CN116032280A - 采样匹配电路、模数转换器及芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采样匹配电路、模数转换器及芯片，采样匹配电路包括：放大器、反馈电容、采样电容以及滤波模块。采样电容的第一端连接有第一开关且至少一个第一开关控制采样电容的第一端和信号输入端之间的通断，采样电容的第二端连接有第二开关且至少一个第二开关控制采样电容的第二端与对应的反馈电容和放大器的输入端之间的通断；滤波模块的第一端与采样电容的第一端相连、第二端与用于控制采样电容的第一端和信号输入端之间通断的第一开关的第二端相连。根据本发明的采样匹配电路，通过增加滤波模块，减小两路信号路径之间的阻抗差，从而减小了开关的非理想特性对电路的影响，使得放大器输出的电压保持稳定，极大提高了输出电压的精度。

Description

采样匹配电路、模数转换器及芯片

技术领域

本发明是关于集成电路领域，特别是关于一种采样匹配电路、模数转换器及芯片。

背景技术

开关的非理想特性，例如电荷注入和时钟馈通，都对有高精度要求的采样电路有很大的影响。

如图1所示，以MOS晶体管作为开关，在开关闭合时，MOS晶体管的导通是通过反型层的载流子产生的沟道实现的。当开关断开时，沟道会消失，形成沟道的载流子会向开关的两边扩散，载流子向两边扩散的多少由两边的阻抗RL、RR决定，阻抗小时，扩散的阻力就小，扩散过去的载流子就多。

如图2所示，采样电路工作分成两个阶段，当第一开关S11和第二开关S22闭合、第一开关S12和第二开关S21断开时，采样电容CSP、CSN与信号输入端VIP、VIN和共模电压VCM连通，采样电路进入采样阶段；当第一开关S12和第二开关S21闭合、第一开关S11和第二开关S22断开时，采样电容CSP、CSN与反馈电压VFP、VFN和放大器的输入端以及反馈电容CFP、CFN连通，采样电路进入转移保持阶段。

各开关的断开顺序由各自对应的控制信号决定，如图3所示，实线表示的P1为控制第二开关S22的控制信号，实线表示的P2为控制第二开关S21的控制信号。虚线表示的P1(D)为控制第一开关S11的控制信号，虚线表示的P2(D)为控制第一开关S12的控制信号。

结合图2和图3可以看出，在从转移保持阶段到采样阶段的过程中，为了减小电路毛刺的产生，第一开关S12的断开滞后第二开关S21的断开，所以第二开关S21断开时，第一开关S12仍处于闭合状态，因此第一开关S12的阻抗以及放大器的输入阻抗会影响第二开关S21断开时朝向两边的电荷的注入。在从采样阶段到转移保持阶段的过程中，为了减小电路毛刺的产生，第一开关S11的断开滞后第二开关S22的断开，所以第二开关S22断开时，第一开关S11仍处于闭合状态，因此第一开关S11的阻抗以及放大器的输入端阻抗会影响第二开关S22断开时朝向两边的电荷的注入。

在采样电路中，由于信号输入端VIP、VIN的输入电压不同，会使上下两个第一开关S12的阻抗有差异，使得在上下两个第二开关S21断开时，分别朝向对应的第一开关S12的方向注入的电荷之间会存在差异，另外，分别朝向对应的放大器A的输入端注入的电荷之间也存在差异。

同理，在上下两个第二开关S22断开时，分别朝向对应的第一开关S11的方向注入的电荷之间会存在差异，同时分别朝向对应的放大器A的输入端注入的电荷之间也存在差异。

电荷注入差异的产生会影响电荷转移过程中的电压，从而使得放大器A的输出端产生误差，而影响输出电压的精度。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采样匹配电路、模数转换器及芯片，其能够提高输出电压的精度。

为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种采样匹配电路，包括：放大器、一组反馈电容、一组采样电容以及一组滤波模块。

放大器具有一组输入端和一组输出端；所述反馈电容的第一端与放大器的输入端相连，所述反馈电容的第二端与放大器的输出端相连；所述采样电容的第一端连接有一组第一开关且至少一个第一开关用于控制采样电容的第一端和信号输入端之间的通断，所述采样电容的第二端连接有一组第二开关且至少一个第二开关用于控制采样电容的第二端与对应的反馈电容和放大器的输入端之间的通断；所述滤波模块的第一端与采样电容的第一端相连，所述滤波模块的第二端与用于控制采样电容的第一端和信号输入端之间通断的第一开关的第二端相连。

在本发明的一个或多个实施例中，所述滤波模块包括第一电阻和第一电容，所述第一电阻的第一端与采样电容的第一端相连，所述第一电阻的第二端与第一开关的第二端相连，所述第一电容的第一端与第一电阻的第二端相连，所述第一电容的第二端与地电压相连。

在本发明的一个或多个实施例中，两个所述滤波模块共用一个第一电容。

在本发明的一个或多个实施例中，所述滤波模块包括第一电阻、第二电阻、第一电容和第二电容，所述第一电阻的第一端与采样电容的第一端相连，所述第一电阻的第二端与第二电阻的第一端相连，所述第二电阻的第二端与第一开关的第二端相连，所述第一电容的第一端与第一电阻的第二端相连，所述第一电容的第二端与地电压相连，所述第二电容的第一端与第二电阻的第二端相连，所述第二电容的第二端与地电压相连。

在本发明的一个或多个实施例中，两个所述滤波模块共用一个第一电容和/或共用一个第二电容。

在本发明的一个或多个实施例中，至少一个所述第一开关用于控制采样电容的第一端与反馈电压之间的通断。

在本发明的一个或多个实施例中，所述第一开关的第一端与反馈电压相连、第二端与用于控制采样电容的第一端和信号输入端之间通断的第一开关的第二端相连。

在本发明的一个或多个实施例中，至少一个所述第二开关用于控制采样电容的第二端与共模电压之间的通断。

本发明还公开了一种模数转换器，如所述的采样匹配电路。

本发明还公开了一种芯片，如所述的模数转换器。

与现有技术相比，根据本发明实施例的采样匹配电路、模数转换器及芯片，采样匹配电路通过增加滤波模块，减小采样匹配电路在转移保持阶段和采样阶段之间切换时产生的正负两路信号路径之间的阻抗差，提高了阻抗匹配，从而减小了开关的非理想特性对电路的影响，使得放大器输出的电压保持稳定，极大提高了输出电压的精度。

附图说明

图1是现有技术中的MOS管作为开关在断开时的电荷走向图。

图2是现有技术中的采样匹配电路的电路原理图。

图3是采样匹配电路的控制信号时序图。

图4是根据本发明实施例一的采样匹配电路的电路原理图。

图5是根据本发明实施例一的采样匹配电路的具体电路原理图。

图6是根据本发明实施例一的两路阻抗差的百分比与开关频率的关系波形对比图。

图7是现有技术中未增加滤波模块的采样匹配电路的输出电压波形图。

图8是根据本发明实施例一的采样匹配电路的输出电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施例进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施例的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

说明书中的“耦接”或“连接”或“相连”既包含直接连接，也包含间接连接。间接连接为通过中间媒介进行的连接，如通过电传导媒介进行的连接，其可具有寄生电感或寄生电容；间接连接还可包括在实现相同或相似功能目的的基础上通过其他有源器件或无源器件的连接，如通过开关、跟随电路、滤波电路等电路或部件的连接。另外，在本发明中，例如“第一”、“第二”之类的词语主要用于区分一个技术特征与另一个技术特征，而并不一定要求或暗示这些技术特征之间存在某种实际的关系、数量或者顺序。

实施例1

如图4所示，一种采样匹配电路，包括：放大器A、一组反馈电容、多组第一开关、多组第二开关、一组采样电容以及一组滤波模块。

放大器A具有一组输入端，分别为第一输入端和第二输入端；放大器A还具有一组输出端，分别为第一输出端和第二输出端。在本实施例中，第一输入端为正输入端，第二输入端为负输入端，第一输出端为负输出端，第二输出端为正输出端。在其他实施例中，正、负输入端可以调换，正、负输出端也可以调换。

反馈电容优选设置有两个，分别为第一反馈电容CFP和第二反馈电容CFN。第一反馈电容CFP的第一端与放大器A的第一输入端相连形成连接节点OPIP，第一反馈电容CFP的第二端与放大器A的第一输出端相连。第二反馈电容CFN的第一端与放大器A的第二输入端相连形成连接节点OPIN，第二反馈电容CFN的第二端与放大器A的第二输出端相连。

每个采样电容的第一端连接有一组第一开关且至少一个第一开关用于控制采样电容的第一端和信号输入端之间的通断。另外，至少一个第一开关用于控制采样电容的第一端与反馈电压之间的通断，该第一开关的第一端则与反馈电压相连、第二端与用于控制采样电容的第一端和信号输入端之间通断的第一开关的第二端相连。

每个采样电容的第二端连接有一组第二开关且至少一个第二开关用于控制采样电容的第二端与对应的反馈电容和放大器A的输入端之间的通断。另外，至少一个第二开关用于控制采样电容的第二端与共模电压之间的通断。

在本实施例中，第一开关和第二开关优选各设置有两组，每组第一开关的数量为两个，分别为第一开关S11和第一开关S12，每组第二开关的数量为两个，分别为第二开关S21和第二开关S22。

在本实施例中，采样电容优选设置有两个，分别为第一采样电容CSP和第二采样电容CSN。

如图4所示，第一采样电容CSP的第一端和第二采样电容CSN的第一端均连接有第一开关S11和第一开关S12，第一采样电容CSP的第二端和第二采样电容CSN的第二端均连接有第二开关S21和第二开关S22。

第一采样电容CSP的第一端通过一个第一开关S11与信号输入端VIP相连，第一开关S11的第一端与信号输入端VIP相连、第二端与第一采样电容CSP的第一端。第二采样电容CSN的第一端通过另一个第一开关S11与信号输入端VIN相连，该第一开关S11的第一端与信号输入端VIN相连、第二端与第二采样电容CSN的第一端相连。

第一采样电容CSP的第一端通过一个第一开关S12与反馈电压VFP相连，第一开关S12的第一端与反馈电压VFP相连、第二端与第一采样电容CSP的第一端相连。第二采样电容CSN的第一端通过另一个第一开关S12与反馈电压VFN相连，该第一开关S12的第一端与反馈电压VFN相连、第二端与第二采样电容CSN的第一端相连。在本实施例中，反馈电压VFP、VFN可以为模数转换器的输出电压。在其他实施例中，反馈电压VFP、VFN也可以为其他电路产生的电压，或者可以是共模电压VCM。

第一采样电容CSP的第二端通过一个第二开关S21与放大器A的第一输入端相连，第二开关S21的第一端与第一采样电容CSP的第二端相连、第二与连接节点OPIP相连。第二采样电容CSN的第二端通过另一个第二开关S21与放大器A的第二输入端相连，该第二开关S21的第一端与第二采样电容CSN的第二端相连、第二端与连接节点OPIN相连。

第一采样电容CSP的第二端通过一个第二开关S22与共模电压VCM相连，第二开关S22的第一端与第一采样电容CSP的第二端相连、第二端与共模电压VCM相连。第二采样电容CSN的第二端通过另一个第二开关S22与共模电压VCM相连，第二开关S22的第一端与第二采样电容CSN的第二端相连、第二端与共模电压VCM相连。

如图4所示，滤波模块10优选设置有两个。滤波模块10的第一端与采样电容的第一端相连，滤波模块10的第二端与用于控制采样电容的第一端和信号输入端之间通断的第一开关S11的第二端相连。滤波模块10可以是一阶滤波模块，也可以是二阶滤波模块，或者根据需要也可以是三阶以上的滤波模块。

在本实施例中，第一采样电容CSP的第一端和第二采样电容CSN的第一端与各自对应相连的第一开关S11之间均设置有滤波模块10。

用于控制第一采样电容CSP的第一端与反馈电压VFP之间通断的第一开关S12的第一端与反馈电压VFP相连、第二端与用于控制第一采样电容CSP的第一端与信号输入端VIP之间通断的第一开关S11的第二端相连。在其他实施例中，该第一开关S12的第二端也可以与第一采样电容CSP的第一端相连或者与滤波模块10的内部连接。

用于控制第二采样电容CSN的第一端与反馈电压VFN之间通断的第一开关S12的第一端与反馈电压VFN相连、第二端与用于控制第二采样电容CSN的第一端与信号输入端VIN之间通断的第一开关S11的第二端相连。在其他实施例中，该第一开关S12的第二端也可以与第二采样电容CSN的第一端相连或者与滤波模块10的内部连接。

在其他实施例中，第一反馈电容CFP和第二反馈电容CFN的数量可根据需要进行增减。第一采样电容CSP和第二采样电容CSN的数量可根据需要进行增减。滤波模块10的数量对应第一采样电容CSP和第二采样电容CSN的数量也可根据需要进行增减。第一开关和第二开关的组数以及每组第一开关S11、第一开关S12、第二开关S21和第二开关S22的数量对应第一采样电容CSP和第二采样电容CSN的数量也可根据需要进行增减。

如图5所示，滤波模块10包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1和第二电容C2。第一电阻R1的第一端与采样电容CSP的第一端相连，第一电阻R1的第二端与第二电阻R2的第一端相连。第二电阻R2的第二端与第一开关S11的第二端以及第一开关S12的第二端相连，第一电容C1的第一端与第一电阻R1的第二端相连，第一电容C1的第二端与地电压相连，第二电容C2的第一端与第二电阻R2的第二端相连。在本实施例中，两个滤波模块10共用一个第二电容C2，即两个第二电阻R2的第二端通过一个第二电容C2相连。

在其他实施例中，两个滤波模块10内可以分别对应设置一个第二电容C2，即第二电容C2的第一端与对应的第二电阻R2的第二端相连，第二电容C2的第二端与地电压相连。在其他实施例中，也可以两个滤波模块10共用一个第一电容C1。在其他实施例中，也可以两个滤波模块10共用一个第一电容C1和一个第二电容C2。

在其他实施例中，用于控制第二采样电容CSN的第一端与反馈电压VFN之间通断的第一开关S12的第二端可以与第二采样电容CSN的第一端相连，或者该第一开关S12的第二端可以与第一电阻R1的第二端相连。

如图5所示，在与信号输入端VIP相连的第一开关S11闭合时，与连接节点OPIP相连的第二开关S21到信号输入端VIP的通路的阻抗为Zp。在与信号输入端VIN相连的第一开关S11闭合时，与连接节点OPIN相连的第二开关S21到信号输入端VIN的通路的阻抗为Zn。当然，在与反馈电压VFP相连的第一开关S12和与反馈电压VFN相连的第一开关S12在闭合时都会呈现不同的阻抗。

本领域技术人员应当理解，在开关断开的瞬间属于一个瞬态的高频过程，由于有第一电容C1和第二电容C2的存在，第一电阻R1和第二电阻R2的一端在高频段相当于短接到地，即从与连接节点OPIP相连的第二开关S21往信号输入端VIP处看已看不到对应的第一开关S11闭合产生的阻抗，以及从与连接节点OPIN相连的第二开关S21往信号输入端VIN看也看不到对应的第一开关S11闭合产生的阻抗，从而减小了阻抗Zp与阻抗Zn的差异。进一步结合图6所示，l1为未增加滤波模块10对应的阻抗差的百分比与开关频率的关系波形图，l2为增加了滤波模块10对应的阻抗差的百分比与开关频率的关系波形图，阻抗差的百分比的计算公式为1000*(Zp-Zn)/Z_n。可以看出，增加了滤波模块10使得阻抗差在高频时显著减小。

图7中的波形表示为在未增加滤波模块10时，放大器A输出的电压波形，可以看出放大器A输出的电压波形会产生上下波动的误差；图8中的波形表示为在增加了滤波模块10后，放大器A输出的电压波形，可以看出放大器A输出的电压波形保持稳定。

结合图6以及对比图7和图8可以看出，通过增加滤波模块10，减小了两路的阻抗差，明显改善电荷转移过程中，放大器A输出电压的差异，使得放大器A输出的电压保持稳定，极大提高了输出电压的精度。

本实施例还公开了一种模数转换器，包括如上述的采样匹配电路。

本实施例还公开了一种芯片，包括如上述的模数转换器。

实施例2

本实施例和实施例1的区别在于，滤波模块10为一阶滤波模块。滤波模块10包括第一电阻R1和第一电容C1。第一电阻R1的第一端与采样电容CSP的第一端相连，第一电阻R1的第二端与第一开关S11的第二端相连，第一电容C1的第一端与第一电阻R1的第二端相连，第一电容C1的第二端与地电压相连。

在其他实施例中，两个滤波模块10可以共用一个第一电容C1。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员在不脱离本发明范围和精神的情况下能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种采样匹配电路，其特征在于，包括：

放大器，具有一组输入端和一组输出端；

一组反馈电容，所述反馈电容的第一端与放大器的输入端相连，所述反馈电容的第二端与放大器的输出端相连；

一组采样电容，所述采样电容的第一端连接有一组第一开关且至少一个第一开关用于控制采样电容的第一端和信号输入端之间的通断，所述采样电容的第二端连接有一组第二开关且至少一个第二开关用于控制采样电容的第二端与对应的反馈电容和放大器的输入端之间的通断；以及

一组滤波模块，所述滤波模块的第一端与采样电容的第一端相连，所述滤波模块的第二端与用于控制采样电容的第一端和信号输入端之间通断的第一开关的第二端相连。

2.如权利要求1所述的采样匹配电路，其特征在于，所述滤波模块包括第一电阻和第一电容，所述第一电阻的第一端与采样电容的第一端相连，所述第一电阻的第二端与第一开关的第二端相连，所述第一电容的第一端与第一电阻的第二端相连，所述第一电容的第二端与地电压相连。

3.如权利要求2所述的采样匹配电路，其特征在于，两个所述滤波模块共用一个第一电容。

4.如权利要求1所述的采样匹配电路，其特征在于，所述滤波模块包括第一电阻、第二电阻、第一电容和第二电容，所述第一电阻的第一端与采样电容的第一端相连，所述第一电阻的第二端与第二电阻的第一端相连，所述第二电阻的第二端与第一开关的第二端相连，所述第一电容的第一端与第一电阻的第二端相连，所述第一电容的第二端与地电压相连，所述第二电容的第一端与第二电阻的第二端相连，所述第二电容的第二端与地电压相连。

5.如权利要求4所述的采样匹配电路，其特征在于，两个所述滤波模块共用一个第一电容和/或共用一个第二电容。

6.如权利要求1所述的采样匹配电路，其特征在于，至少一个所述第一开关用于控制采样电容的第一端与反馈电压之间的通断。

7.如权利要求6所述的采样匹配电路，其特征在于，所述第一开关的第一端与反馈电压相连、第二端与用于控制采样电容的第一端和信号输入端之间通断的第一开关的第二端相连。

8.如权利要求1所述的采样匹配电路，其特征在于，至少一个所述第二开关用于控制采样电容的第二端与共模电压之间的通断。

9.一种模数转换器，其特征在于，如权利要求1～8任一项所述的采样匹配电路。

10.一种芯片，其特征在于，如权利要求9所述的模数转换器。

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