CN108880549A - 跟踪保持电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种跟踪保持电路，包括：输入缓冲器包含射极跟随器与单位增益放大器，射极跟随器输入模拟信号，其输出连接单位增益放大器，用于在跟踪与保持阶段放大模拟信号并输出；开关辅助模块，连接输入缓冲器的输出端、时钟信号，用于根据时钟信号控制开关的断开或闭合来影响输出信号的共模电平大小；电压钳位模块，连接输入缓冲器输出端，在跟踪阶段，用于以模拟信号输入运算的输出信号；在保持阶段，用于以钳位电压为输入运算的输出信号；采样模块，连接该射极跟随器，用于根据时钟信号控制采样开关的断开或闭合，对输出信号进行跟踪或保持并输出本发明提高了高频线性度，还提高了信号的建立效率以及电路的最大采样带宽。

Description

跟踪保持电路

技术领域

本发明涉及集成电路领域，特别是涉及一种具有高采样带宽与高频线性度的跟踪保持电路。

背景技术

随着应用需求的提高，模拟数字转换器所采样的模拟信号的频率越来越高，当信号频率过高超过数GHz时，要保持良好的采样线性度是很难的，多数模数转换器的线性度会迅速降低，为了解决这样的问题，可以在高速模拟数字转换器加一个采样前端电路，该采样前端电路具备很宽的带宽和良好的线性度，对模拟信号进行采样后再发送给后级的模拟数字转换器进行采样和量化，这样便可以增强高速模数转换器的输入带宽和高频线性度。

目前的采样前端电路主要通过高端工艺实现，比如SiGe双极工艺，利用双极器件非常高的器件截止频率的特点来提高模拟输入带宽，但在电路方面还是采用传统的结构来实现，随着模拟信号频率的增加，模拟输入信号对采样电容上保持的电压影响越来越明显，导致采样电路的线性度会发生明显的降低，不能满足应用需求。

然而，双极工艺下的传统跟踪保持电路由输入缓冲器、开关射极跟随器以及输出缓冲器构成，在保持状态时，由于开关射极跟随器的输入管基极电压被拉低，进入截止状态，同时也使得前级输入缓冲器的中与开关设计跟随器输入管基极相连的双极器件进入饱和状态，当采样电路从保持状态切换进入跟踪状态时，该双极器件从饱和状态进入到正向放大状态需要一定时间，缩短了留给信号的建立时间，从而影响电路的最大采样带宽，同时，在保持状态时，由于开关射极跟随器的基极与发射极之间的寄生电容影响了采样电容的电压，增大了模拟输入信号对采样电容的电压影响，降低了高频线性度。

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跟踪保持电路，用于解决现有技术中跟踪保持电路信号带宽较低以及模拟输入信号频率较高导致其线性度下降的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种跟踪保持电路，包括：

输入缓冲器，包括射极跟随器与单位增益放大器，所述射极跟随器输入差分模拟输入信号，其输出连接单位增益放大器，所述单位增益放大器在跟踪阶段与保持阶段放大差分模拟输入信号并输出；

开关辅助模块，分别连接所述输入缓冲器的输出端、时钟信号，用于根据所述时钟信号控制开关的断开或闭合来影响所述输出信号的共模电平大小，并确保所述单位增益放大器保持在放大状态；

电压钳位模块，连接所述输入缓冲器输出端，在跟踪阶段，用于以所述输出信号为输入运算的输出信号；在保持阶段，用于以钳位电压为输入运算的输出信号；

采样模块，连接所述电压钳位模块，用于根据所述时钟信号控制采样开关的断开或闭合，对所述输出信号进行跟踪或保持并输出。

如上所述，本发明的跟踪保持电路，具有以下有益效果：

通过在超带宽内采样模拟信号，使跟踪状态下采样电容跟踪模拟输入信号，从跟踪状态转换到保持状态后，将模拟输入信号与保持信号进行隔离，同时，在开关射极跟随器的输入管基极连接一固定电平信号，使得该电平电压与连接在开关射极跟随器发射极的采样电容的差值很小，导致输入管进入截止状态，另外，由于该固定电平，在保持状态时降低了其基极与发射极之间的寄生电容对采样电容电压影响，即，降低了模拟输入信号对采样电容电压的影响，从而提高了高频线性度。该保持跟踪电路，在保持状态时，不会造成模拟输入缓冲器的进入饱和状态，使其在整个工作过程中保持正向放大状态，提高了信号的建立效率，也提高电路的最大采样带宽。

附图说明

图1显示为本发明提供的一种跟踪保持电路原理结构图；

图2显示为本发明提供的一种跟踪保持电路电路结构图；

图3显示为本发明提供的图1中射极跟随器电路图；

图4显示为本发明提供的图1中单位增益缓冲器与开关辅助电路电路图；

图5显示为本发明提供的图3中单位增益缓冲器与开关辅助电路工作时序图；

图6显示为本发明提供的图1中电压钳位模块的电路图；

图7显示为本发明提供的图5中电压钳位模块的工作时序图；

图8显示为本发明提供的图1中采样模块的电路图；

图9显示为本发明提供的图7中采样模块的工作时序图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员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与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1，图1显示为本发明提供的一种跟踪保持电路原理结构图，包括：

输入缓冲器1，包括射极跟随器与单位增益放大器，所述射极跟随器输入差分模拟输入信号，其输出连接单位增益放大器，所述单位增益放大器在跟踪阶段与保持阶段放大差分模拟输入信号并输出；

开关辅助模块2，分别连接所述输入缓冲器的输出端、时钟信号，用于根据所述时钟信号控制开关的断开或闭合来影响所述输出信号的共模电平大小，并确保所述单位增益放大器保持在放大状态；

电压钳位模块3，连接所述输入缓冲器输出端，在跟踪阶段，用于以所述输出信号为输入运算的输出信号；在保持阶段，用于以钳位电压为输入运算的输出信号；

采样模块4，连接所述电压钳位模块，用于根据所述时钟信号控制采样开关的断开或闭合，对所述输出信号进行跟踪或保持并输出。

另外，在上述图1基础上，所述跟踪保持电路还包括：驱动模块5，连接于所述采样模块的正向输出端、负向输出端输出差分输出信号，用于提高所述采样模块的信号驱动力。

本实施例中，可将上述跟踪保持电路用于采集模数转换器前端电路，从而提高模数转换器的输入带宽和高频线性度。

请参阅图2，为本发明提供的一种跟踪保持电路电路结构图，包括：

其中，VDD为该实施例电路电压源，GND为该实施例电路地，Vi+和Vi-为该示例电路差分模拟输入信号，CLK+和CLK-为该示例电路差分时钟输入信号，Vr为电压钳位模块3的箝位电压，Vo+和Vo-为驱动模块5的差分输出信号。

在本实施例中，模拟输入信号Vi+和Vi-通过射极跟随器101、102和单位增益放大器109之后，在差分时钟输入信号(CLK+和CLK)的控制下通过开关辅助电路调整单位增益放大器输出信号的共模电平，当时钟信号CLK+为高电平时，整个跟踪保持电路处于跟踪状态，单位增益放大器109正常工作，输出信号的共模电平正常，这时的输出信号电压值均高于后级的(电压钳位模块3)带箝位电压的射极跟随器104和105的箝位电压，所以具有钳位电压射极跟随器104和105选择正常的模拟信号作为输入信号运算输出；当CLK+为低电平时，整个跟踪保持电路处于保持状态，这时单位增益放大器109的输出信号共模电平被开关辅助电路110拉低，降低一定电压值，这时的输出信号电压值均低于后级的带箝位功能的射极跟随器104和105的箝位电压，这时输出信号电压值均低于后级的带箝位功能的射极跟随器104和105的箝位电压，所以具有钳位电压射极跟随器104和105选择箝位电压作为输入信号运算输出。输出的信号通过采样模块106进行采样输出，再通过射极跟随器107和108将差分信号Vo+和Vo-输出，从而增强采样模块的信号驱动能力。

其中，SEF表示开关射极跟随器，与采样电容C1、C2一起组成采样模块106。

请参阅图3，为本发明的跟踪保持电路中使用到的射极跟随器电路图，包括：射极跟随器101、102、107与108，射极跟随器101中信号Vi+通过主输入三极管N7降低一个Vbe(三极管正常工作所需的基极-发射极电压)电压，然后输出V1，同理，射极跟随器102中信号Vi-通过主输入三极管N7降低一个Vbe电压，输出电压V2；射极跟随器107中信号V-通过主输入三极管N7降低一个Vbe电压，输出电压Vo-；射极跟随器108中信号V+通过主输入三极管N7降低一个Vbe电压，输出电压Vo+。

请参阅图4，为本发明跟踪保持电路单位增益缓冲器与开关辅助模块的电路图，所述单位增益缓冲器包括负反馈电阻、负载电阻与放大器组成的差分放大电路，其中，所述差分放大电路两个输入端对应连接差分模拟输入信号，所述放大器一端连接负反馈电阻，其另一端连接负载电阻；所述放大器包括两个三级管与差分输入对管，两个所述三极管分别连接于所述差分输入对管的集电极以保持其电压稳定。

具体地，单位增益缓冲器109为带负反馈电阻R1和R2的放大器，可以提高运放的线性度，该放大器的放大倍数通过负载电阻(R3、R4)与负反馈电阻(R1、R2)的比值决定，Vb为三极管N11和N12的偏置电压，为一个固定电压值，虽然随着差分输入电压(V1-V2)的变化，流过N11和N12的电流会变化，从而导致两个三级管的Vbe电压发生变化，但是根据三极管的器件特性，这种变化很小，从而差分输入对管N9和N10的集电极电压保持相对稳定，因为如果没有三极管N11和N12，输出信号V3和V4的电压变化将直接作用在差分输入对管N9和N10的集电极上，将会严重影响N9和N10的线性度，通过稳定单位增益缓冲器中差分输入对管电压，提高了位增益缓冲器的线性度。

所述开关辅助模块用于当单位增益放大器在保持阶段时，当其向跟踪阶段转变时，降低所述单位增益放大器输出的共模电平电压，以确保所述单位增益放大器处于正向放大状态。

详见图4，所述开关辅助模块包括开关管N1、N2、N3、N4、N5、N6与第一、二恒流源，所述开关管N2与N3的基极连接正向时钟信号，其对应两个发射极对应连接开关管N1、N4的发射极，所述开关管N1、N2的发射极均连接第一恒流源；所述开关管N3、N4的发射极均连接第二恒流源；所述开关管N1、N4的基极连接负向时钟信号，所述开关管N1集电极连接单位增益放大器正向输出端，所述开关管N4集电极连接单位增益放大器负向输出端，所述开关管N2、N3的集电极对应连接开关管N5、N6的发射极，所述开关管N5、N6的基极、集电极均连接电源电压。

请参阅图5，为本发明跟踪保持电电路内单位增益缓冲器和开关辅助模块103工作时序图，V1和V2为射极跟随器101、102的输出模拟信号，V3和V4为整个电路模块103的输出信号，CLK+和CLK-为差分时钟信号控制开关辅助模块110的工作。当时钟CLK+为高电平、CLK-为低电平时，开关管N1和N4关断，开关管N2和N3开启，电流源I1和电流源I2的电流分别全部流过三极管N2和N3，所以输出信号V3和V4不受影响；当时钟CLK+为低电平、CLK-为高电平时，开关管N1和N4开启，开关管N2和N3关断，由于三极管N1和N4的集电极分别与R4和R3相连，所以流过三极管N1的电流I1也从电阻R4中流出，流过三极管N4的电流I2也从电阻R3中流出，这样电阻R3和R4会有额外的电压降ΔV，ΔV＝R4*I1＝R3*I2(R3＝R4，I1＝I2)，输出电压V3和V4会降低ΔV。合理设置ΔV的大小，可以保证单位增益缓冲器109中三极管一直维持在正向放大状态，从而提高信号建立的效率，提高跟踪保持带宽。

请参阅图6，为本发明提供的一种电压钳位模块电路104和105，所述电压钳位模块包括射极跟随器与钳位电压，所述射极跟随器的一输入端连接钳位电压，其另一输入端连接输入缓冲器输出的模拟信号，该射极跟随器用于根据所述输入缓冲器的输出信号中共模电平的电压变化选择输入所述钳位电压或模拟信号。

请参阅图7，为本发明电压钳位模块电路104和105工作时序图，图5中，当Vr大于V3时，所有电流都流过N14，而N13管截止，输出信号V5＝Vr-Vbe；同理，当V3大于Vr时，所有电流都流过N13，而N14管截止，输出信号V5＝V3-Vbe。因此，可以得到图6中所示的输入输出波形图，结合图4中的时序图，也就是当整个跟踪保持电路处在跟踪状态时，射极跟随器电路104和105输出的是模拟信号，当整个跟踪保持电路处在保持状态时，射极跟随器电路104和105输出的是箝位信号。

请参阅图8，为本发明提供的图1中采样模块106的电路图，所述采样模块包括开关射极跟随器与采样电容，其中，所述采样电容包含第一采样电容与第二采样电容，所述开关射极跟随器的输入端连接电压钳位模块的输出端，其控制端连接时钟信号控制开关管断开或闭合，所述开关射极跟随器的正向输出端连接第一采样电容的一端，其另一端接地；所述开关射极跟随器的负向输出端连接第二采样电容的一端，其另一端接地。所述开关射极跟随器的负向输入端与正向输出端连接有第一反馈电容；所述开关射极跟随器的正向输入端与负向输出端连接有第二反馈电容，其中，所述第一采样级信号用于采集正向信号，所述第二采样级信号用于采集负向信号，第一、二反馈电容分别用于提高采样线性度。

请参阅图9，为采样模块106工作时序图，当CLK+为高电平、CLK-为低电平时，开关管N15和N18导通，开关管N16和N17关断，采样模块进入跟踪状态，信号V5通过三极管N19和开关管N15组成的射极跟随器输出到采样电容C1上，信号V6通过三极管N22和开关管N18组成的射极跟随器输出到采样电容C2上，这时V5和V6为前级输出的需要采样的模拟信号；当CLK+为低电平、CLK-为高电平时，开关管N16和N17导通，开关管N15和N18关断，采样模块进入保持模式，采样电容C1和C2上保持的电压值为采样电路由跟踪状态切换到保持状态时对应的模拟信号电压值，这时，V5和V6的电压变为一固定值，如图8所示，且该固定电压值与采样电容C1和C2上保持的电压值相差很小，因此三极管N19和N22的基极-发射极电压值很小，器件截止，同时由于三极管N19和N22的基极电压固定，因此不会通过基极-发射极之间的寄生电容对采样电容C1和C2上的电压造成不利影响，从而提高线性度。

综上所述，本发明通过在超带宽内采样模拟信号，使跟踪状态下采样电容跟踪模拟输入信号，从跟踪状态转换到保持状态后，将模拟输入信号与保持信号进行隔离，同时，在开关射极跟随器的输入管基极连接一固定电平信号，使得该电平电压与连接在开关射极跟随器发射极的采样电容的差值很小，导致输入管进入截止状态，另外，由于该固定电平，在保持状态时降低了其基极与发射极之间的寄生电容对采样电容电压影响，即，降低了模拟输入信号对采样电容电压的影响，从而提高了高频线性度。该保持跟踪电路，在保持状态时，不会造成模拟输入缓冲器的进入饱和状态，使其在整个工作过程中保持正向放大状态，提高了信号的建立效率，也提高电路的最大采样带宽。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 (9)

1.一种跟踪保持电路，其特征在于，包括：

输入缓冲器，包括射极跟随器与单位增益放大器，所述射极跟随器输入差分模拟输入信号，其输出连接单位增益放大器，所述单位增益放大器在跟踪阶段与保持阶段放大差分模拟输入信号并输出；

开关辅助模块，分别连接所述输入缓冲器的输出端、时钟信号，用于根据所述时钟信号控制开关的断开或闭合来影响输出信号的共模电平大小，并确保所述单位增益放大器保持在放大状态；

电压钳位模块，连接所述输入缓冲器输出端，在跟踪阶段，用于以所述输出信号为输入运算的输出信号；在保持阶段，用于以钳位电压为输入运算的输出信号；

采样模块，连接所述电压钳位模块，用于根据所述时钟信号控制采样开关的断开或闭合，对所述输出信号进行跟踪或保持并输出。

2.根据权利要求1所述的跟踪保持电路，其特征在于，所述单位增益缓冲器包括负反馈电阻、负载电阻与放大器组成的差分放大电路，其中，所述差分放大电路两个输入端对应连接差分模拟输入信号，所述放大器一端连接负反馈电阻，其另一端连接负载电阻。

3.根据权利要求2所述的跟踪保持电路，其特征在于，所述放大器包括两个三级管与差分输入对管，两个所述三极管分别连接于所述差分输入对管的集电极以保持其电压稳定。

4.根据权利要求1所述的跟踪保持电路，其特征在于，所述开关辅助模块用于当单位增益放大器在保持阶段时，降低所述单位增益放大器输出的共模电平电压，并确保所述单位增益放大器处于正向放大状态。

5.根据权利要求1所述的跟踪保持电路，其特征在于，所述开关辅助模块包括开关管N1、N2、N3、N4、N5、N6与第一、二恒流源，所述开关管N2与N3的基极连接正向时钟信号，其对应两个发射极对应连接开关管N1、N4的发射极，所述开关管N1、N2的发射极均连接第一恒流源；所述开关管N3、N4的发射极均连接第二恒流源；所述开关管N1、N4的基极连接负向时钟信号，所述开关管N1集电极连接单位增益放大器正向输出端，所述开关管N4集电极连接单位增益放大器负向输出端，所述开关管N2、N3的集电极对应连接开关管N5、N6的发射极，所述开关管N5、N6的基极、集电极均连接电源电压。

6.根据权利要求1所述的跟踪保持电路，其特征在于，所述电压钳位模块包括射极跟随器与钳位电压，所述射极跟随器的一输入端连接钳位电压，其另一输入端连接输入缓冲器输出的模拟信号，该射极跟随器用于根据所述输入缓冲器的输出信号的共模电压变化选择输入所述钳位电压或模拟信号。

7.根据权利要求1所述的跟踪保持电路，其特征在于，所述采样模块包括开关射极跟随器与采样电容，其中，所述采样电容包含第一采样电容与第二采样电容，所述开关射极跟随器的输入端连接电压钳位模块的输出端，其控制端连接时钟信号控制开关管断开或闭合，所述开关射极跟随器的正向输出端连接第一采样电容的一端，其另一端接地；所述开关射极跟随器的负向输出端连接第二采样电容的一端，其另一端接地。

8.根据权利要求7所述的跟踪保持电路，其特征在于，所述开关射极跟随器的负向输入端与正向输出端连接有第第一反馈电容；所述开关射极跟随器的正向输入端与负向输出端连接有第二反馈电容。

9.根据权利要求1所述的跟踪保持电路，其特征在于，包括：驱动模块，连接于所述采样模块的正向输出端、负向输出端输出差分输出信号；用于提高所述采样模块的信号驱动力。