CN101710827B - 一种用于流水线模数转换器的动态偏置产生电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于流水线模数转换器的动态偏置产生电路，该电路主要由一差分放大器和多级场效应管以及与受控于采样时钟的频率的变化而变化的可变电阻组成，该动态偏置产生电路可以根据输入采样时钟的频率变化产生相应的偏置电平，给模数转换器中的运算放大器提供偏置。

Description

一种用于流水线模数转换器的动态偏置产生电路

技术领域

本发明涉及一种偏置电路，尤其涉及一种应用于流水线模数转换器上的偏置电路。 

背景技术

随着半导体技术的日益发展，数字多媒体电子产品在人们的生活中扮演着举足轻重的作用。数字技术具有抗干扰能力和稳定性强、电路结构简单、设计方便、集成度高以及灵活性和可移植性的特点日益突出。而实际中遇到的大都是连续变化的模拟量，需经过模/数转换变成数字信号才可输入到数字系统中进行处理和控制，因而作为把模拟电量转换成数字量输出的接口电路-模数转换器是现实世界中模拟信号向数字信号的桥梁，是电子技术发展的关键和瓶颈所在。 

由于流水线模数转换器可以在速度、功耗和芯片面积上实现最好的折中。目前，在高速、高精度模数转换器中流水线型模数转换器是主流产品。1987年第一个单片集成的CMOS流水线模数转换器设计成功。此后的几十年，这种结构的模数转换器不断得到改进。目前应用的流水线模数转换器芯片，以1.5bit每级，带数字校正的结构最为流行。主要是该结构的流水线模数转换器可以达到更高的速度、更大的校正范围。 

流水线模数转换器一般由时钟发生电路、流水线转换结构、延时校准寄存器和数字校正电路构成。一般流水线转换结构是输入采样保持电路、n级流水子级转换电路、Flash ADC级联。随着流水线ADC技术的发展和工艺的进步，逐渐出现了省略第一级采样保持电路的流水线模数转换器、运放开环工作的流水线模数转换器、级间运放共享的流水线模数转换器等。采用这些新的设计思想的一个主要目的是降低芯片面积和功耗。特别是随着片上系统(SoC)的发展，模数转换器可以做为一个IP集成在整个系统上。这就对低功耗的模数转换器设计提出了更高的要求。在流水线模数转换器中，核心和消耗功耗最多的部分是采样保持电路和每一级的子流水线电路中的运算放大器。在流水线模数转换器中，运放要在半个时钟周期内保证信号建立到足够的精度。随着采样时钟频率的提高，对运放建立时间的要求就越来越严格。而现有技术中一般流水线模数转换器中，每一级的MDAC中的运算放大器都是采用的固定偏置。这样无论采样频率 为多大，运放的功耗和建立时间都是固定的。要使运放工作在一个较宽的采样时钟频率下，运放的功耗和建立时间都要满足最高的采样频率要求，这样在较低的采样时钟频率下，运放设计的就会“过量”，消耗额外的功耗。 

发明内容

本发明目的就是提供一种可以根据输入采样时钟的频率变化产生相应的偏置电平从而为模数转换器中的运算放大器提供偏置的偏置电路。 

为了达到上述发明目的，本发明的技术方案为：一种用于流水线模数转换器的动态偏置产生电路，该电路主要由一差分放大器和多级场效应管以及与受控于采样时钟的频率的变化而变化的可变电阻组成，其中，所述差分放大器的正输入端与一基准电压源相连接，差分放大器的输出端与第一级场效应管的栅极相电连接，差分放大器的负输入端与一输入电压相连接，且该输入电压与第一场效应管的漏极相电连接，所述可变电阻一端与输入电压相连接另一端接地，第二级场效应管的栅极与第一级场效应管栅极相电连接，第三级场效应管栅极与漏极相连接后并与第二级场效应管漏极相连，其后的多级场效应管各栅极与第三级场效应管栅极相连以构成第三级场效应管的镜像电流结构，在工作状态，采样时钟的频率变化使得所述各级场效应管的漏极输出电流发生相应的变化从而为流水线模数转换器中的各级运算放大器提供相应的偏置电平。 

更进一步地，所述的输入电压与基准电压源电压值相等。 

所述可变电阻的等效电路由两级相串联的反相器、六个场效应管以及两个电容组成，两反相器的输出端分别与第一场效应管、第二场效应管的栅极相电连接，且第一场效应管的栅极与第五场效应管、第六场效应管的栅极也相电连接，第二场效应管的栅极与第三场效应管、第四场效应管的栅极相电连接，第一场效应管、第二场效应管的漏极与第三场效应管、第五场效应管的源极相电连接，第一场效应管的源极与第三场效应管、第四场效应管的漏极相电连接，第二场效应管的源极与第五场效应管  第六场效应管的漏极相电连接，第四场效应管与第六场效应管的源极接地，第一电容与第二电容分别接第一场效应管和第二场效应管源极到地，采样时钟信号经所述两级反相器产生相位相反的两个时钟信号控制各场效应管的导通与截止从而轮流对第一电容与第二电容充放电以实现第一电容与第二电容上电阻的变化。 

所述的第一电容与第二电容的电容值相等。 

该电路还包括一端与所述的输入电压相电连接另一端接地的过滤电容。由于上述技术方案的运用，本发明具有下列优点：当在流水线模数转换器模块中采用本发明的偏置电路对模数转换器的运放进行偏置时，可以根据采样时钟频率的改变而对运放的偏置进行相应的改变，从而使得运放的建立时间和时钟频率相关。而不需要为了最高的采样时钟频率设计运放，使得在低频采样时运放消耗“过量”的功耗，从而在实际应用中节省了整个模数转换器的功耗。 

附图说明

附图1为本发明动态偏置产生电路电路图； 

附图2为本发明可变电阻实现电路图； 

附图3是本发明可变电阻实现电路A点和C点的计算机瞬态仿真结果曲线图； 

附图4是本发明动态偏置产生电路Vout端输出电压的计算机仿真结果曲线图。 

具体实施方式

下面将结合附图对本发明优选实施方案进行详细说明： 

如图1所示的动态偏置产生电路，该电路用于流水线模数转换器上，其主要由一差分放大器和多级场效应管以及与受控于采样时钟的频率的变化而变化的可变电阻组成，其中，差分放大器A的正输入端与一基准电压源VREF相连接，差分放大器A的输出端与第一级场效应管M0的栅极相电连接，差分放大器A的负输入端与一输入电压V0相连接，且该输入电压V0与第一场效应管M0的漏极相电连接，所述可变电阻Rc一端与输入电压V0相连接另一端接地，第二级场效应管M1的栅极与第一级场效应管M0栅极相电连接，第三级场效应管M2栅极与漏极相连接后并与第二级场效应管M1漏极相连，其后的多级场效应管M3、...、Mn各栅极与第三级场效应管M2栅极相连以构成第三级场效应管M2的镜像电流结构，由于差分运放的负反馈作用，V0的电压值等于VREF，这样流过第一级场效应管M0的电流为： 

I_M0＝V₀/R＝V_REF/R 

$(R=\frac{R1\mathrm{Rc}}{R1+\mathrm{Rc}})$

由于电流的镜像，那么流过第二级场效应管M1的电流为： 

I_M0＝K₁V₀/R＝K₁V_REF/R $(R=\frac{R1\mathrm{Rc}}{R1+\mathrm{Rc}})$

其中K₁为M1和M0的宽长比之比。 

在本发明中，电阻Rc为可变电阻，当Rc阻值改变时，流过第一级场效应管M0的电流变化，同时，流过第二级场效应管M1的电流也发生相应变化，相应地第三级场效应管M2栅极输出电压Vout也发生变化，从而后续的各级场效应管M3到Mn的电流也相应发生变化，最后导致了模数转换器的运放的偏置电平变化，从而实现了动态偏置。 

图2所示的是本发明可变电阻Rc的具体实现电路图，其实际是根据采样时钟信号进行变换生成的等效电阻电路，电路主要由两级相串接的反相器、多个场效应管以及电容组成，其电路具体连接关系如下：第一级反相器的输出端A与第一场效应管N1的栅极相电连接，第二级反相器的输出端B与第二场效应管N2的栅极相电连接，第一场效应管N1的栅极还分别与第五场效应管N5和第六场效应管N6的栅极相电连接，第二场效应管N2的栅极分别与第三场效应管N3和第四场效应管N4的栅极相电连接，第一场效应管N1及第二场效应管N2的漏极与第三场效应管N3、第五场效应管N5的源极相电连接，第一场效应管N1的源极与第三场效应管N3和第四场效应管N4的漏极相电连接，第二场效应管N2的源极与第五场效应管N5和第六场效应管N6的漏极相电连接，第四场效应管N4与第六场效应管N6的源极接地，第一电容C1与第二电容C2分别接第一场效应管N1和第二场效应管N2源极到地。 

上述可变电阻电路的工作原理如下： 

采样时钟信号经过两级反相器产生相位相反的两个时钟信号，这两个时钟信号加到图2中的A点和B点。以A点为例，当A点为高电平时，B点为低电平。场效应管N1、N3开启，C点电压为V0，当A点为低电平时，B点为高电平，这时N1和N3关断，N4导通，电容通过N4放电到地，最终C点电平为零。图3所示的为该可变电阻电路在A点和C点的计算机瞬态仿真图，这样在一个周期T内，第一电容C1上的电荷变化为ΔQ＝C1*V0，平均电流为： 

I＝ΔQ/T＝C1*V0/T＝C1*V0*f_CLK， 

所以时钟作用在第一电容C1上的等效电阻为： 

R1＝(C1*f_CLK)^-1。 

同理，时钟作用在C2的等效电阻为：R2＝(C2*f_CLK)^-1。 

可变电阻Rc为R1和R2的并联，故其阻值Rc＝(2*C_L*f_CLK)^-1，(注C1＝C2＝C_L)。 

由上述分析可知，当将该可变电阻应用在偏置电路中时，偏置电路可根据输入采样时钟的频率变化而相应变化，由于设置多级场效应管，每级场效应管输出至模数转换器的相应运放级，集中实现了动态偏置，从而进一步降低模数转换器的功耗。 

根据上述分析采用TSMC 0.18um工艺电源电压为1.8V，输入时钟频率如下表所示对本发明偏置电路在第三场效应管M3的栅极处输出电压Vout进行计算机仿真，仿真图如图4所示， 

采样时钟输入频率值 

输入	(1)	(2)	(3)	(4)
					CLK	200MHz	100MHz	50MHz	25MHz

当： 

(1)输入时钟频率为200MHz时仿真结果Vout＝813.1mV； 

(2)输入时钟频率为100MHz时仿真结果Vout＝739.4mV； 

(3)输入时钟频率为50MHz时仿真结果Vout＝695.9mV； 

(4)输入时钟频率为30MHz时仿真结果Vout＝666.1mV。 

从仿真结果可以看出随着输入时钟频率变大可变电阻Rc逐渐变小，Vout值逐渐变大，故本发明偏置电路可动态的产生偏置电平，以符合偏置产生电路的要求。 

Claims (5)

1.一种用于流水线模数转换器的动态偏置产生电路，其特征在于：该电路主要由一差分放大器和多级场效应管以及与受控于采样时钟的频率的变化而变化的可变电阻组成，其中，所述差分放大器的正输入端与一基准电压源(VREF)相连接，差分放大器的输出端与第一级场效应管(M0)的栅极相电连接，差分放大器的负输入端与一输入电压(V0)相连接，且该输入电压(V0)与第一级场效应管(M0)的漏极相电连接，所述可变电阻(Rc)一端与输入电压(V0)相连接另一端接地，第二级场效应管(M1)的栅极与第一级场效应管(M0)栅极相电连接，第三级场效应管(M2)栅极与漏极相连接后并与第二级场效应管(M1)漏极相连，其后的多级场效应管(M3、...、Mn)各栅极与第三级场效应管(M2)栅极相连以构成第三级场效应管(M2)的镜像电流结构，在工作状态，采样时钟的频率变化使得所述其后的各级场效应管(M3、...、Mn)的漏极输出电流发生相应的变化从而为流水线模数转换器中的各级运算放大器提供相应的偏置电平。

2.根据权利要求1所述的一种用于流水线模数转换器的动态偏置产生电路，其特征在于：所述的输入电压(V0)与基准电压源(VREF)电压值相等。

3.根据权利要求1所述的一种用于流水线模数转换器的动态偏置产生电路，其特征在于：所述可变电阻(Rc)的等效电路由两级相串联的反相器、六个场效应管以及两个电容组成，两反相器的输出端分别与第一场效应管(N1)、第二场效应管(N2)的栅极相电连接，且第一场效应管(N1)的栅极与第五场效应管(N5)、第六场效应管(N6)的栅极也相电连接，第二场效应管(N2)的栅极与第三场效应管(N3)、第四场效应管(N4)的栅极相电连接，第一场效应管(N1)、第二场效应管(N2)的漏极与第三场效应管(N3)、第五场效应管(N5)的源极相电连接，第一场效应管(N1)的源极与第三场效应管(N3)、第四场效应管(N4)的漏极相电连接，第二场效应管(N2)的源极与第五场效应管(N5)、第六场效应管(N6)的漏极相电连接，第四场效应管(N4)与第六场效应管(N6)的源极接地，第一电容(C1)与第二电容(C2)分别接第一场效应管(N1)和第二场效应管(N2)源极到地，采样时钟信号经所述两级反相器产生相位相反的两个时钟信号控制各场效应管的导通与截止从而轮流对第一电容(C1)与第二电容(C2)充放电以实现第一电容(C1)与第二电容(C2)上电阻的变化。

4.根据权利要求3所述的一种用于流水线模数转换器的动态偏置产生电路，其特征在于：所述的第一电容(C1)与第二电容(C2)的电容值相等。

5.根据权利要求1所述的一种用于流水线模数转换器的动态偏置产生电路，其特征在于：该电路还包括一端与所述的输入电压(V0)相电连接另一端接地的过滤电容(C)。

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