[發明專利]采用多級放大器部分復用技術的模數轉換器電路

有效

• 申請號: 200710304218.6
• 申請日: 2007-12-26
• 公開（公告）號: CN101471665A
• 公開（公告）日: 2009-07-01
• 發明（設計）人: 王晗;葉青
• 申請（專利權）人: 中國科學院微電子研究所
• 主分類號: H03M1/12
• 分類號: H03M1/12;H03F1/02
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 周國城

技術領域

本發明涉及流水線模數轉換器電路技術領域，特別是一種低壓低功耗的采用多級放大器部分復用技術的模數轉換器電路。

背景技術

在過去的二十年里，我國的經濟增長率高達9.7％，而能源消耗增長率為4.6％，遠低于經濟增長的速度。今后幾年經濟仍將保持快速上升的勢頭，能源需求也將持續上升。而隨著對因能源使用而導致的局部地區乃至全球環境問題認識程度的逐漸加深，中國面臨的環境壓力也原來越大。

2005年12月30日頒布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》闡述了我國高新行業和能源行業發展的目標，在今后經濟發展和技術進步的同時，要處處體現節能優先的原則。按照中國科學院路甬祥院長提出的，到2040年能源消費必須做到零增長，中國國民經濟的發展和人民生活水平的提高則只能走高效利用能源的節能型之路。

深亞微米集成電路工藝和手持移動設備產業的飛速發展帶來了全球電子市場的空前繁榮。手持移動設備包括手持通信娛樂以及便攜式醫療器械等等，具有相當廣闊的市場潛力和發展前景。更強功能、更長工作時間的產品將會在市場中占得先機，因此，高性能低功耗的數字和模擬電路設計正成為目前研究的熱點之一。但是，高速高性能模數轉換器正成為制約系統性能的瓶頸之一。

作為射頻/中頻電路與數字電路的接口，模數轉換器承擔將模擬信號轉換成數字信號再進入基帶電路進行進一步的處理的任務，其性能優劣直接決定系統的性能高低。因此設計高性能的模數轉換器早已成為國內外IC設計公司的主打產品和研究院所的熱點課題之一。

在目前一些應用環境和標準中所需的模數轉換器分辨率和轉換速率要求中，熱門的高清電視技術所需的模數轉換器需要8至10位、轉換速率在50至75MS/sec。

傳統的高性能模數轉換器一般采用BiCMOS工藝或者更為優良的GaAs工藝，達到高性能的同時帶來了芯片成本的急劇上升。而目前無線通信產業的發展急需更低功耗的電路和芯片來達到更好的性能。

隨著CMOS工藝器件特征尺寸的遞減使電路在更高的工作頻率上達到更低的功耗，這使得采用CMOS工藝來實現高性能低功耗的模數轉換器成為可能。同時，由于數字電路更適合采用CMOS工藝來實現，這樣出于成本、面積、封裝、功耗等的考慮，將數字電路和模擬/射頻電路集成在同一塊芯片中，即所謂的“SOC”已成為將來的趨勢之一。

但是CMOS工藝器件特征尺寸的遞減使得芯片的工作電源電壓越來越低，這樣對模擬電路的設計提出了嚴峻的挑戰。根據國際半導體工業協會(Semiconductor?Industry?Association，SIA)做出的預測，2007年低功耗芯片的電源電壓將低至0.8V。目前相當多的經典電路結構將無法工作在該電源電壓下，與此同時更多的適用于低電源電壓下的電路結構也將不斷涌現。

CMOS工藝器件特征尺寸的遞減使得電路在更高的工作頻率下達到更低的功耗成為可能。但目前的低功耗設計存在著以下幾個難點：首先，當電源電壓降低到3V甚至更低時，為了維持電路的性能不變，電路的工作電流也必須相應的保持不變(甚至更大)，同時為了抑制熱噪聲的影響，大的負載電容不可或缺，這使得工作頻率的提升十分困難，因此低功耗設計絕不是按比例降低電路工作電壓和器件尺寸；其次，目前流行的許多經典的或者通過相關技術加以改進的電路結構都不再適用于低電源電壓下。舉例如，當電源電壓為5V或者3.3V下，采用單管作為開關可以很好的應用在開關電容電路中，而當電源電壓降低至1.8V下，可以采用倍壓技術來提高開關管的控制電壓，減小開關的導通電阻；當電壓降至1V時，由于擊穿電壓和工作壽命的考慮，倍壓技術也受到了限制，這樣電路的性能受到了很大的影響，單管開關電路也因此被淘汰。這些限制都給低功耗模數轉換器的設計帶來了相當大的困難。

流水線模數轉換器可以在高性能和低功耗中達到一個很好的折衷，適合于中/高速和高精度模數轉換器應用場合中。目前高達14位的未經校準的流水線模數轉換器已有報道，而采用時間交錯方式的流水線模數轉換器達到了11位1Gs/s的轉換速度。在模數轉換器中，由MDAC產生的余數精度主要依賴于運算放大器的建立精度以及MDAC的電容匹配精度，而運算放大器的功耗則決定了模數轉換器的整體功耗，尤其是對于高分辨率和高線性度的流水線模數轉換器而言，運算放大器的功耗成為了主宰。

目前已有很多文獻涉及到相關技術來減小流水線模數轉換器的功耗。降低電源電壓可以直接降低電路功耗，但隨之而來的是信號擺幅的降低，為了抑制熱噪聲，采樣電容也必須隨之增大，從而必須增大電路電流來保持相同的性能。