專利名稱：可抑制比較器失調(diào)影響的流水線結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種流水線結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
流水線結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器相對(duì)于其它結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器來說，最大優(yōu)勢(shì)在于它在精度、速度、功耗等方面的有很好平衡，其精度較高，轉(zhuǎn)換速度較快，功耗較低且芯片面積較小，因此在無線通信、數(shù)字視頻和醫(yī)療成像等高速高精度領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛。
目前大多數(shù)高速流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用如圖1所示的每級(jí)1.5位的結(jié)構(gòu)，它的主體部分由一個(gè)采樣保持電路和N級(jí)流水線模塊構(gòu)成，其中1～(N-1)級(jí)的結(jié)構(gòu)相同，功能一致。在這些流水線級(jí)中，每級(jí)的輸入模擬信號(hào)被本級(jí)子模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成2位數(shù)據(jù)輸出，再由子數(shù)模轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)，并與保持的輸入信號(hào)相減，余量放大2倍后輸出至下一級(jí)，其傳輸曲線如圖2所示。第N級(jí)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的2位快閃型(Flash)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它有3個(gè)比較器組成，輸出2位數(shù)字信號(hào)，如圖3。這樣，N級(jí)模塊產(chǎn)生的2N位數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過延時(shí)對(duì)齊和數(shù)字校正電路后，產(chǎn)生N+1位最終輸出結(jié)果。
這種流水線結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器最主要的特點(diǎn)是可以較大程度地校正各級(jí)流水線模塊內(nèi)子模數(shù)轉(zhuǎn)換器中比較器的輸入失調(diào)電壓(最大為滿量程電壓的1/8)，因此每一級(jí)流水線可以采用失調(diào)較大但功耗較低的動(dòng)態(tài)比較器。但是，對(duì)于末級(jí)Flash來說，其中比較器的失調(diào)是不能被數(shù)字校正電路校正的，因此它直接影響模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最終性能，特別是當(dāng)比較器失調(diào)造成模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換曲線出現(xiàn)非單調(diào)現(xiàn)象時(shí)，總體模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能下降更為明顯。所以通常需要采用失調(diào)較小的靜態(tài)比較器，必要時(shí)還需要采用失調(diào)消除技術(shù)來減小比較器的輸入失調(diào)，這樣必然造成電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，并且可靠性不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可以抑制比較器失調(diào)影響的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，從而提高系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性，并且使電路中所有的比較器都能采用同種類型的動(dòng)態(tài)比較器，增加模塊化設(shè)計(jì)水平，降低設(shè)計(jì)難度。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的流水線結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由采樣保持電路20，9級(jí)流水線模塊21～23，末級(jí)比較器24，時(shí)間延時(shí)對(duì)齊電路25和數(shù)字校正電路26構(gòu)成，總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中，采樣保持電路20位于整個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最前端，主要用來提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器的高頻性能。各級(jí)流水線模塊21～23結(jié)構(gòu)相同，每級(jí)流水線模塊均由余量增益電路、子模數(shù)轉(zhuǎn)換器、子數(shù)模轉(zhuǎn)換器組成。這些模塊結(jié)構(gòu)與原有流水線模塊結(jié)構(gòu)相同，它們的功能就是將前級(jí)流水線的輸出量化，然后將量化誤差放大2倍作為本級(jí)的輸出。這些模塊中，子模數(shù)轉(zhuǎn)換器完全相同，子數(shù)模轉(zhuǎn)換器也完全相同，余量增益電路則可以根據(jù)流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的各級(jí)要求，采用逐級(jí)遞減的原則按比例設(shè)計(jì)；比較器24位于最后一級(jí)流水線模塊之后，各級(jí)流水線模塊和比較器24分別與數(shù)據(jù)延時(shí)對(duì)齊電路25連接，數(shù)據(jù)延時(shí)對(duì)齊電路25與數(shù)字校正電路26連接。比較器24可以看作一個(gè)1位量化器，用來校正第9級(jí)流水線模塊中比較器失調(diào)引起的誤差。這樣，9個(gè)子模數(shù)轉(zhuǎn)換器和1個(gè)比較器共輸出19位數(shù)據(jù)，經(jīng)過時(shí)問延時(shí)對(duì)齊電路25后得到19位同步數(shù)據(jù)，這19位數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字校正電路26校正后得到最后10位量化數(shù)據(jù)輸出。
本發(fā)明中，最后一級(jí)流水線模塊23和閾值為0的比較器24代替了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的2位Flash模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所以流水線模塊23中的比較器失調(diào)可以被比較器24校正。而且由于流水線的級(jí)間增益為2，因此比較器24的失調(diào)電壓等效至流水線模塊23處已減小為1/2，所以與傳統(tǒng)2位Flash結(jié)構(gòu)比較而言，如果在Flash中采用的比較器與本發(fā)明中的比較器是同一種結(jié)構(gòu)，那么本發(fā)明中的比較器失調(diào)的影響至少會(huì)比原來減小1/2。事實(shí)上，由于原先的2位Flash是由3個(gè)比較器組成，其失調(diào)的方向不一致，極易造成整體模數(shù)轉(zhuǎn)換器傳輸曲線的非單調(diào)現(xiàn)象，而本發(fā)明中最后一級(jí)只有一個(gè)比較器組成，并不存在非單調(diào)性的問題，所以它提高了模數(shù)轉(zhuǎn)換器性能的穩(wěn)定性。


圖1流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器概念的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換曲線。
圖3傳統(tǒng)流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器最末級(jí)的2位Flash結(jié)構(gòu)。
圖4本發(fā)明中的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)圖。
圖5本發(fā)明中流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作時(shí)序。
圖6延時(shí)對(duì)齊的原理示意圖。
圖7本發(fā)明中的數(shù)字校正原理。
圖8本發(fā)明采用的比較器結(jié)構(gòu)。
圖中標(biāo)號(hào)20為采樣保持電路，21～23為流水線模塊，24為末級(jí)比較器，25為數(shù)據(jù)延時(shí)對(duì)齊電路，26為數(shù)字校正電路，211、221、231為余量增益電路，212、222、232為子模數(shù)轉(zhuǎn)換器(分別由2個(gè)比較器組成)，213、223、233為子數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器由采樣保持電路20，9級(jí)流水線模塊21～23，末級(jí)比較器24，時(shí)間延時(shí)對(duì)齊電路25和數(shù)字校正電路26構(gòu)成，其總體結(jié)構(gòu)如圖4。
流水線模塊工作過程和采樣保持電路類似，在每一級(jí)流水線模塊中，時(shí)鐘周期的前半部分模塊采樣輸入信號(hào)，并且由其中的子模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其量化輸出，后半個(gè)時(shí)鐘周期將余量放大并且保持，以后各個(gè)時(shí)鐘周期重復(fù)這一過程。如圖5就是系統(tǒng)時(shí)序的示意圖，CK1與CK2分別為流水線偶數(shù)級(jí)與奇數(shù)級(jí)(包括采樣保持電路)的控制時(shí)鐘，同一個(gè)工作周期內(nèi)相鄰兩級(jí)分別處于采樣和保持兩個(gè)不同的階段，即當(dāng)奇數(shù)級(jí)采樣時(shí)，偶數(shù)級(jí)就保持；奇數(shù)級(jí)保持時(shí)，偶數(shù)級(jí)采樣。比較器24也可以看成整體流水線的一級(jí)，只不過比較器只在采樣周期有數(shù)據(jù)輸出，沒有保持階段。這樣輸入的模擬信號(hào)，通過各級(jí)流水線模塊的采樣、余量放大等一系列動(dòng)作，直至達(dá)到最后一級(jí)，形成一個(gè)完整的流水線操作。由于各級(jí)輸出數(shù)據(jù)的延時(shí)相差半個(gè)時(shí)鐘周期，所以需要通過延時(shí)對(duì)齊電路將數(shù)據(jù)對(duì)齊后再進(jìn)行處理，圖6就是延時(shí)對(duì)齊的示意圖。Delay單元就是數(shù)據(jù)的單位延遲單元，每個(gè)單元的延時(shí)時(shí)間為半個(gè)時(shí)鐘周期，每級(jí)流水線通過不同數(shù)量的單位延遲單元，最終同時(shí)到達(dá)數(shù)據(jù)校正電路。
數(shù)據(jù)校正電路為常規(guī)電路，其原理如圖7所示，DH(i)、DL(i)分別是第i級(jí)流水線數(shù)據(jù)輸出的高位和低位，Dc(10)是比較器24的輸出。通過錯(cuò)位相加的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)冗余校正，這樣就得到了最終的量化結(jié)果。
本發(fā)明中，比較器24可采用與子模數(shù)轉(zhuǎn)換器中比較器相同的結(jié)構(gòu)，如圖8。由MOS管M1-M4組成預(yù)放大級(jí)，MOS管M5和M6組成一個(gè)鎖存器。MOS管M7和M8分別連接于MOS管M1和M3、MOS管M2和M4之間，時(shí)鐘CR連接于MOS管M7之前，時(shí)鐘CKn連接于MOS管M2和由MOS管M5和M6組成的鎖存器之間；CK和CKn為控制時(shí)鐘，它們相位相反。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)周期CK為高電平時(shí)，預(yù)放大電路將輸入的信號(hào)的差值放大，緊接著在CK變低而CKn變高，放大結(jié)果鎖存輸出，而此時(shí)輸出與輸入已經(jīng)斷開，所以基本上沒有回踢噪聲的影響。
權(quán)利要求
1.一種可抑制比較器失調(diào)影響的流水線結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于由采樣保持電路20，9級(jí)流水線模塊21～23，末級(jí)比較器24，時(shí)間延時(shí)對(duì)齊電路25和數(shù)字校正電路26構(gòu)成，其中，采樣保持電路20位于整個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最前端，各級(jí)流水線模塊21～23結(jié)構(gòu)相同，每級(jí)流水線模塊均由余量增益電路、子模數(shù)轉(zhuǎn)換器、子數(shù)模轉(zhuǎn)換器組成，它們是將前級(jí)流水線的輸出量化，然后將量化誤差放大2倍作為本級(jí)的輸出；這些模塊中，子模數(shù)轉(zhuǎn)換器完全相同，子數(shù)模轉(zhuǎn)換器也完全相同，余量增益電路則根據(jù)流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的各級(jí)要求，采用逐級(jí)遞減的原則按比例設(shè)計(jì)；比較器24位于最后一級(jí)流水線模塊之后，各級(jí)流水線模塊和比較器24分別與數(shù)據(jù)延時(shí)對(duì)齊電路25連接，數(shù)據(jù)延時(shí)對(duì)齊電路25與數(shù)字校正電路26連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可抑制比較器失調(diào)影響的流水線結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于末級(jí)比較器24中，由MOS管M1-M4組成預(yù)放大級(jí)，MOS管M5和M6組成一個(gè)鎖存器；MOS管M7和M8分別連接于MOS管M1和M3、MOS管M2和M4之間，時(shí)鐘CR連接于MOS管M7之前，時(shí)鐘CKn連接于MOS管M2和由MOS管M5和M6組成的鎖存器之間；CK和CKn為控制時(shí)鐘，它們相位相反。
全文摘要
本發(fā)明屬集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種可抑制比較器失調(diào)影響的流水線結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它由采樣保持電路、九級(jí)流水線模塊、末級(jí)比較器、時(shí)間延遲對(duì)齊電路和數(shù)字校正電路經(jīng)電路連接構(gòu)成。其中，各級(jí)流水線模塊結(jié)構(gòu)相同，均由余量增益電路、子模數(shù)轉(zhuǎn)換器和子數(shù)模轉(zhuǎn)換器組成；余量增益電路采用逐級(jí)遞減原則按比例設(shè)計(jì)。末級(jí)比較器用于校正第9級(jí)流水線模塊中比較器失調(diào)引起的誤差。這樣，9級(jí)子模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個(gè)比較器共輸出19位數(shù)據(jù)，經(jīng)過時(shí)間延遲電路后得19位同步數(shù)據(jù)，再經(jīng)過數(shù)字校正電路后得到最后10位量化數(shù)據(jù)輸出。本發(fā)明大大提高了模數(shù)轉(zhuǎn)換器性能的穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)H03M1/36GK1777037SQ200510111069
公開日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2005年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月1日
發(fā)明者任俊彥, 施宇峰, 尹文婧, 許俊 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)