模數轉換電路的制作方法
【專利摘要】本發明涉及模數轉換電路，包括至少兩個并行的模數轉換單元，在各模數轉換單元中均有：柵極連接輸入電壓的NMOS管，NMOS管的源極和漏極分別連接到第一電容的兩端，其中源極接地，漏極通過第一PMOS管的漏極和源極接電源，第一PMOS管的柵極接時鐘電路，NMOS管的漏極和第一PMOS管的漏極一并通過第一反向器連接第二PMOS管的柵極，第二PMOS管的源極接電源，漏極通過電阻和第一開關，經并聯且一端接地的第二開關和第二電容后輸出，第一開關和第二開關受時鐘電路控制且開/閉時機相反。本發明整體結構簡單，適合單端電路，并且無需內部基準和非交疊時鐘，能夠很好的適用于極低功耗的應用，并且不需要運算放大器，適合納米級工藝，能夠很好的適合高速模數轉換的應用。
【專利說明】模數轉換電路
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及電子電路，具體的講是模數轉換電路。
【背景技術】
[0002]當今世界是一個高度信息化的社會，日新月異的數字通信技術推動社會高速發展，利用數字信號處理系統進行信息處理已經成為普遍的選擇，但是現實世界中的各種實物和信號均是模擬的，因此需要利用模數轉換器完成模擬信號到數字信號的轉換。
[0003]模數轉換器(ADC)最重要的參數是轉換的精度與轉換速率，通常用輸出的數字信號的二進制位數的多少表示精度，用每秒轉換的次數來表示速率。轉換器能夠準確輸出的數字信號的位數越多，表示轉換器能夠分辨輸入信號的能力越強，轉換器的性能也就越好。模數轉換器分辨率越高(位數越多)，需要轉換的時間就越長，轉換速率就越低。因此的分辨率和轉換速率兩者總是相互制約的。為滿足現代高新【技術領域】的需求，在發展中需要同時兼顧高速和高分辨率，在此基礎上，還要考慮功耗、體積、與計算機及通信網絡的兼容性、接口配置等問題，這樣就使得結構錯綜復雜。
[0004]自七十年代中期以來，隨著結構與工藝的不斷突破，模數轉換器的性能得到了較大改善，其中包括高轉換速率、高分辨率、低失真以及開關電容輸入結構、單電源工作等。高精度高速度的A/D轉換器在軍事、太空、醫療等尖端領域有著至關重要的地位。但是近年來隨著制造工藝的不斷發展和對電路低功耗性能的追求，集成電路的供電電壓逐步降低，這使得以電壓信號為變量的設計變得越來越困難。
[0005]最近，一些研究開始轉向基于時間的模數轉換器。基于時間模數轉換器將模擬電壓通過調制系統，變成純粹的數字信號，然后對數字信號進行處理。但是基于時間模數轉換器目前仍具有系統結構比較復雜、精度不高等問題，也不能適應當前對應模式轉換器的需求。因此，基于時間的模數轉換器也需要進一步降低功耗，進一步提高精度和速度。
【發明內容】
[0006]本發明提供了一種模數轉換電路，可以進行高速率、低功耗的數模轉換，以適應目前的應用趨勢。
[0007]本發明的模數轉換電路，包括:至少兩個并行的模數轉換單元，在各模數轉換單元中均有:柵極連接輸入電壓的NMOS管，NMOS管的源極和漏極分別連接到第一電容的兩端，其中源極接地，漏極通過第一 PMOS管的漏極和源極接電源，第一 PMOS管的柵極接時鐘電路，NMOS管的漏極和第一 PMOS管的漏極一并通過第一反向器連接第二 PMOS管的柵極，第二 PMOS管的源極接電源，漏極通過電阻和第一開關，經并聯且一端接地的第二開關和第二電容后輸出，第一開關和第二開關受時鐘電路控制且開/閉時機相反。
[0008]在第一 PMOS管導通時將第一電容充電至電源電壓，連接于第一電容兩端的NMOS管為第一電容提供放電通路，放電電流的大小由輸入電壓及NMOS管的尺寸決定，適當調節各模數轉換單元中NMOS管的尺寸可以得到合適的電容充放電時間。第一反相器具有一定的翻轉電壓，第一電容放電至第一反向器的翻轉電壓時，第一反相器翻轉。第一反相器的輸出端與第二 PMOS管的柵端相連接，當第一反向器翻轉為低電平時第二 PMOS管導通。第二電容的充放電由第二 PMOS管、電阻及第一開關和第二開關決定。當第二 PMOS管導通，第一開關閉合，第二開關斷開的情況下，第二電容充電，充電時間由第二 PMOS管和第一開關共同決定。電阻和第二電容的大小決定充電的速度。第二開關并聯在第二電容的兩端，提供了第二電容的放電通路。輸出端輸出的高低電平決定模數轉換的編碼。
[0009]進一步的，所述的時鐘電路包括反向器和與門，反向器的輸入端控制所述的第二開關，輸出端連接與門的一個輸入端，與門的另一輸入端連接時鐘信號，與門輸出端控制所述的第一開關。
[0010]優選的，信號經所述并聯且一端接地的第二開關和第二電容后，再經緩沖單元后輸出。通過緩沖單元對輸出信號進行緩沖和延時，同時也有利于后續對電路的擴展。
[0011]具體的，所述的緩沖單元為兩個串聯的反向器。適當調節電阻和第二電容的大小，使得第二電容的充電時間為一固定值時達到與之連接的反相器的翻轉電壓。
[0012]可選的，各模數轉換單元中NMOS管的尺寸大小不同，通過合適的NOMS管尺寸，使各模數轉換單元的第一電容具有合適的充放電時間。
[0013]具體的，所述的第一開關和第二開關均為電控開關。
[0014]本發明模數轉換電路，整體結構簡單，適合單端電路，并且無需內部基準和非交疊時鐘，能夠很好的適用于極低功耗的應用，并且不需要運算放大器，適合納米級工藝，能夠很好的適合高速模數轉換的應用。
[0015]以下結合實施例的【具體實施方式】，對本發明的上述內容再作進一步的詳細說明。但不應將此理解為本發明上述主題的范圍僅限于以下的實例。在不脫離本發明上述技術思想情況下，根據本領域普通技術知識和慣用手段做出的各種替換或變更，均應包括在本發明的范圍內。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明模數轉換電路的示意圖。
[0017]圖2為圖1中單個模數轉換單元的電路圖。
[0018]圖3為圖1的時鐘電路脈沖信號示意圖。
【具體實施方式】
[0019]如圖1所示本發明的模數轉換電路，是一個具體的2位的模數轉換器電路，包括:三個并行的模數轉換單元，分別為第一模數轉換單元100，第二模數轉換單元200和第三模數轉換單元300，各模數轉換單元的結構相同。還具有一個時鐘電路400，在時鐘電路400中包括反向器401和與門402,反向器401的輸入端為第二脈沖信號S2’，輸出端連接與門402的一個輸入端，與門402的另一輸入端連接時鐘信號CLK,與門402輸出端為第一脈沖信號SI’。
[0020]如圖2所示，以第一模數轉換單元100為例，其中具有:柵極連接輸入電壓VIN的NMOS管101，NMOS管101的源極和漏極分別連接到第一電容102的兩端，其中源極接地，漏極通過第一 PMOS管103的漏極和源極接電源VDD，第一 PMOS管103的柵極接時鐘電路400的時鐘信號CLK，NMOS管101的漏極和第一 PMOS管103的漏極一并通過第一反向器104連接第二 PMOS管105的柵極，第二 PMOS管105的源極接電源VDD，漏極通過電阻106和第一開關SI，經并聯且一端接地的第二開關S2和第二電容107后，通過兩個串聯的反向器108、109輸出，第一開關SI和第二開關S2受時鐘電路400的時鐘信號CLK控制且開/閉時機相反。在時鐘電路400中的反向器401的輸入端第二脈沖信號S2’控制所述的第二開關S2，與門402輸出端的第一脈沖信號SI，控制所述的第一開關SI。其中第一開關SI和第二開關S2均為電控開關。
[0021]當時鐘電路和第一模數轉換單元的時鐘信號CLK為低電平時，第一 PMOS管103導通，A點充電至電源電壓Vdd,通過第一反相器104輸出低電壓,此時第二 PMOS管105導通，C點升為高電壓，由于第一開關SI斷開，D點保持初始低電壓狀態。輸入電壓VIN，當時鐘信號CLK由低電平變為高電平且第一脈沖信號SI，信號也由低電平變為高電平時，第一開關SI閉合，第二電容107開始充電，D點電壓升高。第一 PMOS管103關斷，第一電容102對NMOS管101放電，在輸入電壓VIN作用下NMOS管101工作于飽和區，第一電容102具有一定的放電電流，A點電壓不斷下降，當A點電壓下降到第一反相器104的反轉電壓Vtkan時，B點變為高電平，此時第二 PMOS管105關斷，第二電容107充電終止。以時鐘信號CLK周期IOns為例，第一脈沖信號SI，為占空比1/4，脈寬5ns的信號。第一開關SI在第一脈沖信號SI’為高電平時閉合接通，低電平時斷開截止。無論第一電容102對NMOS管101放電至第一反相器104翻轉電壓時間，即第二 PMOS管105導通時間有多長，第二電容107充電時
間最長為5ns。第二電容107的電壓U。與充電時間的關系如下C2表
示第二電容107的容量，R為電容106的阻值。
[0022]通過調節電阻106的阻值和第二電容107的容值，實現當電源電壓Vdd對第二電容107充電5ns時達反相器108的翻轉電壓，因此當模數轉換單元在第二電容107充電達5ns時，輸出高電平，充電時間小于5ns的輸出低電平。現計算第一電容102對NMOS管101放電至第一反相器104翻轉電壓的時間:
[0023]由電容上電荷守恒定律，可以得到:
[0024]
【權利要求】
1.模數轉換電路，其特征包括:至少兩個并行的模數轉換單元，在各模數轉換單元中均有:柵極連接輸入電壓的NMOS管，匪OS管的源極和漏極分別連接到第一電容的兩端，其中源極接地，漏極通過第一 PMOS管的漏極和源極接電源，第一 PMOS管的柵極接時鐘電路，NMOS管的漏極和第一 PMOS管的漏極一并通過第一反向器連接第二 PMOS管的柵極，第二PMOS管的源極接電源，漏極通過電阻和第一開關，經并聯且一端接地的第二開關和第二電容后輸出，第一開關和第二開關受時鐘電路控制且開/閉時機相反。
2.如權利要求1所述的模數轉換電路，其特征為:所述的時鐘電路包括反向器和與門，反向器的輸入端控制所述的第二開關，輸出端連接與門的一個輸入端，與門的另一輸入端連接時鐘信號，與門輸出端控制所述的第一開關。
3.如權利要求1所述的模數轉換電路，其特征為:信號經所述并聯且一端接地的第二開關和第二電容后，再經緩沖單元后輸出。
4.如權利要求3所述的模數轉換電路，其特征為:所述的緩沖單元為兩個串聯的反向器。
5.如權利要求1至4之一所述的模數轉換電路，其特征為:各模數轉換單元中NMOS管的尺寸大小不同。
6.如權利要求1至4之一所述的模數轉換電路，其特征為:所述的第一開關和第二開關均為電控開關。
【文檔編號】H03K3/012GK103746697SQ201310670036
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月10日 優先權日:2013年12月10日
【發明者】劉洋, 董華, 張鐸, 吳霜毅, 胡紹剛, 顧野, 徐艷飛 申請人:電子科技大學