一種應用於兩步式積分型模數轉換器的斜坡轉換電路的製作方法
2023-09-22 21:25:15 2
一種應用於兩步式積分型模數轉換器的斜坡轉換電路的製作方法
【專利摘要】本發明屬於半導體和集成電路【技術領域】，具體為一種應用於兩步式積分型模數轉換器的斜坡轉換電路。本發明的斜坡轉換電路包括一個運算放大器、一對的採樣電容、一對寄生平衡電容和六個開關。在第一步高位模數轉換時，輸入斜坡信號直接輸出，同時被運算放大器和第一個採樣電容採樣和保持；在第二步低位模數轉換時，輸入斜坡信號輸入到運算放大器正輸入端，運算放大器將其正輸入端的電壓變化以增益為一的方式傳遞到第二個採樣電容的浮空極板，並在此與第一步的保持電壓進行疊加，作為斜坡轉換電路的輸出。本發明可以有效消除該類型模數轉換器電壓變化的傳遞過程中由寄生電容引起的增益誤差，提高精度和速度。
【專利說明】一種應用於兩步式積分型模數轉換器的斜坡轉換電路
【技術領域】
[0001]本發明屬於半導體和集成電路【技術領域】，具體涉及集成電路中的一種應用於兩步式積分型模數轉換器的斜坡轉換電路。
【背景技術】
[0002]積分型模數轉換器由於其結構簡單、低功耗、高精度等特點，在低速領域具有非常明顯的優勢，特別是在多通道並行模數轉換器應用方面，積分型模數轉換器更是因其出色的各通道一致性而被廣泛應用。但是傳統的B位積分型模數轉換器的轉換時間為2B個時鐘周期，這個缺點限制了其精度的提高。因此積分型模數轉換器從傳統的一步式結構變為兩步式結構，將轉換時間與精度的關係由指數關係(2B)變為指數相加的關係(2M+2N，其中M+N=B)，從而縮短了轉換時間。兩步式結構又包括:兩步式多斜坡單斜率結構、兩步式多斜坡多斜率結構和兩步式單斜坡單斜率結構。兩步式單斜坡單斜率結構消除了多斜坡結構的匹配和功耗問題，因此可以在中高精度模數轉換應用中，更有效地縮短轉換時間。
[0003]在公知電路中，兩步式單斜坡單斜率積分型模數轉換器原理如圖1所示，由傳統的斜坡轉換電路101、比較器102、鎖存和加法器103、計數和控制器104、以及斜坡信號發生器105 (通常用一個數模轉換器實現)。轉換過程分為高M位和低N位兩步進行:第一步進行高位M位轉換，計數和控制器104的高M位從零開始計數，斜坡信號發生器105輸出階梯斜坡信號，斜坡信號與模數轉換器輸入的待量化信號分別輸入到比較器102的兩個輸入端，當比較器102輸出翻轉時，鎖存和加法器103鎖存此時計數和控制器104的值(m)，完成高位M轉換；與此同時，傳統的斜坡轉換電路101採樣並存儲對應的斜坡信號。第二步進行低位N位轉換，計數和控制器104的低位N從零開始計數，斜坡信號發生器105輸出階梯斜坡信號(其階梯大小是第一步時的1/2N)，傳統的斜坡轉換電路101將此斜坡信號與第一步存儲的電壓值疊加後輸入到比較器102的正端，比較器102再一次翻轉時，鎖存和加法器103鎖存計數和控制器104的值(n)，完成低N位轉換，並計算出模數轉換的結果D=2Nm+n。
[0004]所述轉換過程中，傳統的斜坡轉換電路101對整個模數轉換器性能影響很大。首先，斜坡轉換電路中開關Sn、S12, S13在開關轉換時會有電荷注入和時鐘饋通兩個非理想因素，它會導致電壓存儲電路存儲的電壓與理想值出現偏差，從而影響模數轉換器的性能。此問題可用已有公知的低位斜坡擴展的方法解決。其次，由於節點D存在寄生電容，它會導致第一步切換到第二步，以及第二步轉換過程中，節點E電壓變化傳遞到節點D時，電壓變化的增益小於I ;但此增益誤差不存在於第一步轉換中，最終造成模數轉換器的非線性。由於當增益小於I時出現非單調，當增益大於I時出現失碼，因此傳統的斜坡轉換電路101將造成模數轉換器的非單調特性。
【發明內容】
[0005]針對上述兩步式單斜坡單斜率積分型模數轉換器的現有技術存在的問題，本發明提供一種斜坡轉換電路，以解決兩步式單斜坡單斜率積分型模數轉換中，第一步切換到第二步，以及第二步操作時所引起的電壓變化傳遞到斜坡轉換電路輸出的過程中，由於寄生電容而產生的增益誤差的問題。
[0006]本發明提供的斜坡轉換電路，如圖3所示，包括:一個運算放大器Al、一對採樣電容Chi和Ch2、一對寄生平衡電容(^1和(^2，六個開關51、52、53、54、55、56。輸入斜坡信號一方面依次經過開關S1和S6連接到斜坡轉換電路的輸出端，另一方面通過開關S2連接到運算放大器的正輸入端；運算放大器的正輸入端通過開關S3與參考電平相連；運算放大器的負輸入端，一方面通過開關S4連接到運算放大器的輸出端，另一方面依次經過第一採樣電容Cm和開關S5，連接到運算放大器的輸出端；運算放大器的輸出端依次經過開關S5和第二採樣電容Ch2，連接到斜坡轉換電路的輸出端；第二採樣電容Ch2的兩個極板通過開關S6相連；第一寄生平衡電容Cmi的一個極板接地，另一個極板與運算放大器的負輸入端相連；第二寄生平衡電容Cm2的一個極板接地，另一個極板與斜坡轉換電路的輸出端相連。
[0007]上述方案中，兩個採樣電容匹配相等。兩個寄生平衡電容具有大於或等於零的電容值，分別用於調節運算放大器負輸入端(X)和斜坡轉換電路輸出端(A)的等效對地寄生電容，使上述兩個節點(X和A)具有相等的對地電容。採樣電容與對地電容之和稱為總電容，上述兩個節點(X和A)的總電容分別稱為第一總電容和第二總電容。所以，第一總電容和第二總電容相等。
[0008]上述方案中，運算放大器與第一採樣電容Cm以及開關S4和S5構成了電容翻轉結構的採樣保持電路。運算放大器由開關S2、s3、s4和S5控制，在一個模數轉換周期相繼工作於採樣模式、保持模式和跟隨模式:在採樣模式時，S4導通，S5關斷，運算放大器負輸入端與運算放大器輸出端相連，第一米樣電容Chi的一個極板與運算放大器負輸入端相連,另一個極板對輸入斜坡信號進行採樣；在保持模式和跟隨模式時，S4關斷，S5導通，第一採樣電容Cm的另一個極板與運算放大器輸出端相連；運算放大器正輸入端，在採樣模式和保持模式時通過導通的S3與參考電平相連，在跟隨模式時通過導通的S2與輸入斜坡信號相連。
[0009]上述方案中，輸入斜坡信號在斜坡轉換電路中的輸入方式由三個開關(Sp S2和S6)進行控制:
(1)第一步高位模數轉換開始時，S1和S6導通，S2關斷，輸入斜坡信號連接到斜坡轉換電路的輸出，直接作為斜坡轉換電路的輸出信號；輸入斜坡信號同時被第一採樣電容Cm採樣；第二採樣電容Ch2的兩個極板被開關S6短路到斜坡轉換電路的輸出。
[0010](2)第一步高位模數轉換的採樣過程一直持續到輸入斜坡信號恰好大於模數轉換器的輸入信號時結束，S1和S2均關斷，輸入斜坡信號不再輸入到斜坡轉換電路中；此時運算放大器進入保持模式，其輸出保持電壓為最後採樣到的輸入斜坡信號的電壓值；第二採樣電容Ch2在運算放大器輸出建立穩定之後，兩個極板間的開關S6關斷，其中一個極板與運算放大器輸出端相連，另一個極板浮空並作斜坡轉換電路的輸出；此時第二採樣電容Ch2兩個極板的電壓均為保持電壓。
[0011](3)第二步低位模數轉換時，S1關斷，S2導通，輸入斜坡信號輸入到運算放大器的正輸入端，處於跟隨模式的運算放大器將運算放大器正輸入端的電壓變化傳遞到運算放大器的輸出端；根據電荷守恆原理，再進一步傳遞到第二採樣電容Ch2的浮空極板上，並在此疊加到第一步保持電壓上，作為斜坡轉換電路的輸出信號。
[0012]上述方案中，運算放大器正輸入端的電壓變化由以下兩個操作產生:(1)當運算放大器從保持模式進入跟隨模式時，正輸入端由參考電平切換到第二步輸入斜坡信號的初始電平；(2)當運算放大器工作於跟隨模式時，第二步輸入斜坡信號電壓變化。
[0013]上述方案中，運算放大器正輸入端的電壓變化通過兩個級聯的傳遞函數傳遞到斜坡轉換電路的輸出端:(I)第一級是處於跟隨模式的運算放大器將運算放大器正輸入端的電壓變化傳遞到運算放大器的輸出端，第一級傳遞函數的增益等於第一總電容與第一採樣電容之比；(2)第二級是運算放大器的輸出電壓變化傳遞斜坡轉換電路的輸出端，第二級傳遞函數的增益等於第二採樣電容與第二總電容之比。由於上述兩個採樣電容和兩個總電容分別相等，因此上述兩級增益互為倒數；而兩級增益相乘為總增益，所以上述斜坡轉換電路的電壓變化傳遞函數的總增益等於一。
[0014]上述方案在實現時，由於電容匹配等原因使上述兩個採樣電容和兩個總電容分別存在電容值的偏差，但總增益僅決定於它們各自的相對偏差，這種相對偏差在集成電路實現時均可以控制在±1%左右，所以總增益仍然非常接近於一。
[0015]本發明的有益效果是可以有效地消除斜坡轉換電路輸入端的電壓變化傳遞到輸出端由於寄生電容而產生的增益誤差，所述的電壓變化是由第一步切換到第二步，以及第二步轉換過程中的所引起的。同時，採樣保持電路部分採用了傳統電容翻轉結構的採樣保持電路，保留了其下極板採樣時序，可以有效消除由於開關注入和饋通引入的非線性誤差。基於以上改進效果，本發明可以有效地提高兩步式積分型模數轉換器的精度和速度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是公知的採用傳統斜坡轉換電路的兩步式單斜坡單斜率積分型模數轉換器原理圖，其中虛線方框中為節點上由連線和負載引入的等效對地寄生電容。
[0017]圖2是公知的用於控制傳統斜坡轉換電路的時序圖。
[0018]圖3是本發明的用於兩步式單斜坡單斜率積分型模數轉換器的斜坡轉換電路。
[0019]圖4是本發明的用於兩步式單斜坡單斜率積分型模數轉換器的斜坡轉換電路，為了描述原理加入了虛線方框中節點上由連線和負載引入的等效對地寄生電容。
[0020]圖5是本發明用於控制斜坡轉換電路的時序圖。
【具體實施方式】
[0021]為了便於理解，以下將結合具體的附圖和實施方式對本發明進行詳細地描述。需要指出的是，圖3和圖5僅是本發明的實施舉例，本發明權利要求範圍內的具體實施的形式和細節不限於圖3和圖5。對於任何熟知集成電路設計技術的人員，可知本發明所述圖3和圖5各例均可以根據本文說明，在本發明範圍內作出各種不同的修正和變化，這些修正和變化也納入本發明的範圍內。
[0022]圖1是公知的兩步式積分型模數轉換器的電路原理圖，包括:傳統的斜坡轉換電路101、比較器102、鎖存和加法器103、計數和控制器104、以及斜坡信號發生器105。圖1中Vin是待量化的輸入信號，Vrampjin是輸入斜坡信號，Vramp；out是輸出斜坡信號，D是輸出B位數字碼。三個開關在圖2所示時序信號的控制下完成兩步式轉換。在兩種情況下存在增益誤差。第一種情況是，當第一步高位轉換進行到輸入斜坡信號恰好大於待量化的信號時，S13關斷，此時斜坡信號仍由S11輸入，引起節點D電壓變化AVd,從而節點E電壓變化Λ VE，由於節點E存在對地的寄生電容Cpe，將導致傳遞函數的增益小於1，表達如下:
【權利要求】
1.一種應用於兩步式積分型模數轉換器的斜坡轉換電路，其特徵在於包括:一個運算放大器(Al)、一對米樣電容(Chi和Ch2 )、一對寄生平衡電容(Cmi和Cm2 )和六個開關(SpS2、S3、S4、S5、S6);輸入斜坡信號一方面依次經過第一開關(S1)和第六開關(S6)連接到斜坡轉換電路的輸出端，另一方面通過第二開關(S2)連接到運算放大器的正輸入端；運算放大器的正輸入端通過第三開關(S3)與參考電平相連；運算放大器的負輸入端，一方面通過第四開關(S4)連接到運算放大器的輸出端，另一方面依次經過第一採樣電容(Chi)和第五開關(S5),連接到運算放大器的輸出端；運算放大器的輸出端依次經過第五開關(S5)和第二採樣電容(CH2)，連接到斜坡轉換電路的輸出端；第二採樣電容(Ch2)的兩個極板通過第六開關(S6)相連；第一寄生平衡電容(Cmi)的一個極板接地，另一個極板與運算放大器的負輸入端相連；第二寄生平衡電容(Cm2)的一個極板接地，另一個極板與斜坡轉換電路的輸出端相連。
2.根據權利要求1所述的應用於兩步式積分型模數轉換器的斜坡轉換電路，其特徵在於: 兩個採樣電容匹配相等；兩個寄生平衡電容用於調節運算放大器負輸入端的等效對地寄生電容和斜坡轉換電路輸出端的等效對地寄生電容，使所述輸入端和所述輸出端具有相等的對地電容；採樣電容與對地電容之和稱為總電容，上述輸入端和輸出端的總電容分別稱為第一總電容和第二總電容；所以第一總電容和第二總電容相等。
3.根據權利要求1所述的應用於兩步式積分型模數轉換器的斜坡轉換電路，其特徵在於:第一步高位模數轉換開始時，輸入斜坡信號通過開關直接連到斜坡轉換電路的輸出，同時輸入斜坡信號被第一採樣電容採樣，第二採樣電容的兩個極板被開關短路到斜坡轉換電路的輸出。
4.根據權利要求3所述的應用於兩步式積分型模數轉換器的斜坡轉換電路，其特徵在於:輸入斜坡信號在斜坡轉換電路中的輸入方式由第一、第二和第六(SpS2和S6)三個開關進行控制: (1)第一步高位模數轉換開始時，第一開關(S1)和第六開關(S6)導通，第二開關(S2)關斷，輸入斜坡信號連接到斜坡轉換電路的輸出，直接作為斜坡轉換電路的輸出信號；輸入斜坡信號同時被第一米樣電容(Cm)米樣；第二米樣電容(Ch2)的兩個極板被第六開關(S6)短路到斜坡轉換電路的輸出； (2)第一步高位模數轉換的採樣過程一直持續到輸入斜坡信號恰好大於模數轉換器的輸入信號時結束，第一開關(S1)和第二開關(S2)均關斷，輸入斜坡信號不再輸入到斜坡轉換電路中；此時運算放大器進入保持模式，其輸出保持電壓為最後採樣到的輸入斜坡信號的電壓值；第二米樣電容(Ch2)在運算放大器輸出建立穩定之後,兩個極板間的第六開關(S6)關斷，其中一個極板與運算放大器輸出端相連，另一個極板浮空並作斜坡轉換電路的輸出；此時第二採樣電容(Ch2)兩個極板的電壓均為保持電壓； (3)第二步低位模數轉換時，第一開關(S1)關斷，第二開關(S2)導通，輸入斜坡信號輸入到運算放大器的正輸入端，此時運算放大器處於跟隨模式，運算放大器將運算放大器正輸入端的電壓變化傳遞到運算放大器的輸出端；根據電荷守恆原理，再進一步傳遞到第二採樣電容(C02)的浮空極板上，並在此疊加到第一步保持電壓上，作為斜坡轉換電路的輸出信號。
5.根據權利要求2或4所述的應用於兩步式積分型模數轉換器的斜坡轉換電路，其特徵在於:運算放大器正輸入端的電壓變化通過兩個級聯的傳遞函數傳遞到斜坡轉換電路的輸出端: (1)第一級是處於跟隨模式的運算放大器將運算放大器正輸入端的電壓變化傳遞到運算放大器的輸出端，第一級傳遞函數的增益等於第一總電容與第一採樣電容之比； (2)第二級是運算放大器輸出端的電壓變化傳遞斜坡轉換電路的輸出端，第二級傳遞函數的增益等於第二採樣電容與第二總電容之比； 由於上述兩個採樣電容和兩個總電容分別相等，上述兩級增益互為倒數；而兩級增益相乘為總增益，所以上述斜坡轉換`電路的電壓變化傳遞函數的總增益等於一。
【文檔編號】H03M1/06GK103746694SQ201410014952
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月14日 優先權日:2014年1月14日
【發明者】程旭, 孫彪, 郭東東, 曾曉洋 申請人:復旦大學