CN104467850A - 用于高性能低功耗模数转换器的偏置电路 - Google Patents

用于高性能低功耗模数转换器的偏置电路 Download PDF

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王科
范超杰
陈东坡
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Abstract

本发明提供一种用于高性能低功耗模数转换器的偏置电路。该偏置电路至少包括：用于提供与温度不相关的电压的带隙基准电压源电路；用于放大并稳定所述带隙基准电压源电路输出的电压的反馈稳定电路，其包含运算放大器及负反馈网络；用于将所述反馈稳定电路输出的电压拆分为电流成比例的多路，以分别提供给模数转换器的不同级的输出驱动电路。由于能向模数转换电路提供多路偏置电压，由此可避免模数转换电路的第一级电路对后面奇数级电路的干扰。

Description

用于高性能低功耗模数转换器的偏置电路
技术领域
本发明涉及电路领域，特别是涉及一种用于高性能低功耗模数转换器的偏置电路。
背景技术
偏置电路在模数转换器中起着关键的作用，直接影响整个系统的线性度和信噪比。在流水线型模数转换器中，每次采样保持过程都需要对电容进行充放电以完成电荷的转移，这就会导致很大的瞬态电流，直接使偏置电压发生大幅度的抖动，结果就会恶化整个系统的性能。
如图1所示，其为一种流水线型模数转换器的结构示意图。该模数转换器通过时钟电路来控制奇数级和偶数级模块的采样和保持过程，当偶数级电路保持输出的时候，奇数级电路对信号进行采样，第一级电路在每个时钟周期都可以采样新的输入信号，这样交替进行就形成了流水线工作模式。其中，偏置电路为每一级提供参考电压，后端数字电路作用是将每一级得到的数据延迟相加得到相应的数字输出量。由于流水线型模数转换器每一级都有增益，越往后级对性能的要求越低，所以电流分配依次按比例缩减以降低整体功耗。
在流水线型模数转换器前端一般会采用高线性度的采样保持电路用于降低后级的设计难度，但这会增加额外的噪声和功耗。近几年，前端无采样保持电路技术正在被广泛应用，这样不仅可以减小功耗和噪声，同时可以最小化第一级的采样电容容量，使得模数转换器更容易被驱动。当然这种结构也存在一些问题，首先，第一级主电路和子电路的采样点很难保证在同一时刻，特别在高频输入的时候更加恶化电路性能；其次，主电路需要等子电路的结果出来后再开始保持输出的过程，这相当于减少了主电路用于稳定输出的时间；第三，偏置电路输出一路偏置电压作为所有模块的参考电压，这个电压会被第一级电路充放电所干扰而产生大幅抖动，这将会影响后面奇数级电路的保持过程，从而增加了整个系统的噪声，在前端无采样保持电路的模数转换器中，系统性能会恶化的更严重。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于高性能低功耗模数转换器的偏置电路，以避免模数转换器的第一级电路对后面奇数级电路的干扰。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于高性能低功耗模数转换器的偏置电路，其至少包括：
带隙基准电压源电路，用于提供与温度不相关的电压；
反馈稳定电路，包含运算放大器及负反馈网络，用于放大并稳定所述带隙基准电压源电路输出的电压；
输出驱动电路，用于将所述反馈稳定电路输出的电压拆分为电流成比例的多路，以分别提供给模数转换器的不同级。
优选地，所述运算放大器采用折叠级联结构；更为优选地，所述运算放大器包含共模反馈电路。
优选地，所述负反馈网络包括电阻及用于滤除高频干扰的电容；更为优选地，所述电容采用MOS管形成。
优选地，所述带隙基准电压源电路基于两个三极管来产生与温度不相关的电压；更为优选地，所述带隙基准电压源电路包括低压差线性稳压电路及单位负反馈驱动电路；更为优选地，所述带隙基准电压源电路还包括启动电路。
优选地，所述模数转换器包括无采样保持电路的模数转换器。
如上所述，本发明的用于高性能低功耗模数转换器的偏置电路，具有以下有益效果：能向同一模数转换器提供多路偏置电压，由此可有效避免模数转换器中第一级电路对后面奇数级电路的干扰。
附图说明
图1显示为现有技术中的模数转换器的结构示意图。
图2显示为本发明的用于高性能低功耗模数转换器的偏置电路示意图。
图3显示为本发明的用于高性能低功耗模数转换器的偏置电路中的带隙基准电压源电路的优选示意图。
图4显示为本发明的用于高性能低功耗模数转换器的偏置电路中的反馈稳定电路的优选示意图。
图5显示为本发明的用于高性能低功耗模数转换器的偏置电路中的输出驱动电路的优选示意图。
元件标号说明
1                        偏置电路
11                       带隙基准电压源电路
111                      启动电路
112                      基准电压主电路
113                      输出缓冲级
12                       反馈稳定电路
121                      运放偏置电路
122                      运放主结构
123                      共模反馈电路
13                       输出驱动电路
131、132                 单元电路
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图2至图5。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图2所示，本发明提供一种用于高性能低功耗模数转换器的偏置电路。该模数转换器为流水线型模数转换器，可为前端有采样保持电路的模数转换器，优选为前端无采样保持电路的模数转换器。
所述偏置电路1包括：带隙基准电压源电路11、反馈稳定电路12、以及输出驱动电路13。
所述带隙基准电压源电路11用于提供与温度不相关的电压。
一种优选的带隙基准电压源电路如图3所示，该带隙基准电压源电路11包括：启动电路111、基准电压主电路112、输出缓冲级113。
所述启动电路111用于使电路脱离零电流状态而进入正常工作状态。
所述基准电压主电路112通过两个三极管产生与温度成正比的电压ΔVbe，由于三极管自身电压Vbe是负温度系数，故电压ΔVbe与电压Vbe线性相加产生一个与温度不相关的电压VX。
所述输出缓冲级113由一个低压差线性稳压电路和一个单位负反馈驱动电路组成，其中低压差线性稳压电路输出不受电源电压变化影响的稳定电压VY，并使电压VY等于输入电压VX；单位负反馈驱动电路中的运算放大器A3是两级放大电路以实现高增益，其输出电压VO。
所述反馈稳定电路12包含运算放大器A及负反馈网络，用于放大并稳定所述带隙基准电压源电路11输出的电压。
其中，运算放大器A为折叠级联结构以提供高增益，电阻R1至R4及MOS管M1、P1构成负反馈网络，保证输出恒定的电压偏置而不受电源电压影响。为了稳定输出共模电压，运算放大器A内部加入了共模反馈电路；电阻R5、R6为负载电阻提供电流，由MOSM3、M3形成的电容用于滤除由电源引入的高频干扰。
一种优选的运算放大器电路如图4所示，该运算放大器包括：运放偏置电路121、运放主结构122和共模反馈电路123。其中，电压VCM为输入的共模电压。共模反馈电路123通过二极管连接方式的MOS管M17与运放主结构122相连形成共模负反馈。共模反馈电阻R18、R19足够大以防止其降低小信号增益，但同时需要考虑芯片面积，在本电路中R18、R19的电阻值为35K欧姆。
优选的，前述图3所示的带隙基准电压源电路中的运算放大器A1、A2及A3也可采用图4所示的电路。
所述输出驱动电路13用于将所述反馈稳定电路12输出的电压拆分为电流成比例的多路，以分别提供给模数转换器的不同级。
一种优选的输出驱动电路13如图5所示，该输出驱动电路13包括单元电路131及132，以输出两路并行的差分电压。其中，单元电路131用于向模数转换器的前两级电路提供偏置电压，单元电路132用于向模数转换器的第三级至最后一级电路提供偏置电压，通过分开偏置可有效消除模数转换器的第一级电路对后级奇数级电路的影响，这样可以降低后级电路功耗和由于干扰导致的非线性，提高了整个模数转换器的信噪比和线性度，在低功耗高性能的模数转换器中起着重要的作用。单元电路131及132的电流成一定比例，以保证输出相同的差分电压，单元电路131及132中各MOS管尺寸和电阻值如下表所示：
MOS管 M26 M27 M28 M29
尺寸（μm/μm） 16/0.18*26 18/0.18*52 16/0.18*4 18/0.18*8
电阻 R30 R31 R32 R33
阻值（Ω） 40 24 260 156
综上所述，本发明的用于高性能低功耗模数转换器的偏置电路能并行输出两路偏置电压，一路用于模数转换器的前两级电路，另一路用于模数转换器的第三级至最后一级电路，由此，在不引入额外功耗和电路设计复杂度的情况下，能有效抑制模数转换器第一级电路对后面奇数级电路的扰动，加快了后级电路的保持过程，使得在设计高性能低功耗的模数转换器时可以使用增益带宽积较小的运算放大器，从而降低了系统的噪声和功耗。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种用于高性能低功耗模数转换器的偏置电路，其特征在于，所述用于高性能低功耗模数转换器的偏置电路至少包括：
带隙基准电压源电路，用于提供与温度不相关的电压；
反馈稳定电路，包含运算放大器及负反馈网络，用于放大并稳定所述带隙基准电压源电路输出的电压；
输出驱动电路，用于将所述反馈稳定电路输出的电压拆分为电流成比例的多路，以分别提供给模数转换器的不同级。
2.根据权利要求1所述的用于高性能低功耗模数转换器的偏置电路，其特征在于：所述运算放大器采用折叠级联结构。
3.根据权利要求1或2所述的用于高性能低功耗模数转换器的偏置电路，其特征在于：所述运算放大器包含共模反馈电路。
4.根据权利要求1所述的用于高性能低功耗模数转换器的偏置电路，其特征在于：所述负反馈网络包括电阻及用于滤除高频干扰的电容。
5.根据权利要求4所述的用于高性能低功耗模数转换器的偏置电路，其特征在于：所述电容采用MOS管形成。
6.根据权利要求1所述的用于高性能低功耗模数转换器的偏置电路，其特征在于：所述带隙基准电压源电路基于两个三极管来产生与温度不相关的电压。
7.根据权利要求6所述的用于高性能低功耗模数转换器的偏置电路，其特征在于：所述带隙基准电压源电路包括低压差线性稳压电路及单位负反馈驱动电路。
8.根据权利要求6或7所述的用于高性能低功耗模数转换器的偏置电路，其特征在于：所述带隙基准电压源电路包括启动电路。
9.根据权利要求1所述的用于高性能低功耗模数转换器的偏置电路，其特征在于：所述输出驱动电路包括电阻及MOS管。
10.根据权利要求1所述的用于高性能低功耗模数转换器的偏置电路，其特征在于：所述模数转换器包括无采样保持电路的模数转换器。
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