用于列并行两步式模数转换器的共享型有源斜坡转换电路制造技术

本发明专利技术属于列并行架构模数转换器技术领域，具体为一个用于列并行架构两步式模数转换器的共享型有源斜坡转换电路。本发明专利技术的共享型有源斜坡转换电路包括有源开关电容模块和无源开关电容模块两部分。有源开关电容模块由一个运算放大器、一个的采样电容、一个寄生平衡电容和六个开关组成，其工作状态与待测信号无关；无源开关电容模块由一个采样电容、一个寄生平衡电容和一个开关组成，其工作状态决定于待测信号。当共享型有源斜坡转换电路应用于列并行架构时，一个有源开关电容模块被列并行的无源开关电容模块所共享。本发明专利技术能够有效减小列并行架构两步式模数转换器的功耗和面积。

【技术实现步骤摘要】
用于列并行两步式模数转换器的共享型有源斜坡转换电路
本专利技术属于列并行架构模数转换器
，具体涉及集成电路的用于列并行架构两步式模数转换器的斜坡转换电路。
技术介绍
在公知电路中，两步式单斜坡单斜率积分型模数转换器原理如图1所示，它的作用是将待测信号VIN量化为B位数字输出D<B-1,0>。它由传统斜坡转换电路110、比较器120、锁存和加法器130、计数和控制器140、以及斜坡信号发生器150（通常用数模转换器实现）。由于传统斜坡转换电路110是一个无源电路，所以本文称之为无源斜坡转换电路。它由一个电容C11和SD、SE、SR三个开关组成，其工作过程如下：在第一步高M位转换时，斜坡信号发生器150输出大阶梯斜坡信号通过SD与C11上极板D相连，并直接与待测信号VIN通过比较器120进行比较，当比较器120输出翻转时，C11上极板D采样并存储当时的斜坡信号；第二步低N位转换，斜坡信号发生器150输出的小阶梯斜坡信号（其阶梯高度是第一步时的1/2N）通过SE与C11的下极板E相连，根据电荷守恒定律，在浮空的上极板D上，下极板E上的电压变化与第一步存储电压进行叠加，再与待测信号在比较器120进行比较。无源斜坡转换电路的缺点在于：第二步时由于极板D处寄生电容CPD的存在，导致极板E处的电压变化无法以增益为一的方式传递到极板D，从而引起增益误差，当CPD/C11足够大时将导致模数转换的非线性。针对上述增益误差的问题，《一种应用于两步式积分型模数转换器的斜坡转换电路》（中国，公开号：CN103746694A，公开日：2014年4月23日）提出了一种包含运算放大器的斜坡转换电路，由于它是一个有源电路，所以本文称之为有源斜坡转换电路。它可以划分成一个有源开关电容模块与一个无源开关电容模块两部分，如图2所示：有源开关电容模块包括运算放大器A0、采样电容CHX、寄生平衡电容CMX与S01、S02、S03、S04、S05五个开关；无源开关电容模块包括采样电容CHA、寄生平衡电容CMA与S01、S06两个开关。对于电压变化的传递函数，有源斜坡转换器的增益等于两个模块增益的乘积，由于在理想情况下两个模块的增益互为倒数，所以有源斜坡转换器增益恒等于一。上述有源斜坡转换电路的缺点在于：有源开关电容模块进入锁存模式的时刻和所保持的电压都是待测信号的函数，因此其工作过程与待测信号相关。这一缺点在其应用于列并行架构时便突显出来：包含运算放大器的有源开关电容模块必须与待测信号一一对应，导致有源开关电容模块数目必须等于列数（并行输入的待测信号数）。这样，一方面大大增加了列并行架构的功耗与面积，另一方面，收紧了对运算放大器精度、速度与功耗的约束，增加了运算放大器的设计难度。
技术实现思路
针对上述有源斜坡转换电路应用于列并行架构时，存在的功耗与面积的问题，本专利技术提供了一种共享型有源斜坡转换电路，其中的有源开关电容模块的工作过程与待测信号无关，实现了有源开关电容模块的共享，从而解决了列并行架构应用时的功耗和面积问题。本专利技术提供的共享型有源斜坡转换电路，如图3所示，包括一个有源开关电容模块310和N个无源开关电容模块320.K，K=1,2,…,N；有源开关电容模块包括一个运算放大器A1、一个采样电容CH0、一个寄生平衡电容CM0和六个开关S2、S3、S4、S5、S6、S7；所述无源开关电容模块320.K包括一个采样电容CHK、一个寄生平衡电容CMK和一个开关S1K，K=1,2,…,N；所述有源开关电容模块310包括第一参考电平输入VREFP、第二参考电平输入VREFN和斜坡输入VRA三个输入端，以及一个输出端VAO；斜坡输入VRA和第一参考电平输入VREFP分别通过第二开关S2和第三开关S3连接到运算放大器A1的正输入端B；第二参考电平输入VREFN，通过第六开关S6和第零采样电容CH0连接到运算放大器的负输入端X，同时通过第六开关S6和第七开关S7连接到输出端VAO；运算放大器A1的负输入端X，通过第四开关S4连接到运算放大器A1的输出端O，同时负输入端X依次经过第零采样电容CH0和第五开关S5连接到运算放大器的输出端O，再次通过第零寄生平衡电容CM0连接到地；所述无源开关电容模块320.K包括斜坡输入VRPK和参考极板输入VCHK两个输入端，以及一个斜坡输出VROK；斜坡输入VRPK通过第K列开关S1K连接到斜坡输出VROK，第K列采样电容CHK的一个极板连接与斜坡输出VROK相连，称为输出极板，另一个极板与参考极板输入端VCHK相连，称为参考极板；第K个寄生平衡电容CMK的一个极板与斜坡输出VROK相连，另一个极板连接到地；当所述共享型有源斜坡转换电路组成N列并行架构时，包括一个斜坡输入和N个斜坡输出；所述有源开关电容模块的斜坡输入VRA与N个无源开关电容模块的斜坡输入VRP1~VRPN直接相连，作为所述N列并行架构的斜坡输入VRIN；N列无源开关电容模块的斜坡输出VRO1~VRON作为所述N列并行架构的斜坡输出端；N列无源开关电容模块320.1~320.N的参考极板输入VCH1~VCHN直接相连，称为共享节点Z；所述有源开关电容模块的输出端VAO与共享节点Z直接相连，从而被N个无源开关电容模块所共享。本专利技术中，N列并行架构的共享型有源斜坡转换电路工作过程如下：（1）当第一步高位模数转换开始时：有源开关电容模块被配置为采样模式；第二参考电平VREFN一方面通过导通的开关与共享节点Z相连，另一方面被有源开关电容模块采样；斜坡输入VRIN通过导通的N列开关S11~S1N分别与N列斜坡输出端VRO1~VRON相连，直接作为每一列的输出；（2）在第一步高位模数转换过程中：N列无源开关电容模块相互独立地进行工作，斜坡输入信号VRIN一旦高于第K列的待测信号，第K列开关S1K立即断开，将该时刻瞬时斜坡输入电平保存于浮空的第K列输出极板VROK上，该电压是第K列待测信号的函数，记为VRL(K)；（3）在第一步高位模数转换结束时：有源开关电容模块被配置为锁存模式，运算放大器A1的输出端O通过导通的开关与共享节点Z相连；连接第二参考电平VREFN与共享节点Z的开关断开，第二参考电平VREFN先被运算放大器A1锁存后，再经运算放大器A1的输出端O与共享节点Z相连；（4）在第二步低位模数转换时：有源开关电容模块被配置为跟随模式，斜坡输入VRIN通过导通的第二开关S2与有源开关电容模块中运算放大器A1的正输入端B相连，斜坡输入VRIN产生的电压变化依次经过运算放大器的输入端B、运算放大器的输出端O传递到共享节点Z；继而，根据电荷守恒原理，在每一列采样电容CHK的输出极板上与其所保持的电平VRL(K)叠加，作为第K列输出VROK。本专利技术中，有源开关电容模块中的工作过程与待测信号无关：在第一步高位模数转换时它被配置为采样模式，对第二参考电平VREFN进行采样；在第一步结束时它被配置为锁存模式，对第二参考电平VREFN进行保持；在第二步低位模数转换时它被配置为跟随模式，对共同的斜坡输入VRIN进行跟随。而无源开关电容模块的工作过程则与待测信号相关，其开关断开的时刻与所保存的电压值均是待测信号函数。本专利技术中，所述N个无源开关电容模块及其共享的有源本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于列并行两步式模数转换器的共享型有源斜坡转换电路，其特征在于包括一个有源开关电容模块310和N个无源开关电容模块320.K，K=1,2,…,N；有源开关电容模块包括一个运算放大器A1、一个采样电容CH0、一个寄生平衡电容CM0和六个开关S2、S3、S4、S5、S6、S7；无源开关电容模块320.K包括一个采样电容CHK、一个寄生平衡电容CMK和一个开关S1K，K=1,2,…,N；所述有源开关电容模块310包括第一参考电平输入VREFP、第二参考电平输入VREFN和斜坡输入VRA三个输入端，以及一个输出端VAO；斜坡输入VRA和第一参考电平输入VREFP分别通过第二开关S2和第三开关S3连接到运算放大器A1的正输入端B；第二参考电平输入VREFN，通过第六开关S6和第零采样电容CH0连接到运算放大器的负输入端X，同时通过第六开关S6和第七开关S7连接到输出端VAO；运算放大器A1的负输入端X，通过第四开关S4连接到运算放大器A1的输出端O，同时负输入端X依次经过第零采样电容CH0和第五开关S5连接到运算放大器的输出端O，再次通过第零寄生平衡电容CM0连接到地；所述无源开关电容模块320.K包括斜坡输入VRPK和参考极板输入VCHK两个输入端，以及一个斜坡输出VROK；斜坡输入VRPK通过第K列开关S1K连接到斜坡输出VROK，第K列采样电容CHK的一个极板连接与斜坡输出VROK相连，称为输出极板，另一个极板与参考极板输入端VCHK相连，称为参考极板；第K个寄生平衡电容CMK的一个极板与斜坡输出VROK相连，另一个极板连接到地；当所述共享型有源斜坡转换电路组成N列并行架构时，包括一个斜坡输入和N个斜坡输出；所述有源开关电容模块的斜坡输入VRA与N个无源开关电容模块的斜坡输入VRP1~VRPN直接相连，作为所述N列并行架构的斜坡输入VRIN；N列无源开关电容模块的斜坡输出VRO1 ~VRON作为所述N列并行架构的斜坡输出端；N列无源开关电容模块320.1~320.N的参考极板输入VCH1~VCHN直接相连，称为共享节点Z；所述有源开关电容模块的输出端VAO与共享节点Z直接相连，从而被N个无源开关电容模块所共享。...

【技术特征摘要】
1.一种用于列并行两步式模数转换器的共享型有源斜坡转换电路，其特征在于包括一个有源开关电容模块（310）和N个无源开关电容模块（320.K）；有源开关电容模块（310）包括一个运算放大器（A1）、一个采样电容（CH0）、一个寄生平衡电容（CM0）和六个开关（S2、S3、S4、S5、S6、S7）；无源开关电容模块（320.K）包括一个采样电容（CHK）、一个寄生平衡电容（CMK）和一个开关（S1K），K=1,2,…,N；所述有源开关电容模块（310）包括第一参考电平输入（VREFP）、第二参考电平输入（VREFN）和第一斜坡输入（VRA）三个输入端，以及一个输出端（VAO）；第一斜坡输入（VRA）和第一参考电平输入（VREFP）分别通过第二开关（S2）和第三开关（S3）连接到运算放大器（A1）的正输入端（B）；第二参考电平输入（VREFN），通过第六开关（S6）和采样电容（CH0）连接到运算放大器的负输入端（X），同时通过第六开关（S6）和第七开关（S7）连接到输出端（VAO）；运算放大器（A1）的负输入端（X），通过第四开关（S4）连接到运算放大器输出端（O），同时负输入端（X）依次经过采样电容（CH0）和第五开关（S5）连接到运算放大器输出端（O），再次通过寄生平衡电容（CM0）连接到地；所述无源开关电容模块（320.K）包括第二斜坡输入（VRPK）和参考极板输入（VCHK）两个输入端，以及一个斜坡输出（VROK）；第二斜坡输入（VRPK）通过第K列开关（S1K）连接到斜坡输出（VROK），第K列采样电容（CHK）的一个极板连接与斜坡输出（VROK）相连，称为输出极板，另一个极板与参考极板输入（VCHK）相连，称为参考极板；第K个寄生平衡电容（CMK）的一个极板与斜坡输出（VROK）相连，另一个极板连接到地；当所述共享型有源斜坡转换电路组成N列并行架构时，包括一个斜坡输入和N个斜坡输出；所述有源开关电容模块的第一斜坡输入（VRA）与N个无源开关电容模块的第二斜坡输入（VRP1~VRPN）直接相连，作为所述N列并行架构的总斜坡输入（VRIN）；N列无源开关电容模块的斜坡输出（VRO1~VRON）作为所述N列并行架构的斜坡输出端；N列无源开关电容模块（320.1~320.N）的参考极板输入（...

【专利技术属性】
技术研发人员：程旭，李立，郭东东，曾晓洋，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31