CN103532501B - 用于流水线式adc和其他应用的互补开关电容器放大器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于流水线式ADC和其它应用的互补开关电容器放大器，其包括开关电容器网络和互补推挽放大器。与使用单端A类放大器的开关电容器放大器相比，本公开的开关电容器放大器可提供更大一部分由电源提供的并且在放大器的输出处通过放大器流入电容性负载中的电荷。本公开的开关电容器放大器可用于流水线式模数转换器（ADC）的转换器级中，以提高ADC的功率效率和/或带宽。其可进一步推广用于流水线式ADC以外的其他应用中。

Description

用于流水线式ADC和其他应用的互补开关电容器放大器
技术领域
本申请总体上涉及放大器，更具体而言，涉及互补开关电容器放大器。
背景技术
例如，流水式模数转换器（ADC）为用于通过8-14位的分辨率以及每秒钟1-5000兆样本（MS/s）的转换速度将模拟信号转换成数字信号的流行结构。典型的应用包括数字接收器、基站、数字成像和视频以及超声波。
在流水线式ADC中的关键构件之中，具有乘法数模转换器（MDAC），其与在流水线中的连续转换器级连接。在传统实现方式中，使用围绕A类跨导放大器形成的开关电容器技术，构成MDAC的核心。由于跨导放大器消耗恒定电流，同时平均仅仅传递该电流的很小一部分给负载，所以在这个传统的MDAC中，从电源到跨导放大器的电容性负载的电荷传递本质上效率低。该低效率消极地影响了流水线式ADC的功耗和/或带宽。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种用于放大输入信号的开关电容器放大器，包括：第一开关，被配置为将所述输入信号耦合至采样电容器的第一端；第二开关，被配置将DC信号耦合至所述采样电容器的第二端；第三开关，被配置为将互补推挽放大器的输出耦接至所述采样电容器的所述第一端；以及第四开关，被配置为将所述互补推挽放大器的第一总和节点耦接至所述采样电容器的所述第二端。
进一步地，所述互补推挽放大器包括p型场效应晶体管（PFET）和n型场效应晶体管（NFET），其中，PFET和NFET都被配置为放大元件。
进一步地，所述第一开关和所述第二开关被配置为闭合，同时所述第三开关和所述第四开关被断开。
进一步地，所述第一开关和所述第二开关被配置为断开，同时所述第三开关和所述第四开关被闭合。
开关电容器放大器进一步包括：第五开关，被配置为将动态电平移位电容器的第一端耦接至所述互补推挽放大器的第二总和节点；以及第六开关，被配置为将额外的DC信号耦合至所述动态电平移位电容器的第一端，其中，所述动态电平移位电容器的第二端耦接至所述采样电容器的所述第二端。
开关电容器放大器进一步包括：静态电平移位电容器，耦接在所述互补推挽放大器的所述第一总和节点和所述互补推挽放大器的所述第二总和节点之间。
开关电容器放大器，进一步包括：第五开关，被配置为将所述输入信号耦合至额外的采样电容器的第一端；以及第六开关，被配置为将数模转换器（DAC）输出信号耦合至所述额外的采样电容器的所述第一端。
根据本申请另一方面，提供了一种流水线式模数转换器（ADC）的转换器级，包括：ADC，被配置为将模拟输入信号转换成数字输出信号；以及乘法数模转换器（MDAC），包括：第一开关，被配置为将所述模拟输入信号耦合至采样电容器的第一端；第二开关，被配置为将DC信号耦合至所述采样电容器的第二端；第三开关，被配置为将互补推挽放大器的输出耦接至所述采样电容器的所述第一端；以及第四开关，被配置为将所述互补推挽放大器的第一总和节点耦接至所述采样电容器的所述第二端。
进一步地，所述互补推挽放大器包括p型场效应晶体管（PFET）和n型场效应晶体管（NFET），其中，PFET和NFET都被配置为放大元件。
进一步地，所述第一开关和所述第二开关被配置为闭合，同时所述第三开关和所述第四开关被断开。
进一步地，所述第一开关和所述第二开关被配置为断开，同时所述第三开关和所述第四开关被闭合。
转换器级进一步包括：第五开关，被配置为将动态电平移位电容器的第一端耦接至所述互补推挽放大器的第二总和节点耦合；以及第六开关，被配置为将额外的DC信号耦合至所述动态电平移位电容器的第一端，其中，所述动态电平移位电容器的第二端耦接至所述采样电容器的所述第二端。
转换器级进一步包括：静态电平移位电容器，耦接在所述互补推挽放大器的所述第一总和节点和所述互补推挽放大器的第二总和节点之间。
转换器级，进一步包括：第五开关，被配置为将所述模拟输入信号耦合至额外的采样电容器的第一端；以及第六开关，被配置为将数模转换器（DAC）输出信号耦合至所述额外的采样电容器的所述第一端。
根据本申请的另一方面提供了一种用于放大输入信号的开关电容器放大器，包括：互补推挽放大器；以及开关电容器网络，包括：第一开关，被配置为将所述输入信号耦合至采样电容器的第一端；第二开关，被配置为将DC信号耦合至所述采样电容器的第二端；第三开关，被配置为将所述互补推挽放大器的输出耦接至所述采样电容器的所述第一端；以及第四开关，被配置为将所述互补推挽放大器的第一总和节点耦接至所述采样电容器的所述第二端。
进一步地，所述互补推挽放大器包括p型场效应晶体管（PFET）和n型场效应晶体管（NFET），其中，PFET和NFET都被配置为放大元件。
开关电容器放大器进一步包括：第五开关，被配置为将动态电平移位电容器的第一端耦接至所述互补推挽放大器的第二总和节点；以及第六开关，被配置为将额外的DC信号耦合至所述动态电平移位电容器的所述第一端，其中，所述动态电平移位电容器的第二端耦接至所述采样电容器的所述第二端。
开关电容器放大器进一步包括：静态电平移位电容器，耦接在所述互补推挽放大器的第一总和节点和所述互补推挽放大器的第二总和节点之间。
开关电容器放大器，进一步包括：第五开关，被配置将所述输入信号耦合至额外的采样电容器的第一端；以及第六开关，被配置为将数模转换器（DAC）输出信号耦合至所述额外的采样电容器的所述第一端。
本发明的又一方面提供了一种用于放大输入信号的开关电容器放大器，包括：第一开关，被配置为将所述输入信号耦合至第一采样电容器的第一端以及第二采样电容器的第一端；第二开关，被配置为将DC信号耦合至所述第一采样电容器的第二端；第三开关，被配置为将DC信号耦合至第二采样电容器的第二端；第四开关，被配置为将互补推挽放大器的输出耦接至所述第一采样电容器的第一端以及所述第二采样放大器的第一端；第五开关，被配置为将所述互补推挽放大器的第一总和节点耦接至所述第一采样电容器的第二端；以及第六开关，被配置为将所述互补推挽放大器的第二总和节点耦接至所述第二采样电容器的第二端。
附图说明
附图包含在本文中并且构成本说明书的一部分，示出了本公开的实施方式，并且与说明书一起进一步用于解释实施方式的原理以及用于能够允许相关领域的技术人员构造和使用这些实施方式。
图1示出了根据本公开的实施方式的流水线式ADC的方框图；
图2示出了MDAC；
图3示出了根据本公开的实施方式的单端MDAC；
图4示出了根据本公开的实施方式的单端MDAC；
图5示出了根据本公开的实施方式的差分MDAC；
图6示出了根据本公开的实施方式的差分单位增益放大器；
图7示出了根据本公开的实施方式的差分单位增益放大器。
参照附图，描述本公开的实施方式。通常由相应的参考数字中的最左边的数字表示部件首先出现的示图。
具体实施方式
在以下描述中，提出了多个具体细节，以便彻底地理解本公开的实施方式。然而，对于本领域的技术人员而言，显然在没有这些具体细节时，也可实践这些实施方式，包括结构、系统以及方法。在本文中的描述和图示为本领域中的经验人士或技术人员所使用的普通方法，以将其工作内容最有效地传递给本领域的其他技术人员。在其他情况下，还未详细地描述众所周知的方法、程序、元件以及电路，以免本发明的各个方面不必要地晦涩难懂。
在说明书中引用“一个实施方式”、“实施方式”、“示例性实施方式”等，表示所描述的实施方式可包括特定的特征、结构或特性，但是每个实施方式不必包括该特定的特征、结构或特性。而且，这种短语不必表示相同的实施方式。而且，在结合一个实施方式描述一个特定的特征、结构或特性时，人们认为，结合无论是否明确描述的实施方式影响这种特征、结构或特性，均在本领域的技术人员的知识范围内。
I、流水线式ADC概述
图1示出了根据本公开实施方式的流水线式ADC100的概念方框图。如图1中所示，流水线式ADC100包括四个级联型转换器级102-108，其按照顺序处理模拟输入信号，以将模拟输入信号转换成数字输出信号。在图1的顶部，更详细地示出了转换器级的示例性配置。
通常，每个转换器级102-108采样，使用采样保持电路110保持其模拟输入，并且使用ADC112对其模拟输入进行粗糙的模数转换。通过使用数模转换器（DAC）114将ADC112的输出转换回模拟域，然后使用减法器116从采样保持电路110的输出中减去DAC114的输出，计算由ADC112进行的转换的误差。然后，称为残差的由减法器116输出的合成误差值由放大器118放大并且馈送到下一个转换器级中，以提取额外的位。由于不需要计算任何其他的残差，所以最终的转换器级108可仅仅包含ADC112。每个转换器级102-108的ADC输出在时间上对准，并且使用时间对准器120相结合，以产生最终的数字输出。
诸如流水线式ADC100的流水线式ADC的一个关键构件为乘法DAC（MDAC）。MDAC通常包含在流水线式ADC的每个转换器级中，并且如上所述，执行采样保持电路110、DAC114、减法器116以及放大器118的功能。这个模块的性能通常规定整个流水线式ADC的功率效率和/或带宽。
图2示出了包括开关电容器网络202和A类跨导放大器204的单端版本的MDAC200。为了清晰起见，在图2中已经省略了DAC114的功能和实现方式。
MDAC200在两个阶段中进行操作：采样阶段和放大阶段。至少两个非重叠的时钟信号，在图2中标记为φ1和φ2，用于控制电容器网络202中的开关S1-S6，以在这两个阶段中操作MDAC200。在采样阶段，时钟信号φ1控制闭合开关S1、S2以及S3，并且时钟信号φ2控制断开开关S4、S5以及S6。由于闭合开关S1、S2以及S3，所以相对于共模电压VCMN，将模拟输入电压VIN采样到两个采样电容器CF和CS上。共模电压VCMN为直流电压并且用于偏置n型场效应晶体管（NFET）N1，使得N1适当地放大与其栅极（也称为跨导放大器204的总和节点）耦合的信号。在采样阶段之后，在电容器CF和CS上的电压基本上等于VIN-VCMN，储存在电容器CF上的电荷基本上等于QF=(VIN-VCMN)*CF，并且储存在电容器CS上的电荷基本上等于QS=(VIN-VCMN)*CS。
在放大阶段，时钟信号φ2控制闭合开关S4、S5以及S6，并且时钟信号φ1控制断开开关S1、S2以及S3。电容器CF成为耦接在跨导放大器118的输出（在图2中标记为VOUT）和输入之间的反馈电容器，并且电容器CS对DAC114（未显示）的DAC输出电压VREF采样。如果VREF与VIN不同，那么在放大阶段，在电容器CS和CF之间进行电荷分享。在放大阶段之后，在电容器CF上的电压基本上等于VOUT-VCMN，在电容器CS上的电压基本上等于VREF-VCMN，在电容器CF上储存的电荷基本上等于QF=-CF*(VOUT-VCMN)，并且在电容器CS上储存的电荷基本上等于QS=-CS*(VREF-VCMN)。
由于电荷守恒，通过使在采样阶段之后在电容器CS和CF上的电荷的总和等于在放大阶段之后在电容器CS和CF上的电荷的总和，可确定在放大阶段之后的MDAC200的合成输出，由以下等式表示：
-CF(VIN-VCMN)-CS(VIN-VCMN)
=-CF(VOUT-VCMN)-CS(VREF-VCMN) (1)。
其中，在电容器CS和CF上的电荷的正极性符号在虚拟接地上指向跨导放大器204的总和节点。求解剩余输出电压VOUT时，MDAC 200的运算等于：
V OUT = V IN C F + C S C F - V REF C S C F - - - ( 2 ) .
因此，MDAC200提供剩余输出电压VOUT，该电压由在带有由电容器CS和CF的值确定的某些增益的VIN和VREF之间的差值表示。这个功能与采样保持电路110、DAC114、减法器116以及放大器118一致。不失一般性地，假设在等式（2）中的VOUT的表达式VCMN=0。
跨导放大器204包括n型场效应晶体管（NFET）N1和p型场效应晶体管（PFET）P1。由共模电压VCMN以及由P1所提供的电流将N1偏置到其饱和操作区域内。P1由电压VBP偏置，以用作直流电流源。跨导放大器204通常称为单端A类跨导放大器，这是因为跨导放大器具有偏置的单个放大部件N1，从而始终传导电流。结果，从电源VDD到在跨导放大器204的输出处的电容性负载的电荷传递本质上效率低，这是因为平均仅仅该电流的很小一部分进入负载中。
II、提高功率效率和/或性能的MDAC
图3示出了根据本公开的实施方式的可提供在带宽方面比MDAC200更高级的功率效率和/或性能的单端MDAC300。通常，配置MDAC300并且通过与MDAC200相似的方式进行操作。然而，MDAC300包括互补推挽跨导放大器304和具有两个额外的开关S7和S8以及电平移位电容器CM的开关电容器网络302。
如图3中所示，互补推挽跨导放大器304具体包括两个互补放大部件PFET P1和NFET N1。这与用于单端A类跨导放大器204中的单个放大部件N1形成对比。通常，可显示出，与单端A类跨导放大器204相比，通过使用两个互补放大部件P1和N1和适当地进行偏置，可将流过互补推挽跨导放大器304的电源VDD的更大一部分电荷传递给在放大器的输出处的电容性负载。这就允许MDAC300在增益、带宽和速度方面以比MDAC200更高的功率效率和/或性能等级进行操作。根据功率和性能要求，可具体偏置互补推挽跨导放大器304的放大部件P1和N1，以在A类、B类或AB类操作区域中进行操作。互补推挽跨导放大器304的PFET P2和NFETN2提供共源共栅放大器设置。P2和N2分别由电压VBP和VBN偏置。
将由互补推挽跨导放大器304放大的信号提供给P1和N1的栅极（也称为互补推挽跨导放大器304的总和节点）。包含在开关电容器网络302中的额外开关S7和S8和电平移位电容器CM用于将要放大的信号和共模电压VCMP提供给P1的栅极。电平移位电容器CM具体用于隔离这两个直流共模电压VCMP和VCMN，同时允许要放大的交流小信号穿入P1的栅极。共模电压VCMP为直流电压并且用于偏置P1，从而P1适当地放大耦合至其栅极的信号。在MDAC300的操作的采样阶段，由时钟信号φ1控制闭合开关S7，并且由时钟信号φ2控制断开开关S8。在MDAC300的操作的放大阶段，由时钟信号φ1控制断开开关S7，并且由时钟信号φ2控制闭合开关S8。
应注意的是，互补推挽跨导放大器304能够具有其他实现方式。例如，互补推挽放大器304的其他实现方式可使用不同的晶体管类型（例如，双极面结型晶体管）配置（例如，非共源共栅配置）和/或其他额外部件。
图4示出了根据本公开实施方式的可在增益、带宽以及速度方面提供比MDAC200更高级的功率效率和/或性能的单端MDAC400。通常，配置MDAC400并且通过与MDAC300相似的方式进行操作。然而，MDAC400将电平移动电容器CM分成两个单独的电平移动电容器：静态电平移位电容器CMS和动态电平移位电容器CMD。在操作的采样和放大阶段，静态电容器CMS保持耦接在P1和N1的栅极之间。另一方面，动态电容器CMD在采样阶段通过共模电压VCMP和VCMN充电，并且在放大阶段分别在P1和N1的栅极上逐渐建立所需要的共模电压VCMP和VCMN。与MDAC300中的CM相比，这种分立的电容器配置允许减小电容器CMD的尺寸，这就相应地允许减小开关S7和S8的尺寸。例如，在使用传输晶体管实现开关S7和S8的情况下，可减小传输晶体管的沟道的宽长比。而且，在电容器CMS和CMD之间进行的电荷平均就减小了这两个电容器上的采样噪声。
图5示出了根据本公开实施方式的可在带宽和速度方面提供比MDAC200更高级的功率效率和/或性能的差分MDAC500。通常，配置MDAC500并且通过与MDAC300相似的方式进行操作。然而，MDAC500为差分的并且包括两个端部：第一端，包括开关电容器网络502A并且与互补推挽跨导放大器504的左侧连接；以及第二端，包括开关电容器网络502B并且与互补推挽跨导放大器504的右侧连接。MDAC500的第一端处理模拟输入VIN+和DAC输出VREF+的正端，以提供剩余输出信号VOUT+的正端，并且MDAC500的第二端提供模拟输入VIN-和DAC输出VREF-的负端，以提供剩余输出信号VOUT-的负端。在至少一个实施方式中，MDAC500的左右侧（理想地）对称，并且包括以相同的方式设置的相似部件。
应注意的是，在MDAC500的其他实现方式中，可以以与图4中所示相似的分立配置实施电平移位电容器CMA和CMB。
应进一步注意的是，在本文中所公开的开关电容器网络和互补推挽跨导放大器配置不限于具有MDAC的应用。例如，图6示出了根据本公开实施方式的具有更广义的形式的在图5中所示的MDAC500的基本配置。具体而言，已经修改了在图6中的开关电容器网络602A和602B，以省略开关S2A、S2B、S5A和S5B以及电容器CMA和CMB。由于进行了修改，所以开关电容器网络602A和602B与互补推挽放大器一起配置为广义的单位增益放大器600（或缓冲器）。由单位增益放大器600接收的差分输入信号VIN+/-进行单位增益放大，并且通过差分输出信号VOUT+/-由单位增益放大器输出。
本领域的技术人员会理解的是，可将单位增益放大器600修改为包括诸如电阻器、电感器、电容器以及开关的其他部件，以实现多个不同的功能。例如，可将单位增益放大器600修改为包括诸如电阻器、电感器、电容器以及开关的其他部件，以实现非单一的增益功能。此外，可修改单位增益放大器600，从而可以以与图4中所示相似的分立配置实施电平移位电容器CMA和CMB。
图7示出了根据本公开实施方式的作为单位增益放大器600的变型的单位增益放大器700。具体而言，已经将图7中的开关电容器网络702A和702B修改为省略开关S7A、S7B、S8A和S8B以及电容器CMA和CMB，并且进一步包括开关S9A、S9B、S10A和S10B以及电容器CF2A和CF1A。通常，开关S9A和S10A以及电容器CF2A与上述开关S3A和S6A以及电容器CF1A的运行方式相同。同样，开关S9B和S10B以及电容器CF2B与上述开关S3B和S6B以及电容器CF1B的运行方式相同。
本领域的技术人员会理解的是，可将单位增益放大器700修改为包括诸如电阻器、电感器、电容器以及开关的其他部件，以实现多个不同的功能。例如，可将单位增益放大器700修改为包括诸如电阻器、电感器、电容器以及开关的其他部件，以实现非单一的增益功能。
本领域的技术人员会进一步理解的是，在图5至图7中所示的差分放大器可进一步包括尾电流源，其耦接至NFET放大部件和/或PFET放大部件的源极（即，图5至图7中所示的差分放大器可实施为源极耦接的对放大器，或者在英国文献中可称为长尾对放大器）。通常，进一步使用尾电流源，有助于使不同的放大器的两侧的偏置电流与放大器的输入共模水平无关。
而且，本领域的技术人员会进一步理解的是，可容易地将图6和图7中所示的差分放大器修改为在其他实现方式中用作单端单位增益放大器。该修改可与实现在图6和图7中所示的差分放大器的两个对称侧中的仅仅一个一样简单。图6中所示的单端版本的单位增益放大器中的电平移位电容器CMA（或CMB）可以以与图4中所示的相似的分离配置实施。
III、结论
已经借助于阐述特定功能及其关系的实现方式的功能性构件，描述了本公开。为了便于进行描述，已经在本文中任意地限定了这些功能性构件的界限。只要适当地执行这些特定功能及其关系，就可限定可选的界限。

Claims (8)

1.一种用于放大输入信号的开关电容器放大器，包括：
第一开关，被配置为将所述输入信号耦合至采样电容器的第一端；
第二开关，被配置将第一DC信号耦合至所述采样电容器的第二端；
第三开关，被配置为将互补推挽放大器的输出耦接至所述采样电容器的所述第一端；
第四开关，被配置为将所述互补推挽放大器的第一总和节点耦接至所述采样电容器的所述第二端；以及
第五开关，被配置为将动态电平移位电容器的第一端耦接至所述互补推挽放大器的第二总和节点，其中，所述动态电平移位电容器的第二端耦接至所述采样电容器的所述第二端；以及
第六开关，被配置为将第二DC信号耦合至所述动态电平移位电容器的所述第一端。
2.根据权利要求1所述的开关电容器放大器，进一步包括：静态电平移位电容器，耦接在所述互补推挽放大器的所述第一总和节点和所述互补推挽放大器的所述第二总和节点之间。
3.根据权利要求1所述的开关电容器放大器，进一步包括：
第七开关，被配置为将所述输入信号耦合至额外的采样电容器的第一端；以及
第八开关，被配置为将数模转换器(DAC)输出信号耦合至所述额外的采样电容器的所述第一端。
4.一种流水线式模数转换器(ADC)的转换器级，包括：
ADC，被配置为将模拟输入信号转换成数字输出信号；以及
乘法数模转换器(MDAC)，包括：
第一开关，被配置为将所述模拟输入信号耦合至采样电容器的第一端；
第二开关，被配置为将第一DC信号耦合至所述采样电容器的第二端；
第三开关，被配置为将互补推挽放大器的输出耦接至所述采样电容器的所述第一端；以及
第四开关，被配置为将所述互补推挽放大器的第一总和节点耦接至所述采样电容器的所述第二端；
第五开关，被配置为将动态电平移位电容器的第一端耦接至所述互补推挽放大器的第二总和节点耦合，其中，所述动态电平移位电容器的第二端耦接至所述采样电容器的所述第二端；以及
第六开关，被配置为将第二DC信号耦合至所述动态电平移位电容器的所述第一端。
5.根据权利要求4所述的转换器级，进一步包括：静态电平移位电容器，耦接在所述互补推挽放大器的所述第一总和节点和所述互补推挽放大器的第二总和节点之间。
6.根据权利要求4所述的转换器级，进一步包括：
第七开关，被配置为将所述模拟输入信号耦合至额外的采样电容器的第一端；以及
第八开关，被配置为将数模转换器(DAC)输出信号耦合至所述额外的采样电容器的所述第一端。
7.一种用于放大输入信号的开关电容器放大器，包括：
互补推挽放大器；以及
开关电容器网络，包括：
第一开关，被配置为将所述输入信号耦合至采样电容器的第一端；
第二开关，被配置为将第一DC信号耦合至所述采样电容器的第二端；
第三开关，被配置为将所述互补推挽放大器的输出耦接至所述采样电容器的所述第一端；以及
第四开关，被配置为将所述互补推挽放大器的第一总和节点耦接至所述采样电容器的所述第二端，
第五开关，被配置为将动态电平移位电容器的第一端耦接至所述互补推挽放大器的第二总和节点耦合，其中，所述动态电平移位电容器的第二端耦接至所述采样电容器的所述第二端；以及
第六开关，被配置为将第二DC信号耦合至所述动态电平移位电容器的所述第一端。
8.一种用于放大输入信号的开关电容器放大器，包括：
第一开关，被配置为将所述输入信号耦合至第一采样电容器的第一端以及第二采样电容器的第一端；
第二开关，被配置为将DC信号耦合至所述第一采样电容器的第二端；
第三开关，被配置为将DC信号耦合至所述第二采样电容器的第二端；
第四开关，被配置为将互补推挽放大器的输出耦接至所述第一采样电容器的第一端以及所述第二采样放大器的第一端；
第五开关，被配置为将所述互补推挽放大器的第一总和节点耦接至所述第一采样电容器的第二端；以及
第六开关，被配置为将所述互补推挽放大器的第二总和节点耦接至所述第二采样电容器的第二端。
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