[发明专利]一种电荷耦合流水线模数转换器

说明书

技术领域

本发明涉及一种电荷耦合流水线模数转换器，尤其涉及一种采样保持电路 和各子级电路中均不使用运算放大器的流水线模数转换器。

背景技术

随着数字信号处理技术的不断发展，电子系统的数字化和集成化是必然趋 势。然而现实中的信号大都是连续变化的模拟量，需经过模数转换变成数字信 号方可输入到数字系统中进行处理和控制，因而模数转换器在未来的数字系统 设计中是不可或缺的组成部分。在宽带通信、数字高清电视和雷达等应用领域， 系统要求模数转换器同时具有非常高的采样速率和分辨率。这些应用领域的便 携式终端产品对于模数转换器的要求不仅要高采样速率和高分辨率，其功耗还 应该最小化。

目前，能够同时实现高采样速率和高分辨率的模数转换器结构为流水线结 构模数转换器。流水线结构是一种多级的转换结构，每一级使用低精度的基本 结构的模数转换器，输入信号经过一级级的处理，最后由每级的结果组合生成 高精度的输出。其基本思想就是把总体上要求的转换精度平均分配到每一级，每 一级的转换结果合并在一起可以得到最终的转换结果。由于流水线结构模数转 换器可以在速度、功耗和芯片面积上实现最好的折中，因此在实现较高精度的 模数转换时仍然能保持较高的速度和较低的功耗。

现有比较成熟的实现流水线结构模数转换器的方式是基于开关电容电路的 流水线结构。图1所示为现有经常使用的基于开关电容技术的采样保持电路， 采样保持电路由开关3～8，电容9、10，运算放大器11经电路连接构成。前半 时钟相位有效时，输入共模电压通过开关5、6与运放11的输入端连接，并同 时连接电容9、10的顶极板，输入信号通过开关3、4输入，将电荷存储在电容 9、10上；开关5、6比开关3、4提早关断，使得电容9、10的顶极板悬空，这 样可以消除MOS开关固有的电荷注入和时钟馈通效应。后半时钟相位有效时， 开关3～6断开，电容9、10通过导通的开关7、8将底极板翻转至运放11的输 出端，从而进行信号的保持处理。该采样保持电路的工作需要使用运算放大器 的负反馈来保证电路精度和速度。同样基于该技术的流水线模数转换器中各个 子级电路的工作也都必须使用高增益和宽带宽的运算放大器。这些高增益和宽 带宽运算放大器的使用限制了开关电容流水线模数转换器的速度和精度，成为 该类模数转换器性能提高的主要限制瓶颈，并且精度不变的情况下模数转换器 功耗水平随速度的提高呈直线上升趋势。一般情况下基于该技术的模数转换器 中所有运算放大器所使用的功耗占整个模数转换器的功耗的70％以上。如模数 转换器的精度达12位以上、采样率200MHz以上，所使用的运算放大器的开环 增益将达到90dB以上、单位增益带宽超过2GHz，该类运放的功耗水平将非常 高，并且采用深亚微米CMOS工艺进行设计将会非常困难。要降低基于开关电 容电路的流水线模数转换器的功耗水平，最直接的方法就是减少或者消去高增 益和超宽带宽的运算放大器的使用。

在基于电荷耦合器件工作原理的电荷耦合信号处理技术中，信号以电荷包 的形式表示，电荷包的大小代表不同大小的信号量，不同大小的电荷包在不同 存储节点间的存储、传输、加/减、比较等处理实现信号处理功能。通过采用周 期性的时钟来驱动控制不同大小的电荷包在不同存储节点间的信号处理就可以 实现各种复杂的信号处理功能。目前，电荷耦合信号处理技术已经广泛运用于 各类视频、光电传感器领域。基于电荷耦合器件工作原理的电荷耦合信号处理 技术可以用于模数转换器的设计，借助电荷耦合信号处理技术的低功耗特性可 以实现具有超低功耗的模数转换器。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于电荷耦合信号 处理技术的具有低功耗特性同时又能实现高速度、高精度的流水线结构模数转 换器。

按照本发明提供的技术方案，所述电荷耦合流水线模数转换器包括：电荷 耦合采样保持电路、多级对采样得到的电荷包进行量化和余量处理的电荷耦合 子级流水线电路、最后一级对采样得到的电荷包进行量化的电荷耦合子级流水 线电路、对每个电荷耦合子级流水线电路输出的数字码进行同步的延时同步寄 存器、将接收的数字码进行数字纠错的数字校正模块、时钟和偏置信号产生电 路；