本發(fā)明涉及一種流水線型ADC采樣保持電路，適用于電子信息領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)逐漸滲透到人們生活的方方面面，這是因?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理的功能越來越強(qiáng)，而集成電路又可以有效在硅片上實(shí)現(xiàn)這些功能。但是數(shù)字系統(tǒng)只能對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，輸出的也是數(shù)字信號(hào)，而從自然界接受到的很多信號(hào)，如聲音信號(hào)、圖像信號(hào)等多數(shù)是模擬信號(hào)，模擬信號(hào)要在數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter, ADC)就是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)的電路，在數(shù)字系統(tǒng)中有著不可替代的作用。

分辨率和采樣頻率是衡量模數(shù)轉(zhuǎn)換器性能的重要指標(biāo)，但彼此之間又相互制約，因此在研發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí)要兼顧分辨率與采樣頻率，除此之外在具體設(shè)計(jì)中還要考慮功耗、成本、體積、兼容性等特殊問題，這也使得模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和種類錯(cuò)綜復(fù)雜。

采樣保持電路(Sampling and Holding Circuit, S/H)位于整個(gè)流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最前端，它的作用是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確采樣，并將采樣結(jié)果保持一段時(shí)間以供后續(xù)電路處理。采樣保持電路的工作可以分為采樣和保持兩個(gè)階段，兩個(gè)階段的持續(xù)時(shí)間相同，均為時(shí)鐘周期的一半。在采樣階段，輸出信號(hào)被重置到某固定值，僅在采樣結(jié)束時(shí)獲得一個(gè)與輸入信號(hào)相同的沖激信號(hào)，在保持階段，輸出信號(hào)保持為之前采樣階段結(jié)束時(shí)得到的輸入信號(hào)，完整的輸出信號(hào)Vout近似重現(xiàn)了輸入信號(hào)Vin。

高速數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)必須要采樣保持電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換器中大部分動(dòng)態(tài)誤差可以通過采樣保持電路消除。采樣保持電路的分辨率和采樣頻率決定了流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最高分辨率和最高采樣頻率，因此采樣保持電路是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的核心單元。對(duì)采樣保持電路的研究與設(shè)計(jì)對(duì)發(fā)展高分辨率高采樣頻率模數(shù)轉(zhuǎn)換器有著重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種流水線型ADC采樣保持電路，電路提高了線性度，可以進(jìn)一步減小誤差，提高分辨率、采樣頻率和降低功耗。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：在電容翻轉(zhuǎn)式采樣保持電路的最前端采用柵壓自舉采樣開關(guān)，避免了輸入信號(hào)對(duì)導(dǎo)通電阻的影響，加入虛擬器件用來消除開關(guān)器件的時(shí)鐘饋通效應(yīng)中與輸入相關(guān)的部分，運(yùn)算放大器則采用增益提升的折疊共源共柵運(yùn)算放大器，引入了增益提升技術(shù)。

所述柵壓自舉采樣開關(guān)是用在采樣保持電路前端以提高采樣信號(hào)線性度的開關(guān)電容電路，它通過預(yù)充電的電容穩(wěn)定開關(guān)器件的過驅(qū)動(dòng)電壓，避免了輸入信號(hào)對(duì)導(dǎo)通電阻的影響，因而提高了線性度。

M11在時(shí)鐘?的控制下完成采樣功能。保持階段為高電平時(shí)，M3和M6導(dǎo)通，對(duì)電容C3充電，一直到C3的電壓等于VDD。同時(shí)，M8和M9在充電過程保持?jǐn)嚅_，M11的柵極依次經(jīng)過M7和導(dǎo)通的M10接地，M11被隔離。采樣階段，?為低電平時(shí)，M3,M6斷開，電容C3無直流泄防回路，電荷量保持不變，M4和M5的導(dǎo)通使得M8的柵壓降低并導(dǎo)通，M8的導(dǎo)通使得M9和M11也同時(shí)導(dǎo)通，A點(diǎn)的電位跟隨輸入VIN, B點(diǎn)的電位被提升至VIN+VDD，這樣C3上的電壓就被加到M11的柵源兩端，存儲(chǔ)在電容C3上的電荷保持不變，使得M11柵源保持VDD的壓差。

雖然柵壓自舉采樣開關(guān)在導(dǎo)通電阻中消除了由輸入信號(hào)造成的影響，但是卻在時(shí)鐘饋通效應(yīng)中引入了輸入信號(hào)的影響，使得原來的直流失調(diào)變?yōu)榉蔷€性誤差，為此加入M12作為虛擬開關(guān)器件用來消除M11的時(shí)鐘饋通效應(yīng)中與輸入相關(guān)的部分，采樣開關(guān)M11在采樣階段時(shí)柵壓為VIN+VDD，在保持階段時(shí)柵壓為零，這個(gè)大小為VIN+VDD的柵壓變化會(huì)通過柵與源漏間的交疊電容耦合到采樣電容CS上。

M1,M2,C1，C2構(gòu)成電荷泵型柵壓提升電路，C3的上極板在經(jīng)歷了上個(gè)周期的充電后，M3源端的電壓已經(jīng)接近VDD，為了讓M3能夠迅速導(dǎo)通并對(duì)C3充電，必須使M3的柵壓得到迅速增高。當(dāng)?為低電平時(shí)，M1導(dǎo)通，C1被充電至VDD，當(dāng)?為高電平時(shí)，M3的柵極電壓就等于2VDD。 M3可以導(dǎo)通。電容C3要盡可能的大，C3上的電壓被加到M11的柵源端時(shí)會(huì)有一部分電荷沉積在此條路徑的寄生電容上，降低了M11柵源間提升的電壓。M7和M9基于電路可靠性考慮并不影響電路性能，M7用來降低保持階段時(shí)M10的柵漏電壓與源漏電壓，為此應(yīng)該增大M7的溝道長度防止M10被擊穿。M9用來保證M8的柵源電壓不能超過VDD。

所述雙相非交疊的時(shí)鐘樹電路中，其中△t1表示?_1P比?₁提前關(guān)斷的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間越長,就越可以避免數(shù)字電路的噪聲對(duì)采樣保持電路的影響，但同時(shí)這個(gè)時(shí)間又與時(shí)鐘的上升沿與下降沿、雙相時(shí)鐘的非交疊部分共同影響著運(yùn)算放大器的建立時(shí)間，通過將?_1P與?₁、?_2P與?₂的上升沿分別對(duì)齊可以最大限度的為運(yùn)算放大器的建立爭(zhēng)取時(shí)間。?_1P比?₁提前關(guān)斷的時(shí)間由一個(gè)反相器和一個(gè)與非門的延時(shí)決定，△t2表示?₁與?₂之間非交疊的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間由兩個(gè)反相器和一個(gè)與非門決定。降低MOS器件的長度可以增加延遲時(shí)間。

所述折疊式共源共柵運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)將增益提升結(jié)構(gòu)引入折疊式共源共柵運(yùn)放中，在M7和M8的源級(jí)與柵極之間接入輔助運(yùn)放A1，在M9和M10的源級(jí)和柵極之間接入輔助運(yùn)放A2，分別提升NMOS負(fù)載和PMOS負(fù)載的輸出電阻，這種運(yùn)算放大器的增益可以達(dá)到80～120dB。主運(yùn)算放大器為折疊式共源共柵運(yùn)算放大器，M4的電流必須小于等于M11的漏電流，以防止M4進(jìn)入線性區(qū)。

所述輔助運(yùn)算放大器同樣采用折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)，其中A1用于驅(qū)動(dòng)PMOS，輸入電壓較高，采用NMOS輸入，A2用于驅(qū)動(dòng)NMOS輸入電平較低，采用PMOS輸入。其中M4和M5起著共模反饋的作用，用于穩(wěn)定輸出共模電壓。由于整個(gè)運(yùn)算放大器的直流增益需要80dB，主運(yùn)算放大器的直流增益為44dB，整個(gè)運(yùn)算放大器的直流增益等于主運(yùn)算放大器與輔助運(yùn)算放大器的乘積。增益提升運(yùn)算放大器的主極點(diǎn)位于輸出端。輔助運(yùn)算放大器A1不在信號(hào)通路上，可以降低對(duì)增益帶寬的要求，而輔助運(yùn)算放大器A2位于信號(hào)通路上，它的引入會(huì)增加一個(gè)零極點(diǎn)對(duì)，如果這個(gè)零極點(diǎn)的頻率較低，會(huì)降低整個(gè)運(yùn)算放大器的工作速度，必須使輔助運(yùn)算放大器的單位增益帶寬滿足一定的要求以保證引入的零極點(diǎn)位于高頻率處。

本發(fā)明的有益效果是：避免了輸入信號(hào)對(duì)導(dǎo)通電阻的影響，提高了線性度，可以進(jìn)一步減小誤差，提高分辨率、采樣頻率和降低功耗。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1是本發(fā)明的柵壓自舉采樣開關(guān)電路。

圖2是本發(fā)明的雙相非交疊時(shí)鐘樹電路。

圖3是本發(fā)明的折疊式共源共柵運(yùn)算放大器電路。

圖4是本發(fā)明的輔助運(yùn)算放大器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1，柵壓自舉采樣開關(guān)是用在采樣保持電路前端以提高采樣信號(hào)線性度的開關(guān)電容電路，它通過預(yù)充電的電容穩(wěn)定開關(guān)器件的過驅(qū)動(dòng)電壓，避免了輸入信號(hào)對(duì)導(dǎo)通電阻的影響，因而提高了線性度。

M11在時(shí)鐘?的控制下完成采樣功能。保持階段為高電平時(shí)，M3和M6導(dǎo)通，對(duì)電容C3充電，一直到C3的電壓等于uDD。同時(shí)，M8和M9在充電過程保持?jǐn)嚅_，M11的柵極依次經(jīng)過M7和導(dǎo)通的M10接地，M11被隔離。采樣階段，?為低電平時(shí)，M3,M6斷開，電容C3無直流泄防回路，電荷量保持不變，M4和M5的導(dǎo)通使得M8的柵壓降低并導(dǎo)通，M8的導(dǎo)通使得M9和M11也同時(shí)導(dǎo)通，A點(diǎn)的電位跟隨輸入VIN, B點(diǎn)的電位被提升至VIN+VDD，這樣C3上的電壓就被加到M11的柵源兩端，存儲(chǔ)在電容C3上的電荷保持不變，使得M11柵源保持VDD的壓差。

M1,M2,C1，C2構(gòu)成電荷泵型柵壓提升電路，C3的上極板在經(jīng)歷了上個(gè)周期的充電后，M3源端的電壓已經(jīng)接近VDD，為了讓M3能夠迅速導(dǎo)通并對(duì)C3充電，必須使M3的柵壓得到迅速增高。當(dāng)?為低電平時(shí)，M1導(dǎo)通，C1被充電至VDD，當(dāng)?為高電平時(shí)，M3的柵極電壓就等于2VDD。 M3可以導(dǎo)通。電容C3要盡可能的大，C3上的電壓被加到M11的柵源端時(shí)會(huì)有一部分電荷沉積在此條路徑的寄生電容上，降低了M11柵源間提升的電壓。M7和M9基于電路可靠性考慮并不影響電路性能，M7用來降低保持階段時(shí)M10的柵漏電壓與源漏電壓，為此應(yīng)該增大M7的溝道長度防止M10被擊穿。M9用來保證M8的柵源電壓不能超過VDD。

如圖2，雙相非交疊的時(shí)鐘樹電路中，其中△t1表示?_1P比?₁提前關(guān)斷的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間越長,就越可以避免數(shù)字電路的噪聲對(duì)采樣保持電路的影響，但同時(shí)這個(gè)時(shí)間又與時(shí)鐘的上升沿與下降沿、雙相時(shí)鐘的非交疊部分共同影響著運(yùn)算放大器的建立時(shí)間，通過將?_1P與?₁、?_2P與?₂的上升沿分別對(duì)齊可以最大限度的為運(yùn)算放大器的建立爭(zhēng)取時(shí)間。?_1P比?₁提前關(guān)斷的時(shí)間由一個(gè)反相器和一個(gè)與非門的延時(shí)決定，△t2表示?₁與?₂之間非交疊的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間由兩個(gè)反相器和一個(gè)與非門決定。降低MOS器件的長度可以增加延遲時(shí)間。

如圖3，折疊式共源共柵運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)將增益提升結(jié)構(gòu)引入折疊式共源共柵運(yùn)放中，在M7和M8的源級(jí)與柵極之間接入輔助運(yùn)放A1，在M9和M10的源級(jí)和柵極之間接入輔助運(yùn)放A2，分別提升NMOS負(fù)載和PMOS負(fù)載的輸出電阻，這種運(yùn)算放大器的增益可以達(dá)到80～120dB。主運(yùn)算放大器為折疊式共源共柵運(yùn)算放大器，M4的電流必須小于等于M11的漏電流，以防止M4進(jìn)入線性區(qū)。

如圖4，輔助運(yùn)算放大器同樣采用折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)，其中A1用于驅(qū)動(dòng)PMOS，輸入電壓較高，采用NMOS輸入，A2用于驅(qū)動(dòng)NMOS輸入電平較低，采用PMOS輸入。其中M4和M5起著共模反饋的作用，用于穩(wěn)定輸出共模電壓。由于整個(gè)運(yùn)算放大器的直流增益需要80dB，主運(yùn)算放大器的直流增益為44dB，整個(gè)運(yùn)算放大器的直流增益等于主運(yùn)算放大器與輔助運(yùn)算放大器的乘積。增益提升運(yùn)算放大器的主極點(diǎn)位于輸出端。輔助運(yùn)算放大器A1不在信號(hào)通路上，可以降低對(duì)增益帶寬的要求，而輔助運(yùn)算放大器A2位于信號(hào)通路上，它的引入會(huì)增加一個(gè)零極點(diǎn)對(duì)，如果這個(gè)零極點(diǎn)的頻率較低，會(huì)降低整個(gè)運(yùn)算放大器的工作速度，必須使輔助運(yùn)算放大器的單位增益帶寬滿足一定的要求以保證引入的零極點(diǎn)位于高頻率處。