于斷開狀態(tài)。開關(guān)信號S3的下降沿是本發(fā)明的采樣時刻點。開關(guān)S3的下降沿必須超前開 關(guān)S1、開關(guān)S4、開關(guān)S5的下降沿和開關(guān)S2的上升沿。假設(shè)在采樣時刻點，模數(shù)轉(zhuǎn)化器的模 擬輸入信號的差分電壓為va。那么采樣電容上的電壓被鎖定在va。
[0016] 隨后，開關(guān)SI斷開，開關(guān)S2閉合。開關(guān)S2的作用是將模數(shù)轉(zhuǎn)化器的輸入電壓的 量化結(jié)果和輸入信號相減。假設(shè)量化結(jié)果為vax。那么在開關(guān)S2閉合后，電容Cs需要轉(zhuǎn)移 至IJ電容Cf?上的總電荷量為
[0017] QO = (va-vax)*Cs
[0018] 當(dāng)余量放大器建立完成后，余量放大器的輸出為
[0020] 開關(guān)信號S4的下降沿可以和開關(guān)信號S2的上升沿重合，或者滯后于開關(guān)信號S2。 當(dāng)開關(guān)S4斷開后，兩級運算放大的第一級的輸出端vol開始充電。將開關(guān)S4斷開的時刻 點記為t= 0。此時運算放大器的輸入端電壓是
[0022] 在開關(guān)S5斷開前，運算放大器的輸入端電壓vi不變，即
[0024] 經(jīng)過At時間后，vo1的電壓為
[0026] 其中g(shù)ml是運算放大器第一級的跨導(dǎo)值，Cc是運算放大器的補償電容值。
[0027] 當(dāng)開關(guān)S5斷開時，運算放大器的輸出節(jié)點vo開始充放電。由于節(jié)點vol被預(yù)充 到一個非零電位，并且該電位的極性和運算放大器的最終輸出電壓的極性相反。而運算放 大器的第二級是一個反向放大器。在開關(guān)S5斷開的瞬間，運算放大器的輸出端輸出一個大 電流
[0029] 該輸出電流和余量放大器的最終建立電壓的極性是一致的，可以加快余量放大器 的建立。而在傳統(tǒng)的余量放大器電路中，開關(guān)S4、開關(guān)S5是同時斷開的。在斷開的瞬間，運 算放大器的輸出端的初始電流為零。
[0030] 設(shè)定Cs= 6. 4pF，Cf= 0? 8pF，Ce=lpF，Cl=lpF，gml= 8mS，gm2 = 20mS。開關(guān) S4在第Ins斷開。而開關(guān)S5分別延時On、In、I. 5n后斷開。電路的輸入va-vax= 125mV。 圖3是運算放大器輸出端vo的響應(yīng)波形圖。圖中的實線、點虛線、點線分別對應(yīng)At為On、 ln、I. 5n。如果要求余量放大器建立到千分之一的誤差，那么需要的建立時間分別是7. 91n、 5. 34n、8. 65n。從建立的結(jié)果可以知道，只要設(shè)定合適的延時量At，就可以加快余量放大器 的建立。使用本發(fā)明提供的方法，只需調(diào)整運算放大器輸出端復(fù)位開關(guān)的時序，即可減小余 量放大器的建立時間，提高模數(shù)轉(zhuǎn)化器的最高轉(zhuǎn)化速率。
【主權(quán)項】
1. 一種提高流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)化器中余量放大器建立速度電路，其特征在于：包含一個 帶內(nèi)部復(fù)位開關(guān)的兩級運算放大器OPA，輸入采樣電容Cs，反饋電容Cf，負(fù)載電容C1，一個 sub-dac電路和開關(guān)S1、開關(guān)S2、開關(guān)S3 ;所述的余量放大器電路以單端電路顯示，開關(guān) S1、開關(guān)S2、開關(guān)S3、運算放大器的內(nèi)部開關(guān)S4、開關(guān)S5均連接到虛擬地。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)化器中余量放大器建立速度電路， 其特征在于：所述的運算放大器OPA包含復(fù)位開關(guān)S4、開關(guān)S5,補償電容Cc ;所述的運算放 大器OPA的第一級輸出跨導(dǎo)為gml，第二級輸出跨導(dǎo)為gm2 ;所述的復(fù)位開關(guān)S4連接在運算 放大器的第一級輸出端和虛擬地之間；當(dāng)余量放大器進(jìn)入余量放大階段，所述的運算放大 器OPA需要從復(fù)位狀態(tài)切換成正常的放大模式，開關(guān)S4先斷開，經(jīng)過延時量A t后，開關(guān)S5 再斷開。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)化器中余量放大器建立速度電路， 其特征在于：所述的Sub-dac電路，在開關(guān)S3斷開時，量化輸入信號，并將結(jié)果通過開關(guān)S2 輸入到余量放大器的電容反饋網(wǎng)絡(luò)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)化器中余量放大器建立速度電路， 其特征在于：在采樣時刻點，所述開關(guān)S3從閉合狀態(tài)切換到斷開狀態(tài)，所述開關(guān)S1、開關(guān) S4、開關(guān)S5處于閉合狀態(tài)，開關(guān)S2處于斷開狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)S3完全斷開后，開關(guān)Sl斷開，其 它開關(guān)保持不變；隨后，開關(guān)S2由斷開狀態(tài)切換到閉合狀態(tài)，開關(guān)S4由閉合狀態(tài)切換到斷 開狀態(tài)；開關(guān)S2的閉合可以早于開關(guān)S4的斷開；開關(guān)S4斷開A t時間后，開關(guān)S5斷開； 余量放大器進(jìn)入復(fù)位相位時，開關(guān)S2從閉合狀態(tài)切換到斷開狀態(tài)早于開關(guān)Sl從閉合狀態(tài) 切換到斷開狀態(tài)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)化器中余量放大器建立速度電路， 其特征在于：當(dāng)余量放大器進(jìn)入余量放大相位時，延遲運算放大器OPA輸出端的復(fù)位開關(guān) S5由閉合狀態(tài)切換到斷開狀態(tài)；將運算放大器OPA的第一級輸出節(jié)點vol預(yù)充到一定的電 壓值；當(dāng)開關(guān)S5斷開時，節(jié)點vol的電位，可以加快運算放大器OPA第二級的建立速度。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)化器中余量放大器建立速度的電路。該電路包含了一個帶電容補償?shù)膬杉夁\算放大器OPA、一個采樣電容Cs、一個反饋電容Cf、一個負(fù)載電容Cl、一個Sub-dac電路和開關(guān)S1、開關(guān)S2、開關(guān)S3、開關(guān)S4、開關(guān)S5。此電路通過將兩級運算放大器的內(nèi)部節(jié)點預(yù)充到高電位，加快運算放大器輸出端的電壓建立，從而減小運算放大器單位帶寬積的設(shè)計要求，降低運算放大器的功耗。最終實現(xiàn)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化器的低功耗設(shè)計。
【IPC分類】H03M1/12
【公開號】CN105162465
【申請?zhí)枴緾N201510542266
【發(fā)明人】廖浩勤, 嚴(yán)偉
【申請人】西安啟微迭儀半導(dǎo)體科技有限公司
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年8月28日