專利名稱：一種采樣保持器及采樣保持方法
一種采樣保持器及采樣保持方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及模擬數(shù)字信號處理，具體涉及一種采樣保持器及采樣保持 方法。背景技術(shù)：
采樣保持電路(采樣保持器)又稱為采樣保持放大器。當(dāng)對模擬信號進(jìn) 行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換時(shí)，需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間，在這個轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，模擬信號 要保持基本不變，這樣才能保證轉(zhuǎn)換精度。采樣保持電路即為實(shí)現(xiàn)這種功 能的電路。
圖la所示為一種傳統(tǒng)采樣保持電路，其中的電容Cs既是采樣電容， 又是保持電容。在處于采樣相(采樣時(shí)間)時(shí)，開關(guān)控制運(yùn)算放大器的輸 入和輸出短接，兩輸入也同時(shí)短接，與外部信號連接的開關(guān)導(dǎo)通，電容此 時(shí)采樣外部信號電平。隨后使輸入輸出短接的開關(guān)先斷掉，接著連通兩輸 入的開關(guān)斷掉，電容上存儲的電平不再受外部信號影響。在保持相(保持 時(shí)間)時(shí)將電容直接連接到輸出端，輸出建立。這種方式建立時(shí)間短，但 僅能實(shí)現(xiàn)一倍放大。
圖lb所示為另一種傳統(tǒng)采樣保持電路，其中一組的兩個電容Cs是采 樣電容，而另一組的兩個電容Cf是保持電容。在采樣相時(shí)，采樣相時(shí)鐘控 制開關(guān)將運(yùn)算放大器的輸入和輸出短接，兩輸入也同時(shí)短接以產(chǎn)生共模地 電平，與外部信號連接的開關(guān)導(dǎo)通，兩組電容此時(shí)同時(shí)采樣外部信號電平。 隨后使輸入輸出短接的開關(guān)先斷掉，接著連通兩輸入的開關(guān)斷掉，電容上 存儲的電平不再受外部信號影響，同時(shí)采樣電容和保持電容的采樣端不再 連接在一起。在保持相時(shí)，采樣電容電荷被置為零，同時(shí)保持電容接到輸 出端，產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移并建立輸出電平。這種結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)大于一倍的放大， 但建立時(shí)間因?yàn)槭艿诫姾赊D(zhuǎn)移影響而相對較長。
由于應(yīng)用需求的提升，作為對于整體性能影響極大的采樣保持電路模 塊面臨苛刻的設(shè)計(jì)要求，高速度，高精度，高線性度，大的動態(tài)范圍，低 電壓電源供電和低功耗都成為設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。而這些性能很大程度上又 取決于運(yùn)算放大器，最終的結(jié)果就是運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)參數(shù)要求極高，增益帶寬積，壓擺率，輸出電壓范圍和功耗等參數(shù)的高指標(biāo)使得設(shè)計(jì)變得困 難。而且在流片過程中一旦出現(xiàn)偏差，對性能的影響極大。
對傳統(tǒng)的采樣保持電路的苛刻的整體性能指標(biāo)要求決定了運(yùn)算放大 器本身的高標(biāo)準(zhǔn)，這種情況下，運(yùn)算放大器需要同時(shí)滿足高增益、高速度、 大輸出范圍等等因素的要求。而總的說來，為了達(dá)到這些設(shè)計(jì)目標(biāo)，在運(yùn) 算放大器設(shè)計(jì)上代價(jià)很大，困難不小。因此，需要尋求新的解決方案。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的就是解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供一種采樣保持器 及采樣保持方法，能夠利用現(xiàn)有簡單運(yùn)算放大器模塊來實(shí)現(xiàn)采樣保持電路 中，對運(yùn)放苛刻的高增益、高速度、大輸出范圍以及高精度與可靠性要求 的滿足。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種采樣保持器，其特征在于包括第 一級采樣保持電路和第二級采樣保持電路，所述第一級采樣保持電路的輸 入正、負(fù)端接入外部信號，所述第一級采樣保持電路的輸出正、負(fù)端耦合 到所述第二級采樣保持電路的輸入正、負(fù)端，所述第一級采樣保持電路具 有實(shí)現(xiàn)低于一倍數(shù)放大的第一級運(yùn)算放大器，所述第二級采樣保持電路具 有實(shí)現(xiàn)高于一倍數(shù)放大的第二級運(yùn)算放大器，外部信號經(jīng)由所述第一、二 級采樣保持電路相配合的采樣、保持以及放大作用后，從所述第二級采樣 保持電路的輸出正、負(fù)端輸出。
所述第一級采樣保持電路的輸出正、負(fù)端分別與所述第二級采樣保持 電路的輸入正、負(fù)端直接連接，所述第二級采樣保持電路的輸入正、負(fù)端 之間串接有開關(guān)器件。
所述第一級采樣保持電路還包括第一正采樣電容、第一負(fù)采樣電容、 第一正保持電容以及第一負(fù)保持電容；
所述第一正采樣電容的一端以可控通斷的方式與所述第一級采樣保 持電路的第一輸入端、所述第一級運(yùn)算放大器的第一輸出端耦合，另一端 與所述第一級運(yùn)算放大器的第一輸入端耦合并經(jīng)所述第一正保持電容與
所述第一級運(yùn)算放大器的第一輸出端耦合；
所述第一負(fù)采樣電容的一端以可控通斷的方式與所述第一級采樣保 持電路的第二輸入端、所述第一級運(yùn)算放大器的第二輸出端耦合，另一端 與所述第一級運(yùn)算放大器的第二輸入端耦合并經(jīng)所述第一負(fù)保持電容與 所述第一級運(yùn)算放大器的第二輸出端耦合；
所述第一正、負(fù)保持電容的兩端可控制短接。所述第一級運(yùn)算放大器的第一、第二輸入端通過開關(guān)器件跨接。 所述第二級采樣保持電路還包括第二正釆樣電容、第二負(fù)采樣電容、 第二正保持電容以及第二負(fù)保持電容；
所述第二正采樣電容的一端與所述第一級運(yùn)算放大器的第一輸出端 耦合，另一端與所述第二級運(yùn)算放大器的第一輸入端、所述第二正保持電 容的一端耦合，并以可控通斷的方式與所述第二級運(yùn)算放大器第一輸出端 耦合，所述第二正保持電容的另一端分別以可控通斷的方式與所述第一級
運(yùn)算放大器的第一輸出端、第二級運(yùn)算放大器的第一輸出端耦合；
所述第二負(fù)采樣電容的一端與所述第一級運(yùn)算放大器的第二輸出端 耦合，另一端與所述第二級運(yùn)算放大器的第二輸入端、所述第二負(fù)保持電 容的一端耦合，并以可控通斷的方式與所述第二級運(yùn)算放大器第二輸出端 耦合，所述第二負(fù)保持電容的另一端分別以可控通斷的方式與所述第一級 運(yùn)算放大器的第二輸出端、第二級運(yùn)算放大器的第二輸出端耦合。 所述第二級運(yùn)算放大器的第一、第二輸入端通過開關(guān)器件跨接。 所述低于一倍數(shù)放大為二分之一倍放大，所述高于一倍數(shù)放大為二倍 放大。
所述第一級運(yùn)算放大器為套筒式單級全差分運(yùn)算放大器，所述第二級 運(yùn)算放大器為兩級全差分運(yùn)算放大器。
本發(fā)明同時(shí)提供一種采樣保持方法，其特征在于包括第一級采樣保 持階段和第二級采樣保持階段，第一級采樣保持階段中的保持時(shí)間對應(yīng)于 第二級采樣保持階段中的采樣時(shí)間，在所述第一級采樣保持階段中對外部 信號進(jìn)行低于一倍數(shù)放大，在所述第二級采樣保持階段中對由上一階段得 到的信號進(jìn)行高于一倍數(shù)放大，兩級信號放大倍數(shù)的疊合滿足對外部信號 采樣保持的幅度要求。
為第一級采樣保持階段分配的輸出建立時(shí)間短于為第二級采樣保持 階段分配的輸出建立時(shí)間。
第一級采樣保持階段的保持時(shí)間等于或者基本等于第二級采樣保持 階段的采樣時(shí)間，且第一級采樣保持階段的采樣時(shí)間等于或者基本等于第 二級采樣保持階段的保持時(shí)間。
所述第一級采樣保持階段中的采樣時(shí)間按照以下方式結(jié)束先將采樣 電容的靠輸出一側(cè)的直流通路斷開，接著將第一級運(yùn)算放大器的第一、二 輸入端的連接斷開，然后再將采樣電容的靠輸入一側(cè)的直流通路斷開；所 述第二級采樣保持階段中的采樣時(shí)間按照以下方式結(jié)束先將采樣電容的靠輸出一側(cè)的直流通路斷開，接著將第二級運(yùn)算放大器的第一、二輸入端 的連接斷開，.然后再將采樣電容連接保持電容的直流通路斷開。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是
本發(fā)明采用相配合的兩級采樣保持電路，由于第一級采樣保持電路中 的第一級運(yùn)算放大器采用單級套筒式結(jié)構(gòu)，放大倍數(shù)低，著重于實(shí)現(xiàn)高速， 而第二級采樣保持電路中的第二級運(yùn)算放大器采用雙級結(jié)構(gòu)，以高倍數(shù)放 大，著重于實(shí)現(xiàn)高增益和大的輸出范圍。這樣，就能通過兩部分的協(xié)同工 作實(shí)現(xiàn)對采樣保持電路整體性能的要求，從而避免了去設(shè)計(jì)高難度的運(yùn)算 放大器，提高了電路整體的可靠性。
優(yōu)選地，第一級運(yùn)算放大器采用套筒式單級全差分運(yùn)算放大器，第二 級運(yùn)算放大器采用兩級全差分運(yùn)算放大器，套筒式單級運(yùn)算放大器的速度 快，噪聲小，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，適用低電壓設(shè)計(jì)，雙級運(yùn)算放大器增 益大，輸出范圍廣，噪聲小，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，適用低電壓設(shè)計(jì)，通 過本發(fā)明的這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即可以實(shí)現(xiàn)以簡單結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器來滿足采 樣保持器設(shè)計(jì)的高要求。而且，兩級運(yùn)算放大器都是低噪聲結(jié)構(gòu)，從而也 在整體上保證了高線性度。
由于兩部分以流水工作方式直接連接，并特別地，使得第一級的保持 時(shí)間等于第二級的采樣時(shí)間，而第一級的采樣時(shí)間等于第二部分的保持時(shí) 間，第一級由于低放大倍數(shù)和高速運(yùn)算放大器，能在很短時(shí)間內(nèi)建立起輸 出，意味著其保持時(shí)間可以極短，而與之相對應(yīng)，由于兩部分電路之間的 直接連接，其RC (電阻電容)值極小，意味著第二級采樣時(shí)間可以極短。 因此，可以把更多的時(shí)間分配到第一級的采樣時(shí)間和第二級的保持時(shí)間， 從而保證了采樣保持電路整體的高精度與可靠性。

圖la和圖lb是現(xiàn)有技術(shù)電路原理圖2是本發(fā)明實(shí)施例的電路原理圖3是本發(fā)明實(shí)施例的電路時(shí)序圖4a和圖4b是本發(fā)明第一級運(yùn)算放大器的電路原理圖5a和圖5b是本發(fā)明第二級運(yùn)算放大器的電路原理圖。
本發(fā)明的特征及優(yōu)點(diǎn)將通過實(shí)施例結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)說明。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例一
請參考圖2，整個采樣保持器分為兩個部分第一級采樣保持電路和第二級采樣保持電路。第一級采樣保持電路和第二級采樣保持電路通過時(shí) 序控制電路的控制，使第一級采樣保持電路的采樣相與第二級采樣保持電 路的保持相相對應(yīng)，而第一級采樣保持電路的保持相與第二級采樣保持電 路的采樣相相對應(yīng)，從而使兩者協(xié)同工作。當(dāng)?shù)谝患夅姌颖３蛛娐诽幱诓?樣相時(shí)，其正負(fù)兩輸出端短接(不影響采樣)，第二級采樣保持電路同時(shí)進(jìn) 入保持相。當(dāng)?shù)谝患壊蓸颖３蛛娐诽幱诒３窒鄷r(shí)，第二級采樣保持電路采 樣第一級的輸出信號。兩級之間形成流水線工作。
第一級采樣保持電路由第一級運(yùn)算放大器A1、外圍四個電容和七個開 關(guān)組成。外圍電容分別為第一正采樣電容Clsp、第一負(fù)采樣電容Clsn、第 一正保持電容Clhp以及第一負(fù)保持電容Clhn，外圍七個開關(guān)采用CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor, 互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體)開 關(guān)器件，包括二個開關(guān)ltt、 二個開關(guān)l以及一個開關(guān)lt。其中，第一正 采樣電容Clsp和第一負(fù)采樣電容Clsn的一端分別連接到第一級運(yùn)算放大 器A1的第一、第二輸入端，第一正采樣電容Clsp的另一端經(jīng)開關(guān)1與第 一級采樣保持電路的輸入正端耦合，同時(shí)經(jīng)開關(guān)2與第一級運(yùn)算放大器A1 的第一輸出端耦合，第一負(fù)采樣電容Clsn的另一端經(jīng)開關(guān)1與第一級采樣 保持電路的輸入負(fù)端耦合，同時(shí)經(jīng)開關(guān)2與第一級運(yùn)算放大器Al的第二輸 出端耦合。第一正保持電容Clhp和第一負(fù)保持電容Clhn則分別跨接在第 一級運(yùn)算放大器A1的第一輸入端、輸出端和第二輸入端、輸出端之間。第 一正保持電容Clhp的兩端并接開關(guān)ltt，第一負(fù)保持電容Clhn的兩端并 接開關(guān)ltt。第一級運(yùn)算放大器Al的第一、二輸入端之間通過開關(guān)lt跨 接耦合，以使得在采樣相時(shí)產(chǎn)生共模地。
開關(guān)控制信號控制與第一級采樣保持電路的輸入正端連接的開關(guān)1的 通斷，以對外部信號Vip的輸入進(jìn)行控制，控制信號控制第一級采樣保持 電路的輸入負(fù)端連接的開關(guān)1的通斷，以對外部信號Vin的輸入進(jìn)行控制， 另 一組開關(guān)2在開關(guān)控制信號作用下將第一正采樣電容Cl sp和第一負(fù)采樣 電容Clsn在保持相時(shí)分別跨接到第一級運(yùn)算放大器Al的第一輸入、輸出 兩端和第二輸入、輸出兩端，兩個開關(guān)ltt各受控制跨接第一正保持電容 Clhp和第一負(fù)保持電容Clhn的兩端，實(shí)現(xiàn)采樣相和保持相對第一級運(yùn)算 放大器A1輸入輸出兩端電容的充、放電。
本實(shí)施例的第一級運(yùn)算放大器Al為套筒式單級全差分運(yùn)算放大器， 其內(nèi)部采用開關(guān)電容電路構(gòu)建共模負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。第二級采樣保持電路由第二級運(yùn)算放大器A2、外圍四個電容和七個開 關(guān)組成。第二級運(yùn)算放大器A2采用一個簡單的兩級全差分運(yùn)算放大器，外 圍電容分別為第二正采樣電容C2sp、第二負(fù)采樣電容C2sn、第二正保持電 容C2hp以及第二負(fù)保持電容C2hn，外圍七個開關(guān)包括二個開關(guān)2tt、 二個 開關(guān)2以及一個開關(guān)2t。其中，第二正采樣電容C2sp的一端與第一級運(yùn) 算放大器A1的第一輸出端耦合，另一端與第二級運(yùn)算放大器A2的第一輸 入端、第二正保持電容C2hp的一端耦合，并通過開關(guān)2tt與第二級運(yùn)算放 大器A2第一輸出端耦合，第二正保持電容C2hp的另一端經(jīng)開關(guān)2與第一 級運(yùn)算放大器A1的第一輸出端耦合，并經(jīng)開關(guān)1與第二級運(yùn)算放大器A2 .的第一輸出端耦合；第二負(fù)采樣電容C2sn的一端與第一級運(yùn)算放大器Al 的第二輸出端耦合，另一端與第二級運(yùn)算放大器A2的第二輸入端、第二負(fù) 保持電容C2hn的一端耦合，并通過開關(guān)2tt與第二級運(yùn)算放大器A2第二 輸出端耦合，第二負(fù)保持電容C2hn的另一端經(jīng)開關(guān)2與第一級運(yùn)算放大器 Al的第二輸出端耦合，并經(jīng)開關(guān)1與第二級運(yùn)算放大器A2的第二輸出端 耦合。第二級運(yùn)算放大器A2的第一、二輸入端之間通過開關(guān)2t跨接耦合， 以產(chǎn)生共模地電平。
第二正采樣電容C2sp和第二負(fù)采樣電容C2sn恒定接在第二級運(yùn)算放 大器A2第一、第二輸入端；在開關(guān)控制信號作用下，第二正保持電容C2hp 和第二負(fù)保持電容C2hn在采樣相各經(jīng)一個開關(guān)2并接于第二正采樣電容 C2sp和第二負(fù)采樣電容C2sn的兩端，在保持相各經(jīng)一個開關(guān)1跨接在第 二級運(yùn)算放大器A2的第一輸入、輸出端之間和第二輸入、輸出端之間。 兩個開關(guān)2tt分別在開關(guān)控制信號作用下控制第二級運(yùn)算放大器A2的第一 輸入、輸出端的連接和第二輸入、輸出端的連接。由第二級運(yùn)算放大器A2 的第一、第二輸出端輸出本采樣保持器的輸出信號V叩和Von。
本實(shí)施例的第二級運(yùn)算放大器A2為雙級全差分運(yùn)算放大器，其中的 第一級采用晶體管分壓電阻來形成共模負(fù)反饋，其中的第二級采用開關(guān)電 容網(wǎng)絡(luò)。
第一級采樣保持電路按照以下方式與第二級采樣保持電路連接第一
級運(yùn)算放大器Al的第一、第二輸出端分別對應(yīng)耦合到第二級運(yùn)算放大器 A2第一、第二輸入端，第一、二級采樣保持電路之間采用的是直接連接， 實(shí)際以流水結(jié)構(gòu)運(yùn)作。此外，第一級運(yùn)算放大器A1的第一、第二輸出端之 間還經(jīng)一個開關(guān)1跨接，該開關(guān)1可在開關(guān)控制信號作用下連通第一級運(yùn)輸出端也即短接第二級采樣保持電路的兩輸入
端。由于當(dāng)?shù)谝患壊蓸颖３蛛娐凡蓸訒r(shí)，第二級采樣保持電路正好處于保 持狀態(tài)，對于本實(shí)施例，第二級采樣保持電路輸出信號的建立要求其兩輸 入端短接，而該開關(guān)l的閉合正好實(shí)現(xiàn)了此要求。另外，該開關(guān)l的閉合 還可使得第一級采樣保持電路的輸出差分信號歸零。
相對傳統(tǒng)采樣保持電路，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在以下方面體現(xiàn)。
如圖la所示采樣保持電路只具有同時(shí)作為采樣電容和保持電容的兩 個電容Cs。這種結(jié)構(gòu)僅能實(shí)現(xiàn)一倍放大。如圖2所示的第一級采樣保持電 路在圖la所示電路的基礎(chǔ)上添加了一組跨接在運(yùn)算放大器兩端的第一正 保持電容Clhp和第一負(fù)保持電容Clhn。在采樣相階段，第一正保持電容 Clhp和第一負(fù)保持電容Clhn各被開關(guān)ltt被短接，電容上無電荷。到了 保持相階段，第一正保持電容Clhp和第一負(fù)保持電容Clhn和第一正采樣 電容Clsp、第一負(fù)采樣電容Clsn—起分享電荷并構(gòu)建輸出電平，從而通 過第一級運(yùn)算放大器Al實(shí)現(xiàn)倍數(shù)小于一的放大。第二級采樣保持電路結(jié)構(gòu) 上和圖lb所示的采樣保持電路相同。兩級采樣保持電路采用上述兩種電路 結(jié)構(gòu)，且由于前級電路兩輸出端、后級電路兩輸入之間開關(guān)l的存在，使 得在第一級采樣保持電路處于采樣相時(shí)，第二級采樣保持電路可以進(jìn)行輸 出建立。因此，在開關(guān)控制信號的作用下，第一、二級采樣保持電路得以 實(shí)現(xiàn)采樣、保持作用的流水運(yùn)行，產(chǎn)生最終的輸出。
本發(fā)明采樣保持器所需要的放大倍數(shù)可以通過調(diào)節(jié)兩級采樣保持電 路中的多處電容的大小來實(shí)現(xiàn)。在有不同的放大倍數(shù)要求時(shí)，由于電路中 有多處電容可供調(diào)節(jié)，因此本發(fā)明采樣保持器整體放大倍數(shù)一既可大于一， 也可以小于一。相對而言，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)只能單一地實(shí)現(xiàn)大于一范圍內(nèi)的調(diào)節(jié) 或小于一范圍的調(diào)節(jié)。在放大倍數(shù)為一的應(yīng)用中，本發(fā)明第一級采樣保持 電路中的第一級運(yùn)算放大器A1采用二分之一倍數(shù)運(yùn)算放大器，第二級運(yùn)算 放大器A1采用二倍數(shù)運(yùn)算放大器，可使電路中的所有電容大小一致，不需 要額外尺寸的電容，為電路構(gòu)造帶來方便。而且對于第二級采樣保持電路， 不算大的放大倍數(shù)使得其設(shè)計(jì)要求更容易實(shí)現(xiàn)。特別是第一部分二分之一 的放大倍數(shù)使得第一部分的輸出范圍和第二部分的輸入范圍都較小，從而 給實(shí)現(xiàn)各性能參數(shù)指標(biāo)的折衷設(shè)計(jì)留出了更大的空間?？偟恼f來，第一級采樣保持電路的結(jié)構(gòu)簡單，速度快，但放大倍數(shù)小， 在第二級采樣保持電路中采用雙級運(yùn)算放大器，使得增益和輸出范圍都很 大，當(dāng)?shù)谝患壏糯蟊稊?shù)為二分之一、第二級放大倍數(shù)為二時(shí)，最終的輸出 結(jié)果的幅度和外部輸入信號一致。雖然雙級結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器較慢，但是 由于第二級采樣保持電路的輸入信號幅度僅為外部輸入信號幅度的一半， 而且，由于第一級運(yùn)算放大器A1采用的是高速的套筒式結(jié)構(gòu)運(yùn)算放大器， 再加上第一級采樣保持電路的結(jié)構(gòu)使得輸出響應(yīng)時(shí)間短，故第一級采樣保 持電路能夠達(dá)到很高的建立速度。因此，第一、二級結(jié)合作用能夠在總體 上實(shí)現(xiàn)對大信號以較短時(shí)間建立,縮短了采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的整體建立時(shí)間。
圖4a、圖4b中所示為本發(fā)明第一級運(yùn)算放大器電路圖。其中，圖4a 為運(yùn)算放大器的主模塊，圖4b為運(yùn)算放大器的偏置電路。套筒結(jié)構(gòu)運(yùn)算放 大器的速度快，噪聲小，設(shè)計(jì)簡單，適用低電壓設(shè)計(jì)，可靠性高。開關(guān)電 容網(wǎng)絡(luò)在采樣相記錄理想的偏置，在放大相的時(shí)候反饋校正，無靜態(tài)功耗， 調(diào)節(jié)范圍廣。鏡像電流源組成的偏置電路能在大的外部電壓波動下保證恒 定。
圖5a、圖5b中所示為本發(fā)明第二級運(yùn)算放大器電路圖。其中，圖5a 為運(yùn)算放大器的主模塊，圖5b為運(yùn)算放大器的偏置電路。雙級結(jié)構(gòu)增益大， 輸出范圍廣，噪聲小。且本電路優(yōu)選采用的雙級全差分運(yùn)算放大器適用低 電壓設(shè)計(jì)，可靠性高。其中的第一級采用的是處在線性區(qū)的晶體管分壓電 阻作為反饋電路，結(jié)構(gòu)簡單，其中的第二級采用的是開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)，性能 優(yōu)良。
正是由于兩部分的運(yùn)算放大器類型不同，分別側(cè)重不同的性能指標(biāo)， 故使得設(shè)計(jì)起來十分簡單，特別是在低電壓結(jié)構(gòu)下仍能保持高可靠性。而 且，本發(fā)明采樣保持器電路優(yōu)選的運(yùn)算放大器都是低噪聲結(jié)構(gòu)，從而又在 整體上保證了高線性度。
此外，第一、二級采樣保持電路中，運(yùn)算放大器外圍的各個開關(guān)優(yōu)選 采用CMOS開關(guān)，其導(dǎo)通電阻阻值隨采樣信號電壓變化波動較小，故使得整 體的線形性更好。
作為本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明還提出一種采樣保持方法，該方法包 括流水式銜接的第一級采樣保持階段和第二級采樣保持階段，第一級采樣保持階段中的保持時(shí)間對應(yīng)于第二級采樣保持階段中的采樣時(shí)間，在第一 級采樣保持階段中對外部信號進(jìn)行低倍數(shù)放大，在第二級采樣保持階段中 對由上一階段得到的信號進(jìn)行高倍數(shù)放大，兩級信號放大倍數(shù)的疊合滿足 對外部信號采樣保持的幅度要求。
圖3所示為本實(shí)施例的電路時(shí)序圖。對應(yīng)地，第一級采樣保持階段在
本發(fā)明的第一級采樣保持電路上執(zhí)行，第二級采樣保持階段在本發(fā)明的第 二級采樣保持電路上執(zhí)行，由兩級流水工作方式，使第一級采樣保持電路 的保持時(shí)間等于第二級采樣保持電路的采樣時(shí)間，而第一級采樣保持電路 的采樣時(shí)間等于第二級采樣保持電路的保持時(shí)間。第一級采樣保持電路由 于低放大倍數(shù)和高速運(yùn)算放大器，能在很短時(shí)間內(nèi)建立起來，意味著其第 一級保持時(shí)間可以極短。而與之相同的第二級采樣時(shí)間，由于第一、二級
采樣保持電路之間直接連接，極小的RC (電阻電容)值意味著采樣時(shí)間可 以極短。因此，可以把更多的時(shí)間分配到第一級的采樣時(shí)間和第二級的保 持時(shí)間，從而保證了采樣保持整體上的高精度。
由于本發(fā)明的第一級采樣保持電路的輸出建立速度快，而第二級采樣 保持電路的輸出建立相對較慢且關(guān)系到最終輸出，可以進(jìn)一步將整個周期 的時(shí)間進(jìn)行不等均分配。通過調(diào)節(jié)時(shí)鐘信號，控制對第一級分配較短的輸 出建立時(shí)間，對第二級分配較長的輸出建立時(shí)間，通過對兩級建立時(shí)間的 合理分配，在整體上實(shí)現(xiàn)采樣、保持的高速。例如對于一個采樣頻率為 40MHz的應(yīng)用， 一個周期為25ns。考慮到時(shí)鐘的上升沿與下降沿及時(shí)鐘非 重疊，可將第一級采樣保持電路的采樣相時(shí)間設(shè)為15.5ns，而保持相時(shí)間 為6.5ns。相對應(yīng)的，第二級采樣保持電路的采樣相時(shí)間設(shè)為6.5ns，而保 持相時(shí)間為15.5ns。
同時(shí)，為了消除電荷注入效應(yīng)的影響，還進(jìn)一步以特定的時(shí)序控制連 接采樣電容的開關(guān)，使得在外部信號斷開之前保證采樣電容內(nèi)的電荷不受 外部影響。參見圖3中控制各個開關(guān)通斷的時(shí)序關(guān)系，而這種關(guān)系保證了 電荷注入效應(yīng)的消除。下面以第一級采樣保持電路輸出建立，即第一級由 采樣相至保持相轉(zhuǎn)換時(shí)的開關(guān)組1、 lt、 ltt的控制信號phasel， phaselt， phaseltt來說明。由于連通外部信號的phasel控制的兩個開關(guān)1在斷開 時(shí)會由于電荷注入效應(yīng)而引發(fā)非理想的差分信號，因此在此之前先斷開 phaseltt控制的兩個開關(guān)ltt，使得第一級中采樣電容一端的直流通路斷開。而電容的沖放電需要兩端同時(shí)有i流通路，因此此時(shí)的電容電荷開始
守恒，phasel控制的兩個開關(guān)1的斷開也無法影響。而在phaseltt控制 的兩個開關(guān)ltt的斷開過程中，理論上由于phaseltt控制的兩個開關(guān)ltt 的一致性只引入共模信號，但實(shí)際上的差異會使得有少量差模信號存在。 phaselt控制的兩個開關(guān)It的斷開介于phasel和phaseltt之間，在 phaseltt控制開關(guān)ltt斷開后依然保證連通，消除了差模信號存在的可能 性。
本發(fā)明為信號處理的一種基本模塊，能夠?qū)ν獠枯斎氲哪M信號進(jìn)行 前端處理.其在一些應(yīng)用，特別是模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器中發(fā)揮著重要作用，在 很大程度上決定了整個電路的線性度和動態(tài)范圍。應(yīng)用本發(fā)明提出的電路
能夠有效保證模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的速度和精度。
以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說 明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù) 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若 干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1. 一種采樣保持器，其特征在于包括第一級采樣保持電路和第二級采樣保持電路，所述第一級采樣保持電路的輸入正、負(fù)端接入外部信號，所述第一級采樣保持電路的輸出正、負(fù)端耦合到所述第二級采樣保持電路的輸入正、負(fù)端，所述第一級采樣保持電路具有實(shí)現(xiàn)低于一倍數(shù)放大的第一級運(yùn)算放大器，所述第二級采樣保持電路具有實(shí)現(xiàn)高于一倍數(shù)放大的第二級運(yùn)算放大器，外部信號經(jīng)由所述第一、二級采樣保持電路相配合的采樣、保持以及放大作用后，從所述第二級采樣保持電路的輸出正、負(fù)端輸出。
2. 如權(quán)利要求1所述的采樣保持器，其特征在于所述第一級采樣 保持電路的輸出正、負(fù)端分別與所述第二級釆樣保持電路的輸入正、負(fù)端 直接連接，所述第二級采樣保持電路的輸入正、負(fù)端之間串接有開關(guān)器件。
3. 如權(quán)利要求2所述的采樣保持器，其特征在于所述第一級采樣保持電路還包括第一正采樣電容、第一負(fù)采樣電容、 第一正保持電容以及第一負(fù)保持電容；所述第一正采樣電容的一端以可控通斷的方式與所述第一級采樣保 持電路的第一輸入端、所述第一級運(yùn)算放大器的第一輸出端耦合，另一端 與所述第一級運(yùn)算放大器的第一輸入端耦合并經(jīng)所述第一正保持電容與所述第一級運(yùn)算放大器的第一輸出端耦合；所述第一負(fù)采樣電容的一端以可控通斷的方式與所述第一級采樣保 持電路的第二輸入端、所述第一級運(yùn)算放大器的第二輸出端耦合，另一端 與所述第一級運(yùn)算放大器的第二輸入端耦合并經(jīng)所述第一負(fù)保持電容與所述第一級運(yùn)算放大器的第二輸出端耦合；所述第一正、負(fù)保持電容的兩端可控制短接。
4. 如權(quán)利要求3所述的采樣保持器，其特征在于所述第一級運(yùn)算放大器的第一、第二輸入端通過開關(guān)器件跨接。
5. 如權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的采樣保持器，其特征在于所述第二級采樣保持電路還包括第二正采樣電容、第二負(fù)采樣電容、第二正保持電容以及第二負(fù)保持電容；所述第二正采樣電容的一端與所述第一級運(yùn)算放大器的第一輸出端 耦合，另一端與所述第二級運(yùn)算放大器的第一輸入端、所述第二正保持電容的一端耦合，并以可控通斷的方式與所述第二級運(yùn)算放大器第一輸出端 耦合，所述第二正保持電容的另一端分別以可控通斷的方式與所述第一級 運(yùn)算放大器的第一輸出端、第二級運(yùn)算放大器的第一輸出端耦合；所述第二負(fù)采樣電容的一端與所述第一級運(yùn)算放大器的第二輸出端 耦合，另一端與所述第二級運(yùn)算放大器的第二輸入端、所述第二負(fù)保持電 容的一端耦合，并以可控通斷的方式與所述第二級運(yùn)算放大器第二輸出端 耦合，所述第二負(fù)保持電容的另一端分別以可控通斷的方式與所述第一級 運(yùn)算放大器的第二輸出端、第二級運(yùn)算放大器的第二輸出端耦合。
6. 如權(quán)利要求5所述的采樣保持器，其特征在于所述第二級運(yùn)算 放大器的第一、第二輸入端通過開關(guān)器件跨接。
7. 如權(quán)利要求5所述的采樣保持器，其特征在于所述低于一倍數(shù) 放大為二分之一倍放大，所述高于一倍數(shù)放大為二倍放大。
8. 如權(quán)利要求5所述的采樣保持器，其特征在于所述第一級運(yùn)算 放大器為套筒式單級全差分運(yùn)算放大器，所述第二級運(yùn)算放大器為兩級全 差分運(yùn)算放大器。
9. 一種采樣保持方法，其特征在于包括第一級采樣保持階段和第 二級采樣保持階段，第一級采樣保持階段中的保持時(shí)間對應(yīng)于第二級采樣 保持階段中的采樣時(shí)間，在所述第一級采樣保持階段中對外部信號進(jìn)行低 于一倍數(shù)放大，在所述第二級采樣保持階段中對由上一階段得到的信號進(jìn) 行高于一倍數(shù)放大，兩級信號放大倍數(shù)的疊合滿足對外部信號采樣保持的 幅度要求。
10. 如權(quán)利要求10所述的采樣保持方法，其特征在于為第一級采 樣保持階段分配的輸出建立時(shí)間短于為第二級采樣保持階段分配的輸出 建立時(shí)間。
11. 如權(quán)利要求10或11所述的采樣保持方法，其特征在于第一級 采樣保持階段的保持時(shí)間等于或者基本等于第二級采樣保持階段的采樣 時(shí)間，且第一級采樣保持階段的采樣時(shí)間等于或者基本等于第二級采樣保 持階段的保持時(shí)間。
12. 如權(quán)利要求ll所述的采樣保持方法，其特征在于所述第一級 釆樣保持階段中的采樣時(shí)間按照以下方式結(jié)束先將采樣電容的靠輸出一 側(cè)的直流通路斷開，接著將第一級運(yùn)算放大器的第一、二輸入端的連接斷 開，然后再將采樣電容的靠輸入一側(cè)的直流通路斷開；所述第二級采樣保 持階段中的采樣時(shí)間按照以下方式結(jié)束先將采樣電容的靠輸出一側(cè)的直流通路斷開，接著將第二級運(yùn)算放大器的第一、二輸入端的連接斷開，然 后再將采樣電容連接保持電容的直流通路斷開。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采樣保持器，包括第一級采樣保持電路和第二級采樣保持電路，第一級采樣保持電路的輸入正、負(fù)端接入外部信號，第一級采樣保持電路的輸出正、負(fù)端耦合到第二級采樣保持電路的輸入正、負(fù)端，第一級采樣保持電路具有實(shí)現(xiàn)低于一倍數(shù)放大的第一級運(yùn)算放大器，第二級采樣保持電路具有實(shí)現(xiàn)高于一倍數(shù)放大的第二級運(yùn)算放大器，外部信號經(jīng)由第一、二級采樣保持電路相配合的采樣、保持以及放大作用后，從第二級采樣保持電路的輸出正、負(fù)端輸出。本發(fā)明同時(shí)公開了一種采樣保持方法。作為一種信號處理基本模塊，本發(fā)明用于對外部輸入信號進(jìn)行前端處理，在實(shí)現(xiàn)高可靠性的前提下，以結(jié)構(gòu)的簡單保證信號轉(zhuǎn)換的速度、精度。
文檔編號H03M1/12GK101414487SQ200710124619
公開日2009年4月22日 申請日期2007年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月20日
發(fā)明者李崇仁, 建 阮 申請人:北京大學(xué)深圳研究生院