專利名稱：帶兩級分段共享運算放大器的乘法型數模轉換器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種帶兩級分段共享運算放大器的乘法型數模轉換器，它的直接應用領域是高速高精度、低功耗、多通道流水線A/D轉換器。
背景技術：
近年來，隨著流水線A/D轉換器功耗的降低以及通道數的增加，對于其內部核心單元乘法型數模轉換電路的要求也越來越高，因此，降低乘法型數模轉換電路的功耗與規模是迫切需要。在乘法型數模轉換器中，采用共享運算放大器是降低乘法型數模轉換器功耗與規模的一種常用技術，它利用流水線A/D轉換器相鄰兩級交替工作的特點，將兩個運算放大器的功能由一個運算放大器來實現，減少了一個運算放大器的使用，從而降低了乘法型數模轉換電路功耗與規模。但是，常規技術是將運算放大器作為一個整體，在使用中存在以下問題1)限制了相鄰兩級流水線A/D轉換器的位數，要求它們的位數必須相同，如不相同，以4位流水線A/D轉換器與1. 5位流水線A/D轉換器為例，4位流水線A/D轉換器中運算放大器功耗為16 18mW，1. 5位流水線A/D轉換器中運算放大器功耗為4 5mW，兩級流水線A/D轉換器總的平均功耗為10 12mW。采用常規共享運算放大器技術后，由于要保證 4位流水線A/D轉換器的精度，1. 5位流水線A/D轉換器必須享用4位流水線A/D轉換器中的運算放大器，兩級流水線A/D轉換器總的平均功耗為16 18mW，因此，常規共享運算放大器技術不但不會降低兩級流水線的功耗，反而造成功耗的增加。2)限制了流水線A/D轉換器總體結構的設計。由于流水線A/D轉換器中每級流水線級位數的設計比較靈活，以14位A/D轉換器為例，它的流水線級數就有5+4+4+4、 4+8X1. 5+3,5+3+3+1. 5+1. 5+1. 5+3等各種實現方式，其中最后一位為flashADC，內部不需要運算放大器。從上例可以看出，相鄰兩級流水線一般有前級高位、后級低位以及前后級同位兩種組合，但是常規共享運算放大器只能適應前后級同位的組合，應用范圍較窄，已無法滿足低功耗、多通道流水線A/D轉換器的設計要求。
發明內容
為克服上述常規共享運算放大器中相鄰兩級流水線A/D轉換器的位數與總體結構設計受限的問題，本發明提供了一種帶兩級分段共享運算放大器的乘法型數模轉換電路，實現4位與1. 5位兩種不同位數流水線級中運算放大器的有效合并，既減少版圖面積， 又不會造成功耗的增加。為實現上述目的，本發明解決上述技術問題所采取的技術方案在于本發明的一種帶兩級分段共享運算放大器的乘法型數模轉換電路含有一個4位乘法型數模轉換單元，實現16倍放大功能，包括第一級運算放大器Al、 第二級運算放大器 A2、10 個開關 SIA/ Φ 1、SIB/ Φ 1、S2A/ Φ 2、S2B/ Φ 2、S3A/ Φ 1、S3B/ Φ 1、
3S4A/Φ 2，、S4B/Φ 2，、S5A/Φ 2，、S5B/Φ 2，、2 個采樣電容 CIA、C1B、2 個反饋電容 C2A、C2B，其中，ClA的一端通過SlA/Φ 1和S2A/Φ 2分別連接正向輸入信號Vinp和共模電壓 Vcm, ClA的另一端接Al的正輸入端，C2A的一端通過S3A/0 1和S4A/02’分別連接共模電壓Vcm和A2的正輸出端VQUTP，C2A的另一端接Al的正輸入端，ClB的一端通過SIB/Φ 1和 S2B/C52分別連接負向輸入信號Vinn和共模電壓Vcm，ClB的另一端接Al的負輸入端，C2B 的一端通過S3B/cm和S4B/02’分別連接共模電壓Vcm和A2的負輸出端Vqutn，C2B的另一端接Al的負輸入端，Ξ5Α/Φ2’的一端接Al的負輸出端，Ξ5Α/Φ2’的另一端接Α2的負輸入端，85Β/Φ2'的一端接Al的正輸出端，85Β/Φ2'的另一端接Α2的正輸入端；和一個1. 5位乘法型數模轉換單元，實現2倍放大功能，包括第二級運算放大器 Α2、4 個開關 S6A/ Φ 1，、S6B/ Φ 1，、S7A/ Φ 2，、S7B/ Φ 2，、2 個采樣電容 C3A、C3B、2 個采樣、反饋、補償電容C4A、C4B，其中，C3A的一端通過S6A/01，和S7A/02，分別連接共模電壓Vcm和A2的正輸出端VQUTP，C3A的另一端接A2的負輸入端，C4A的一端接A2的正輸出端VQUTP，C4A的另一端接A2的負輸入端，C3B的一端通過SeB/ΦΓ和S7B/02，分別連接共模電壓Vcm和A2的負輸出端Vqutn，C3B的另一端接A2的正輸入端，C4B的一端接A2的負輸出端Vqutn，C4B的另一端接A2的正輸入端。所述開關中的相位Φ1、Φ2、Φ1，、Φ2，為4相非交疊時鐘，Φ 1、Φ 1，為4位乘法型數模轉換單元的采樣相與1. 5位乘法型數模轉換單元的放大相，Φ2、Φ2’為4位乘法型數模轉換單元的放大相與1.5位乘法型數模轉換單元的采樣相，它們的具體時序為ΦΓ 在Φ 1導通前導通、Φ 1關斷后關斷，Φ2在Φ2’導通前導通、Φ2’關斷后關斷。所述電容CIA、C2A、C2A、C2B、C3A、C3B、C4A、C4B均為常規的金屬電容，它們電容值之間的關系為C1A = ClB = 16C2A = 16C2B, C3A = C3B = C4A = C4B。所述C4A、C4B具有采樣、放大、補償三種功能當Ξ7Α/Φ2，、Ξ7Β/Φ2，導通時，C4A 與C3A并聯，C4B與OB并聯，構成兩組采樣電容；當Ξ7Α/Φ2，Α7Β/Φ2，關斷時，只有C4A、 C4B連接Α2的輸入輸出端，起到放大作用；C4A、C4B始終跨接于Α2的輸入輸出端，起到補償作用。有益效果本發明的帶兩級分段共享運算放大器的乘法型數模轉換器與常規帶共享運算放大器的乘法型數模轉換電路相比，具有以下特點1.本發明電路在兩級運算放大器Al、A2之間增加了一對開關S5A/02’、S5B/ Φ 2’，將運算放大器的兩級進行有效分離，當流水線位數較高時，采用兩級運算放大器，當流水線位數較低時，采用一級運算放大器。因此，乘法型數模轉換電路就可以根據每級流水線A/D轉換器位數的不同，來確定運算放大器的使用級數，從而克服了相鄰兩級流水線A/D 轉換器的位數必須相同才能采用共享運算放大器的限制，將共享運算放大器的適用范圍從相鄰流水線前后級同位擴展到前級高位、后級低位。同時，共享運算放大器技術也不會再限制流水線A/D轉換器總體結構設計的多樣性，因此，更加適用于低功耗、多通道流水線A/D 轉換器的發展需求。2.本發明電路通過采用兩個電容C4A、C4B，就起到了采樣、放大、補償的三種作用，有效替代了常規共享運算放大器中所需要的4 6個電容，將電容使用量降低了 50% 66%。3.本發明電路通過分段共享兩級運算放大器，降低了乘法型數模轉換電路的功耗，常規帶共享運算放大器的乘法型數模轉換器功耗為16 18mW，采用本發明電路后，乘法型數模轉換器的功耗降低到10 12mW，功耗減少30%以上。因此，本發明電路既減少了版圖面積，又沒有造成功耗的增加。
圖1為本發明的帶兩級分段共享運算放大器的乘法型數模轉換器的電路圖；圖2為本發明電路中的4相非交疊時鐘Φ 1、Φ2、Φ 1’、Φ2’的工作時序圖。
具體實施例方式本發明的具體實施方式
不僅限于下面的描述，現結合附圖加以進一步說明。本發明的帶兩級分段共享運算放大器的乘法型數模轉換電路如圖1所示。它包括一個4位乘法型數模轉換單元和一個1. 5位乘法型數模轉換單元。4位乘法型數模轉換單元包括第一級運算放大器Al、第二級運算放大器Α2、10個開關SIA/Φ 1、SIB/Φ 1、S2A/ Φ2、S2B/。2、S3A/。1、S3B/。1、S4A/02，、S4B/02，、S5A/02，、S5B/02，、2 個采樣電容 C1A、C1B、2個反饋電容C2A、C2B ；1. 5位乘法型數模轉換單元包括第二級運算放大器A2、4 個開關 S6A/01，、S6B/01，、S7A/02，、S7B/02，、2 個采樣電容 C3A、C3B、2 個采樣、反饋、 補償電容C4A、C4B。本發明電路的總體工作原理差分輸入模擬信號VINP、Vlffl先經過4位乘法型數模轉換單元進行信號的采樣、放大，然后，4位乘法型數模轉換單元的差分輸出模擬信號再經過1. 5位乘法型數模轉換單元進行信號的采樣、放大，最終輸出差分模擬信號VaiPVtmi^圖1中的具體連接關系、作用關系與本說明書的發明內容部分相同，此處不再重復。它的工作原理如下對于4位乘法型數模轉換單元在采樣相時，SlA/Φ 1、SlB/Φ 1、S3A/Φ 1、S3B/Φ 1 導通，S2A/。2、S2B/02、S4A/02，、S4B/02，、S5A/02，、S5B/02，關斷，Al 的輸出端與 A2的輸入端關斷，CIA、ClB兩端電壓分別跟蹤差分輸入模擬信號VINP、Vlffl，C2A、C2B兩端電壓虛地。在放大相時，S1A/01、S1B/01、S3A/01、S3B/01 關斷，S2A/02、S2B/02、S4A/ Φ2\84Β/Φ2\85Α/Φ2\85Β/Φ2'導通，Al的輸出端與A2的輸入端導通，CIA、ClB兩端電壓虛地，C2A、C2B兩端電荷與上一次采樣狀態下的C1A、C1B兩端電荷相等，因此產生的電壓增益分別為 C1A/C2A、C1B/C2B，由于 ClA = ClB = 16XC2A = 16XC2B，最終實現了 16 倍放大功能。對于1. 5位乘法型數模轉換單元在采樣相時，S7A/0 2’、87Β/Φ2'導通，S6A/ Φ1\86Β/Φ1'關斷，Al的輸出端與Α2的輸入端導通，C3A、C!3B、C4A、C4B兩端電壓分別跟蹤4位乘法型數模轉換單元的差分輸出模擬信號。在放大相時，S7A/c52’、S7B/c52’關斷， S6A/01，、S6B/01，導通，Al的輸出端與A2的輸入端關斷，C3A、C!3B兩端電壓虛地，C4A、 C4B兩端電荷與上一次采樣狀態下的C3A、C3B、C4A、C4B兩端電荷相等，產生的電壓增益分別(C3A+C4A)/C4A、(C3B+C4B)/C4B,由于 C3A = C3B = C4A = C4B，最終實現了 2 倍放大功
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C4A、C4B具有采樣、放大、補償等三種功能；當1. 5位乘法型數模轉換單元工作在采樣相時，開關S7A/0 2’、S7B/0 2’導通，C4A與C3A并聯、C4B與C3B并聯，它們分別構成了兩組采樣電容；當1. 5位乘法型數模轉換單元工作在放大相時，開關S7A/ Φ 2 ’、S7B/ Φ 2， 關斷，C4A、C4B將Α2的輸入端與輸出端相連，把之前積累的電荷轉移到輸出端，從而起到放大作用；C4A、C4B始終跨接于A2的輸入輸出端，起到補償作用。圖2為本發明電路中的4相非交疊時鐘工作時序圖，分別包括Φ1、Φ2、Φ1’、Φ2’ 四個相位，其中Φ1與Φ2反相，ΦΓ與Φ2’反相。當4相非交疊時鐘的電壓為高時，開關導通；當4相非交疊時鐘的電壓為低時，開關關斷；當Φ1、ΦΓ導通，Φ2、Φ2’關斷時， 4位乘法型數模轉換單元工作在采樣相，1.5位乘法型數模轉換單元工作在放大相；當Φ1、 ΦΓ關斷，Φ2、Φ2’導通時，4位乘法型數模轉換單元工作在放大相，1.5位乘法型數模轉換單元工作在采樣相。因此，4位乘法型數模轉換單元與1. 5位乘法型數模轉換單元始終處于交替工作。為確保電荷守恒，防止引入誤差，必須要求4相非交疊時鐘Φ1、Φ2、Φ1’、Φ2具有一定的開關順序，具體為ΦΓ在Φ1導通前導通、在Φ1關斷后關斷，Φ2在Φ2’導通前導通、在Φ2’關斷后關斷。本發明電路采用0. 18μπι CMOS工藝制造。所述開關SIA/ Φ 1、SIB/ Φ 1、S2A/ Φ 2、S2B/ Φ 2、S3A/ Φ 1、S3B/ Φ 1、S4A/ Φ 2，、S4B/ Φ2，、S5A/0 2，、S5B/0 2，、S6A/01，、S6B/01，、S7A/0 2，、S7B/0 2，均為常規的 CMOS 開關。所述電容CIA、C1B、C2A、C2B、C3A、C3B、C4A、C4B均為常規的金屬電容，電容值分別為 ClA = ClB = 4pF, C2A = C2B = 250fF, C3A = C3B = C4A = C4B = 300fF。所述兩級運算放大器Al、A2為常規的運算放大器，總增益為120dB，Al、A2的增益均為60dB。
權利要求
1.一種帶兩級分段共享運算放大器的乘法型數模轉換器，其特征在于含有一個4位乘法型數模轉換單元，實現16倍放大功能，包括第一級運算放大器Al、第二級運算放大器 A2、10 個開關 SIA/ Φ 1、SIB/ Φ 1、S2A/ Φ 2、S2B/ Φ 2、S3A/ Φ 1、S3B/ Φ 1、S4A/ Φ2，、S4B/。2，、S5A/。2，、S5B/。2，、2 個采樣電容 CIA、C1B、2 個反饋電容 C2A、C2B,其中，ClA的一端通過SlA/ Φ 1和S2A/ Φ 2分別連接正向輸入信號Vinp和共模電壓Vcm， ClA的另一端接Al的正輸入端，C2A的一端通過S3A/cm和S4A/02’分別連接共模電壓 Vcm和A2的正輸出端VOTTP，C2A的另一端接Al的正輸入端，ClB的一端通過SIB/Φ 1和S2B/ Φ 2分別連接負向輸入信號Vinn和共模電壓Vcm，ClB的另一端接Al的負輸入端，C2B的一端通過S3B/C5 1和S4B/0 2’分別連接共模電壓Vcm和A2的負輸出端Vqutn，C2B的另一端接 Al的負輸入端，Ξ5Α/Φ2’的一端接Al的負輸出端，Ξ5Α/Φ2’的另一端接Α2的負輸入端， 85Β/Φ2'的一端接Al的正輸出端，85Β/Φ2'的另一端接Α2的正輸入端；和一個1. 5位乘法型數模轉換單元，實現2倍放大功能，包括第二級運算放大器Α2、4個開關 S6A/ Φ 1，、S6B/ Φ 1，、S7A/ Φ 2，、S7B/ Φ 2，、2 個采樣電容 C3A、C3B、2 個采樣、反饋、補償電容C4A、C4B，其中，C3A的一端通過SeA/ΦΓ和S7A/02，分別連接共模電壓Vcm和A2的正輸出端 Voutp, C3A的另一端接A2的負輸入端，C4A的一端接A2的正輸出端VOTTP，C4A的另一端接A2 的負輸入端，OB的一端通過SeB/ΦΓ和S7B/C52，分別連接共模電壓Vcm和A2的負輸出端Votn，C3B的另一端接A2的正輸入端，C4B的一端接A2的負輸出端VOTTN，C4B的另一端接 A2的正輸入端。
2.根據權利要求1所述的帶兩級分段共享運算放大器的乘法型數模轉換，其特征在于所述開關中的相位Φ1、Φ2、Φ1’、Φ2’為4相非交疊時鐘，Φ 1、Φ 1’為4位乘法型數模轉換單元的采樣相與1. 5位乘法型數模轉換單元的放大相，Φ2、Φ2’為4位乘法型數模轉換單元的放大相與1.5位乘法型數模轉換單元的采樣相，它們的具體時序為ΦΓ在Φ1導通前導通、Φ 1關斷后關斷，Φ2在Φ2’導通前導通、Φ2’關斷后關斷。
3.根據權利要求1所述的帶兩級分段共享運算放大器的乘法型數模轉換，所述電容 CIA、C2A、C2A、C2B、C3A、C3B、C4A、C4B均為常規的金屬電容，它們電容值之間的關系為C1A =ClB = 16C2A = 16C2B, C3A = C3B = C4A = C4B。
4.根據權利要求1所述的帶兩級分段共享運算放大器的乘法型數模轉換，其特征在于所述C4A、C4B具有采樣、放大、補償三種功能當Ξ7Α/Φ2，Α7Β/Φ2，導通時，C4A與C3A并聯，C4B與OB并聯，構成兩組采樣電容；當S7A/0 2，、S7B/0 2，關斷時，只有C4A、C4B連接 A2的輸入輸出端，起到放大作用；C4A、C4B始終跨接于A2的輸入輸出端，起到補償作用。
全文摘要
本發明涉及一種帶兩級分段共享運算放大器的乘法型數模轉換器，它含有一個4位乘法型數模轉換單元和一個1.5位乘法型數模轉換單元。本發明電路在兩級運算放大器之間增加一對開關，將運算放大器的兩級進行有效分離，采用兩個電容，就起到采樣、放大、補償三種作用，將共享運算放大器的適用范圍從相鄰流水線前后級同位擴展到前級高位、后級低位，1.5位乘法型數模轉換單元的電容使用量降低50%～66%，乘法型數模轉換器的功耗減少30%以上。本發明電路具有結構新穎、功耗低、集成度高的特點，適用于高速高精度、低功耗、多通道流水線A/D轉換器領域。
文檔編號H03M1/72GK102291149SQ201110245380
公開日2011年12月21日 申請日期2011年8月25日 優先權日2011年8月25日
發明者劉凡, 尹湘坤, 肖坤光, 蘇晨, 郭艾, 雷朗成 申請人:中國電子科技集團公司第二十四研究所