一種降低流水線中運(yùn)算放大器功耗的系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及集成電路設(shè)計(jì)中降低功耗的系統(tǒng)及方法，尤其設(shè)及一種降低流水線中 運(yùn)算放大器功耗的系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為溝通模擬世界和數(shù)字世界的中間橋梁電路，在通訊領(lǐng)域有著廣泛 的應(yīng)用。隨著便攜式設(shè)備的日益普及，要求模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有高速高精度的同時(shí)，可獲得更低 的功耗。然而為獲得較高的速度和精度，常常犧牲模數(shù)轉(zhuǎn)換器的功耗為代價(jià)。高速高精度模 數(shù)轉(zhuǎn)換器通常采用流水線結(jié)構(gòu)，流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器包含多個(gè)中低精度子級(jí)轉(zhuǎn)換單元，在采 樣相和保持相兩相不交疊的時(shí)鐘控制下，各個(gè)子級(jí)轉(zhuǎn)換單元交替進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。運(yùn)算放大 器作為流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的核屯、單元和主要功耗來(lái)源，如何降低運(yùn)算放大器的功耗成為 降低整體系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、降功耗明顯、 通用性強(qiáng)的降低流水線中運(yùn)算放大器功耗的系統(tǒng)及方法。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種降低流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中運(yùn)算放大器功耗的系 統(tǒng)，其特征在于包括:電流源管Ml. . .Mn;兩組開(kāi)關(guān)單元肺1....肺n和Kl. .. .Kn;兩個(gè)時(shí)鐘信 號(hào)CKl和CK2,其中CKl為保持相時(shí)鐘，CK2為采樣相時(shí)鐘;產(chǎn)生偏置電壓Vbl. .. .Vbn和偏置電 壓Vl--Vn的偏置電壓供給模塊VBIAS ;運(yùn)算放大器的主體電路OPAbody;電流源管 Ml. . .Mn,包括并聯(lián)的恒流源尾管Mal. . .Man和動(dòng)態(tài)源管Mbl. . .Mbn,電流源管Ml. . .Mn的源 端直接接電源或接地；
[0005] 偏置電壓VI. .. .Vn直接接入恒流源尾管Mal. . .Man的柵端，形成固定偏置；同時(shí)， 偏置電壓Vl... .Vn經(jīng)保持相開(kāi)關(guān)Kl... .Kn-端連接至動(dòng)態(tài)源尾管Mbl.. .Mbn的柵端，形成 固定偏置;偏置電壓Vbl.. .Vbn經(jīng)采樣相開(kāi)關(guān)肺1....肺n-端連接至動(dòng)態(tài)源尾管Mbl.. .Mbn 的柵端，形成動(dòng)態(tài)偏置;開(kāi)關(guān)單元肺1--肺n受采樣相時(shí)鐘CK2控制，開(kāi)關(guān)單元Kl--Kn受 保持時(shí)鐘CKl控制；恒流源尾管Mal.. .Man的漏端和動(dòng)態(tài)源尾管Mbl.. .Mbn的漏端直接接運(yùn) 算放大器的主體電路OPAbody。
[0006] 將偏置電壓Vi... Vn設(shè)置在使得恒流源尾管Mal .. .Man的漏端和動(dòng)態(tài)源尾管 Mbl. . .Mbn的靜態(tài)電流最大，即尾管處于飽和區(qū)時(shí)的電壓;偏置電壓Vbl. . .Vbn電壓與動(dòng)態(tài) 源管Mbl. . .Mbn的源端電壓差值與動(dòng)態(tài)源管Mbl. . .Mbn的闊值電壓相差0~lOOmV，此時(shí)動(dòng)態(tài) 源管Mbl.. .Mbn工作在亞闊值區(qū)，反型層較弱，動(dòng)態(tài)源管Mbl.. .Mbn存在部分漏電流，該漏電 流可幫助運(yùn)算放大器在進(jìn)入保持相時(shí)快速地建立輸出信號(hào)，同時(shí)縮減功耗開(kāi)銷(xiāo)。
[0007] 所述的時(shí)鐘信號(hào)CKl和CK2為兩個(gè)相位不交疊的時(shí)鐘信號(hào)。
[000引一種降低流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中運(yùn)算放大器功耗的方法，其步驟如下：
[0009] (1)根據(jù)運(yùn)算放大器整體電路功耗要求，確定功耗縮減比例；
[0010] (2)根據(jù)功耗縮減比例，分配所有可控電流源管Ml. . .Mn的比例和個(gè)數(shù)，使得恒流 源尾管Mal.. .Man和動(dòng)態(tài)源尾管Mbl.. .Mbn的并聯(lián)個(gè)數(shù)之和等于電流源管Ml.. .Mn的并聯(lián)個(gè) 數(shù)，其中動(dòng)態(tài)源尾管Mbl. . .Mbn用于調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器在采樣相CK2工作時(shí)的電流；
[0011] (3)保持運(yùn)算放大器的主體部分OPAbody不動(dòng)；
[0012] (4)根據(jù)動(dòng)態(tài)源尾管Mbl.. .Mbn的實(shí)際寬長(zhǎng)，設(shè)計(jì)偏置電壓供給模塊VBIAS，使其在 保持相時(shí)鐘CKl輸出偏置電壓Vl......化，該偏置電壓使得恒流源尾管Mal.. .Man的漏端和 動(dòng)態(tài)源尾管Mbl. . .Mbn的靜態(tài)電流最大，即尾管均處于飽和區(qū)；在采樣相時(shí)鐘CK2輸出偏置 電壓Vbl.. .Vbn:偏置電壓Vbl.. .Vbn電壓與動(dòng)態(tài)源管Mbl.. .Mbn的源端電壓差值與動(dòng)態(tài)源 管Mbl. . .Mbn的闊值電壓相差0~lOOmV，此時(shí)動(dòng)態(tài)源管Mbl. . .Mbn工作在亞闊值區(qū)，反型層 較弱，動(dòng)態(tài)源管Mbl. . .Mbn存在部分漏電流，該漏電流可幫助運(yùn)算放大器在進(jìn)入保持相時(shí)快 速地建立輸出信號(hào)，同時(shí)縮減功耗開(kāi)銷(xiāo)。
[OOU] (5)電壓VI....化直接接入恒流源尾管Mal. . .Man的柵端，形成固定偏置；同時(shí)偏 置電壓VI....化經(jīng)保持相開(kāi)關(guān)Kl. .. .Kn-端連接至動(dòng)態(tài)源尾管Mbl. . .Mbn的柵端，形成固 定偏置;偏置電壓Vbl.. .Vbn經(jīng)采樣相開(kāi)關(guān)肺1....肺n-端連接至動(dòng)態(tài)源尾管Mbl.. .Mbn的 柵端，形成動(dòng)態(tài)偏置;開(kāi)關(guān)單元肺1--肺n受采樣相時(shí)鐘CK2控制，開(kāi)關(guān)單元Kl--Kn受保 持時(shí)鐘CKl控制；恒流源尾管Mal. . .Man的漏端和動(dòng)態(tài)源尾管Mbl. . .Mbn的漏端直接接運(yùn)算 放大器的主體電路OPAbody。
[0014] (6)計(jì)算保持相和采樣相的平均功耗;假設(shè)單個(gè)電流管飽和態(tài)電流為1〇,一個(gè)時(shí)鐘 周期T由保持相周期Tl和采樣相周期T2組成。保持相時(shí)恒流源管Mal. . .Man和動(dòng)態(tài)源尾管 Mbl.. .Mbn全部處于飽和狀態(tài)，則單個(gè)恒流源尾管Mal和動(dòng)態(tài)源尾管Mbl在保持相周期時(shí)的 工作電流之和為化*1〇,此時(shí)采樣相運(yùn)算放大器不參與電荷傳遞，此時(shí)Mal管產(chǎn)生的飽和電流 為Mal*I〇，Mbl管工作在弱反型區(qū)，其電流約為一個(gè)單管電流1〇，1〇遠(yuǎn)小于Mbl管處于飽和狀態(tài) 時(shí)的電流Mbi* Io，此時(shí)恒流源尾管Mal和動(dòng)態(tài)源尾管Mb 1在采樣相周期時(shí)的工作電流之和Mai* 1〇+1〇。單個(gè)恒流源尾管Ma巧日動(dòng)態(tài)源尾管Mbl的平均功耗之和為
[0016]化是運(yùn)電流源管Ml的寬度，是恒流源尾管Mal和動(dòng)態(tài)源尾管 [0017] Mbl寬度之和;Vdd為電源電壓；
[0018]設(shè)n個(gè)電流源管Ml. . .Mn的并聯(lián)個(gè)數(shù)一致，則總功耗：
[0020] 整體電路的平均功耗大大減小。
[0021] (7)仿真驗(yàn)證整體電路的平均功耗，根據(jù)仿真結(jié)果反復(fù)調(diào)整恒流源管Mal. . .Man和 動(dòng)態(tài)源尾管Mbl. . .Mbn的比例個(gè)數(shù)，W滿(mǎn)足功耗要求。
[0022] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0023] (1)本發(fā)明操作簡(jiǎn)單?，F(xiàn)有的降低功耗方法操作復(fù)雜，通常需要省去流水線前端的 采樣保持電路從而省去其內(nèi)部運(yùn)算放大器，才能有效降低功耗。因此需要引入更為復(fù)雜的 數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)才能彌補(bǔ)缺少運(yùn)算放大器所導(dǎo)致的精度損失。本發(fā)明在電流源管Mbl.. .Mbn 的柵端引入偏置電壓供給模塊VBIAS和時(shí)鐘開(kāi)關(guān)，在運(yùn)算放大器的采樣相周期，有效降低部 分尾電流源管電流，從而降低整個(gè)時(shí)鐘周期的平均功耗，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。
[0024] (2)本發(fā)明設(shè)計(jì)全面?，F(xiàn)有的降低功耗方法設(shè)計(jì)單一，通常在采樣相將運(yùn)算放大器 的電流源管Ml. . .Mn直接關(guān)斷，在運(yùn)算放大器不工作的半周期，使得電流源管Ml. . .Mn電流 降至最低;但同時(shí)導(dǎo)致下半工作周期的充電速度減慢，壓擺率變緩，建立時(shí)間甚至超過(guò)要求 的半周期，信號(hào)建立時(shí)間延長(zhǎng)，無(wú)法滿(mǎn)足高頻的時(shí)鐘要求。本發(fā)明提供固定偏置電壓 Vbl. . .Vbn,可實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大器部分動(dòng)態(tài)源尾管Mbl. . .Mbn在不工作的采樣周期，快速進(jìn)入 亞闊值區(qū)，降低功耗的同時(shí)，保留部分漏電流，幫助運(yùn)算放大器在保持相周期快速恢復(fù)到正 常工作狀態(tài)，減小電流縮減對(duì)建立時(shí)間的影響。
[0025] (3)本發(fā)明靈活性高。相比于現(xiàn)有技術(shù)降低功耗不靈活的缺點(diǎn)，本發(fā)明可根據(jù)整體 電路功耗要求，初步確定運(yùn)算放大器功耗縮減比例，再確定恒流源尾管Mal. . .Man和動(dòng)態(tài)源 尾管Mbl. . .Mbn的比例關(guān)系，有針對(duì)性地降低功耗，設(shè)計(jì)上更加靈活。
[0026] (4)本發(fā)明通用性強(qiáng)。對(duì)任意工作在兩相不交疊時(shí)鐘相位下的高性能運(yùn)算放大器 系統(tǒng)，均可采用本發(fā)明的方法。在采樣相時(shí)鐘周期降低尾電流源管功耗，從而降低電路的平 均功耗，具有較強(qiáng)的通用性。特別是針對(duì)工程應(yīng)用中的高速高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中的運(yùn) 算放大器具有更實(shí)際意義。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1為本發(fā)明較理想實(shí)施方式的多電流源管運(yùn)算放大器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0028] 圖2為本發(fā)明較理想實(shí)施方式的對(duì)運(yùn)算放大器多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行降低功耗的方法實(shí)施 電路系統(tǒng)圖；
[0029] 圖3為本發(fā)明較理想實(shí)施方式的兩相不交疊時(shí)鐘時(shí)序圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行解釋說(shuō)明。
[0031] 如圖1所示，為本發(fā)明較理想實(shí)施方式的多電流源管運(yùn)算放大器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。該運(yùn) 算放大器系統(tǒng)包含多個(gè)電流源管M1、M2......Mn,產(chǎn)生偏置電壓VI....化偏置電壓的供給 單元VBIASO和運(yùn)算放大器的主體電路OPAbody，電流源管Ml.. .Mn的源端直接接電源地;偏 置電壓Vl....化直接接入電流源管Ml.. .Mn的源端的柵端，形成固定偏置，該偏置電壓使得 電流源管Ml.. .Mn工作點(diǎn)在飽和區(qū)，此時(shí)電流最大；電流源管Ml.. .Mn的漏端直接接運(yùn)算放 大器的主體電路OPAbody。
[0032] 假設(shè)單個(gè)電流管飽和態(tài)電流為1〇, 一個(gè)時(shí)鐘周期為T(mén)。W電流源管Ml為例，一個(gè)時(shí) 鐘周期內(nèi)運(yùn)算放大器電路的平均工作電流為= 電流源管M2. . .Mn的電流分別為 12. . .In。假設(shè)n個(gè)電流源管Ml. . .Mn的并聯(lián)個(gè)數(shù)一致，則運(yùn)算放大器平均總功耗為：
[0034] 通常n和并聯(lián)個(gè)數(shù)M較大，總功耗也相應(yīng)較大。降低運(yùn)算放大器電路的功耗，可降低 電流源管在時(shí)鐘周期T內(nèi)產(chǎn)生的電流大小。
[0035] 如圖2所示為本發(fā)明的一種降低流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中運(yùn)算放大器功耗的系統(tǒng)，包 括：電流源管Ml. . .Mn;兩組開(kāi)關(guān)單元肺I....肺n和Kl. . . .Kn;兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)CIQ和CK2,其中 CKl為保持相時(shí)鐘，CK2采樣相時(shí)鐘；產(chǎn)生偏置電壓Vbl. .. .Vbn和VI....化的偏置電壓供給 模塊VBIAS;運(yùn)算放大器的主體電路OPAbody;電流源管Ml.. .Mn,包括并聯(lián)的恒流源尾管 Mal.. .Man和動(dòng)態(tài)源管Mbl.. .Mbn,電流源管Ml.. .Mn的源端直接接電源地；
[0036] 偏置電壓VI. .. .Vn直接接入恒流源尾管Mal. . .Man的柵端，形成固定偏置；同時(shí)， 偏置電壓Vl... .Vn經(jīng)保持相開(kāi)關(guān)Kl... .Kn-端連接至動(dòng)態(tài)源尾管Mbl.. .Mbn的柵端，形成 固定偏置;偏置電壓Vbl.. .Vbn經(jīng)采樣相開(kāi)關(guān)肺1...