一种校正采样时钟偏差的MOS自举开关电路

摘要

本发明属于集成电路技术领域，具体为一种校正采样时钟偏差的MOS自举开关电路。该电路用于消除时间交错型模数转换器通道间的采样时钟偏差，以MOS自举开关为主体，在自举输入端加入一个控制信号，该控制电压信号由时钟偏差检测模块得到。栅压自举电路将该控制信号自举一个电源电压，使得自举电压跟随控制电压信号。将该自举电压加到开关管的栅端，用于控制开关管的导通与关断。这样控制信号就能调节开关管的关断时刻，从而有效校正了时钟偏差，消除了通道间的采样失配。

说明书

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种校正采样时钟偏差的MOS自举开关电路。

背景技术

高速度、高精度和低功耗模数转换器(ADC)广泛应用于无线通信、仪表测量、军用雷达和高清晰数字电视等方面，是如今混合信号系统芯片设计的发展重点。随着软件定义无线电(SDR)通信技术的发展，日益要求收发系统的数字部分尽可能靠近天线端、中频之后的信号处理工作全都交给可以灵活配置的数字处理芯片完成。因而模数转换器就需要在中频段甚至射频段进行采样。模数转换器的位置越靠近天线，就越能用软件定义更多的功能，系统就越灵活，但同时就要求模数转换器必须具有更高速度和更高精度。

目前，这种高性能的模数转换器，如采样频率大于100M，精度大于10比特以上，基本上采用流水线(Pipeline)结构来实现。流水线结构的模数转换器在精度，速度，功耗，芯片面积等方面折衷考虑下具有很好的性能。还有一种时间交错(Time interleaved)型模数转换器通过把多个ADC结合在一起交错使用，使得采样速率成倍数提高，提高了处理宽带信号的能力。时间交错型模数转换器对通道之间的匹配性能要求很高，比如通道之间的失调和增益不匹配将影响模数转换器的整体性能。并且通道之间的采样时钟偏差，将带来失真和总体的转换错误(如图1)，尤其是在高频应用的时候。

针对通道间的采样时钟偏差，可以通过设计上和版图上的精确匹配技术来减轻，但是这对时钟沿的要求比较高，而且不能保证流片以后的性能。还可以通过数字校准技术来校准采样误差，但其需要复杂的数字信号处理单元，而且对输入信号的频率有一定的限制。

另一种技术采用图2所示的结构，该图表示出了两个通道的时间交错型模数转换器的结构。第一个通道由采样保持电路1（1）和模数转换器1（2）构成，第二个通道由采样保持电路2（3）和模数转换器2（4）构成，两个通道的输出输入到多路选择器（5），最后输出数字码。时钟源（7）产生两个通道的时钟信号t1和t2。相比图1，该结构加入了时钟偏差检测模块（6）来检测两通道间的时钟偏差，然后将输出作为控制信号加到时钟延迟单元（8），来控制延迟时钟信号t2的方向和大小，同时时钟t1作为基准，保持不变。只要有时钟偏差，检测模块（6）便会输出控制信号来控制延迟单元的动作，这样的操作一直到消除时钟偏差为止。

图3表示图2中采样保持电路的具体实现。它采用电容翻转结构和底极板采样技术，采样开关S1由自举开关实现，它由时钟ck1a控制，时钟ck1a比时钟ck1提前关断。从时序图中可以看出，当时钟ck1a下降到MOS管的关断阈值时，即时刻t_h1、t_h2，采样保持电路完成了对输入信号的采样，因此这个时刻便是实际的采样时刻。

该技术的主要缺点是需要额外的时钟延迟单元，增加了设计的复杂度以及芯片面积和功耗。

发明内容

本发明提出了一种无需额外时钟延迟单元、芯片面积小、功耗低的可以校正时间交错型模数转换器通道间采样时钟偏差的MOS自举开关电路。

本发明提出的MOS自举开关电路，只是用MOS自举开关电路（图4）代替传统的自举开关作为采样保持电路（图3）中的采样开关S1。

本发明提出的可以校正时间交错型模数转换器通道间采样时钟误差的MOS开关电路，包括：  

NMOS开关管（21）（即NMOS管M1），该NMOS开关管（21）具有第一信号输入端（18）、第二信号输入端（20）、第一信号输出端（22）；

NMOS辅助开关管（15）（即NMOS管M8），该NMOS辅助开关管（15）具有第三信号输入端（17）、第四信号输入端（16）；

栅压自举预充电电路（12），它包括自举电容Cb、上拉PMOS管M5 和下拉NMOS管M4；

PMOS自举环路开关管（13）( 即PMOS管6)，该PMOS自举环路开关管（13）具有第二信号输出端（14）；

反相器（11），用于产生反相时钟信号；

栅压控制端电压驱动电路（10）；它包括NMOS 管M2 和NMOS 管M3；

开关管栅压泄放回路（19）；它包括NMOS 管9、NMOS 管10、NMOS 管11；

所述第二信号输出端（14）与所述第四信号输入端（16）及所述第二信号输入端（20）连接；

NMOS辅助开关管（15）的第三信号输入端（17）接时钟偏差检测模块反馈回来的一个控制电压，NMOS开关管（21）的第一信号输入端（18）接运算放大器的共模输入电压；

第二信号输出端（14）就是自举上去的栅电压，它的值为MOS辅助开关管（15）的输入端（17）所加信号值加上电源电压的值；

第二信号输出端（14）电压连接到NMOS开关管（21）和NMOS辅助开关管（15）的栅端，用于控制这两个开关的导通或关断；

第二信号输出端（14）控制NMOS辅助开关管（15）是否将可变控制电压信号自举，同时控制NMOS开关管（21）是否将运算放大器的共模电压输入到第一信号输出端（22）。

其工作原理如下：

 （1）当第一时钟信号（9）为低电平时，反相器（11）使得反相的时钟信号为高电平。开关管栅压泄放回路（19）开始工作，将第二信号输出端（14）拉至低电平，从而触发栅压自举预充电电路（12）工作，将自举电容上极板充电到电源电压，下极板接到地，完成对电容的预充电，这时NMOS开关管（21）和NMOS辅助开关管（15）都不工作；

（2）当第一时钟信号（9）由低电平变为高电平时，反相器（11）输出由高到低，使得栅压自举预充电电路（12）和开关管栅压泄放回路（19）断开，同时栅压控制端电压驱动电路（10）控制PMOS自举环路开关管（13）导通。

第三信号输入端（17）通过NMOS辅助开关管（15）将该输入信号自举到电源电压加上该信号值，这也就是第二信号输出端（14）的值，这时NMOS开关管（21）和NMOS辅助开关管（15）都导通；

（3）当第一时钟信号（9）再次翻转时，则重复（1），（2）操作，如此往复。

本发明通过将时钟偏差检测模块检测到的时钟偏差信号作为控制信号，输入到该自举开关电路，采样时刻便可以相应的得到调节，从而消除通道间的采样时钟偏差。

本发明提出的校正时间交错模数转换器通道间采样时钟偏差的MOS自举开关电路结构特点在于：第一时钟信号ck1a通过一个反相器产生另一个信号ck1an；第一输入信号为运算放大器的共模输入电压Vcmi；第三输入信号为控制信号Vctr，它为时钟偏差检测模块的输出；当时钟信号ck1a由低电平变为高电平时，反相器输出ck1an由高到低，采样保持电路进入采样阶段，Vboost跟随控制信号Vctr；第一输出信号Vp接到采样保持电路结构中运算放大器的正向输入端。

本发明的主要思想是在自举输入端加入一个控制信号，该控制电压信号由时钟偏差检测模块得到。栅压自举电路将该控制信号自举一个电源电压，使得自举电压跟随控制电压信号。将该自举电压加到开关管的栅端，用于控制开关管的导通与关断。具体如下，通过自适应时钟偏差检测模块反馈回来的控制电压信号Vctr，输入到提出的MOS自举开关电路（图4）来调节实际的采样时刻，从而消除采样时钟偏差。由于不同的控制电压信号Vctr将得到不同的Vboost值,因此晶体管M1的栅源电压Vboost-Vcmi受信号Vctr的控制。当ck1a转换为低电平时，ck1an变为高电平，不同的电压值Vboost被晶体管M9 和 晶体管M11以相同的速率拉低。这时当晶体管M1的栅源电压Vboost-Vcmi降到某一关断阈值电压时，晶体管M1关断。Vctr越大，则Vboost-Vcmi越大，相应的关断时刻就越迟到来。这意味着不同的Vctr 对应着不同的晶体管M1的关断时刻。所以时钟偏差检测电路，加上该改进的自举开关电路所形成的自适应回路，可以有效地调节该通道的采样时刻，从而达到消除时钟偏差的目的。

附图说明

图1 两通道时间交错型数模转换器中通道间采样时钟偏差的示意图。

图2 一种消除时间交错型数模转换器通道间的采样时钟偏差技术的结构示意图。

图3 图2中采样保持电路的具体实现结构示意图。

图4 一种可校正时间交错型模数转换器通道间采样时钟偏差的MOS自举开关电路示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

图2表示一种可以消除时间交错型模数转换器中通道间采样时钟偏差的实现结构。通过检测通道间的时钟偏差，然后反馈给时钟延迟电路，调节时钟延迟大小和方向，直到最终消除偏差为止。本发明省去了时钟延迟电路单元，实现了相同功能。具体实施方式如下：

图3表示单端的采样保持电路示意图。图中给出了3个时钟ck1，ck2 和ck1a的时序图。在t_t1时刻以后，开关S1和S2闭合，S3断开，电路进入采样阶段，电容Cs跟随输入信号Vin。当到达时刻t_h1时，时钟ck1a提前关断，这个时刻决定了采样保持电路的实际采样点。因为t_h1以后电容Cs上的电压值将不随输入信号Vin变化。在时钟ck2变高时，电容翻转，使得输出电压等于采样到的信号值。

图4表示提出的可校正时间交错型模数转换器通道间采样时钟偏差的MOS自举开关电路，它也是图3中采样开关S1的具体实现，它可以调节采样保持电路的实际采样点。该电路输入有三个端口，分别是输入时钟信号ck1a（9），输入共模电压Vcmi和控制电压信号Vctr。输出端为Vp，对应于图3中运算放大器的正向输入端Vp。NMOS辅助开关管（15）的输入端（17）接时钟偏差检测模块反馈回来的控制电压信号Vctr，NMOS开关管（21）的输入端（18）接运算放大器的共模输入电压Vcmi；

NMOS管M8为栅压输入控制开关，用以控制栅压自举电路的输入。ck1an是时钟信号ck1a经过反相器产生的反向信号。当时钟信号ck1a为低电平时，输出自举电压Vboost通过NMOS管M9、M11放电至零，NMOS管M1、M8关断；同时NMOS管M4与PMOS管M5开启，对自举电容Cb进行充电使得Cb上极板电压为电源电压Vdd，下极板电压为0。

在时钟信号ck1a转换为高电平后，M4、M5、M9、M11关断，同时NMOS管M2和PMOS管M3组成的反相器将PMOS管M6的栅压拉低，使自举环路开启，使得自举电压Vboost等于输入电压Vctr加上一个电源电压Vdd。从而NMOS管M1开启，将Vp接到输入共模电压Vcmi上。这时电路进入采样阶段。

由于不同的电压Vctr将得到不同的Vboost值,因此NMOS管M1的栅源电压Vboost-Vcmi将随Vctr而变化。当ck1a转换为低电平时，ck1an变为高电平，不同的电压值Vboost被晶体管M9 和 M11以相同的速率拉低。这时当NMOS管M1的栅源电压Vboost-Vcmi降到某一关断电压时，NMOS管M1关断。Vctr越大，则Vboost-Vcmi越大，相应的关断时刻就越迟到来。这意味着不同的Vctr 控制着NMOS管M1不同的关断时刻。

控制电压信号Vctr由时钟偏差检测电路生成，输入发明的MOS自举开关，可以有效地调节采样保持电路的采样时刻，从而达到消除时钟偏差的目的。