專利名稱：采用分組式t/h開關的低電壓低功耗折疊內插模數轉換器的制作方法
技術領域：
本發明屬于集成電路技術領域，具體涉及一種采用分組式T/H開關的低電壓、低 功耗折疊內插模數轉換器。
背景技術：
傳統的采用單一跟蹤保持電路的折疊內插模數轉換器結構示意圖如圖1所示，主 要由單一跟蹤保持電路7、電壓驅動電路8、電阻串參考電壓產生電路1、細子預放大電路 2、粗子預放大電路9、折疊電路3、內插電路4、細子比較器電路5、粗子比較器電路10和編 碼電路6構成。傳統的采用分布式跟蹤保持電路的折疊內插模數轉換器結構示意圖如圖2 所示，主要由電阻串參考電壓產生電路11、細子預過零點產生電路12分布式跟蹤保持電路 13、粗子預放大電路18、折疊電路14、內插電路15、細子比較器電路16、粗子比較器電路19 和編碼電路構成。折疊內插模數轉換器中普遍采用跟蹤保持電路的目的在于消除由于折疊電路所 帶來的倍頻效應，同樣的前端的跟蹤保持電路的性能決定了整個折疊內插模數轉換器的 性能。因此對于前端跟蹤保持電路的設計尤為重要。傳統的單一跟蹤保持電路的等效模 型如圖4所示，該模型圖包括單一跟蹤保持電路35、電壓驅動電路41和預放大電路輸入 端等效寄生電容42，單一跟蹤保持電路35包括柵壓自舉電路38、理想開關37、等效模擬 信號輸入36、開關等效導通電阻39和采樣保持電容40。根據信號處理的相關知識，可得
^ksr由此可得當輸入的飢-定時，采樣保
持的輸入信號的增益是與導通電阻以及保持電容成反比。傳統實現中采用柵壓自舉電路38 的方法保證導通電阻和輸入信號幅度的非相關，采用電壓驅動電路39隔離的方法實現保 持電路和預放大電路輸入寄生電容之間的非相關。這其中對于電壓驅動電路的設計提出了 很高的要求，既要保證很高的線性度還要保證超高速應用中高帶寬，這就使得該驅動電路 消耗的功耗很大，甚至采用高電源電壓，這非常不利于折疊內插模數轉換器的芯片集成和 低功耗、高精度設計。同樣，對于分布式跟蹤保持電路如圖5所示，該電路包括模擬信號輸入43、預過零 點產生電路44和分布式跟蹤保持開關49，其中分布式跟蹤保持開關49包括柵壓自舉電路 45、理想開關46、開關等效導通電阻47和預放大電路輸入端寄生電容48。分布式跟蹤保持 電路49將預放大電路輸入端的寄生電容48作為保持電容，但是由于預放大電路的輸入端 寄生電容是隨著輸入管工作狀態的不同而變化的。如圖6所示，該圖中包括預放大電路等 效差分輸入管Ml 54、柵源寄生電容50、柵漏寄生電容51、負載電阻52、漏襯底電容53和尾 電流源55。輸入寄生電容48主要由柵源寄生電容50和柵漏寄生電容51密勒等效電容構 成，隨輸入管工作狀態的變化而變化，從而導致了不同幅度輸入時采樣值增益的不同，引入 非線性從而導致折疊內插模數轉換器性能的下降。雖然，分布式跟蹤保持開關后端的寄生電容48是單一跟蹤保持開關后端的寄生電容42的(1/NP)。但是，對于中高精度的設計還 是不夠的。此外，分布式跟蹤保持電路的面積將會很大，尤其是采用柵壓自舉的分布式采樣 開關，這同樣是不適合低壓、低功耗和可嵌入式設計的。
發明內容
本發明的目的是在降低輸入端寄生電容42對保持電容40影響的前提下，省略單 一跟蹤保持電路中電壓驅動電路41，降低功耗同時摒棄分布式跟蹤保持開關面積大的缺 陷，從而提供一種低電壓、低功耗和高精度的折疊內插模數轉換器。本發明提出了一種應用于折疊內插模數轉換器中的分組式跟蹤保持開關，首先將 預放大電路分為Np組，Np確定的前提是保證在精度允許的范圍內輸入端寄生電容對保持電 容的影響可以忽略，省去了電壓驅動電路41，降低了功耗，同時比較分布式跟蹤保持電路采 用固定的保持電容和較少的子開關，無論是從功耗面積方面還是從開關性能方面都有著很 大的提高。本發明提出的整體折疊內插模數轉換器的架構如圖3所示，包括電阻串參考電壓 產生電路20、分組式跟蹤保持電路27、預放大電路28、N級級聯折疊內插電路22 24、比 較器電路25和編碼電路26。其中
(1)模擬輸入信號經過分組式跟蹤保持電路27得到保持信號。(2)保持信號與參考電壓電阻串20產生的參考電平作為預放大電路28的輸入信 號，預放大電路的輸出為保持信號與參考電平之間的差值放大信號，預放大電路的輸出信 號為第一級折疊電路29的輸入信號，其中，每隔((NpXX)/F)-l個輸出取一個輸出連接到 比較器25，一共QCtl個輸出信號直接成為比較器25的輸入信號。(3)第一級折疊電路29的輸入信號為預放大電路28的輸出信號，第一級折疊電路 的輸出信號作為第一級內插電路30的輸入信號，第一級的內插電路的輸出信號作為第二 級折疊電路31的輸入信號，其中，每隔((NpXX)/F)-l個輸出取一個輸出連接到比較器25， 一共QC1個輸出信號直接成為比較器25的輸入信號。(4)第二級折疊電路31的輸入信號為第一級內插電路30的輸出信號，第二級折疊 電路31的輸出信號作為第二級內插電路32的輸入信號，第二級的內插電路32的輸出信號 作為第三級折疊電路33的輸入信號，其中，每隔((NpXX)/F)-l個輸出取一個輸出連接到 比較器25，一共QC2個輸出信號直接成為比較器25的輸入信號。(5)依此類推，第N-I級內插電路的輸出信號作為第N級折疊電路33的輸入信號， 其中，每隔((NpXX) /F)-1個輸出取一個輸出連接到比較器25，一共QCV1個輸出信號直接 成為比較器25的輸入信號。(6)第N級折疊電路33的輸出信號作為第N級內插電路34的輸入信號，第N級內 插電路34的輸出信號連接到比較器25。(7)比較器25的輸出信號經過編碼電路26的編碼后，得到模數轉換器的二進制輸 出碼。本發明提出的分組式跟蹤保持電路27，擁有固定的采樣保持電容，同時省略了單 一跟蹤保持開關中的電壓驅動電路8，極大的降低了系統功耗，同時NP<< (Np X X)，摒棄了分 布式跟蹤保持開關面積大的缺陷。
本發明提出的折疊內插模數轉換器中，分組式跟蹤保持電路采用分組式跟蹤保持 開關。分組式跟蹤保持開關的子開關為Np個，Np為預放大電路組數。將預放大電路分為 Np組，Np確定的前提是保證在精度允許的范圍內輸入端寄生電容對保持電容的影響可以忽 略，省去了電壓驅動電路41，降低了功耗，同時比較分布式跟蹤保持電路采用固定的保持電 容和較少的子開關，無論是從功耗面積方面還是從開關性能方面都有著很大的提高。本發明中，采用分組式跟蹤保持電路負責Np X X個預放大電路模塊，其中每一個跟 蹤保持開關負責χ個預放大電路。在分組式跟蹤保持電路中
(1)各個子跟蹤保持電路各自有獨立的采樣保持電容66CHi， =ΓΧ ；
(2)每個子跟蹤保持電路負責X個預放大電路，X>1；
(3)連接方式為第一組的柵壓自舉開關的正向輸出端接第一組的預放大電路正向輸入 端，而其負向輸出端接第Np組的預放大電路的負向輸入端；同理第Np組的柵壓自舉開關的 負向輸出端接第一組的預放大電路的負向輸入端；
(4)第二組的柵壓自舉開關的正向輸出端接第二組的預放大電路正向輸入端，而其負 向輸出端接第Np-I組的預放大電路的負向輸入端，同理第Np-I組的柵壓自舉開關的負向輸 出端接第二組的預放大電路的負向輸入端；
(5)依此類推，針對于第NP/2組的柵壓自舉開關則是不進行交叉連接。本發明折疊內插模數轉換器的特征為模擬輸入信號在相同的時鐘相位下分別 由Np個子開關將信號采樣到固定的保持電容上；保持信號與參考電壓電阻串產生的參考電 平作為預放大電路的輸入信號，預放大電路的輸出為保持信號與參考電平之間的差值放大 信號；預放大電路的輸出信號通過級間開關選擇一個第一級折疊電路信號路徑作為其輸入 信號，其中一些輸出信號直接成為比較器的輸入信號；第一級折疊電路的輸出信號作為第 一級內插電路的輸入信號；第一級內插電路的輸出信號作為第二級折疊電路信號的輸入信 號，其中一些輸出信號直接成為比較器的輸入信號；第二級折疊電路的輸出信號作為第二 級內插電路的輸入信號；第二級內插電路的輸出信號作為第三級折疊電路的輸入信號，其 中一些輸出信號直接成為比較器的輸入信號；依此類推，第N-I級內插電路的輸出信號作 為第N級折疊電路的輸入信號，其中一些輸出信號直接成為比較器的輸入信號；第N級折疊 電路的輸出信號作為第N級內插電路的輸入信號，第N級內插電路的輸出信號作為比較器 的輸入信號；比較器的輸出信號經過編碼電路的編碼后，得到模數轉換器的二進制輸出碼。對于N (N>1)級級聯折疊電路，每一級折疊電路的折疊系數為F，內插系數為F， 預放大電路有(NpX X)，每一級折疊放大器個數為((Np X X) /F)，每一級內插放大器個數為 (NpXX)0假設分組式T/H開關數目為Nth，預放大電路陣列數目為NP，這樣將實際的量化量 程范圍縮小為原來的Np/Nth。這將降低預放大陣列的線性度設計要求，同時等效到每個T/H 開關保持電容Ch上的預放大陣列輸入端的寄生電容Cp減小為原來的Np/Nth，從而保證了 T/ H開關中開關采用RC常數的恒定，提高跟蹤保持開關的高線性度設計，省略傳統結構中T/H 開關和預放大電路之間的隔離用電壓驅動器，減小了模數轉換器的功耗。
圖1為傳統采用單一跟蹤保持電路折疊內插模數轉換器的架構圖。圖2為傳統采用分布式跟蹤保持電路折疊內插模數轉換器的架構圖。圖3為采用分組式跟蹤保持電路和折疊內插級間開關亂序的模數轉換器的架構圖。圖4為單一跟蹤保持電路等效模型。圖5為分布式跟蹤保持電路等效模型。圖6為預放大電路輸入端寄生電容等效模型。圖7為分組式跟蹤保持電路與預放大電路連接方式。圖中標號1為折疊內插模數轉換器中電阻串參考電壓產生電路，2 5為折疊內 插模數轉換器中細子量化器，6為折疊內插模數轉換器中編碼電路，7 8為折疊內插模數 轉換器中帶電壓驅動器的單一跟蹤保持電路，9 10為折疊內插模數轉換器中粗子量化 器，11為折疊內插模數轉換器中電阻串參考電壓產生電路，12為折疊內插模數轉換器中預 過零點產生電路，13為折疊內插模數轉換器中分布式跟蹤保持電路，14 16為折疊內插模 數轉換器中細子量化器，17為折疊內插模數轉換器中編碼電路，18 19為折疊內插模數轉 換器中粗子量化器，20為折疊內插模數轉換器中電阻串參考電壓產生電路，21、27 28為 折疊內插模數轉換器中分組式跟蹤保持電路，66為分組式跟蹤保持電路中獨立的采樣保 持電容，22-24、29-34為折疊內插模數轉換器中級聯折疊內插電路，25為折疊內插模數轉 換器中比較器電路，26為折疊內插模數轉換器中編碼電路，35、36 40為單一跟蹤保持電 路等效模型，41為電壓驅動電路，42為預放大電路輸入端寄生電容，43為模擬信號輸入，44 為預過零點產生電路，49、45 48為分布式跟蹤保持電路等效模型，50 55為預放大電路 輸入端寄生電容等效模型，56 60、61為分組式跟蹤保持開關，62為分組式跟蹤保持開關 和預放大電路連接關系，63 65為差分輸入預放大電路，67為分組式跟蹤保持電路中獨立 的保持電容。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明提出的分組式跟蹤保持開關結構進行詳細說明。針對于分組式跟蹤保持開關電路，如圖7所示，假設預放大電路分為了 Np組，每組 中包含有一個柵壓自舉開關61、獨立的采樣保持電容67和X個差分輸入的預放大電路63， 該分組式跟蹤保持(T/H)電路中，每一組子開關均包括一個固定的采樣保持電容，抵消相應 的預放大電路輸入端寄生電容的影響，穩定相應的采樣增益，提高跟蹤保持電路的線性度 和性能。因為將(NpXX)個預放大電路分成Np組分別交給Np個柵壓自舉開關61來處理，所 以各組等效到保持電容上的可變寄生電容減小為原來的(l/Νρ)，從而保證了采樣開關的RC 常數近似為恒定值，保證了相應的采樣增益恒定。如圖7中62所示的連接方式，假設過零點 為vl v(NPX)0，當輸入信號的正向端使得vl所對應的預放大電路輸入管處于飽和區時，相 應的輸入信號的負向端會使ν (NPX)0所對應的預放大電路輸入管也處于飽和區，然而相應的 輸入信號的負向端使vl所對應的預放大電路輸入管反而處于線性區；同樣的當輸入信號 的正向端使得v(NPX)0所對應的預放大電路輸入管處于飽和區時，相應的輸入信號的負向端 會使vl所對應的預放大電路輸入管也處于飽和區，然而相應的輸入信號的負向端使v(NPX)0 所對應的預放大電路輸入管反而處于線性區；依此類推，如62所示的連接方式，為了保證差分信號兩端看到的寄生電容相同，因此本發明中分組式跟蹤保持開關的連接方式為第一 組的柵壓自舉開關的正向輸出端接第一組的預放大電路正向輸入端，而其負向輸出端接第 Np組的預放大電路的負向輸入端，同理第Np組的柵壓自舉開關的負向輸出端接第一組的預 放大電路的負向輸入端；第二組的柵壓自舉開關的正向輸出端接第二組的預放大電路正向 輸入端，而其負向輸出端接第Np-I組的預放大電路的負向輸入端，同理第Np-I組的柵壓自 舉開關的負向輸出端接第二組的預放大電路的負向輸入端；依此類推。針對于第(NP/2)組 的柵壓自舉開關則是不進行交叉連接。本發明提出的整體折疊內插模數轉換器的架構如圖3所示，架構包括電阻串參考 電壓產生電路20、分組式跟蹤保持電路27、預放大電路28、N級級聯折疊內插電路22 24、 比較器電路25和編碼電路26。其中
(1)模擬輸入信號經過分組式跟蹤保持電路27得到保持信號。(2)保持信號與參考電壓電阻串20產生的參考電平作為預放大電路28的輸入信 號，預放大電路的輸出為保持信號與參考電平之間的差值放大信號，預放大電路的輸出信 號為第一級折疊電路29的輸入信號，其中，每隔((NpXX)/F)-l個輸出取一個輸出連接到 比較器25，一共QCtl個輸出信號直接成為比較器25的輸入信號。(3)第一級折疊電路29的輸入信號為預放大電路28的輸出信號，第一級折疊電路 的輸出信號作為第一級內插電路30的輸入信號，第一級的內插電路的輸出信號作為第二 級折疊電路31的輸入信號，其中，每隔((NpXX)/F)-l個輸出取一個輸出連接到比較器25， 一共QC1個輸出信號直接成為比較器25的輸入信號。(4)第二級折疊電路31的輸入信號為第一級內插電路30的輸出信號，第二級折疊 電路31的輸出信號作為第二級內插電路32的輸入信號，第二級的內插電路32的輸出信號 作為第三級折疊電路33的輸入信號，其中，每隔((NpXX)/F)-l個輸出取一個輸出連接到 比較器25，一共QC2個輸出信號直接成為比較器25的輸入信號。(5)依此類推，第N-I級內插電路的輸出信號作為第N級折疊電路33的輸入信號， 其中，每隔((NpXX) /F)-1個輸出取一個輸出連接到比較器25，一共QCV1個輸出信號直接 成為比較器25的輸入信號。(6)第N級折疊電路33的輸出信號作為第N級內插電路34的輸入信號，第N級內 插電路34的輸出信號連接到比較器25。(7)比較器25的輸出信號經過編碼電路26的編碼后，得到模數轉換器的二進制輸 出碼。本發明提出的分組式跟蹤保持電路，擁有固定的采樣保持電容，同時省略了單一 跟蹤保持開關中的電壓驅動電路8，極大的降低了系統功耗，同時NP<< (Np X X)，摒棄了分布 式跟蹤保持開關面積大的缺陷。此外本領域的技術人員可以根據本發明中分組開關理念采用其它相似類型的開 關變形，應用于折疊內插模數轉換器，因此倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利 要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.一種采用分組式跟蹤保持開關(τ/Η)的低電壓低功耗折疊內插模數轉換器，其特征 在于由電阻串參考電壓產生電路(20)、分組式跟蹤保持電路(21)、預放大電路(28)、N級級 聯折疊內插電路(22 24)、比較器電路(25)和編碼電路(26)連接而成；其中(1)模擬輸入信號經過分組式跟蹤保持電路(27)得到保持信號；(2)保持信號與參考電壓電阻串(20)產生的參考電平作為預放大電路(28)的輸入信 號，預放大電路(28)的輸出為保持信號與參考電平之間的差值放大信號，預放大電路(28) 的輸出信號為第一級折疊電路(29)的輸入信號，其中，每隔((NpXX)/F)-l個輸出取一個輸 出連接到比較器(25)，一共QCtl個輸出信號直接成為比較器(25)的輸入信號；(3)第一級折疊電路(29)的輸入信號為預放大電路(28)的輸出信號，第一級折疊電路 的輸出信號作為第一級內插電路(30)的輸入信號，第一級的內插電路的輸出信號作為第二 級折疊電路(31)的輸入信號；其中，每隔((NpXX)/F)-l個輸出取一個輸出連接到比較器 (25)，一共QC1個輸出信號直接成為比較器(25)的輸入信號；(4)第二級折疊電路(31)的輸入信號為第一級內插電路(30)的輸出信號，第二級折疊 電路(31)的輸出信號作為第二級內插電路(32)的輸入信號，第二級的內插電路(32)的輸 出信號作為第三級折疊電路(33)的輸入信號；其中，每隔((NpXX)/F)-l個輸出取一個輸 出連接到比較器(25)，一共QC2個輸出信號直接成為比較器(25)的輸入信號；(5)依此類推，第N-I級內插電路的輸出信號作為第N級折疊電路(33)的輸入信號，其 中，每隔((NpXX)/F)-l個輸出取一個輸出連接到比較器(25)，一共QCV1個輸出信號直接 成為比較器(25)的輸入信號；(6)第N級折疊電路(33)的輸出信號作為第N級內插電路(34)的輸入信號，第N級內 插電路(34)的輸出信號連接到比較器(25)；(7)比較器(25)的輸出信號經過編碼電路(26)的編碼后，得到模數轉換器的二進制輸 出碼；N為級級聯折疊電路的級數，N>1，F為每一級折疊電路的折疊系數，Np為預放大電路組 數，X為每組的預放大電路個數，X>1 ； (NpXX)/F為每一級折疊放大器個數，NpXX為每一 級內插放大器個數。
2.根據權利要求1所述的折疊內插模數轉換器，其特征在于采用分組式跟蹤保持電路 負責NpXX個預放大電路模塊，其中每一個跟蹤保持開關負責X個預放大電路。
3.根據權利要求1所述的折疊內插模數轉換器，其特征在于在分組式跟蹤保持電路中(1)每個子跟蹤保持電路各自有獨立的采樣保持電容Cai(66)， =ΓΧ ；(2)每個子跟蹤保持電路負責X個預放大電路，X>1；(3)連接方式為第一組的柵壓自舉開關的正向輸出端接第一組的預放大電路正向輸入 端，而其負向輸出端接第Np組的預放大電路的負向輸入端；同理第Np組的柵壓自舉開關的 負向輸出端接第一組的預放大電路的負向輸入端；(4)第二組的柵壓自舉開關的正向輸出端接第二組的預放大電路正向輸入端，而其負 向輸出端接第Np-I組的預放大電路的負向輸入端，同理第Np-I組的柵壓自舉開關的負向輸 出端接第二組的預放大電路的負向輸入端；(5)依此類推，針對于第NP/2組的柵壓自舉開關則是不進行交叉連接。
全文摘要
本發明屬于集成電路技術領域，具體為一種采用分組式T/H開關的低電壓低功耗折疊內插模數轉換器。該折疊內插模數轉換器包含具有折疊單元模擬預處理模塊或者內插模擬預處理模塊；分組式T/H開關結構中，每個T/H開關所處理的后級預放大電路的數目至少兩個。該模數轉換器整體結構是由分組式T/H電路、參考電壓電阻串、預放大電路陣列、N級級聯的折疊電路、內插電路、比較器和編碼電路構成。本發明的折疊模數轉換器，可提高跟蹤保持開關的高線性度設計，省略傳統結構中T/H開關和預放大電路之間的隔離用電壓驅動器，減小了模數轉換器的功耗。
文檔編號H03M1/12GK102006072SQ20101055711
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月24日 優先權日2010年11月24日
發明者任俊彥, 葉凡, 王振宇, 王明碩, 陳遲曉, 顧蔚如 申請人:復旦大學