[发明专利]一种能够提升增益的高线性度动态残差放大器电路

说明书

一种能够提升增益的高线性度动态残差放大器电路，利用残差放大器主体模块结合增益提升模块实现共模稳定的放大信号，增益提升模块引入共栅管，复位时使残差放大器输出端以及共栅管源端充电到电源电压，共栅管衬底端复位到地；在放大期间，输入对作为跨导级产生与输入相关的放电电流并对共栅管源端电容放电，另外本发明还优选使用衬底电位偏压模块，在放电过程中通过电容使共栅管的衬底跟随源端电压变化，维持源衬电压，利用衬偏效应提高阈值电压；由于两条支路电流大小不同，电容放电速度不同，共栅管开启时刻不同，当共栅管开启后，开始对输出端放电，产生放大信号。本发明在提升电路整体增益的同时还具有高线性度的特性。

技术领域

本发明属于模拟集成电路设计领域，涉及一种能够提升增益的高线性度动态残差放大器电路。

背景技术

随着通信技术的发展和信息处理技术的进步，整机系统对作为模拟和数字接口的模数转换器在速度和精度上的要求越来越高。为了适应工艺的演进，提出了新的转换器结构的流水线逐次逼近型模数转换器(Pipelined SAR ADC)，结合数字化程度较高的逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)和多级流水工作的流水线型模数转换器(Pipeline ADC)的特性，这种新型混合型ADC(即流水线逐次逼近型模数转换器)可以在较低的功耗下实现高速高精度的性能。由于新型混合型ADC内部采用的单级ADC的精度较高，所以需要高速、高增益和高线性度的残差放大器产生中间级放大残差信号给下一级的ADC进行量化。然而随着工艺尺寸和电源电压的下降，器件的二阶效应变得更加明显，动态范围下降，这使得传统的基于运放的闭环残差放大器的设计难度越来越大，同时功耗的效用率也越来越低，动态残差放大器的研究成为热点课题。为了减小后一级ADC设计难度，基于共模检测的残差放大器电路成为主流的动态残差放大器。

目前常见的基于共模检测的动态残差放大器电路如附图1所示，其中NMOS管M1和M2作为放大器的输入对管，产生与输入相关的电流；PMOS管MP5和MP6作为复位管，在复位相将输出端电压充电至电源电压。共模电压检测模块用于检测输出端的共模电平，当输出端的共模电压达到检测点时产生控制信号关断输出端的开关和放电通路，实现动态放大的功能，其工作过程如附图2所示。正常工作条件下，在一个时钟周期内，图1所示的基于共模检测的动态残差放大器电路的工作过程可分为如下三个阶段：

复位阶段：当时钟信号CLK为低电平，尾管M4处于关断状态，共模电压检测模块输出信号控制尾管M3以及输出端开关为开启状态。输出点V_OUTN、V_OUTP、V₁以及V₂由复位管MP5和MP6复位到电源电压。

放大阶段：当时钟信号CLK变为高，尾管M4开启，由于输入对管M1和M2在差分信号下产生的电流差别，输出负载放电速度不同，在输出端产生电压差，从而产生放大信号。

保持阶段：当共模电压检测模块检测到输出端的共模电压达到阈值电压时产生截止信号，断开输出端开关以及尾管M3，由于放电通路被切断，输出端电位处于保持状态直到时钟信号CLK低电平来临触发电路的复位。

结合以上三个阶段该残差放大器实现了稳定的输出共模电平。

根据上述工作过程的描述，得到该残差放大器的增益A_V为：

其中V_DD为电源电压，V_com为共模检测阈值电压，V_cm为输入对管的输入共模电压，V_th为输入对管阈值电压。

如果输入对管工作在饱和区：

其中g_m为输入对管的跨导，I_D为共模电压控制输入对管产生的共模电流。