專利名稱：基于微電流源的電容誤差補償電路的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種基于微電流源電容誤差補償電路，特別涉及一種用于流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的雙向調(diào)節(jié)微電流源電容誤差補償電路。它的直接應用領域是高速高精度流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一個重要誤差來源是每級流水線之間的增益誤差。流水線的級間增益誤差主要來自兩個方面1)由于制造工藝的影響，采樣電容和反饋電容匹配精度有限，造成它們之間的比值不能精確的等于設計值，從而引起級間增益誤差。2)每級流水 線中的運算放大器的直流增益有限，造成運算放大器在閉環(huán)應用時，其輸入端并非真正“虛地”，從而引起級間增益誤差。消除或者減小流水線的級間增益誤差可以極大的提高流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)和動態(tài)電路性能。針對上面兩種造成級間增益誤差的原因，目前的解決方法是在數(shù)字域或者模擬域進行誤差校正。在數(shù)字域進行誤差校正需要設計復雜的校正算法，并且實現(xiàn)校正算法的數(shù)字電路需要占用很大的芯片面積，消耗很大的功耗。在模擬域進行誤差校正的傳統(tǒng)做法是通過寄生電容對采樣電容和反饋電容進行補償，提高采樣電容和反饋電容的匹配精度，從而減小流水線的級間增益誤差。如文獻 I (A 12-Bit 125MSPS ADC With Capacitor Mismatch Trimming,2010 10th IEEEInternational Conference On Solid-State and Integrated Circuit TechnoligyProceedings Partl，P216_P218)中的電容修調(diào)電路。圖I是文獻I中的電容修調(diào)電路圖，其中Cu代表采樣電容或者反饋電容中的單位電容，P和N分別是電容的正負兩端；Ctl、Ct2、Ct3是金屬寄生電容；SWi、Sff2, SW3是相應的開關。該電路的工作原理是利用金屬寄生電容和相應開關的通斷來對單位電容進行補償，它的優(yōu)點是使用簡單，不需要復雜的算法和控制邏輯。但它的主要缺點是由于金屬寄生電容和單位電容是并聯(lián)關系，只能對需要修調(diào)的單位電容容值進行增加，不能對需要修調(diào)的單位電容容值進行減小，即只能進行單向的電容誤差補償。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于發(fā)明一種可雙向調(diào)節(jié)的微電流源電容誤差補償電路，以克服傳統(tǒng)的電容誤差補償電路只能單向修調(diào)的問題，使其達到可雙向補償電容匹配誤差、使用簡單方便的目的。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案在于一種可雙向調(diào)節(jié)的微電流源電容誤差補償電路，它含有一個帶權(quán)重的微電流單元，包括PMOS 管 MP1' PMOS 管 MP2、PMOS 管 MP3、NMOS 管 MN1、NMOS 管 MN2、NMOS 管 MN3,其中，MP1, MP2, MP3的柵極均與偏置電壓輸入端Vb相接，MP1, MP2, MP3的源極均與電源端V。。相接，MP1的漏極接麗i的漏極，MP2的漏極接MN2的漏極，MP3的漏極接MN3的漏極，麗PMN2JN3的源極均與微電流源輸出端Ib相接，MN1的柵極與第一控制信號A1相接，MN2的柵極與第二控制信號A2相接，MN3的柵極與第三控制信號A3相接；ApA2、A3控制的三個電流源按二進制權(quán)重1:2:4進行設置；和一個微電流源電容誤差補償控制單元，包括 NMOS 管 MN4、NMOS 管 MN5、NMOS 管 MN6, NMOS 管 MN7、NMOS 管 MN8、NMOS 管 MN9 以及電阻R1'電阻R2、電容C1，其中，R1的一端接地，R1的另一端分別與MN4、MN7的漏極相接，R2的一端接地，R2的另一端與MN5、MN6的漏極相接，R2的另一端還與微電流源輸入端Ib相接，MN4,MN6的源極相連接在一起，并與MN8的漏極相接，MN5、MN7的源極相連接在一起，并與MN9的漏極相接，C1的一端與MN8、MN9的源極相接，C1的另一端與輸出端Vqut相接，MN4、MN5的柵極與第一誤差補償方向控制端GN相接，MN6> MN7的柵極與第二誤差補償方向控制端G相接，MN8的柵極與第一誤差補償大小控制端DN相接，MN9的柵極與第二誤差補償大小控制端D相接。 所述第一誤差補償方向控制端GN與第二誤差補償方向控制端G是一對互補控制信號，所述第一誤差補償大小控制端DN與第二誤差補償大小控制端D是一對互補控制信號。有益效果與傳統(tǒng)的電容誤差補償電路相比，本發(fā)明的雙向調(diào)節(jié)微電流源電容誤差補償電路采用補償方向和補償大小分別控制的方式，對電容誤差進行加減補償，從而實現(xiàn)了雙向補償誤差，且補償方式靈活、使用方便。本發(fā)明電路已應用于14位100MSPS流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，其測試結(jié)果顯示，電容誤差補償前，電路的INL誤差為±5LSB，電容誤差補償后，電路的INL誤差為±3LSB，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用此方法減小了流水線的級間增益誤差，明顯提高了流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的線性度。


圖I是傳統(tǒng)的利用寄生電容進行誤差補償?shù)碾娐穲D；圖2是本發(fā)明的可雙向調(diào)節(jié)的微電流源電容誤差補償電路圖；圖3是本發(fā)明電路應用于流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的具體實施方式
不僅限于下面的描述，現(xiàn)結(jié)合附圖加以進一步說明。本發(fā)明的可雙向調(diào)節(jié)的微電流源電容誤差補償電路圖如圖2所示。它包含一個帶權(quán)重的微電流單元和一個微電流源電容誤差補償控制單元，它們之間的具體連接關系、作用關系與本說明書的發(fā)明內(nèi)容部分相同，此處不再重復。本發(fā)明電路的工作原理如下首先利用偏置電壓Vb和控制信號Ai、A2、A3來產(chǎn)生一個微電流源IB，然后微電流源Ib在電阻R2上產(chǎn)生一個電壓作為誤差補償電壓，最后經(jīng)過兩組控制信號G、GN和D、DN以及相應的開關MN4 MN9將誤差補償電壓通過電容C1耦合輸出。三個微電流源，它們之間電流的大小按1:2:4進行設置，保證微電流源電容誤差補償電路有三位的修調(diào)精度。設控制信號A1所控制的這一路微電流源的大小是I，根據(jù)它們之間的權(quán)重關系，則A2所控制的這一路微電流源的大小是21，A3所控制的這一路微電流源的大小是41，通過設置控制信號Ap A2, A3的不同組合，可以選擇這三路微電流源中的一路或幾路，從而得到(T7I的8種不同大小的微電流源。為敘述方便起見，用“0”表示低電平，“I”表示高電平。G和GN是一對互補控制信號，控制電容誤差的補償方向，0表不正向電容誤差補償，I表不負向電容誤差補償。D和DN也是一對互補控制信號，控制電容誤差補償?shù)拇笮?。D在本級流水線的采樣相時，為0 ;在本級流水線的保持相時，代表前一級流水線結(jié)構(gòu)中相應比較器的輸出信號，可以為0，也可以為I。V代表電容上的電壓，A V表不電容上的電壓從米樣相到保持相的變化量。
在對整個模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路進行測試分析后，已知需要對某段輸入信號所對應的輸出信號進行誤差校正，通過設置控制信號A、A2、A3以及G、GN到相應的值，利用本發(fā)明所描述的電容誤差補償電路產(chǎn)生一個誤差糾正信號U來校正流水線級間增益誤差。為更進一步清楚說明本發(fā)明電路，用表I的信號真值表來描述。表I控制信號及誤差校正信號真值表
IG I GN ID I DN I V I AV
采樣相0 — I0
保持相0II__0__U__U保持相__0 — I00
采樣相0 — IU
保持相I0I__0__0__-U
保持相 __丨 0 I I 丨 U I 0 -從表I可以看出，若要對前一級流水線的電容誤差進行正向的補償，即加上一個誤差信號，可設置控制信號G為0，GN為1，同時設置一組合適的Ap A2, A3的值來產(chǎn)生需要的誤差信號U ;反之，若要對前一級流水線的電容誤差進行負向的補償，即減去一個誤差信號，可設置控制信號G為1，GN為0，同時設置一組合適的Ap A2, A3的值來產(chǎn)生需要的誤差信號-U。這樣產(chǎn)生的誤差信號既有大小，又有方向，然后再加入后一級流水線的輸入信號，就可實現(xiàn)對前一級流水線輸出信號的誤差校正。因此，利用本發(fā)明所提出的電容誤差補償電路可以對前一級流水線的電容誤差進行雙向的誤差校正。本發(fā)明電路已經(jīng)成功應用于14位100MSPS流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中。圖3為本發(fā)明電路應用于流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的示意圖。以本發(fā)明電路作為CELL單元電路，在第一級流水線和第二級流水線之間加入了 16個CELL單元(CELL廣CELL16)來校正第一級流水線的增益誤差。這個14位100MSPS流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模擬輸入峰峰值是2V，所以一個LSB就是大約122uV (1LSB=2V/2~14=122uV)。為了對第一級流水線的增益誤差進行±2LSB的誤差校正，利用本發(fā)明電路，需要將校正的步長設置為1/4LSB。在這個實際的模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路中，第一級的流水線增益是4，第二級的采樣電容是8個，采用微電流源修調(diào)電容，即圖2中的C1設置為第二級采樣電容的1/5，將權(quán)電流源產(chǎn)生的單位修調(diào)電壓設置為4. 88mV，這樣實際產(chǎn)生的誤差校正步長就是4. 88mV/5/8/4=30. 5uV，正好是1/4LSB。通過對應用本發(fā)明的14位100MSPS流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行測試，結(jié)果顯示，利用本發(fā)明的電路可以對第一級流水線的增益誤差進行±2LSB的誤差校正，將整個流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的INL誤差從修調(diào)前的±5LSB減低到±3LSB，提高了電路的線性度。本發(fā)明的制造工藝為通用的硅柵N阱0.35 iim CMOS工藝。本發(fā)明電路中的PMOS、NMOS管的基本參數(shù)為NMOS管的閾值電壓VT :0. 5 0. 7V ；PM0S管的閾值電壓Vt -0. 65 -0. 85V ；NMOS 管、PMOS 管的柵氧厚度 I. 2nm I. 7nm ；其中，MP1^ MP2> MP3 的寬長比分別為6 u m/2 u m> 12 u m/2 u m>24 u m/2 u m ；MNpMNyMN3 的寬長比同為5um/0. 35 U m ；MN4, MN5, MN6, MN” MN8, MN9 的寬長比均為:1 U m/0. 35 u m ；R1, R2為多晶硅電阻，阻值188歐姆；C1為金屬電容或多晶硅電容，電容值68fF。
權(quán)利要求
1.一種基于微電流源的電容誤差補償電路，其特征在于含有 一個帶權(quán)重的微電流單元，包括PMOS 管 MPp PMOS 管 MP2、PMOS 管 MP3、NMOS 管 MN1、NMOS 管 MN2、NMOS 管 MN3,其中，MP1'MP2, MP3的柵極均與偏置電壓輸入端Vb相接，MP1, MP2, MP3的源極均與電源端Vrc相接，MP1的漏極接MN1的漏極，MP2的漏極接MN2的漏極，MP3的漏極接MN3的漏極，MN1' MN2^MN3的源極均與微電流源輸出端Ib相接，MN1的柵極與第一控制信號A1相接，MN2的柵極與第二控制信號A2相接，MN3的柵極與第三控制信號A3相接；ApA2、A3控制的三個電流源按二進制權(quán)重1:2:4進行設置；和 一個微電流源電容誤差補償控制單元，包括NMOS 管 MN4、NMOS 管 MN5、NMOS 管 MN6, NMOS 管 MN7、NMOS 管 MN8、NMOS 管 MN9 以及電阻Rn電阻R2、電容C1，其中，R1的一端接地，R1的另一端分別與MN4、MN7的漏極相接，R2的一端接地，R2的另一端與MN5、MN6的漏極相接，R2的另一端還與微電流源輸入端Ib相接，MN4、MN6的源極相連接在一起，并與MN8的漏極相接，MN5, MN7的源極相連接在一起，并與MN9的漏極相接，C1的一端與MN8、MN9的源極相接，C1的另一端與輸出端Vqut相接，MN4、MN5的柵極與第一誤差補償方向控制端GN相接，MN6、MN7的柵極與第二誤差補償方向控制端G相接，MN8的柵極與第一誤差補償大小控制端DN相接，MN9的柵極與第二誤差補償大小控制端D相接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的雙向調(diào)節(jié)微電流源電容誤差補償電路，其特征在于，所述第一誤差補償方向控制端GN與第二誤差補償方向控制端G是一對互補控制信號，所述第一誤差補償大小控制端DN與第二誤差補償大小控制端D是一對互補控制信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的雙向調(diào)節(jié)微電流源電容誤差補償電路，它包括一個帶權(quán)重的微電流單元和一個微電流源電容誤差補償控制單元。本發(fā)明通過對電容誤差補償方向和補償大小分別控制的方式將前一級流水線結(jié)構(gòu)的輸出信號中由于電容匹配精度不夠而造成的級間增益誤差，在下一級流水線結(jié)構(gòu)的輸入信號中進行雙向補償，極大地減小了流水線的級間增益誤差。采用本發(fā)明電路后，高速高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器中由于工藝造成的流水線級間增益誤差大大的減小。本發(fā)明電路具有補償方式靈活、可雙向校正誤差、使用方便等特點，適用于高速高精度流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器領域。
文檔編號H03M1/06GK102664626SQ20121015388
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月17日
發(fā)明者徐鳴遠, 李梁, 沈曉峰, 王育新, 陳璽, 魏亞峰, 黃興發(fā) 申請人:中國電子科技集團公司第二十四研究所