[发明专利]一种电荷耦合流水线模数转换器的版图结构

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路版图设计技术领域，特别涉及一种电荷耦合流水线模 数转换器的版图结构。

背景技术

随着数字信号处理技术的不断发展，电子系统的数字化和集成化是必然趋 势。然而现实中的信号大都是连续变化的模拟量，需经过模数转换变成数字信 号方可输入到数字系统中进行处理和控制，因而模数转换器在未来的数字系统 设计中是不可或缺的组成部分。在宽带通信、数字高清电视和雷达等应用领域， 系统要求模数转换器同时具有非常高的采样速率和分辨率。这些应用领域的便 携式终端产品对于模数转换器的要求不仅要高采样速率和高分辨率，其功耗还 应该最小化。

目前，能够同时实现高采样速率和高分辨率的模数转换器结构为流水线结 构模数转换器。流水线结构是一种多级的转换结构，每一级使用低精度的基本 结构的模数转换器，输入信号经过一级级的处理，最后由每级的结果组合生成 高精度的输出。其基本思想就是把总体上要求的转换精度平均分配到每一级，每 一级的转换结果合并在一起可以得到最终的转换结果。由于流水线结构模数转 换器可以在速度、功耗和芯片面积上实现最好的折中，因此在实现较高精度的 模数转换时仍然能保持较高的速度和较低的功耗。

现有比较成熟的实现流水线结构模数转换器的方式是基于开关电容技术的 流水线结构。基于该技术的流水线模数转换器中采样保持电路和各个子级电路 的工作也都必须使用高增益和宽带宽的运算放大器。模数转换器的速度和处理 精度取决于所使用高增益和超宽带宽的运算放大器负反馈的建立速度和精度。 因此该类流水线结构模数转换器设计的核心是所使用高增益和超宽带宽的运算 放大器的设计。这些高增益和宽带宽运算放大器的使用限制了开关电容流水线 模数转换器的速度和精度，成为该类模数转换器性能提高的主要限制瓶颈，并 且精度不变的情况下模数转换器功耗水平随速度的提高呈直线上升趋势。要降 低基于开关电容电路的流水线模数转换器的功耗水平，最直接的方法就是减少 或者消去高增益和超宽带宽的运算放大器的使用。

电荷耦合流水线模数转换器就是一种不使用高增益和超宽带宽的运算放大 器的模数转换器，该结构模数转换器具有低功耗特性同时又能实现高速度和高 精度。电荷耦合流水线模数转换器采用电荷耦合信号处理技术。电路中，信号 以电荷包的形式表示，电荷包的大小代表不同大小的信号量，不同大小的电荷 包在不同存储节点间的存储、传输、加/减、比较等处理实现信号处理功能。通 过采用周期性的时钟来驱动控制不同大小的电荷包在不同存储节点间的信号处 理便可以实现模数转换功能。

一个电荷耦合流水线模数转换器的典型结构如图1所示，包括以下几个部 分：(1)一个电荷耦合采样保持电路0，其用于将模拟输入电压转换成对应大小 成比例的电荷包，并将电荷包传输给第一级子级电路1；(2)N级基于电荷耦合 信号处理技术的流水线子级电路1～3，其用于对采样得到的电荷包进行各种处 理完成模数转换和余量放大，并将每一个子级电路的输出数字码输入到延时同 步寄存器，且每一个子级电路输出的电荷包进入下一级重复上述过程；(3)最 后一级(第N+1级)N-bit Flash模数转换器电路4，其将第N级传输过来的电 荷包重新转换成电压信号，并进行最后一级的模数转换工作，并将本级电路的 输出数字码输入到延时同步寄存器，该级电路只完成模数转换，不进行余量放 大；(4)延时同步寄存器5，其用于对每个子流水级输出的数字码进行延时对准， 并将对齐的数字码输入到数字校正模块；(5)数字校正电路模块6，其用于接收 同步寄存器的输出数字码，将接收的数字码进行移位相加，以得到模数转换器 的R位数字输出码；(6)基准信号产生电路7和时钟信号产生电路8，前述所有 电路模块工作需要的时钟信号由时钟信号产生电路8提供，所有电路模块工作 需要的基准信号和偏置信号由基准信号产生电路7提供。