CN105162465B - 一种提高流水线型模数转化器中余量放大器建立速度电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高流水线型模数转化器中余量放大器建立速度的电路。该电路包含了一个带电容补偿的两级运算放大器OPA、一个采样电容Cs、一个反馈电容Cf、一个负载电容Cl、一个Sub‑dac电路和开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5。此电路通过将两级运算放大器的内部节点预充到高电位，加快运算放大器输出端的电压建立，从而减小运算放大器单位带宽积的设计要求，降低运算放大器的功耗。最终实现模拟数字转化器的低功耗设计。

Description

一种提高流水线型模数转化器中余量放大器建立速度电路

技术领域

本发明涉及半导体集成电路技术领域，特别涉及流水线型模数转化器。

背景技术

在过去的几十年中，集成电路技术得到了迅猛的发展。特别是以通讯为首的电子系统，向着高速率、高性能、高集成度、低成本的方向不断向前发展。这就对系统中的各个模块提出了更高的要求。如模数转化器，系统要求提高模数转化器的采样速率、量化精度等要求的同时，也希望提高模数转化器的转化效率，降低其功耗。

随着采样速率的提高，流水线模数转化器中余量放大器的建立时间变短。对于传统的流水线电路，只能通过增加运算放大器的功耗来提高带宽，提高余量放大器的建立速度。然而，在同一工艺条件不变的前提下，通过增加功耗并不能有效地提高高速运算放大器的带宽。而且，在增加运算放大器的带宽的同时，会降低其直流增益，降低余量放大器的有效建立精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种提高流水线型模数转化器中余量放大器建立速度电路，可以在不增加电路功耗的前提下提高余量放大器输出信号的建立速度。

为达到上述目的，本发明提供了一种提高流水线型模数转化器中余量放大器建立速度电路，其特征在于：包含一个带内部复位开关的两级运算放大器OPA，输入采样电容Cs，反馈电容Cf，负载电容Cl，一个sub-dac电路和开关S1、开关S2、开关S3；所述的运算放大器OPA包含复位开关S4、复位开关S5，补偿电容Cc；所述的运算放大器OPA的第一级输出跨导为gm1，第二级输出跨导为gm2；所述的补偿电容Cc跨接在运算放大器OPA的第一级输出端和运算放大器OPA的第二级输出端之间；所述的反馈电容Cf跨接在运算放大器OPA的第一级输入端和运算放大器OPA的第二级输出端，输入采样电容Cs接在运算放大器OPA的第一级输入端，运算放大器OPA的第二级输出端通过电容C1接地；所述的余量放大器以单端电路显示，开关S1连接在模拟信号输入端和输入采样电容Cs之间，开关S2与sub-dac电路连接，开关S3连接在运算放大器OPA的第一级输入端和虚拟地之间，所述的复位开关S4连接在运算放大器OPA的第一级输出端和虚拟地之间，复位开关S5连接在运算放大器OPA的第二级输出端和虚拟地之间；当余量放大器进入余量放大阶段，所述的运算放大器OPA需要从复位状态切换成正常的放大模式，复位开关S4先断开，经过延时量Δt后，复位开关S5再断开。

所述的Sub-dac电路，在开关S3断开时，量化输入信号，并将结果通过开关S2输入到余量放大器的电容反馈网络。

所述电路在采样时刻点，所述开关S3从闭合状态切换到断开状态，所述开关S1、复位开关S4、复位开关S5处于闭合状态，开关S2处于断开状态；当开关S3完全断开后，开关S1断开，其它开关保持不变；随后，开关S2由断开状态切换到闭合状态，复位开关S4由闭合状态切换到断开状态；开关S2的闭合可以早于复位开关S4的断开；复位开关S4断开Δt时间后，复位开关S5断开；余量放大器进入复位相位时，开关S2从闭合状态切换到断开状态早于开关S1从闭合状态切换到断开状态。

所述电路，当余量放大器进入余量放大相位时，延迟运算放大器OPA输出端的复位开关S5由闭合状态切换到断开状态；将运算放大器OPA的第一级输出端vo1预充到一定的电压值；当复位开关S5断开时，运算放大器OPA的第一级输出端vo1的电位，可以加快运算放大器OPA第二级的建立速度。

附图说明

图1为本发明一种提高流水线型模数转化器中余量放大器建立速度电路的结构图；

图2为本发明一种提高流水线型模数转化器中余量放大器建立速度电路的工作时序图；

图3为本发明一种提高流水线型模数转化器中余量放大器建立速度电路在不同延时量下，余量放大器的建立情况对比图。

具体实施例

下面结合附图对本发明作进一步描述。

本发明的电路结构如图1所示。包含一个带内部复位开关的两级运算放大器OPA，输入采样电容Cs，反馈电容Cf，负载电容Cl，一个sub-dac电路和开关S1、开关S2、开关S3；所述的余量放大器以单端电路显示，开关S1连接在模拟信号输入端和输入采样电容Cs之间，开关S2与sub-dac电路连接，开关S3连接在运算放大器OPA的第一级输入端和虚拟地之间，所述的复位开关S4连接在运算放大器OPA的第一级输出端和虚拟地之间，复位开关S5连接在运算放大器OPA的第二级输出端和虚拟地之间。图2是本发明电路的工作时序，当时序信号为高时，开关闭合；反之，开关断开。

在输入跟随相位，开关S1、开关S3、复位开关S4、复位开关S5都处于闭合状态，而开关S2处于断开状态。开关信号S3的下降沿是本发明的采样时刻点。开关S3的下降沿必须超前开关S1、复位开关S4、复位开关S5的下降沿和开关S2的上升沿。假设在采样时刻点，模数转化器的模拟输入信号的差分电压为va。那么采样电容上的电压被锁定在va。

随后，开关S1断开，开关S2闭合。开关S2的作用是将模数转化器的输入电压的量化结果和输入信号相减。假设量化结果为vax。那么在开关S2闭合后，电容Cs需要转移到电容Cf上的总电荷量为

Q0＝(va-vax)*Cs

当余量放大器建立完成后，余量放大器的输出为

复位开关信号S4的下降沿可以和开关信号S2的上升沿重合，或者滞后于开关信号S2。当复位开关S4断开后，两级运算放大器的第一级输出端vo1开始充电。将复位开关S4断开的时刻点记为t＝0。此时运算放大器的输入端电压是

在复位开关S5断开前，运算放大器的输入端电压vi不变，即

经过Δt时间后，vo1的电压为

其中gm1是运算放大器第一级的跨导值，Cc是运算放大器的补偿电容值。

当复位开关S5断开时，运算放大器OPA的第二级输出端vo开始充放电。由于运算放大器OPA的第一级输出端vo1被预充到一个非零电位，并且该电位的极性和运算放大器的最终输出电压的极性相反。而运算放大器的第二级是一个反向放大器。在复位开关S5断开的瞬间，运算放大器的输出端输出一个大电流

该输出电流和余量放大器的最终建立电压的极性是一致的，可以加快余量放大器的建立。而在传统的余量放大器电路中，复位开关S4、复位开关S5是同时断开的。在断开的瞬间，运算放大器的输出端的初始电流为零。

设定Cs＝6.4pF，Cf＝0.8pF，Cc＝1pF，Cl＝1pF，gm1＝8mS，gm2＝20mS。复位开关S4在第1ns断开。而复位开关S5分别延时0n、1n、1.5n后断开。电路的输入va-vax＝125mV。图3是运算放大器输出端vo的响应波形图。图中的实线、点虚线、点线分别对应Δt为0n、1n、1.5n。如果要求余量放大器建立到千分之一的误差，那么需要的建立时间分别是7.91n、5.34n、8.65n。从建立的结果可以知道，只要设定合适的延时量Δt，就可以加快余量放大器的建立。使用本发明提供的方法，只需调整运算放大器输出端复位开关的时序，即可减小余量放大器的建立时间，提高模数转化器的最高转化速率。

Claims (4)

1.一种提高流水线型模数转化器中余量放大器建立速度电路，其特征在于:包含一个带内部复位开关的两级运算放大器OPA，输入采样电容Cs，反馈电容Cf，负载电容Cl，一个sub-dac电路和开关S1、开关S2、开关S3；所述的运算放大器OPA包含复位开关S4、复位开关S5，补偿电容Cc；所述的运算放大器OPA的第一级输出跨导为gm1，第二级输出跨导为gm2；所述的补偿电容Cc跨接在运算放大器OPA的第一级输出端和运算放大器OPA的第二级输出端之间；所述的反馈电容Cf跨接在运算放大器OPA的第一级输入端和运算放大器OPA的第二级输出端，输入采样电容Cs接在运算放大器OPA的第一级输入端，运算放大器OPA的第二级输出端通过电容C1接地；所述的余量放大器以单端电路显示，开关S1连接在模拟信号输入端和输入采样电容Cs之间，开关S2与sub-dac电路连接，开关S3连接在运算放大器OPA的第一级输入端和虚拟地之间，所述的复位开关S4连接在运算放大器OPA的第一级输出端和虚拟地之间，复位开关S5连接在运算放大器OPA的第二级输出端和虚拟地之间；当余量放大器进入余量放大阶段，所述的运算放大器OPA需要从复位状态切换成正常的放大模式，复位开关S4先断开，经过延时量Δt后，复位开关S5再断开。

2.根据权利要求1所述的一种提高流水线型模数转化器中余量放大器建立速度电路，其特征在于：所述的sub-dac电路，在开关S3断开时，量化输入信号，并将结果通过开关S2输入到余量放大器的电容反馈网络；在开关S1和开关S3断开后，开关S2闭合，sub-dac电路将量化后的模拟信号输入到电容Cs，在复位开关S4和复位开关S5断开后，运算放大器OPA和采样电容Cs以及反馈电容Cf形成的电容反馈网络进入建立放大阶段，建立完成后得到余量放大器的输出电压。

3.根据权利要求1所述的一种提高流水线型模数转化器中余量放大器建立速度电路，其特征在于：在采样时刻点，所述开关S3从闭合状态切换到断开状态，所述开关S1、复位开关S4、复位开关S5处于闭合状态，开关S2处于断开状态；当开关S3完全断开后，开关S1断开，其它开关保持不变；随后，开关S2由断开状态切换到闭合状态，复位开关S4由闭合状态切换到断开状态；开关S2的闭合可以早于复位开关S4的断开；复位开关S4断开Δt时间后，复位开关S5断开；余量放大器进入复位相位时，开关S2从闭合状态切换到断开状态早于开关S1从闭合状态切换到断开状态。

4.根据权利要求1所述的一种提高流水线型模数转化器中余量放大器建立速度电路，其特征在于：当余量放大器进入余量放大相位时，延迟运算放大器OPA输出端的复位开关S5由闭合状态切换到断开状态；将运算放大器OPA的第一级输出端vo1预充到一定的电压值；当复位开关S5断开时，运算放大器OPA的第一级输出端vo1的电位，可以加快运算放大器OPA第二级的建立速度。