用于电荷耦合流水线ADC的反馈增强型电荷传输电路制造技术

本实用新型专利技术属于集成电路设计技术领域，具体为一种适用于普通CMOS工艺的电荷耦合流水线模数转换器的反馈增强型电荷传输电路，该反馈增强型电荷传输电路包括一个电荷传输MOSFET和一个输出端连接到电荷传输MOSFET栅极的差动差分运算放大器连接构成。其优点是：本实用新型专利技术所提供的反馈增强型电荷传输电路，能够精确控制所传输的电荷量大小，克服了现有电荷传输电路对于PVT波动敏感的问题，可以广泛应用于电荷耦合流水线模数转换器中各级电荷耦合子级流水电路中。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种用于电荷耦合流水线模数转换器的反馈增强型电荷传输电路，属于集成电路

技术介绍
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，输入信号经过逐级的处理，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技术的流水线结构。基于该技术的流水线模数转换器中采样保持电路和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。模数转换器的速度和处理精度取决于所使用高增益和超宽带宽的运算放大器负反馈的建立速度和精度。因此该类流水线结构模数转换器设计的核心是所使用高增益和超宽带宽的运算放大器的设计。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。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。电荷耦合流水线模数转换器就是一种不使用高增益和超宽带宽的运算放大器的模数转换器，该结构模数转换器具有低功耗特性同时又能实现高速度和高精度。电荷耦合流水线模数转换器采用电荷耦合信号处理技术。电路中，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便可以实现模数转换功能。在电荷耦合流水线模数转换器中，各级电荷耦合流水线子级电路由本级电荷传输控制开关、多个电荷物理存储节点、多个连接到电荷存储节点的电荷存储元件、多个比较器、多个受比较器输出结果控制的基准电荷选择电路在控制时钟的控制下构成。各级流水线子级电路的工作过程中，电荷的传输、加/减、比较量化等功能均围绕各子级的电荷物理存储节点进行。由于流水线模数转换器的实现包括了大量的数字电路，而普通CMOS工艺是实现这些大规模数字电路的最佳工艺。要借助数字信号处理技术来实现超高速和超高精度的电荷耦合流水线模数转换器，最核心的一个问题就是电荷包的存储传输、比较量化以及加减运算等关键步骤在现有的普通CMOS工艺条件下能够高效并精确地实现。因此，为借助大规模数字信号处理技术来实现高速度和高精度电荷耦合流水线模数转换器，必须提供一种适用于普通CMOS工艺的高精度电荷传输电路。对于高效电荷传输技术的实现，现有的技术实现方式典型的有专禾Ij US2007/0279507A1增强型电荷传输电路，其典型电路结构如附图说明图1所示。电荷传输MOSFET S的栅极Ve被连接到由MOS管M1、M2和M3构成的运算放大器1的输出端。运算放大器1的输出端运算电荷传输之前，S处于关断状态，待传输电荷被存储在C1上。图2为该电路的工作电压波形示意图。t0时刻，Ckl发生负阶越变化，Ckln发生正阶越变化，导致Ni电压VNi突变到一个低电位而No的电压VN。突变到一个高电位，运算放大器1将会响应该变化并驱动MOSFET S栅极Ve电压为高电平，使得S开始导通；由于电势差的缘故，Ni上所存储电荷将会以电子形式向No转移，引起VNi上升而VN。下降，运算放大器1将同样会响应该变化并驱动MOSFET S栅极Ve电压逐渐降低；tl时亥lj，当VNi上升到电压V,时，Vg电压逐渐降低到截止电压Vth时，S重新关断，电荷传输过程结束，其中Vt由共源共栅运算放大器的静态工作点确定。图1所示电路在一个时钟周期内所传输的电荷量A可以用C1上电荷变化量表示。Qt = C1* ( Δ Vckl-Δ VNi)(1)= C1* ((Vckl (to) -Vckl (tl)) - (VNi (to) -VNi (tl))上式中，Vckl(t0)、Vckl(tl)、VNi(t0)均为由基准电压直接控制的固定量；VNi (to)由待传输信号电荷量决定，而VNi (tl)在电荷传输结束时逼近到电压Vp整个电荷传输过程中，VNi向Vt逼近的速度和精度直接决定了 BCT电路的电荷传输速度和精度。若Vt精确稳定，则传输过程中所传输的电荷量为待传输信号电荷的线性函数。但由于Vt由共源共栅运算放大器的静态工作点确定，Vt对于PVT波动非常敏感。假设由于PVT波动t产生了 Δ V的变化，对应VNi(tl)将会产生AV的电压变化量。由(1)式，我们可以看到AV会直接在Qt上产生AQ = AV^C1的误差电荷量。图3为BCT电路对应的小信号模型。该模型中Cpl为Cp2寄生电容，电荷传输过程中由Ni流向No的电流为Idl，运放A的增益为Αη。显然有Idl== k(Vgs-Vth)2(2)其中彳= ICotWWZAQSC1电荷，c。x*氧化层电容，U为载流子迁移率，W/L为S的宽长比，Vgs为栅源电压，Vth为阈值电压，又Vgs = Vg-Vs = Vg-Vm = AnVd-Vm = An (Vr-Vm) -Vm(3)其中& =c ^c，将⑶式带入⑵式我们得到权利要求1.用于电荷耦合流水线ADC的反馈增强型电荷传输电路，其特征是包括一个电荷传输MOSFET和一个运算放大器；所述运算放大器的第一输入信号端连接到电荷待传输节点Ni，即电荷传输MOSFET的源极；运算放大器的第二输入信号端连接到电荷传输目标节点No,即电荷传输MOSFET的漏极；运算放大器的第三输入信号端和第四输入信号端分别连接到第一基准电压Vrj和第二基准电压Vr2 ；运算放大器的输出信号端连接到电荷传输MOSFET的栅极。2.根据权利要求1所述反馈增强型电荷传输电路，其特征在于，所述时钟控制的运算放大器电路包括11个MOS管，分别为第一 NMOS管(Ml)、第二 NMOS管(M2)、第三NMOS管(M3)、第四 NMOS 管(M4)、第九 NMOS 管(M9)、第十 NMOS 管(M10)、第^^一 NMOS 管(Mil)、第五PMOS管(M5)、第六PMOS管(M6)、第七PMOS管(M7)、第八PMOS管(M8)；连接关系为第一NMOS管(Ml)的栅极连接到运算放大器的第一输入信号端，第一 NMOS管(Ml)漏极连接到第六PMOS管(M6)的漏极和栅极，第一 NMOS管(Ml)源极连接到第十NMOS管本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈珍海，季惠才，黄嵩人，于宗光，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十八研究所，
类型：实用新型
国别省市：