CN202362693U - 一种用于流水线模数转换器的参考电压发生电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于流水线模数转换器的参考电压发生电路，包括第一级参考电压发生器分支，所述第一级参考电压发生器分支包括两个放大器、电阻串和多个由MOS管构成的电流源，所述电阻串连接于节点NT和NB之间，由2ⁿ-1个阻值为R的电阻串联形成，节点NT和NB以及节点NT和NB之间所有电阻的连接点输出参考电压，共2ⁿ个输出，其中n为所述流水线模数转换器的子模数转换器的位数。本实用新型提供的用于流水线模数转换器的参考电压发生电路能够动态改变前级转换级中比较器的参考电位，使之围绕一个中心值随机变化，从而有利于降低量化残差传递过程中各误差因素的影响。

Description

一种用于流水线模数转换器的参考电压发生电路

技术领域

本实用新型涉及集成电路设计领域，尤其涉及一种用于流水线模数转换器的参考电压发生电路。

背景技术

模数转换器是一种常见的将模拟信号转换成数字信号的功能模块。流水线模数转换器是模数转换器中一种常用的结构。其原理可以概括以流水线工作的方式分级对模拟信号量化。

流水线模数转换器包含多个转换级，通常每个转换级都包括采样电路，子模数转换器(sub ADC)，子数模转换器及放大器(MDAC)以及参考电路等。

输入模拟信号先经过流水线模数转换器的第一级被初步量化，产生相应量化码值，随后剩余量化残差被放大并传递到后级继续处理，直至所有转换级完成量化。

量化残差被放大并从前级转移到后级的过程会受多种因素干扰产生误差，如电容失配，运放有限增益，运放有限带宽等。

动态改变前级转换级中比较器的参考电位，使之围绕一个中心值随机变化有利于降低这些误差的影响，如何产生随机化的比较器参考电压是提高流水线模数转换器性能关键之一。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种用于流水线模数转换器的参考电压发生电路，以解决现有技术中由于量化残差被放大并从前级转移到后级的过程会受多种因素干扰产生误差的问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种用于流水线模数转换器的参考电压发生电路，包括第一级参考电压发生器分支，所述第一级参考电压发生器分支包括两个放大器、电阻串和多个由MOS管构成的电流源；其中，

第一个放大器AP1的负输入端连接基准电压源VRp，正输入端ND连接MOS管MSr的漏端，MOS管MPr和MSr串联构成电流源；MOS管MP0～MPk和MS0～MSk均分别串联构成电流源，MOS管MPr和MP0～MPk的栅端都和第一个放大器AP1的输出端连接，MOS管MSr的栅端连接地线VSS，MOS管MS0～MSk的栅端分别连接数字控制信号DB[0]～DB[k]，MOS管MS0～MSk的漏端都连接到节点NT，节点NT和正输入端ND间串联一个阻值为R的电阻Rp；

第二个放大器AN1的负输入端连接基准电压源VRn，正输入端NE连接MOS管MTr的漏端，MOS管MTr和MNr串联构成电流源；MOS管MN0～MNk和MT0～MTk均分别串联构成电流源，MOS管MNr和MN0～MNk的栅端都和第二个放大器AN1的输出端连接，MOS管MTr的栅端连接电源VDD，MOS管MT0～MTk的栅端分别连接数字控制信号D[0]～D[k]，D[0]～D[k]分别是DB[0]～DB[k]的反相信号，MOS管MT0～MTk的漏端都连接到节点NB，节点NB和正输入端NE间串联一个阻值为R的电阻Rn；

所述电阻串连接于节点NT和NB之间，由2ⁿ-1个阻值为R的电阻串联形成，节点NT和NB以及节点NT和NB之间所有电阻的连接点输出参考电压，共2ⁿ个输出，其中n为所述流水线模数转换器的子模数转换器的位数。

作为优选，所述第一级参考电压发生器分支后连接有第二级参考电压发生器分支，所述第二级参考电压发生器分支包括两个放大器、电阻串和多个由MOS管构成的电流源，所述第二级参考电压发生器分支的电流源的结构与所述第一级参考电压发生器分支的电流源的结构相同；所述第一级参考电压发生器分支的电阻串的任意两个电阻分别拆分成一对阻值为R/2的串联电阻，第一对阻值为R/2的串联电阻的中间连接抽头Np连接所述第二级参考电压发生器分支的第一个放大器AP2的负输入端，第二对阻值为R/2的串联电阻的中间连接抽头Nn连接所述第二级参考电压发生器分支的第二个放大器AN2的负输入端；所述第二级参考电压发生器分支的电阻串中电阻的阻值均为RI，电阻个数等于所述中间连接抽头Np和Nn间阻值为R的电阻的个数，所述中间连接抽头Np和Nn间阻值为R的电阻分压输出的参考电压替换为所述第二级参考电压发生器分支输出的参考电压。

作为进一步地优选，所述第二级参考电压发生器分支后还连接有一个或多个参考电压发生器分支，后级参考电压发生器分支与前级参考电压发生器分支的连接方式跟所述第二级参考电压发生器分支与所述第一级参考电压发生器分支的连接方式相同。

作为进一步地优选，所述第二级参考电压发生器分支的电阻串中电阻的阻值RI与所述第一级参考电压发生器分支的电阻串中电阻的阻值R相等或不等。

作为进一步地优选，所述第二级参考电压发生器分支的电流源的个数与所述第一级参考电压发生器分支的电流源的个数相等或不等。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：本实用新型提供的用于流水线模数转换器的参考电压发生电路能够动态改变前级转换级中比较器的参考电位，使之围绕一个中心值随机变化，从而有利于避免由于量化残差被放大并从前级转移到后级的过程会受多种因素干扰产生误差的问题；当子模数转换器所需要的参考电位较多时还可以在原有参考电路的基础上再叠加更多分支的方式提高输出参考电压的驱动能力和参考电压动态翻转的幅度。

附图说明

图1为本实用新型的参考电压发生电路的实施例一的电路原理图。

图2为本实用新型的参考电压发生电路的实施例二的电路原理图。

图3为基于实施例二的参考电压发生电路的模数转换器的MDAC输入输出转换波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。

实施例一：

如图1所示，实施例一提供的用于流水线模数转换器的参考电压发生电路包括第一级参考电压发生器分支1，第一级参考电压发生器分支1包括两个放大器AP1和AN1、电阻串和多个由MOS管构成的电流源；其中，

第一个放大器AP1的负输入端连接基准电压源VRp，正输入端ND连接MOS管MSr的漏端，MOS管MPr和MSr串联构成电流源；MOS管MP0～MPk和MS0～MSk均分别串联构成电流源，MOS管MPr和MP0～MPk的栅端都和第一个放大器AP1的输出端连接，MOS管MSr的栅端连接地线VSS，MOS管MS0～MSk的栅端分别连接数字控制信号DB[0]～DB[k]，MOS管MS0～MSk的漏端都连接到节点NT，节点NT和正输入端ND间串联一个阻值为R的电阻Rp；

第二个放大器AN1的负输入端连接基准电压源VRn，正输入端NE连接MOS管MTr的漏端，MOS管MTr和MNr串联构成电流源；MOS管MN0～MNk和MT0～MTk均分别串联构成电流源，MOS管MNr和MN0～MNk的栅端都和第二个放大器AN1的输出端连接，MOS管MTr的栅端连接电源VDD，MOS管MT0～MTk的栅端分别连接数字控制信号D[0]～D[k]，D[0]～D[k]分别是DB[0]～DB[k]的反相信号，MOS管MT0～MTk的漏端都连接到节点NB，节点NB和正输入端NE间串联一个阻值为R的电阻Rn；

如果所述流水线模数转换器的子模数转换器的位数为n，那么总共需要2ⁿ个比较器输入参考电位。因此，连接于节点NT和NB之间的所述电阻串由2ⁿ-1个阻值为R的电阻串联形成，节点NT和NB以及节点NT和NB之间所有电阻的连接点输出参考电压，共2ⁿ个输出，其中n为所述流水线模数转换器的子模数转换器的位数。

由于放大器的负反馈作用，节点ND的电位VND等于VRp，节点NE的电位VNE等于VRn。如果MPr和MSr构成的电流源支路电流是IR，流经MS0～MSk的支路电流分别为IP0～IPk，且所有这些支路电流都等于IP，并且有 $\mathrm{IP}=\frac{2\·\mathrm{IR}}{k+1}.$

同样假设MNr和MTr构成的电流源支路电流是IN，流经MT0～MTk的支路电流分别为IT0～ITk，且所有支路电流都等于IT，并且有 $\mathrm{IT}=\frac{2\·\mathrm{IN}}{k+1}.$

假设控制信号D[0]～D[k]中一半为高一半为低，那么：

VNT＝VRp-IR·R

VNB＝VRn+IR·R

IR＝IN

IT＝IP

此时，NT和NB间的任意阻值为R的电阻上的压降 $\mathrm{\ΔV}=2\·\mathrm{IR}\·R=\frac{\mathrm{VRp}-\mathrm{VRn}}{2^n}.$

在NT和NB间的电阻串的中间位置的电压，即VNT和VNB的中间电位将不会随着数字控制信号D[0]～D[k]的值变化而变化。该电位始终位于

以该点的电位为参考点，假设在NT和NB间的电阻串抽头中任意选择一个节点x，节点x与NT间串联的电阻R的个数是m，那么该节点的电位V_x等于

$V_x=\frac{\mathrm{VRp}+\mathrm{VRn}}{2}+(2^{n-1}-\frac{1}{2}-m)\·(1+D\·\frac{2}{k+1})\·R\·\mathrm{IR},$

其中D取决于控制信号D[0]～D[k]的值，如果D[0:k]从全部是低电平逐步变化到全部是高电平，那么D的数值相应得从0增加到k+1。

因此V_x点的中心电位是当时

$V_x=\frac{\mathrm{VRp}+\mathrm{VRn}}{2}+(2^n-2m-1)\·\mathrm{IR}\·R$

当数值D围绕

变化，V_x也围绕上述中心电位正负波动。

其波动范围是 $\±(2^{n-1}-\frac{1}{2}-m)\·D\·\frac{2}{k+1}\·\mathrm{IR}\·R.$

从这个式子可以看出，参考电压的波动范围和m成反比，当m变大时，参考电压的波动范围变小。m最大等于2^n-1-1，对应图1中电阻串的中心位置附近，波动范围为m最小等于0，对应NT或NB点，波动范围为 $\±(2^{n-1}-\frac{1}{2})\·D\·\frac{2}{k+1}\·\mathrm{IR}\·R.$

实施例二：

如图2和图3所示，实施例二提供的用于流水线模数转换器的参考电压发生电路包括第一级参考电压发生器分支1和连接在其后面的第二级参考电压发生器分支2；

第一级参考电压发生器分支1包括两个放大器AP1和AN1、电阻串和多个由MOS管构成的电流源；第二级参考电压发生器分支2包括两个放大器AP2和AN2、电阻串和多个由MOS管构成的电流源；第二级参考电压发生器分支2的电流源的结构与第一级参考电压发生器分支1的电流源的结构相同；

第一级参考电压发生器分支1的第一个放大器AP1的负输入端连接基准电压源VRp，正输入端ND连接MOS管MSr的漏端，MOS管MPr和MSr串联构成电流源；MOS管MP0～MPk和MS0～MSk均分别串联构成电流源，MOS管MPr和MP0～MPk的栅端都和第一个放大器AP1的输出端连接，MOS管MSr的栅端连接地线VSS，MOS管MS0～MSk的栅端分别连接数字控制信号DB[0]～DB[k]，MOS管MS0～MSk的漏端都连接到节点NT，节点NT和正输入端ND间串联一个阻值为R的电阻Rp；

第一级参考电压发生器分支1的第二个放大器AN1的负输入端连接基准电压源VRn，正输入端NE连接MOS管MTr的漏端，MOS管MTr和MNr串联构成电流源；MOS管MN0～MNk和MT0～MTk均分别串联构成电流源，MOS管MNr和MN0～MNk的栅端都和第二个放大器AN1的输出端连接，MOS管MTr的栅端连接电源VDD，MOS管MT0～MTk的栅端分别连接数字控制信号D[0]～D[k]，D[0]～D[k]分别是DB[0]～DB[k]的反相信号，MOS管MT0～MTk的漏端都连接到节点NB，节点NB和正输入端NE间串联一个阻值为R的电阻Rn；

与实施例一中的第一级参考电压发生器分支1不同，实施例二中的第一级参考电压发生器分支1的电阻串是将实施例一中的第一级参考电压发生器分支1的电阻串的任意两个电阻分别拆分成一对阻值为R/2的串联电阻，第一对阻值为R/2的串联电阻的中间连接抽头Np连接第二级参考电压发生器分支2的第一个放大器AP2的负输入端，第二对阻值为R/2的串联电阻的中间连接抽头Nn连接第二级参考电压发生器分支2的第二个放大器AN2的负输入端；第二级参考电压发生器分支2的电阻串中电阻的阻值均为RI，电阻个数等于所述中间连接抽头Np和Nn间阻值为R的电阻的个数，所述中间连接抽头Np和Nn间阻值为R的电阻分压输出的参考电压替换为第二级参考电压发生器分支2输出的参考电压，即节点UP和UN间的串联电阻产生的连接抽头；第二级参考电压发生器分支2的电阻串中电阻的阻值RI与第一级参考电压发生器分支1的电阻串中电阻的阻值R可以相等或不等；第二级参考电压发生器分支2的电流源的个数与第一级参考电压发生器分支1的电流源的个数相等或不等，即C[0]～C[j]和CB[0]～CB[j]中j的大小与DB[0]～DB[k]和D[0]～D[k]中k的大小可以相同，也可以不同，CB[0:j]分别是C[0:j]的反相信号。

实施例一提供的用于流水线模数转换器的参考电压发生电路虽然能够动态改变前级转换级中比较器的参考电位，但是电阻串的中间位置附近的参考电压波动范围与NT或NB点的参考电压波动范围相差较大，两者相差2ⁿ-1倍。为了避免这种情况的发生，增加波动范围，提高小信号情况下对模数转换器线性度的改善程度，在实施例一提供的用于流水线模数转换器的参考电压发生电路的基础上又增加了一个第二级参考电压发生器分支2。

由于放大器的负反馈作用，节点UD的电位VUD等于VNp，节点UE的电位VUE等于VNn。假设增加的第二级参考电压发生器分支2的输入端Np点正好位于实施例一中的x点上方，节点x与NT间串联的电阻R的个数是m，那么按照与实施例一类似的推导过程，原来在x点的输出被第二级参考电压发生器分支2的UP点的输出取代，UP点输出的参考电压的波动范围对应 $\±(2^{n-1}-\frac{3}{2})\·C\·\frac{2}{j+1}\·\mathrm{IR}\·\mathrm{RI}.$

如果C值和D值相同，并且j＝k，R＝RI，那么该参考电压处的波动范围扩大的部分等于 $\±(m-1)\·C\·\frac{2}{j+1}\·\mathrm{IR}\·R.$

可以看出，增加参考电路分支不但能增加波动范围，而且能提高驱动能力；当抽头越靠近NT和NB的中间，由于输出阻抗增加，驱动能力降低；如果比较器是开关采样电路，有限驱动能力容易导致建立误差；但是增加额外的一级分支，将原来的输出由新的分支的输出节点代替，可以让输出节点的输出阻抗下降，驱动能力增强。

除了实施例一和二提供的用于流水线模数转换器的参考电压发生电路外，第二级参考电压发生器分支2后还连接有一个或多个参考电压发生器分支，各级参考电压发生器分支的电路结构也和前级支路相类似，区别仅在于包含的电阻串数目和数值，以及数字控制信号的位数；后级参考电压发生器分支与前级参考电压发生器分支的连接方式跟所述第二级参考电压发生器分支与所述第一级参考电压发生器分支的连接方式相同。

综上所述，本实用新型提供的用于流水线模数转换器的参考电压发生电路能够产生子模数转换器所需要的参考电压，同时可以通过改变输入数字信号码值使得参考电压发生动态翻转；当子模数转换器所需要的参考电位较多时还可以在原有参考电路的基础上再叠加更多分支的方式提高输出参考电压的驱动能力和参考电压动态翻转的幅度。

以上实施例仅为本实用新型的示例性实施例，不用于限制本实用新型，本实用新型的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本实用新型的实质和保护范围内，对本实用新型做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于流水线模数转换器的参考电压发生电路，其特征在于，包括第一级参考电压发生器分支，所述第一级参考电压发生器分支包括两个放大器、电阻串和多个由MOS管构成的电流源；其中，

第一个放大器AP1的负输入端连接基准电压源VRp，正输入端ND连接MOS管MSr的漏端，MOS管MPr和MSr串联构成电流源；MOS管MP0～MPk和MS0～MSk均分别串联构成电流源，MOS管MPr和MP0～MPk的栅端都和第一个放大器AP1的输出端连接，MOS管MSr的栅端连接地线VSS，MOS管MS0～MSk的栅端分别连接数字控制信号DB[0]～DB[k]，MOS管MS0～MSk的漏端都连接到节点NT，节点NT和正输入端ND间串联一个阻值为R的电阻Rp；

第二个放大器AN1的负输入端连接基准电压源VRn，正输入端NE连接MOS管MTr的漏端，MOS管MTr和MNr串联构成电流源；MOS管MN0～MNk和MT0～MTk均分别串联构成电流源，MOS管MNr和MN0～MNk的栅端都和第二个放大器AN1的输出端连接，MOS管MTr的栅端连接电源VDD，MOS管MT0～MTk的栅端分别连接数字控制信号D[0]～D[k]，D[0]～D[k]分别是DB[0]～DB[k]的反相信号，MOS管MT0～MTk的漏端都连接到节点NB，节点NB和正输入端NE间串联一个阻值为R的电阻Rn；

所述电阻串连接于节点NT和NB之间，由2ⁿ-1个阻值为R的电阻串联形成，节点NT和NB以及节点NT和NB之间所有电阻的连接点输出参考电压，共2ⁿ个输出，其中n为所述流水线模数转换器的子模数转换器的位数。

2.根据权利要求1所述的用于流水线模数转换器的参考电压发生电路，其特征在于，所述第一级参考电压发生器分支后连接有第二级参考电压发生器分支，所述第二级参考电压发生器分支包括两个放大器、电阻串和多个由MOS管构成的电流源，所述第二级参考电压发生器分支的电流源的结构与所述第一级参考电压发生器分支的电流源的结构相同；所述第一级参考电压发生器分支的电阻串的任意两个电阻分别拆分成一对阻值为R/2的串联电阻，第一对阻值为R/2的串联电阻的中间连接抽头Np连接所述第二级参考电压发生器分支的第一个放大器AP2的负输入端，第二对阻值为R/2的串联电阻的中间连接抽头Nn连接所述第二级参考电压发生器分支的第二个放大器AN2的负输入端；所述第二级参考电压发生器分支的电阻串中电阻的阻值均为RI，电阻个数等于所述中间连接抽头Np和Nn间阻值为R的电阻的个数，所述中间连接抽头Np和Nn间阻值为R的电阻分压输出的参考电压替换为所述第二级参考电压发生器分支输出的参考电压。

3.根据权利要求2所述的用于流水线模数转换器的参考电压发生电路，其特征在于，所述第二级参考电压发生器分支后还连接有一个或多个参考电压发生器分支，后级参考电压发生器分支与前级参考电压发生器分支的连接方式跟所述第二级参考电压发生器分支与所述第一级参考电压发生器分支的连接方式相同。

4.根据权利要求2所述的用于流水线模数转换器的参考电压发生电路，其特征在于，所述第二级参考电压发生器分支的电阻串中电阻的阻值RI与所述第一级参考电压发生器分支的电阻串中电阻的阻值R相等或不等。

5.根据权利要求2所述的用于流水线模数转换器的参考电压发生电路，其特征在于，所述第二级参考电压发生器分支的电流源的个数与所述第一级参考电压发生器分支的电流源的个数相等或不等。

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