[發明專利]適用于普通CMOS工藝的電荷傳輸電路及電荷傳輸控制開關

有效

• 申請號: 201010291245.6
• 申請日: 2010-09-21
• 公開（公告）號: CN101977056A
• 公開（公告）日: 2011-02-16
• 發明（設計）人: 陳珍海;季惠才;黃嵩人;吳俊;于宗光
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第五十八研究所
• 主分類號: H03M1/12
• 分類號: H03M1/12
• 代理公司: 無錫市大為專利商標事務所 32104
• 代理人: 曹祖良

技術領域

本發明涉及一種適用于普通CMOS工藝的高精度電荷加減傳輸電路及其電荷傳輸控制開關。

背景技術

隨著數字信號處理技術的不斷發展，電子系統的數字化和集成化是必然趨勢。然而現實中的信號大都是連續變化的模擬量，需經過模數轉換變成數字信號方可輸入到數字系統中進行處理和控制，因而模數轉換器在未來的數字系統設計中是不可或缺的組成部分。在寬帶通信、數字高清電視和雷達等應用領域，系統要求模數轉換器同時具有非常高的采樣速率和分辨率。這些應用領域的便攜式終端產品對于模數轉換器的要求不僅要高采樣速率和高分辨率，其功耗還應該最小化。

目前，能夠同時實現高采樣速率和高分辨率的模數轉換器結構為流水線結構模數轉換器。流水線結構是一種多級的轉換結構，每一級使用低精度的基本結構的模數轉換器，輸入信號經過逐級的處理，最后由每級的結果組合生成高精度的輸出。其基本思想就是把總體上要求的轉換精度平均分配到每一級，每一級的轉換結果合并在一起可以得到最終的轉換結果。由于流水線結構模數轉換器可以在速度、功耗和芯片面積上實現最好的折中，因此在實現較高精度的模數轉換時仍然能保持較高的速度和較低的功耗。

現有比較成熟的實現流水線結構模數轉換器的方式是基于開關電容技術的流水線結構。基于該技術的流水線模數轉換器中采樣保持電路和各個子級電路的工作也都必須使用高增益和寬帶寬的運算放大器。模數轉換器的速度和處理精度取決于所使用高增益和超寬帶寬的運算放大器負反饋的建立速度和精度。因此該類流水線結構模數轉換器設計的核心是所使用高增益和超寬帶寬的運算放大器的設計。這些高增益和寬帶寬運算放大器的使用限制了開關電容流水線模數轉換器的速度和精度，成為該類模數轉換器性能提高的主要限制瓶頸，并且精度不變的情況下模數轉換器功耗水平隨速度的提高呈直線上升趨勢。要降低基于開關電容電路的流水線模數轉換器的功耗水平，最直接的方法就是減少或者消去高增益和超寬帶寬的運算放大器的使用。

電荷耦合流水線模數轉換器就是一種不使用高增益和超寬帶寬的運算放大器的模數轉換器，該結構模數轉換器具有低功耗特性同時又能實現高速度和高精度。電荷耦合流水線模數轉換器采用電荷耦合信號處理技術。電路中，信號以電荷包的形式表示，電荷包的大小代表不同大小的信號量，不同大小的電荷包在不同存儲節點間的存儲、傳輸、加/減、比較等處理實現信號處理功能。通過采用周期性的時鐘來驅動控制不同大小的電荷包在不同存儲節點間的信號處理便可以實現模數轉換功能。

一個電荷耦合流水線模數轉換器通常包括以下模塊：(1)一個電荷耦合采樣保持電路，其用于將模擬輸入電壓轉換成對應大小成比例的電荷包，并將電荷包傳輸給第一級子級電路；(2)N級基于電荷耦合信號處理技術的子級流水線電路，其用于對采樣得到的電荷包進行各種處理完成模數轉換和余量放大，并將每一個子級電路的輸出數字碼輸入到延時同步寄存器，且每一個子級電路輸出的電荷包進入下一級重復上述過程；(3)最后一級(第N+1級)電荷耦合子級流水線電路，其將第N級傳輸過來的電荷包重新轉換成電壓信號，并進行最后一級的模數轉換工作，并將本級電路的輸出數字碼輸入到延時同步寄存器，該級電路只完成模數轉換，不進行余量放大；(4)延時同步寄存器，其用于對每個子流水級輸出的數字碼進行延時對準，并將對齊的數字碼輸入到數字校正模塊；(5)數字校正電路模塊，其用于接收同步寄存器的輸出數字碼，將接收的數字碼進行移位相加，以得到模數轉換器數字輸出碼；(6)時鐘信號產生電路，其用于提供前述所有電路模塊工作需要的時鐘信號；(7)基準信號產生電路，其用于提供前述所有電路模塊工作需要的基準信號和偏置信號。

在電荷耦合流水線模數轉換器中，各級電荷耦合流水線子級電路由本級電荷傳輸控制開關、多個電荷物理存儲節點、多個連接到電荷存儲節點的電荷存儲元件、多個比較器、多個受比較器輸出結果控制的基準電荷選擇電路在控制時鐘的控制下構成。各級流水線子級電路的工作過程中，電荷的傳輸、加/減、比較量化等功能均圍繞各子級的電荷物理存儲節點進行。

由于流水線模數轉換器的實現包括了大量的數字電路，而普通CMOS工藝是實現這些大規模數字電路的最佳工藝。要借助數字信號處理技術來實現超高速和超高精度的電荷耦合流水線模數轉換器，最核心的一個問題就是電荷包的存儲傳輸、比較量化以及加減運算等關鍵步驟在現有的普通CMOS工藝條件下能夠高效并精確地實現。因此，為借助大規模數字信號處理技術來實現高速度和高精度電荷耦合流水線模數轉換器，必須提供一種適用于普通CMOS工藝的高精度電荷加減傳輸電路。

發明內容