專利名稱：基于微電流源的電容誤差補(bǔ)償電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于微電流源電容誤差補(bǔ)償電路，特別涉及一種用于流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的雙向調(diào)節(jié)微電流源電容誤差補(bǔ)償電路。它的直接應(yīng)用領(lǐng)域是高速高精度流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一個(gè)重要誤差來源是每級(jí)流水線之間的增益誤差。流水線的級(jí)間增益誤差主要來自兩個(gè)方面1)由于制造工藝的影響，采樣電容和反饋電容匹配精度有限，造成它們之間的比值不能精確的等于設(shè)計(jì)值，從而引起級(jí)間增益誤差。2)每級(jí)流水 線中的運(yùn)算放大器的直流增益有限，造成運(yùn)算放大器在閉環(huán)應(yīng)用時(shí)，其輸入端并非真正“虛地”，從而引起級(jí)間增益誤差。消除或者減小流水線的級(jí)間增益誤差可以極大的提高流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電路性能。針對(duì)上面兩種造成級(jí)間增益誤差的原因，目前的解決方法是在數(shù)字域或者模擬域進(jìn)行誤差校正。在數(shù)字域進(jìn)行誤差校正需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的校正算法，并且實(shí)現(xiàn)校正算法的數(shù)字電路需要占用很大的芯片面積，消耗很大的功耗。在模擬域進(jìn)行誤差校正的傳統(tǒng)做法是通過寄生電容對(duì)采樣電容和反饋電容進(jìn)行補(bǔ)償，提高采樣電容和反饋電容的匹配精度，從而減小流水線的級(jí)間增益誤差。如文獻(xiàn) I (A 12-Bit 125MSPS ADC With Capacitor Mismatch Trimming,2010 10th IEEEInternational Conference On Solid-State and Integrated Circuit TechnoligyProceedings Partl，P216_P218)中的電容修調(diào)電路。圖I是文獻(xiàn)I中的電容修調(diào)電路圖，其中Cu代表采樣電容或者反饋電容中的單位電容，P和N分別是電容的正負(fù)兩端；Ctl、Ct2、Ct3是金屬寄生電容；SWi、Sff2, SW3是相應(yīng)的開關(guān)。該電路的工作原理是利用金屬寄生電容和相應(yīng)開關(guān)的通斷來對(duì)單位電容進(jìn)行補(bǔ)償，它的優(yōu)點(diǎn)是使用簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的算法和控制邏輯。但它的主要缺點(diǎn)是由于金屬寄生電容和單位電容是并聯(lián)關(guān)系，只能對(duì)需要修調(diào)的單位電容容值進(jìn)行增加，不能對(duì)需要修調(diào)的單位電容容值進(jìn)行減小，即只能進(jìn)行單向的電容誤差補(bǔ)償。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于發(fā)明一種可雙向調(diào)節(jié)的微電流源電容誤差補(bǔ)償電路，以克服傳統(tǒng)的電容誤差補(bǔ)償電路只能單向修調(diào)的問題，使其達(dá)到可雙向補(bǔ)償電容匹配誤差、使用簡(jiǎn)單方便的目的。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)方案在于一種可雙向調(diào)節(jié)的微電流源電容誤差補(bǔ)償電路，它含有一個(gè)帶權(quán)重的微電流單元，包括PMOS 管 MP1' PMOS 管 MP2、PMOS 管 MP3、NMOS 管 MN1、NMOS 管 MN2、NMOS 管 MN3,其中，MP1, MP2, MP3的柵極均與偏置電壓輸入端Vb相接，MP1, MP2, MP3的源極均與電源端V。。相接，MP1的漏極接麗i的漏極，MP2的漏極接MN2的漏極，MP3的漏極接MN3的漏極，麗PMN2JN3的源極均與微電流源輸出端Ib相接，MN1的柵極與第一控制信號(hào)A1相接，MN2的柵極與第二控制信號(hào)A2相接，MN3的柵極與第三控制信號(hào)A3相接；ApA2、A3控制的三個(gè)電流源按二進(jìn)制權(quán)重1:2:4進(jìn)行設(shè)置；和一個(gè)微電流源電容誤差補(bǔ)償控制單元，包括 NMOS 管 MN4、NMOS 管 MN5、NMOS 管 MN6, NMOS 管 MN7、NMOS 管 MN8、NMOS 管 MN9 以及電阻R1'電阻R2、電容C1，其中，R1的一端接地，R1的另一端分別與MN4、MN7的漏極相接，R2的一端接地，R2的另一端與MN5、MN6的漏極相接，R2的另一端還與微電流源輸入端Ib相接，MN4,MN6的源極相連接在一起，并與MN8的漏極相接，MN5、MN7的源極相連接在一起，并與MN9的漏極相接，C1的一端與MN8、MN9的源極相接，C1的另一端與輸出端Vqut相接，MN4、MN5的柵極與第一誤差補(bǔ)償方向控制端GN相接，MN6> MN7的柵極與第二誤差補(bǔ)償方向控制端G相接，MN8的柵極與第一誤差補(bǔ)償大小控制端DN相接，MN9的柵極與第二誤差補(bǔ)償大小控制端D相接。 所述第一誤差補(bǔ)償方向控制端GN與第二誤差補(bǔ)償方向控制端G是一對(duì)互補(bǔ)控制信號(hào)，所述第一誤差補(bǔ)償大小控制端DN與第二誤差補(bǔ)償大小控制端D是一對(duì)互補(bǔ)控制信號(hào)。有益效果與傳統(tǒng)的電容誤差補(bǔ)償電路相比，本發(fā)明的雙向調(diào)節(jié)微電流源電容誤差補(bǔ)償電路采用補(bǔ)償方向和補(bǔ)償大小分別控制的方式，對(duì)電容誤差進(jìn)行加減補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)了雙向補(bǔ)償誤差，且補(bǔ)償方式靈活、使用方便。本發(fā)明電路已應(yīng)用于14位100MSPS流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，其測(cè)試結(jié)果顯示，電容誤差補(bǔ)償前，電路的INL誤差為±5LSB，電容誤差補(bǔ)償后，電路的INL誤差為±3LSB，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用此方法減小了流水線的級(jí)間增益誤差，明顯提高了流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的線性度。


圖I是傳統(tǒng)的利用寄生電容進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)碾娐穲D；圖2是本發(fā)明的可雙向調(diào)節(jié)的微電流源電容誤差補(bǔ)償電路圖；圖3是本發(fā)明電路應(yīng)用于流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的示意圖。
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)明的可雙向調(diào)節(jié)的微電流源電容誤差補(bǔ)償電路圖如圖2所示。它包含一個(gè)帶權(quán)重的微電流單元和一個(gè)微電流源電容誤差補(bǔ)償控制單元，它們之間的具體連接關(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)。本發(fā)明電路的工作原理如下首先利用偏置電壓Vb和控制信號(hào)Ai、A2、A3來產(chǎn)生一個(gè)微電流源IB，然后微電流源Ib在電阻R2上產(chǎn)生一個(gè)電壓作為誤差補(bǔ)償電壓，最后經(jīng)過兩組控制信號(hào)G、GN和D、DN以及相應(yīng)的開關(guān)MN4 MN9將誤差補(bǔ)償電壓通過電容C1耦合輸出。三個(gè)微電流源，它們之間電流的大小按1:2:4進(jìn)行設(shè)置，保證微電流源電容誤差補(bǔ)償電路有三位的修調(diào)精度。設(shè)控制信號(hào)A1所控制的這一路微電流源的大小是I，根據(jù)它們之間的權(quán)重關(guān)系，則A2所控制的這一路微電流源的大小是21，A3所控制的這一路微電流源的大小是41，通過設(shè)置控制信號(hào)Ap A2, A3的不同組合，可以選擇這三路微電流源中的一路或幾路，從而得到(T7I的8種不同大小的微電流源。為敘述方便起見，用“0”表示低電平，“I”表示高電平。G和GN是一對(duì)互補(bǔ)控制信號(hào)，控制電容誤差的補(bǔ)償方向，0表不正向電容誤差補(bǔ)償，I表不負(fù)向電容誤差補(bǔ)償。D和DN也是一對(duì)互補(bǔ)控制信號(hào)，控制電容誤差補(bǔ)償?shù)拇笮?。D在本級(jí)流水線的采樣相時(shí)，為0 ;在本級(jí)流水線的保持相時(shí)，代表前一級(jí)流水線結(jié)構(gòu)中相應(yīng)比較器的輸出信號(hào)，可以為0，也可以為I。V代表電容上的電壓，A V表不電容上的電壓從米樣相到保持相的變化量。
在對(duì)整個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路進(jìn)行測(cè)試分析后，已知需要對(duì)某段輸入信號(hào)所對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)進(jìn)行誤差校正，通過設(shè)置控制信號(hào)A、A2、A3以及G、GN到相應(yīng)的值，利用本發(fā)明所描述的電容誤差補(bǔ)償電路產(chǎn)生一個(gè)誤差糾正信號(hào)U來校正流水線級(jí)間增益誤差。為更進(jìn)一步清楚說明本發(fā)明電路，用表I的信號(hào)真值表來描述。表I控制信號(hào)及誤差校正信號(hào)真值表
IG I GN ID I DN I V I AV
采樣相0 — I0
保持相0II__0__U__U保持相__0 — I00
采樣相0 — IU
保持相I0I__0__0__-U
保持相 __丨 0 I I 丨 U I 0 -從表I可以看出，若要對(duì)前一級(jí)流水線的電容誤差進(jìn)行正向的補(bǔ)償，即加上一個(gè)誤差信號(hào)，可設(shè)置控制信號(hào)G為0，GN為1，同時(shí)設(shè)置一組合適的Ap A2, A3的值來產(chǎn)生需要的誤差信號(hào)U ;反之，若要對(duì)前一級(jí)流水線的電容誤差進(jìn)行負(fù)向的補(bǔ)償，即減去一個(gè)誤差信號(hào)，可設(shè)置控制信號(hào)G為1，GN為0，同時(shí)設(shè)置一組合適的Ap A2, A3的值來產(chǎn)生需要的誤差信號(hào)-U。這樣產(chǎn)生的誤差信號(hào)既有大小，又有方向，然后再加入后一級(jí)流水線的輸入信號(hào)，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)前一級(jí)流水線輸出信號(hào)的誤差校正。因此，利用本發(fā)明所提出的電容誤差補(bǔ)償電路可以對(duì)前一級(jí)流水線的電容誤差進(jìn)行雙向的誤差校正。本發(fā)明電路已經(jīng)成功應(yīng)用于14位100MSPS流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中。圖3為本發(fā)明電路應(yīng)用于流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的示意圖。以本發(fā)明電路作為CELL單元電路，在第一級(jí)流水線和第二級(jí)流水線之間加入了 16個(gè)CELL單元(CELL廣CELL16)來校正第一級(jí)流水線的增益誤差。這個(gè)14位100MSPS流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬輸入峰峰值是2V，所以一個(gè)LSB就是大約122uV (1LSB=2V/2~14=122uV)。為了對(duì)第一級(jí)流水線的增益誤差進(jìn)行±2LSB的誤差校正，利用本發(fā)明電路，需要將校正的步長(zhǎng)設(shè)置為1/4LSB。在這個(gè)實(shí)際的模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路中，第一級(jí)的流水線增益是4，第二級(jí)的采樣電容是8個(gè)，采用微電流源修調(diào)電容，即圖2中的C1設(shè)置為第二級(jí)采樣電容的1/5，將權(quán)電流源產(chǎn)生的單位修調(diào)電壓設(shè)置為4. 88mV，這樣實(shí)際產(chǎn)生的誤差校正步長(zhǎng)就是4. 88mV/5/8/4=30. 5uV，正好是1/4LSB。通過對(duì)應(yīng)用本發(fā)明的14位100MSPS流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示，利用本發(fā)明的電路可以對(duì)第一級(jí)流水線的增益誤差進(jìn)行±2LSB的誤差校正，將整個(gè)流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的INL誤差從修調(diào)前的±5LSB減低到±3LSB，提高了電路的線性度。本發(fā)明的制造工藝為通用的硅柵N阱0.35 iim CMOS工藝。本發(fā)明電路中的PMOS、NMOS管的基本參數(shù)為NMOS管的閾值電壓VT :0. 5 0. 7V ；PM0S管的閾值電壓Vt -0. 65 -0. 85V ；NMOS 管、PMOS 管的柵氧厚度 I. 2nm I. 7nm ；其中，MP1^ MP2> MP3 的寬長(zhǎng)比分別為6 u m/2 u m> 12 u m/2 u m>24 u m/2 u m ；MNpMNyMN3 的寬長(zhǎng)比同為5um/0. 35 U m ；MN4, MN5, MN6, MN” MN8, MN9 的寬長(zhǎng)比均為:1 U m/0. 35 u m ；R1, R2為多晶硅電阻，阻值188歐姆；C1為金屬電容或多晶硅電容，電容值68fF。
權(quán)利要求
1.一種基于微電流源的電容誤差補(bǔ)償電路，其特征在于含有 一個(gè)帶權(quán)重的微電流單元，包括PMOS 管 MPp PMOS 管 MP2、PMOS 管 MP3、NMOS 管 MN1、NMOS 管 MN2、NMOS 管 MN3,其中，MP1'MP2, MP3的柵極均與偏置電壓輸入端Vb相接，MP1, MP2, MP3的源極均與電源端Vrc相接，MP1的漏極接MN1的漏極，MP2的漏極接MN2的漏極，MP3的漏極接MN3的漏極，MN1' MN2^MN3的源極均與微電流源輸出端Ib相接，MN1的柵極與第一控制信號(hào)A1相接，MN2的柵極與第二控制信號(hào)A2相接，MN3的柵極與第三控制信號(hào)A3相接；ApA2、A3控制的三個(gè)電流源按二進(jìn)制權(quán)重1:2:4進(jìn)行設(shè)置；和 一個(gè)微電流源電容誤差補(bǔ)償控制單元，包括NMOS 管 MN4、NMOS 管 MN5、NMOS 管 MN6, NMOS 管 MN7、NMOS 管 MN8、NMOS 管 MN9 以及電阻Rn電阻R2、電容C1，其中，R1的一端接地，R1的另一端分別與MN4、MN7的漏極相接，R2的一端接地，R2的另一端與MN5、MN6的漏極相接，R2的另一端還與微電流源輸入端Ib相接，MN4、MN6的源極相連接在一起，并與MN8的漏極相接，MN5, MN7的源極相連接在一起，并與MN9的漏極相接，C1的一端與MN8、MN9的源極相接，C1的另一端與輸出端Vqut相接，MN4、MN5的柵極與第一誤差補(bǔ)償方向控制端GN相接，MN6、MN7的柵極與第二誤差補(bǔ)償方向控制端G相接，MN8的柵極與第一誤差補(bǔ)償大小控制端DN相接，MN9的柵極與第二誤差補(bǔ)償大小控制端D相接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的雙向調(diào)節(jié)微電流源電容誤差補(bǔ)償電路，其特征在于，所述第一誤差補(bǔ)償方向控制端GN與第二誤差補(bǔ)償方向控制端G是一對(duì)互補(bǔ)控制信號(hào)，所述第一誤差補(bǔ)償大小控制端DN與第二誤差補(bǔ)償大小控制端D是一對(duì)互補(bǔ)控制信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的雙向調(diào)節(jié)微電流源電容誤差補(bǔ)償電路，它包括一個(gè)帶權(quán)重的微電流單元和一個(gè)微電流源電容誤差補(bǔ)償控制單元。本發(fā)明通過對(duì)電容誤差補(bǔ)償方向和補(bǔ)償大小分別控制的方式將前一級(jí)流水線結(jié)構(gòu)的輸出信號(hào)中由于電容匹配精度不夠而造成的級(jí)間增益誤差，在下一級(jí)流水線結(jié)構(gòu)的輸入信號(hào)中進(jìn)行雙向補(bǔ)償，極大地減小了流水線的級(jí)間增益誤差。采用本發(fā)明電路后，高速高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器中由于工藝造成的流水線級(jí)間增益誤差大大的減小。本發(fā)明電路具有補(bǔ)償方式靈活、可雙向校正誤差、使用方便等特點(diǎn)，適用于高速高精度流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H03M1/06GK102664626SQ20121015388
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月17日
發(fā)明者徐鳴遠(yuǎn), 李梁, 沈曉峰, 王育新, 陳璽, 魏亞峰, 黃興發(fā) 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所