用於電荷耦合流水線adc的反饋增強型電荷傳輸電路的製作方法

2023-05-25 05:39:01

專利名稱：用於電荷耦合流水線adc的反饋增強型電荷傳輸電路的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用於電荷耦合流水線模數轉換器的反饋增強型電荷傳輸電路，屬於集成電路技術領域。
背景技術：
隨著數位訊號處理技術的不斷發展，電子系統的數位化和集成化是必然趨勢。然而現實中的信號大都是連續變化的模擬量，需經過模數轉換變成數位訊號方可輸入到數字系統中進行處理和控制，因而模數轉換器在未來的數字系統設計中是不可或缺的組成部分。在寬帶通信、數字高畫質電視和雷達等應用領域，系統要求模數轉換器同時具有非常高的採樣速率和解析度。這些應用領域的可攜式終端產品對於模數轉換器的要求不僅要高採樣速率和高解析度，其功耗還應該最小化。目前，能夠同時實現高採樣速率和高解析度的模數轉換器結構為流水線結構模數轉換器。流水線結構是一種多級的轉換結構，每一級使用低精度的基本結構的模數轉換器，輸入信號經過逐級的處理，最後由每級的結果組合生成高精度的輸出。其基本思想就是把總體上要求的轉換精度平均分配到每一級，每一級的轉換結果合併在一起可以得到最終的轉換結果。由於流水線結構模數轉換器可以在速度、功耗和晶片面積上實現最好的折中，因此在實現較高精度的模數轉換時仍然能保持較高的速度和較低的功耗。現有比較成熟的實現流水線結構模數轉換器的方式是基於開關電容技術的流水線結構。基於該技術的流水線模數轉換器中採樣保持電路和各個子級電路的工作也都必須使用高增益和寬帶寬的運算放大器。模數轉換器的速度和處理精度取決於所使用高增益和超寬帶寬的運算放大器負反饋的建立速度和精度。因此該類流水線結構模數轉換器設計的核心是所使用高增益和超寬帶寬的運算放大器的設計。這些高增益和寬帶寬運算放大器的使用限制了開關電容流水線模數轉換器的速度和精度，成為該類模數轉換器性能提高的主要限制瓶頸，並且精度不變的情況下模數轉換器功耗水平隨速度的提高呈直線上升趨勢。要降低基於開關電容電路的流水線模數轉換器的功耗水平，最直接的方法就是減少或者消去高增益和超寬帶寬的運算放大器的使用。電荷耦合流水線模數轉換器就是一種不使用高增益和超寬帶寬的運算放大器的模數轉換器，該結構模數轉換器具有低功耗特性同時又能實現高速度和高精度。電荷耦合流水線模數轉換器採用電荷耦合信號處理技術。電路中，信號以電荷包的形式表示，電荷包的大小代表不同大小的信號量，不同大小的電荷包在不同存儲節點間的存儲、傳輸、加/減、比較等處理實現信號處理功能。通過採用周期性的時鐘來驅動控制不同大小的電荷包在不同存儲節點間的信號處理便可以實現模數轉換功能。在電荷耦合流水線模數轉換器中，各級電荷耦合流水線子級電路由本級電荷傳輸控制開關、多個電荷物理存儲節點、多個連接到電荷存儲節點的電荷存儲元件、多個比較器、多個受比較器輸出結果控制的基準電荷選擇電路在控制時鐘的控制下構成。各級流水線子級電路的工作過程中，電荷的傳輸、加/減、比較量化等功能均圍繞各子級的電荷物理存儲節點進行。由於流水線模數轉換器的實現包括了大量的數字電路，而普通CMOS工藝是實現這些大規模數字電路的最佳工藝。要藉助數位訊號處理技術來實現超高速和超高精度的電荷耦合流水線模數轉換器，最核心的一個問題就是電荷包的存儲傳輸、比較量化以及加減運算等關鍵步驟在現有的普通CMOS工藝條件下能夠高效並精確地實現。因此，為藉助大規模數位訊號處理技術來實現高速度和高精度電荷耦合流水線模數轉換器，必須提供一種適用於普通CMOS工藝的高精度電荷傳輸電路。對於高效電荷傳輸技術的實現，現有的技術實現方式典型的有專禾Ij US2007/0279507A1增強型電荷傳輸電路，其典型電路結構如

圖1所示。電荷傳輸MOSFET S的柵極Ve被連接到由MOS管M1、M2和M3構成的運算放大器1的輸出端。運算放大器1的輸出端運算電荷傳輸之前，S處於關斷狀態，待傳輸電荷被存儲在C1上。圖2為該電路的工作電壓波形示意圖。t0時刻，Ckl發生負階越變化，Ckln發生正階越變化，導致Ni電壓VNi突變到一個低電位而No的電壓VN。突變到一個高電位，運算放大器1將會響應該變化並驅動MOSFET S柵極Ve電壓為高電平，使得S開始導通；由於電勢差的緣故，Ni上所存儲電荷將會以電子形式向No轉移，引起VNi上升而VN。下降，運算放大器1將同樣會響應該變化並驅動MOSFET S柵極Ve電壓逐漸降低；tl時亥lj，當VNi上升到電壓V,時，Vg電壓逐漸降低到截止電壓Vth時，S重新關斷，電荷傳輸過程結束，其中Vt由共源共柵運算放大器的靜態工作點確定。圖1所示電路在一個時鐘周期內所傳輸的電荷量A可以用C1上電荷變化量表示。Qt = C1* ( Δ Vckl-Δ VNi)(1)= C1* ((Vckl (to) -Vckl (tl)) - (VNi (to) -VNi (tl))上式中，Vckl(t0)、Vckl(tl)、VNi(t0)均為由基準電壓直接控制的固定量；VNi (to)由待傳輸信號電荷量決定，而VNi (tl)在電荷傳輸結束時逼近到電壓Vp整個電荷傳輸過程中，VNi向Vt逼近的速度和精度直接決定了 BCT電路的電荷傳輸速度和精度。若Vt精確穩定，則傳輸過程中所傳輸的電荷量為待傳輸信號電荷的線性函數。但由於Vt由共源共柵運算放大器的靜態工作點確定，Vt對於PVT波動非常敏感。假設由於PVT波動t產生了 Δ V的變化，對應VNi(tl)將會產生AV的電壓變化量。由(1)式，我們可以看到AV會直接在Qt上產生AQ = AV^C1的誤差電荷量。圖3為BCT電路對應的小信號模型。該模型中Cpl為Cp2寄生電容，電荷傳輸過程中由Ni流向No的電流為Idl，運放A的增益為Αη。顯然有Idl== k(Vgs-Vth)2(2)其中彳= ICotWWZAQSC1電荷，c。x*氧化層電容，U為載流子遷移率，W/L為S的寬長比，Vgs為柵源電壓，Vth為閾值電壓，又Vgs = Vg-Vs = Vg-Vm = AnVd-Vm = An (Vr-Vm) -Vm(3)其中& =c ^c，將⑶式帶入⑵式我們得到[0019]
權利要求1.用於電荷耦合流水線ADC的反饋增強型電荷傳輸電路，其特徵是包括一個電荷傳輸MOSFET和一個運算放大器；所述運算放大器的第一輸入信號端連接到電荷待傳輸節點Ni，即電荷傳輸MOSFET的源極；運算放大器的第二輸入信號端連接到電荷傳輸目標節點No,即電荷傳輸MOSFET的漏極；運算放大器的第三輸入信號端和第四輸入信號端分別連接到第一基準電壓Vrj和第二基準電壓Vr2 ；運算放大器的輸出信號端連接到電荷傳輸MOSFET的柵極。
2.根據權利要求1所述反饋增強型電荷傳輸電路，其特徵在於，所述時鐘控制的運算放大器電路包括11個MOS管，分別為第一 NMOS管(Ml)、第二 NMOS管(M2)、第三NMOS管(M3)、第四 NMOS 管(M4)、第九 NMOS 管(M9)、第十 NMOS 管(M10)、第^^一 NMOS 管(Mil)、第五PMOS管(M5)、第六PMOS管(M6)、第七PMOS管(M7)、第八PMOS管(M8)；連接關係為第一NMOS管(Ml)的柵極連接到運算放大器的第一輸入信號端，第一 NMOS管(Ml)漏極連接到第六PMOS管(M6)的漏極和柵極，第一 NMOS管(Ml)源極連接到第十NMOS管(MlO)的漏極；第二 NMOS管(M2)的柵極連接到運算放大器的第二輸入信號端，第二 NMOS管(M2)漏極連接到第五PMOS管(M5)的漏極，第二 NMOS管(M2)源極連接到第十NMOS管(MlO)的漏極；第三NMOS管(M3)的柵極連接到運算放大器的第三輸入信號端，第三NMOS管(M3)漏極連接到第六PMOS管(M6)的漏極和柵極，第三NMOS管(M3)源極連接到第九NMOS管(M9)的漏極；第四NMOS管(M4)的柵極連接到運算放大器的第四輸入信號端，第四NMOS管(M4)漏極連接到第五PMOS管(M5)的漏極，第四NMOS管(M4)源極連接到第九NMOS管(M9)的漏極；第九NMOS管(M9)的漏極連接到第三和第四NMOS管(M4)的源極，第九NMOS管(M9)柵極連接到偏置電壓，第九NMOS管(M9)源極連接到地；第十NMOS管(MlO)的漏極連接到第一和第二NMOS管(M2)的源極，第十NMOS管(MlO)柵極連接到偏置電壓，第十NMOS管(MlO)源極連接到地；第五PMOS管(M5)的柵極連接到第六PMOS管(M6)的柵極，第五PMOS管(M5)漏極連接到第二和第四NMOS管(M4)的漏極，第五PMOS管(M5)源極連接到第七PMOS管(M7)的漏極；第六PMOS管(M6)的柵極和漏極連接到第五PMOS管(M5)的柵極，同時連接到第一和第三NMOS管(M3)的漏極，第六PMOS管(M6)源極連接到第八PMOS管(M8)的漏極；第七PMOS管(M7)的漏極連接到第五PMOS管(M5)的源極，第七PMOS管(M7)柵極連接到時鐘信號，第七PMOS管(M7)源極連接到電源；第八PMOS管(M8)的漏極連接到第六PMOS管(M6)的源極，第八PMOS管(M8)柵極連接到時鐘信號，第八PMOS管(M8)源極連接到電源；第十一NMOS管(Mil)的柵極連接到時鐘信號，第i^一 NMOS管(Mil)源極連接到地，第i^一 NMOS管(Mil)漏極連接到第五PMOS管(M5)的漏極；第五PMOS管(M5)的漏極連接到運算放大器的輸出信號端。
專利摘要本實用新型屬於集成電路設計技術領域，具體為一種適用於普通CMOS工藝的電荷耦合流水線模數轉換器的反饋增強型電荷傳輸電路，該反饋增強型電荷傳輸電路包括一個電荷傳輸MOSFET和一個輸出端連接到電荷傳輸MOSFET柵極的差動差分運算放大器連接構成。其優點是本實用新型所提供的反饋增強型電荷傳輸電路，能夠精確控制所傳輸的電荷量大小，克服了現有電荷傳輸電路對於PVT波動敏感的問題，可以廣泛應用於電荷耦合流水線模數轉換器中各級電荷耦合子級流水電路中。
文檔編號H03M1/12GK202309681SQ20112038630
公開日2012年7月4日 申請日期2011年10月11日 優先權日2011年10月11日
發明者於宗光, 季惠才, 陳珍海, 黃嵩人 申請人:中國電子科技集團公司第五十八研究所