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申请/专利权人：北京时代民芯科技有限公司;北京微电子技术研究所

摘要：一种应用于MDAC中校准共模电压的电路，包括开关电容MDAC和共模参考信号产生电路，共模参考信号产生电路能够校准开关电容MDAC在采样相Φ1和保持相Φ2转换时，余量放大器差分输入端共模电压的变化。本发明在MDAC结构基础上，增加一个共模参考信号产生电路，根据开关电容MDAC中余量放大器AMP所需要的输入共模电压产生合适的共模参考信号提供给MDAC，以达到校准功能，无需改变已有的MDAC结构，从而提高了整个MDAC和模数转换器的性能。

主权项：1.一种应用于MDAC中校准共模电压的电路，其特征在于：包括开关电容MDAC100和共模参考信号产生电路200，共模参考信号产生电路200能够校准开关电容MDAC100在采样相Φ1和保持相Φ2转换时，余量放大器差分输入端共模电压的变化；所述共模参考信号产生电路200包括采样电容CGP和CGN、反馈电容CF_G、运放AMP_G；采样电容CGP的一端分别与开关SG1和开关SG3的一端连接，开关SG3另一端连接参考电压VREF0，开关SG1的另一端连接输入信号VP；采样电容CGN的一端分别与开关SG2和开关SG4的一端连接，开关SG4另一端连接参考电压VREF1，开关SG2的另一端连接输入信号VM；采样电容CGP的另一端和CGN的另一端连接后，同时连接开关SG5的一端和开关S6的一端，开关SG5的另一端连接运放AMP_G的负输入端，运放AMP_G的正输入端连接开关电容MDAC100中余量放大器AMP所需要的输入共模电平，反馈电容CF_G连接在运放AMP_G的负输入端和输出端之间，开关S6的另一端与运放AMP_G的输出端连接；运放AMP_G的输出端通过开关S7连接在开关SWC的一端，通过开关S8连接在开关SWC的另一端，所述开关SWC为开关电容MDAC100中的开关，用于连接开关电容MDAC100中的采样电容CSP和CSN。

全文数据：一种应用于MDAC中校准共模电压的电路技术领域本发明涉及一种流水线模数转换器的MDAC设计，特别是涉及一种具有校准共模电压功能的MDAC电路，属于模数转换器领域。背景技术在流水线模数转换器设计中，通常MDAC既进行输入信号的采样，又进行输入信号与参考信号的减法运算，若两种操作使用同一个电容，虽然有利于减小噪声、非线性和面积等，但是采样阶段和保持阶段的共模信号不同，两种状态切换时导致电路中存在共模信号电压变化的情况，尤其是MDAC中余量放大器对输入共模范围要求较为严格的情况，共模信号的变化可能超出运放输入共模范围，导致运放性能下降，从而影响整个MDAC和模数转换器电路的性能。近年来MDAC的设计主要集中在MDAC结构的设计和改进，但是没有考虑到共模信号电压变化带来的问题。发明内容本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种应用于MDAC中校准共模电压的电路，用于提高整个MDAC和模数转换器的性能。本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：一种应用于MDAC中校准共模电压的电路，包括开关电容MDAC和共模参考信号产生电路，共模参考信号产生电路能够校准开关电容MDAC在采样相Φ1和保持相Φ2转换时，余量放大器差分输入端共模电压的变化。所述共模参考信号产生电路包括采样电容CGP和CGN、反馈电容CF_G、运放AMP_G；采样电容CGP的一端分别与开关SG1和开关SG3的一端连接，开关SG3另一端连接参考电压VREF0，开关SG1的另一端连接输入信号VP；采样电容CGN的一端分别与开关SG2和开关SG4的一端连接，开关SG4另一端连接参考电压VREF1，开关SG2的另一端连接输入信号VM；采样电容CGP的另一端和CGN的另一端连接后，同时连接开关SG5的一端和开关S6的一端，开关SG5的另一端连接运放AMP_G的负输入端，运放AMP_G的正输入端连接开关电容MDAC中余量放大器AMP所需要的输入共模电平，反馈电容CF_G连接在运放AMP_G的负输入端和输出端之间，开关S6的另一端与运放AMP_G的输出端连接；运放AMP_G的输出端通过开关S7连接在开关SWC的一端，通过开关S8连接在开关SWC的另一端，所述开关SWC为开关电容MDAC中的开关，用于连接开关电容MDAC中的采样电容CSP和CSN。开关SG1、SG2、S6、S7、S8在采样阶段Φ1导通，在保持阶段Φ2关断；开关SG3、SG4、SG5在采样阶段Φ1关断，在保持阶段Φ2导通。所述开关电容MDAC包括采样电容CSP和CSN、反馈电容CF1和CF2、余量放大器AMP；采样电容CSP的一端同时与开关SW3_D0、开关SW3_D1、开关SW1的一端连接，开关SW3_D0的另一端连接参考电压VREF0，开关SW3_D1的另一端连接参考电压VREF1，开关SW1的另一端连接输入信号VP；采样电容CSN的一端同时与开关SW4_D0、开关SW4_D1、开关SW2的一端连接，开关SW4_D0的另一端连接参考电压VREF1，开关SW4_D1的另一端连接参考电压VREF0，开关SW2的另一端连接输入信号VM；采样电容CSP和CSN的另一端通过开关SWC相连；同时，采样电容CSP的另一端通过开关SW5与余量放大器AMP的正输入端连接，采样电容CSN的另一端通过开关SW6与余量放大器AMP的负输入端连接，余量放大器AMP的差分输入端之间通过开关SWA连接，并且余量放大器AMP的正输入端和负输出端之间连接有电容CF1和开关SW9，负输入端和正输出端之间连接有电容CF2和开关SW10，余量放大器AMP的正输出端用于输出VOUTP，余量放大器AMP的负输出端用于输出VOUTN。开关SW1、SW2在采样阶段Φ1导通，在保持阶段Φ2关断；开关SW3_D0、SW3_D1、SW4_D0、SW4_D1、SW5、SW6在采样阶段Φ1关断，在保持阶段Φ2导通。开关SWC和SWA在采样阶段Φ1导通，在保持阶段Φ2关断；开关SW9、SW10在采样阶段Φ1关断，在保持阶段Φ2导通。采样阶段Φ1和保持阶段Φ2为两相不交叠时钟的两个相反的相位。校准共模电压电路的校准过程，其特征在于，步骤如下：1在保持阶段Φ2，共模参考信号产生电路的运放AMP_G根据开关电容MDAC的余量放大器AMP所需要的共模信号VAMP产生一个电压VCM；2在接下来的采样阶段Φ1，电压VCM同时连接到电容CGP、CGN和CSP、CSN上；3在接下来的保持阶段Φ2，由于电容CSP和CSN一端的共模电平由Φ1时的VIN变为VREF，根据电荷守恒得到的VREF-VIN＝VAMP-VCM可知，电容CSP和CSN另一端的共模电平由VCM变为VAMP。4如果上一周期中保持阶段产生的VCM是合适的，此时得到满足余量放大器AMP输入共模范围的VAMP；如果上一周期中保持阶段产生的VCM有误差，则得到的VAMP不满足余量放大器AMP的输入共模范围，此时共模信号产生电路中的运放AMP_G会根据现有的VAMP的得到一个新的参考电压VCM，并重复校准过程2和3，经过若干周期，直到能够得到合适的VCM使其对应的VAMP满足余量放大器AMP的输入共模范围。步骤3中，VIN为开关电容MDAC的输入信号VP和VM的平均值，VREF为开关电容MDAC外部输入的两路参考电压的平均值。本发明与现有技术相比的有益效果是：1本发明在MDAC结构基础上，增加一个共模参考信号产生电路，共模参考信号产生电路根据开关电容MDAC中余量放大器AMP所需要的输入共模电压产生合适的共模参考信号提供给MDAC，以达到校准功能，无需改变已有的MDAC结构，从而提高了整个MDAC和模数转换器的性能。2本发明采用的共模参考信号产生电路与开关电容MDAC结构类似，可以根据系统要求设计合适的MDAC结构，再依据MDAC结构设计共模参考信号产生电路，技术可移植性强。3本发明在转换器上电工作初期若干周期内进行共模信号电压的校准，校准完成后共模信号稳定，不会影响电路正常工作。附图说明图1是本发明校准共模电压电路示意图；图2为本发明整体MDAC工作时序示意图；图3为本发明整体MDAC采样阶段电路示意图；图4为本发明整体MDAC保持阶段电路示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施了对本发明作进一步详细的描述：本发明提供一种在开关电容MDAC结构基础上能够校准余量放大器输入共模的电路，进而提高整个流水线模数转换器的性能。如图1所示，本发明在常规的开关电容MDAC100基础上增加了一个共模信号产生电路200，能够校准开关电容MDAC100在采样相Φ1和保持相Φ2转换时，余量放大器差分输入端共模电压的变化。开关电容MDAC100为差分结构，主要由开关SW、采样电容CS和余量放大器AMP组成。如图1所示，开关电容MDAC100包括采样电容CSP和CSN、反馈电容CF1和CF2、余量放大器AMP；采样电容CSP的一端同时与开关SW3_D0、开关SW3_D1、开关SW1的一端连接，开关SW3_D0的另一端连接参考电压VREF0，开关SW3_D1的另一端连接参考电压VREF1，开关SW1的另一端连接输入信号VP；采样电容CSN的一端同时与开关SW4_D0、开关SW4_D1、开关SW2的一端连接，开关SW4_D0的另一端连接参考电压VREF1，开关SW4_D1的另一端连接参考电压VREF0，开关SW2的另一端连接输入信号VM；采样电容CSP和CSN的另一端通过开关SWC相连；同时，采样电容CSP的另一端通过开关SW5与余量放大器AMP的正输入端连接，采样电容CSN的另一端通过开关SW6与余量放大器AMP的负输入端连接，余量放大器AMP的差分输入端之间通过开关SWA连接，并且余量放大器AMP的正输入端和负输出端之间连接有电容CF1和开关SW9，负输入端和正输出端之间连接有电容CF2和开关SW10，余量放大器AMP的正输出端用于输出VOUTP，余量放大器AMP的负输出端用于输出VOUTN。共模参考信号产生电路200的结构与开关电容MDAC100的结构类似，由开关SG、电容CG和运放AMP_G组成。运放AMP_G正输入端的电压VAMP是开关电容MDAC中余量放大器AMP所需要的输入共模电压，AMP_G根据VAMP产生合适的共模参考信号再提供给MDAC，以达到校准功能。具体地，采样电容CGP的一端分别与开关SG1和开关SG3的一端连接，开关SG3另一端连接参考电压VREF0，开关SG1的另一端连接输入信号VP；采样电容CGN的一端分别与开关SG2和开关SG4的一端连接，开关SG4另一端连接参考电压VREF1，开关SG2的另一端连接输入信号VM；采样电容CGP的另一端和CGN的另一端连接后，同时连接开关SG5的一端和开关S6的一端，开关SG5的另一端连接运放AMP_G的负输入端，运放AMP_G的正输入端连接开关电容MDAC100中余量放大器AMP所需要的输入共模电平，反馈电容CF_G连接在运放AMP_G的负输入端和输出端之间，开关S6的另一端与运放AMP_G的输出端连接；运放AMP_G的输出端通过开关S7连接在开关SWC的一端，通过开关S8连接在开关SWC的另一端，所述开关SWC为开关电容MDAC100中的开关，用于连接开关电容MDAC100中的采样电容CSP和CSN。如图2所示，MDAC的工作时序由一个两相不交叠时钟控制，采样时序为Φ1，保持时序为Φ2，Φ1和Φ2是不交叠且反相的时钟相位。开关SG1、SG2、S6、S7、S8在采样阶段Φ1导通，在保持阶段Φ2关断；开关SG3、SG4、SG5在采样阶段Φ1关断，在保持阶段Φ2导通。开关SW1、SW2在采样阶段Φ1导通，在保持阶段Φ2关断；开关SW3_D0、SW3_D1、SW4_D0、SW4_D1、SW5、SW6在采样阶段Φ1关断，在保持阶段Φ2导通。开关SWC和SWA在采样阶段Φ1导通，在保持阶段Φ2关断；开关SW9、SW10在采样阶段Φ1关断，在保持阶段Φ2导通。如图3所示，在MDAC的采样阶段Φ1，由相位Φ1控制的开关导通，由相位Φ2控制的开关关断。采样电容CSP、CSN的一端分别连接到MDAC的输入VP和VM，采样电容CSP、CSN的另一端通过开关SWC短接到一起，余量放大器AMP的输入端短接到一起，且电压为VAMP。参考信号产生电路200的状态与开关电容MDAC100类似，电容CGP和CGN的一端分别连接到VP和VM，电容CGP和CGN的另一端短接在一起。同时，运放AMP_G的负输入端通过电容CF_G连接到输出端，并和电容CGP和CGN的另一端连接在一起。此时，电容CSP、CSN和电容CGP、CGN一端的共模电平都是输入信号VP和VM的平均值VIN，电容CSP、CSN和电容CGP、CGN另一端的共模电平都为共模参考电压VCM。如图4所示，在MDAC的保持阶段Φ2，由相位Φ1控制的开关关断，由相位Φ2控制的开关导通。采样电容CSP、CSN的一端分别连接到参考信号VREF0或VREF1。具体连接到哪个VREF由流水级中DAC产生的数字码Di来决定，数字码只有0和1两种情况。在这里设定，数字码为0时，CSP连接到VREF0，CSN连接到VREF1，数字码为1时，CSP连接到VREF1，CSN连接到VRE1，两个差分输入端的情况正好相反。电容CSP和CSN的另一端分别连接到余量放大器AMP的正输入端和负输入端。余量放大器AMP的差分输入端和差分输出端分别通过CF1和CF2跨接在一起。参考信号产生电路200的状态与开关电容MDAC100类似，电容CGP和CGN的一端分别连接VREF0和VREF1，电容CGP和CGN的另一端短接并连接到运放AMP_G的负输入端，同时AMP_G的负输入端通过反馈电容CF_G连接到输出，运放AMP_G的正输入端接余量放大器AMP的共模信号VAMP，VAMP是根据开关电容MDAC100得到的。在Φ2阶段参考信号产生电路200与开关电容MDAC100是断开的。此时，电容CSP、CSN和电容CGP和CGN一端的共模电平都是参考电压VREF0和VREF1的平均值VREF，电容CSP、CSN和电容CGP、CGN另一端的共模电平都是余量放大器AMP差分输入信号的共模电平VAMP。Φ1阶段采样电容CSP、CSN对输入信号VP和VM进行采样，Φ2阶段采样电容CSP、CSN断开与输入信号的连接，并连接到参考信号VREF，因此电容CSP、CSN一端的共模电平从VIN变为VREF。Φ1阶段采样电容CSP、CSN的另一端短接在一起且电压为VCM，在Φ2阶段电容CSP、CSN的另一端连接到余量放大器AMP的输入端，给余量放大器AMP提供输入信号并进行放大作用，因此电容CSP、CSN另一端的共模电平从VCM变为VAMP。在采样阶段Φ1结束和保持阶段Φ2开始时，采样电容CSP和CSN上的电荷量不变，根据电荷守恒原理可得到：VREF-VIN＝VAMP-VCM。其中VIN会随输入信号的变化而变化，VREF随参考信号的变化而变化。VIN为开关电容MDAC的输入信号VP和VM的平均值，VREF为开关电容MDAC外部输入的两路参考电压的平均值。在此电路中，根据关系式VREF-VIN＝VAMP-VCM，可通过调整VCM得到适合余量放大器AMP的共模信号VAMP，由于VCM可调，得到的VAMP是一个范围，并且满足余量放大器AMP的共模输入范围。针对共模信号发生变化的校准过程如下：1在保持阶段Φ2，共模信号产生电路200的运放AMP_G根据开关电容MDAC100的余量放大器AMP所需要的共模信号VAMP产生一个电压VCM。2在接下来的采样阶段Φ1，电压VCM同时连接到电容CGP、CGN和CSP、CSN上。3在接下来的保持阶段Φ2，由于电容CSP和CSN一端的共模电平由Φ1时的VIN变为VREF，根据电荷守恒得到的VREF-VIN＝VAMP-VCM可知，电容CSP和CSN另一端的共模电平由VCM变为VAMP。4如果上一周期中保持阶段产生的VCM是合适的，此时得到满足余量放大器AMP输入共模范围的VAMP；如果上一周期中保持阶段产生的VCM有误差，则得到的VAMP不满足余量放大器AMP的输入共模范围，此时共模信号产生电路200中的运放AMP_G会根据现有的VAMP的到一个新的参考电压VCM，并重复校准过程2和3，经过若干周期，直到能够得到合适的VCM使其对应的VAMP满足余量放大器AMP的输入共模范围。本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

权利要求：1.一种应用于MDAC中校准共模电压的电路，其特征在于：包括开关电容MDAC100和共模参考信号产生电路200，共模参考信号产生电路200能够校准开关电容MDAC100在采样相Φ1和保持相Φ2转换时，余量放大器差分输入端共模电压的变化。2.根据权利要求1所述的一种应用于MDAC中校准共模电压的电路，其特征在于：所述共模参考信号产生电路200包括采样电容CGP和CGN、反馈电容CF_G、运放AMP_G；采样电容CGP的一端分别与开关SG1和开关SG3的一端连接，开关SG3另一端连接参考电压VREF0，开关SG1的另一端连接输入信号VP；采样电容CGN的一端分别与开关SG2和开关SG4的一端连接，开关SG4另一端连接参考电压VREF1，开关SG2的另一端连接输入信号VM；采样电容CGP的另一端和CGN的另一端连接后，同时连接开关SG5的一端和开关S6的一端，开关SG5的另一端连接运放AMP_G的负输入端，运放AMP_G的正输入端连接开关电容MDAC100中余量放大器AMP所需要的输入共模电平，反馈电容CF_G连接在运放AMP_G的负输入端和输出端之间，开关S6的另一端与运放AMP_G的输出端连接；运放AMP_G的输出端通过开关S7连接在开关SWC的一端，通过开关S8连接在开关SWC的另一端，所述开关SWC为开关电容MDAC100中的开关，用于连接开关电容MDAC100中的采样电容CSP和CSN。3.根据权利要求1所述的一种应用于MDAC中校准共模电压的电路，其特征在于：开关SG1、SG2、S6、S7、S8在采样阶段Φ1导通，在保持阶段Φ2关断；开关SG3、SG4、SG5在采样阶段Φ1关断，在保持阶段Φ2导通。4.根据权利要求1所述的一种应用于MDAC中校准共模电压的电路，其特征在于：所述开关电容MDAC100包括采样电容CSP和CSN、反馈电容CF1和CF2、余量放大器AMP；采样电容CSP的一端同时与开关SW3_D0、开关SW3_D1、开关SW1的一端连接，开关SW3_D0的另一端连接参考电压VREF0，开关SW3_D1的另一端连接参考电压VREF1，开关SW1的另一端连接输入信号VP；采样电容CSN的一端同时与开关SW4_D0、开关SW4_D1、开关SW2的一端连接，开关SW4_D0的另一端连接参考电压VREF1，开关SW4_D1的另一端连接参考电压VREF0，开关SW2的另一端连接输入信号VM；采样电容CSP和CSN的另一端通过开关SWC相连；同时，采样电容CSP的另一端通过开关SW5与余量放大器AMP的正输入端连接，采样电容CSN的另一端通过开关SW6与余量放大器AMP的负输入端连接，余量放大器AMP的差分输入端之间通过开关SWA连接，并且余量放大器AMP的正输入端和负输出端之间连接有电容CF1和开关SW9，负输入端和正输出端之间连接有电容CF2和开关SW10，余量放大器AMP的正输出端用于输出VOUTP，余量放大器AMP的负输出端用于输出VOUTN。5.根据权利要求4所述的一种应用于MDAC中校准共模电压的电路，其特征在于：开关SW1、SW2在采样阶段Φ1导通，在保持阶段Φ2关断；开关SW3_D0、SW3_D1、SW4_D0、SW4_D1、SW5、SW6在采样阶段Φ1关断，在保持阶段Φ2导通。6.根据权利要求5所述的一种应用于MDAC中校准共模电压的电路，其特征在于：开关SWC和SWA在采样阶段Φ1导通，在保持阶段Φ2关断；开关SW9、SW10在采样阶段Φ1关断，在保持阶段Φ2导通。7.根据权利要求3、5或6所述的一种应用于MDAC中校准共模电压的电路，其特征在于：采样阶段Φ1和保持阶段Φ2为两相不交叠时钟的两个相反的相位。8.根据权利要求3所述校准共模电压电路的校准过程，其特征在于，步骤如下：1在保持阶段Φ2，共模参考信号产生电路200的运放AMP_G根据开关电容MDAC100的余量放大器AMP所需要的共模信号VAMP产生一个电压VCM；2在接下来的采样阶段Φ1，电压VCM同时连接到电容CGP、CGN和CSP、CSN上；3在接下来的保持阶段Φ2，由于电容CSP和CSN一端的共模电平由Φ1时的VIN变为VREF，根据电荷守恒得到的VREF-VIN＝VAMP-VCM可知，电容CSP和CSN另一端的共模电平由VCM变为VAMP。4如果上一周期中保持阶段产生的VCM是合适的，此时得到满足余量放大器AMP输入共模范围的VAMP；如果上一周期中保持阶段产生的VCM有误差，则得到的VAMP不满足余量放大器AMP的输入共模范围，此时共模信号产生电路200中的运放AMP_G会根据现有的VAMP的得到一个新的参考电压VCM，并重复校准过程2和3，经过若干周期，直到能够得到合适的VCM使其对应的VAMP满足余量放大器AMP的输入共模范围。9.根据权利要求8所述校准共模电压电路的校准过程，其特征在于，步骤3中，VIN为开关电容MDAC100的输入信号VP和VM的平均值，VREF为开关电容MDAC100外部输入的两路参考电压的平均值。

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