[发明专利]一种降低流水线中运算放大器功耗的系统及方法

权利要求书

1.一种降低流水线模数转换器中运算放大器功耗的系统，其特征在于包括：电流源管M1…Mn；两组开关单元Kb1….Kbn和K1….Kn；两个时钟信号CK1和CK2，其中CK1为保持相时钟，CK2为采样相时钟；产生偏置电压Vb1….Vbn和偏置电压V1….Vn的偏置电压供给模块VBIAS；运算放大器的主体电路OPAbody；电流源管M1…Mn，包括并联的恒流源尾管Ma1…Man和动态源管Mb1…Mbn，电流源管M1…Mn的源端直接接电源或接地；

偏置电压V1….Vn直接接入恒流源尾管Ma1…Man的栅端，形成固定偏置；同时，偏置电压V1….Vn经保持相开关K1….Kn一端连接至动态源尾管Mb1…Mbn的栅端，形成固定偏置；偏置电压Vb1…Vbn经采样相开关Kb1….Kbn一端连接至动态源尾管Mb1…Mbn的栅端，形成动态偏置；开关单元Kb1….Kbn受采样相时钟CK2控制，开关单元K1….Kn受保持时钟CK1控制；恒流源尾管Ma1…Man的漏端和动态源尾管Mb1…Mbn的漏端直接接运算放大器的主体电路OPAbody；

将偏置电压V1…Vn设置在使得恒流源尾管Ma1…Man的漏端和动态源尾管Mb1…Mbn的静态电流最大，即尾管处于饱和区时的电压；偏置电压Vb1…Vbn电压与动态源管Mb1…Mbn的源端电压差值与动态源管Mb1…Mbn的阈值电压相差0～100mV，此时动态源管Mb1…Mbn工作在亚阈值区，反型层较弱，动态源管Mb1…Mbn存在部分漏电流，该漏电流可帮助运算放大器在进入保持相时快速地建立输出信号，同时缩减功耗开销。

2.根据权利要求1所述的一种降低流水线模数转换器中运算放大器功耗的系统，其特征在于：所述的时钟信号CK1和CK2为两个相位不交叠的时钟信号。

3.一种降低流水线模数转换器中运算放大器功耗的方法，其步骤如下：

(1)根据运算放大器整体电路功耗要求，确定功耗缩减比例；

(2)根据功耗缩减比例，分配所有可控电流源管M1…Mn的比例和个数，使得恒流源尾管Ma1…Man和动态源尾管Mb1…Mbn的并联个数之和等于电流源管M1…Mn的并联个数，其中动态源尾管Mb1…Mbn用于调节运算放大器在采样相CK2工作时的电流；

(3)保持运算放大器的主体部分OPAbody不动；

(4)根据动态源尾管Mb1…Mbn的实际宽长，设计偏置电压供给模块VBIAS，使其在保持相时钟CK1输出偏置电压V1……Vn，该偏置电压使得恒流源尾管Ma1…Man的漏端和动态源尾管Mb1…Mbn的静态电流最大，即尾管均处于饱和区；在采样相时钟CK2输出偏置电压Vb1…Vbn：偏置电压Vb1…Vbn电压与动态源管Mb1…Mbn的源端电压差值与动态源管Mb1…Mbn的阈值电压相差0～100mV，此时动态源管Mb1…Mbn工作在亚阈值区，反型层较弱，动态源管Mb1…Mbn存在部分漏电流，该漏电流可帮助运算放大器在进入保持相时快速地建立输出信号，同时缩减功耗开销；

(5)电压V1….Vn直接接入恒流源尾管Ma1…Man的栅端，形成固定偏置；同时，偏置电压V1….Vn经保持相开关K1….Kn一端连接至动态源尾管Mb1…Mbn的栅端，形成固定偏置；偏置电压Vb1…Vbn经采样相开关Kb1….Kbn一端连接至动态源尾管Mb1…Mbn的栅端，形成动态偏置；开关单元Kb1….Kbn受采样相时钟CK2控制，开关单元K1….Kn受保持时钟CK1控制；恒流源尾管a1…Man的漏端和动态源尾管Mb1…Mbn的漏端直接接运算放大器的主体电路OPAbody；

(6)计算保持相和采样相的平均功耗；假设单个电流管饱和态电流为I₀，一个时钟周期T由保持相周期T₁和采样相周期T₂组成，保持相时恒流源管Ma1…Man和动态源尾管Mb1…Mbn全部处于饱和状态，则单个恒流源尾管Ma1和动态源尾管Mb1在保持相周期时的工作电流之和为M₁*I₀，此时采样相运算放大器不参与电荷传递，此时Ma1管产生的饱和电流为M_a1*I₀，Mb1管工作在弱反型区，其电流约为一个单管电流I₀，I₀远小于Mb1管处于饱和状态时的电流M_b1*I₀，此时恒流源尾管Ma1和动态源尾管Mb1在采样相周期时的工作电流之和M_a1*I₀+I₀，单个恒流源尾管Ma1和动态源尾管Mb1的平均功耗之和为,

M₁是这电流源管M1的宽度，是恒流源尾管Ma1和动态源尾管Mb1宽度之和；V_DD为电源电压；

假设n个电流源管M1…Mn的并联个数一致，则总功耗：

整体电路的平均功耗大大减小；

(7)仿真验证整体电路的平均功耗，根据仿真结果反复调整恒流源管Ma1…Man和动态源尾管Mb1…Mbn的比例个数，以满足功耗要求。