[发明专利]一种流水线模数转换器的第一级电路结构

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域中模数转换器方向，具体为一种流水线模数转换器的第一级电路结构

背景技术

近几年，通信和数字信号处理技术的飞速发展，高速高精度的模数转化器作为模拟系统与数字系统接口，其设计变得越来越重要。流水线模数转换器作为一种经典的结构，可以很好地兼顾速度、精度和功耗的要求，因其结构设计的多样化和灵活性特点，所以受到了极大的青睐。

流水线模数转换器的基本思想是将总体的精度分散到不同的级，通过时序控制将每级的输出合并，达到系统的总体要求精度。传统的流水线结构是将1.5位/级的结构串联起来，通过数级的串联来达到要求的精度。当总体精度较高时，串联的级数相应的增加，同时带来功耗和噪声的问题。为了解决这一问题，可以增加每级的位数来减少系统的级数，但位数越高本身功耗也会越大，这样便产生了如何根据系统精度来分配每级的级数，同时要兼顾功耗，噪声，和设计难度等方面的要求。

在高速高精度模数转换器领域中，要想达到高的精度，需要采取一定的措施。通常使用的方法有激光修正、额外增加校准电路、电容误差平均等。激光修正需要增加额外的工序，成本大大增加；自校准电路需要设计新的算法和实现电路，在设计难度、功耗和面积都带来巨大的压力；电容平均技术实际是牺牲速度来提高精度的。除上述方法，通过增加第一级的分辨率能够显著提高模数转换器系统的线性度，从而来提高模数转换器的精度。同时，第一级使用多位的结构，余数放大器的增益较高，降低了后级噪声的要求，在一定的程度上也有利于系统整体功耗的优化。第一级位数的增加，本身要比1.5位/级消耗的功耗多，但是系统整体的级数同样下降了。如何合理的分配每级的位数显得尤为重要。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种流水线模数转换器的第一级电路结构，该电路实现第一级精度为4位的结构，优化了量化范围，减小比较器的设计难度。在保证性能的同时，一定程度上降低其功耗，并能够很好的和后级电路相结合形成完整的高速高精度流水线模数转换器。

为了解决上述技术问题，本发明一种流水线模数转换器的第一级电路结构，包括4位全并行模数转换器（FLASH ADC）、编码电路和余数增益数模转换器（MDAC）组件，采用两相不交叠时钟，分为采样时钟和保持时钟，在采样相时完成对输入电压的采样，在保持相时完成对残余电压的放大；所述余数增益数模转换器（MDAC）组件由子数模转换器（DAC）、减法器和余数放大器构成；所述4位全并行模数转换器（FLASH ADC）采用16个比较器，将量化范围分割为17段，比较中心“0”电平偏移V_ref/16，以V_ref/8为单位步进的中间区域共15段，两端区域为V_ref/16；比较器输出16位的温度计编码，经过温度计编码器转换为4位的二进制输出码，编码从0000到1111；所述余数增益数模转换器（MDAC）组件的采样状态与所述4位全并行模数转换器（FLASH ADC）的采样状态同时进行；所述余数放大器采用增益增强型的折叠共源共栅结构，余数放大器主运放的输入端为P型输入对管，输入为全差分结构；余数放大器主运放的输出端接离散型的开关电容共模反馈电路，所述共模反馈电路采用两相不交叠时钟；余数放大器辅助运放的输入为N输入对管或P输入对管，余数放大器辅助运放的输出电压接主运放的栅极，辅助运放的输出电容为主运放中与输出相接端口四个管子的栅源电容和寄生电容；

在采样状态时，所述4位全并行模数转换器（FLASH ADC）一端接输入电压VIN，另一端为分段电压，将输入电压VIN与量化电压进行比较，判断输入电压的范围，同时产生16位的温度计编码，温度计编码经过温度计编码器转换为4位的二进制输出码，同时，温度计编码器作为子数模转换器（DAC）开关的控制开关，温度计编码作为子数模转换器（DAC）的输出电压控制信号；余数增益数模转换器（MDAC）的采样状态和全并行模数转换器（FLASH ADC）的采样状态同时进行，当余数增益数模转换器（MDAC）工作在采样状态时，采样电容阵列电容的下极板接模拟输入电压VIN，采样电容阵列电容上级板接共模电压VCM，对输入电压进行采样；此时，余数放大器相当于悬空状态；

在保持状态时，采样电容阵列电容的下极板接子数模转换器（DAC）的输出电压，子数模转换器（DAC）根据温度计编码的控制输出不同电压±Vref到采样电容阵列；采样电容阵列电容上级板接余数放大器的输入端，根据两次电荷守恒，完成与输入电压的减法，反馈电容跨接在余数放大器的输入和输出，将残余电压放大8倍后给后级电路使用。