專利名稱：一種高性能低功耗流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高性能、低功耗流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
高性能、低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)是當(dāng)今混合信號(hào)系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)中的總體發(fā)展趨 勢(shì)，它在數(shù)據(jù)通信、SOC系統(tǒng)、移動(dòng)通訊以及基站等方面有著廣泛的應(yīng)用。流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器在速度、精度、功耗等方面具有很好的平衡，并可以工作在低 電源電壓下，因此憑借其在性能和功耗方面的綜合優(yōu)勢(shì)成為高性能、低功耗設(shè)計(jì)的首要選 擇。流水線結(jié)構(gòu)的基本思想是把總體的轉(zhuǎn)換精度要求平均分配到每一級(jí)，再將每級(jí)輸 出合并成為最終的轉(zhuǎn)換結(jié)果。圖1是一個(gè)傳統(tǒng)每級(jí)2. 5位的流水線結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu) 示意圖，第一級(jí)為采樣保持電路，其后為結(jié)構(gòu)和功能都基本相同的n-1級(jí)流水線模塊，最后 一級(jí)為全并行子模數(shù)轉(zhuǎn)換器。每一級(jí)流水線都將前一級(jí)的輸出作為本級(jí)子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸 入，并同時(shí)量化出3位的數(shù)字信號(hào)。每級(jí)量化的數(shù)字信號(hào)一方面作為本級(jí)的輸出，另一方面 作為本級(jí)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的輸入，使得DAC的輸出產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于這3位數(shù)字信號(hào)的模擬信 號(hào)，然后從本級(jí)的輸入信號(hào)中減去DAC的輸出信號(hào)，再乘以4倍因子作為本級(jí)輸出，也即下 一級(jí)的輸入。每級(jí)的傳輸曲線有六個(gè)量化閾值電壓，分別為正負(fù)參考電壓的1/8、3/8、5/8 倍(士VR/8、士3VR/8、士5VR/8)，通過六個(gè)比較器產(chǎn)生3位的數(shù)字輸出，系統(tǒng)每級(jí)的余量轉(zhuǎn) 移曲線如圖2所示。3位輸出數(shù)據(jù)中有1位冗余，這1位冗余數(shù)字輸出用于校正比較器的輸 入失調(diào)，提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度。傳統(tǒng)的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，采樣保持電路和若干個(gè)余量增益流水線級(jí)都需要一 個(gè)運(yùn)算放大器，它們占據(jù)了整個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要功耗。為了減少功耗，可以省去采樣保持 前端電路。然而，直接消去采樣保持前端引入了孔徑誤差，這一誤差隨著輸入信號(hào)頻率提高 而顯著增大，從而影響模數(shù)轉(zhuǎn)換器的高頻性能，限制了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的帶寬。另一方面，可以 在流水線級(jí)間共享運(yùn)算放大器，通過減少運(yùn)算放大器的數(shù)量降低功耗。然而，共享運(yùn)算放大 器會(huì)引入記憶效應(yīng)，影響轉(zhuǎn)換精度。同時(shí)，流水線級(jí)間不同的建立精度要求和功耗要求不利 于模數(shù)轉(zhuǎn)換器性能和功耗的最優(yōu)化，增加了設(shè)計(jì)的難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高性能、低功耗的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在保證模數(shù)轉(zhuǎn) 換器高性能的同時(shí)，大幅降低現(xiàn)有高速、高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器的功耗。本發(fā)明設(shè)計(jì)的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由整合型前端1，第二級(jí)、第三級(jí)、第四級(jí)、第五 級(jí)流水線2、3、4、5，最后一級(jí)2位并行子模數(shù)轉(zhuǎn)換器6，以及數(shù)字校正和時(shí)鐘對(duì)齊電路7構(gòu) 成，其結(jié)構(gòu)見圖3所示。第一級(jí)整合型前端1與后面的第二級(jí)、第三級(jí)、第四級(jí)、第五級(jí)流水 線2、3、4、5，最后一級(jí)2位并行子模數(shù)轉(zhuǎn)換器6，依次相連，每一級(jí)得到的數(shù)字輸出經(jīng)過時(shí)鐘 對(duì)齊以及數(shù)字校正電路，得到實(shí)際結(jié)果；整合型前端包含一個(gè)運(yùn)算放大器；其后每兩級(jí)流水線共用一個(gè)功率可變運(yùn)算放大器，即第二級(jí)流水線2和第三級(jí)流水線3共用功率可變運(yùn) 算放大器8，第四級(jí)流水線4和第五級(jí)流水線5共用功率可變運(yùn)算放大器9。整合型前端將 輸入信號(hào)采樣保持并產(chǎn)生3位輸出，第二級(jí)流水線和第三級(jí)流水線總共產(chǎn)生5位數(shù)字輸出， 第四級(jí)流水線和第五級(jí)流水線總共產(chǎn)生5位數(shù)字輸出，最后一級(jí)全并行子模數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生 2位數(shù)字輸出，所有的數(shù)字輸出經(jīng)過時(shí)鐘對(duì)齊及數(shù)字校正電路8處理后產(chǎn)生12位有效的數(shù) 字輸出。本發(fā)明設(shè)計(jì)的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器在雙相非交疊時(shí)鐘下工作。第一級(jí)整合型前端在 時(shí)鐘的兩個(gè)相位分別具有采樣保持功能和第一級(jí)流水線余量增益功能，在節(jié)省大量功耗的 同時(shí)避免了孔徑誤差問題，提高了轉(zhuǎn)換精度和輸入帶寬。其后每兩級(jí)流水線共用一個(gè)功率 可變運(yùn)算放大器，其功耗、增益、帶寬特性隨兩級(jí)流水線間不同的建立精度要求進(jìn)行切換， 從而最大限度地節(jié)省了功耗。在前半時(shí)鐘周期內(nèi)，第一級(jí)整合型前端對(duì)輸入信號(hào)采樣，同時(shí) 對(duì)前一周期的模擬輸入進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和余量增益；第二級(jí)流水線中的子模數(shù)轉(zhuǎn)換器和余量 增益電路對(duì)于整合型前端產(chǎn)生的余量電壓進(jìn)行采樣，并輸出三位數(shù)字結(jié)果；功率可變運(yùn)算 放大器則工作在第三級(jí)流水線作為余量增益電路，處于低功耗工作狀態(tài)，產(chǎn)生待后級(jí)轉(zhuǎn)換 的模擬電壓；后半周期時(shí)鐘內(nèi)，第一級(jí)整合型前端對(duì)輸入端的采樣信號(hào)進(jìn)行保持，并產(chǎn)生三 位數(shù)字輸出；功率可變運(yùn)算放大器切換到第二級(jí)流水線作為余量增益電路，處于一般工作 狀態(tài)，對(duì)余量電壓信號(hào)進(jìn)行放大并保持，提供給第三級(jí)流水線在下一周期處理。第四級(jí)、第 五級(jí)流水線工作原理與第二級(jí)、第三級(jí)流水線相同。


圖1傳統(tǒng)流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖。圖2流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換曲線(2. 5位每級(jí))示意圖。圖3本發(fā)明中的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)框圖。圖4本發(fā)明中的整合型前端電路框圖。圖5本發(fā)明中電路的工作時(shí)序圖。圖6本發(fā)明中功率可變運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)框圖。圖7本發(fā)明中第二、三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)框圖。圖中標(biāo)號(hào)1為整合型前端，2飛為第二至第五級(jí)子流水線，6為2位全并行子模數(shù) 轉(zhuǎn)換器，7為時(shí)鐘對(duì)齊及數(shù)字校正電路，8、為功率可變運(yùn)算放大器，1(Γ31為整合型前端 中的模塊，其中IiTll為選擇開關(guān)，12為子模數(shù)轉(zhuǎn)換器，13為運(yùn)算放大器，1Γ15為采樣保 持網(wǎng)絡(luò)的采樣電容，16^17為采樣保持網(wǎng)絡(luò)的反饋開關(guān)，If 19為采樣保持網(wǎng)絡(luò)的柵壓自舉 開關(guān)，其中2(Γ21為余量增益網(wǎng)絡(luò)的反饋開關(guān)，22^23為余量增益網(wǎng)絡(luò)的反饋電容，2Γ29為 余量增益網(wǎng)絡(luò)的采樣電容，3(Γ31為余量增益網(wǎng)絡(luò)的柵壓自舉開關(guān)，32為功率可變放大器 核心電路，33為電流調(diào)制電路模塊，34為增益、帶寬調(diào)制電路模塊。35 36為第二級(jí)流水線 開關(guān)，37 38為第三級(jí)流水線開關(guān)，39為第二級(jí)余量增益電路，40為第三級(jí)余量增益電路， 41為第二級(jí)流水線子模數(shù)轉(zhuǎn)換器，42為第三級(jí)流水線子模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由整合型前端1，第二級(jí)、第三級(jí)、第四級(jí)、第五 級(jí)流水線2、3、4、5，最后一級(jí)2位并行子模數(shù)轉(zhuǎn)換器6，以及數(shù)字校正和時(shí)鐘對(duì)齊電路7構(gòu) 成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。原始模擬輸入電壓被整合型前端采樣保持并轉(zhuǎn)換產(chǎn)生3位數(shù) 字輸出和余量電壓，余量電壓按照流水線順序向后級(jí)傳遞，第二、三、四、五級(jí)流水線各產(chǎn)生 3位數(shù)字輸出，最后一級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)的兩位全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生2位輸出；前面各級(jí)流水線 產(chǎn)生的3位輸出中，有一位是冗余量，用以進(jìn)行數(shù)字校正。產(chǎn)生的17位數(shù)據(jù)通過數(shù)字校正 電路得到最終的12位轉(zhuǎn)換結(jié)果。整體電路工作在雙相非交疊時(shí)鐘下，時(shí)鐘發(fā)生電路產(chǎn)生穩(wěn)定、準(zhǔn)確的時(shí)序保證運(yùn) 算放大器的切換等精細(xì)操作。電路的工作時(shí)序如圖5所示，整合型前端采樣量化、功率可變 運(yùn)算放大器狀態(tài)切換，流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換，都在此時(shí)序下進(jìn)行。CKl為偶數(shù)級(jí)流水線保持時(shí)鐘， CK2為奇數(shù)級(jí)流水線保持時(shí)鐘，CKlP為消除開關(guān)電荷注入影響而比CKl提早關(guān)斷的時(shí)鐘， CK2P為消除開關(guān)電荷注入影響而比CK2提早關(guān)斷的時(shí)鐘。第一級(jí)整合型前端如圖4所示。模擬輸入通過柵壓自舉開關(guān)If 19至采樣電容 1Γ15。運(yùn)算放大器13經(jīng)選擇開關(guān)10分別連接到采樣保持網(wǎng)絡(luò)的采樣電容1Γ15以及余量 增益網(wǎng)絡(luò)電容22 29 ；同時(shí)，運(yùn)算放大器13通過選擇開關(guān)11分別連接到采樣保持網(wǎng)絡(luò)的反 饋開關(guān)16 17，余量增益網(wǎng)絡(luò)的反饋開關(guān)2(Γ21以及余量增益網(wǎng)絡(luò)的柵壓自舉開關(guān)3(Γ31。 當(dāng)CK2為高電平時(shí)，模擬輸入通過采樣保持網(wǎng)絡(luò)中柵壓自舉開關(guān)If 19，采樣到電容1^15 上。同時(shí)，運(yùn)算放大器通過選擇開關(guān)10和選擇開關(guān)11連接至余量增益網(wǎng)絡(luò)，反饋開關(guān)2(Γ21 導(dǎo)通，使運(yùn)算放大器產(chǎn)生余量增益輸出。當(dāng)CKl為高電平時(shí)，運(yùn)算放大器通過選擇開關(guān)10和 選擇開關(guān)11連接至采樣保持網(wǎng)絡(luò)，反饋開關(guān)16 17導(dǎo)通，使運(yùn)算放大器保持采樣到的信號(hào)， 并且通過柵壓自舉開關(guān)3(Γ31將信號(hào)傳遞到余量增益網(wǎng)絡(luò)電容22 27。由于整合型前端具 有采樣保持功能和第一級(jí)流水線余量增益功能，因此在節(jié)省大量功耗的同時(shí)，避免了孔徑 誤差問題，提高了轉(zhuǎn)換精度和輸入帶寬。功率可變運(yùn)算放大器如圖6所示，由核心運(yùn)算放大電路32，電流調(diào)制電路33，增 益、帶寬調(diào)制電路34組成。當(dāng)CK2為高電平時(shí)，功率可變運(yùn)算放大器切換到奇數(shù)級(jí)流水線， 由于奇數(shù)級(jí)流水線建立精度要求較低，電流調(diào)制電路使運(yùn)放進(jìn)入低功耗工作狀態(tài)，增益、帶 寬調(diào)制電路適當(dāng)降低運(yùn)放增益、帶寬。當(dāng)CKl為高電平時(shí)，功率可變功耗放大器切換到偶數(shù) 級(jí)流水線，由于偶數(shù)級(jí)流水線建立精度要求較高，電流調(diào)制電路使其進(jìn)入一般工作狀態(tài)，增 益、帶寬維持核心運(yùn)算放大電路原有性能指標(biāo)。這一結(jié)構(gòu)不僅有效減少了運(yùn)算放大器的數(shù) 量，同時(shí)，根據(jù)流水線級(jí)間不同的建立精度要求進(jìn)一步地降低了功耗，從而最大限度地降低 了流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的功耗。第二、三級(jí)流水線整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。功率可變運(yùn)算放大器8通過開關(guān)35 36 連接到第二級(jí)流水線余量增益電路39，通過開關(guān)37 38連接到第三級(jí)余量增益電路40。電 路工作如下CK1為高時(shí)，開關(guān)35 36導(dǎo)通，功率可變運(yùn)算放大器8切換到第二級(jí)流水線，第 二級(jí)流水線余量增益電路39求得余量電壓并放大4倍，放大后的電壓被第三級(jí)流水線的余 量增益電路40所采樣，子模數(shù)轉(zhuǎn)換器42將該電壓轉(zhuǎn)換成3位數(shù)字結(jié)果并產(chǎn)生3位數(shù)字輸 出；CK2為高時(shí)，選擇開關(guān)37 38導(dǎo)通，功率可變運(yùn)算放大器切換到第三級(jí)流水線，第三級(jí)流 水線余量增益電路40求得余量并放大4倍，放大后的電壓送至第四級(jí)流水線處理。
權(quán)利要求
一種高性能、低功耗流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于由整合型前端(1)，第二、三、四、五級(jí)流水線(2、3、4、5)，一級(jí)2位全并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器(6)，時(shí)鐘對(duì)齊和數(shù)字校正電路(7)，2個(gè)功率可變運(yùn)算放大器(8、9)構(gòu)成；第一級(jí)整合型前端(1)與第二級(jí)、第三級(jí)、第四級(jí)、第五級(jí)流水線(2、3、4、5)，最后一級(jí)2位并行子模數(shù)轉(zhuǎn)換器(6)，依次相連，每一級(jí)得到的數(shù)字輸出經(jīng)過時(shí)鐘對(duì)齊以及數(shù)字校正電路，得到實(shí)際結(jié)果；其中所述整合型前端(1)包含一個(gè)運(yùn)算放大器，其后每兩級(jí)流水線共用一個(gè)功率可變運(yùn)算放大器，即第二級(jí)流水線(2)和第三級(jí)流水線(3)共用第一功率可變運(yùn)算放大器(8)，第四級(jí)流水線(4)和第五級(jí)流水線(5)共用第二功率可變運(yùn)算放大器(9)；整合型前端(1)將輸入信號(hào)采樣保持并產(chǎn)生3位輸出，第二級(jí)流水線(2)和第三級(jí)流水線(3)總共產(chǎn)生5位數(shù)字輸出，第四級(jí)流水線(4)和第五級(jí)流水線(5)總共產(chǎn)生5位數(shù)字輸出，最后一級(jí)全并行子模數(shù)轉(zhuǎn)換器(6)產(chǎn)生2位數(shù)字輸出，所有的數(shù)字輸出經(jīng)過時(shí)鐘對(duì)齊及數(shù)字校正電路(7)處理后產(chǎn)生12位有效的數(shù)字輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述整合型前端(1)，在時(shí)鐘的兩個(gè) 相位分別具有采樣保持功能和第一級(jí)流水線余量增益功能；當(dāng)CK2為高電平時(shí)，模擬輸入通過采樣保持網(wǎng)絡(luò)中第一和第二柵壓自舉開關(guān) (1纊19)，采樣到第一和第二采樣電容(1壙15)上；同時(shí)，運(yùn)算放大器通過第一選擇開關(guān) (10)和第二選擇開關(guān)(11)連接至余量增益網(wǎng)絡(luò)，第一和第二反饋開關(guān)(2(Γ21)導(dǎo)通，使運(yùn) 算放大器產(chǎn)生余量增益輸出；當(dāng)CKl為高電平時(shí)，運(yùn)算放大器通過第一選擇開關(guān)(10)和第二選擇開關(guān)(11)連接至 采樣保持網(wǎng)絡(luò)，第三和第四反饋開關(guān)(16 17)導(dǎo)通，使運(yùn)算放大器保持采樣到的信號(hào)，并且 通過第三、第四柵壓自舉開關(guān)(3(Γ31)將信號(hào)傳遞到余量增益網(wǎng)絡(luò)電容(22 29)；CKl為偶數(shù)級(jí)流水線保持時(shí)鐘，CK2為奇數(shù)級(jí)流水線保持時(shí)鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述第一、第二功率可變運(yùn)算放大 器(8、9)，由核心運(yùn)算放大電路(32)，電流調(diào)制電路(33)，增益、帶寬調(diào)制電路(34)組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述每兩級(jí)流水線共用一個(gè)功率可 變運(yùn)算放大器，其功耗、增益、帶寬特性隨兩級(jí)流水線間不同的建立精度要求進(jìn)行切換當(dāng)CK2為高電平時(shí)，功率可變運(yùn)算放大器切換到奇數(shù)級(jí)流水線，電流調(diào)制電路使運(yùn)放 進(jìn)入低功耗工作狀態(tài)，增益、帶寬調(diào)制電路適當(dāng)降低運(yùn)放增益、帶寬；當(dāng)CKl為高電平時(shí)，功率可變功耗放大器切換到偶數(shù)級(jí)流水線，電流調(diào)制電路使其進(jìn) 入一般工作狀態(tài)，增益、帶寬維持核心運(yùn)算放大電路原有性能。
全文摘要
本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種高性能低功耗流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該模數(shù)轉(zhuǎn)換器由整合型前端，第二級(jí)、第三級(jí)、第四級(jí)、第五級(jí)流水線，一級(jí)并行子模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以及時(shí)鐘對(duì)齊和數(shù)字校正電路構(gòu)成。整合型前端與第二級(jí)、第三級(jí)、第四級(jí)、第五級(jí)流水線及并行子模數(shù)轉(zhuǎn)換器依次相連，每一級(jí)得到的數(shù)字輸出經(jīng)過時(shí)鐘對(duì)齊以及數(shù)字校正電路，共產(chǎn)生12位量化輸出。本發(fā)明能夠在保證模數(shù)轉(zhuǎn)換器高性能的同時(shí)，大幅降低現(xiàn)有高速、高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器的功耗。
文檔編號(hào)H03M1/12GK101980446SQ20101055867
公開日2011年2月23日 申請(qǐng)日期2010年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月25日
發(fā)明者任俊彥, 葉凡, 李寧, 王振宇, 王明碩, 許俊, 陳遲曉, 顧蔚如 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)