[发明专利]采用多级放大器部分复用技术的模数转换器电路

说明书

技术领域

本发明涉及流水线模数转换器电路技术领域，特别是一种低压低功耗的采用多级放大器部分复用技术的模数转换器电路。

背景技术

在过去的二十年里，我国的经济增长率高达9.7％，而能源消耗增长率为4.6％，远低于经济增长的速度。今后几年经济仍将保持快速上升的势头，能源需求也将持续上升。而随着对因能源使用而导致的局部地区乃至全球环境问题认识程度的逐渐加深，中国面临的环境压力也原来越大。

2005年12月30日颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》阐述了我国高新行业和能源行业发展的目标，在今后经济发展和技术进步的同时，要处处体现节能优先的原则。按照中国科学院路甬祥院长提出的，到2040年能源消费必须做到零增长，中国国民经济的发展和人民生活水平的提高则只能走高效利用能源的节能型之路。

深亚微米集成电路工艺和手持移动设备产业的飞速发展带来了全球电子市场的空前繁荣。手持移动设备包括手持通信娱乐以及便携式医疗器械等等，具有相当广阔的市场潜力和发展前景。更强功能、更长工作时间的产品将会在市场中占得先机，因此，高性能低功耗的数字和模拟电路设计正成为目前研究的热点之一。但是，高速高性能模数转换器正成为制约系统性能的瓶颈之一。

作为射频/中频电路与数字电路的接口，模数转换器承担将模拟信号转换成数字信号再进入基带电路进行进一步的处理的任务，其性能优劣直接决定系统的性能高低。因此设计高性能的模数转换器早已成为国内外IC设计公司的主打产品和研究院所的热点课题之一。

在目前一些应用环境和标准中所需的模数转换器分辨率和转换速率要求中，热门的高清电视技术所需的模数转换器需要8至10位、转换速率在50至75MS/sec。

传统的高性能模数转换器一般采用BiCMOS工艺或者更为优良的GaAs工艺，达到高性能的同时带来了芯片成本的急剧上升。而目前无线通信产业的发展急需更低功耗的电路和芯片来达到更好的性能。

随着CMOS工艺器件特征尺寸的递减使电路在更高的工作频率上达到更低的功耗，这使得采用CMOS工艺来实现高性能低功耗的模数转换器成为可能。同时，由于数字电路更适合采用CMOS工艺来实现，这样出于成本、面积、封装、功耗等的考虑，将数字电路和模拟/射频电路集成在同一块芯片中，即所谓的“SOC”已成为将来的趋势之一。

但是CMOS工艺器件特征尺寸的递减使得芯片的工作电源电压越来越低，这样对模拟电路的设计提出了严峻的挑战。根据国际半导体工业协会(Semiconductor Industry Association，SIA)做出的预测，2007年低功耗芯片的电源电压将低至0.8V。目前相当多的经典电路结构将无法工作在该电源电压下，与此同时更多的适用于低电源电压下的电路结构也将不断涌现。

CMOS工艺器件特征尺寸的递减使得电路在更高的工作频率下达到更低的功耗成为可能。但目前的低功耗设计存在着以下几个难点：首先，当电源电压降低到3V甚至更低时，为了维持电路的性能不变，电路的工作电流也必须相应的保持不变(甚至更大)，同时为了抑制热噪声的影响，大的负载电容不可或缺，这使得工作频率的提升十分困难，因此低功耗设计绝不是按比例降低电路工作电压和器件尺寸；其次，目前流行的许多经典的或者通过相关技术加以改进的电路结构都不再适用于低电源电压下。举例如，当电源电压为5V或者3.3V下，采用单管作为开关可以很好的应用在开关电容电路中，而当电源电压降低至1.8V下，可以采用倍压技术来提高开关管的控制电压，减小开关的导通电阻；当电压降至1V时，由于击穿电压和工作寿命的考虑，倍压技术也受到了限制，这样电路的性能受到了很大的影响，单管开关电路也因此被淘汰。这些限制都给低功耗模数转换器的设计带来了相当大的困难。

流水线模数转换器可以在高性能和低功耗中达到一个很好的折衷，适合于中/高速和高精度模数转换器应用场合中。目前高达14位的未经校准的流水线模数转换器已有报道，而采用时间交错方式的流水线模数转换器达到了11位1Gs/s的转换速度。在模数转换器中，由MDAC产生的余数精度主要依赖于运算放大器的建立精度以及MDAC的电容匹配精度，而运算放大器的功耗则决定了模数转换器的整体功耗，尤其是对于高分辨率和高线性度的流水线模数转换器而言，运算放大器的功耗成为了主宰。

目前已有很多文献涉及到相关技术来减小流水线模数转换器的功耗。降低电源电压可以直接降低电路功耗，但随之而来的是信号摆幅的降低，为了抑制热噪声，采样电容也必须随之增大，从而必须增大电路电流来保持相同的性能。