專利名稱：一種校正采樣時(shí)鐘偏差的mos自舉開關(guān)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種校正采樣時(shí)鐘偏差的MOS自舉開關(guān) 電路。
背景技術(shù)：
高速度、高精度和低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)廣泛應(yīng)用于無線通信、儀表測(cè)量、軍用 雷達(dá)和高清晰數(shù)字電視等方面，是如今混合信號(hào)系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)的發(fā)展重點(diǎn)。隨著軟件定義 無線電(SDR)通信技術(shù)的發(fā)展，日益要求收發(fā)系統(tǒng)的數(shù)字部分盡可能靠近天線端、中頻之 后的信號(hào)處理工作全都交給可以靈活配置的數(shù)字處理芯片完成。因而模數(shù)轉(zhuǎn)換器就需要在 中頻段甚至射頻段進(jìn)行采樣。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位置越靠近天線，就越能用軟件定義更多的功 能，系統(tǒng)就越靈活，但同時(shí)就要求模數(shù)轉(zhuǎn)換器必須具有更高速度和更高精度。目前，這種高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，如采樣頻率大于100M，精度大于10比特以上，基 本上采用流水線(Pipeline)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。流水線結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器在精度，速度，功耗，芯 片面積等方面折衷考慮下具有很好的性能。還有一種時(shí)間交錯(cuò)(Time interleaved)型模 數(shù)轉(zhuǎn)換器通過把多個(gè)ADC結(jié)合在一起交錯(cuò)使用，使得采樣速率成倍數(shù)提高，提高了處理寬 帶信號(hào)的能力。時(shí)間交錯(cuò)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)通道之間的匹配性能要求很高，比如通道之間的 失調(diào)和增益不匹配將影響模數(shù)轉(zhuǎn)換器的整體性能。并且通道之間的采樣時(shí)鐘偏差，將帶來 失真和總體的轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤(如圖1)，尤其是在高頻應(yīng)用的時(shí)候。針對(duì)通道間的采樣時(shí)鐘偏差，可以通過設(shè)計(jì)上和版圖上的精確匹配技術(shù)來減輕， 但是這對(duì)時(shí)鐘沿的要求比較高，而且不能保證流片以后的性能。還可以通過數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù) 來校準(zhǔn)采樣誤差，但其需要復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理單元，而且對(duì)輸入信號(hào)的頻率有一定的限 制。另一種技術(shù)采用圖2所示的結(jié)構(gòu)，該圖表示出了兩個(gè)通道的時(shí)間交錯(cuò)型模數(shù)轉(zhuǎn)換 器的結(jié)構(gòu)。第一個(gè)通道由采樣保持電路1 (1)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器1 (2)構(gòu)成，第二個(gè)通道由采 樣保持電路2 (3)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器2 (4)構(gòu)成，兩個(gè)通道的輸出輸入到多路選擇器(5)，最后 輸出數(shù)字碼。時(shí)鐘源(7)產(chǎn)生兩個(gè)通道的時(shí)鐘信號(hào)tl和t2。相比圖1，該結(jié)構(gòu)加入了時(shí)鐘 偏差檢測(cè)模塊(6)來檢測(cè)兩通道間的時(shí)鐘偏差，然后將輸出作為控制信號(hào)加到時(shí)鐘延遲單 元(8)，來控制延遲時(shí)鐘信號(hào)t2的方向和大小，同時(shí)時(shí)鐘tl作為基準(zhǔn)，保持不變。只要有時(shí) 鐘偏差，檢測(cè)模塊(6)便會(huì)輸出控制信號(hào)來控制延遲單元的動(dòng)作，這樣的操作一直到消除時(shí) 鐘偏差為止。圖3表示圖2中采樣保持電路的具體實(shí)現(xiàn)。它采用電容翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和底極板采樣技 術(shù)，采樣開關(guān)Sl由自舉開關(guān)實(shí)現(xiàn)，它由時(shí)鐘ckla控制，時(shí)鐘ckla比時(shí)鐘ckl提前關(guān)斷。從 時(shí)序圖中可以看出，當(dāng)時(shí)鐘ckla下降到MOS管的關(guān)斷閾值時(shí)，即時(shí)刻thl、th2，采樣保持電路 完成了對(duì)輸入信號(hào)的采樣，因此這個(gè)時(shí)刻便是實(shí)際的采樣時(shí)刻。該技術(shù)的主要缺點(diǎn)是需要額外的時(shí)鐘延遲單元，增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度以及芯片面 積和功耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種無需額外時(shí)鐘延遲單元、芯片面積小、功耗低的可以校正時(shí)間 交錯(cuò)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器通道間采樣時(shí)鐘偏差的MOS自舉開關(guān)電路。本發(fā)明提出的MOS自舉開關(guān)電路，只是用MOS自舉開關(guān)電路(圖4)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的自 舉開關(guān)作為采樣保持電路(圖3)中的采樣開關(guān)Si。本發(fā)明提出的可以校正時(shí)間交錯(cuò)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器通道間采樣時(shí)鐘誤差的MOS開關(guān) 電路，包括
NMOS開關(guān)管(21)(即NMOS管M1)，該NMOS開關(guān)管(21)具有第一信號(hào)輸入端(18)、第 二信號(hào)輸入端(20)、第一信號(hào)輸出端(22)；
NMOS輔助開關(guān)管(15)(即NMOS管M8)，該NMOS輔助開關(guān)管(15)具有第三信號(hào)輸入端 (17)、第四信號(hào)輸入端(16);
柵壓自舉預(yù)充電電路(12 )，它包括自舉電容Cb、上拉PMOS管M5和下拉NMOS管M4 ； PMOS自舉環(huán)路開關(guān)管(13)(即PMOS管6)，該P(yáng)MOS自舉環(huán)路開關(guān)管(13)具有第二信 號(hào)輸出端(14);
反相器(11)，用于產(chǎn)生反相時(shí)鐘信號(hào)；
柵壓控制端電壓驅(qū)動(dòng)電路(10)；它包括NMOS管M2和NMOS管M3 ；
開關(guān)管柵壓泄放回路(19)；它包括NMOS管9、NMOS管10、NMOS管11 ；
所述第二信號(hào)輸出端(14 )與所述第四信號(hào)輸入端(16 )及所述第二信號(hào)輸入端(20 )連
接；
NMOS輔助開關(guān)管(15)的第三信號(hào)輸入端(17)接時(shí)鐘偏差檢測(cè)模塊反饋回來的一個(gè)控 制電壓，NMOS開關(guān)管(21)的第一信號(hào)輸入端(18 )接運(yùn)算放大器的共模輸入電壓；
第二信號(hào)輸出端(14)就是自舉上去的柵電壓，它的值為MOS輔助開關(guān)管(15)的輸入端 (17)所加信號(hào)值加上電源電壓的值；
第二信號(hào)輸出端(14)電壓連接到NMOS開關(guān)管(21)和NMOS輔助開關(guān)管(15)的柵端， 用于控制這兩個(gè)開關(guān)的導(dǎo)通或關(guān)斷；
第二信號(hào)輸出端(14)控制NMOS輔助開關(guān)管(15)是否將可變控制電壓信號(hào)自舉，同時(shí) 控制NMOS開關(guān)管(21)是否將運(yùn)算放大器的共模電壓輸入到第一信號(hào)輸出端(22)。其工作原理如下
(1)當(dāng)?shù)谝粫r(shí)鐘信號(hào)(9)為低電平時(shí)，反相器(11)使得反相的時(shí)鐘信號(hào)為高電平。開 關(guān)管柵壓泄放回路(19)開始工作，將第二信號(hào)輸出端(14)拉至低電平，從而觸發(fā)柵壓自舉 預(yù)充電電路(12)工作，將自舉電容上極板充電到電源電壓，下極板接到地，完成對(duì)電容的預(yù) 充電，這時(shí)NMOS開關(guān)管(21)和NMOS輔助開關(guān)管(15)都不工作；
(2)當(dāng)?shù)谝粫r(shí)鐘信號(hào)(9)由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，反相器(11)輸出由高到低，使得柵 壓自舉預(yù)充電電路(12)和開關(guān)管柵壓泄放回路(19)斷開，同時(shí)柵壓控制端電壓驅(qū)動(dòng)電路 (10)控制PMOS自舉環(huán)路開關(guān)管(13)導(dǎo)通。第三信號(hào)輸入端(17)通過NMOS輔助開關(guān)管(15)將該輸入信號(hào)自舉到電源電壓加 上該信號(hào)值，這也就是第二信號(hào)輸出端(14)的值，這時(shí)NMOS開關(guān)管(21)和NMOS輔助開關(guān) 管(15)都導(dǎo)通；(3)當(dāng)?shù)谝粫r(shí)鐘信號(hào)(9)再次翻轉(zhuǎn)時(shí)，則重復(fù)(1)，(2)操作，如此往復(fù)。本發(fā)明通過將時(shí)鐘偏差檢測(cè)模塊檢測(cè)到的時(shí)鐘偏差信號(hào)作為控制信號(hào)，輸入到該 自舉開關(guān)電路，采樣時(shí)刻便可以相應(yīng)的得到調(diào)節(jié)，從而消除通道間的采樣時(shí)鐘偏差。本發(fā)明提出的校正時(shí)間交錯(cuò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器通道間采樣時(shí)鐘偏差的MOS自舉開關(guān)電 路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于第一時(shí)鐘信號(hào)ckla通過一個(gè)反相器產(chǎn)生另一個(gè)信號(hào)cklan ；第一輸入信 號(hào)為運(yùn)算放大器的共模輸入電壓Vcmi ；第三輸入信號(hào)為控制信號(hào)Vctr，它為時(shí)鐘偏差檢測(cè) 模塊的輸出；當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)ckla由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，反相器輸出cklan由高到低，采樣保 持電路進(jìn)入采樣階段，Vboost跟隨控制信號(hào)Vctr ；第一輸出信號(hào)Vp接到采樣保持電路結(jié)構(gòu) 中運(yùn)算放大器的正向輸入端。本發(fā)明的主要思想是在自舉輸入端加入一個(gè)控制信號(hào)，該控制電壓信號(hào)由時(shí)鐘偏 差檢測(cè)模塊得到。柵壓自舉電路將該控制信號(hào)自舉一個(gè)電源電壓，使得自舉電壓跟隨控制 電壓信號(hào)。將該自舉電壓加到開關(guān)管的柵端，用于控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。具體如下，通 過自適應(yīng)時(shí)鐘偏差檢測(cè)模塊反饋回來的控制電壓信號(hào)Vctr，輸入到提出的MOS自舉開關(guān)電 路(圖4)來調(diào)節(jié)實(shí)際的采樣時(shí)刻，從而消除采樣時(shí)鐘偏差。由于不同的控制電壓信號(hào)Vctr 將得到不同的Vboost值，因此晶體管Ml的柵源電壓Vboost-Vcmi受信號(hào)Vctr的控制。 當(dāng)ckla轉(zhuǎn)換為低電平時(shí)，cklan變?yōu)楦唠娖?，不同的電壓值Vboost被晶體管M9和晶體管 Mll以相同的速率拉低。這時(shí)當(dāng)晶體管Ml的柵源電壓Vboost-Vcmi降到某一關(guān)斷閾值電壓 時(shí)，晶體管Ml關(guān)斷。Vctr越大，則Vboost-Vcmi越大，相應(yīng)的關(guān)斷時(shí)刻就越遲到來。這意味 著不同的Vctr對(duì)應(yīng)著不同的晶體管Ml的關(guān)斷時(shí)刻。所以時(shí)鐘偏差檢測(cè)電路，加上該改進(jìn) 的自舉開關(guān)電路所形成的自適應(yīng)回路，可以有效地調(diào)節(jié)該通道的采樣時(shí)刻，從而達(dá)到消除 時(shí)鐘偏差的目的。


圖1兩通道時(shí)間交錯(cuò)型數(shù)模轉(zhuǎn)換器中通道間采樣時(shí)鐘偏差的示意圖。圖2 —種消除時(shí)間交錯(cuò)型數(shù)模轉(zhuǎn)換器通道間的采樣時(shí)鐘偏差技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3圖2中采樣保持電路的具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖。圖4 一種可校正時(shí)間交錯(cuò)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器通道間采樣時(shí)鐘偏差的MOS自舉開關(guān)電 路示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步 的詳細(xì)描述。圖2表示一種可以消除時(shí)間交錯(cuò)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器中通道間采樣時(shí)鐘偏差的實(shí)現(xiàn)結(jié) 構(gòu)。通過檢測(cè)通道間的時(shí)鐘偏差，然后反饋給時(shí)鐘延遲電路，調(diào)節(jié)時(shí)鐘延遲大小和方向，直 到最終消除偏差為止。本發(fā)明省去了時(shí)鐘延遲電路單元，實(shí)現(xiàn)了相同功能。
具體實(shí)施方式
如下
圖3表示單端的采樣保持電路示意圖。圖中給出了 3個(gè)時(shí)鐘ckl，ck2和ckla的時(shí)序 圖。在ttl時(shí)刻以后，開關(guān)Sl和S2閉合，S3斷開，電路進(jìn)入采樣階段，電容Cs跟隨輸入信 號(hào)Vin。當(dāng)?shù)竭_(dá)時(shí)刻thl時(shí)，時(shí)鐘ckla提前關(guān)斷，這個(gè)時(shí)刻決定了采樣保持電路的實(shí)際采樣點(diǎn)。因?yàn)閠hl以后電容Cs上的電壓值將不隨輸入信號(hào)Vin變化。在時(shí)鐘ck2變高時(shí)，電容 翻轉(zhuǎn)，使得輸出電壓等于采樣到的信號(hào)值。圖4表示提出的可校正時(shí)間交錯(cuò)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器通道間采樣時(shí)鐘偏差的MOS自舉開 關(guān)電路，它也是圖3中采樣開關(guān)Sl的具體實(shí)現(xiàn)，它可以調(diào)節(jié)采樣保持電路的實(shí)際采樣點(diǎn)。該 電路輸入有三個(gè)端口，分別是輸入時(shí)鐘信號(hào)ckla (9)，輸入共模電壓Vcmi和控制電壓信號(hào) Vctr。輸出端為Vp，對(duì)應(yīng)于圖3中運(yùn)算放大器的正向輸入端Vp。NMOS輔助開關(guān)管(15)的 輸入端(17)接時(shí)鐘偏差檢測(cè)模塊反饋回來的控制電壓信號(hào)Vctr，NM0S開關(guān)管(21)的輸入 端(18)接運(yùn)算放大器的共模輸入電壓Vcmi ；
NMOS管M8為柵壓輸入控制開關(guān)，用以控制柵壓自舉電路的輸入。cklan是時(shí)鐘信號(hào) ckla經(jīng)過反相器產(chǎn)生的反向信號(hào)。當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)ckla為低電平時(shí)，輸出自舉電壓Vboost通 過NMOS管M9、M11放電至零，匪OS管Ml、M8關(guān)斷；同時(shí)匪OS管M4與PMOS管M5開啟，對(duì)自 舉電容Cb進(jìn)行充電使得Cb上極板電壓為電源電壓Vdd，下極板電壓為O。在時(shí)鐘信號(hào)ckla轉(zhuǎn)換為高電平后，M4、M5、M9、Mll關(guān)斷，同時(shí)匪OS管M2和PMOS 管M3組成的反相器將PMOS管M6的柵壓拉低，使自舉環(huán)路開啟，使得自舉電壓Vboost等于 輸入電壓Vctr加上一個(gè)電源電壓Vdd。從而NMOS管Ml開啟，將Vp接到輸入共模電壓Vcmi 上。這時(shí)電路進(jìn)入采樣階段。由于不同的電壓Vctr將得到不同的Vboost值，因此NMOS管Ml的柵源電壓 Vboost-Vcmi將隨Vctr而變化。當(dāng)ckla轉(zhuǎn)換為低電平時(shí)，cklan變?yōu)楦唠娖?，不同的電壓?Vboost被晶體管M9和Mll以相同的速率拉低。這時(shí)當(dāng)NMOS管Ml的柵源電壓Vboost-Vcmi 降到某一關(guān)斷電壓時(shí)，NMOS管Ml關(guān)斷。Vctr越大，則Vboost-Vcmi越大，相應(yīng)的關(guān)斷時(shí)刻 就越遲到來。這意味著不同的Vctr控制著NMOS管Ml不同的關(guān)斷時(shí)刻?？刂齐妷盒盘?hào)Vctr由時(shí)鐘偏差檢測(cè)電路生成，輸入發(fā)明的MOS自舉開關(guān)，可以有 效地調(diào)節(jié)采樣保持電路的采樣時(shí)刻，從而達(dá)到消除時(shí)鐘偏差的目的。
權(quán)利要求
1.一種可以校正時(shí)間交錯(cuò)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器通道間采樣時(shí)鐘誤差的MOS開關(guān)電路，其特征 在于，包括NMOS開關(guān)管(21 )，即NMOS管M1，該NMOS開關(guān)管(21)具有第一信號(hào)輸入端(18)、第二 信號(hào)輸入端(20)、第一信號(hào)輸出端(22)；NMOS輔助開關(guān)管(15)，即NMOS管M8，該NMOS輔助開關(guān)管(15)具有第三信號(hào)輸入端 (17)、第四信號(hào)輸入端(16);柵壓自舉預(yù)充電電路(12 )，它包括自舉電容Cb、上拉PMOS管M5和下拉NMOS管M4 ； PMOS自舉環(huán)路開關(guān)管(13)，即PMOS管M6，該P(yáng)MOS自舉環(huán)路開關(guān)管(13)具有第二信 號(hào)輸出端(14);反相器(11)，用于產(chǎn)生反相時(shí)鐘信號(hào)；柵壓控制端電壓驅(qū)動(dòng)電路(10)；它包括NMOS管M2和NMOS管M3 ；開關(guān)管柵壓泄放回路(19)；它包括NMOS管M9、NM0S管M10、NM0S管Mil;所述第二信號(hào)輸出端(14 )與所述第四信號(hào)輸入端(16 )及所述第二信號(hào)輸入端(20 )連接；NMOS輔助開關(guān)管(15)的第三信號(hào)輸入端(17)接時(shí)鐘偏差檢測(cè)模塊反饋回來的一個(gè)控 制電壓，NMOS開關(guān)管(21)的第一信號(hào)輸入端(18 )接運(yùn)算放大器的共模輸入電壓；第二信號(hào)輸出端(14)就是自舉上去的柵電壓，它的值為MOS輔助開關(guān)管(15)的輸入端 (17)所加信號(hào)值加上電源電壓的值；第二信號(hào)輸出端(14)電壓連接到NMOS開關(guān)管(21)和NMOS輔助開關(guān)管(15)的柵端， 用于控制這兩個(gè)開關(guān)的導(dǎo)通或關(guān)斷；第二信號(hào)輸出端(14)控制NMOS輔助開關(guān)管(15)是否將可變控制電壓信號(hào)自舉，同時(shí) 控制NMOS開關(guān)管(21)是否將運(yùn)算放大器的共模電壓輸入到第一信號(hào)輸出端(22)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MOS開關(guān)電路，其特征在于，工作流程為(1)當(dāng)?shù)谝粫r(shí)鐘信號(hào)(9)為低電平時(shí)，反相器(11)使得反相的時(shí)鐘信號(hào)為高電平；開關(guān) 管柵壓泄放回路(19)開始工作，將第二信號(hào)輸出端(14)拉至低電平，從而觸發(fā)柵壓自舉預(yù) 充電電路(12)工作，將自舉電容上極板充電到電源電壓，下極板接到地，完成對(duì)電容的預(yù)充 電，這時(shí)NMOS開關(guān)管(21)和NMOS輔助開關(guān)管(15)都不工作；(2)當(dāng)?shù)谝粫r(shí)鐘信號(hào)(9)由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，反相器(11)輸出由高到低，使得柵 壓自舉預(yù)充電電路(12)和開關(guān)管柵壓泄放回路(19)斷開，同時(shí)柵壓控制端電壓驅(qū)動(dòng)電路 (10)控制PMOS自舉環(huán)路開關(guān)管(13)導(dǎo)通；第三信號(hào)輸入端(17)通過NMOS輔助開關(guān)管(15)將該輸入信號(hào)自舉到電源電壓加上 該信號(hào)值，這也就是第二信號(hào)輸出端(14)的值，這時(shí)NMOS開關(guān)管(21)和NMOS輔助開關(guān)管 (15)都導(dǎo)通；(3)當(dāng)?shù)谝粫r(shí)鐘信號(hào)(9)再次翻轉(zhuǎn)時(shí)，則重復(fù)(1)，(2)操作，如此往復(fù)；所述第二信號(hào)輸出端(14 )與所述第四信號(hào)輸入端(16 )及所述第二信號(hào)輸入端(20 )連接。
全文摘要
本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種校正采樣時(shí)鐘偏差的MOS自舉開關(guān)電路。該電路用于消除時(shí)間交錯(cuò)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器通道間的采樣時(shí)鐘偏差，以MOS自舉開關(guān)為主體，在自舉輸入端加入一個(gè)控制信號(hào)，該控制電壓信號(hào)由時(shí)鐘偏差檢測(cè)模塊得到。柵壓自舉電路將該控制信號(hào)自舉一個(gè)電源電壓，使得自舉電壓跟隨控制電壓信號(hào)。將該自舉電壓加到開關(guān)管的柵端，用于控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。這樣控制信號(hào)就能調(diào)節(jié)開關(guān)管的關(guān)斷時(shí)刻，從而有效校正了時(shí)鐘偏差，消除了通道間的采樣失配。
文檔編號(hào)H03K17/687GK102075171SQ20101060055
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月22日
發(fā)明者任俊彥, 余北, 葉凡, 張鵬, 李寧, 束晨, 王俊乾, 許俊, 陳遲曉 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)