[发明专利]流水线模数转换器

说明书

技术领域

本发明属于模数转换技术领域，涉及一种模数转换器，尤其涉及一种采用电荷复用技术的流水线模数转换器。

背景技术

流水线模数转换器(Pipelined Analog-to-Digital Converters)是一种常用的模数转换器架构，尤其适用于高速率和高分辨率的模数转换器。当模数转换器的采样率要求超过每秒几十兆个采样点，分辨率要求超过12比特时，其他常用的架构如快闪式模数转换器(Flash ADC)、逐次逼近式模数转换器(SAR ADC)、Sigma-Delta模数转换器等都不适用。只有流水线式模数转换器是最佳的选择，因为它由许多低分辨率的子模数转换器级联组成，每一级只需要产生几个比特，每一级都是高速地并行运行，所以既可以达到高速率，又可以达到高分辨率。

图1显示了一种典型的每级产生1.5比特，总共13比特的流水线模数转换器的系统框图及每一级的内部结构。每一个1.5比特级由一个子模数转换器(Sub-ADC)、一个子数模转换器(Sub-DAC)和一个余量放大器(Residue Amplifier)组成。子模数转换器将输入信号量化为1.5比特的数字信号(对应3个电平)，其中的0.5比特是为了防止失配电压(Offset Voltage，可能来自运放或其他器件)造成动态范围溢出而设置的冗余。子数模转换器将这个数字信号再转换成模拟信号后，与输入信号做差得到的余量既是1.5比特的量化噪声。该余量放大两倍后送到下一级做进一步的量化。如此反复，每一级得到1比特的实际精度提升，9级总共9比特，加上最后一级4比特的快闪式数模转换器，最终得到13位的量化精度。

流失线模数转换器的缺点主要是结构比较复杂、面积较大和功耗较高。尤其是较高的功耗限制了其在许多应用中的推广，如需要电池供电的移动设备。本发明提出了一种利用电荷复用技术降低功耗和减少面积的方案。以下章节将以1.5比特的流水线级为例具体描述其工作原理和实现方法。此方法可以被很容易地推广到高比特的流水线级，如2.5比特等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种流水线模数转换器，可降低流水线模数转换器功耗和面积。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种流水线模数转换器，所述流水线模数转换器包括：第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、运算放大器、第一比较器、第二比较器、第一触发器、第二触发器、参考电压选择模块、若干开关；

所述第一电容C1的第一端通过第一开关连接输入电压Vin，第一电容C1的第一端通过第二开关连接输出电压Vout、运算放大器的输出端；第一电容C1的第二端连接运算放大器的负极、第二电容C2的第二端；运算放大器的正极接地；

所述第二电容C2的第一端通过第四开关连接输入电压Vin；

所述第三电容C3的第一端通过第七开关连接输入电压Vin，第三电容C3的第二端连接第一比较器的第一输入端，第一比较器的第二输入端接地，第一比较器的输出端连接第一触发器；

所述第四电容C4的第一端通过第十开关连接输入电压Vin，第四电容C4的第二端连接第二比较器的第一输入端，第二比较器的第二输入端接地，第二比较器的输出端连接第二触发器。

作为本发明的一种优选方案，所述第一触发器的输出端连接参考电压选择模块，第二触发器的输出端连接参考电压选择模块；参考电压选择模块输出电压Vdac；第二电容C2的第一端通过第五开关连接电压Vdac。

作为本发明的一种优选方案，所述第三电容C3的第一端通过第八开关连接电压Vr1，第四电容C4的第一端通过第十一开关连接电压Vr2；其中，Vr1为第二电容C2的参考电压，Vr2为第三电容C3的参考电压。

作为本发明的一种优选方案，所述第一电容C1的第二端通过第三开关接地，第二电容C2的第二端通过第六开关接地，第三电容C3的第二端通过第九开关接地，第四电容C4的第二端通过第十二开关接地。

作为本发明的一种优选方案，所述第一触发器、第二触发器均为D触发器。

一种流水线模数转换器，所述流水线模数转换器包括：第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、运算放大器、第一比较器、第二比较器、第一触发器、第二触发器、参考电压选择模块、若干开关；