本發(fā)明屬于模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器，尤其涉及一種采用電荷復(fù)用技術(shù)的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

背景技術(shù)：

流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器(pipelinedanalog-to-digitalconverters)是一種常用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，尤其適用于高速率和高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣率要求超過每秒幾十兆個采樣點，分辨率要求超過12比特時，其他常用的架構(gòu)如快閃式模數(shù)轉(zhuǎn)換器(flashadc)、逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器(saradc)、sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器等都不適用。只有流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換器是最佳的選擇，因為它由許多低分辨率的子模數(shù)轉(zhuǎn)換器級聯(lián)組成，每一級只需要產(chǎn)生幾個比特，每一級都是高速地并行運行，所以既可以達到高速率，又可以達到高分辨率。

圖1顯示了一種典型的每級產(chǎn)生1.5比特，總共13比特的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)框圖及每一級的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。每一個1.5比特級由一個子模數(shù)轉(zhuǎn)換器(sub-adc)、一個子數(shù)模轉(zhuǎn)換器(sub-dac)和一個余量放大器(residueamplifier)組成。子模數(shù)轉(zhuǎn)換器將輸入信號量化為1.5比特的數(shù)字信號(對應(yīng)3個電平)，其中的0.5比特是為了防止失配電壓(offsetvoltage，可能來自運放或其他器件)造成動態(tài)范圍溢出而設(shè)置的冗余。子數(shù)模轉(zhuǎn)換器將這個數(shù)字信號再轉(zhuǎn)換成模擬信號后，與輸入信號做差得到的余量既是1.5比特的量化噪聲。該余量放大兩倍后送到下一級做進一步的量化。如此反復(fù)，每一級得到1比特的實際精度提升，9級總共9比特，加上最后一級4比特的快閃式數(shù)模轉(zhuǎn)換器，最終得到13位的量化精度。

流失線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的缺點主要是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、面積較大和功耗較高。尤其是較高的功耗限制了其在許多應(yīng)用中的推廣，如需要電池供電的移動設(shè)備。本發(fā)明提出了一種利用電荷復(fù)用技術(shù)降低功耗和減少面積的方案。以下章節(jié)將以1.5比特的流水線級為例具體描述其工作原理和實現(xiàn)方法。此方法可以被很容易地推廣到高比特的流水線級，如2.5比特等。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可降低流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器功耗和面積。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括：第一電容c1、第二電容c2、第三電容c3、第四電容c4、運算放大器、第一比較器、第二比較器、第一觸發(fā)器、第二觸發(fā)器、參考電壓選擇模塊、若干開關(guān)；

所述第一電容c1的第一端通過第一開關(guān)連接輸入電壓vin，第一電容c1的第一端通過第二開關(guān)連接輸出電壓vout、運算放大器的輸出端；第一電容c1的第二端連接運算放大器的負極、第二電容c2的第二端；運算放大器的正極接地；

所述第二電容c2的第一端通過第四開關(guān)連接輸入電壓vin；

所述第三電容c3的第一端通過第七開關(guān)連接輸入電壓vin，第三電容c3的第二端連接第一比較器的第一輸入端，第一比較器的第二輸入端接地，第一比較器的輸出端連接第一觸發(fā)器；

所述第四電容c4的第一端通過第十開關(guān)連接輸入電壓vin，第四電容c4的第二端連接第二比較器的第一輸入端，第二比較器的第二輸入端接地，第二比較器的輸出端連接第二觸發(fā)器。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述第一觸發(fā)器的輸出端連接參考電壓選擇模塊，第二觸發(fā)器的輸出端連接參考電壓選擇模塊；參考電壓選擇模塊輸出電壓vdac；第二電容c2的第一端通過第五開關(guān)連接電壓vdac。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述第三電容c3的第一端通過第八開關(guān)連接電壓vr1，第四電容c4的第一端通過第十一開關(guān)連接電壓vr2；其中，vr1為第二電容c2的參考電壓，vr2為第三電容c3的參考電壓。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述第一電容c1的第二端通過第三開關(guān)接地，第二電容c2的第二端通過第六開關(guān)接地，第三電容c3的第二端通過第九開關(guān)接地，第四電容c4的第二端通過第十二開關(guān)接地。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述第一觸發(fā)器、第二觸發(fā)器均為d觸發(fā)器。

一種流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括：第一電容c1、第二電容c2、第三電容c3、運算放大器、第一比較器、第二比較器、第一觸發(fā)器、第二觸發(fā)器、參考電壓選擇模塊、若干開關(guān)；

所述第一電容c1的第一端通過第一開關(guān)連接輸入電壓vin，第一電容c1的第一端通過第二開關(guān)連接輸出電壓vout、運算放大器的輸出端；第一電容c1的第二端連接運算放大器的負極，第一電容c1的第二端通過第四開關(guān)連接第二電容c2的第二端，第一電容c1的第二端通過第五開關(guān)連接第二電容c3的第二端；運算放大器的正極接地；

所述第二電容c2的第一端通過第六開關(guān)連接輸入電壓vin，第二電容c2的第二端通過第八開關(guān)連接第一比較器的第一輸入端，第一比較器的第二輸入端接地，第一比較器的輸出端連接第一觸發(fā)器；

所述第三電容c3的第一端通過第九開關(guān)連接輸入電壓vin，第三電容c3的第二端通過第十一開關(guān)連接第二比較器的第一輸入端，第二比較器的第二輸入端接地，第二比較器的輸出端連接第二觸發(fā)器。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述第一觸發(fā)器的輸出連接參考電壓選擇模塊，第二觸發(fā)器的輸出端連接參考電壓選擇模塊；參考電壓選擇模塊輸出電壓vdac；第二電容c2的第一端通過第十二開關(guān)連接電壓vdac，第三電容c3的第一端通過第十四開關(guān)連接電壓vdac。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述第二電容c2的第一端通過第十三開關(guān)連接電壓vr1，第三電容c3的第一端通過第十五開關(guān)連接電壓vr2；其中，vr1為第二電容c2的參考電壓，vr2為第三電容c3的參考電壓。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述第一電容c1的第二端通過第三開關(guān)接地，第二電容c2的第二端通過第七開關(guān)接地，第三電容c3的第二端通過第十開關(guān)接地。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述第一觸發(fā)器、第二觸發(fā)器均為d觸發(fā)器。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提出的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以有效降低流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器功耗和面積。本發(fā)明利用電荷復(fù)用技術(shù)，將每一級的子模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的采樣電容在比較相位結(jié)束后復(fù)用到余量放大電路中，達到了降低電容充放電能量的目的，同時減少了采樣電容的總面積。

附圖說明

圖1為一種典型的流水線數(shù)模轉(zhuǎn)化器的系統(tǒng)框圖。

圖2為基于開關(guān)電容電路的1.5比特流水線級實現(xiàn)方案。

圖3為與圖2中電路對應(yīng)的時鐘信號示意圖。

圖4為采用了電荷復(fù)用技術(shù)的電路。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。

實施例一

請參閱圖4，本發(fā)明揭示一種流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括：第一電容c1、第二電容c2、第三電容c3、第四電容c4、運算放大器、第一比較器、第二比較器、第一觸發(fā)器、第二觸發(fā)器、參考電壓選擇模塊、若干開關(guān)。所述第一觸發(fā)器、第二觸發(fā)器可以均為d觸發(fā)器。參考電壓選擇模塊是由參考電壓發(fā)生器和一些開關(guān)組成的模塊。它的功能是根據(jù)b0、b1的值選擇將vdac連接到不同的參考電壓上，實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換功能。

所述第一電容c1的第一端通過第一開關(guān)連接輸入電壓vin，第一電容c1的第一端通過第二開關(guān)連接輸出電壓vout、運算放大器的輸出端；第一電容c1的第二端連接運算放大器的負極、第二電容c2的第二端；運算放大器的正極接地。所述第二電容c2的第一端通過第四開關(guān)連接輸入電壓vin。

所述第三電容c3的第一端通過第七開關(guān)連接輸入電壓vin，第三電容c3的第二端連接第一比較器的第一輸入端，第一比較器的第二輸入端接地，第一比較器的輸出端連接第一觸發(fā)器。

所述第四電容c4的第一端通過第十開關(guān)連接輸入電壓vin，第四電容c4的第二端連接第二比較器的第一輸入端，第二比較器的第二輸入端接地，第二比較器的輸出端連接第二觸發(fā)器。

所述第一觸發(fā)器的輸出端連接參考電壓選擇模塊，第二觸發(fā)器的輸出端連接參考電壓選擇模塊；參考電壓選擇模塊輸出電壓vdac；第二電容c2的第一端通過第五開關(guān)連接電壓vdac。

所述第三電容c3的第一端通過第八開關(guān)連接電壓vr1，第四電容c4的第一端通過第十一開關(guān)連接電壓vr2；其中，vr1為第二電容c2的參考電壓，vr2為第三電容c3的參考電壓。

所述第一電容c1的第二端通過第三開關(guān)接地，第二電容c2的第二端通過第六開關(guān)接地，第三電容c3的第二端通過第九開關(guān)接地，第四電容c4的第二端通過第十二開關(guān)接地。

本發(fā)明的核心思想是將用作子模數(shù)轉(zhuǎn)換器的c3、c4上存儲的電荷在比較周期p2c結(jié)束后復(fù)用到放大周期p3，這樣采樣電容c2就可以被去掉，即降低了功耗，又減小了電路的面積。改進后的電路如圖4所示。首先，在采樣周期中c3和c4上存儲的電壓與c1和c2上一樣的。其次，由于在比較相位中，c3和c4上存儲的電荷(除少量用于給比較器的輸入寄生電容充電外)并沒有被消耗掉，所以可以在放大相位中復(fù)用。此處需要增加的器件只有c3和c4連接到運放和比較器的4個開關(guān)，減少的器件有c2和其連接的兩個采樣開關(guān)。時鐘信號也不需要改變。在這個設(shè)計中，電荷復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用可以減少33％的電容面積和節(jié)省33％的電容充放電功耗。

實施例二

請參閱圖2，本發(fā)明揭示了一種流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括：第一電容c1、第二電容c2、第三電容c3、運算放大器、第一比較器、第二比較器、第一觸發(fā)器、第二觸發(fā)器、參考電壓選擇模塊、若干開關(guān)。所述第一觸發(fā)器、第二觸發(fā)器可以均為d觸發(fā)器。

所述第一電容c1的第一端通過第一開關(guān)連接輸入電壓vin，第一電容c1的第一端通過第二開關(guān)連接輸出電壓vout、運算放大器的輸出端；第一電容c1的第二端連接運算放大器的負極，第一電容c1的第二端通過第四開關(guān)連接第二電容c2的第二端，第一電容c1的第二端通過第五開關(guān)連接第二電容c3的第二端；運算放大器的正極接地。

所述第二電容c2的第一端通過第六開關(guān)連接輸入電壓vin，第二電容c2的第二端通過第八開關(guān)連接第一比較器的第一輸入端，第一比較器的第二輸入端接地，第一比較器的輸出端連接第一觸發(fā)器。

所述第三電容c3的第一端通過第九開關(guān)連接輸入電壓vin，第三電容c3的第二端通過第十一開關(guān)連接第二比較器的第一輸入端，第二比較器的第二輸入端接地，第二比較器的輸出端連接第二觸發(fā)器。

所述第一觸發(fā)器的輸出連接參考電壓選擇模塊，第二觸發(fā)器的輸出端連接參考電壓選擇模塊；參考電壓選擇模塊輸出電壓vdac；第二電容c2的第一端通過第十二開關(guān)連接電壓vdac，第三電容c3的第一端通過第十四開關(guān)連接電壓vdac。參考電壓選擇模塊是由參考電壓發(fā)生器和一些開關(guān)組成的模塊。它的功能是根據(jù)b0、b1的值選擇將vdac連接到不同的參考電壓上，實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換功能。

所述第二電容c2的第一端通過第十三開關(guān)連接電壓vr1，第三電容c3的第一端通過第十五開關(guān)連接電壓vr2；其中，vr1為第二電容c2的參考電壓，vr2為第三電容c3的參考電壓。

所述第一電容c1的第二端通過第三開關(guān)接地，第二電容c2的第二端通過第七開關(guān)接地，第三電容c3的第二端通過第十開關(guān)接地。

圖2顯示了一種采用開關(guān)電容電路實現(xiàn)的1.5比特流水線級的設(shè)計方案，圖3是與之對應(yīng)的時鐘信號示意圖。其中c1、c2和運算放大器組成了子數(shù)模轉(zhuǎn)換器和余量放大器的核心，c3、c4、兩個比較器和d-觸發(fā)器組成了子模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在每一個時鐘周期內(nèi)，p1相位為采樣相位，所有的電容都連接到輸入vin完成采樣；p2c相位為比較相位，c3和c4連接到比較器輸入和各自的參考電壓vr1和vr2，比較完成后得到兩位數(shù)字輸出b0和b1；p2相位為放大相位，c1和c2連接到運放，其中c1為反饋電容，用于存儲放大后的余量電壓；c2的一端連接到vdac，實現(xiàn)輸入信號與量化后的模擬信號之間的減法運算；其中vdac既代表量化后的模擬信號，由b0、b1通過參考信號選擇電路得到。這個電路中功耗最大的部件是運放和采樣電容c1、c2、c3、c4。為了降低kt/c噪聲和提高匹配精度，一般電容值c會選取得盡量大些。但是對電容充放電所需要的能量是與電容值成正比的。也就是說要降低噪聲和提高精度就需要在電容上消耗更多的能量。

綜上所述，本發(fā)明提出的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以有效降低流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器功耗和面積。本發(fā)明利用電荷復(fù)用技術(shù)，將每一級的子模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的采樣電容在比較相位結(jié)束后復(fù)用到余量放大電路中，達到了降低電容充放電能量的目的，同時減少了采樣電容的總面積。

這里本發(fā)明的描述和應(yīng)用是說明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實施例中。這里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，在不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以以其它形式、結(jié)構(gòu)、布置、比例，以及用其它組件、材料和部件來實現(xiàn)。在不脫離本發(fā)明范圍和精神的情況下，可以對這里所披露的實施例進行其它變形和改變。