專利名稱：開關電容器流水線級的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于具有流水線架構的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的開關電容器電路，更具體地，涉及允許基準和范圍縮放(scaling)的電路設計
背景技術：
用于實現(xiàn)ADC功能的一般架構是流水線架構[1]。在

圖1中示出了典型流水線ADC 的構建模塊。第一模塊100是可選專用采樣和保持(SH)電路，該電路對輸入信號Vin進行采樣，并且對信號進行緩沖以驅(qū)動后續(xù)級?？蛇x前端SH 100之后的每個流水線級11(V·· IlOlri，IlOk分解多個比特。每個流水線級IlOi包括SH 120，以對來自先前級的輸入進行采樣。ADC 130對保持的采樣進行量化，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) 140將所獲得的數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換回到模擬域。加法器150將所獲得的模擬信號從保持的采樣中減去，并且所獲得的信號被傳遞至放大器160。減法點150之后獲得的剩余信號由放大器160進行放大，并且被饋送到下一級。每個流水線級IlOi內(nèi)所包含的功能可以利用開關電容器電路來實現(xiàn)。在最后一級Iiok中，僅需要量化前一級IKV1的剩余。因此該功能僅利用ADC來實現(xiàn)。在數(shù)字域中組合來自所有級的輸出比特，以形成流水線ADC的最終輸出字。在圖加中示出了流水線級電路110的開關電容器實現(xiàn)方式的基本架構。時鐘信號ΦΙ、Φ 2用于控制流水線級電路110的操作。如圖2b所示，時鐘信號是非交疊信號，即當Φ1高時，Φ2為低，反之亦然。可以使用時鐘信號Φ 1的略微提前的版本，在圖加和2b 中被示為時鐘信號Φ1θ。兩個時鐘信號Φ1和Φ Ie至少在為高時是與時鐘信號Φ2非交疊的。在Φ1和為高的時間段期間，采樣電容器Cs上的電壓跟蹤輸入信號Vin，并且反饋電容器&放電。在(略微在Φ 1之前的)Φ Ie的下降沿上，對采樣電容器Cs上的瞬時電壓進行采樣，并且ADC 130被選通以量化輸入。時鐘信號Φ 1的提前版本Φ Ie確保了關鍵采樣時刻由受Φ Ie控制的底板開關來確定。該采樣方法一般被稱作底板采樣。DAC 140輸出對ADC 130的量化結(jié)果加以表示的模擬信號。在Φ2為高的時間段期間，op-amp(運算放大器)210的反相輸入處保持虛地，假定運算放大器210具有足夠的開環(huán)增益，以及采樣電容器Cs被充電到DAC輸出電壓。從而，將電荷量傳送至反饋電容器Cf。該電荷量1等于Qtl-A。電量％由CsVdac給出，電量A由CsVin(ts)給出。剩余輸出電壓V。ut由以下等式給出
權利要求
1.一種設計電路的方法，該電路用于流水線ADC的N比特級，所述N比特級具有L = 2n 個電平，所述電路包括運算放大器；第一反饋電容器，第一反饋電容器的第一極板連接至運算放大器的輸入，第一反饋電容器的第二極板可切換地按照第一時鐘信號連接至第一輸入電壓，而按照第二時鐘信號連接至運算放大器的輸出；第二反饋電容器，第二反饋電容器的第一極板連接至運算放大器的輸入，第二反饋電容器的第二極板可切換地按照第一時鐘信號連接至放電連接，而按照第二時鐘信號連接至運算放大器的輸出；以及數(shù)目為K的多個采樣電容器，每個采樣電容器的第一極板連接至運算放大器的輸入， 每個采樣電容器的第二極板可切換地按照第一時鐘信號連接至第二輸入電壓，而按照第二時鐘信號根據(jù)模擬輸入信號的量化值連接至正和負基準電壓之一，所述方法包括以下步驟對于給定的基準縮放因子H，根據(jù)以下關系式確定數(shù)目為K的多個采樣電容器的總電容值C；和第一反饋電容器的電容值Cfl HTCfl =Cr(Y-I);以及對于給定的級增益G，根據(jù)以下關系式確定第二反饋電容器的電容值Cf2: C -C^fl ~ QIfl O
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，第一輸入電壓信號與第二輸入電壓信號幅度相等且符號相同。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，第一輸入電壓信號與第二輸入電壓信號幅度相等但符號相反。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，K= L-2。
5.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，包括根據(jù)設計來制造電路的步驟。
6.一種用于N比特流水線ADC的級的電路，所述電路具有根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的設計。
7.一種用于流水線ADC的N比特級的電路，所述N比特級具有L = 2N個電平，所述電路包括運算放大器；第一反饋電容器，第一反饋電容器的第一極板連接至運算放大器的輸入，第一反饋電容器的第二極板可切換地按照第一時鐘信號連接至第一輸入電壓，而按照第二時鐘信號連接至運算放大器的輸出；第二反饋電容器，第二反饋電容器的第一極板連接至運算放大器的輸入，第二反饋電容器的第二極板可切換地按照第一時鐘信號連接至放電連接，而按照第二時鐘信號連接至運算放大器的輸出；以及數(shù)目為K的多個采樣電容器，每個采樣電容器的第一極板連接至運算放大器的輸入， 每個采樣電容器的第二極板可切換地按照第一時鐘信號連接至第二輸入電壓，而按照第二時鐘信號根據(jù)模擬輸入信號的量化值連接至正和負基準電壓之一，其中，第二輸入電壓與第一輸入電壓幅度相等但符號相反。
8.根據(jù)權利要求7所述的電路，其中，數(shù)目為K的多個采樣電容器的總電容值C；與第一反饋電容器的電容值Cfl有以下關系Cfl=Cr(^-I);其中，H是電路的基準縮放因子，并且第二反饋電容器的電容值Cf2與第一反饋電容器的電容值和數(shù)目為K的多個采樣電容器的總電容值有以下關系C -CC - r f2 Γ^n — G^fi其中，G是電路的級增益。
9.根據(jù)權利要求7或8所述的電路，其中，K= L-2。
10.一種設計電路的方法，該電路用于具有L = 2Ν個電平的N比特流水線ADC級，所述電路包括運算放大器；反饋電容器，反饋電容器的第一極板連接至運算放大器的輸入，反饋電容器的第二極板可切換地按照第一時鐘信號連接至輸入電壓，而按照第二時鐘信號連接至運算放大器的輸出；由K個采樣電容器組成的第一采樣電容器組，第一采樣電容器組具有總電容值。，第一采樣電容器組中每個采樣電容器的第一極板連接至運算放大器的輸入，第一采樣電容器組中每個采樣電容器的第二極板可切換地按照第一時鐘信號連接至輸入電壓，而按照第二時鐘信號根據(jù)輸入模擬信號的量化值連接至正和負基準電壓之一；由K個采樣電容器組成的第二采樣電容器組，第二采樣電容器組具有總電容值(；2，第二采樣電容器組中每個采樣電容器的第一極板連接至運算放大器的輸入，第二采樣電容器組中每個采樣電容器的第二極板可切換地按照第一時鐘信號連接至放電連接，而按照第二時鐘信號根據(jù)輸入模擬信號的量化值連接至正和負基準電壓之一，所述方法包括以下步驟對于給定的基準縮放因子H，根據(jù)以下關系式，確定第一采樣電容器組和第二采樣電容器組的總電容值cx = cri+c;2，和電路的分布式電容值Cs C = —C， r HL s其中，Cs = crl+cf ；以及對于給定的級增益G，根據(jù)以下關系式確定反饋電容器的電容值Cf:Cf =^Cs ° ‘G
11.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中，K= L-2。
12.根據(jù)權利要求10或11所述的方法，包括根據(jù)設計來制造電路的步驟。
13.一種用于流水線ADC的N比特級的電路，所述電路具有根據(jù)權利要求10至12中任一項所述的設計。
14.一種用于流水線ADC的N比特級的電路，所述N比特級具有具有L = 2N個電平，所述電路包括 運算放大器；第一反饋電容器，第一反饋電容器的第一極板連接至運算放大器的非反相輸入，第一反饋電容器的第二極板可切換地按照第一時鐘信號連接至第一輸入電壓，而按照第二時鐘信號連接至運算放大器的反相輸出；第二反饋電容器，第二反饋電容器的第一極板連接至運算放大器的非反相輸入，第二反饋電容器的第二極板可切換地按照第一時鐘信號連接至放電連接，而按照第二時鐘信號連接至運算放大器的反相輸出；由K個采樣電容器組成的第一采樣電容器組，第一采樣電容器組中每個采樣電容器的第一極板連接至運算放大器的非反相輸入，第一采樣電容器組中每個采樣電容器的第二極板可切換地按照第一時鐘信號連接至第二輸入電壓，而按照第二時鐘信號根據(jù)模擬輸入信號的量化值連接至正和負基準電壓之一；第三反饋電容器，第三反饋電容器的第一極板連接至運算放大器的反相輸入，第三反饋電容器的第二極板可切換地按照第一時鐘信號連接至第二輸入電壓，而按照第二時鐘信號連接至運算放大器的非反相輸出；第四反饋電容器，第四反饋電容器的第一極板連接至運算放大器的反相輸入，第四反饋電容器的第二極板可切換地按照第一時鐘信號連接至放電連接，而按照第二時鐘信號連接至運算放大器的非反相輸出；由K個采樣電容器組成的第二采樣電容器組，第二采樣電容器組中每個采樣電容器的第一極板連接至運算放大器的反相輸入，第二采樣電容器組中每個采樣電容器的第二極板可切換地按照第一時鐘信號連接至第一輸入電壓，而按照第二時鐘信號根據(jù)模擬輸入信號的量化值連接至正和負基準電壓之一，其中，第二輸入電壓與第一輸入電壓幅度相等但符號相反。
全文摘要
一種用于具有L＝2N個電平的流水線ADC的N比特級(110i)的電路，所述電路包括運算放大器(420)；第一反饋電容器(Cf1)，第一反饋電容器的第一極板連接至運算放大器的輸入，第一反饋電容器的第二極板可切換地按照第一時鐘信號(φ1)連接至第一輸入電壓(±Vm)，而按照第二時鐘信號(φ2)連接至運算放大器的輸出；第二反饋電容器(Cf2)，第二反饋電容器的第一極板連接至運算放大器的輸入，第二反饋電容器的第二極板可切換地按照第一時鐘信號連接至放電連接，而按照第二時鐘信號(φ2)連接至運算放大器的輸出；以及數(shù)目為K的多個采樣電容器(Cu)，每個采樣電容器的第一極板按照第一時鐘信號連接至運算放大器的輸入，每個采樣電容器的第二極板可切換地按照第一時鐘信號連接至第二輸入電壓(Vin)，而按照第二時鐘信號根據(jù)模擬輸入信號(Vin)的量化值連接至正和負基準電壓(+Vref、-Vref)之一。
文檔編號H03M1/06GK102177658SQ200980140543
公開日2011年9月7日 申請日期2009年10月5日 優(yōu)先權日2008年10月13日
發(fā)明者漢斯·文德衛(wèi)爾, 貝里·安東尼·約翰內(nèi)斯·巴特 申請人:Nxp股份有限公司