專利名稱：采用運(yùn)算放大器共享的低功耗流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用運(yùn)算放大器共享技術(shù)的低功耗流 水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
高速度、低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)是如今混合信號系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)中的總體發(fā)展趨 勢，它在數(shù)據(jù)通信、液晶顯示驅(qū)動(dòng)、SOC系統(tǒng)、10/100兆以太網(wǎng)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。在 眾多種類的模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)中，流水線結(jié)構(gòu)以其在速度、精度和功耗方面的折衷優(yōu)勢 而成為首要選擇。流水線結(jié)構(gòu)的基本思想是把總體的轉(zhuǎn)換精度要求平均分配到每一級，再將每級輸 出合并成為最終的轉(zhuǎn)換結(jié)果。圖1是一個(gè)傳統(tǒng)每級2. 5位的流水線結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu) 示意圖，第一級為采樣保持電路，最后一級為3位全并行子模數(shù)轉(zhuǎn)換器，中間每一級的結(jié)構(gòu) 和功能都相同。每一級流水線都將前一級的輸出作為本級子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入，并同時(shí)量 化出3位的數(shù)字信號。每級量化的數(shù)字信號一方面作為本級的輸出，另一方面作為本級數(shù) 模轉(zhuǎn)換器(DAC)的輸入，使得DAC的輸出產(chǎn)生對應(yīng)于這3位數(shù)字信號的模擬信號，然后從本 級的輸入信號中減去DAC的輸出信號，再乘以4倍因子作為本級輸出，也即下一級的輸入。 每級的傳輸曲線有六個(gè)量化閾值電壓，分別為正負(fù)參考電壓的1/8、3/8、5/8倍(士VR/8、 士3VR/8、士5VR/8)，通過六個(gè)比較器產(chǎn)生3位的數(shù)字輸出，系統(tǒng)每級的余量轉(zhuǎn)移曲線如圖2 所示。3位輸出數(shù)據(jù)中有1位冗余，這1位冗余數(shù)字輸出用于校正比較器的輸入失調(diào)，提高 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度。對于傳統(tǒng)的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，一個(gè)采樣保持級和后級余量增益流水線級。一般 最后一級流水線用全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，除了最后一級，其他每一級流水線都需要一個(gè)運(yùn)算 放大器，并且前后兩級的運(yùn)算放大器是交替工作的，它們占據(jù)了整個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要功 耗。為了減少功耗，可以將流水線中前后兩級的運(yùn)算放大器共享。在兩相互不交迭的時(shí)鐘 控制下分別交替地為前后兩級工作。不過共享運(yùn)算放大器會(huì)積累電荷，影響精度，增加了設(shè) 計(jì)難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種采用運(yùn)算放大器共享的低功耗高速流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換 器，以便有效減小現(xiàn)有高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的功耗。本發(fā)明設(shè)計(jì)的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由無采樣保持電路的第一級流水線1，第二級、 第三級、第四級流水線2、3、4，最后一級3位并行子模數(shù)轉(zhuǎn)換器5，兩個(gè)運(yùn)算放大器6、7，數(shù) 字校正電路8構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)見圖3所示。無采樣保持的第一級流水線1與后面的第二級、第 三級、第四級流水線2、3、4，最后一級3位并行子模數(shù)轉(zhuǎn)換器5，依次相連，每級流水線得到3 位數(shù)字輸出，經(jīng)過數(shù)字校正電路8，得到實(shí)際結(jié)果；連續(xù)的前后兩級流水線共享一個(gè)運(yùn)算放 大器，即第一級流水線1和第二級流水線2共用運(yùn)算放大器6，第三級流水線3和第四級流水線4共用運(yùn)算放大器7。第一級流水線和第二級流水線總共產(chǎn)生5位數(shù)字輸出，第三級流 水線和第四級流水線總共產(chǎn)生5位數(shù)字輸出，最后一級全并行子模數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生3位數(shù)字 輸出，所有的數(shù)字輸出經(jīng)過數(shù)字校正電路8處理后產(chǎn)生11位有效的數(shù)字輸出。本發(fā)明采用無采樣保持電路的第一級流水線和前后級運(yùn)算放大器共享技術(shù)，以減 小電路的功耗。電路在雙相非交疊時(shí)鐘下工作，在前半周期時(shí)鐘內(nèi)，第一級流水線中的子模 數(shù)轉(zhuǎn)換器和余量增益電路采樣當(dāng)前周期開始時(shí)的輸入信號，并且它的子模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模 數(shù)轉(zhuǎn)換；而第二級流水線對于上一周期由第一級流水線產(chǎn)生的余量電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并 輸出三位數(shù)字結(jié)果，運(yùn)算放大器則工作在第二級作為余量增益電路，產(chǎn)生后級待轉(zhuǎn)換的模 擬電壓；后半周期時(shí)鐘內(nèi)，第一級流水線的子模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出前半周期時(shí)鐘內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換得 到的三位數(shù)字結(jié)果，子數(shù)模轉(zhuǎn)換器根據(jù)這三位數(shù)字結(jié)果產(chǎn)生余量電壓信號，運(yùn)算放大器切 換到第一級作為余量增益電路，對余量電壓信號進(jìn)行放大并保持，提供給第二級流水線在 下一周期處理。圖4為時(shí)鐘產(chǎn)生電路，圖5為電路的工作時(shí)序示意圖，圖6是共享運(yùn)算放大 器且不帶采樣保持的第一級和第二級流水線示意圖，圖7為用于無采樣保持電路的子模數(shù) 轉(zhuǎn)換器的特殊比較器。


圖1傳統(tǒng)流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器概念的結(jié)構(gòu)框圖。圖2流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換曲線(2. 5位每級)。圖3本發(fā)明中的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖。圖4本發(fā)明中的時(shí)鐘產(chǎn)生電路。圖5本發(fā)明中電路的工作時(shí)序。圖6本發(fā)明中無采樣保持的第一級和第二級運(yùn)放共享的結(jié)構(gòu)。圖7無采樣保持電路中子模數(shù)轉(zhuǎn)換器所采用的比較器電路。圖中標(biāo)號廣5為第一至第五級子流水線，6 7為共享運(yùn)算放大器，8為數(shù)字校正電 路，9，10為第一級和第二級余量增益電路，1Γ12為共享運(yùn)算放大器13的開關(guān)，13為共享 運(yùn)算放大器，14為無采樣保持電路的第一級流水線中的子模數(shù)轉(zhuǎn)換器，15為第一級流水線 中的子數(shù)模轉(zhuǎn)換器，16為第二級流水線的子模數(shù)轉(zhuǎn)換器，17為第二級流水線的子數(shù)模轉(zhuǎn)換 器，1纊30為第一級子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部組成部分，其中If 19為采樣開關(guān)，2(Γ21為采樣電 容，22 23為比較器，24 25為鎖存器，26為解碼電路，27 30為電荷重分布開關(guān)，3廣42為時(shí) 鐘產(chǎn)生器的各子模塊，43 47第一至第五級子流水線，48 56為開關(guān)，57飛0為采樣電容，61 為前置放大器，62為控制比較器輸出結(jié)果的鎖存器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明。本發(fā)明的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器由無采樣保持電路的第一級流水線1，第二、三、四級 流水線2 4，全并行三位模數(shù)轉(zhuǎn)換器5，共享運(yùn)算放大器6、7和數(shù)字校正電路8構(gòu)成，其電路 框圖如圖3所示。原始模擬輸入電壓被第一級流水線采樣并轉(zhuǎn)換產(chǎn)生3位數(shù)字輸出和余量 電壓，余量電壓按照流水線順序往后級傳遞，第二、三、四級流水線各產(chǎn)生3位數(shù)字輸出，最 后一級為標(biāo)準(zhǔn)的兩位全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生3位不帶校正的輸出；前面各級流水線產(chǎn)生
4的3位輸出中，有一位是冗余量，用以進(jìn)行數(shù)字校正。產(chǎn)生的15位數(shù)據(jù)通過數(shù)字校正電路 得到最終的U位轉(zhuǎn)換結(jié)果。整體電路工作在雙相非交疊時(shí)鐘下，時(shí)鐘產(chǎn)生電路產(chǎn)生穩(wěn)定、準(zhǔn)確的時(shí)序保證運(yùn) 算放大器的切換等精細(xì)操作。時(shí)鐘產(chǎn)生電路由時(shí)鐘緩沖3廣32，分頻器33 37，時(shí)鐘產(chǎn)生器 38^42構(gòu)成，產(chǎn)生工作時(shí)鐘供給流水線43 47使用，其框圖如圖4所示。兩倍于流水線工作 頻率的外部時(shí)鐘經(jīng)過總時(shí)鐘緩沖器31后分成5路第一路進(jìn)入緩沖器32和分頻器33后， 進(jìn)入時(shí)鐘產(chǎn)生器38，生成第一級流水線工作時(shí)鐘；第二路依次通過分頻器34和時(shí)鐘產(chǎn)生器 39，生成第二級流水線的工作時(shí)鐘；第三路依次通過分頻器35和時(shí)鐘產(chǎn)生器40，生成第三 級流水線工作時(shí)鐘；第四路依次通過分頻器36和時(shí)鐘產(chǎn)生器41，生成第四級流水線工作時(shí) 鐘；第五路依次通過分頻器37和時(shí)鐘產(chǎn)生器42，生成第五級流水線的工作時(shí)鐘。時(shí)鐘產(chǎn)生電路供給的電路工作時(shí)序如圖5所示，運(yùn)算放大器共享與前后級切換， 流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換，都在此時(shí)序下進(jìn)行。CK為外部時(shí)鐘，Ql為偶數(shù)級流水線保持時(shí)鐘，Q2為 奇數(shù)級流水線保持時(shí)鐘，Q3為奇數(shù)級比較器采樣時(shí)鐘，Q4為奇數(shù)級比較器電荷重分布時(shí) 鐘，QlP為消除開關(guān)電荷注入影響而比Ql提早關(guān)斷的時(shí)鐘，Q3P為消除開關(guān)電荷注入影響而 比Q3提早關(guān)斷的時(shí)鐘。其中，共享運(yùn)算放大器的第一級與第二級流水線結(jié)構(gòu)由余量增益電 路纊10，共享運(yùn)算放大器13及其切換開關(guān)1廣12，無采樣保持電路的第一級流水線中的特 殊子模數(shù)轉(zhuǎn)換器14，第一級流水線中的子數(shù)模轉(zhuǎn)換器15，第二級流水線中的子模數(shù)轉(zhuǎn)換器 16，第二級流水線中的子數(shù)模轉(zhuǎn)換器17組成。在用于無采樣保持電路的第一級流水線中， 特殊子模數(shù)轉(zhuǎn)換器14由采樣開關(guān)If 19，采樣電容2(Γ21，比較器22 23，鎖存器24 25，解 碼電路26，電荷重分布開關(guān)27 30組成，第一、二級流水線整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。電路工作 如下Q3為高時(shí)，子數(shù)模轉(zhuǎn)換器14中的采樣開關(guān)If 19導(dǎo)通，采樣電容2(Γ21，采樣輸入模 擬電壓，Q3變低時(shí)，停止采樣；Q4為高時(shí)，電荷重分布開關(guān)27 28導(dǎo)通，且比較器23 24工 作，Q4變低時(shí)，比較器結(jié)果被鎖存器2Γ25鎖存輸出，該輸出經(jīng)過解碼電路26產(chǎn)生3位數(shù) 字結(jié)果和子模數(shù)轉(zhuǎn)換器15的控制碼；Q2為高時(shí)，選擇開關(guān)11導(dǎo)通，運(yùn)算放大器13切換到 第一級流水線，組成余量增益電路9，同時(shí)控制碼確定子模數(shù)轉(zhuǎn)換器15的輸出電壓，經(jīng)過余 量增益電路9求得余量并放大4倍，該放大后的電壓被第二級流水線的子數(shù)模轉(zhuǎn)換器16所采 樣；Ql為高時(shí)，選擇開關(guān)12導(dǎo)通，運(yùn)算放大器切換到第一級，子模數(shù)轉(zhuǎn)換器16把采樣得到的 電壓轉(zhuǎn)換成3位數(shù)字結(jié)果并輸出，同時(shí)產(chǎn)生控制碼，該控制碼確定子模數(shù)轉(zhuǎn)換器17的輸出電 壓，經(jīng)過余量增益電路10求得余量并放大4倍，該放大后的電壓送至第三級流水線處理。在無采樣保持電路的第一級流水線中，子模數(shù)轉(zhuǎn)換器中采用的特殊比較器由開關(guān) 48飛6，采樣電容57飛0，放大器61，鎖存器62組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。該比較器工 作在圖5所示的時(shí)序下，Q3變高時(shí)，由Q3控制的開關(guān)48 51和由Q3P控制的開關(guān)55、56導(dǎo) 通，輸入共模電壓通過開關(guān)55、56與放大器61的輸入端連接，并同時(shí)連接電容57飛0的頂 極板，輸入信號通過開關(guān)48飛1輸入到電容57飛0的底極板上，將電荷存儲在電容里；開關(guān) 55,56比開關(guān)48飛1提早關(guān)斷，使得電容的頂極板懸空，這樣可以消除MOS開關(guān)固有的電荷 注入和時(shí)鐘饋通效應(yīng)。Q3變低后，Q4有效時(shí)，開關(guān)48 51、55、56斷開，開關(guān)53、54導(dǎo)通，正 負(fù)參考電壓分別通過開關(guān)53、54接到電容57、60的底極板上；同時(shí)放大器61工作，通過設(shè) 置電容57、59和58、60的比例，即可設(shè)置比較器的閾值電壓。當(dāng)Q4變低時(shí)，比較器的比較 結(jié)果被鎖存器62鎖存輸出。
權(quán)利要求
一種運(yùn)算放大器共享的低功耗流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于由無采樣保持電路的第一級流水線(1)，第二、三、四級流水線(2、3、4)，一級3位全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器(5)，共享運(yùn)算放大器(6、7)，數(shù)字校正電路(8)構(gòu)成；無采樣保持電路的第一級流水線(1)，第二、三、四級流水線(2、3、4)，與最后一級的3位全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器(5)依次相連，每級流水線得到3位數(shù)字輸出，經(jīng)過后級數(shù)子校正，得到實(shí)際結(jié)果；連續(xù)的兩級共用一個(gè)運(yùn)算放大器，即第一級流水線1和第二級流水線2共用運(yùn)算放大器6，第三級流水線3和第四級流水線4共用運(yùn)算放大器7，共產(chǎn)生10位需校正的數(shù)據(jù)，與最后一級3位全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器(5)的3位輸出一起經(jīng)過數(shù)字校正電路(8)，得到最后的11位量化輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述時(shí)鐘產(chǎn)生電路由由時(shí)鐘緩 沖(3廣32)，分頻器(33 37)，時(shí)鐘產(chǎn)生器(38 42)構(gòu)成，產(chǎn)生工作時(shí)鐘供給五級流水線 (43 47)使用；兩倍于流水線工作頻率的外部時(shí)鐘經(jīng)過總時(shí)鐘緩沖器(31)后分成5路第一 路進(jìn)入緩沖器(32)和分頻器(33)后，進(jìn)入時(shí)鐘產(chǎn)生器(38)，生成第一級流水線工作時(shí)鐘； 第二路依次通過分頻器(34)和時(shí)鐘產(chǎn)生器(39)，生成第二級流水線的工作時(shí)鐘；第三路依 次通過分頻器(35)和時(shí)鐘產(chǎn)生器(40)，生成第三級流水線工作時(shí)鐘；第四路依次通過分頻 器(36)和時(shí)鐘產(chǎn)生器(41)，生成第四級流水線工作時(shí)鐘；第五路依次通過分頻器(37)和時(shí) 鐘產(chǎn)生器(42)，生成第五級流水線的工作時(shí)鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述無采樣保持電路并共享運(yùn)算 放大器第一級與第二級由余量增益電路(9、10)，共享運(yùn)算放大器(13)及其2個(gè)切換開關(guān) (11、12)，無采樣保持電路的第一級流水線中的特殊子模數(shù)轉(zhuǎn)換器(14)，第一級流水線中 的子數(shù)模轉(zhuǎn)換器(15)，第二級流水線中的子模數(shù)轉(zhuǎn)換器(16)，第二級流水線中的子數(shù)模轉(zhuǎn) 換器(17)組成；其中第一級的特殊子模數(shù)轉(zhuǎn)換器(14)由2個(gè)采樣開關(guān)(18、19)，2個(gè)采樣 電容(20、21)，2個(gè)比較器(22、23)，2個(gè)鎖存器(24、25)，解碼電路26，4個(gè)電荷重分布開關(guān) (27 30)組成；在前半周期時(shí)鐘內(nèi)，第一級流水線中的子模數(shù)轉(zhuǎn)換器(14)和余量增益電路 (9)采樣當(dāng)前周期開始時(shí)的輸入信號，并且子模數(shù)轉(zhuǎn)換器(14)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；同時(shí)第二級 流水線對于上一周期由第一級流水線產(chǎn)生的余量電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并輸出三位數(shù)字結(jié) 果，共享運(yùn)算放大器(13)工作在第二級組成完整的余量增益電路(10)，產(chǎn)生后級待轉(zhuǎn)換的 模擬電壓；后半周期時(shí)鐘內(nèi)，第一級流水線的子模數(shù)轉(zhuǎn)換器(14)輸出前半周期時(shí)鐘內(nèi)模數(shù) 轉(zhuǎn)換得到的三位數(shù)字結(jié)果，子數(shù)模轉(zhuǎn)換器(15)根據(jù)這三位數(shù)字結(jié)果產(chǎn)生余量電壓信號，共 享運(yùn)算放大器(13)切換到第一級組成完整的余量增益電路(10)，對余量電壓信號進(jìn)行放 大并保持，提供給第二級流水線在下一周期處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述的比較器(22、23)為帶采樣電容的比 較器，由開關(guān)(48飛6)，采樣電容(57飛0)，放大器(61)，鎖存器(62)組成；該比較器工作在圖5所示 的時(shí)序下，Q3變高時(shí)，由Q3控制的開關(guān)(48飛1)和由Q3P控制的開關(guān)(55、56)導(dǎo)通，輸入共模電壓 通過開關(guān)(55、56)與放大器(61)的輸入端連接，并同時(shí)連接電容(57飛0)的頂極板，輸入信號通過 開關(guān)(48飛1)輸入到電容(57飛0)的底極板上，將電荷存儲在電容里；開關(guān)(55、56)比開關(guān)(48飛1) 提早關(guān)斷，使得電容的頂極板懸空，以消除MOS開關(guān)固有的電荷注入和時(shí)鐘饋通效應(yīng)；Q3變低后， 04有效時(shí)，開關(guān)(48 51、55、56)斷開，開關(guān)(53、54)導(dǎo)通，正負(fù)參考電壓分別通過開關(guān)(53、54)接到 電容(57、60)的底極板上洞時(shí)放大器(61)工作，通過設(shè)置電容(57、59和58、60)的比例，即可設(shè) 置比較器的閾值電壓；當(dāng)04變低時(shí)，比較器的比較結(jié)果被鎖存器(62)鎖存輸出。
全文摘要
本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種運(yùn)算放大器共享的低功耗流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該模數(shù)轉(zhuǎn)換器由無采樣保持電路的第一級流水線，第二、三、四級流水線，一級3位全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，共享運(yùn)算放大器，數(shù)字校正電路構(gòu)成；無采樣保持電路的第一級流水線，第二、三、四級流水線，與最后一級的3位全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器依次相連，每級流水線得到3位數(shù)字輸出，經(jīng)過后級數(shù)子校正，得到實(shí)際結(jié)果；4級流水線只需要2個(gè)運(yùn)算放大器，連續(xù)的兩級共用一個(gè)運(yùn)算放大器，共產(chǎn)生10位需校正的數(shù)據(jù)，與最后一級3位全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器的3位輸出一起經(jīng)過數(shù)字校正電路，得到最后的11位量化輸出。本模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)高速度、低功耗。
文檔編號H03K17/687GK101895295SQ20101022253
公開日2010年11月24日 申請日期2010年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月9日
發(fā)明者任俊彥, 葉凡, 李寧, 束晨, 舒光華, 范明俊, 許俊 申請人:復(fù)旦大學(xué)