[發明專利]采用運算放大器共享的低功耗流水線模數轉換器

有效

• 申請號: 201010222534.0
• 申請日: 2010-07-09
• 公開（公告）號: CN101895295A
• 公開（公告）日: 2010-11-24
• 發明（設計）人: 任俊彥;范明俊;舒光華;束晨;許俊;李寧;葉凡
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H03M1/12
• 分類號: H03M1/12;H03F3/45;H03K17/687
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬集成電路技術領域，具體涉及一種采用運算放大器共享技術的低功耗流水線模數轉換器。

背景技術

高速度、低功耗模數轉換器的設計是如今混合信號系統芯片設計中的總體發展趨勢，它在數據通信、液晶顯示驅動、SOC系統、10/100兆以太網等方面都有著廣泛的應用。在眾多種類的模數轉換器電路結構中，流水線結構以其在速度、精度和功耗方面的折衷優勢而成為首要選擇。

流水線結構的基本思想是把總體的轉換精度要求平均分配到每一級，再將每級輸出合并成為最終的轉換結果。圖1是一個傳統每級2.5位的流水線結構模數轉換器的結構示意圖，第一級為采樣保持電路，最后一級為3位全并行子模數轉換器，中間每一級的結構和功能都相同。每一級流水線都將前一級的輸出作為本級子模數轉換器的輸入，并同時量化出3位的數字信號。每級量化的數字信號一方面作為本級的輸出，另一方面作為本級數模轉換器(DAC)的輸入，使得DAC的輸出產生對應于這3位數字信號的模擬信號，然后從本級的輸入信號中減去DAC的輸出信號，再乘以4倍因子作為本級輸出，也即下一級的輸入。每級的傳輸曲線有六個量化閾值電壓，分別為正負參考電壓的1/8、3/8、5/8倍(±VR/8、±3VR/8、±5VR/8)，通過六個比較器產生3位的數字輸出，系統每級的余量轉移曲線如圖2所示。3位輸出數據中有1位冗余，這1位冗余數字輸出用于校正比較器的輸入失調，提高模數轉換器的精度。

對于傳統的流水線模數轉換器，一個采樣保持級和后級余量增益流水線級。一般最后一級流水線用全并行模數轉換器，除了最后一級，其他每一級流水線都需要一個運算放大器，并且前后兩級的運算放大器是交替工作的，它們占據了整個模數轉換器的主要功耗。為了減少功耗，可以將流水線中前后兩級的運算放大器共享。在兩相互不交迭的時鐘控制下分別交替地為前后兩級工作。不過共享運算放大器會積累電荷，影響精度，增加了設計難度。

發明內容

本發明的目的在于提供一種采用運算放大器共享的低功耗高速流水線模數轉換器，以便有效減小現有高速模數轉換器的功耗。

本發明設計的流水線模數轉換器，由無采樣保持電路的第一級流水線1，第二級、第三級、第四級流水線2、3、4，最后一級3位并行子模數轉換器5，兩個運算放大器6、7，數字校正電路8構成，其結構見圖3所示。無采樣保持的第一級流水線1與后面的第二級、第三級、第四級流水線2、3、4，最后一級3位并行子模數轉換器5，依次相連，每級流水線得到3位數字輸出，經過數字校正電路8，得到實際結果；連續的前后兩級流水線共享一個運算放大器，即第一級流水線1和第二級流水線2共用運算放大器6，第三級流水線3和第四級流水線4共用運算放大器7。第一級流水線和第二級流水線總共產生5位數字輸出，第三級流水線和第四級流水線總共產生5位數字輸出，最后一級全并行子模數轉換器產生3位數字輸出，所有的數字輸出經過數字校正電路8處理后產生11位有效的數字輸出。

本發明采用無采樣保持電路的第一級流水線和前后級運算放大器共享技術，以減小電路的功耗。電路在雙相非交疊時鐘下工作，在前半周期時鐘內，第一級流水線中的子模數轉換器和余量增益電路采樣當前周期開始時的輸入信號，并且它的子模數轉換器進行模數轉換；而第二級流水線對于上一周期由第一級流水線產生的余量電壓進行模數轉換，并輸出三位數字結果，運算放大器則工作在第二級作為余量增益電路，產生后級待轉換的模擬電壓；后半周期時鐘內，第一級流水線的子模數轉換器輸出前半周期時鐘內模數轉換得到的三位數字結果，子數模轉換器根據這三位數字結果產生余量電壓信號，運算放大器切換到第一級作為余量增益電路，對余量電壓信號進行放大并保持，提供給第二級流水線在下一周期處理。圖4為時鐘產生電路，圖5為電路的工作時序示意圖，圖6是共享運算放大器且不帶采樣保持的第一級和第二級流水線示意圖，圖7為用于無采樣保持電路的子模數轉換器的特殊比較器。

附圖說明

圖1?傳統流水線模數轉換器概念的結構框圖。

圖2?流水線模數轉換的轉換曲線（2.5位每級）。

圖3?本發明中的流水線模數轉換器結構圖。

圖4?本發明中的時鐘產生電路。

圖5?本發明中電路的工作時序。

圖6?本發明中無采樣保持的第一級和第二級運放共享的結構。

圖7?無采樣保持電路中子模數轉換器所采用的比較器電路。