CN112953536B - 具有校准电路的可调增益动态放大装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有校准电路的可调增益动态放大装置及方法，包括：校准输入电压电路、动态放大器、数字信号控制的可变负载电容阵列和动态比较器，动态放大器的输入端与校准输入电压电路相连，动态放大器的输出端分别与可变负载电容阵列和动态比较器相连，动态比较器的比较结果信号与可变负载电容阵列相连，校准输入电压电路和动态放大器之间、动态放大器和动态比较器之间以及动态放大器与外置工作电路之间均设有用于切换电路拓扑连接的开关组合。本发明面积更小，功耗更低，校准精度高；校准环路输出信号控制动态放大器负载，实现动态放大器增益校准，解决了传统校准方法无法适用于动态放大器的问题，实现动态放大器的增益在PVT下保持稳定。

Description

具有校准电路的可调增益动态放大装置及方法
技术领域
本发明涉及的是一种半导体器件领域的技术，具体是一种具有校准电路的可调增益动态放大装置及方法。
背景技术
动态放大器(DA)是由时钟控制实现电压放大功能的电路，由于其功耗低于传统运算放大器并且具有功耗随频率变化的特性，使得动态放大器在噪声整形逐次逼近型模数转换器以及流水线模数转换器中得到较为广泛的应用。
现有的动态放大器在调整增益后的校准的缺陷和急需解决的不足在于：现有调整增益的方法需要在测量得到动态放大器增益之后手动输入控制信号来调整增益，无法实现自动校准；现有增益校准方法需要额外的放大器或其他电路开销，这些开销会增加功耗和面积并可能带来失配问题；现有传统放大器校准方法无法适用于动态放大器。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种具有校准电路的可调增益动态放大装置及方法，通过校准环路和工作通路复用同一个动态放大器，使用动态比较器和数字逻辑代替高增益放大器，面积更小，功耗更低，校准精度高；校准环路输出信号控制动态放大器负载，实现动态放大器增益校准，解决了传统校准方法无法适用于动态放大器的问题，实现动态放大器的增益在不同工艺角、电源电压、温度(PVT,Process VoltageTemperature)下保持稳定。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种具有校准电路的可调增益动态放大装置，包括：校准输入电压电路、动态放大器、数字信号控制的可变负载电容阵列和动态比较器，其中：动态放大器的输入端与校准输入电压电路相连，动态放大器的输出端分别与可变负载电容阵列和动态比较器相连，动态比较器的比较结果信号与可变负载电容阵列相连，校准输入电压电路和动态放大器之间、动态放大器和动态比较器之间以及动态放大器与外置工作电路之间均设有用于切换电路拓扑连接的开关组合。
所述的开关组合包括八个分别设置于动态放大器的正负极输入输出端的开关；具体包括：四个比较结果信号控制开关和四个非信号控制开关，其中：第一和第二比较结果信号控制开关设置于校准输入电压电路和动态放大器之间，第一和第二非信号控制开关设置于动态放大器和动态比较器之间，第三和第四比较结果信号控制开关以及非信号控制开关分别设置于动态放大器与外置工作电路之间。
当比较结果信号为高电平时，第一至第四比较结果信号控制开关导通，同时第一至第四非信号控制开关断开，动态放大器工作在校准环路中。此时，校准输入电压电路、比较结果信号控制开关、动态放大器、动态比较器以及可变负载电容阵列共同组成校准环路。
当比较结果信号为低电平时，第一至第四比较结果信号控制开关断开，同时第一至第四非信号控制开关导通，动态放大器工作在工作通路中。此时，非信号控制开关、动态放大器以及外置工作电路共同组成工作通路。
所述的动态放大器为晶体管差分放大器。
所述的动态比较器为晶体管差分对动态比较器。
所述的可变负载电容阵列包括：依次连接的二进制减法计数器、二进制码转温度计码的转码器以及一个若干个接地的带有开关的电容支路并联组成的负端和正端输出负载电容组，其中：二进制减法计数器输出4位二进制信号至转码器，转码器分别输出若干个控制信号与电容支路中的开关相连。
本发明涉及上述可调增益动态放大器的前台校准方法，在***上电时自动完成校准，即校准输入电压电路产生校准输入电压，该电压经过被校准动态放大器后与参考电压在动态比较器中进行比较，比较结果供可变负载电容阵列调整动态放大器的负载来改变其增益。
技术效果
本发明整体解决现有动态放大器增益调整方法需要手动输入控制的信号而无法实现自动校准的问题；现有动态放大器增益校准方法需要额外的放大器或其他电路开销，这些开销会增加功耗和面积并可能带来失配的问题；传统放大器增益校准方法无法适用于动态放大器的问题。
与现有技术相比，本发明被校准的动态放大器既可以工作在校准环路中，也可以工作在工作通路中，即校准环路和工作通路复用同一个动态放大器。这样做可节省电路功耗和面积，同时不存在被校准动态放大器和用于校准的动态放大器间的失配问题，校准精度高。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为***时序图；
图中：CLK1和CLK2为动态放大器的时钟信号，CLK动态比较器为动态比较器的时钟信号，CLKcali为可变负载电容阵列的时钟信号；
图3为动态放大器示意图；
图4为动态比较器；
图5为数字信号控制的电容阵列。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种具有校准电路的可调增益动态放大装置，包括：校准输入电压电路、动态放大器140、数字信号控制的可变负载电容阵列170和动态比较器160，其中：动态放大器140的输入端与校准输入电压电路相连，动态放大器140的输出端分别与可变负载电容阵列170和动态比较器160相连，动态比较器160的输出端与可变负载电容阵列170相连，校准输入电压电路和动态放大器140之间、动态放大器140和动态比较器160之间以及动态放大器140与外置工作电路150之间均设有用于切换电路拓扑连接的开关组合。
所述的校准输入电压电路包括：四个串联的分压电阻，其中：第一至第四分压电阻110.1-110.4的阻值均为R，用于产生动态放大器(DA)的校准输入电压；第四分压电阻的110.4下端连接动态放大器140的偏置电压Vbias，第一分压电阻110.1上端连接偏置电压Vbias+参考电压Vref。
所述的开关组合包括：四个OP信号控制开关120.1-120.4和四个OP非信号控制开关130.1-130.4，其中：第一和第二OP信号控制开关设置于校准输入电压电路和动态放大器140之间，第一和第二非信号控制开关设置于动态放大器140和动态比较器160之间，第三和第四OP信号控制开关以及OP非信号控制开关分别设置于动态放大器140与外置工作电路150之间。
所述的动态比较器160的两个正向输入端输入信号分别为IP和Vbias，两个反向输入端输入信号分别为IN和Vbias+Vref；两个差分输出分别为OP信号和ON信号，OP信号输出至可变负载电容阵列170。
所述的数字信号控制的可变负载电容阵列170分别与动态放大器140的输出端VP和VN相连并接收OP信号和CLKcali信号控制。
当OP信号为高电平时，第一至第四OP信号控制开关120.1-120.4导通，同时第一至第四OP非信号控制开关130.1-130.4断开，动态放大器工作在校准环路中。此时，校准输入电压电路110、OP信号控制开关120、动态放大器140、动态比较器160以及可变负载电容阵列170共同组成校准环路。
当OP信号为低电平时，第一至第四OP信号控制开关120.1-120.4断开，同时第一至第四OP非信号控制开关130.1-130.4导通，动态放大器工作在工作通路中。此时，OP非信号控制开关130、动态放大器140以及外置工作电路150共同组成工作通路。
所述的分压电阻串分压电阻110.1-分压电阻110.4也可以由其他数量的阻值相同的电阻组成，OP信号控制开关120.1和OP信号控制开关120.2也可以接在电阻串的其他位置，只要其电压差可以满足上述校准的逻辑。
如图3所示，所述的动态放大器140包括四个晶体管141、142、145、146组成的差分放大器以及输入晶体管147，该动态放大器在两个时钟信号CLK1和CLK2驱动的开关143和144控制下工作。
当第一时钟信号CLK1为低电平时，动态放大器复位。第一和第二晶体管141和142导通的同时输入晶体管147截止，电源电压经由第一和第二晶体管141和142为VP和VN两个节点的负载电容充电至VDD。
当时钟信号CLK1和CLK2同为高电平时，动态放大器工作，开关143和144导通，VP和VN经由第三和第四晶体管145和146放电，其放电速率取决于RP和RN的大小，RP大于RN时，VN放电速率大于VP，反之亦然。
当第一时钟信号CLK1为高电平且第二时钟信号CLK2为低电平时，VP和VN两点的电压处于保持状态。
所述的动态放大器校准后增益可以不等于4，当其校准后增益为其他值时，需要修改分压电阻分压电阻110.1-分压电阻110.4的连接方式。
如图4所示，所述的动态比较器为晶体管差分对动态比较器，该动态比较器在CLK动态比较器控制下工作。
当CLK动态比较器为低电平时，动态比较器复位，电源电压经由晶体管167.1和167.2为OP信号和ON信号两个节点充电至VDD，同时晶体管166.1、166.2、168.1、168.2均截止。
当CLK动态比较器为高电平时，动态比较器工作，OP信号和ON信号经由161、162、163、164、晶体管165.1、165.2、166.1、166.2放电，其放电速率取决于输入管输入信号的大小。
当晶体管161、162的输入电压之和大于输入电压163、164之和，则ON信号放电速率大于OP信号，使晶体管165.2栅端电压低于晶体管165.1栅端电压，进一步减小OP信号放电速率，直到晶体管168.2导通，最终OP信号为高电平，ON信号为低电平；反之亦然。
如图5所示，所述的可变负载电容阵列170包括：依次连接的4位二进制减法计数器172、4位二进制码转温度计码的转码器174以及一个若干个接地的带有开关的电容支路并联组成的负端和正端输出负载电容组176.1和176.2，其中：二进制减法计数器172输出4位二进制信号至转码器174，转码器分别输出若干个控制信号与电容支路中的开关相连；该可变负载电容阵列在OP信号作用的开关171和CLKcali控制下工作。
当OP信号为高电平时，可变负载电容阵列在CLKcali的控制下逐渐减小动态放大器的负端和正端输出负载电容组176.1和176.2；
当OP信号为低电平时，动态放大器的负载电容不受CLKcali的影响，负载电容组176.1和176.2保持不变。
所述的4位二进制减法计数器172在复位时输出为1111，在时钟上升沿到来时输出减1。
所述的4位二进制码转温度计码的转码器174输出温度计码175.1-175.16分别至负端和正端输出负载电容组176.1和176.2。
所述的负端和正端输出负载电容组176.1和176.2包括：一个接地的固定电容C1以及与之并联的若干个并联的接地的带有开关的电容C2支路；本实施例中C2共有16个，所述的温度计码175.1-175.16用于控制开关的通断，即对应的C2是否接地。
当175.1-175.16为高电平时，对应位上的C2接到VP或VN端，成为动态放大器负载的一部分。C2与C1的相对比例越大，动态放大器增益的校准范围越大，本实施例中需要保证当16个C2全部接入VP或VN时，动态放大器的增益小于校准后的目标增益。
所述的可变负载电容阵列的校准精度可以取为其他值，这时需要修改172、174、176.1和176.2的位数使之与校准精度相匹配。
所述的可变负载电容阵列176.1和176.2。其16个容值为C2的电容，也可以取为不同大小，比如将最后一个电容值取为相对较大的值以增大校准范围，防止校准后目标增益超出校准范围。
本实施例涉及上述动态放大器的前台校准方法，校准在***上电时进行，待校准完成后动态放大器方可正常工作。***上电时各模块处于复位状态，OP信号为高电平，因此动态放大器处于校准环路中。
校准输入电压电路分压电阻110产生动态放大器的输入，在本实施例中校准输入电压电路分压电阻110由4个电阻组成，动态放大器输入端RP和RN接在第四分压电阻110.4的两端，动态放大器校准后的目标增益为4。
本实施例中RP端电压为Vbias+1/4Vref，RN端电压为Vbias，两端电压差为1/4Vref，经过动态放大器放大后，输出端VP和VN电压差约为动态放大器的实际增益乘以1/4Vref，此时VP即是动态比较器的输入IP，VN即是动态比较器的输入IN。动态比较器复位时输出OP信号和ON信号均为高电平，工作时若正端输入电压之和大于负端输入电压之和，即IP与Vbias之和大于IN与Vbias+Vref之和，则OP信号保持高电平，ON信号变为低电平。反之OP信号变为低电平，ON信号保持高电平。在此例中，若动态放大器的实际增益大于校准后的目标增益，OP信号为高电平，ON信号为低电平；反之若动态放大器的实际增益小于校准后的目标增益，OP信号为低电平，ON信号为高电平。由于动态放大器的增益与负载电容大小成反比，本实施例中在复位时动态放大器的负载电容为最大值，若校准范围足够大，此时动态放大器的实际增益小于校准后的目标增益，OP信号保持高电平，在CLKcali信号的控制下，动态放大器负载电容减小一个单位。至此第一个校准周期结束。
在接下来的校准周期中，重复上述步骤，直到当动态放大器的负载电容减小到使动态放大器的实际增益大于校准后的目标增益时，OP信号输出变为低电平，动态放大器的负载电容不再变化，同时动态放大器与校准环路断开，开关OP非信号控制开关130导通，动态放大器连接在工作环路中，进入正常工作状态。至此，校准完成。
如图2所示，为***的时序图以及重要节点的电压变化，在210时间段内，动态放大器和动态比较器均处于复位状态，OP信号、ON信号、VP、VN均为高电平。在220时间段内，动态放大器工作，其输出电压VP和VN以一定速率下降，其下降速率取决于输入信号RP和RN的大小和负载电容的大小。230时间段开始时，动态放大器工作结束，输出VP和VN的电压得到保持，同时动态比较器工作，OP信号和ON信号根据比较结果变为相应的值。在240时间段，可变负载电容阵列工作，可变负载电容阵列中的数字逻辑根据OP信号的值决定是否减小动态放大器的负载电容。240时间段结束后，动态放大器和动态比较器复位，一个校准周期完成，若校准未结束，则再次进入210阶段，依此循环。
所述的动态放大器和动态比较器在每一个校准周期内都会复位一次，而可变负载电容阵列仅在芯片上电时复位一次。
经过具体实际实验，被校准动态放大器在tt工艺角、55℃、标准电源电压的标准条件下增益为8.4。在27种不同PVT条件下测量其增益可知，在ss工艺角、125℃、低于标准电源电压5％的电源电压下增益最小，为5.8；在ss工艺角、-45℃、高于标准电源电压5％的电源电压下增益最大，为10.6。最大增益变化约为31％。使用本发明中的校准方法，校准后的目标增益为8，使用8个完全相同的电阻产生校准输入电压，可变负载电容阵列中C1电容值约为367f，C2共有64个，每个电容值约为17f，校准后其在标准条件下增益为8.11，在27种不同PVT条件下，最大增益变化约为2.5％。
现有动态放大器增益补偿方法，其补偿后的增益变化量与温度变化量的比值一般在3×10-2％/℃附近，在相同的电源电压变化下，本发明校准后增益变化量与温度变化量的比值约为1.52×10-2％/℃。由于本发明是一个整体的校准***，上述效果的实现得益于整体的***架构和校准思路。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (8)

1.一种具有校准电路的可调增益动态放大装置，其特征在于，包括：校准输入电压电路、动态放大器、数字信号控制的可变负载电容阵列和动态比较器，其中：动态放大器的输入端与校准输入电压电路相连，动态放大器的输出端分别与可变负载电容阵列和动态比较器相连，动态比较器的比较结果信号与可变负载电容阵列相连，校准输入电压电路和动态放大器之间、动态放大器和动态比较器之间以及动态放大器与外置工作电路之间均设有用于切换电路拓扑连接的开关组合从而实现工作通路和校准环路共用同一个动态放大器；
所述的开关组合包括八个分别设置于动态放大器的正负极输入输出端的开关；具体包括：四个比较结果信号控制开关和四个非信号控制开关，其中：第一和第二比较结果信号控制开关设置于校准输入电压电路和动态放大器之间，第一和第二非信号控制开关设置于动态放大器和工作通路或外置工作电路之间，第三和第四比较结果信号控制开关以及非信号控制开关分别设置于动态放大器与外置工作电路之间；
当比较结果信号为高电平时，第一至第四比较结果信号控制开关导通，同时第一至第四非信号控制开关断开，动态放大器工作在校准环路中；此时校准输入电压电路、比较结果信号控制开关、动态放大器、动态比较器以及可变负载电容阵列共同组成校准环路；
当比较结果信号为低电平时，第一至第四比较结果信号控制开关断开，同时第一至第四非信号控制开关导通，动态放大器工作在工作通路中；此时非信号控制开关、动态放大器以及外置工作电路共同组成工作通路。
2.根据权利要求1所述的具有校准电路的可调增益动态放大装置，其特征是，所述的可变负载电容阵列包括：依次连接的二进制减法计数器、二进制码转温度计码的转码器以及一个若干个接地的带有开关的电容支路并联组成的负端和正端输出负载电容组，其中：二进制减法计数器输出4位二进制信号至转码器，转码器分别输出若干个控制信号与电容支路中的开关相连。
3.根据权利要求1所述的具有校准电路的可调增益动态放大装置，其特征是，所述的校准输入电压电路包括：四个串联的分压电阻，其中：第一至第四分压电阻用于产生动态放大器的校准输入电压；第四分压电阻的下端连接动态放大器的偏置电压Vbias，第一分压电阻上端连接偏置电压Vbias+参考电压Vref。
4.根据权利要求1所述的具有校准电路的可调增益动态放大装置，其特征是，所述的动态比较器的两个正向输入端输入信号分别为IP和Vbias，两个反向输入端输入信号分别为IN和Vbias+Vref；两个差分输出分别为OP信号和ON信号，OP信号输出至可变负载电容阵列；可变负载电容阵列分别与动态放大器的输出端VP和VN相连并接收OP信号和CLKcali信号控制。
5.根据权利要求1所述的具有校准电路的可调增益动态放大装置，其特征是，所述的动态放大器包括四个晶体管组成的差分放大器以及输入晶体管，该动态放大器在两个时钟信号CLK1和CLK2驱动的开关和控制下工作。
6.根据权利要求1所述的具有校准电路的可调增益动态放大装置，其特征是，所述的动态比较器为晶体管差分对动态比较器，该动态比较器在CLK动态比较器控制下工作。
7.根据权利要求1所述的具有校准电路的可调增益动态放大装置，其特征是，所述的可变负载电容阵列包括：依次连接的4位二进制减法计数器、4位二进制码转温度计码的转码器以及一个若干个接地的带有开关的电容支路并联组成的负端和正端输出负载电容组，其中：二进制减法计数器输出4位二进制信号至转码器，转码器分别输出若干个控制信号与电容支路中的开关相连；该可变负载电容阵列在OP信号作用的开关和CLKcali控制下工作。
8.一种基于上述任一权利要求所述放大装置的前台校准方法，其特征在于，通过分压电阻产生校准输入电压，该电压经过被校准动态放大器后与参考电压在动态比较器中进行比较，比较结果作为可变负载电容阵列的输入，可变负载电容阵列通过改变动态放大器的负载来改变其增益。
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