專利名稱：帶兩級分段共享運(yùn)算放大器的乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶兩級分段共享運(yùn)算放大器的乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它的直接應(yīng)用領(lǐng)域是高速高精度、低功耗、多通道流水線A/D轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
近年來，隨著流水線A/D轉(zhuǎn)換器功耗的降低以及通道數(shù)的增加，對于其內(nèi)部核心單元乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的要求也越來越高，因此，降低乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的功耗與規(guī)模是迫切需要。在乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換器中，采用共享運(yùn)算放大器是降低乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換器功耗與規(guī)模的一種常用技術(shù)，它利用流水線A/D轉(zhuǎn)換器相鄰兩級交替工作的特點(diǎn)，將兩個(gè)運(yùn)算放大器的功能由一個(gè)運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)，減少了一個(gè)運(yùn)算放大器的使用，從而降低了乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換電路功耗與規(guī)模。但是，常規(guī)技術(shù)是將運(yùn)算放大器作為一個(gè)整體，在使用中存在以下問題1)限制了相鄰兩級流水線A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，要求它們的位數(shù)必須相同，如不相同，以4位流水線A/D轉(zhuǎn)換器與1. 5位流水線A/D轉(zhuǎn)換器為例，4位流水線A/D轉(zhuǎn)換器中運(yùn)算放大器功耗為16 18mW，1. 5位流水線A/D轉(zhuǎn)換器中運(yùn)算放大器功耗為4 5mW，兩級流水線A/D轉(zhuǎn)換器總的平均功耗為10 12mW。采用常規(guī)共享運(yùn)算放大器技術(shù)后，由于要保證 4位流水線A/D轉(zhuǎn)換器的精度，1. 5位流水線A/D轉(zhuǎn)換器必須享用4位流水線A/D轉(zhuǎn)換器中的運(yùn)算放大器，兩級流水線A/D轉(zhuǎn)換器總的平均功耗為16 18mW，因此，常規(guī)共享運(yùn)算放大器技術(shù)不但不會(huì)降低兩級流水線的功耗，反而造成功耗的增加。2)限制了流水線A/D轉(zhuǎn)換器總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。由于流水線A/D轉(zhuǎn)換器中每級流水線級位數(shù)的設(shè)計(jì)比較靈活，以14位A/D轉(zhuǎn)換器為例，它的流水線級數(shù)就有5+4+4+4、 4+8X1. 5+3,5+3+3+1. 5+1. 5+1. 5+3等各種實(shí)現(xiàn)方式，其中最后一位為flashADC，內(nèi)部不需要運(yùn)算放大器。從上例可以看出，相鄰兩級流水線一般有前級高位、后級低位以及前后級同位兩種組合，但是常規(guī)共享運(yùn)算放大器只能適應(yīng)前后級同位的組合，應(yīng)用范圍較窄，已無法滿足低功耗、多通道流水線A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)要求。

發(fā)明內(nèi)容
為克服上述常規(guī)共享運(yùn)算放大器中相鄰兩級流水線A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)與總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受限的問題，本發(fā)明提供了一種帶兩級分段共享運(yùn)算放大器的乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)4位與1. 5位兩種不同位數(shù)流水線級中運(yùn)算放大器的有效合并，既減少版圖面積， 又不會(huì)造成功耗的增加。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案在于本發(fā)明的一種帶兩級分段共享運(yùn)算放大器的乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換電路含有一個(gè)4位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，實(shí)現(xiàn)16倍放大功能，包括第一級運(yùn)算放大器Al、 第二級運(yùn)算放大器 A2、10 個(gè)開關(guān) SIA/ Φ 1、SIB/ Φ 1、S2A/ Φ 2、S2B/ Φ 2、S3A/ Φ 1、S3B/ Φ 1、
3S4A/Φ 2，、S4B/Φ 2，、S5A/Φ 2，、S5B/Φ 2，、2 個(gè)采樣電容 CIA、C1B、2 個(gè)反饋電容 C2A、C2B，其中，ClA的一端通過SlA/Φ 1和S2A/Φ 2分別連接正向輸入信號Vinp和共模電壓 Vcm, ClA的另一端接Al的正輸入端，C2A的一端通過S3A/0 1和S4A/02’分別連接共模電壓Vcm和A2的正輸出端VQUTP，C2A的另一端接Al的正輸入端，ClB的一端通過SIB/Φ 1和 S2B/C52分別連接負(fù)向輸入信號Vinn和共模電壓Vcm，ClB的另一端接Al的負(fù)輸入端，C2B 的一端通過S3B/cm和S4B/02’分別連接共模電壓Vcm和A2的負(fù)輸出端Vqutn，C2B的另一端接Al的負(fù)輸入端，Ξ5Α/Φ2’的一端接Al的負(fù)輸出端，Ξ5Α/Φ2’的另一端接Α2的負(fù)輸入端，85Β/Φ2'的一端接Al的正輸出端，85Β/Φ2'的另一端接Α2的正輸入端；和一個(gè)1. 5位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，實(shí)現(xiàn)2倍放大功能，包括第二級運(yùn)算放大器 Α2、4 個(gè)開關(guān) S6A/ Φ 1，、S6B/ Φ 1，、S7A/ Φ 2，、S7B/ Φ 2，、2 個(gè)采樣電容 C3A、C3B、2 個(gè)采樣、反饋、補(bǔ)償電容C4A、C4B，其中，C3A的一端通過S6A/01，和S7A/02，分別連接共模電壓Vcm和A2的正輸出端VQUTP，C3A的另一端接A2的負(fù)輸入端，C4A的一端接A2的正輸出端VQUTP，C4A的另一端接A2的負(fù)輸入端，C3B的一端通過SeB/ΦΓ和S7B/02，分別連接共模電壓Vcm和A2的負(fù)輸出端Vqutn，C3B的另一端接A2的正輸入端，C4B的一端接A2的負(fù)輸出端Vqutn，C4B的另一端接A2的正輸入端。所述開關(guān)中的相位Φ1、Φ2、Φ1，、Φ2，為4相非交疊時(shí)鐘，Φ 1、Φ 1，為4位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的采樣相與1. 5位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的放大相，Φ2、Φ2’為4位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的放大相與1.5位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的采樣相，它們的具體時(shí)序?yàn)棣郸?在Φ 1導(dǎo)通前導(dǎo)通、Φ 1關(guān)斷后關(guān)斷，Φ2在Φ2’導(dǎo)通前導(dǎo)通、Φ2’關(guān)斷后關(guān)斷。所述電容CIA、C2A、C2A、C2B、C3A、C3B、C4A、C4B均為常規(guī)的金屬電容，它們電容值之間的關(guān)系為C1A = ClB = 16C2A = 16C2B, C3A = C3B = C4A = C4B。所述C4A、C4B具有采樣、放大、補(bǔ)償三種功能當(dāng)Ξ7Α/Φ2，、Ξ7Β/Φ2，導(dǎo)通時(shí)，C4A 與C3A并聯(lián)，C4B與OB并聯(lián)，構(gòu)成兩組采樣電容；當(dāng)Ξ7Α/Φ2，Α7Β/Φ2，關(guān)斷時(shí)，只有C4A、 C4B連接Α2的輸入輸出端，起到放大作用；C4A、C4B始終跨接于Α2的輸入輸出端，起到補(bǔ)償作用。有益效果本發(fā)明的帶兩級分段共享運(yùn)算放大器的乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換器與常規(guī)帶共享運(yùn)算放大器的乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換電路相比，具有以下特點(diǎn)1.本發(fā)明電路在兩級運(yùn)算放大器Al、A2之間增加了一對開關(guān)S5A/02’、S5B/ Φ 2’，將運(yùn)算放大器的兩級進(jìn)行有效分離，當(dāng)流水線位數(shù)較高時(shí)，采用兩級運(yùn)算放大器，當(dāng)流水線位數(shù)較低時(shí)，采用一級運(yùn)算放大器。因此，乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換電路就可以根據(jù)每級流水線A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的不同，來確定運(yùn)算放大器的使用級數(shù)，從而克服了相鄰兩級流水線A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)必須相同才能采用共享運(yùn)算放大器的限制，將共享運(yùn)算放大器的適用范圍從相鄰流水線前后級同位擴(kuò)展到前級高位、后級低位。同時(shí)，共享運(yùn)算放大器技術(shù)也不會(huì)再限制流水線A/D轉(zhuǎn)換器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多樣性，因此，更加適用于低功耗、多通道流水線A/D 轉(zhuǎn)換器的發(fā)展需求。2.本發(fā)明電路通過采用兩個(gè)電容C4A、C4B，就起到了采樣、放大、補(bǔ)償?shù)娜N作用，有效替代了常規(guī)共享運(yùn)算放大器中所需要的4 6個(gè)電容，將電容使用量降低了 50% 66%。3.本發(fā)明電路通過分段共享兩級運(yùn)算放大器，降低了乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的功耗，常規(guī)帶共享運(yùn)算放大器的乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換器功耗為16 18mW，采用本發(fā)明電路后，乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換器的功耗降低到10 12mW，功耗減少30%以上。因此，本發(fā)明電路既減少了版圖面積，又沒有造成功耗的增加。


圖1為本發(fā)明的帶兩級分段共享運(yùn)算放大器的乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換器的電路圖；圖2為本發(fā)明電路中的4相非交疊時(shí)鐘Φ 1、Φ2、Φ 1’、Φ2’的工作時(shí)序圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的具體實(shí)施方式
不僅限于下面的描述，現(xiàn)結(jié)合附圖加以進(jìn)一步說明。本發(fā)明的帶兩級分段共享運(yùn)算放大器的乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換電路如圖1所示。它包括一個(gè)4位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元和一個(gè)1. 5位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元。4位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元包括第一級運(yùn)算放大器Al、第二級運(yùn)算放大器Α2、10個(gè)開關(guān)SIA/Φ 1、SIB/Φ 1、S2A/ Φ2、S2B/。2、S3A/。1、S3B/。1、S4A/02，、S4B/02，、S5A/02，、S5B/02，、2 個(gè)采樣電容 C1A、C1B、2個(gè)反饋電容C2A、C2B ；1. 5位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元包括第二級運(yùn)算放大器A2、4 個(gè)開關(guān) S6A/01，、S6B/01，、S7A/02，、S7B/02，、2 個(gè)采樣電容 C3A、C3B、2 個(gè)采樣、反饋、 補(bǔ)償電容C4A、C4B。本發(fā)明電路的總體工作原理差分輸入模擬信號VINP、Vlffl先經(jīng)過4位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行信號的采樣、放大，然后，4位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的差分輸出模擬信號再經(jīng)過1. 5位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行信號的采樣、放大，最終輸出差分模擬信號VaiPVtmi^圖1中的具體連接關(guān)系、作用關(guān)系與本說明書的發(fā)明內(nèi)容部分相同，此處不再重復(fù)。它的工作原理如下對于4位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元在采樣相時(shí)，SlA/Φ 1、SlB/Φ 1、S3A/Φ 1、S3B/Φ 1 導(dǎo)通，S2A/。2、S2B/02、S4A/02，、S4B/02，、S5A/02，、S5B/02，關(guān)斷，Al 的輸出端與 A2的輸入端關(guān)斷，CIA、ClB兩端電壓分別跟蹤差分輸入模擬信號VINP、Vlffl，C2A、C2B兩端電壓虛地。在放大相時(shí)，S1A/01、S1B/01、S3A/01、S3B/01 關(guān)斷，S2A/02、S2B/02、S4A/ Φ2\84Β/Φ2\85Α/Φ2\85Β/Φ2'導(dǎo)通，Al的輸出端與A2的輸入端導(dǎo)通，CIA、ClB兩端電壓虛地，C2A、C2B兩端電荷與上一次采樣狀態(tài)下的C1A、C1B兩端電荷相等，因此產(chǎn)生的電壓增益分別為 C1A/C2A、C1B/C2B，由于 ClA = ClB = 16XC2A = 16XC2B，最終實(shí)現(xiàn)了 16 倍放大功能。對于1. 5位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元在采樣相時(shí)，S7A/0 2’、87Β/Φ2'導(dǎo)通，S6A/ Φ1\86Β/Φ1'關(guān)斷，Al的輸出端與Α2的輸入端導(dǎo)通，C3A、C!3B、C4A、C4B兩端電壓分別跟蹤4位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的差分輸出模擬信號。在放大相時(shí)，S7A/c52’、S7B/c52’關(guān)斷， S6A/01，、S6B/01，導(dǎo)通，Al的輸出端與A2的輸入端關(guān)斷，C3A、C!3B兩端電壓虛地，C4A、 C4B兩端電荷與上一次采樣狀態(tài)下的C3A、C3B、C4A、C4B兩端電荷相等，產(chǎn)生的電壓增益分別(C3A+C4A)/C4A、(C3B+C4B)/C4B,由于 C3A = C3B = C4A = C4B，最終實(shí)現(xiàn)了 2 倍放大功
臺(tái)匕
5
C4A、C4B具有采樣、放大、補(bǔ)償?shù)热N功能；當(dāng)1. 5位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元工作在采樣相時(shí)，開關(guān)S7A/0 2’、S7B/0 2’導(dǎo)通，C4A與C3A并聯(lián)、C4B與C3B并聯(lián)，它們分別構(gòu)成了兩組采樣電容；當(dāng)1. 5位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元工作在放大相時(shí)，開關(guān)S7A/ Φ 2 ’、S7B/ Φ 2， 關(guān)斷，C4A、C4B將Α2的輸入端與輸出端相連，把之前積累的電荷轉(zhuǎn)移到輸出端，從而起到放大作用；C4A、C4B始終跨接于A2的輸入輸出端，起到補(bǔ)償作用。圖2為本發(fā)明電路中的4相非交疊時(shí)鐘工作時(shí)序圖，分別包括Φ1、Φ2、Φ1’、Φ2’ 四個(gè)相位，其中Φ1與Φ2反相，ΦΓ與Φ2’反相。當(dāng)4相非交疊時(shí)鐘的電壓為高時(shí)，開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)4相非交疊時(shí)鐘的電壓為低時(shí)，開關(guān)關(guān)斷；當(dāng)Φ1、ΦΓ導(dǎo)通，Φ2、Φ2’關(guān)斷時(shí)， 4位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元工作在采樣相，1.5位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元工作在放大相；當(dāng)Φ1、 ΦΓ關(guān)斷，Φ2、Φ2’導(dǎo)通時(shí)，4位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元工作在放大相，1.5位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元工作在采樣相。因此，4位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元與1. 5位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元始終處于交替工作。為確保電荷守恒，防止引入誤差，必須要求4相非交疊時(shí)鐘Φ1、Φ2、Φ1’、Φ2具有一定的開關(guān)順序，具體為ΦΓ在Φ1導(dǎo)通前導(dǎo)通、在Φ1關(guān)斷后關(guān)斷，Φ2在Φ2’導(dǎo)通前導(dǎo)通、在Φ2’關(guān)斷后關(guān)斷。本發(fā)明電路采用0. 18μπι CMOS工藝制造。所述開關(guān)SIA/ Φ 1、SIB/ Φ 1、S2A/ Φ 2、S2B/ Φ 2、S3A/ Φ 1、S3B/ Φ 1、S4A/ Φ 2，、S4B/ Φ2，、S5A/0 2，、S5B/0 2，、S6A/01，、S6B/01，、S7A/0 2，、S7B/0 2，均為常規(guī)的 CMOS 開關(guān)。所述電容CIA、C1B、C2A、C2B、C3A、C3B、C4A、C4B均為常規(guī)的金屬電容，電容值分別為 ClA = ClB = 4pF, C2A = C2B = 250fF, C3A = C3B = C4A = C4B = 300fF。所述兩級運(yùn)算放大器Al、A2為常規(guī)的運(yùn)算放大器，總增益為120dB，Al、A2的增益均為60dB。
權(quán)利要求
1.一種帶兩級分段共享運(yùn)算放大器的乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其特征在于含有一個(gè)4位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，實(shí)現(xiàn)16倍放大功能，包括第一級運(yùn)算放大器Al、第二級運(yùn)算放大器 A2、10 個(gè)開關(guān) SIA/ Φ 1、SIB/ Φ 1、S2A/ Φ 2、S2B/ Φ 2、S3A/ Φ 1、S3B/ Φ 1、S4A/ Φ2，、S4B/。2，、S5A/。2，、S5B/。2，、2 個(gè)采樣電容 CIA、C1B、2 個(gè)反饋電容 C2A、C2B,其中，ClA的一端通過SlA/ Φ 1和S2A/ Φ 2分別連接正向輸入信號Vinp和共模電壓Vcm， ClA的另一端接Al的正輸入端，C2A的一端通過S3A/cm和S4A/02’分別連接共模電壓 Vcm和A2的正輸出端VOTTP，C2A的另一端接Al的正輸入端，ClB的一端通過SIB/Φ 1和S2B/ Φ 2分別連接負(fù)向輸入信號Vinn和共模電壓Vcm，ClB的另一端接Al的負(fù)輸入端，C2B的一端通過S3B/C5 1和S4B/0 2’分別連接共模電壓Vcm和A2的負(fù)輸出端Vqutn，C2B的另一端接 Al的負(fù)輸入端，Ξ5Α/Φ2’的一端接Al的負(fù)輸出端，Ξ5Α/Φ2’的另一端接Α2的負(fù)輸入端， 85Β/Φ2'的一端接Al的正輸出端，85Β/Φ2'的另一端接Α2的正輸入端；和一個(gè)1. 5位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，實(shí)現(xiàn)2倍放大功能，包括第二級運(yùn)算放大器Α2、4個(gè)開關(guān) S6A/ Φ 1，、S6B/ Φ 1，、S7A/ Φ 2，、S7B/ Φ 2，、2 個(gè)采樣電容 C3A、C3B、2 個(gè)采樣、反饋、補(bǔ)償電容C4A、C4B，其中，C3A的一端通過SeA/ΦΓ和S7A/02，分別連接共模電壓Vcm和A2的正輸出端 Voutp, C3A的另一端接A2的負(fù)輸入端，C4A的一端接A2的正輸出端VOTTP，C4A的另一端接A2 的負(fù)輸入端，OB的一端通過SeB/ΦΓ和S7B/C52，分別連接共模電壓Vcm和A2的負(fù)輸出端Votn，C3B的另一端接A2的正輸入端，C4B的一端接A2的負(fù)輸出端VOTTN，C4B的另一端接 A2的正輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶兩級分段共享運(yùn)算放大器的乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換，其特征在于所述開關(guān)中的相位Φ1、Φ2、Φ1’、Φ2’為4相非交疊時(shí)鐘，Φ 1、Φ 1’為4位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的采樣相與1. 5位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的放大相，Φ2、Φ2’為4位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的放大相與1.5位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的采樣相，它們的具體時(shí)序?yàn)棣郸Ｔ讦?導(dǎo)通前導(dǎo)通、Φ 1關(guān)斷后關(guān)斷，Φ2在Φ2’導(dǎo)通前導(dǎo)通、Φ2’關(guān)斷后關(guān)斷。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶兩級分段共享運(yùn)算放大器的乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換，所述電容 CIA、C2A、C2A、C2B、C3A、C3B、C4A、C4B均為常規(guī)的金屬電容，它們電容值之間的關(guān)系為C1A =ClB = 16C2A = 16C2B, C3A = C3B = C4A = C4B。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶兩級分段共享運(yùn)算放大器的乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換，其特征在于所述C4A、C4B具有采樣、放大、補(bǔ)償三種功能當(dāng)Ξ7Α/Φ2，Α7Β/Φ2，導(dǎo)通時(shí)，C4A與C3A并聯(lián)，C4B與OB并聯(lián)，構(gòu)成兩組采樣電容；當(dāng)S7A/0 2，、S7B/0 2，關(guān)斷時(shí)，只有C4A、C4B連接 A2的輸入輸出端，起到放大作用；C4A、C4B始終跨接于A2的輸入輸出端，起到補(bǔ)償作用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種帶兩級分段共享運(yùn)算放大器的乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它含有一個(gè)4位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元和一個(gè)1.5位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元。本發(fā)明電路在兩級運(yùn)算放大器之間增加一對開關(guān)，將運(yùn)算放大器的兩級進(jìn)行有效分離，采用兩個(gè)電容，就起到采樣、放大、補(bǔ)償三種作用，將共享運(yùn)算放大器的適用范圍從相鄰流水線前后級同位擴(kuò)展到前級高位、后級低位，1.5位乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的電容使用量降低50%～66%，乘法型數(shù)模轉(zhuǎn)換器的功耗減少30%以上。本發(fā)明電路具有結(jié)構(gòu)新穎、功耗低、集成度高的特點(diǎn)，適用于高速高精度、低功耗、多通道流水線A/D轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域。
文檔編號H03M1/72GK102291149SQ201110245380
公開日2011年12月21日 申請日期2011年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月25日
發(fā)明者劉凡, 尹湘坤, 肖坤光, 蘇晨, 郭艾, 雷朗成 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所