一种复用运算放大器的循环型模数转换器及其转换方法技术

本发明专利技术公开了一种复用运算放大器的循环型模数转换器，第一余量增益放大单元和第二余量增益放大单元共用一个运算放大器。在半个周期内，第一余量增益放大单元进行采样保持，无需运算放大器；第二余量增益放大单元采用运算放大器进行余量增益放大运算；在相邻的另外半个周期内，第一余量增益放大单元采用运算放大器进行余量增益放大，第二余量增益放大单元进行采样保持，无需运算放大器。本发明专利技术提供的一种复用运算放大器的循环型模数转换器及其模数转换方法，能够使得模数转换器的转换速率提高一倍，同时还减小了功耗。

【技术实现步骤摘要】
一种复用运算放大器的循环型模数转换器及其转换方法
本专利技术属于半导体集成电路设计领域，具体涉及一种复用运算放大器的循环型模数转换器及其转换方法。
技术介绍
模数转换器主要包括单斜率模数转换器，逐次逼近型模数转换器以及循环型模数转换器。虽然单斜率模数转换器具有较好的线性度，但是它很难同时满足高速A/D转换和高灰度分辨率的要求。因为如果分辨率要增加Mbit，它计数所需要的时钟周期数得增加到2M-1倍；通常即使通过增加时钟频率来缩短转换时间，该结构仍然难以实现高速转换。逐次逼近型模数转换器由于其低功耗的特性被广泛应用，实际应用中一般采用8或9bit的模数转换器；然而逐次逼近型模数转换器需要一个精度非常高的内部数模转换器，并且在图像传感器的列上较难实现10bit及更高分辨率。循环型模数转换器可以在小面积实现高分辨率，并基于流水线型模数转换器的思想，可以实现较高的转换率。现有的循环性模数转换器中每一个余量增益放大电路中都需要一个运算放大器用于放大，即半个周期进行保持，下半个周期实现运算放大，这样一来产生1bit需要一个时钟周期的时间，而运算放大器有一半的时间处于闲置状态，降低了循环型模数转换器的转换速率，这种传统的循环型模数转换器结构已经不能满足高灰度分辨率和高帧率的应用。特别是随着像素分辨率以及帧率的提高，大多数应用中CIS的像素率也逐渐提高。为了实现高像素率，同时保持低噪声的性能，高分辨率的模数转换器成了满足这些性能需求的关键因素。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种复用运算放大器的循环型模数转换器及其转换方法，能够使得循环型模数转换器的转换速率提高一倍，同时还减小了功耗。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种复用运算放大器的循环型模数转换器，包括第一子ADC单元、第二子ADC单元、第一逻辑单元、第二逻辑单元、第一余量增益放大单元、第二余量增益放大单元和数字校准单元，其中，所述第一子ADC单元的输出端同时连接数字校准单元和第一逻辑单元，所述第一逻辑单元的输出端连接所述第一余量增益放大单元的输入端，所述第一余量增益放大单元的输出端连接所述第一子ADC单元；所述第二子ADC单元的输出端同时连接数字校准单元和第二逻辑单元，所述第二逻辑单元的输出端连接所述第二余量增益放大单元的输入端，所述第二余量增益放大单元的输出端连接所述第二子ADC单元；所述第一余量增益放大单元和第二余量增益放大单元共用一个运算放大器。在半个周期内，第一余量增益放大单元进行采样保持，无需运算放大器；第二余量增益放大单元采用运算放大器进行余量增益放大运算；在相邻的另外半个周期内，第一余量增益放大单元采用运算放大器进行余量增益放大，第二余量增益放大单元进行采样保持，无需运算放大器。进一步地，所述第一余量增益放大单元和第二余量增益放大单元包括：电容C1、电容C2、电容C3、电容C1’、电容C2’、电容C3’和运算放大器；其中，输入端Vin通过开关S1连接到N1节点，N1节点通过开关S2连接到所述第二余量增益放大单元输出端Vout，N1节点通过开关S31连接电容C1的左极端，N1节点通过开关S32连接电容C2的左极端，N1节点通过开关S34连接电容C3的左极端；电容C1、电容C2和电容C3的右极端同时连接N4节点，信号Vrefp通过开关S11连接到N2节点，信号Vrefn通过开关S13连接到N3节点，N2节点和N3节点之间通过开关S12连接，N2节点通过开关S33连接到电容C2的左极端，N3节点通过开关S35连接到电极C3的左极端，N4节点通过开关S37连接到共模信号Vcm，N4节点通过开关S36连接到N5节点，N5节点连接到运算放大器的负极，且N5节点通过开关S38连接到共模信号Vcm，共模信号Vcm连接至运算放大器的正极，运算放大器的输出端为所述第一余量增益放大单元的输出端Vout，所述第一余量增益放大单元的输出端Vout与电容C1的左极板之间通过开关S39连接；所述第一余量增益放大单元的输出端Vout通过开关S41连接电容C1’的左极端，所述第一余量增益放大单元的输出端Vout通过开关S42连接电容C2’的左极端，所述第一余量增益放大单元的输出端Vout通过开关S44连接电容C3’的左极端，电容C1’、电容C2’和电容C3’的右极端同时连接N4’节点，信号Vrefp通过开关S21连接到N2’节点，信号Vrefn通过开关S23连接到N3’节点，N2’节点和N3’节点之间通过开关S22连接，N2’节点通过开关S43连接到电容C2’的左极端，N3’节点通过开关S45连接到电极C3’的左极端，N4’节点通过开关S46连接到N5节点，N5节点连接到运算放大器的负极，共模信号Vcm连接至运算放大器的正极，运算放大器的输出端为所述第二余量增益放大单元的输出端Vout；且所述第二余量增益放大单元的输出端Vout与电容C1’的左极板之间通过开关S49连接；其中，所述开关S1和开关S38的断开导通通过信号K1控制，所述开关S2、开关S37、开关S46的断开导通通过信号φ1控制，所述开关S31、开关S32、开关S34、开关S43、开关S45、开关S49的断开导通通过信号φ1D控制，所述开关S36、开关S47的断开导通通过信号φ2控制；所述开关S41、开关S42、开关S44、开关S33、开关S35、开关S39的断开导通通过信号φ2D控制。进一步地，所述电容C2的电容值等于电容C3的电容值，且均为所述电容C1的电容值的一半；所述电容C2’的电容值等于电容C3’的电容值，且均为所述电容C1’的电容值的一半，所述电容C1的电容值等于所述C1’的电容值。一种循环型模数转换器进行模数转换的方法，包括如下步骤：S01：在第一个半周期，信号K1、信号φ1和信号φ1D为高电平，其控制的开关导通，信号φ2和信号φ2D为低电平，其控制的开关断开，第一余量增益放大单元保持采样，并将采样结果输出到第一子ADC单元；S02：在第二个半周期，信号K1、信号φ1和信号φ1D为低电平，其控制的开关断开，信号φ2和信号φ2D为高电平，其控制的开关导通，第一子ADC单元得到第一个量化2bit数据，并传输给所述第一逻辑单元，所述第一逻辑单元根据接收结果进行逻辑处理，并控制开关S11、开关S12和开关S13进行余量增益放大；此时得到的输出信号Vout在第二余量增益放大单元中被保持采样，并将采样结构输出到第二子ADC单元；S03：在第三个半周期，信号φ1和信号φ1D为高电平，其控制的开关导通，信号K1、信号φ2和信号φ2D为低电平，其控制的开关断开，第二子ADC单元得到第二个量化2bit数据，并传输给所述第二逻辑单元，所述第二逻辑单元根据接收结果进行逻辑处理，并控制开关S21、开关S22和开关S23进行余量增益放大；此时得到的输出信号Vout在第一余量增益放大单元中被保持采样，并将采样结构输出到第一子ADC单元；S04：重复步骤S02和S03进行第四个至第M个半周期，依次交替处理Vout数据，直至得出最终Mbit数据，其中，M为大于等于2的偶数；S05：将Mbit数据在第M+1个半周期中进行输出，从而实现模数转换。进一步地，所述步骤S02中第一子ADC单元得到第一个量化2bit数据本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复用运算放大器的循环型模数转换器，其特征在于，包括第一子ADC单元、第二子ADC单元、第一逻辑单元、第二逻辑单元、第一余量增益放大单元、第二余量增益放大单元和数字校准单元，其中，所述第一子ADC单元的输出端同时连接数字校准单元和第一逻辑单元，所述第一逻辑单元的输出端连接所述第一余量增益放大单元的输入端，所述第一余量增益放大单元的输出端连接所述第一子ADC单元；所述第二子ADC单元的输出端同时连接数字校准单元和第二逻辑单元，所述第二逻辑单元的输出端连接所述第二余量增益放大单元的输入端，所述第二余量增益放大单元的输出端连接所述第二子ADC单元；所述第一余量增益放大单元和第二余量增益放大单元共用一个运算放大器。在半个周期内，第一余量增益放大单元进行采样保持，无需运算放大器；第二余量增益放大单元采用运算放大器进行余量增益放大运算；在相邻的另外半个周期内，第一余量增益放大单元采用运算放大器进行余量增益放大，第二余量增益放大单元进行采样保持，无需运算放大器。

【技术特征摘要】
1.一种复用运算放大器的循环型模数转换器，其特征在于，包括第一子ADC单元、第二子ADC单元、第一逻辑单元、第二逻辑单元、第一余量增益放大单元、第二余量增益放大单元和数字校准单元，其中，所述第一子ADC单元的输出端同时连接数字校准单元和第一逻辑单元，所述第一逻辑单元的输出端连接所述第一余量增益放大单元的输入端，所述第一余量增益放大单元的输出端连接所述第一子ADC单元；所述第二子ADC单元的输出端同时连接数字校准单元和第二逻辑单元，所述第二逻辑单元的输出端连接所述第二余量增益放大单元的输入端，所述第二余量增益放大单元的输出端连接所述第二子ADC单元；所述第一余量增益放大单元和第二余量增益放大单元共用一个运算放大器。在半个周期内，第一余量增益放大单元进行采样保持，无需运算放大器；第二余量增益放大单元采用运算放大器进行余量增益放大运算；在相邻的另外半个周期内，第一余量增益放大单元采用运算放大器进行余量增益放大，第二余量增益放大单元进行采样保持，无需运算放大器。2.根据权利要求1所述的一种复用运算放大器的循环型模数转换器，其特征在于，所述第一余量增益放大单元和第二余量增益放大单元包括：电容C1、电容C2、电容C3、电容C1’、电容C2’、电容C3’和运算放大器；其中，输入端Vin通过开关S1连接到N1节点，N1节点通过开关S2连接到所述第二余量增益放大单元输出端Vout，N1节点通过开关S31连接电容C1的左极端，N1节点通过开关S32连接电容C2的左极端，N1节点通过开关S34连接电容C3的左极端；电容C1、电容C2和电容C3的右极端同时连接N4节点，信号Vrefp通过开关S11连接到N2节点，信号Vrefn通过开关S13连接到N3节点，N2节点和N3节点之间通过开关S12连接，N2节点通过开关S33连接到电容C2的左极端，N3节点通过开关S35连接到电极C3的左极端，N4节点通过开关S37连接到共模信号Vcm，N4节点通过开关S36连接到N5节点，N5节点连接到运算放大器的负极，且N5节点通过开关S38连接到共模信号Vcm，共模信号Vcm连接至运算放大器的正极，运算放大器的输出端为所述第一余量增益放大单元的输出端Vout，所述第一余量增益放大单元的输出端Vout与电容C1的左极板之间通过开关S39连接；所述第一余量增益放大单元的输出端Vout通过开关S41连接电容C1’的左极端，所述第一余量增益放大单元的输出端Vout通过开关S42连接电容C2’的左极端，所述第一余量增益放大单元的输出端Vout通过开关S44连接电容C3’的左极端，电容C1’、电容C2’和电容C3’的右极端同时连接N4’节点，信号Vrefp通过开关S21连接到N2’节点，信号Vrefn通过开关S23连接到N3’节点，N2’节点和N3’节点之间通过开关S22连接，N2’节点通过开关S43连接到电容C2’的左极端，N3’节点通过开关S45连接到电极C3’的左极端，N4’节点通过开关S46连接到N5节点，N5节点连接到运算放大器的负极，共模信号Vcm连接至运算放大器的正极，运算放大器的输出端为所述第二余量增益放大单元的输出端Vout；且所述第二余量增益放大单元的输出端Vout与电容C1’的左极板之间通过开关S49连接；其中，所述开关S1和开关S38的断开导通通过信号K1控制，所述开关S2、开关S37、开关S46的断开导通通过信号φ1控制，所述开关S31、开关S32、开关S34、开关S43、开关S45、开关S49的断开导通通过信号φ1D控制，所述开关S36、开关S47的断开导通通过信号φ2控制；所述开关S41、开关S42、开关S44、开关S33、开关S35、开关S39的断开导通通过信号φ2D控制。3.根据权利要求2所述的一种复用运算放大器的循环型模数转换器，其特征在于，所述电容C2的电容值等于电容C3的电容值，且均为所述电容C...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗颖，何学红，曾夕，黄耀，
申请(专利权)人：上海集成电路研发中心有限公司，成都微光集电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31