本發(fā)明涉及集成電路領(lǐng)域，尤其涉及一種基于采樣電容隨機化的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器及轉(zhuǎn)換方法。

背景技術(shù)：

模數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，或簡稱ADC，是指將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號的電子元件。通常的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將一個輸入電壓信號轉(zhuǎn)換為一個輸出的數(shù)字信號。在通信系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)等信號處理系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器已經(jīng)成為不可缺少的組成部分。常用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)有中低精度超高速的快閃(Flash)和折疊內(nèi)插(Folding-Interpolating)結(jié)構(gòu)；高精度中低速的Σ-△和逐次逼近型(SAR)結(jié)構(gòu)。上述技術(shù)中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)主要專注于中低精度超高速要求和高精度中低速要求，很難兼容高速高精度的應(yīng)用環(huán)境。流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用流水線工作模式，將輸入信號的每個采樣點的采樣信號進行逐級量化，經(jīng)過完整流水線級量化后得到完整的量化結(jié)果，提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度；由于級間余量放大器的存在，降低后級流水線對比較器的要求，提高流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠達到的轉(zhuǎn)換精度；結(jié)合時分交織技術(shù)，使流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)百兆赫茲甚至吉赫茲的高速、超高速轉(zhuǎn)換器速率，而且能夠達到16位的轉(zhuǎn)換精度要求。

但是，傳統(tǒng)流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入信號采樣電容被分時復(fù)用為余量放大電路(MDAC)中子數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Sub DAC)電容，造成各級模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣過程與余量信號放大建立過程的時鐘必須滿足相位互斥要求，即：采樣相位時，余量放大電路停止工作；余量放大相位時，采樣網(wǎng)絡(luò)停止工作，嚴重限制流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換效率；傳統(tǒng)多路時分交織運放共享流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器又受限于采樣時鐘抖動、增益誤差等通道失配的影響，嚴重限制其線性度的提高，因此，亟需一種新的技術(shù)手段，以克服上述技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明提供一種基于采樣電容隨機化的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器及轉(zhuǎn)換方法，以解決上述技術(shù)問題。

本發(fā)明提供的基于采樣電容隨機化的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括：

流水線結(jié)構(gòu)單元，所述流水線結(jié)構(gòu)單元為n級，且n級流水線結(jié)構(gòu)單元依次逐級連接；

輸出對準單元，所述輸出對準單元與各級流水線的數(shù)字輸出端連接；

第一快閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述快閃數(shù)模轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出端與輸出對準單元連接；

所述流水線結(jié)構(gòu)單元至少包括：

采樣電容選擇器，用于將采樣電容分別標識為不同狀態(tài)，并在粗量化相位開始時，從當(dāng)前未工作的電容中隨機選擇一組作為下一次采樣相位的采樣電容；

采保和子數(shù)模轉(zhuǎn)換器，至少包括采樣電容和子數(shù)模轉(zhuǎn)換參考電壓產(chǎn)生子單元，所述子數(shù)模轉(zhuǎn)換參考電壓產(chǎn)生子單元與采樣電容連接；

子模數(shù)轉(zhuǎn)換器，至少包括第二快閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器和編碼子單元，所述子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電平作為第二快閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器粗量化參考電平對輸入信號進行粗量化，所述第二快閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出端與所述編碼子單元輸入端連接，用于對粗量化數(shù)字碼進行編碼；

余量放大器，用于將本級流水線粗量化后的余量信號進行放大輸出，作為下級流水線結(jié)構(gòu)單元的輸入信號；

通過采樣電容選擇器將采樣電容標示為不同的工作狀態(tài)以令采樣電容進行與所標示工作狀態(tài)對應(yīng)工作，使各級流水線結(jié)構(gòu)單元的采樣保持和余量信號放大分別同步進行，完成n級流水線結(jié)構(gòu)單元對輸入信號進行粗量化和余量放大輸出。

進一步，所述采樣電容的狀態(tài)包括：

采樣狀態(tài)，用于對應(yīng)本級流水線結(jié)構(gòu)單元的采樣相位；

放大狀態(tài)，用于對應(yīng)本級流水線結(jié)構(gòu)單元的余量信號放大相位；

空閑狀態(tài)，用于表示采樣電容在輸入信號采樣相位和余量信號放大相位都未被使用；

當(dāng)本級流水線結(jié)構(gòu)單元結(jié)束采樣和放大相位時，所述采樣電容選擇器首先將采樣電容中標識為放大狀態(tài)的電容釋放為空閑狀態(tài)，然后將標識為采樣狀態(tài)的電容轉(zhuǎn)換為放大狀態(tài)，用于下階段余量信號產(chǎn)生和放大，標識為放大狀態(tài)電容釋放為空閑狀態(tài)必須在所述標識為采樣狀態(tài)電容轉(zhuǎn)換為放大狀態(tài)之前完成；

當(dāng)本級流水線結(jié)構(gòu)單元進入粗量化相位時，所述子模數(shù)轉(zhuǎn)換器對流水線結(jié)構(gòu)單元的輸入信號進行粗量化；

當(dāng)本級流水線結(jié)構(gòu)單元進入采樣和放大相位時，采樣電容選擇器將采樣電容中標識為放大狀態(tài)的電容及其相應(yīng)開關(guān)導(dǎo)通，對上一個采樣點的輸入信號進行余量信號產(chǎn)生并放大；

所述采樣電容選擇器將標識為采樣狀態(tài)的采樣電容及其相應(yīng)開關(guān)導(dǎo)通，對輸入信號進行采樣，重復(fù)上述步驟直至n級流水線結(jié)構(gòu)單元對輸入信號進行粗量化和余量產(chǎn)生放大輸出。

進一步，n級流水線結(jié)構(gòu)單元中的所有采樣電容在每一時刻同時包括采樣狀態(tài)、放大狀態(tài)和空閑狀態(tài)，且每個采樣電容在同一時刻的狀態(tài)唯一。

進一步，本級流水線結(jié)構(gòu)單元進入粗量化相位時，采樣電容選擇器從標示為空閑狀態(tài)的采樣電容中隨機選擇一組作為下次采樣相位的采樣電容，用于對輸入信號進行采樣，并對此時標識為采樣狀態(tài)的電容進行電容復(fù)位。

進一步，所述流水線結(jié)構(gòu)單元還包括負反饋電容、余量放大器復(fù)位開關(guān)Ⅰ和余量放大器復(fù)位開關(guān)Ⅱ；

所述采保和子數(shù)模轉(zhuǎn)換器還包括采樣開關(guān)Ss、放大保持開關(guān)S_A、子數(shù)模轉(zhuǎn)換參考電壓產(chǎn)生子單元控制開關(guān)S_r和下極板采樣開關(guān)S_sp；

所述采樣開關(guān)S_s的一端與輸入信號連接，所述采樣開關(guān)S_s的另一端與所述采樣電容的下極板連接，所述采樣電容的下極板與所述子數(shù)模轉(zhuǎn)換參考電壓產(chǎn)生子單元連接，所述下極板采樣開關(guān)S_sp的一端與所述采樣電容的上極板連接，所述下極板采樣開關(guān)S_sp的另一端接地，所述放大保持開關(guān)S_A的一端與所述采樣電容的上極板連接，所述放大保持開關(guān)S_A的另一端與所述余量放大器的負向輸入端連接，所述余量放大器的負向輸入端與所述負反饋電容的上極板連接，所述余量放大器的負向輸入端還與所述余量放大器復(fù)位開關(guān)Ⅰ的一端連接，所述余量放大器復(fù)位開關(guān)Ⅰ的另一端接地，所述余量放大器的輸出端分別與負反饋電容下極板和余量放大器復(fù)位開關(guān)Ⅱ連接，所述余量放大器復(fù)位開關(guān)Ⅱ另一端接地，所述余量放大器輸出信號作為下級流水線輸入信號，進行整體流水線信號鏈連接；所述余量放大器的正向輸入端接地，所述編碼子單元輸出和所述子數(shù)模轉(zhuǎn)換參考電壓產(chǎn)生子單元控制開關(guān)S_r分別與所述子數(shù)模轉(zhuǎn)換參考電壓產(chǎn)生子單元的輸入端連接。

進一步，所述子模數(shù)轉(zhuǎn)換器還包括采樣開關(guān)S_sc、子模數(shù)轉(zhuǎn)換器參考電平模塊和時鐘模塊；

所述子模數(shù)轉(zhuǎn)換器參考電平模塊與所述第二快閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，將所述子模數(shù)轉(zhuǎn)換器參考電平模塊的子模數(shù)轉(zhuǎn)換器參考電平作為所述第二快閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器的粗量化參考電平，所述時鐘模塊與所述第二快閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，所述采樣開關(guān)S_sc一端與輸入信號連接，另一端與所述第二快閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，所述第二快閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端與所述編碼模塊的輸入端連接，所述編碼模塊的輸出端與輸出對準單元的輸入端連接。

進一步，所述采保和子數(shù)模轉(zhuǎn)換器由采樣開關(guān)S_s、采樣電容C_s和下極板采樣開關(guān)S_sp組成第一采樣網(wǎng)絡(luò)；

所述子模數(shù)轉(zhuǎn)換器由采樣開關(guān)S_sc和第二快閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成第二采樣網(wǎng)絡(luò)；

所述第一采樣網(wǎng)絡(luò)和第二采樣網(wǎng)絡(luò)具有相同的時間常數(shù)。

本發(fā)明還提供一種基于采樣電容隨機化的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，包括：

采用n級流水線結(jié)構(gòu)單元，并依次逐級連接，各級流水線的數(shù)字輸出端連接到輸出對準單元，所述輸出對準單元與第一快閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出端連接；

通過將采樣電容標示為不同的工作狀態(tài)，使n級流水線結(jié)構(gòu)單元對輸入信號進行粗量化和余量放大輸出；

所述流水線結(jié)構(gòu)單元至少包括：

采樣電容選擇器，用于將采樣電容分別標識為不同狀態(tài)，并在粗量化相位開始時，從當(dāng)前未工作的電容中隨機選擇一組作為下一次采樣相位的采樣電容；

采保和子數(shù)模轉(zhuǎn)換器，至少包括采樣電容和子數(shù)模轉(zhuǎn)換參考電壓產(chǎn)生子單元，所述子數(shù)模轉(zhuǎn)換參考電壓產(chǎn)生子單元與采樣電容連接

子模數(shù)轉(zhuǎn)換器，至少包括第二快閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器和編碼子單元，所述子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電平作為第二快閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器粗量化參考電平對輸入信號進行粗量化，所述第二快閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出端與所述編碼子單元輸入端連接，用于對粗量化數(shù)字碼進行編碼；

余量放大器，用于將本級流水線粗量化后的余量信號進行放大輸出,作為下級流水線結(jié)構(gòu)單元的輸入信號。

進一步，所述采樣電容的狀態(tài)包括：

采樣狀態(tài)，用于對應(yīng)本級流水線結(jié)構(gòu)單元的采樣相位；

放大狀態(tài)，用于對應(yīng)本級流水線結(jié)構(gòu)單元的余量信號放大相位；

空閑狀態(tài)，用于表示采樣電容輸入信號采樣相位和余量信號放大相位都未使用；

當(dāng)本級流水線結(jié)構(gòu)單元結(jié)束采樣和放大相位時，所述采樣電容選擇器首先將采樣電容中標識為放大狀態(tài)的電容釋放為空閑狀態(tài)，然后將標識為采樣狀態(tài)的電容轉(zhuǎn)換為放大狀態(tài)，用于下階段余量信號產(chǎn)生和放大，標識為放大狀態(tài)電容釋放為空閑狀態(tài)必須在所述標識為采樣狀態(tài)電容轉(zhuǎn)換為放大狀態(tài)之前完成；

當(dāng)本級流水線結(jié)構(gòu)單元進入粗量化相位時，所述子模數(shù)轉(zhuǎn)換器對流水線結(jié)構(gòu)單元的輸入信號進行粗量化；

當(dāng)本級流水線結(jié)構(gòu)單元進入采樣和放大相位時，采樣電容選擇器將采樣電容中標識為放大狀態(tài)的電容及其相應(yīng)開關(guān)導(dǎo)通，對上一個采樣點的輸入信號進行余量信號產(chǎn)生并放大；

所述采樣電容選擇器將標識為采樣狀態(tài)的采樣電容及其相應(yīng)開關(guān)導(dǎo)通，對輸入信號進行采樣，重復(fù)上述步驟直至n級流水線結(jié)構(gòu)單元對輸入信號進行粗量化和余量產(chǎn)生放大輸出。

進一步，n級流水線結(jié)構(gòu)單元中的所有采樣電容在每一時刻同時包括采樣狀態(tài)、放大狀態(tài)和空閑狀態(tài)，且每個采樣電容在同一時刻的狀態(tài)唯一；本級流水線結(jié)構(gòu)單元進入粗量化相位時，采樣電容選擇器從標示為空閑狀態(tài)的采樣電容中隨機選擇一組作為本次采樣相位的采樣電容，用于對輸入信號進行采樣保持，并對此時標識為采樣狀態(tài)的電容進行電容復(fù)位。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明中基于采樣電容隨機化的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器及轉(zhuǎn)換方法，通過將采樣電容標示為不同的狀態(tài)，使各級流水線結(jié)構(gòu)單元對輸入信號進行粗量化和余量放大輸出，各級流水線采樣過程和放大過程的電容在采樣相位和放大相位相互獨立，實現(xiàn)所述各級流水線采樣過程與余量信號放大過程分別獨立并且同步進行，極大提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度；本發(fā)明實現(xiàn)了近似于兩路時分交織運放共享流水線的轉(zhuǎn)換效率，但是避免了時鐘抖動造成的非線性影響，并且將電容失配造成的增益誤差隨機化，提高轉(zhuǎn)換線性度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的實現(xiàn)12位轉(zhuǎn)換精度的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理圖。

圖2是本發(fā)明實施例的實現(xiàn)12位轉(zhuǎn)換精度的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器各級流水線粗量化參考電壓示意圖。

圖3是本發(fā)明實施例的實現(xiàn)12位轉(zhuǎn)換精度的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的時序圖。

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。需說明的是，在不沖突的情況下，以下實施例及實施例中的特征可以相互組合。

需要說明的是，以下實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。

本實施例中基于采樣電容隨機化的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括：

n級依次連接的流水線結(jié)構(gòu)單元Stage1、Stage2…Stagen、1級快閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器Flash ADC和1個與各級流水線以及快閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器Flash ADC數(shù)字輸出連接的輸出對準OutPut Aligning單元。

各級流水線結(jié)構(gòu)主要包括1個采樣電容選擇器C_s Selector、1個采保和子數(shù)模轉(zhuǎn)換器SH&DAC、1個子模數(shù)轉(zhuǎn)換器Sub ADC、2個余量放大器復(fù)位開關(guān)S_rs1和S_rs2、1個負反饋電容C_f和1個余量放大器AMP；

在本實施例中，采樣電容選擇器C_s Selector包括時鐘輸入Φ_c和Φ_s，根據(jù)流水線時序關(guān)系，產(chǎn)生采樣開關(guān)選擇信號S_s1、S_s2…S_sn，下極板采樣開關(guān)控制信號S_sp1、S_sp2…S_spn，余量信號產(chǎn)生放大開關(guān)控制信號S_A1、S_A2…S_An和子數(shù)模轉(zhuǎn)換器參考電平產(chǎn)生開關(guān)控制信號S_r1、S_r2…S_rn，通過采樣電容選擇器將采樣電容標示為不同的工作狀態(tài)，使n級流水線結(jié)構(gòu)單元對輸入信號進行粗量化和余量放大輸出。

本實施例中，采樣電容的狀態(tài)包括：采樣狀態(tài)，用于對應(yīng)本級流水線結(jié)構(gòu)單元采樣相位對輸入信號進行采樣；放大狀態(tài)，用于對應(yīng)本級流水線結(jié)構(gòu)單元對余量信號進行產(chǎn)生和放大，空閑狀態(tài)，用于表示采樣電容在輸入信號采樣相位和余量信號放大相位都未被使用。n級流水線結(jié)構(gòu)單元中的所有采樣電容在每一時刻同時包括采樣狀態(tài)、放大狀態(tài)和空閑狀態(tài)，且每個采樣電容的在同一時刻的狀態(tài)唯一。即同一個采樣電容不能同時具備兩種及以上狀態(tài)，但是各級流水線中所有所述SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_sn合起來必須3種狀態(tài)都具備。本級流水線進入粗量化相位時，從SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_sn中標識為空閑的電容中，隨機的選擇1組電容作為本次采樣相位的采樣電容對輸入信號進行采樣。

在本實施例中，當(dāng)本級流水線結(jié)束采樣和放大相位時，采樣電容選擇器C_sSelector首先將所述SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_sn中標識為放大狀態(tài)的電容釋放為空閑狀態(tài)，然后將標識為采樣狀態(tài)的電容轉(zhuǎn)換為放大狀態(tài)，并且產(chǎn)生相應(yīng)的所述余量信號產(chǎn)生放大開關(guān)控制信號S_A1、S_A2…S_An和子數(shù)模轉(zhuǎn)換器參考電平產(chǎn)生開關(guān)控制信號S_r1、S_r2…S_rn，為進入上一個采樣點的輸入信號V_in(0)余量信號產(chǎn)生和放大過程做準備；當(dāng)本級流水線結(jié)構(gòu)單元進入粗量化相位時，所述子模數(shù)轉(zhuǎn)換器對流水線結(jié)構(gòu)單元的輸入信號V_in(0)進行粗量化，采樣電容選擇器C_s Selector從所述SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_sn中標識為空閑狀態(tài)的電容中隨機選擇一組標識為采樣狀態(tài)，對此時標識為采樣狀態(tài)的電容進行電容復(fù)位，并且產(chǎn)生相應(yīng)的所述采樣開關(guān)選擇信號S_s1、S_s2…S_sn和所述下極板采樣開關(guān)控制信號S_sp1、S_sp2…S_spn，為下階段輸入信號采樣做準備；當(dāng)本級流水線結(jié)構(gòu)單元進入采樣和放大相位時，使所述SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_sn中此時標識為采樣狀態(tài)的電容對輸入信號采樣點V_in(1)進行采樣，使所述SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_sn中此時標識為放大狀態(tài)的電容對上一個輸入信號采樣點V_in(0)進行余量產(chǎn)生和放大……依次類推，所有流水線結(jié)構(gòu)單元Stage1、Stage2…Stagen均按照上述過程對輸入信號進行粗量化和余量信號產(chǎn)生和放大輸出。各級流水線所述SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_sn同時具有采樣狀態(tài)和放大狀態(tài)的電容，使得各級流水線采樣過程和放大過程的電容在采樣相位和放大相位相互獨立，實現(xiàn)所述各級流水線采樣保持過程與余量信號放大過程分別獨立并且同步進行，極大提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度

在本實施例中，采保和子數(shù)模轉(zhuǎn)換器SH&DAC包括1組SH&DAC采樣開關(guān)S_s1、S_s2…S_sn、1組SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_sn、1組放大保持開關(guān)S_A1、S_A2…S_An、1組下極板采樣開關(guān)S_sp1、S_sp2…S_spn、1組粗量化數(shù)字碼B₀、B₁…B_n、1組子數(shù)模轉(zhuǎn)換參考電平產(chǎn)生單元Sub DAC Reference Generator和1組子模數(shù)轉(zhuǎn)換參考電平產(chǎn)生單元控制開關(guān)S_r1、S_r2…S_rn.所述SH&DAC采樣開關(guān)S_s1、S_s2…S_sn一端與輸入信號V_in連接，另一端分別與SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_sn下極板連接，SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_sn下極板還分別與所述子數(shù)模轉(zhuǎn)換參考電平產(chǎn)生單元Sub DAC Reference Generator輸出V_DAC1、V_DAC2…V_DACn連接，SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_sn上極板分別于所述下極板采樣開關(guān)S_sp1、S_sp2…S_spn的一端連接，下極板采樣開關(guān)S_sp1、S_sp2…S_spn另一端與參考地連接，SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_sn上極板還分別與放大保持開關(guān)S_A1、S_A2…S_An的一端連接，放大保持開關(guān)S_A1、S_A2…S_An另一端與所述余量放大器AMP負向輸入端連接，子數(shù)模轉(zhuǎn)換參考電平產(chǎn)生單元Sub DAC Reference Generator輸入分別為所述粗量化數(shù)字碼B₀、B₁…B_n和所述子數(shù)模轉(zhuǎn)換器參考電平產(chǎn)生開關(guān)控制信號S_r1、S_r2…S_rn，余量放大器AMP負向輸入端還與所述余量放大器復(fù)位開關(guān)S_rs1的一端和所述負反饋電容C_f上極板連接，所述余量放大器復(fù)位開關(guān)S_rs1的另一端與參考地連接，負反饋電容C_f下極板與所述余量放大器AMP輸出端連接，余量放大器AMP輸出端還與所述另一個余量放大器復(fù)位開關(guān)S_rs2連接，所述余量放大器復(fù)位開關(guān)S_rs2另一端與參考地連接，所述余量放大器正向輸入端與參考地連接，余量放大器AMP輸出作為下級流水線輸入進行整體流水線信號鏈連接。

在本實施例中，子模數(shù)轉(zhuǎn)換器Sub ADC包括1個時鐘信號Φ_c(與C_s Selector為統(tǒng)一時鐘信號)、1組Sub ADC采樣開關(guān)S_sc、1組子模數(shù)轉(zhuǎn)換器參考電平V_ref0、V_ref1…V_refn、1個第二快閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器Flash ADC和1個編碼模塊Coding Block，所述子模數(shù)轉(zhuǎn)換器參考電平V_ref0、V_ref1…V_refn作為所述第二快閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器Flash ADC粗量化參考電平與所述第二快閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器Flash ADC輸入端連接，時鐘信號Φ_c與所述第二快閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器Flash ADC輸入端連接，Sub ADC采樣開關(guān)S_sc一端與輸入信號連接，另一端與所述第二快閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器Flash ADC輸入端連接，第二快閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器Flash ADC輸出量化值與所述編碼模塊Coding Block輸入端連接，編碼模塊Coding Block輸出端與所述輸出對準OutPut Aligning單元輸入端連接。

在本實施例中，采樣電容選擇器C_s Selector將所述SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_sn分別標識為采樣、放大和空閑3種狀態(tài)，采樣狀態(tài)對應(yīng)于本級流水線級的采樣相位，放大狀態(tài)對應(yīng)于本級流水線級的余量信號放大相位，空閑狀態(tài)表示該采樣電容在輸入信號采樣相位和余量信號放大相位都未被使用。當(dāng)本級流水線結(jié)束采樣和放大相位時，采樣電容選擇器C_s Selector首先將所述SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_sn中標識為放大狀態(tài)的電容釋放為空閑狀態(tài)，然后將標識為采樣狀態(tài)的電容轉(zhuǎn)換為放大狀態(tài)，并且產(chǎn)生相應(yīng)的所述余量信號產(chǎn)生放大開關(guān)控制信號S_A1、S_A2…S_An和子數(shù)模轉(zhuǎn)換器參考電平產(chǎn)生開關(guān)控制信號S_r1、S_r2…S_rn，為進入上一個采樣點的輸入信號V_in(0)余量信號產(chǎn)生和放大過程做準備；當(dāng)本級流水線結(jié)構(gòu)單元進入粗量化相位時，所述子模數(shù)轉(zhuǎn)換器對流水線結(jié)構(gòu)單元的輸入信號V_in(0)進行粗量化，采樣電容選擇器C_s Selector從所述SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_sn中標識為空閑狀態(tài)的電容中隨機選擇一組標識為采樣狀態(tài)，對此時標識為采樣狀態(tài)的電容進行電容復(fù)位，并且產(chǎn)生相應(yīng)的所述采樣開關(guān)選擇信號S_s1、S_s2…S_sn和所述下極板采樣開關(guān)控制信號S_sp1、S_sp2…S_spn，為下階段輸入信號采樣做準備；當(dāng)本級流水線結(jié)構(gòu)單元進入采樣和放大相位時，使所述SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_sn中此時標識為采樣狀態(tài)的電容對輸入信號采樣點V_in(1)進行采樣，使所述SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_sn中此時標識為放大狀態(tài)的電容對上一個輸入信號采樣點V_in(0)進行余量產(chǎn)生和放大……依次類推，所述所有流水線結(jié)構(gòu)單元Stage1、Stage2…Stagen均按照上述過程對輸入信號進行粗量化和余量產(chǎn)生放大輸出。

本實施例中的SH&DAC由采樣開關(guān)S_s、采樣電容C_s和下極板采樣開關(guān)S_sp組成的第一采樣網(wǎng)絡(luò)與所述Sub ADC由采樣開關(guān)S_sc和第二快閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器Flash ADC組成的第二采樣網(wǎng)絡(luò)必須按比例縮放，保證所述兩個采樣網(wǎng)絡(luò)具有相同的時間常數(shù)；各級流水線逐級逐次分別完成輸入信號的一部分粗量化過程，所有各級流水線的粗量化結(jié)果通過所述輸出對準OutPut Aligning單元進行對準輸出。

如圖1所示，本實施例中的基于采樣電容隨機化的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括4級2位粗量化精度的流水線結(jié)構(gòu)單元Stage1、Stage2、Stage3和Stage4、1級4位粗量化精度的第一快閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器4bit Flash ADC和一個輸出對準OutPut Aligning單元；流水線結(jié)構(gòu)單元包括采樣電容選擇器C_s Selector、采保和子數(shù)模轉(zhuǎn)換器SH&DAC、子模數(shù)轉(zhuǎn)換器Sub ADC、余量放大器復(fù)位開關(guān)S_rs1、余量放大器復(fù)位開關(guān)S_rs2、負反饋電容C_f和余量放大器AMP等；采樣電容選擇器C_s Selector包括時鐘輸入Φ_c和Φ_s，根據(jù)流水線時序關(guān)系，產(chǎn)生采樣開關(guān)選擇信號S_s1、S_s2…S_s9，下極板采樣開關(guān)控制信號S_sp1、S_sp2…S_sp9，余量信號產(chǎn)生放大開關(guān)控制信號S_A1、S_A2…S_A9和子數(shù)模轉(zhuǎn)換器參考電平產(chǎn)生開關(guān)控制信號S_r1、S_r2…S_r9。本實施例中的采保和子數(shù)模轉(zhuǎn)換器SH&DAC包括SH&DAC采樣開關(guān)S_s1、S_s2…S_s9、SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_sn、放大保持開關(guān)S_A1、S_A2…S_An、下極板采樣開關(guān)S_sp1、S_sp2…S_sp9、粗量化數(shù)字碼B₀、B₁、子數(shù)模轉(zhuǎn)換參考電平產(chǎn)生單元Sub DAC Reference Generator和子數(shù)模轉(zhuǎn)換器參考電平產(chǎn)生開關(guān)控制開關(guān)S_r1、S_r2…S_r9.采樣電容C_s1、C_s2…C_s9及其相應(yīng)控制開關(guān)個數(shù)都為9，其中每次采樣過程使用4組采樣電容單元及其相應(yīng)開關(guān)，余量信號放大過程使用4組采樣電容及其相應(yīng)開關(guān)，剩下1組采樣電容及其相應(yīng)開關(guān)用于采樣電容選擇器C_s Selector進行采樣相位采樣電容的隨機化選擇，在本實施例中，只采用了1個冗余采樣電容及其相應(yīng)開關(guān)進行采樣相位采樣電容的隨機化，實際設(shè)計中可以采用多組冗余采樣電容及其相應(yīng)開關(guān)，增加采樣電容的隨機化程度。

在本實施例中，SH&DAC采樣開關(guān)S_s1、S_s2…S_s9一端與輸入信號V_in連接，另一端分別于所述SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_s9下極板連接，SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_s9下極板還分別與所述子數(shù)模轉(zhuǎn)換參考電平產(chǎn)生單元Sub DAC Reference Generator輸出V_DAC1、V_DAC2…V_DAC9連接，SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_s9上極板分別與所述下極板采樣開關(guān)S_sp1、S_sp2…S_sp9的一端連接，下極板采樣開關(guān)S_sp1、S_sp2…S_sp9另一端與參考地連接，SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_s9上極板還分別與放大保持開關(guān)S_A1、S_A2…S_A9的一端連接，放大保持開關(guān)S_A1、S_A2…S_A9另一端與余量放大器AMP負向輸入端連接，子數(shù)模轉(zhuǎn)換參考電平產(chǎn)生單元Sub DAC Reference Generator輸入分別為所述粗量化數(shù)字碼B₀、B₁…B_n和所述子數(shù)模轉(zhuǎn)換器參考電平產(chǎn)生開關(guān)控制信號S_r1、S_r2…S_r9，余量放大器AMP負向輸入端還與余量放大器復(fù)位開關(guān)S_rs1的一端和所述負反饋電容C_f上極板連接，所述余量放大器復(fù)位開關(guān)S_rs1的另一端與參考地連接，所述負反饋電容C_f下極板與所述余量放大器AMP輸出端連接，余量放大器AMP輸出端還與余量放大器復(fù)位開關(guān)S_rs2連接，所述余量放大器復(fù)位開關(guān)S_rs2另一端與參考地連接，所述余量放大器正向輸入端與參考地連接，所述余量放大器AMP輸出作為下級流水線輸入進行整體流水線信號鏈連接。

在本實施例中，子模數(shù)轉(zhuǎn)換器Sub ADC包括1個時鐘信號Φ_c、1組Sub ADC采樣開關(guān)S_sc、1組子模數(shù)轉(zhuǎn)換器參考電平V_ref0、V_ref1、V_ref3、3個比較器CMOP和1個編碼模塊Coding Block，所述子模數(shù)轉(zhuǎn)換器參考電平V_ref0、V_ref1、V_ref3分別作為所述比較器COMP粗量化參考電平與所述比較器COMP輸入端連接，所述時鐘信號Φ_c與所述比較器COMP輸入端連接，所述Sub ADC采樣開關(guān)S_sc一端與輸入信號連接，另一端與所述比較器COMP輸入端連接，所述比較器COMP輸出量化值與所述編碼模塊Coding Block輸入端連接，所述編碼模塊Coding Block輸出端與所述輸出對準OutPut Aligning單元輸入端連接。所述SH&DAC由采樣開關(guān)S_si、采樣電容C_si和下極板采樣開關(guān)S_spi組成的采樣網(wǎng)絡(luò)Ⅰ與Sub ADC由采樣開關(guān)S_sc、采樣電容C_sc和下極板采樣開關(guān)S_spc組成的采樣網(wǎng)絡(luò)Ⅱ必須按比例縮放(其中i＝0、1…9)，保證所述兩個采樣網(wǎng)絡(luò)具有相同的時間常數(shù)。

在本實施例中，圖2為基于采樣電容隨機化的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)12位轉(zhuǎn)換精度的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器各級流水線粗量化參考電壓示意圖，用于說明子模數(shù)轉(zhuǎn)換器Sub ADC中參考電壓幅值關(guān)系，圖中V_dd表示參考電源，倒三角符號表示參考地。圖3為利用本實施例的基于采樣電容隨機化的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)12位轉(zhuǎn)換精度的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的時序圖，用于說明本發(fā)明所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器實施例各模塊單元時序關(guān)系。

下面結(jié)合如圖1、圖2和圖3說明本實施例提供的利用一種基于采樣電容隨機化的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)12位轉(zhuǎn)換精度的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作原理：

第一階段：如圖3所示時鐘信號Φ_s/Φ_a時鐘下降沿到來時，結(jié)束采樣和放大相位，采樣電容選擇器C_s Selector首先將SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_s9中標識為放大狀態(tài)的電容釋放為空閑狀態(tài)；然后將SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_s9中標識為采樣狀態(tài)的電容轉(zhuǎn)換為放大狀態(tài)，用于下階段余量信號產(chǎn)生和放大過程，SH&DAC中所有SH&DAC采樣開關(guān)S_s1、S_s2…S_s9和放大保持開關(guān)S_A1、S_A2…S_A9都斷開。

第二階段：如圖3所示時鐘信號Φ_c時鐘上升沿到來時，進入粗量化相位，從SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_s9中標識為空閑狀態(tài)的電容中隨機選擇1組采樣電容，標識為采樣狀態(tài)，用于下階段采樣相位的輸入信號采樣過程；將SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_s9中此時標識為采樣狀態(tài)的電容進行復(fù)位；子模數(shù)轉(zhuǎn)換器Sub ADC進入粗量化階段，在如圖3所示時鐘信號Φ_c時鐘下降沿到來之前完成粗量化過程，得到粗量化數(shù)字碼B₁B₀。

第三階段：如圖3所示時鐘信號Φ_s/Φ_a時鐘上升沿到來時，進入采樣和放大相位，所述SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_s9中標識為采樣狀態(tài)的電容，其相應(yīng)SH&DAC采樣開關(guān)S_s1、S_s2…S_s9和相應(yīng)下極板采樣開關(guān)S_sp1、S_sp2…S_sp9導(dǎo)通，該組采樣電容采樣下一個采樣點的輸入信號V_in(1)；SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_s9中標識為放大狀態(tài)的電容，其相應(yīng)的放大保持開關(guān)S_A1、S_A2…S_A9和相應(yīng)的子數(shù)模轉(zhuǎn)換器參考電平產(chǎn)生開關(guān)控制信號S_r1、S_r2…S_r9導(dǎo)通，該組電容對上一次采樣和粗量化后的輸入信號V_in(0)進行余量信號產(chǎn)生和放大。

如圖3所示，當(dāng)時鐘信號Φ_s/Φ_a時鐘下降沿再次到來時，第一級流水線Stage1再次進入上述第一階段工作過程。后續(xù)過程以此類推，所述各級流水線中，前級流水線余量放大器輸出信號即為后級流水線輸入信號，各級流水線具體工作過程與第一級流水線Stage1上述第一階段到第三階段工作過程相同，最后一級所述4bit Flash ADC不產(chǎn)生余量輸出信號，只需要對所述第四級流水線Stage4的余量放大輸出信號V_R4進行粗量化即可。隨著所述輸入信號采樣點V_in(0)流過所述所有流水線級數(shù)和最后的所述4bit Flash ADC，完成對輸入信號采樣點V_in(0)的所有流水級粗量化和編碼，最終通過輸出對準單元OutPut Aligning對所述各級流水線粗量化結(jié)果進行對準輸出，得到完整的信號量化輸出結(jié)果。

本實施例中，各級流水線的SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_sn同時具有采樣狀態(tài)和放大狀態(tài)的電容，使得各級流水線采樣過程和放大過程的電容在采樣相位和放大相位相互獨立，實現(xiàn)所述各級流水線采樣過程與余量信號放大過程分別獨立并且同步進行，極大提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度；實現(xiàn)了近似于兩路時分交織運放共享流水線的轉(zhuǎn)換效率，但是避免了時鐘抖動造成的非線性影響；各級流水線進入采樣和放大相位時，從所述SH&DAC采樣電容C_s1、C_s2…C_sn中標識為空閑狀態(tài)的電容中，隨機的選擇1組電容作為本次采樣相位的采樣電容對輸入信號進行采樣保持，使得每次采樣階段用于輸入信號采樣的電容都不同，將電容失配造成的增益誤差隨機化，提高轉(zhuǎn)換線性度。

相應(yīng)地，本實施例還提供一種基于采樣電容隨機化的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，包括：

a.采用n級流水線結(jié)構(gòu)單元，并依次逐級連接，各級流水線的數(shù)字輸出端連接到輸出對準單元，所述輸出對準單元與第一快閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出端連接；

b.通過將采樣電容標示為不同的工作狀態(tài)，使n級流水線結(jié)構(gòu)單元對輸入信號進行粗量化和余量放大輸出；

所述流水線結(jié)構(gòu)單元至少包括：

采樣電容選擇器，用于將采樣電容分別標識為不同狀態(tài)，并在粗量化相位開始時，從當(dāng)前未工作的電容中隨機選擇一組作為下一次采樣相位的采樣電容；

采保和子數(shù)模轉(zhuǎn)換器，至少包括采樣電容和子數(shù)模轉(zhuǎn)換參考電壓產(chǎn)生子單元，所述子數(shù)模轉(zhuǎn)換參考電壓產(chǎn)生子單元與采樣電容連接

子模數(shù)轉(zhuǎn)換器，至少包括第二快閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器和編碼子單元，所述子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電平作為第二快閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器粗量化參考電平對輸入信號進行粗量化，所述第二快閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出端與所述編碼子單元輸入端連接，用于對粗量化數(shù)字碼進行編碼；

余量放大器，用于將本級流水線粗量化后的余量信號進行放大輸出,作為下級流水線結(jié)構(gòu)單元的輸入信號。

所述采樣電容的狀態(tài)包括：

采樣狀態(tài)，用于對應(yīng)本級流水線結(jié)構(gòu)單元的采樣相位；

放大狀態(tài)，用于對應(yīng)本級流水線結(jié)構(gòu)單元的余量信號放大相位；

空閑狀態(tài)，用于表示采樣電容輸入信號采樣相位和余量信號放大相位都未使用；

當(dāng)本級流水線結(jié)構(gòu)單元結(jié)束采樣和放大相位時，所述采樣電容選擇器首先將采樣電容中標識為放大狀態(tài)的電容釋放為空閑狀態(tài)，然后將標識為采樣狀態(tài)的電容轉(zhuǎn)換為放大狀態(tài)，用于下階段余量信號產(chǎn)生和放大；

當(dāng)本級流水線結(jié)構(gòu)單元進入粗量化相位時，所述子模數(shù)轉(zhuǎn)換器對流水線結(jié)構(gòu)單元的輸入信號進行粗量化，采樣電容選擇器從標識為空閑狀態(tài)的電容中隨機選擇一組標識為采樣狀態(tài)，用于下階段輸入信號采樣，并對此時標識為采樣狀態(tài)的電容進行電容復(fù)位；

當(dāng)本級流水線結(jié)構(gòu)單元進入采樣和放大相位時，采樣電容選擇器將采樣電容中標識為放大狀態(tài)的電容及其相應(yīng)開關(guān)導(dǎo)通，對上一個采樣點的輸入信號進行余量信號產(chǎn)生并放大；

所述采樣電容選擇器將標識為采樣狀態(tài)的采樣電容及其相應(yīng)開關(guān)導(dǎo)通，對輸入信號進行采樣，重復(fù)上述步驟直至n級流水線結(jié)構(gòu)單元對輸入信號進行粗量化和余量產(chǎn)生放大輸出。

n級流水線結(jié)構(gòu)單元中的所有采樣電容在每一時刻同時包括采樣狀態(tài)、放大狀態(tài)和空閑狀態(tài)，且每個采樣電容在同一時刻的狀態(tài)唯一；本級流水線結(jié)構(gòu)單元進入粗量化相位時，采樣電容選擇器從標示為空閑狀態(tài)的采樣電容中隨機選擇一組作為本次采樣相位的采樣電容，用于對輸入信號進行采樣保持。

本實施例中，各級流水線的采樣電容在同一時間同時具有采樣狀態(tài)和放大狀態(tài)的電容，使得各級流水線采樣過程和放大過程的電容在采樣相位和放大相位相互獨立，實現(xiàn)所述各級流水線采樣保持過程與余量信號放大過程分別獨立并且同步進行，極大提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度；實現(xiàn)了近似于兩路時分交織運放共享流水線的轉(zhuǎn)換效率，但是避免了時鐘抖動造成的非線性影響；各級流水線進入采樣放大相位時，從所述SH&DAC采樣電容中標識為空閑的電容中，隨機的選擇1組電容作為本次采樣相位的采樣電容對輸入信號進行采樣保持，使得每次采樣階段用于輸入信號采樣的電容都不同，將電容失配造成的增益誤差隨機化，提高轉(zhuǎn)換線性度。

上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。