專利名稱：一種適用于自動(dòng)增益控制環(huán)路的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于模擬與混合信號(hào)集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于自動(dòng)增益控制環(huán)路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體器件(互補(bǔ)金屬氧化物等)工藝尺寸的不斷縮小，逐次逼近型 (SAR)模數(shù)轉(zhuǎn)換器在許多應(yīng)用場(chǎng)合中發(fā)揮了作用，成為十分流行的結(jié)構(gòu)。其中一個(gè)重要的原因是，在逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電路中，不需要用到依靠高電源電壓來(lái)保證工作性能的運(yùn)算放大器，因此不會(huì)受到工藝尺寸縮小帶來(lái)的影響。同時(shí)，由于工作時(shí)沒(méi)有靜態(tài)功耗，只有來(lái)自數(shù)字電路、開(kāi)關(guān)以及電容充放電的動(dòng)態(tài)功耗，逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器具備了獨(dú)一無(wú)二的低功耗特性，使得這一結(jié)構(gòu)十分具有吸引力。目前的研究大致上是從模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速度和精度上去提升逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能，有的應(yīng)用在超寬帶(UWB)領(lǐng)域，有的應(yīng)用在無(wú)線通信接收機(jī)中，還有的應(yīng)用在無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)或生物醫(yī)療等低功耗場(chǎng)合?；谧詣?dòng)增益控制環(huán)路的應(yīng)用場(chǎng)合，本發(fā)明提出了一種代價(jià)較小的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、代價(jià)較小的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)， 應(yīng)用在自動(dòng)增益控制環(huán)路的場(chǎng)合。根據(jù)自動(dòng)增益控制環(huán)路的特性及其對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)的要求，本發(fā)明提出的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由采樣保持模塊、電容陣列模塊、開(kāi)關(guān)陣列模塊、比較器模塊和數(shù)字控制模塊構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，輸入輸出信號(hào)的說(shuō)明如表1所示。其中
采樣保持模塊，用于對(duì)輸入信號(hào)的采樣，然后進(jìn)行零階保持。具體電路如圖2所示。電容陣列模塊，用于完成電荷再分配功能。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。開(kāi)關(guān)陣列模塊，配合電容陣列一起完成數(shù)模轉(zhuǎn)換器的功能。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。比較器模塊，用于判決輸入信號(hào)與參考電壓之間的大小關(guān)系。具體電路如圖5所
7J\ ο數(shù)字控制模塊，用于對(duì)模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的過(guò)程進(jìn)行時(shí)序控制。具體的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖6所示。本發(fā)明中，所述電容陣列的大小采用二進(jìn)制順序排列，每個(gè)電容陣列由多個(gè)單位電容構(gòu)成。本發(fā)明中，所述開(kāi)關(guān)陣列模塊中的開(kāi)關(guān)由互補(bǔ)的PMOS晶體管及NMOS晶體管構(gòu)成。本發(fā)明中，所述比較器的功能通過(guò)動(dòng)態(tài)時(shí)序完成。本發(fā)明中，所述數(shù)字控制模塊的時(shí)序控制功能利用順序執(zhí)行的狀態(tài)機(jī)完成，包含兩種工作模式連續(xù)采樣模式和單次采樣模式。
本發(fā)明能夠很好地滿足自動(dòng)增益控制環(huán)路對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求，以一套簡(jiǎn)單且代價(jià)小的硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的功能。


圖1為適用于自動(dòng)增益控制環(huán)路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖。圖2為采樣保持模塊電路圖。圖3為電容陣列模塊結(jié)構(gòu)圖。圖4為開(kāi)關(guān)陣列模塊結(jié)構(gòu)圖。圖5為比較器模塊電路圖。圖6為數(shù)字控制模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容，適用于自動(dòng)增益控制環(huán)路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的具體實(shí)施方式
如下 (1)參照?qǐng)D1，輸入信號(hào)首先經(jīng)過(guò)一個(gè)取樣保持電路模塊，保證轉(zhuǎn)換期間輸入電壓的
穩(wěn)定。后面跟著一個(gè)比較器，它通過(guò)逐次逼近的方法來(lái)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)的有效位。具體說(shuō)來(lái)， 就是比較器每一次的輸出結(jié)果送到逐次逼近寄存器及數(shù)字控制模塊，該模塊通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器給出下一個(gè)參考電平，與輸入信號(hào)進(jìn)行比較，通過(guò)循環(huán)往復(fù)的方法使這一參考電平不斷接近輸入信號(hào)的大小，最后在滿足精度要求的情況下完成模數(shù)轉(zhuǎn)換的功能。顯然，對(duì)于N位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，需要N次轉(zhuǎn)換過(guò)程，也就需要N個(gè)時(shí)鐘周期。(2)采樣保持模塊結(jié)構(gòu)參照?qǐng)D2所示，左邊的晶體管M1、M2和電容Cl、C2構(gòu)成了一個(gè)電荷泵，晶體管Ml和M2的柵源交叉連接，源級(jí)與電容Cl、C2的頂級(jí)板連接，漏端接電源電壓。輸入的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)分別通過(guò)兩個(gè)反相器接到電容Cl、C2的底級(jí)板。電容C3的上下極板分別接晶體管M13的源級(jí)和M12的漏極。右邊開(kāi)關(guān)管Mll的柵極通過(guò)兩個(gè)NMOS 管M7和MlO接成到地電位的通路。晶體管M5和M4接成反相器的形式，其輸出接到晶體管 M8的柵極，用來(lái)控制電荷泵輸出的電壓在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)傳到開(kāi)關(guān)管Ml 1的柵極。晶體管M9與 Mll串聯(lián)，在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)將輸入信號(hào)傳到電容C3的下極板。當(dāng)en信號(hào)為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管Mil的柵極電位通過(guò)晶體管M7和晶體管MlO放電到低電平，從而使開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，同時(shí)晶體管M8和晶體管M9斷開(kāi)，電容C3通過(guò)晶體管M3 和晶體管M12進(jìn)行充電。當(dāng)en信號(hào)為高電平時(shí)，晶體管M8導(dǎo)通，使開(kāi)關(guān)管Mll的柵極電位通過(guò)電容C3充電至高電平，晶體管M9和晶體管Mll同時(shí)導(dǎo)通。由于晶體管M9的存在， 開(kāi)關(guān)管Mll的柵極跟隨輸入信號(hào)變化，維持柵源之間的電壓差為Vdd。開(kāi)關(guān)管Mil的尺寸決定了其導(dǎo)通電阻的大小以及源級(jí)和漏級(jí)結(jié)電容的大小，其中導(dǎo)通電阻的大小受建立時(shí)間約束，而源漏結(jié)電容的大小會(huì)影響采樣信號(hào)的線性度。(3)電容陣列模塊的具體結(jié)構(gòu)參照?qǐng)D3所示。圖中數(shù)字相同的電容是并聯(lián)關(guān)系， 數(shù)字為“1”的電容是單位電容，“2” “512”的電容大小依次呈現(xiàn)二進(jìn)制的分布，如“2”是單位電容的2倍，“4”是單位電容的4倍…，“512”單位電容的512倍。標(biāo)號(hào)為“1”和“2” 的電容呈現(xiàn)中心對(duì)稱，標(biāo)號(hào)為“4”、“8”、“16”、“32”的電容在水平方向上呈現(xiàn)軸對(duì)稱分布， 標(biāo)號(hào)為“64”、“ 1 ”、“256”、“512”的電容在垂直方向上呈現(xiàn)軸對(duì)稱分布。另外，所以電容的頂級(jí)板接在一起，底極板則接到各自對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)上。
底極板的寄生電容不會(huì)影響電荷重分配的精度，由于存在著與底極板連接的MOS 開(kāi)關(guān)，這些寄生電容只被參考電壓充電或者對(duì)地進(jìn)行放電，因而不會(huì)參與上極板的電荷再分配。整個(gè)ADC的精度尤其是微分非線性(DNL)和積分非線性(INL)主要受電容陣列的失配影響。單位電容的取值越大，匹配性越好，同時(shí)κτ/c噪聲也會(huì)越小，但相應(yīng)地帶來(lái)功耗和面積的開(kāi)銷，也降低了轉(zhuǎn)換速度。在綜合考慮這些因素之后，單位電容的大小取為15fF， 對(duì)應(yīng)的電容陣列總大小為15pF。在電路的版圖布局上，為了提高匹配性，采用了共中心對(duì)稱的布局方式，其中數(shù)字相同的一組單位電容加在一起組成一個(gè)需要的二進(jìn)制電容。(4)開(kāi)關(guān)陣列模塊結(jié)構(gòu)參照?qǐng)D4所示。每個(gè)開(kāi)關(guān)均采用CMOS互補(bǔ)傳輸門(mén)電路實(shí)現(xiàn)，NMOS晶體管與PMOS晶體管并聯(lián)連接，即NMOS晶體管的源漏分別與PMOS晶體管的源漏相連接，NMOS晶體管的柵極接到開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)，PMOS晶體管的柵極接到開(kāi)關(guān)的反向控制信號(hào)。開(kāi)關(guān)為單刀雙擲的形式，左邊的一端連接到電容陣列的底極板，右邊的兩端中，一端接到地電位，另一端接一個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)，通過(guò)這個(gè)開(kāi)關(guān)連接到輸入信號(hào)或參考電壓。(5)比較器模塊的結(jié)構(gòu)參照?qǐng)D5所示。輸入信號(hào)vip和vin接到晶體管m和N2 的柵極，晶體管N3和N4的柵源交叉連接，同時(shí)與晶體管m和N2的漏極相連。晶體管m 和N2的源級(jí)接到晶體管N7的漏極，晶體管M7的柵極接到時(shí)鐘信號(hào)elk。晶體管N5和N6 分別與晶體管N3和N4并聯(lián)連接，柵極也接到時(shí)鐘信號(hào)elk。晶體管m和N2的漏端通過(guò)兩個(gè)反相器得到比較器的輸出信號(hào)νορ和von。elk信號(hào)為低電平時(shí)，晶體管N7關(guān)斷，從而使輸入差分對(duì)及再生反饋環(huán)路關(guān)斷。而晶體管N5和晶體管N6導(dǎo)通，從而將比較器輸出置為高電平，此時(shí)比較器無(wú)靜態(tài)功耗；elk 信號(hào)為高電平時(shí)，晶體管N7導(dǎo)通而晶體管N5和晶體管N6關(guān)斷，輸入差分對(duì)上的信號(hào)差異通過(guò)再生反饋進(jìn)行放大，比較結(jié)果再通過(guò)兩級(jí)反相器組成的緩沖器進(jìn)行整形，得到最終的輸出結(jié)果。比較器的失調(diào)電壓可以用下面的表達(dá)式來(lái)描述
等式左邊的Vrcjs表示比較器的失調(diào)電壓，右邊Δ/ΤΗ1|2的表示輸入對(duì)管閾值電壓
的失配，% 表示輸入管的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓，表示輸入對(duì)管尺寸的失配，
權(quán)利要求
1.一種適用于自動(dòng)增益控制環(huán)路的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于由下述模塊組成采樣保持模塊，用于先對(duì)輸入信號(hào)的采樣，然后進(jìn)行零階保持； 電容陣列模塊，用于完成電荷再分配； 開(kāi)關(guān)陣列模塊，配合電容陣列模塊，完成數(shù)模轉(zhuǎn)換器的功能； 比較器模塊，用于確定輸入信號(hào)與參考電壓之間的大小關(guān)系； 數(shù)字控制模塊，用于對(duì)輸入信號(hào)的逐次逼近轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行時(shí)序控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電容陣列的大小采用二進(jìn)制順序排列，每個(gè)電容陣列由多個(gè)單位電容構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述開(kāi)關(guān)陣列模塊中的開(kāi)關(guān)由互補(bǔ)的PMOS晶體管及NMOS晶體管構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述比較器的功能通過(guò)動(dòng)態(tài)時(shí)序完成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述數(shù)字控制模塊的時(shí)序控制功能利用順序執(zhí)行的狀態(tài)機(jī)完成，包含兩種工作模式連續(xù)采樣模式和單次采樣模式。
全文摘要
本發(fā)明屬于模擬與混合信號(hào)集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種適用于自動(dòng)增益控制環(huán)路的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要包括采樣保持模塊、電容陣列模塊、開(kāi)關(guān)陣列模塊、比較器模塊和數(shù)字控制模塊。本發(fā)明能夠很好地滿足自動(dòng)增益控制環(huán)路對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求，以一套簡(jiǎn)單且代價(jià)小的硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的功能。
文檔編號(hào)H03M1/38GK102332921SQ201110212310
公開(kāi)日2012年1月25日 申請(qǐng)日期2011年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月28日
發(fā)明者劉毅, 曾真, 李 亨, 董傳盛 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)