CN114499424A - 应用于两级模数转换器的差分放大器、校准电路及校准方法 - Google Patents

应用于两级模数转换器的差分放大器、校准电路及校准方法 Download PDF

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张星
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Abstract

本发明公开了一种用于两级模数转换器的差分放大器、校准电路及校准方法，包括第一组输入对管、第二组电流镜、第三组电流镜、电流源、第一输出电阻和第二输出电阻；所述第一组输入对管包括第一mos管和第二mos管；该种差分放大器采用开环结构，能够对差分输入电压快速放大，在较短的时间内就能得到准确稳定的电压值。放大器的增益由电阻比值决定，通过调节电阻比值，可以精准的调节放大器的增益，使放大器适用于不同的电路要求。

Description

应用于两级模数转换器的差分放大器、校准电路及校准方法
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种用于两级模数转换器的差分放大器、校准电路及校准方法。
背景技术
近年来，大数据，人工智能和物联网等新兴信息技术迅猛发展，给经济社会带来了深刻影响。这些技术的发展离不开大量数据采集，量化和处理。数据量化是数据处理全流程中的必备一环，决定了整个数据流通的数量和质量。数据量化就是将模拟信号转换成数字信号；实现模拟信号到数字信号转换的电路，称为模拟数字转换器。模拟数字转换器种类有多种，包括流水线结构模拟数字转换器，逐次逼近型模拟数字转换器，过采样模拟数字转换器等。
现有的实现差分电压放大的方法一般有两种，一种是开环的基本全差分运放结构，另一种是通过运放负反馈的方式实现差分电压放大。
开环的基本全差分运放结构如图1所示，这种运算放大器的增益为
Av＝gm1*(ro1||ro3)
其中，gm1表示输入管M1跨导，ro1和ro3表示M1和M3管的输出电阻。基本全差分运放结构的增益由管子的跨导和输出电阻决定，而管子的跨导和输出电阻容易受到影响，很难保持恒定，因此该种结构的增益难以准确设定，也不易于根据实际电路设计需求灵活调节。
全差分负反馈放大器的结构如图2所示。通过负反馈的方式实现差分电压放大的方式往往需要使用大增益高精度的运算放大器，将运算放大器进行闭环负反馈连接，再通过外部连接成比例的电阻(R和Rf)实现电压的成倍放大功能。这种放大倍数的精度依赖于所用运算放大器性能和电阻匹配，只有运算放大器接近理想运放时才能实现精准电压放大，其放大倍数的准确度非常依赖所使用运算放大器的开环增益。高性能高精度高增益的运算放大器会消耗很高的成本。
现有实现差分电压放大的电路结构存在一定的问题。首先，对于基本的全差分运放结构，其增益由放大管的跨导和输出管的输出电阻决定，难以实现对放大倍数的精准控制和灵活调节，应用范围小。第二，对于采用负反馈方式连接的全差分运算放大器电路，在实现差分电压放大时，需要使用一个高增益高精度的运算放大器，才能准确实现精准电压放大。第三，基于负反馈的放大器的速度往往比较慢，一方面需要其运算放大器带宽很宽，另外一方面，需要较长时间得到稳定结果。而且，基于负反馈的放大器放大倍数受到运算放大器开环增益的限制。此外，高精度高增益运算放大器电路复杂，规模大，往往会占据较大的面积，成本较高。在应用于放大模数转换器的剩余电压时，采用负反馈方式连接的全差分运算放大器电路，难以片内集成。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种用于两级模数转换器的差分放大器、校准电路及校准方法，该种差分放大器采用开环结构，能够实现对差分输入电压快速放大，在较短的时间内就能得到准确稳定的电压值。
为了实现上述目的，本发明的一种用于两级模数转换器的差分放大器，包括第一组输入对管、第二组电流镜、第三组电流镜、电流源、第一输出电阻和第二输出电阻；所述第一组输入对管包括第一mos管和第二mos管；
所述第一mos管的栅极连接正相差分输入信号，源极连接第二组电流镜；漏极连接电流源；，所述第一输出电阻连接第二组电流镜，所述第一输出电阻的另一端为放大器的一个差分输出端；
所述第二mos管的栅极连接反相差分输入信号，第二mos管的源极连接第三组电流镜；第二mos管的漏极连接电流源；所述第二输出电阻连接第三组电流镜，所述第二输出电阻的另一端为放大器的另一个差分输出端。
进一步优选的，所述第二组电流镜为偶数个相同的MOS管形成的共源共栅电流镜结构。
进一步优选的，所述第三组电流镜为偶数个相同的MOS管形成的共源共栅电流镜结构。
进一步优选的，所述电流源为偶数个相同的MOS管形成的Cascode电流源结构，用于分别为第一mos管和第二mos管提供偏置电流。
进一步优选的，还包括用于获取偏置电压的偏置电路；所述偏置电路用于将输入的偏置电流转换为3路偏置电压，其中，第一路偏置电压和第二路偏置电压分别用于触发电流源提供偏置电流；第三路偏置电压用于偏置第二组和第三组电流镜的共栅管，使第二组和第三组电流镜工作在饱和区。
本发明还提供一种差分电压放大器的校正电路，用于校正所述差分电压放大器的输入端失配电压，包括比较器、多组选择开关及二进制电流源，所述多组选择开关中的每个选择开关的输入连接校准电流源的一个支路，所述多组选择开关的输出分别连接至输入对管M1或M2的漏端。
进一步优选的，所述多组选择开关中选择开关的个数按照如下方法设置：
通过仿真测试中差分电压放大器的失配电压总范围，确定校准电路所用到的电流源总电流值。
根据选择开关导通时，电流源支路中流过的电流最小值，对各电流源支路中的电流值按照公比为2的等比数列进行分配，直至各项电流值相加的和等于或者刚好大于总电流值，则选择开关的个数为等比数列的项数。
本发明还提供一种差分电压放大器的校正方法，用于校正上述差分电压放大器，包括以下步骤：
S1、将放大器输入短接至共模电压，测量经放大器放大输出的失配电压和噪声；
S2、利用比较器对放大器的输出结果VOP和VON进行比较，并输出一个高电平或低电平；如果比较器输出高电平，则利用第一组开关阵列中的一个选择开关将电流源的第一支路(ICn)连接至第二mos管一侧；如果比较器输出低电平，则将第一支路(ICn)连接至第一mos管一侧；
S3、将放大器的输出电压送至比较器，再次进行比较，根据比较器比较结果，利用第二组开关阵列中的一个选择开关，将电流源的第二支路(ICn-1)选通，重复第二步过程，直至所有电流源支路，均与第一mos管或第二mos管建立连接，校准结束。
本申请公开的用于两级模数转换器的差分放大器、校准电路及校准方法，相比于现有技术至少具有以下优点：
1、本设计所提出的放大器采用开环结构，能够对差分输入电压快速放大，在较短的时间内就能得到准确稳定的电压值。
2、本设计所提出的放大器的增益由电阻比值决定，通过调节电阻比值，可以精准的调节放大器的增益，使放大器适用于不同的电路要求。放大器的放大倍数精准，不受输入对管跨导影响。不依赖于高开环增益的运算放大器，便于片内集成，可以用作连接两级或者多级模数转换器的中间放大器。
附图说明
图1为背景技术提供的开环的基本全差分运放结构图；
图2为背景技术提供的全差分负反馈运算放大器架构；
图3为背景技术提供的用于两级模数转换器的差分放大器的原理图；
图4为本申请提供的用于两级模数转换器的差分放大器的整体结构图；
图5为本发明提供的一次性校准技术原理框图。
具体实施方式
以下通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图3所示，本发明一方面实施例提供的一种用于两级模数转换器的差分放大器，包括第一组输入对管(M1、M2)、第二组电流镜(M3、M4)、第三组电流镜(M5、M6)、电流源。该电流源包括两个个支路(支路I1、支路I2)、第一输出电阻R1和第二输出电阻R2；所述第一组输入对管包括第一mos管M1和第二mos管M2。
所述第一mos管M1的栅极连接正相差分输入信号VIP，源极连接第二组输入对管(M3、M4)；漏极连接电流源I1；所述第一输出电阻R1连接第二组电流镜(M3、M4)，所述第一输出电阻R1的一端为放大器的一个差分输出端VOP。
所述第二mos管M2的栅极连接反相差分输入信号，第二mos管M2的源极连接第三组电流镜(M5、M6)；第二mos管M2的漏极连接电流源I2；所述第二输出电阻R2连接第三组电流镜(M5、M6)，所述第二输出电阻R2的一端为放大器的另一个差分输出端V0N。
M1和M2为输入对管，分别接收正端输入电压VIP和负端输入电压VIN。电流源I1和I2由Cascode电流镜产生，且电流大小相同，即I1＝I2。
差分输入信号VIN和VIP经M1～2和I1～2构成的两组源跟随器，得到VSN和VSP，并且VSP-VSN相当接近VIP-VIN。该电压差在桥电阻R上产生一支电流，该电流大小为:
Figure BDA0003406317630000061
令I1＝I2＝I0，则流经M5的电流大小为：I5＝I0-IR，流经M4的电流大小为：I4＝I0+IR。预设输出电阻R1、R2和桥电阻R的比值为K。由于M3～M4，M5～M6组成两组电流镜，产生镜像电流IR1＝I4，IR2＝I5，则输出电压为：
VOP＝I4*R1＝(I0+IR)*K*R
VON＝I5*R1＝(I0-IR)*K*R
因此输出电压差为：
VOP-VON＝2*IR*K*R＝2K(VSP-VSN)
即
VOP-VON≈2K(VIP-VIN)
从而得到放大器的增益为：
Figure BDA0003406317630000062
因此，输入差分电压通过在电阻R0上产生电流，经电流镜流过输出电阻即可产生倍数准确的差分输出电压。该种差分电压放大器通过改变输出电阻与桥电阻的比值，就可以改变放大器的增益，实现了放大器增益的灵活可调性，简单有效的将剩余电压放大一定的倍数。
如图4所示，本设计所提出的差分电压放大器整体结构，主要包括两部分：偏置电路和放大器输入输出电路。偏置电路的输入信号是偏置电流IBIAS，由外部给出，其主要用于产生放大器输入级Cascode管偏置电压VBN1、VBN2、VBP3。
在本实施例中，第二组电流镜和第三组电流镜，均为偶数个相同的MOS管形成的共源共栅电流镜结构。
所述电流源为偶数个相同的MOS管形成的Cascode电流源结构，用于分别为第一mos管和第二mos管提供偏置电流。
所述偏置电路用于将输入的偏置电流转换为3路偏置电压，其中，第一路偏置电压和第二路偏置电压分别用于触发电流源提供偏置电流；第三路偏置电压用于偏置第二组和第三组电流镜的共栅管，使第二组和第三组电流镜工作在饱和区。
该种差分电压放大器主要包括八对MOS管和三个电阻。在放大器的输入输出电路中，输入对管PM1和PM2接受外部差分输入信号VIP和VIN。在放大器的输入端，本设计采用了Cascode电流源结构(NM1～NM4)为输入对管PM1和PM2提供偏置电流I1和I2，其中NM1和NM2的栅极连接偏置电路输出的偏置电压VBN2，NM3和NM4的栅极连接偏置电路输出的偏置电压VBN1。另外，PM5～PM6和PM9～PM10组成一个共源共栅电流镜结构，为输出电阻R2提供镜像电流IR2＝I5；PM3～PM4和PM7～PM8组成一个共源共栅电流镜结构，为输出电阻R1提供镜像电流IR1＝I4。进一步的，放大器结构中的三个电阻用于实现放大器放大倍数精准产生，包括两个输出电阻R1、R2和一个桥电阻R，且有输出电阻R1＝R2；通过调节输出电阻与桥电阻R的比值来精准调节放大器的增益。
该放大器在工作时，首先，VBN1和VBN2为电流镜NM1～NM4提供偏置电压，该电流镜用于镜像复制左侧的电流镜，且保证NM2和NM1的尺寸完全相同，NM3和NM4的尺寸完全相同，在不考虑工艺偏差的情况下，就可以产生相同大小的电流I1和I2，分别提供给输入对管PM1和PM2，假设电流大小为I1＝I2＝I0。
假设正相输入端电压大于反相输入端电压，即VIP>VIN，根据源跟随器增益为1的特点，有VSP＝VIP,VSN＝VIN。则VSP>VSN，在桥电阻R上产生一个从右至左的电流IR,IR＝(VSP-VSN)/R。根据基尔霍夫电流定律，有I4＝IR+I1，I5＝I2-IR。
PM5、PM6、PM9和PM10组成一个共源共栅电流镜，且PM5和PM6尺寸完全相同，PM9和PM10尺寸完全相同。VBP3的作用是为共栅管PM5～PM6提供一个栅极偏置电压，保证PM5管和PM6管工作在饱和区。进一步的，该共源共栅电流镜可以保证流经PM5一侧和PM6一侧的电流完全相同，即IR2＝I5。同理，对由PM3、PM4、PM7和PM8组成的共源共栅电流镜，有IR1＝I4。
由欧姆定律可得，电阻R1两侧压降为VOP＝IR1*R1＝I4*R1。电阻R2两侧压降为VON＝IR2*R2＝I5*R2。在本设计中，设计R1＝R2。另外，VOP和VON分别为该差分电压放大器的正相输出电压和反相输出电压。进一步的，可以推出VOP-VON＝2K(VIP-VIN)，即该差分电压放大器的增益为2K。
如图5所示，本专利还提出了一种一次性校准技术来消除放大器的失配电压，主要对放大器等效输入失配电压进行校准。图5为一次性校准技术的原理框图，包括一个比较器、多组选择开关及其对应的二进制电流源。所述多组选择开关中的每个选择开关的输入端连接校准电流源中的一个支路，另外，选择开关还需要一个校准控制电路来控制其关断。
进一步优选的，所述多组选择开关中选择开关的个数按照如下方法设置：
通过仿真测试差分电压放大器的失配电压总范围，确定校准电流源的总电流值。
根据选择开关导通时，电流源支路中流过的电流最小值，对各电流源支路中的电流值按照公比为2的等比数列进行分配，直至各项电流值相加的和等于或刚好大于总电流值，则选择开关的个数为等比数列的项数。
具体实施时可以包括以下步骤：首先，通过蒙特卡洛仿真测试一下该放大器在不校准条件下失配电压的范围。
第二，根据仿真得到的失配电压的范围可以确定校准模块的总电流。校准模块中，每一组开关都对应一个电流源。所有组开关相对应的电流源加起来即为总电流。
第三，每一支电流源对应的电流都对应了一个能够校准的失配电压范围。一般会首先确定最小的一支电流源电流值，其他的电流源电流值二进制增加。最小的一支电流源设置标准是：该电流源对应的能够校准的失配电压范围要小于第二级模数转换器的一个最小权重电压。
第四，确定了最小的电流源电流值，再根据总电流，以及各支电流源之间二进制的比例关系，就可以确定开关个数。
例如：总电流为15uA，确定最小电流为0.5uA，那么一共有5支电流源，即对应5组开关，电流值分别为8uA,4uA,2uA,1uA,0.5uA,一共为15.5uA。，
本发明还提供一种差分电压放大器的校正方法，用于校正上述差分电压放大器，包括以下步骤：
S1、将放大器输入短接至共模电压，测量经放大器放大后输出的失配电压和噪声；
S2、利用比较器对放大器的输出结果VOP和VON进行比较，并输出一个高电平或低电平；如果比较器输出高电平，则利用第一组开关阵列中的一个选择开关SN将电流源的第一支路(ICn)连接至第二mos管一侧；如果比较器输出低电平，则将第一支路(ICn)连接至第一mos管一侧；
S3、将放大器的输出电压送至比较器，再次进行比较，根据比较器比较结果，利用第二组开关阵列中的一个选择开关，将电流源的第二支路(ICn-1)选通，重复第二步过程，直至所有电流源支路，均与第一mos管或第二mos管建立连接，校准结束。校准完成后，此时放大器输出端电压差即为校准后的失配电压。通过调整校准电流源的校准范围和电流源支数及各电流源之间的比例，可以将失配电压控制在一个合理的范围内，尽可能减少放大器失配误差和噪声对第二级模数转换器的影响。整体校准过程类似逐次逼近原理。
显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种用于两级模数转换器的差分放大器，其特征在于，包括第一组输入对管、第二组电流镜、第三组电流镜、电流源、第一输出电阻和第二输出电阻；所述第一组输入对管包括第一mos管和第二mos管；
所述第一mos管的栅极连接正相差分输入信号，源极连接第二组电流镜；漏极连接电流源；所述第一输出电阻连接第二组电流镜，所述第一输出电阻的另一端为放大器的一个差分输出端；
所述第二mos管的栅极连接反相差分输入信号，第二mos管的源极连接第三组电流镜；第二mos管的漏极连接电流源；所述第二输出电阻连接第三组电流镜，所述第二输出电阻的一端为放大器的另一个差分输出端。
2.根据权利要求1所述的一种用于两级模数转换器的差分放大器，其特征在于，所述第二组电流镜为偶数个相同的MOS管形成的共源共栅电流镜结构。
3.根据权利要求1所述的一种用于两级模数转换器的差分放大器，其特征在于，所述第三组电流镜为偶数个相同的MOS管形成的共源共栅电流镜结构。
4.根据权利要求1所述的一种用于两级模数转换器的差分放大器，其特征在于，所述电流源为偶数个相同的MOS管形成的Cascode电流源结构，用于分别为第一mos管和第二mos管提供偏置电流。
5.根据权利要求4所述的一种用于两级模数转换器的差分放大器，其特征在于，还包括用于获取偏置电压的偏置电路；
所述偏置电路用于将输入的偏置电流转换为3路偏置电压，其中，第一路偏置电压和第二路偏置电压分别用于触发电流源提供偏置电流；第三路偏置电压用于偏置第二组电流镜和第三组电流镜中的共栅管，使第二组和第三组电流镜工作在饱和区。
6.一种差分电压放大器的校正电路，用于校正权利要求1-5中任意一项所述的差分电压放大器，其特征在于，包括比较器、多组选择开关及二进制电流源，所述多组选择开关中的每个选择开关的输入端连接放大器的电流源中的一个支路，所述多组选择开关的输出分别连接至输入对管M1或M2的漏端。
7.根据权利要求6所述的一种差分电压放大器的校正电路，其特征在于，还包括校准控制电路，所述校准控制电路连接多组选择开关，用于依次控制多组选择开关的通断。
8.根据权利要求6所述的差分电压放大器的校正电路，其特征在于，所述多组选择开关中选择开关的个数按照如下方法设置：
通过仿真测试差分电压放大器的失配电压总范围，确定校准电路所用到的电流源总电流值；
根据选择开关导通时，电流源支路中流过的电流最小值，对各电流源支路中的电流值按照公比为2的等比数列进行分配，直至各项电流值相加的和等于或刚好大于总电流值，则选择开关的个数为等比数列的项数。
9.一种差分电压放大器的校正方法，用于校正权利要求1-5中任意一项所述的差分电压放大器，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将放大器输入短接至共模电压，测量经放大器放大后输出的失配电压和噪声；
S2、利用比较器对放大器的输出结果VOP和VON进行比较，并输出一个高电平或低电平；如果比较器输出高电平，则利用第一组开关阵列中的一个选择开关将电流源的第一支路(ICn)连接至第二mos管一侧；如果比较器输出低电平，则将第一支路(ICn)连接至第一mos管一侧；
S3、将放大器的输出电压送至比较器，再次进行比较，根据比较器比较结果，利用第二组开关阵列中的一个选择开关，将电流源的第二支路(ICn-1)选通，重复第二步过程，直至所有电流源支路，均与第一mos管或第二mos管建立过连接，校准结束。
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