一种降低流水线中运算放大器功耗的系统及方法技术方案

技术编号:14866463 阅读:150 留言:0更新日期:2017-03-20 14:25
本发明专利技术涉及一种降低流水线模数转换器中运算放大器功耗的系统及方法包括:电流源管M1…Mn;两组开关单元Kb1….Kbn和K1….Kn;两个时钟信号CK1和CK2,其中CK1为保持相时钟,CK2为采样相时钟;产生偏置电压Vb1….Vbn和偏置电压V1….Vn的偏置电压供给模块VBIAS;运算放大器的主体电路OPAbody;电流源管M1…Mn,包括并联的恒流源尾管Ma1…Man和动态源管Mb1…Mbn,电流源管M1…Mn的源端直接接电源或接地;本发明专利技术可广泛地应用于任何工作在一定频率下的流水线模数转换器运算放大电路中,具有设计简单、降功耗效果明显、通用性强等优点。提供了设计简单、降功耗明显、通用性强的降低流水线中运算放大器功耗的系统及方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及集成电路设计中降低功耗的系统及方法,尤其涉及一种降低流水线中运算放大器功耗的系统及方法
技术介绍
模数转换器作为沟通模拟世界和数字世界的中间桥梁电路,在通讯领域有着广泛的应用。随着便携式设备的日益普及,要求模数转换器具有高速高精度的同时,可获得更低的功耗。然而为获得较高的速度和精度,常常牺牲模数转换器的功耗为代价。高速高精度模数转换器通常采用流水线结构,流水线模数转换器包含多个中低精度子级转换单元,在采样相和保持相两相不交叠的时钟控制下,各个子级转换单元交替进行模数转换。运算放大器作为流水线模数转换器中的核心单元和主要功耗来源,如何降低运算放大器的功耗成为降低整体系统功耗的关键。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是:克服现有技术的不足,提供了设计简单、降功耗明显、通用性强的降低流水线中运算放大器功耗的系统及方法。本专利技术的技术解决方案是:一种降低流水线模数转换器中运算放大器功耗的系统,其特征在于包括:电流源管M1...Mn;两组开关单元Kb1....Kbn和K1....Kn;两个时钟信号CK1和CK2,其中CK1为保持相时钟,CK2为采样相时钟;产生偏置电压Vb1....Vbn和偏置电压V1....Vn的偏置电压供给模块VBIAS;运算放大器的主体电路OPAbody;电流源管M1...Mn,包括并联的恒流源尾管Ma1...Man和动态源管Mb1...Mbn,电流源管M1...Mn的源端直接接电源或接地;偏置电压V1....Vn直接接入恒流源尾管Ma1...Man的栅端,形成固定偏置;同时,偏置电压V1....Vn经保持相开关K1....Kn一端连接至动态源尾管Mb1...Mbn的栅端,形成固定偏置;偏置电压Vb1...Vbn经采样相开关Kb1....Kbn一端连接至动态源尾管Mb1...Mbn的栅端,形成动态偏置;开关单元Kb1....Kbn受采样相时钟CK2控制,开关单元K1....Kn受保持时钟CK1控制;恒流源尾管Ma1...Man的漏端和动态源尾管Mb1...Mbn的漏端直接接运算放大器的主体电路OPAbody。将偏置电压V1...Vn设置在使得恒流源尾管Ma1...Man的漏端和动态源尾管Mb1...Mbn的静态电流最大,即尾管处于饱和区时的电压;偏置电压Vb1...Vbn电压与动态源管Mb1...Mbn的源端电压差值与动态源管Mb1...Mbn的阈值电压相差0~100mV,此时动态源管Mb1...Mbn工作在亚阈值区,反型层较弱,动态源管Mb1...Mbn存在部分漏电流,该漏电流可帮助运算放大器在进入保持相时快速地建立输出信号,同时缩减功耗开销。所述的时钟信号CK1和CK2为两个相位不交叠的时钟信号。一种降低流水线模数转换器中运算放大器功耗的方法,其步骤如下:(1)根据运算放大器整体电路功耗要求,确定功耗缩减比例;(2)根据功耗缩减比例,分配所有可控电流源管M1...Mn的比例和个数,使得恒流源尾管Ma1...Man和动态源尾管Mb1...Mbn的并联个数之和等于电流源管M1...Mn的并联个数,其中动态源尾管Mb1...Mbn用于调节运算放大器在采样相CK2工作时的电流;(3)保持运算放大器的主体部分OPAbody不动;(4)根据动态源尾管Mb1...Mbn的实际宽长,设计偏置电压供给模块VBIAS,使其在保持相时钟CK1输出偏置电压V1......Vn,该偏置电压使得恒流源尾管Ma1...Man的漏端和动态源尾管Mb1...Mbn的静态电流最大,即尾管均处于饱和区;在采样相时钟CK2输出偏置电压Vb1...Vbn:偏置电压Vb1...Vbn电压与动态源管Mb1...Mbn的源端电压差值与动态源管Mb1...Mbn的阈值电压相差0~100mV,此时动态源管Mb1...Mbn工作在亚阈值区,反型层较弱,动态源管Mb1...Mbn存在部分漏电流,该漏电流可帮助运算放大器在进入保持相时快速地建立输出信号,同时缩减功耗开销。(5)电压V1....Vn直接接入恒流源尾管Ma1...Man的栅端,形成固定偏置;同时偏置电压V1....Vn经保持相开关K1....Kn一端连接至动态源尾管Mb1...Mbn的栅端,形成固定偏置;偏置电压Vb1...Vbn经采样相开关Kb1....Kbn一端连接至动态源尾管Mb1...Mbn的栅端,形成动态偏置;开关单元Kb1....Kbn受采样相时钟CK2控制,开关单元K1....Kn受保持时钟CK1控制;恒流源尾管Ma1...Man的漏端和动态源尾管Mb1...Mbn的漏端直接接运算放大器的主体电路OPAbody。(6)计算保持相和采样相的平均功耗;假设单个电流管饱和态电流为I0,一个时钟周期T由保持相周期T1和采样相周期T2组成。保持相时恒流源管Ma1...Man和动态源尾管Mb1...Mbn全部处于饱和状态,则单个恒流源尾管Ma1和动态源尾管Mb1在保持相周期时的工作电流之和为M1*I0,此时采样相运算放大器不参与电荷传递,此时Ma1管产生的饱和电流为Ma1*I0,Mb1管工作在弱反型区,其电流约为一个单管电流I0,I0远小于Mb1管处于饱和状态时的电流Mb1*I0,此时恒流源尾管Ma1和动态源尾管Mb1在采样相周期时的工作电流之和Ma1*I0+I0。单个恒流源尾管Ma1和动态源尾管Mb1的平均功耗之和为P‾b0=VDD*[T1T*M1*I0+T2T*(Ma1*I0+I0)],]]>M1是这电流源管M1的宽度,是恒流源尾管Ma1和动态源尾管Mb1宽度之和;VDD为电源电压;设n个电流源管M1...Mn的并联个数一致,则总功耗:n*P‾b0=n*VDD*[T1T*M1*I0+T2T*(Ma1*I0+I0)]<n*VDD*M1*I0,]]>整体电路的平均功耗大大减小。(7)仿真验证整体电路的平均功耗,根据仿真结果反复调整恒流源管Ma1...Man和动态源尾管Mb1...Mbn的比例个数,以满足功耗要求。本专利技术与现有技术相比的优点在于:(1)本专利技术操作简单。现有的降低功耗方法操作复杂,通常需要省去流水线前端的采样保持电路从而省去其内部运算放大器,才能有效降低功耗。因此需要引入更为复杂的数字校准技术才能弥补缺少运算放大器所导致的精度损失。本专利技术在电流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种降低流水线模数转换器中运算放大器功耗的系统,其特征在于包括:电流源管M1…Mn;两组开关单元Kb1….Kbn和K1….Kn;两个时钟信号CK1和CK2,其中CK1为保持相时钟,CK2为采样相时钟;产生偏置电压Vb1….Vbn和偏置电压V1….Vn的偏置电压供给模块VBIAS;运算放大器的主体电路OPAbody;电流源管M1…Mn,包括并联的恒流源尾管Ma1…Man和动态源管Mb1…Mbn,电流源管M1…Mn的源端直接接电源或接地;偏置电压V1….Vn直接接入恒流源尾管Ma1…Man的栅端,形成固定偏置;同时,偏置电压V1….Vn经保持相开关K1….Kn一端连接至动态源尾管Mb1…Mbn的栅端,形成固定偏置;偏置电压Vb1…Vbn经采样相开关Kb1….Kbn一端连接至动态源尾管Mb1…Mbn的栅端,形成动态偏置;开关单元Kb1….Kbn受采样相时钟CK2控制,开关单元K1….Kn受保持时钟CK1控制;恒流源尾管Ma1…Man的漏端和动态源尾管Mb1…Mbn的漏端直接接运算放大器的主体电路OPAbody。

【技术特征摘要】
1.一种降低流水线模数转换器中运算放大器功耗的系统,其
特征在于包括:电流源管M1…Mn;两组开关单元Kb1….Kbn和
K1….Kn;两个时钟信号CK1和CK2,其中CK1为保持相时钟,
CK2为采样相时钟;产生偏置电压Vb1….Vbn和偏置电压V1….Vn
的偏置电压供给模块VBIAS;运算放大器的主体电路OPAbody;
电流源管M1…Mn,包括并联的恒流源尾管Ma1…Man和动态源
管Mb1…Mbn,电流源管M1…Mn的源端直接接电源或接地;
偏置电压V1….Vn直接接入恒流源尾管Ma1…Man的栅端,
形成固定偏置;同时,偏置电压V1….Vn经保持相开关K1….Kn
一端连接至动态源尾管Mb1…Mbn的栅端,形成固定偏置;偏置
电压Vb1…Vbn经采样相开关Kb1….Kbn一端连接至动态源尾管
Mb1…Mbn的栅端,形成动态偏置;开关单元Kb1….Kbn受采样
相时钟CK2控制,开关单元K1….Kn受保持时钟CK1控制;恒流
源尾管Ma1…Man的漏端和动态源尾管Mb1…Mbn的漏端直接接
运算放大器的主体电路OPAbody。
2.根据权利要求1所述的一种降低流水线模数转换器中运算
放大器功耗的系统,其特征在于:将偏置电压V1…Vn设置在使得
恒流源尾管Ma1…Man的漏端和动态源尾管Mb1…Mbn的静态电
流最大,即尾管处于饱和区时的电压;偏置电压Vb1…Vbn电压与
动态源管Mb1…Mbn的源端电压差值与动态源管Mb1…Mbn的
阈值电压相差0~100mV,此时动态源管Mb1…Mbn工作在亚阈值

\t区,反型层较弱,动态源管Mb1…Mbn存在部分漏电流,该漏电
流可帮助运算放大器在进入保持相时快速地建立输出信号,同时
缩减功耗开销。
3.根据权利要求1所述的一种降低流水线模数转换器中运算
放大器功耗的系统,其特征在于:所述的时钟信号CK1和CK2为
两个相位不交叠的时钟信号。
4.一种降低流水线模数转换器中运算放大器功耗的方法(工
作过程),其步骤如下:
(1)根据运算放大器整体电路功耗要求,确定功耗缩减比例;
(2)根据功耗缩减比例,分配所有可控电流源管M1…Mn的
比例和个数,使得恒流源尾管Ma1…Man和动态源尾管Mb1…
Mbn的并联个数之和等于电流源管M1…Mn的并联个数,其中动
态源尾管Mb1…Mbn用于调节运算放大器在采样相CK2工作时的
电流;
(3)保持运算放大器的主体部分OPAbody不动;
(4)根据动态源尾管Mb1…Mbn的实际宽长,设计偏置电
压供给模块VBIAS,使其在保持相时钟CK1输...

【专利技术属性】
技术研发人员:李雪赵元富文治平王宗民周亮王瑛李媛红
申请(专利权)人:北京时代民芯科技有限公司北京微电子技术研究所
类型:发明
国别省市:北京;11

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1