[發明專利]用于列并行兩步式模數轉換器的共享型有源斜坡轉換電路

在審

• 申請號: 201410753991.0
• 申請日: 2015-08-02
• 公開（公告）號: CN104506194A
• 公開（公告）日: 2015-07-29
• 發明（設計）人: 程旭;李立;郭東東;曾曉洋
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H03M1/36
• 分類號: H03M1/36
• 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

本發明屬于列并行架構模數轉換器技術領域，具體涉及集成電路的用于列并行架構兩步式模數轉換器的斜坡轉換電路。

背景技術

在公知電路中，兩步式單斜坡單斜率積分型模數轉換器原理如圖1所示，它的作用是將待測信號V_IN量化為B位數字輸出D<B-1,0>。它由傳統斜坡轉換電路110、比較器120、鎖存和加法器130、計數和控制器140、以及斜坡信號發生器150（通常用數模轉換器實現）。由于傳統斜坡轉換電路110是一個無源電路，所以本文稱之為無源斜坡轉換電路。它由一個電容C₁₁和S_D、S_E、S_R三個開關組成，其工作過程如下：在第一步高M位轉換時，斜坡信號發生器150輸出大階梯斜坡信號通過S_D與C₁₁上極板D相連，并直接與待測信號V_IN通過比較器120進行比較，當比較器120輸出翻轉時，C₁₁上極板D采樣并存儲當時的斜坡信號；第二步低N位轉換，斜坡信號發生器150輸出的小階梯斜坡信號（其階梯高度是第一步時的1/2^N）通過S_E與C₁₁的下極板E相連，根據電荷守恒定律，在浮空的上極板D上，下極板E上的電壓變化與第一步存儲電壓進行疊加，再與待測信號在比較器120進行比較。

無源斜坡轉換電路的缺點在于：第二步時由于極板D處寄生電容C_PD的存在，導致極板E處的電壓變化無法以增益為一的方式傳遞到極板D，從而引起增益誤差，當C_PD/C₁₁足夠大時將導致模數轉換的非線性。

針對上述增益誤差的問題，《一種應用于兩步式積分型模數轉換器的斜坡轉換電路》（中國，公開號：CN103746694A，公開日：2014年4月23日）提出了一種包含運算放大器的斜坡轉換電路，由于它是一個有源電路，所以本文稱之為有源斜坡轉換電路。它可以劃分成一個有源開關電容模塊與一個無源開關電容模塊兩部分，如圖2所示：有源開關電容模塊包括運算放大器A0、采樣電容C_HX、寄生平衡電容C_MX與S₀₁、S₀₂、S₀₃、S₀₄、S₀₅五個開關；無源開關電容模塊包括采樣電容C_HA、寄生平衡電容C_MA與S₀₁、S₀₆兩個開關。對于電壓變化的傳遞函數，有源斜坡轉換器的增益等于兩個模塊增益的乘積，由于在理想情況下兩個模塊的增益互為倒數，所以有源斜坡轉換器增益恒等于一。

上述有源斜坡轉換電路的缺點在于：有源開關電容模塊進入鎖存模式的時刻和所保持的電壓都是待測信號的函數，因此其工作過程與待測信號相關。這一缺點在其應用于列并行架構時便突顯出來：包含運算放大器的有源開關電容模塊必須與待測信號一一對應，導致有源開關電容模塊數目必須等于列數（并行輸入的待測信號數）。這樣，一方面大大增加了列并行架構的功耗與面積，另一方面，收緊了對運算放大器精度、速度與功耗的約束，增加了運算放大器的設計難度。

發明內容

針對上述有源斜坡轉換電路應用于列并行架構時，存在的功耗與面積的問題，本發明提供了一種共享型有源斜坡轉換電路，其中的有源開關電容模塊的工作過程與待測信號無關，實現了有源開關電容模塊的共享，從而解決了列并行架構應用時的功耗和面積問題。

本發明提供的共享型有源斜坡轉換電路，如圖3所示，包括一個有源開關電容模塊310和N個無源開關電容模塊320.K，K=1,2,…,N；

有源開關電容模塊包括一個運算放大器A1、一個采樣電容C_H0、一個寄生平衡電容C_M0和六個開關S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇；所述無源開關電容模塊320.K包括一個采樣電容C_HK、一個寄生平衡電容C_MK和一個開關S_1K，K=1,2,…,N；