CN102882526A - Adc采样电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种ADC采样电路，其包括一外部输入端，一与所述外部输入端相连的采样电路和辅助电路，一与所述采样电路相连的时钟电路和外部输出端，一与所述辅助电路相连的时钟馈通电路，所述时钟馈通电路还分别与所述时钟电路和外部输出端相连。本发明的ADC采样电路减小了时钟馈通效应对信号采样的影响，提高了采样场效应管的线性度，降低了ADC采样电路的谐波失真度，并提高了采样速度，提高了ADC采样电路的采样精度。

Description

ADC采样电路

技术领域

本发明涉及采样电路领域，更具体地涉及一种ADC采样电路。

背景技术

在ADC(Analog-to-Digital Converter，模数变换器)电路中，为了保证ADC的精度与速度，输入采样端需要采用栅压自举结构以保证输入采样开关的线性度同时以扩大信号输入范围。但是采用栅压自举结构的采样电路时，时钟馈通所引入的误差与输入信号相关，由此引入了非线性误差，并且采用全差分结构的放大器不能消除时钟馈通的影响。

其中，请参考图1，现有的ADC采样电路包括时钟电路、采样电路及电容C0；时钟电路产生时钟脉冲并通过其输出端K0输出至采样电路，以通过时钟脉冲控制采样电路的采样操作。采样电路包括栅压自举单元与场效应管M1，栅压自举单元的两输入端分别与时钟电路的输出端K0及外部输入端连接，外部输入端输入信号VIN至栅压自举单元的一个输入端，从而当K0输出为高电平时，栅压自举单元的输出V0与输入信号VIN之间的电势差为恒定电压VC，即V0＝VIN+VC，以提高V0的输出电压；而当K0为低电平时，V0＝0，即输出V0为低电平，也即通过时钟电路控制输入信号VIN经栅压自举单元后的输出电压V0。栅压自举单元的输出端与场效应管M1的栅极连接，场效应管M1的源极与外部输入端连接，当V0为高电平时，场效应管M1对外部输入端的输入信号VIN进行采样，并通过其漏极输出VOUT。电容C0的一端与场效应管M1的漏极连接，另一端接地，以将场效应管M1采样获得的信号的电压保持，也即当时钟电路的输出端K0输出低电平而使VO为低电平时，场效应管M1已采样获得的信号不会受影响，而由电容CO保持。

在上述过程中，设定外部输入的正向输入为VIN1，反向输入为VIN2。当为正向输入VIN1且K0的输出由高电平转换为低电平时，此时的V0电压由高电平VIN+VC降到0，使得场效应管M1引入了时钟馈通，其对采样信号电压的影响为

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{OUTP}}=-\frac{C_{P\_\mathrm{GD}\_M1}}{C_{P\_\mathrm{GD}\_M1}+C_0}(\mathrm{VIN}1+\mathrm{VC})---\left(1\right)$

式中C_{P_GD_M1}为正向输入时场效应管M1栅漏间的寄生电容。

当电路采用全差分结构时，反向输入与正向输入的结构相同，则反向输入VIN2时，对采样信号电压的影响为

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{OUTN}}=-\frac{C_{N\_\mathrm{GD}\_M1}}{C_{N\_\mathrm{GD}\_M1}+C_0}(\mathrm{VIN}2+\mathrm{VC})---\left(2\right)$

式中由于时间脉冲由高电平转变为低电平，C_{N_GD_M1}为反向输入时，场效应管M1栅漏间的寄生电容，因为正向输入与反向输入时采样电路的结构相同，所以C_{N_GD_M1}＝C_{P_GD_M1}＝C_{GD_M1}。

结合(1)式及(2)式，则差分采样输出信号的动态电压为

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{DIFF}}=\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{OUTP}}-\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{OUTN}}=-\frac{C_{\mathrm{GD}\_M1}}{C_{\mathrm{GD}\_M1}+C_0}(\mathrm{VIN}1-\mathrm{VIN}2)---\left(3\right)$

由(3)式可见，场效应管M1栅漏间寄生电容引入的时钟馈通效应给差分采样输出信号带来的误差与差分输入信号成正比，且动态电压变化是非线性，同时无法通过差分结构本身消除。另外，场效应管M1的寄生电容越大、输入信号幅度越大，这种时钟馈通效应引入的非线性越明显，严重影响差分采样输出信号的精度。

因此，有必要提供一种改进的ADC采样电路以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种ADC采样电路，所述ADC采样电路减小了时钟馈通效应对信号采样的影响，提高了采样场效应管的线性度，降低了ADC采样电路的谐波失真度，并提高了采样速度，提高了ADC采样电路的采样精度。

为实现上述目的，本发明提供一种ADC采样电路，该采样电路，包括一外部输入端，一与所述外部输入端相连的采样电路和辅助电路，一与所述采样电路相连的时钟电路和外部输出端，一与所述辅助电路相连的时钟馈通电路，所述时钟馈通电路还分别与所述时钟电路和外部输出端相连。

较佳地，所述时钟电路具有第一输出端与第二输出端，且所述第一输出端与第二输出端输出互补的时钟脉冲；所述采样电路在所述时钟电路的第一输出端输出的时钟脉冲的控制下，对外部输入端输入的信号进行采样，并将采样获得的信号输出至外部输出端；所述辅助电路在所述采样电路的控制下对外部输入端输入的信号进行采样，并将采样获得的信号保存；所述时钟馈通补偿电路在所述时钟电路的第二输出端输出的时钟控制下，将所述辅助电路采样获得的信号进行处理，从而产生一个与所述采样电路中的动态电压方向相反的暂态补偿电压，并将所述暂态补偿电压输出至外部输出端。

较佳地，所述采样电路包括第一栅压自举单元与第一场效应管，所述第一栅压自举单元的两输入端分别与所述时钟电路的第一输出端及外部输入端连接，所述第一栅压自举单元的输出端与所述第一场效应管的栅极连接，所述第一场效应管的源极与外部输入端连接，所述第一场效应管的漏极输出采样后的信号。

较佳地，所述ADC采样电路还包括第一电容，所述第一电容的一端与所述第一场效应管的漏极连接，另一端接地，以将所述采样电路采样获得的信号及电压保存。

较佳地，所述辅助电路包括第二场效应管与第二电容，所述第二场效应管的栅极与所述第一场效应管的栅极连接，其源极与外部输入端连接，所述第二场效应管在所述采样电路的控制下对外部输入端输入的信号进行采样，所述第二电容一端与所述第二场效应管的漏极连接，另一端接地，以保存所述第二场效应管采样获得的信号及其电压。

较佳地，所述时钟馈通补偿电路包括第三场效应管与第二栅压自举单元，所述第二栅压自举单元的两输入端分别与所述时钟电路的第二输出端及第二电容的一端连接，所述第二栅压自举单元输出端与所述第三场效应管的栅极连接，所述第三场效应管的漏极与源极均与外部输出端连接。

较佳地，所述一场效应管与第二场效应管具有相同的参数。

较佳地，所述第三场效应管的栅漏寄生电容与栅源寄生电容之和与第一场效应管的栅漏寄生电容相等。

与现有技术相比，本发明的ADC采样电路通过所述辅助电路对外部输入信号的采样，并将采样后的信号输入至所述时钟馈通补偿电路，所述时钟馈通补偿电路通过时钟电路的脉冲控制，对辅助电路采样获得的信号进行处理，而产生一个与采样电路中的动态电压方向相反的暂态补偿电压，并将所述暂态补偿电压输出至外部输出端，从而所述暂态补偿电压可有效地部分或全部抵消采样电路中的时钟馈通效应对信号采样的影响，提高了采样场效应管的线性度，降低了ADC采样电路的谐波失真度，并提高了采样速度，提高了ADC电路的采样精度。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明。

附图说明

图1为现有技术ADC采样电路的电路原理图。

图2为本发明ADC采样电路的结构框图。

图3为本发明ADC采样电路的电路原理图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例。如上所述，本发明提供了一种ADC采样电路，所述ADC采样电路提高了采样场效应管的线性度，降低了ADC采样电路的谐波失真度，提高了采样速度，且提高了ADC电路的采样精度。

请参考图2，本发明ADC采样电路包括一外部输入端，一与所述外部输入端相连的采样电路和辅助电路，一与所述采样电路相连的时钟电路和外部输出端，一与所述辅助电路相连的时钟馈通电路，所述时钟馈通电路还分别与所述时钟电路和外部输出端相连。其中，所述时钟电路输出时钟脉冲并分别与所述采样电路及时钟馈通补偿电路连接，从而，所述时钟电路通过时钟脉冲控制所述采样电路及时钟馈通补偿电路进行工作；所述采样电路与外部输入端及外部输出端连接，在所述时钟脉冲的控制下对外部输入端输入的信号进行采样，并经外部输出端输出采样信号；所述辅助电路分别与所述采样电路、外部输入端及时钟馈通补偿电路连接，所述辅助电路在所述采样电路的控制下对外部输入端输入的信号进行采样，且保存采样结果，同时将采样信号输入至所述时钟馈通补偿电路；所述时钟馈通补偿电路与外部输出端连接，且在所述时钟脉冲的控制下将辅助电路采样获得的信号进行处理，产生一个与采样电路中的动态电压方向相反的暂态补偿电压，并将该暂态补偿电压输出给外部输出端；所述采样电路采样输出的采样信号及动态电压与所述时钟馈通补偿电路输出的暂态补偿电压叠加后经所述输出端输出，从而所述暂态补偿电压可有效减小甚至抵消采样电路产生的时钟馈通效应对整个电路结构的影响，因此提高了采样速度，且提高了ADC采样电路的采样精度。

具体地，请再结合参考图3。作为本发明的优选实施方式，所述ADC采样电路还包括第一电阻C1。其中，所述时钟电路具有第一输出端K1与第二输出端K2，且所述第一输出端K1与第二输出端K2输出互补的时钟脉冲；也即是，当所述第一输出端K1输出为高电平时，所述第二输出端K2输出低电平；且两个输出端电平的跳变也是相反的，当所述第一输出端K1输出的电平由高电平跳变为低电平时，此时所述第二输出端K2输出的电平由低电平跳变为高电平。所述采样电路包括第一栅压自举单元与第一场效应管MS；所述辅助电路包括第二场效应管MSA与第二电容C2，且所述第一场效应管MS与第二场效应管MSA具有相同的参数；所述时钟馈通补偿电路包括第二栅压自举单元与第三场效应管MD；在本发明的优选实施方式中，所述第一栅压自举单元与第二栅压自举单元结构及功能完全相同，且均为本领域技术人员所熟知，在此不再详述。

本发明ADC采样电路较佳实施方式的具体电路连接关系如下：所述第一栅压自举单元的两输入端分别与所述时钟电路的第一输出端K1及外部输入端连接，外部输入端输入信号VINP至第一栅压自举单元的一个输入端；第一栅压自举单元的输出端与第一场效应管MS的栅极连接，且所述第一栅压自举单元的输出端输出的电压为V1；第一场效应管MS的源极与外部输入端连接，其漏极与外部输出端连接，第一场效应管MS的漏极输出信号VOUTB；在第一场效应管M1的漏极还连接有第一电容C1，所述第一电容C1的另一端接地。所述第二场效应管MSA的栅极与第一场效应管MS的栅极连接，其源极与外部输入端连接，并输出信号VOUTA；所述第二电容C2一端与所述第二场效应管MSA的漏极连接，另一端接地；所述第二栅压自举单元的两输入端分别与所述时钟电路的第二输出端K2及第二电容C2连接；第二栅压自举单元的输出端与第三场效应管MD的栅极连接，并输出电压V2，所述第三场效应管MD的漏极与源极均与外部输出端连接。

在本发明ADC采样电路的实际应用中，电路采用全差分结构，且反向输入电路与正向输入电路结构相同，均为图3所示结构，不同仅在于，在反向输入电路中，输入端输入的信号VINP为反向信号，而在正向输入电路中，输入端输入的信号VINP为正向信号。

请再结合参考图2-3，描述本发明ADC采样电路的工作原理。

栅压自举单元的功能是当其控制时钟为高电平时输出比输入高出一个固定的电压VC，控制时钟为低电平时输出为低电平(即电压为0)。故，在本发明中，当K1为高电平，K2为低电平时，第一栅压自举单元的输出电压V1与输入信号VINP之间的电势差为恒定电压VC，即V1＝VINP+VC，V1为高电平，第二栅压自举单元的输出电压也即是第三场效应管MD的栅极电压V2＝0；此时，第一场效应管MS对外部输入端的输入信号VINP进行采样，并通过其漏极上的输出端输出信号VOUTB，所述输出信号VOUTB被保存于所述第一电容C1上，使得输出信号VOUTB不会因钟电路的输出端K1输出低电平的变化而变化；且第二场效应管MSA导通并对VINP进行采样，并通过其漏极上的输出端输出信号VOUTA，且VOUTA＝VOUTB＝VINP，其中，所述输出信号VOUTA被保存于所述第二电容C2上，使得输出信号VOUTA不会因钟电路的输出端K1输出低电平的变化而变化。同样地，当K2为高电平，K1为低电平时，信号VOUTA可输入至所述第二栅压自举单元，且第二栅压自举单元的输出电压V2与输入信号VOUTA之间的电势差为恒定电压VC，即V2＝VOUTA+VC，即V2为高电平，第一场效应管MS的栅极电压V1＝0。

其中，第一场效应管MS的等效阻抗为

$R_{\mathrm{MS}}=\frac{1}{k{(W/L)}_{\mathrm{MS}}(V1-\mathrm{VINP}-\mathrm{VTH})}=\frac{1}{k{(W/L)}_{\mathrm{MS}}(\mathrm{VC}-\mathrm{VTH})}---\left(1\right)$

式(1)中k为与工艺相关的常数，(W/L)_MS为第一场效应管MS的宽长比，STH为MS的阈值电压，因为VC为恒定电压，由式(1)的可以看出R_MS的阻抗为恒值，从而提高了第一场效应管MS等效阻抗的线性度，同时由于第一电容C1为衡定值，保证了第一场效应管MS对输入信号VINP采样的时间为常数T1(即时间常数T1＝R_MS*C1)，以使第一场效应管MS可对输入信号VINP进行稳定的采样。

正向输入电路中，当K1由高电平转换为低电平时，也即K2由低电平转换为高电平，此时的V1电压由高电平VINP+VC降到0电平，V1＝0，即输出V1为低电平，使得所述第一场效应管MS与第二场效应管MSA均不能对输入信号VINP进行采样，也即通过时钟电路控制采样电路与辅助电路对输入信号VINP的采样。这个过程中，采样电路的第一场效应管MS引入了时钟馈通，时钟馈通效应使得存在于输出信号VOUTB中的电压变化为

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{OUTP}}=-\frac{C_{P\_\mathrm{GD}\_\mathrm{MS}}}{C_{P\_\mathrm{GD}\_\mathrm{MS}}+C_{P-1}}(\mathrm{VINP}+\mathrm{VC})---\left(2\right)$

式中C_{P_GD_MS}为正向端第一场效应管MS栅漏间的寄生电容，C_P-1为正向输入电路中第一电容C1的电容，VINP为正向输入电路的电压值，且由于K1电平变化为从高电平变化为低电平，所以电压变化ΔV_OUTP为负值。

当电路采用全差分结构时，反向输入电路与正向输入电路结构相同，则反向输入电路的采样电路输出信号中的电压变化为

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{OUTN}}=-\frac{C_{N\_\mathrm{GD}\_\mathrm{MS}}}{C_{N\_\mathrm{GD}\_\mathrm{MS}}+C_{N-1}}(\mathrm{VINN}+\mathrm{VC})---\left(3\right)$

式中C_{N_GD_MS}为反向电路中第一场效应管MS栅漏间的寄生电容，VINN为反向输入的电压值，C_{N_1}为反向电路的第一电容C1的电容，因为正向输入与反向输入电路的结构相同，所以C_{N_GD_MS}＝C_{P_GD_MS}＝C_{GD_MS}，CN_{_1＝}C_{P_1}＝C₁。

结合(2)式及(3)式，则差分采样输出信号的动态电压为

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{DIFF}}=\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{OUTP}}-\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{OUTP}}=-\frac{C_{\mathrm{GD}\_\mathrm{MS}}}{C_{\mathrm{GD}\_\mathrm{MS}}+C_1}(\mathrm{VINP}-\mathrm{VINN})---\left(4\right)$

由(4)式可见，采样电路的第一场效应管MS栅-漏端寄生电容引入的时钟馈通效应给差分采样输出信号带来的误差与差分输入信号成正比，是非线性的，且无法通过差分结构消除。而且，第一场效应管MS的寄生电容越大、输入信号幅度越大，这种时钟馈通效应引入的非线性越明显。

K1由高电平转换为低电平的同时，K2由低电平转换为高电平；此时，第二栅压自举单元的输出电压V2与输入信号VOUTA之间的电势差为恒定电压VC，即V2＝VOUTA+VC，且由于VOUTA＝VOUTB＝VINP，从而所述第二栅压自举单元的输入信号与第一栅压自举单元的输入信号完全相同，也即使得此时输出电压V2的大小与V1完全相同，从而当K2为高电平时电压V2与K1为高电平时的电压V1相同，但方向相反；此时第二栅压自举电路的输出V2为

V2＝VOUTA+VC＝VINP+VC                                (5)

设定正向输入电路中时钟馈通补偿电路中的第三场效应管MD的栅端的寄生电容为C_{P_G_MD}，则时钟馈通补偿电路引起的输出电压变化为

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{OUTP}\_F}=\frac{C_{P\_G\_\mathrm{MD}}}{C_{P\_G\_\mathrm{MD}}+C_1}(\mathrm{VINP}+\mathrm{VC})---\left(6\right)$

同样反向输入电路中，时钟馈通补偿电路引起的输出电压变化为

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{OUTN}\_F}=\frac{C_{N\_G\_\mathrm{MD}}}{C_{N\_G\_\mathrm{MD}}+C_1}(\mathrm{VINN}+\mathrm{VC})---\left(7\right)$

式中C_{N_G_MD}为反向输入电路中的第三场效应管MD的栅极寄生电容。因为为电路对称结构，所以

C_{N_G_MD}＝C_{P_G_MD}＝C_{G_MD}，则在差分电路结构中，时钟馈通补偿电路输出的暂态补偿电压为

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{DIFF}\_F}=\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{OUTP}\_F}-\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{OUTP}\_F}=\frac{C_{G\_\mathrm{MD}}}{C_{G\_\mathrm{MD}}+C_1}(\mathrm{VINP}-\mathrm{VINN})---\left(8\right)$

在本发明中，由于所述第三场效应管MD的栅漏寄生电容与栅源寄生电容之和与第一场效应管MS的栅漏寄生电容相等，则所述第三场效应管MD的寄生电容为第一场效应管MS的寄生电容的一半，也即是寄生电容C_{G_MD}＝C_{GD_MS}，代入(4)式和(8)式中，可以得出第三场效应管MD在外部输出端产生了一个与公式(4)大小相等、方向相反的暂态补偿电压。而外部输出端输出的信号VOUTP，是由所述采样电路采样输出的采样信号及动态电压与所述时钟馈通补偿电路输出的暂态补偿电压叠加输出的，从而所述时钟馈通补偿电路产生的暂态补偿电压抵消了第一场效应管MS因时钟馈通效应在差分采样输出信号中产生的动态电压对采样输出信号的影响，同时不影响采样信号的正常输出，提高了采样场效应管(即第一场效应管MS)的线性度，降低了ADC采样电路的谐波失真度，并提高了采样速度，提高了ADC电路的采样精度。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (8)

1.一种ADC采样电路，其特征在于，包括一外部输入端，一与所述外部输入端相连的采样电路和辅助电路，一与所述采样电路相连的时钟电路和外部输出端，一与所述辅助电路相连的时钟馈通电路，所述时钟馈通电路还分别与所述时钟电路和外部输出端相连。

2.如权利要求1所述的ADC采样电路，其特征在于，

所述时钟电路具有第一输出端与第二输出端，且所述第一输出端与第二输出端输出互补的时钟脉冲；

所述采样电路在所述时钟电路的第一输出端输出的时钟脉冲的控制下，对所述外部输入端输入的信号进行采样，并将采样获得的信号输出至所述外部输出端；

所述辅助电路在所述采样电路的控制下对所述外部输入端输入的信号进行采样，并将采样获得的信号保存；

所述时钟馈通补偿电路在所述时钟电路的第二输出端输出的时钟控制下，将辅助电路采样获得的信号进行处理，而产生一个与采样电路中的动态电压方向相反的暂态补偿电压，并将所述暂态补偿电压输出至外部输出端。

3.如权利要求2所述的ADC采样电路，其特征在于，还包括第一电容，所述第一电容的一端与所述第一场效应管的漏极连接，另一端接地，以将所述采样电路采样获得的信号及电压保存。

4.如权利要求3所述的ADC采样电路，其特征在于，所述采样电路包括第一栅压自举单元与第一场效应管，所述第一栅压自举单元的两输入端分别与所述时钟电路的第一输出端及外部输入端连接，所述第一栅压自举单元的输出端与所述第一场效应管的栅极连接，所述第一场效应管的源极与外部输入端连接，所述第一场效应管的漏极输出采样后的信号。

5.如权利要求4所述的ADC采样电路，其特征在于，所述辅助电路包括第二场效应管与第二电容，所述第二场效应管的栅极与所述第一场效应管的栅极连接，其源极与外部输入端连接，所述第二场效应管在所述采样电路的控制下对外部输入端输入的信号进行采样，所述第二电容一端与所述第二场效应管的漏极连接，另一端接地，以保存所述第二场效应管采样获得的信号及其电压。

6.如权利要求5所述的ADC采样电路，其特征在于，所述时钟馈通补偿电路包括第三场效应管与第二栅压自举单元，所述第二栅压自举单元的两输入端分别与所述时钟电路的第二输出端及第二电容的一端连接，所述第二栅压自举单元输出端与所述第三场效应管的栅极连接，所述第三场效应管的漏极与源极均与输出端连接。

7.如权利要求6所述的ADC采样电路，其特征在于，所述第一场效应管与第二场效应管具有相同的参数。

8.如权利要求6所述的ADC采样电路，其特征在于，所述第三场效应管的栅漏寄生电容与栅源寄生电容之和与第一场效应管的栅漏寄生电容相等。

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