CN102761337A - 模数转换器的跟踪和保持操作 - Google Patents

Abstract

本发明的多个示例性实施例涉及一种跟踪系统和方法。所述系统包括具有栅极节点和源极节点的晶体管开关，连接到栅极节点的电源电路，和连接到源极节点和栅极节点的自举电路。电源电路在第一跟踪阶段中对所述开关充电，并且自举电路在第二跟踪阶段中对所述开关充电。

Description

模数转换器的跟踪和保持操作

技术领域

本文中披露的多个示例性实施例一般地涉及模数转换器的跟踪和保持操作。

背景技术

模数转换器(ADC)是将连续信号转换为离散时间数字表示的器件。ADC典型地使用跟踪保持(T/H)器件对连续信号进行采样。T/H器件使连续信号的电压值保持恒定一段时间，以使得ADC可以在那段时间及时分配与电压幅度成比例的数字码(digital number)。

发明内容

提供了多个示例性实施例的简短概述。下面的概述中进行了某些简化和省略描述，其旨在强调和介绍该多个示例性实施例的一些方面，而不是限制本发明的范围。后面的部分中对优选示例性实施例进行了足够详细的描述，以使得本领域普通技术人员能够制造并使用本发明的构思。

多个示例性实施例涉及一种跟踪系统，包括：晶体管开关，具有栅极节点和源极节点；电源电路，连接到栅极节点；和自举电路，连接到源极节点和栅极节点；其中电源电路在第一跟踪阶段对所述开关充电，以及其中自举电路在第二跟踪阶段对所述开关充电。

多个示例性实施例还涉及一种对输入信号执行跟踪操作的方法，包括：用电源电路在第一跟踪阶段对晶体管开关充电，该电源电路连接到晶体管开关的栅极节点；用自举电路在第二跟踪阶段对晶体管开关充电，该自举电路连接到晶体管开关的栅极节点和源极节点。

在某些实施例中，在栅极节点与源极节点之间的电压在第一跟踪阶段中取决于输入信号。在某些实施例中，在栅极节点与源极节点之间的电压在第二跟踪阶段实质上恒定。在某些实施例中，电源电路对寄生电容充电。在某些实施例中，自举电路包括电容器。在某些实施例中，电源电路在第二跟踪阶段中不对晶体管开关充电。在某些实施例中，通过控制来自定时发生器的信号来触发第一和第二跟踪阶段。在某些实施例中，定时发生器基于跟踪系统的主时钟产生控制信号。在某些实施例中，第一跟踪阶段出现在主时钟的第一时钟周期内，以及第二跟踪阶段出现在主时钟的第二时钟周期内。在某些实施例中，第一和第二跟踪阶段都出现在主时钟的一个时钟周期内。

附图说明

为了更好地理解多个示例性实施例，需要参照附图进行说明，其中：

图1a示出了跟踪操作的示例性实现方式；

图1b示出了保持操作的示例性实现方式；

图2a和2b示出了自举技术的原理性实现方式；

图3示出了图2a和2b的自举技术的原理性信号图；

图4示出了图2a和2b的自举技术的示例性电路实现方式；

图5a示出了跟踪阶段A的示例性实现方式；

图5b示出了跟踪阶段B的示例性实现方式；

图5c示出了跟踪阶段C的示例性实现方式；

图6示出了具有二阶段跟踪操作的T/H电路的示例性实施例；

图7示出了图6实施例的示例性实现方式；

图8示出了图7实施例的示例性时序图；

图9示出了图6实施例的另一示例性实现方式；和

图10示出了图9实施例的示例性时序图。

具体实施方式

现在参照附图，在附图中相同的附图标记指代相同的组件或步骤，其中公开了多个示例性实施例的多个方面。

根据前面的描述，多个示例性实施例提供了，用于模数转换器中的二阶段跟踪操作的系统和方法。

本领域的普通技术人员应该理解，本说明书的任何框图用于阐述表现本发明实施例原理的说明性电路的原理图。

信号的采样操作可以包括两种操作，跟踪操作和保持操作。可以执行这些操作的电路称为跟踪/保持(T/H)电路。在交替采样模数转换器(ADC)中，许多这种电路可以在时间上复用。

图1a示出了跟踪操作的NMOS开关电容器的实现方式。在跟踪操作中，开关晶体管102的栅极端子可以连接到电源(V_dd)以保持开关晶体管102导通并允许输入信号(“IN”)对采样电容器104充电。图1b示出了保持操作的NMOS开关电容器的实现方式。在保持操作，开关晶体管102的栅极端子可以连接到地以切断在输入信号(“IN”)与采样电容器104之间的路径。然后，采样电容器104可以存储输入信号的瞬时值。

图1a和1b中示出的T/H实现方式在跟踪操作过程中可能受到带宽调制的限制。可用带宽可以部分地由开关晶体管102的导通电阻(R_on)和采样电容器104的尺寸确定。采样电容器104的尺寸可能受到热噪声因素的影响。电容器的热噪声与kT/C成比例，k是波耳兹曼常数，T是温度，以及C是电容。

开关晶体管102的R_on与V_gs成反比，并且与开关晶体管102的宽度/长度成线性比例。因此，V_gs的调制(其中V_gs＝V_dd-V_in)可能导致对R_on的相应调制，以及因而对带宽的相应调制，从而可能转化成信号失真。带宽调制可能影响ADC的分辨率和速度。

为了提高ADC的分辨率，可以增大采样电容器104的尺寸。通常，对于ADC中所需分辨率的每个附加位来说，采样电容器104的尺寸可以增大大约4倍以使得热噪声降低1位。但是，如前所述，更大的电容器可能减小带宽。为了克服这种带宽减小，可能需要更大的晶体管宽度以减小R_on并增大带宽。但是，开关晶体管102的尺寸也可能影响采样信号。

在从跟踪操作到保持操作的转换期间，开关晶体管102的NMOS通道中存储的电荷可以从漏极和源极注入，从而改变了采样信号。该电荷与开关晶体管102的宽度/长度尺寸成比例。从晶体管102的源极注入的电荷与转换时V_gs的值成比例(V_gs＝V_dd-V_in(t)，其中t＝nT_s，T_s是采样周期，n是采样次数)。这种电荷可能产生依赖于偏移和失真的信号。类似地，从晶体管102的漏极注入采样电容器104上的电荷可能使采样信号进一步失真。

A.M.Abo和P.R.Gray在“A1.5-V、10-bit、14.3-MS/s CMOS PipelineAnalog-to-Digital Converter”，Journal of Solid State Circuits，vol34、pp.599-606中介绍了自举跟踪操作，该内容通过引用合并在本文中，以用于各种目的。自举跟踪操作可以允许利用不依赖于输入信号的恒定过驱动(典型地是V_dd)来驱动开关晶体管102。图2a和2b示出了自举技术的原理性实现方式。开关204原理性地由单个NMOS晶体管202表示。在“截止”状态下，晶体管202的栅极可以接地，并且开关204可以断开。在“导通”状态下，V_dd的恒定电压可以施加到在晶体管202的栅极和源极端子之间，并且开关204可以闭合。可以在从漏极到源极之间建立不依赖于输入信号的晶体管202的低阻R_on。尽管对于正输入信号，施加到晶体管202栅极上的绝对电压可能超过电压V_dd，晶体管202的端对端之间的相对电压不会超过V_dd。

图3示出了自举跟踪操作的原理性信号图。当开关202“导通”时，可以通过V_dd提升在晶体管204栅极处的电压(“V_g”)。因此，当开关“导通”时，电压V_g可以处于最小值V_dd，并且会根据输入信号而改变。

图4示出了自举跟踪操作的电路实现方式。图4中的电路可以在单相时钟Φ上操作，该时钟可以使得开关晶体管402导通和截止。开关晶体管402执行与图2a和2b中所示类似的开关操作。在“截止”状态下，Φ为低。晶体管404和406可以使开关晶体管402的栅极放电到地。同时，V_dd可以通过晶体管410和412施加在自举电容器408上。自举电容器408在“导通”状态中可以用作横跨在开关晶体管402的栅极和源极上的电源。晶体管414和416可以使得开关晶体管402在自举电容器408充电时与其隔离开。当Ф升高并触发“导通”状态时，晶体管418和419可以下拉晶体管414的栅极，使得来自自举电容器408的电荷流到开关晶体管402的栅极上。这可以导通晶体管416和开关晶体管402。晶体管416可以使能开关晶体管402的栅极追踪被V_dd移位的输入信号(“IN”)，以及在不受输入信号影响的情况下使得开关晶体管402的栅极-源极电压保持实质上恒定。例如，如果输入信号是V_dd，则开关晶体管402的栅极电压将是2V_dd。同时，开关晶体管402的V_gs电压是V_dd，由于在栅极端子与源极端子之间的差值不会超过V_dd，这可以增强开关晶体管402的可靠性。

晶体管404可以在Φ为低时减小晶体管406上的V_gs和V_gd电压。晶体管420可以确保晶体管414的V_gs不超过V_dd。晶体管422、晶体管424、晶体管426、晶体管428和反相器430形成时钟倍增器，该时钟倍增器可以使得晶体管410在“截止”状态下对自举电容器408单向充电。

由于下述多种原因，具有高带宽、高线性度和低噪声的每秒千兆次采样(GS/s)范围内的采样率可能难以应用于图4所示的自举跟踪电路。

通过在自举电容器408的上极板处存储的电荷与节点G处的寄生电容处存储的电荷之间进行电荷再分配，可以实现开关晶体管402从“截止”到“导通”的转换。大型自举电容器408和大型晶体管414对于在节点G与自举电容器408之间提供极低欧姆路径来说可能是必需的，否则开关晶体管402从“截止”到“导通”的转换不会发生得足够快以能够对输入信号进行正确采样。偏慢的转换可能实质上限制T/H电路的跟踪能力。

理想地，开关晶体管402的栅极会充电到至少V_dd，但是，由于在节点G处存在较大的寄生电容，该栅极可能实际上充电到较小的值。这可能导致开关晶体管402的效率损失。在自举电容器408的上极板与节点G处的寄生电容之间共享的电荷还可能在自举跟踪操作过程中减小升高的电压。

可以通过晶体管416部分地使能自举跟踪操作，并且自举跟踪操作可以仅在开关晶体管402的栅极电压达到需要电平后发生。这可能使得自举有效的时间延迟，并可能减少可用的跟踪时间。

大型自举电容器408对于有效的自举和快速的“截止”到“导通”转换可能是必需的。但是，在高采样率下，自举电容器408可能需要非常快的地充电，这意味着与之连接的晶体管(例如晶体管410、412、414和416)也可能很大。大型晶体管可能引入附加的寄生电容。自举电容器408也可能由于其尺寸而引入对地的大寄生电容。所有的这些寄生电容可能进一步增大电荷共享效应，从而减少在开关晶体管402的节点G处看到的电荷。

大型自举电容器408和大型晶体管还可能在输入节点(“IN”)处引入明显的寄生电容。这可能在输入节点处导致较大的干扰，平复该干扰需要时间。这可能限制ADC的采样率。自举电容器408和大型晶体管的寄生电容还可能产生信号延迟。

图4所示的自举跟踪电路可能占用较大的硅面积。当用多个时间交替采样T/H电路实现较高采样率时，自举电路跟踪电路可能使得每个T/H电路进一步彼此远离。这可能增加时钟和信号分布的互连长度，从而进一步限制带宽并对每个开关晶体管的定时精度产生不利影响。

本文中描述的本发明的实施例显著降低了寄生电容的影响，并且因此改善了前文中提到的所有方面。

图5a、5b和5c示出了本发明实施例的原理性示意图，并将在下文中进一步说明。

本发明的实施例可以避免需要使用存储在自举电容器中的电荷以将开关晶体管的栅极节点快速地充电到V_dd。因此，自举电容器可以实质上更小，与图2、3和4中描述的操作相比显著地改善跟踪操作的性能。

跟踪操作可以划分为两个阶段，如图5a和5b所示。在跟踪阶段A中，如图5a所示，开关晶体管502的栅极可以直接充电到V_dd，就像利用非自举开关晶体管(例如图1a所示的)进行充电一样。这可以将节点G处存在的寄生电容器504快速充电到V_dd，并且可以使得可用的瞬时带宽最大化(V_gs＝V_g(t)-V_in，其中t是节点G从地(或V_ss)切换到V_dd的时刻)。这可以允许快速地从采样电容器506中存储的先前样本恢复。还是在跟踪阶段A中，可以通过V_dd对自举电容器508充电。

在跟踪阶段B中，如图5b所示，自举电容器508的操作可以类似于图2和图4所示的自举跟踪操作。开关晶体管502的栅极电压的快速上升沿可以触发跟踪阶段B的启动，与图4的电路类似。可选地，可以通过相应的控制信号彼此独立地触发阶段A和B。

在阶段B中，由于在阶段A中出现单独的到V_dd的充电路径，不需要使用来自自举电容器508的电荷。自举电容器508可以仅仅用于使能开关晶体管502以跟踪输入信号(“IN”)。

在跟踪操作的初始部分中由于寄生电容器504导致的电荷损失可以明显减少，并且自举电压可以从至少V_dd开始。这可以允许与图4的自举电容器408相比更小的自举电容器508，以及允许连接到自举电容器的更小晶体管，如后面的图7和9所示。与图2和图4的自举操作相比，通过二阶段自举操作可以对带宽、采样率和线性度实现显著的正面影响。

在阶段B中寄生电容器504与自举电容器508之间的容性电压分配可以保留。但是，自举电容器508在其使能自举操作之前可以不需要将寄生电容器504从地充电到V_dd，从而可以显著地减小寄生电容。结果，如果图4的自举电容器408和自举电容器508具有相同值，对自举电容器508来说寄生电容引起的电压划分可以显著地更小。

在跟踪阶段A和B之后，电路可以进入保持阶段C，如图5c所示。节点G可以连接到V_ss或地，以切断在输入信号与采样电容器506之间的路径。然后，采样电容器506存储输入信号的瞬时值。在保持阶段C中也可以通过V_dd对自举电容器508充电。

图6示出了二阶段跟踪操作中的T/H电路的实施例。跟踪阶段A电路603可以包括晶体管604。晶体管604在跟踪阶段A中可以为开关晶体管602的栅极提供到V_dd的路径。在跟踪阶段B中，晶体管604可以截止，并且跟踪阶段B电路606可以使能自举跟踪操作。在保持阶段C中，开关晶体管602的栅极可以通过晶体管608和610连接到地。然后，可以将输入信号(“IN”)的瞬时值存储到采样电容器612中。与图1a和1b的T/H实现方式类似，开关晶体管602和采样电容器612形成采样电路601。定时发生器614可以提供控制信号给节点A、B和C以定义对三个阶段的调度。定时发生器614可以基于ADC的主时钟616产生控制信号。

图7是图6的T/H电路实施例的示例性实现方式。如图6所示，跟踪阶段A电路703可以包括晶体管704。晶体管704在跟踪阶段A中可以为开关晶体管702的栅极提供到V_dd的路径。在跟踪阶段B中，晶体管704可以截止，并且跟踪阶段B电路705可以使能自举跟踪操作。跟踪阶段B电路705可以包括晶体管706、708、710和712，以及自举电容器714。晶体管708和710可以提供路径以通过Vdd对自举电容器714充电。晶体管706和712可以对自举电容器714提供到开关晶体管702的栅极和源极的路径。在保持阶段C中，开关晶体管702的栅极可以通过晶体管716和718连接到地。然后，可以将输入信号(“IN”)的瞬时值保持在采样电容器720中。与图1a和1b的T/H实现方式类似，开关晶体管702和采样电容器720形成采样电路701。定时发生器722可以提供控制信号给节点A、B1、B2、B3、B4和C以定义对三个阶段的调度。定时发生器722可以基于ADC的主时钟724产生控制信号。

可以利用独立的定时信号控制跟踪阶段B电路705中的晶体管以减少节点G处的负载，并对保持阶段C产生更少的寄生电容和更快的下拉。

图7的示例性实现方式可以允许自举电容器714有更多时间充电到Vdd。这可以使用更小的晶体管704以进一步减小寄生电容，并且可以改善跟踪阶段B中的电容器分割效应(capacitor divider effect)。

跟踪阶段A和B可以通过主时钟724限定，并且具有固定时间长度，例如ADC主时钟的一个周期，如图8所示。

晶体管702、706和708可以是厚氧化膜晶体管，从而优化整体表现以使得跟踪阶段B中的泄漏电流较低。

图8示出了图7实施例的示例性时序图。在该示例中，跟踪阶段A和B的每个都可以持续主时钟的一个周期，并且保持阶段C可以持续两个周期。阶段A、B和C的时间可以修改为更短和/或更长。在跟踪阶段A中，节点G处的电压可以独立于输入信号充电到Vdd。在跟踪阶段B中，节点G处的电压可以保持由Vdd提升，还可以跟踪输入信号。在保持阶段C中，节点G处的电压可以下降到地电平，并且采样信号可以将它的值在一段采样时间内保持为实质上恒定。

在控制信号A为低电平、控制信号B1为高电平、控制信号B2为低电平、控制信号B3为高电平、控制信号B4为低电平以及控制信号C为低电平时可以触发跟踪阶段A。在控制信号A为高电平、控制信号B1为低电平、控制信号B2为高电平、控制信号B3为低电平、控制信号B4为高电平以及控制信号C为低电平时可以触发跟踪阶段B。在控制信号A为高电平、控制信号B1为高电平、控制信号B2为低电平、控制信号B3为高电平、控制信号B4为低电平以及控制信号C为高电平时可以触发保持阶段C。

图8所示的控制信号是用于定义对三个阶段的调度的逻辑(即高/低)波形的示例。提供给晶体管704、706、708、710、712和718的栅极的实际信号可以在波形和/或时间上变化。例如，信号可以提前或延迟，和/或可以利用附加的自举电路提升信号电平。

另一个实施例示例性说明了图9所示实现方式的另一示例。与图7所示的实现方式类似，跟踪阶段A电路903可以包括晶体管904。晶体管904在跟踪阶段A中可以为开关晶体管902的栅极提供到V_dd的路径。在跟踪阶段B中，晶体管902可以截止，并且跟踪阶段B电路905可以使能自举跟踪操作。跟踪阶段B电路905可以包括晶体管906、908、910和912，以及自举电容器914。在保持阶段C中，开关晶体管902的栅极可以通过晶体管916和918连接到地。然后，可以将输入信号(“IN”)的瞬时值保持在采样电容器920中。与图1a和1b的T/H实现方式类似，开关晶体管902和采样电容器920形成采样电路901。定时发生器922可以提供控制信号给节点A、B1、B2和C以定义对三个阶段的调度。定时发生器922可以基于ADC的主时钟924产生控制信号。在该实现方式中，晶体管908和912可以不接收独立的定时信号。晶体管902、906和908可以是厚氧化膜晶体管。

图10示出了图9实施例的示例性时序图。在该示例中，跟踪阶段A和B可以出现在相同的时钟周期中，跟踪阶段A仅持续足够长的时间以将节点G充电到V_dd，跟踪阶段B在节点G被预充电的情况下启动。在保持阶段C中，节点G处的电压可以下降到地电平，并且采样信号可以将它的值在一段采样时间内保持为实质上恒定。

控制信号B1、B2和C可以使用相同的逻辑波形。可以在控制信号A为低电平，并且控制信号B1、B2和C为高电平时触发跟踪阶段A。可以在控制信号A为高电平，并且控制信号B1、B2和C为低电平时触发跟踪阶段B。可以在控制信号A、B1、B2和C为高电平时触发保持阶段C。

图10所示的控制信号是用于定义对三个阶段的调度的逻辑(即高/低)信号的示例。提供给晶体管904、906、910和918的栅极的实际信号可以在波形和/或时间上变化。例如，信号可以提前或延迟，和/或可以利用附加的自举电路提升信号电平。

预充电路径不限于前述示例所示的实现方式，自举路径不限于采用电容器的实现方式(无源自举)，而是也可以实现为有源自举。通过有源自举，图6所示的跟踪阶段B电路可以是缓冲器电路，该电路可以利用相应的电压偏移，例如V_dd提供输入信号的复制。具有有源自举的二阶段跟踪操作可以实质上减小缓冲器电路的转换速率要求，从而可以节省大部分功率并提高速度。

二阶段跟踪操作可以具有多种优势。由于可以良好地定义跟踪边缘，这种操作可以实现高分辨率ADC的高采样率，并且像非自举跟踪操作一样不会受到输入信号的调制。与传统的自举电路相比，这种电路可以占用明显更少的面积，在提供更大信号带宽的同时消耗更少的动态功率以及具有更少的供电干扰。由于其尺寸小和低功率的操作，这种电路也可以用在大规模交替采样(massively interleaved)ADC中。由于采样开关可以设置得彼此更近，时钟网络也可以在有利于定时精度的同时具有更小尺寸。这种电路可以使得在ADC的采样开关和模拟复用器中更容易地使用自举操作。

由于自举电容器可以非常小，因而相比于传统的自举电路来说可以更快地充电，二阶段跟踪电路可以进一步实现明显更高的ADC采样率。通过这些实施例，可以实现具有10比特分辨率的几GS/s的采样率。由于开关晶体管的栅极可以比传统自举电路更快地拉升到V_dd，因而这种电路可以减小所需要的跟踪时间。这种电路还可以实现更陡峭的保持转换，结果可以实现更高的线性度和定时精度。

具有二阶段跟踪操作的T/H电路可以应用于多种应用中，例如雷达应用、高速无线通信、蜂窝通信、卫星通信、电缆接收器、卫星接收器、射电天文应用，或者可以使用几GS/s采样率的其它应用。

虽然已经具体参照本发明的某些示例性方面对多个示例性实施例进行了详细描述，应该理解，本发明还可以包括其它实施例，并且可以从多个明显方面对这些实施例的细节进行修改。本领域的普通技术人员可以容易地看到，可以在本发明的精神和范围内进行多种变型和修改。因此，前述的公开、说明以及附图仅仅用于说明性目的，而不以任何方式限制本发明，本发明的范围仅由权利要求限定。

Claims (20)

1.一种跟踪系统，包括：

晶体管开关，具有栅极节点和源极节点；

电源电路，连接到栅极节点；和

自举电路，连接到源极节点和栅极节点；

其中电源电路在第一跟踪阶段中对所述开关充电；以及其中自举电路在第二跟踪阶段中对所述开关充电。

2.根据权利要求1所述的系统，其中在栅极节点与源极节点之间的电压在第一跟踪阶段中取决于输入信号。

3.根据权利要求1所述的系统，其中在栅极节点与源极节点之间的电压在第二跟踪阶段中实质上恒定。

4.根据权利要求1所述的系统，其中电源电路对寄生电容充电。

5.根据权利要求1所述的系统，其中自举电路包括电容器。

6.根据权利要求1所述的系统，其中电源电路在第二跟踪阶段中不对所述晶体管开关充电。

7.根据权利要求1所述的系统，其中通过来自定时发生器的控制信号触发第一和第二跟踪阶段。

8.根据权利要求7所述的系统，其中定时发生器基于跟踪系统的主时钟产生控制信号。

9.根据权利要求8所述的系统，其中第一跟踪阶段出现在主时钟的第一时钟周期内，第二跟踪阶段出现在主时钟的第二时钟周期内。

10.根据权利要求8所述的系统，其中第一和第二跟踪阶段都出现在主时钟的一个时钟周期内。

11.一种对输入信号执行跟踪操作的方法，该方法包括：

用电源电路在第一跟踪阶段中对晶体管开关充电，该电源电路连接到晶体管开关的栅极节点；以及

用自举电路在第二跟踪阶段中对所述晶体管开关充电，该自举电路连接到晶体管开关的栅极节点和源极节点。

12.根据权利要求11所述的方法，其中在栅极节点与源极节点之间的电压在第一跟踪阶段中取决于输入信号。

13.根据权利要求11所述的方法，其中在栅极节点与源极节点之间的电压在第二跟踪阶段中实质上恒定。

14.根据权利要求11所述的方法，其中电源电路对寄生电容充电。

15.根据权利要求11所述的方法，其中自举电路包括电容器。

16.根据权利要求11所述的方法，其中电源电路在第二跟踪阶段中不对所述晶体管开关充电。

17.根据权利要求11所述的方法，其中通过来自定时发生器的控制信号触发第一和第二跟踪阶段。

18.根据权利要求17所述的方法，其中定时发生器基于跟踪系统的主时钟产生控制信号。

19.根据权利要求18所述的方法，其中第一跟踪阶段出现在主时钟的第一时钟周期内，以及第二跟踪阶段出现在主时钟的第二时钟周期内。

20.根据权利要求18所述的方法，其中第一和第二跟踪阶段都出现在主时钟的一个时钟周期内。

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