CN113872602B - 一种带缓冲器的前端采样电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种带缓冲器的前端采样电路，包括：采样模块、自举开关、驱动模块、缓冲模块和偏置模块；所述驱动模块包括第一连接端和第二连接端，所述采样模块包括输入端、输出端和偏移端；所述缓冲模块包括输入端、输出端和第三连接端；所述第一连接端与所述自举开关的一端连接，所述自举开关的另一端与所述采样模块的偏移端连接；所述缓冲模块的输入端对接输入信号，所述缓冲模块的输出端分别连接所述第二连接端、所述偏置模块的一端以及所述采样模块的输入端；所述第三连接端与所述第一连接端连接；所述偏置模块的另一端接地；本发明可有效提高采样网络的线性度。
Description
技术领域
本发明涉及模拟集成电路领域，尤其涉及一种带缓冲器的前端采样电路。
背景技术
现有技术要么采用开关电容的采样保持结构，要么采用了前端带缓冲器的开关电容保持结构，这两种方式都需要采用自举开关结构进行设计，采用无缓冲器自举开关结构从输入端来看则看到额外的自举电容，以及采样电容，这会增大输入驱动的难度。而带前端缓冲器的自举开关电路则在缓冲器输出端看到一个自举电容和采样电容，这会加重缓冲器的负载并影响采样网络的线性度。本发明为减小输入缓冲器看到的驱动电容大小，提升缓冲器输入管的线性度，采用了额外的偏置网络对缓冲器偏置进行了偏置跟随的方式，从而能确保缓冲输入管三端电压的相对恒定，从而提升采样网络线性度。
发明内容
鉴于以上现有技术存在的问题，本发明提出一种带缓冲器的前端采样电路，主要解决现有缓冲器负载过重影响采样线性度的问题。
为了实现上述目的及其他目的，本发明采用的技术方案如下。
一种带缓冲器的前端采样电路，包括：
采样模块，
自举开关，用于为所述采样模块提供固定的电压偏移；
驱动模块，用于为所述自举开关提供偏置电压，以使所述自举开关输出固定的电压偏移；
缓冲模块，用于提供跟随输入信号变化的输出信号；
偏置模块，用于为所述缓冲模块提供电流偏置；
所述驱动模块包括第一连接端和第二连接端，所述采样模块包括输入端、输出端和偏移端；所述缓冲模块包括输入端、输出端和第三连接端；所述第一连接端与所述自举开关的一端连接，所述自举开关的另一端与所述采样模块的偏移端连接；所述缓冲模块的输入端对接输入信号，所述缓冲模块的输出端分别连接所述第二连接端、所述偏置模块的一端以及所述采样模块的输入端；所述第三连接端与所述第一连接端连接；所述偏置模块的另一端接地。
可选地，所述驱动模块包括用于根据输入信号控制偏置电压跟随所述输入信号变换的偏置网络和用于控制所述驱动模块驱动电压输出的开关单元；所述开关单元包括第四连接端、第五连接端和第六连接端；所述第四连接端作为所述驱动模块的输出端；所述第五连接端与所述偏置网络的一端连接，所述第六连接端对接电源；所述偏置网络的另一端作为所述驱动模块的第二连接端。
可选地，所述偏置网络包括电流源、电阻和电容；所述电阻和电容并联后的一端分别连接所述电流源的输出端和所述开关单元的第五连接端；所述电阻和电容并联后的另一端作为所述驱动模块的第二连接端。
可选地，所述开关单元包括第一MOS管，所述第一MOS管的栅极作为所述第五连接端；所述第一MOS管的源极作为所述第四连接端；所述第一MOS管的漏极作为所述第六连接端。
可选地，所述缓冲模块包括第二MOS管，所述第二MOS管的栅极作为所述缓冲模块的输入端；所述第二MOS管的源极作为所述缓冲模块的输出端；所述第二MOS管的漏极作为所述第三连接端。
可选地，所述自举开关包括自举电容、第一相位开关、第二相位开关、第三相位开关以及第四相位开关；所述自举电容的一端分别连接所述第一相位开关的一端和所述第三相位开关的一端；所述自举电容的另一端分别连接所述第二相位开关的一端和所述第四相位开关的一端；所述第一相位开关的另一端与所述驱动模块的输出端连接；所述第二相位开关的另一端与所述采样模块的偏移端连接；所述第三相位开关的另一端以及所述第四相位开关的另一端分别连接外加电压的负端和正端。
可选地，所述第三相位开关和所述第四相位开关闭合时，由外加电压对所述自举电容充电；所述第一相位开关和所述第二相位开关闭合时，由所述驱动模块为经过充电的所述自举电容提供偏置电压。
可选地，所述采样模块的第三MOS管和采样电容；所述第三MOS管的栅极作为所述采样模块的偏移端；所述第三MOS管的源极作为所述采样模块的输入端；所述第三MOS管的漏极与所述采样电容的一端连接作为所述采样模块的输出端；所述采样电容的另一端接地。
可选地，所述偏置模块包括第四MOS管和第五MOS管；所述第五MOS管的漏极与所述缓冲模块的输出端连接；所述第五MOS管的源极与所述第四MOS管的漏极连接，所述第四MOS管的源极接地；所述第四MOS管的栅极对接第一外接偏置电压；所述第五MOS管的栅极对接第二外接偏置电压。
如上所述，本发明一种带缓冲器的前端采样电路，具有以下有益效果。
能够减少输入缓冲器所驱动的电容大小，从而减小驱动缓冲器功耗，满足低功耗的设计要求；采用偏置网络对输入缓冲器的输入管进行偏置，保证输入管三端的信号都是相关变化，从而提高采样线性度；通过偏置保证采样开关的栅极信号跟随输入信号变化，从而保证采样开关的恒定的采样阻抗。
附图说明
图1为现有技术中阻容式采样的电路图。
图2为现有技术中恒定阻抗采样的电路图。
图3为现有技术中在采样管栅极间连接电容进行采样的电路图。
图4为现有技术中带有缓冲器的采样电路图。
图5为本发明一实施例中带缓冲器的前端采样电路的电路图。
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。
经发明人研究发现：
请参阅图1和图2，模数转换器的功能是对模拟信号进行采样，再对采样信号进行量化，其中采样过程一般都采用开关电容结构来完成信号的采集，最简单的采样时刻的模型就是一个简单的阻抗电容网络，但是采用简单的mos管作为采样开关会由于采样开关阻抗变化而导致采样网络线性度变差。因此采样网络可以采用恒定阻抗来进行采样，这往往都需要采用自举开关等技术来实现恒定阻抗的开关电容采样网络。
请参阅图3，在模数转换器中的采样自举开关结构一般都是通过一个在输入信号和采样管栅极间接一个电容以保证采样开关的栅极电压为输入电压加一个电容预先充电的电压，能够保证采样开关的输入电压和栅极电压无论输入电压为多少其栅极电压和输入电压的差值都是一个恒定电压，从而能够保证整个采样开关的线性度。在采样过程中有两个相位时刻，一个时刻对电容器进行充放电，充电到一定的电平区间，下一个时刻电容输入接输入信号，则另一端信号则为输入信号加电容偏移值，最后实际加在采样开关的栅极电压和源极电压的差值为恒定电压，从而能够保证采样的线性度。
请参阅图4，在模数转换器中的采样自举开关结构一般都是通过一个在输入信号和采样管栅极间接一个电容以保证采样开关的栅极电压为输入电压加一个电容预先充电的电压，能够保证采样开关的输入电压和栅极电压无论输入电压为多少其栅极电压和输入电压的差值都是一个恒定电压，从而能够保证整个采样开关的线性度。在采样过程中有两个相位时刻，一个时刻对电容器进行充放电，充电到一定的电平区间，下一个时刻电容输入接输入信号，则另一端信号则为输入信号加电容偏移值，最后实际加在采样开关的栅极电压和源极电压的差值为恒定电压，从而能够保证采样的线性度。
请参阅图5，带输入缓冲器的采样开关，在采样开关前加入一个输入缓冲器，加入输入缓冲器的采样开关中，缓冲器能够隔离采样的回踢噪声，同时也能减轻前端网络驱动负担，但是缓冲器在驱动采样开关进行采样的时候，其不仅仅需要驱动采样开关，还需要驱动相应的自举电容，因此需要额外的驱动进行驱动。其前端缓冲器的线性度会受到影响。
针对以上现有采样电路的不足，本发明提供一种带缓冲器的前端采样电路，包括：
采样模块，
自举开关，用于为所述采样模块提供固定的电压偏移；
驱动模块，用于为所述自举开关提供偏置电压，以使所述自举开关输出固定的电压偏移；
缓冲模块，用于提供跟随输入信号变化的输出信号；
偏置模块，用于为所述缓冲模块提供电流偏置；
所述驱动模块包括第一连接端和第二连接端，所述采样模块包括输入端、输出端和偏移端；所述缓冲模块包括输入端、输出端和第三连接端；所述第一连接端与所述自举开关的一端连接，所述自举开关的另一端与所述采样模块的偏移端连接；所述缓冲模块的输入端对接输入信号，所述缓冲模块的输出端分别连接所述第二连接端、所述偏置模块的一端以及所述采样模块的输入端；所述第三连接端与所述第一连接端连接；所述偏置模块的另一端接地。
在一实施例中，所述驱动模块包括用于根据输入信号控制偏置电压跟随所述输入信号变换的偏置网络和用于控制所述驱动模块驱动电压输出的开关单元；所述开关单元包括第四连接端、第五连接端和第六连接端；所述第四连接端作为所述驱动模块的输出端；所述第五连接端与所述偏置网络的一端连接，所述第六连接端对接电源；所述偏置网络的另一端作为所述驱动模块的第二连接端。
请参阅图5，在一实施例中，所述偏置网络包括电流源、电阻R和电容CI；所述电阻R和电容CI并联后的一端分别连接所述电流源的输出端和所述开关单元的第五连接端；所述电阻R和电容CI并联后的另一端作为驱动模块的第二连接端。
在一实施例中，所述开关单元包括第一MOS管M4，所述第一MOS管M4的栅极作为所述第五连接端；所述第一MOS管M4的源极作为所述第四连接端；所述第一MOS管M4的漏极作为所述第六连接端。
在一实施例中，所述缓冲模块包括第二MOS管M3，所述第二MOS管M3的栅极作为所述缓冲模块的输入端；所述第二MOS管M3的源极作为所述缓冲模块的输出端；所述第二MOS管M3的漏极作为所述第三连接端。
在一实施例中，所述自举开关包括自举电容Cb、第一相位开关、第二相位开关、第三相位开关以及第四相位开关；所述自举电容Cb的一端分别连接所述第一相位开关的一端和所述第三相位开关的一端；所述自举电容Cb的另一端分别连接所述第二相位开关的一端和所述第四相位开关的一端；所述第一相位开关的另一端与所述驱动模块的输出端连接；所述第二相位开关的另一端与所述采样模块的偏移端连接；所述第三相位开关的另一端以及所述第四相位开关的另一端分别连接外加电压Vbst的负端和正端。
在一实施例中，所述第三相位开关和所述第四相位开关闭合时，由外加电压Vbst对所述自举电容Cb充电；所述第一相位开关和所述第二相位开关闭合时，由所述驱动模块为经过充电的所述自举电容Cb提供偏置电压。
在一实施例中，所述采样模块的第三MOS管M5和采样电容Cs；所述第三MOS管M5的栅极作为所述采样模块的偏移端；所述第三MOS管M5的源极作为所述采样模块的输入端；所述第三MOS管M5的漏极与所述采样电容Cs的一端连接作为所述采样模块的输出端；所述采样电容Cs的另一端接地。
在一实施例中，所述偏置模块包括第四MOS管M1和第五MOS管M2；所述第五MOS管M2的漏极与所述缓冲模块的输出端连接；所述第五MOS管M2的源极与所述第四MOS管M1的漏极连接，所述第四MOS管的源极M1接地；所述第四MOS管M1的栅极对接第一外接偏置电压VB1；所述第五MOS管M2的栅极对接第二外接偏置电压VB2。
具体地，M1、M2为偏置管，其栅极电压VB1和VB2由偏置电路提供，为整个输入缓冲器提供电流偏置，输入管M3输出端直接接在采样开关M5上，在Φ相位通过电容Cs进行采样，与传统自举开关原理不同，自举开关电容Cb在保持相Φ’被Vbst充电，当Cb充电完成后在另外一个相位Φ时提供电压偏移功能，在采样相时候则通过M4的源极进行驱动，使得M5的栅极电压为输入电压上叠加一个固定电平偏移，这样就能实现M5开关的打开并且保证该开关的恒定阻抗，从而完成采样开关M5的栅压自举过程。
其中，M4的偏置网络由一个RC网络组成，其中上部驱动的电流源电在电阻R上会产生一个电压降，该电压降确定了M4栅极和M3源极的电压差，而该RC网络中的电容Cl会存储该电压降从而保证电容两端的电压能够跟随变化，同时保证M4栅极和M3源极电压恒定。因此在该缓冲采样网络中，M4的偏置跟随输入信号变化而变化，使得M4源极具有能够跟随输入信号进行变化，M1、M2的偏置为固定偏置。
其中M4的栅极偏置由一个电流源通过RC网络产生，RC网络另一端接在M3的输出源极端，从而能够使得M4的源极跟随输入信号变化，M4的栅极跟随输入信号变化后能够使得M4的源极跟随输入信号变化，最终保证在Cb电容两端都和输入信号进行相关变化，从而实现自举开关的自举功能。
该方案能够减少输入缓冲管M3看到的源极电容，同时由于M3的源极和漏极都能够跟随输入信号变化，因此整个M3的Vgs和Vds都是恒定定的，考虑到当正在缓冲跟随信号时候，M3管子的导通电阻线性度会增加，因此能够整体提高该缓冲采样网络的线性度。
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 (7)
1.一种带缓冲器的前端采样电路，其特征在于，包括：
采样模块，所述采样模块包括：第三MOS管和采样电容；所述第三MOS管的栅极作为所述采样模块的偏移端；所述第三MOS管的源极作为所述采样模块的输入端；所述第三MOS管的漏极与所述采样电容的一端连接作为所述采样模块的输出端；所述采样电容的另一端接地；
自举开关，用于为所述采样模块提供固定的电压偏移；所述自举开关包括自举电容、第一相位开关、第二相位开关、第三相位开关以及第四相位开关；所述自举电容的一端分别连接所述第一相位开关的一端和所述第三相位开关的一端；所述自举电容的另一端分别连接所述第二相位开关的一端和所述第四相位开关的一端；所述第一相位开关的另一端与驱动模块的输出端连接；所述第二相位开关的另一端与所述采样模块的偏移端连接；所述第三相位开关的另一端以及所述第四相位开关的另一端分别连接外加电压的负端和正端；
驱动模块，用于为所述自举开关提供偏置电压，以使所述自举开关输出固定的电压偏移；
缓冲模块，用于提供跟随输入信号变化的输出信号；
偏置模块，用于为所述缓冲模块提供电流偏置；
所述驱动模块包括第一连接端和第二连接端，所述采样模块包括输入端、输出端和偏移端；所述缓冲模块包括输入端、输出端和第三连接端；所述第一连接端与所述自举开关的一端连接，所述自举开关的另一端与所述采样模块的偏移端连接；所述缓冲模块的输入端对接输入信号，所述缓冲模块的输出端分别连接所述第二连接端、所述偏置模块的一端以及所述采样模块的输入端；所述第三连接端与所述第一连接端连接；所述偏置模块的另一端接地；所述驱动模块包括用于根据输入信号控制偏置电压跟随所述输入信号变换的偏置网络和用于控制所述驱动模块驱动电压输出的开关单元。
2.根据权利要求1所述的带缓冲器的前端采样电路，其特征在于，所述开关单元包括第四连接端、第五连接端和第六连接端；所述第四连接端作为所述驱动模块的输出端；所述第五连接端与所述偏置网络的一端连接，所述第六连接端对接电源；所述偏置网络的另一端作为所述驱动模块的第二连接端。
3.根据权利要求2所述的带缓冲器的前端采样电路，其特征在于，所述偏置网络包括电流源、电阻和电容；所述电阻和电容并联后的一端分别连接所述电流源的输出端和所述开关单元的第五连接端；所述电阻和电容并联后的另一端作为所述驱动模块的第二连接端。
4.根据权利要求2所述的带缓冲器的前端采样电路，其特征在于，所述开关单元包括第一MOS管，所述第一MOS管的栅极作为所述第五连接端；所述第一MOS管的源极作为所述第四连接端；所述第一MOS管的漏极作为所述第六连接端。
5.根据权利要求1所述的带缓冲器的前端采样电路，其特征在于，所述缓冲模块包括第二MOS管，所述第二MOS管的栅极作为所述缓冲模块的输入端；所述第二MOS管的源极作为所述缓冲模块的输出端；所述第二MOS管的漏极作为所述第三连接端。
6.根据权利要求1所述的带缓冲器的前端采样电路，其特征在于，所述第三相位开关和所述第四相位开关闭合时，由外加电压对所述自举电容充电；所述第一相位开关和所述第二相位开关闭合时，由所述驱动模块为经过充电的所述自举电容提供偏置电压。
7.根据权利要求1所述的带缓冲器的前端采样电路，其特征在于，所述偏置模块包括第四MOS管和第五MOS管；所述第五MOS管的漏极与所述缓冲模块的输出端连接；所述第五MOS管的源极与所述第四MOS管的漏极连接，所述第四MOS管的源极接地；所述第四MOS管的栅极对接第一外接偏置电压；所述第五MOS管的栅极对接第二外接偏置电压。
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