改进开关电容放大器中的速度和功率的系统和方法技术方案

通过改善反馈因子而降低MDAC的功耗至少2.3倍的乘法模数转换器（“DAC”）。放大器包括前馈方法，其中输入电容（也称为“采样电容器”）通过从全局反馈损失去除输入和寄生电容而由共同栅极放大器缓冲，以提高带宽。放大器也可使用局部补偿的替换形式，例如共源共栅补偿。放大器可进一步包括替换方式以使用缓冲器降低寄生电容。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种放大器，更具体地说，它涉及改进开关电容放大器中的速度和功率，诸如乘法的数字-模拟转换器（MDAC）。
技术介绍
模拟-数字转换器（ADC）可用于电子设备，以将模拟信号转换为数字信号。ADC可被设计成许多不同的架构。一个长棍的ADC架构是流水线ADC。如图1A所示，流水线ADC对离散时间信号进行操作，因此可以在单一的开关式电容电路（诸如MDAC）进行数学运算、采样和保持、DAC、增益。MDAC是采用电容反馈的高增益和高带宽的放大器。在模拟设计中，理想的是减少电力消耗并最大限度地提高速度。然而，在现代高速开关电容的CMOS流水线ADC中，MDAC是功耗和时钟速率限制的主要贡献者。不论单级或多级，MDAC放大器的当前架构本质上具有有限的效率，因为环路增益由反馈中的显著损耗削弱，部分由于求和节点（诸如，图1C的节点N3）上的显著寄生电容。如果环路增益可以随着寄生电容的拓扑变化或减少而增加，则可构造更有效的放大器，其中减小（增加带宽）稳定时间被并最小化功率。传统技术由于非主导极点具有稳定响应的限制。此外，这些非主导极点通常在具有采样电容器和反馈电容的全局反馈环路内，从而大大提高了系统的灵敏度和控制该系统的难度。因此，还需要例如通过从反馈环路内消除磁极，以减少该系统的灵敏度和提高系统的稳定性。
技术实现思路
本专利技术提供了一种MDAC，通过消除全局反馈和改善局部反馈因子而>降低MDAC的功耗至少2.3倍。在第一实施例中，放大器包括前馈方法，其中输入电容（也称为“采样电容器”）通过从全局反馈损失去除输入和寄生电容而由共同栅极放大器缓冲，以提高带宽。在第二实施例中，其可包括与第一实施例中的相同特征，本地补偿由共源共栅补偿来实现。在第三个实施例中，其可包括与第一和第二实施例的相同特征，带宽通过使用缓冲器降低寄生电容进行改善。附图说明图1A示出了常规的流水线ADC。图1B是可用于图1A的流水线ADC的常规MDAC的框图。图1C是常规MDAC的电路图。图2是根据本专利技术实施例的MDAC的简化电路图。图3A是根据本专利技术实施例的具有缓冲输入电容器的MDAC的简化电路图。图3B是根据本专利技术实施例的差分MDAC的简化电路图。图4是根据本专利技术实施例的具有共源共栅补偿的MDAC的简化电路图。图5是根据本专利技术实施例的具有共源共栅补偿和第二级缓冲器的MDAC的简化电路图。图6A是MDAC的增强放大器的根据本专利技术的一个实施例的简化电路图。图6B是根据本专利技术实施例的MDAC的增强放大器的简化电路图。图6C是根据本专利技术实施例的MDAC的增强放大器的简化电路图。图7A是根据本专利技术实施例可用作MDAC中二级缓冲器的NMOS跟随器的电路图。图7B是根据本专利技术实施例的MDAC中的二级缓冲器的简化电路图。图8是根据本专利技术实施例的MDAC中的二级放大器的简化电路图。具体实施方式图1A示出了常规流水线ADC。几个低分辨率级（级1、2、...，N）级联以获得高的整体分辨率。每级并行运行并执行粗略的模拟到数字的转换，并计算它的量化误差（如称为“残基”）。量化误差被分解成数据对齐器和组合器102，其输出数字信号DOUT。缺点在于，吞吐量受到单级速度的限制。然而，模拟电路非理想性可以通过数字校正进行校正。图1B是可用于图1A的流水线ADC的常规MDAC的框图。该级包括虚线内所示的MDAC。该MDAC有增益模块GM（也被称为“跨级增益元件”），用于在流水线ADC中改善噪音，随后的匹配和功率耗散。然而，如上所讨论的，G（有源增益块）是功耗和时钟速率限制的主要贡献者。图1C是常规MDAC的电路图。在常规架构中，残留增益通过具有跨导值Gm，采样电容Ci和反馈电容CF的放大器产生。在总结交界N3的寄生由电容器Cp建模。CP通常以输入采样电容Ci的顺序，并可更糟糕的分裂DAC电容和交叉结构。假设负载电容CL>>CF，图1C中的MDAC的传递函数表示为：VoVi=-CiCf-1-s·CfGm(S)1+s·(CeffGm(S))]]>其中，单位增益带宽极点由下式给出：s=-Gm(s)Ceff]]>以及有效电容由下式给出：Ceff=Ci+Cp1+CL(Ci+Cp1Cf+1)]]>因为反馈因子由反馈电容和所有电容总和的比值给出，即F=CF/（CF+Ci+CP），因此，对带宽有惩罚。例如，当在MDAC阶段（2.5位的级别）中存在4增益，反馈系数大约为1/7。例如，如果增益为8，反馈系数降低更多。本专利技术提供了一种具有改善效率的MDAC。在实施例中，该放大器包括前馈方法，其中输入电容（也称为“采样电容器”）通过从全局反馈损失去除输入和寄生电容（图1C中的Ci和Cp）由共同的栅极放大器缓冲，以提高带宽。在另一个实施例中，局部补偿由共源共栅补偿来实现。本发明的MDAC具有约1/3的反馈因子。这对于增益4提高了带宽至少2.3倍，并对于高增益的MDAC级提高地更多。与其中第二级的非主导极点放置在主导极点之上的三到四倍的Gm对比，本专利技术缓和了Gm，因为两极点不在反馈回路内，对于两个极点的稳定性要求是放松的。在第三实施例中，以效率为代价，通过使用缓冲器减少寄生电容而改进MDAC带宽。图2是根据本专利技术实施例的MDAC200的简化电路图。MDAC200可以包括具有跨导gm2的放大器202、共栅放大器206、电流源218、输入电容器Ci和反馈电容器Cf。共栅放大器206可包括NMOS214和电流源212。电路210中的求和点N3的寄生由放大器202的第一输入端的寄生电容Cp2建模。下一级别的电容（诸如，设备和寄生电容）和当前级设备中任何自加载由在放大器202的输出的负载电容器CL建模。第一电流源212可连接到参考电压和NMOS214的漏极。电流源218可连接到NMOS214的源极。输入电容器可以耦合到节点N1，该节点连接NMOS214的源极和电流源218。放大器202的第一输入可连接到节点N2，该节点连接电流源212和NMOS214的漏极。放大器的第二输入可连接到地。反馈电容Cf可以耦合到放大器202的输出和放大器202的第一输入端。负载电容器CL可以耦合到放大器202的（在节点N3）的输出。在操作中，共栅放大器缓冲输入电容器Ci与反馈电容Cf，从而使MDAC增益gm2被保持，但反馈系数（因此，对于给定功率的速度）得以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进具有采样电容和反馈电容的开关电容放大器的效率的方法，所述方法包括：缓冲所述反馈电容的采样电容，以使得通过从反馈因子去除所述采样电容的电容而维持所述放大器的增益并增加所述放大器的的反馈因子。

【技术特征摘要】
2013.03.13 US 13/801,3171.一种改进具有采样电容和反馈电容的开关电容放大器的效率的方
法，所述方法包括：
缓冲所述反馈电容的采样电容，以使得通过从反馈因子去除所述采样
电容的电容而维持所述放大器的增益并增加所述放大器的的反馈因子。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：执行级联补偿。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：通过使用缓冲器减小寄
生电容。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述反馈因子是所述反馈电容
器的电容与所述反馈电容和寄生电容的电容总和的比率。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述开关电容放大器具有耦合
到所述采样电容的输入开关，耦合到所述采样电容和基准电压的DAC开
关，耦合到所述采样电容的选择开关，耦合到所述选择开关和所述采样电
容的采样开关，和耦合到所述反馈电容的钳位开关，所述方法包括：
在第一操作模式中，关闭所述输入开关、所述采样开关和所述钳位开
关；
在第二操作模式中，打开所述输入开关、所述采样开关和所述钳位开
关；以及
在所述第二操作模式中，关闭所述DAC开关和所述选择开关。
6.一种乘法数-模转换器，包括：
第一级包括：
耦合到所述乘法数-模转换器的输入的输入电容；和
耦合到输入电容器和第一电流源的共栅放大器，以及
耦合到所述第一级的输出端的第二级，所述第二级包括：
具有耦合到所述共栅放大器的中间节点的输入端的放大器；和
耦合到放大器的输入端和所述放大器的输出端的反馈电容。
7.根据权利要求6所述的乘法数-模转换器，其中，所述共栅放大器包
括：
具有连接到第二电流源的漏极和连接到所述第一电流源的源极的
NMOS。
8.根据权利要求6所述的乘法数-模转换器，进一步包括：
NMOS，具有连接到所述共栅放大器的漏极；和
增强放大器，具有连接到所述NMOS的栅极的输出端和连接到NMOS
的源极和所述第一电流源的输入端。
9.根据权利要求6所述的乘法数-模转换器，还包括：耦合到所述共栅
放大器的中间节点与所述放大器的输入端的缓冲器。
10.根据权利要求6所述的乘法数-模转换器，还包括：耦合到所述共
栅放大器的中间节点与所述放大器的输入端的缓冲器。
11.一种乘法数-模转换器，包括：
第一级包括：
输入电容，耦合到所述乘法数-模转换器的输入；
共栅放大器，耦合到所述NMOS；和
NMOS，具有耦合到所述共栅放大器的漏极以及耦合到第一电流源
的源极；和
耦合到所述第一级的输出端的第二级，所述第二级包括：
放大器，具有耦合到所述共栅放大器的中间节点的输入端；和
反馈电容，具有耦合到所述共栅放大器和NMOS的漏极的输入端以
及耦合到所述放大器的输出的输出端的。
12.根据权利要求11所述的乘法数-模转换器，进一步包括：耦合...

【专利技术属性】
技术研发人员：W·T·博莱斯，M·R·埃里奥特，
申请(专利权)人：美国亚德诺半导体公司，
类型：发明
国别省市：美国;US