CN115483933A

CN115483933A - 一种动态放大器校准电路

Info

Publication number: CN115483933A
Application number: CN202211086345.4A
Authority: CN
Inventors: 王志海; 张玄; 陈志杰; 万培元; 叶冠凯; 姜梦岍; 崔丁亢; 李虹佑; 李明倩
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2022-09-06
Filing date: 2022-09-06
Publication date: 2022-12-16

Abstract

本发明公开了一种动态放大器校准电路，包括：匹配电压产生电路、电压时间转换电路、动态放大器电路三部分。涉及电压域、时域再到电压域的转换。在整体结构中，匹配电压产生电路连接一个固定的差分输入，并将放大之后的电压传递到电压时间转换电路输入端，将电压量转换为时间量，控制动态放大器完成增益校准工作。本发明采用动态放大器的复制电路与电流镜相结合，生成跟随PVT变化而改变压摆率的电压斜坡曲线。通过电压时间转换器将此电压信号转换为相应的时间信号，通过该校准方法降低了动态放大器的增益受到PVT变化时所带来的增益偏差。

Description

一种动态放大器校准电路

技术领域

本发明涉及一种新型动态放大器校准技术电路，属于模数转换器领域。

背景技术

随着物联网系统、新一代无线通信等技术的发展进步，导致对高精度、低功耗模数转换器的需求大幅度增长，推动了逐次逼近寄存器型模数转换器(SARADC)和∑Δ型模数转换器(ADC)的快速发展。借助∑Δ调制器中的噪声整形特性，噪声整形SARADC突破了传统SARADC架构的精度限制，同时在很大程度上保持了原有的简单结构。然而，为实现较强的噪声整形能力并达到更高的精度，噪声整形SARADC需要将残余电压进行放大实现完美的噪声传递函数。这使得放大器成为模数转换器中一个关键的结构模块，会严重限制转换器的整体性能。

由于集成电路工艺在摩尔定律的不断推动下日益严苛，工艺尺寸的减小和电源电压的降低使得高性能运算放大器的设计变得越来越困难。虽然增益提升和多级放大等一些技术可以用来缓解这一问题，但这些技术往往会带来信号摆幅减小或功耗增加，不再适用于低功耗、高精度的场景。因此，为了不必要的功率消耗，一种具有CMOS输入对的差动翻转电压跟随器(DFVF)动态放大器(DA)成为克服上述问题的方法。得益于该放大器的动态结构以及不完全建立的工作方式，使其不会消耗静态电流的同时降低动态电流，从而实现出色的功效。并且该动态放大器内部的差动翻转电压跟随器通过负反馈提高增益线性度，使得放大器满足噪声整型(SARADC)低功耗与高精度的需求。

但不幸的是，此类动态放大器的优势伴随着一些不良特性，例如工艺、电压和温度(PVT)以及时钟抖动敏感性。特别是放大器的电压增益会随着PVT变化而显著变化，导致ADC的信噪比(SNR)损失，已然成为扼制动态放大器性能提高的关键问题。补偿增益不稳定性的传统方法是采用连续的后台校准。然而，这些校准大多要求对输入信号有所限制，或者需要较长的收敛时间，电路复杂程度高。本文针对于此类动态放大器提出了一个简单的模拟方法，有效的稳定随PVT变化的电压增益。在一个转换周期内，稳定性还可以响应环境变化。因此，它可以在上电后几乎立即实现稳定工作，使其能够应用于ADC启动时间较短的高精度场景。

发明内容

本发明采用匹配电压产生电路以及电压时间转换器(VTC)来实现动态放大器增益校准，具有静态功耗小，结构简单，校准能力强的优点。本发明将整体电路分为三部分，首先第一部分通过开关电容给予放大器的复制电路一个固定的电压输入，动态放大器的复制电路将放大此固定输入电压，产生放大之后随PVT变化的差模输出，并通过电流镜结构将此差模输出电压转换为单端输出以匹配VTC结构。第二部分电流镜的单端输出通过VTC产成与当前PVT下相匹配的工作时钟，以此控制动态放大器的开启与关闭。第三部动态放大器由VTC产生的时间信号控制，得到不随PVT变化的稳定电压增益。

上述目的通过以下技术方案实现：

一种新型动态放大器校准电路，其组成包括：匹配电压产生电路、电压时间转换电路、动态放大器电路三部分。涉及电压域、时域再到电压域的转换。在整体结构中，匹配电压产生电路连接一个固定的差分输入，并将放大之后的电压传递到电压时间转换电路输入端，将电压量转换为时间量，控制动态放大器完成增益校准工作。

所述的动态放大器电路包含M1-M13管，其中M1-M8为动态放大输入管，栅极连接差模输入信号Vip、Vin，M1-M4的漏极为放大器的输出端Vop、Von。M9、M11的栅极与M5、M7的漏极相连，M10、M12的栅极与M6、M8的漏极相连，M1、M5的源极与M9的漏极相连，M2、M6的源极与M10的漏极相连，M3、M7的源极与M11的漏极相连，M4、M8的源极与M12的漏极相连，M11、M12的源极与M13的漏极相连，M13管的栅极连接放大器控制信号CLK。

所述的匹配电压产生电路包含动态放大器的复制电路，电流镜电路，固定电压产生电路。动态放大器的复制电路中M13管的栅极连接Vdd。电流镜结构由M14、M15、M16、M17管和一对S1开关构成。M14、M15的源极连接Vdd，栅极连接M14、M16的漏极，M14、M15的漏极与M16、M17的漏极相连，M16、M17的栅极接Vdd，源极连接S1。固定电压产生电路由两对C1电容、两对C2电容、两对S2开关、两对S3开关、两对S3B开关构成。S2连接Vcm与C1、C2、复制电路输入端，S3和S3B与C2的另一端、Vref、地相连。复制电路的输出端与M16、M17的源端以及S1相连，S1另一端与Vbias相连，M17的源端与S1、复制电路的输出端相连作为匹配电压产生电路的输出。

所述的电压时间转换电路包含七个反相器、一对S4开关、一对S5开关、一对S6B开关、一对S6开关、一对S7开关、一对S8开关、C3-C6电容、一对C7电容以及一个或非门。其中S4连接匹配电压产生电路的输出、S7、C7，上端S5连接偏置电压Vbias、C4、C6、S7，下端S5连接偏置电压Vbias、C3、C5、S7，C3、C4连接S6、S6B，S8连接C7、I1反相器的输入输出端，I1、I2、I3、I4相互首尾连接，I3和I4的输出端连接或非门的两个输入端，或非门的输出为动态放大器的控制时钟CLK。

本发明采用动态放大器的复制电路与电流镜相结合，生成跟随PVT变化而改变压摆率的电压斜坡曲线，它本质上包含由于PVT发生变化所引起的误差量。通过电压时间转换器将此电压信号转换为相应的时间信号，此包含PVT误差量的时间信号会与动态放大器本身受PVT影响产生的误差量相互抵消，因此通过该校准方法降低了动态放大器的增益受到PVT变化时所带来的增益偏差。

附图说明

图1是本发明的电路结构框图。

图2是本发明的动态放大器原理图。

图3是本发明的电路原理结构图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

一种新型动态放大器校准电路结构，所述的开关S1、S2、S3、S3B、S4、S5、S6、S6B、S7、S8的相位之间应保持一定的关联，且开关S3、S3B相位相反，开关S6、S6B相位相反。在第一相，所述开关S1、S2、S3、S5、S6、S7、S8闭合，开关S4断开。动态放大器复制电路输出端被置位到Vbias电位，动态放大器复制电路输入端、C1、C2电容上级板电压被复位到共模，正向输入端C2电容底板电压被置位到地，反向输入端C2电容底板电压被置位到Vref，C3、C4、C5、C6、C7电容上级板被置位到Vbias，C3、C4电容下极板置位到地，I1反相器短接输入输出被复位到共模，CLK电压为低。在第二相，所述开关S1、S2、S3、S7、S8闭合，开关S4、S5、S6断开。C3、C4电容下极板置位到Vref，C3、C4、C5、C6、C7电容进行电荷重分配，CLK电压为低。在第三相，所述开关S4、S5、S6闭合。开关S1、S2、S3、S7、S8断开。动态放大器复制电路正向输入端C2电容底板电压被置位到Vref，反向输入端C2电容底板电压被置位到地。C1、C2电容进行电荷重分配。C7上极板电压跟随匹配电压产生电路输出电压，CLK点电位由低变高再变低，动态放大器进行放大并得到相应输出电压。

本发明的工作原理是，在第一相时，所述开关S1、S2、S3、S5、S6、S7、S8闭合，开关S4断开。动态放大器复制电路输入端被复位到共模电压，输出端被置位到Vbias电位，使得动态放大器复制电路放大电压时正反向输出端初始值相同，动态放大器复制电路与电流镜在此相位时均不工作。I1反相器处于自动调零模式，致使或非门两输入端相位相反，CLK电压为低，动态放大器不工作。在第二相时，所述开关S1、S2、S3、S7、S8闭合，开关S4、S5、S6断开。由于C3、C5与C4、C6取值的不同，VTC的两个阈值电压被设置为Vthp、Vthn。在第三相时，所述开关S4、S5、S6闭合。开关S1、S2、S3、S7、S8断开。动态放大器复制电路输入端产生固定的差分输入电压并开始放大，通过电流镜将差分输出转换成单端输出对C7电容进行充电，在刚开始充电时I1输入端电压未达到Vthp、Vthn中的较小值电压，两个I1反相器均不发生反转，CLK电压仍为低电平，动态放大器不工作。随后I1输入端电压达到Vthp、Vthn中的较小值电压，两个I1反相器中VTC阈值电压较小端开始翻转，CLK电压变高，动态放大器开始工作。随后I1输入端电压达到Vthp、Vthn中的较大值电压，两个I1反相器全部翻转，CLK电压变低，动态放大器停止工作。在电路PVT发生变化时，动态放大器与动态放大器复制电路所受影响相同，若动态放大器复制电路增益变大，会导致I1输入端充电电压压摆率增大，使得VTC两端I1反相器翻转间隔减小，动态放大器放大时间缩短，本文中动态放大器增益与放大时间成正比。以此确保动态放大器在不同PVT情况下电压增益的稳定，实现增益校准。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种动态放大器校准电路，其特征在于，包括：匹配电压产生电路、电压时间转换电路、动态放大器电路三部分；涉及电压域、时域再到电压域的转换；在整体结构中，匹配电压产生电路连接一个固定的差分输入，并将放大之后的电压传递到电压时间转换电路输入端，将电压量转换为时间量，控制动态放大器完成增益校准工作。

2.根据权利要求1所述的一种动态放大器校准电路，其特征在于，所述的动态放大器电路包含M1-M13管，其中M1-M8为动态放大输入管，栅极连接差模输入信号Vip、Vin，M1-M4的漏极为放大器的输出端Vop、Von；M9、M11的栅极与M5、M7的漏极相连，M10、M12的栅极与M6、M8的漏极相连，M1、M5的源极与M9的漏极相连，M2、M6的源极与M10的漏极相连，M3、M7的源极与M11的漏极相连，M4、M8的源极与M12的漏极相连，M11、M12的源极与M13的漏极相连，M13管的栅极连接放大器控制信号CLK。

3.根据权利要求1所述的一种动态放大器校准电路，其特征在于，所述的匹配电压产生电路包含动态放大器的复制电路，电流镜电路，固定电压产生电路；动态放大器的复制电路中M13管的栅极连接Vdd；电流镜结构由M14、M15、M16、M17管和一对S1开关构成；M14、M15的源极连接Vdd，栅极连接M14、M16的漏极，M14、M15的漏极与M16、M17的漏极相连，M16、M17的栅极接Vdd，源极连接S1开关；固定电压产生电路由两对C1电容、两对C2电容、两对S2开关、两对S3开关、两对S3B开关构成；S2开关连接Vcm与C1、C2、复制电路输入端，S3和S3B与C2的另一端、Vref、地相连；复制电路的输出端与M16、M17的源端以及S1开关相连，S1开关另一端与Vbias相连，M17的源端与S1、复制电路的输出端相连作为匹配电压产生电路的输出。

4.根据权利要求1所述的一种动态放大器校准电路，其特征在于，所述的电压时间转换电路包含七个反相器、一对S4开关、一对S5开关、一对S6B开关、一对S6开关、一对S7开关、一对S8开关、C3-C6电容、一对C7电容以及一个或非门；其中S4连接匹配电压产生电路的输出、S7、C7，上端S5连接偏置电压Vbias、C4、C6、S7，下端S5连接偏置电压Vbias、C3、C5、S7，C3、C4连接S6、S6B，S8连接C7、I1反相器的输入输出端，I1、I2、I3、I4相互首尾连接，I3和I4的输出端连接或非门的两个输入端，或非门的输出为动态放大器的控制时钟CLK。