一种适合于高速高精度模数转换器的多通道选择电路

摘要

本发明公开了一种模数转换器的通道选择电路，包括通道选择控制电路、自举开关多通道选择电路以及模数转换器电路。本发明实施例利用模数转换器内部的双相不交叠时钟电路产生的采样相信号PHS和通道选择控制电路中译码得到的M-比特选择信号SN分别相与，作为M个自举开关的时钟信号，分别控制着M个模拟输入信号是否被选择作为模数转换器的输入。与现有技术方案相比，本发明实施例中通过上述电路的巧妙结合，使得每个通道的导通电阻随着输入模拟信号变化十分小，基本上为恒定的值，从而弥补现有技术方案中多通道选择电路线性度差的缺陷，大大提高了整个电路的性能。相比于现有技术方案，本发明实施例更加适合于低电压、高速、高精度模数转换器。

说明书

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种适于高速高精度模数 转换器的多通道选择电路。

背景技术

在集成电路中，ADC(AnalogtoDigitalConverter，模数转换器)作 为连接模拟信号到数字信号的桥梁，是片上系统(SystemonChip，SOC) 中十分重要的电路模块。在很多时候芯片内部的模数转换器需要对多个 模拟信号转换，通常有两种解决方案：第一种方案是在片内设计多个模 数转换器；第二种方案是在片内设计带有多通道选择电路的模数转换器。 对于第一个方案，可以将不同的模数转换器和不同的模拟信号相连接， 独立工作，互不干扰，然而缺点是随着芯片待转换模拟信号个数的增加， 片内模数转换器的个数也需要随着增加，相应地，芯片的面积与功耗也 将随着增加，这对于低功耗、小面积的芯片设计来说是十分不利的。

图1所示的一种带有M通道选择电路的模数转换器对应于上述第二 种方案，N-比特模数转换器的模拟输入前端为M通道选择电路，VIN<i> 为M个不同的输入模拟信号，i＝1，2…M，Select<k:1>为通道选择电路的 通道选择信号。同一时刻，最多只能选择一个模拟信号作为模数转换器 的输入，这一方案的优点是大大减小了整个SOC芯片的面积和功耗。

图2所示的是M通道选择电路的现有技术方案框图，通道选择信号 Select<k:1>通过译码电路Decoder产生控制CMOS开关的互补信号 SN<M:1>和SP<M:1>，分别作为这M个CMOS开关中的NMOS开关和 PMOS开关的栅极电压信号。对于CMOS开关来说，当互补信号SN<M:1> 和SP<M:1>分别为高电平、低电平时，CMOS开关导通。同一时刻，M 个CMOS开关最多只能有一个能导通。

该技术方案的电路原理简单，实现起来方便。CMOS开关导通电阻 如式1所示，

$R_{on}=\frac{1}{{\mu }_n{C}_{ox}{\left(\frac{W}{L}\right)}_N(V_{DD}-V_{THN})-{\mu }_p{C}_{ox}{\left(\frac{W}{L}\right)}_P\left|V_{THP}\right|-[{\mu }_n{C}_{ox}{\left(\frac{W}{L}\right)}_N-{\mu }_p{C}_{ox}{\left(\frac{W}{L}\right)}_P]V_{in}}---\left(1\right)$

由上式可知，不考虑衬偏效应，理论上当时， CMOS开关的导通电阻和输入模拟信号无关，这时CMOS开关由于导通 电阻恒定，线性度最好。然而实际电路中，上述的条件很苛刻，不可能 满足。NMOS开关的衬偏效应对阈值V_THN影响也会使得CMOS开关的线 性度变差。当电源电压V_DD<V_THN+|V_THP|时，CMOS开关在输入模拟信号 落入区间[V_DD-V_THN，|V_THP|]时截止，由此可见，CMOS开关工作在低电 压时导通性变差。

随着SOC对片内模数转换器的要求越来越高，模数转换器的工作电 压越来越低，采样率以及分辨率越来越高，现有通道选择电路技术已经 很难满足低压高速高精度模数转换器的性能需求。

因此，本领域技术人员迫切需要解决的问题之一在于，提出一种适 于高速高精度模数转换器的多通道选择电路，用以解决模数转换器的多 通道选择电路现有技术方案中线性度不足、精度差以及低电压工作等问 题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了克服上述问题的一种适合于高速高精 度模数转换器的多通道选择电路。

为了解决上述问题，本发明实施例公开了一种模数转换器的通道选 择电路，包括通道选择控制电路、自举开关多通道选择电路以及模数转 换器电路，其中，

所述通道选择控制电路的输入为通道选择控制信号Select<k:1>和模 数转换器电路内部双相不交叠时钟产生的采样相信号PHS，输出为M个 自举开关所需要的时钟控制信号CK<M:1>；

所述自举开关多通道选择电路的输入为M个自举开关的时钟控制信 号CK<M:1>和M个输入模拟信号VIN<M:1>，输出为模数转换器电路的 输入信号ADC_IN；

所述模数转换器电路的输入信号ADC_IN为自举开关多通道选择电 路的输出信号，内部的双相不交叠时钟电路产生的采样相信号PHS作为 通道选择控制电路的输入；

所述通道选择控制电路的输出CK<M:1>作为自举开关多通道选择电 路的输入时钟控制信号，自举开关多通道选择电路的输出模拟信号 ADC_IN作为模数转换器电路的输入信号，模数转换器电路中双相不交叠 时钟电路产生的采样相信号PHS作为通道选择控制电路的输入。

优选地，包括译码电路Decoder和M个与门AND电路，其中，

所述译码电路Decoder，用于将k-比特的控制信号Select<k:1>译码成 M-比特选择信号SN<M:1>，同一时刻M-比特选择信号SN<M:1>最多只 有一位为高电平，为高电平对应的通道在采样相信号PHS为高电平时将 被选通；

所述M个与门AND电路，对应输入信号为选择信号SN<M:1>和模 数转换器电路内部电路产生的采样相信号PHS，输出信号CK<M:1>作为 M个自举开关的时钟控制信号CK<M:1>。

优选地，包括M个自举开关电路和M个NMOS开关管，其中，

所述M个自举开关电路的输入分别为M个模拟信号VIN<M:1>以及 M个自举开关的时钟控制信号CK<M:1>，输出个M个开关信号SW<M:1>，

所述M个NMOS开关管的栅极为M个开关信号SW<M:1>，M个模 拟输入信号同时作为M个NMOS开关管的源级电压。VDD和VSS分别 是电源电压和地。

同一时刻最多只有一个时钟控制信号CK<i>从0跳变到1，对应第i 个通道打开，即第i个NMOS管导通。

优选地，包括第一晶体管M1，第二晶体管M2，第三晶体管M3，第 四晶体管M4，第五晶体管M5，第六晶体管M6，第七晶体管M7，第八 晶体管M8，第九晶体管M9，自举电容Cb，第一反相器INV1，其中，

所述输入时钟控制信号CK与所述第一晶体管M1的栅极、所述第二 晶体管M2的栅极以及所述第一反相器INV1的输入端连接；所述第一晶 体管M1的漏极与所述第二晶体管M2的漏极，所述第五晶体管M5的栅 极以及第六晶体管M6的漏极连接；电源电压VDD与所述第一晶体管 M1的源极及其衬底、所述第四晶体管M4的源极以及所述第七晶体管 M7的栅极连接；所述第四晶体管M4的栅极及其衬底与所述第五晶体管 M5的源极及其衬底以及所述自举电容Cb的顶板连接；所述第四晶体管 M4的栅极与所述第五晶体管M5的漏极、所述第六晶体管M6的栅极、 所述第七晶体管M7的漏极、所述第八晶体管M8的栅极以及输出开关信 号SW连接；所述第七晶体管M7的源极与所述第九晶体管M9的漏极连 接；所述第九晶体管M9的栅极与所述第一反相器INV1的输出端以及所 述第三晶体管M3的栅极连接；所述第三晶体管M3的漏极与所述第二晶 体管M2的源极、所述自举电容Cb的底板、所述第六晶体管M6的源极 以及所述第八晶体管M8的漏极连接；所述第八晶体管M8的源极与输入 模拟信号VIN连接；所述第三晶体管M3的源极和所述第九晶体管M9 的源极与地VSS连接；

当所述输入时钟控制信号CK为低电平时，所述第一晶体管M1导通， 所述第二晶体管M2以及所述第五晶体管M5截止，所述第七晶体管M7 以及所述第九晶体管M9导通，所述第三晶体管M3以及所述第四晶体管 M4导通，所述电源电压VDD对所述自举电容Cb充电至所述电源电压 VDD，所述第五晶体管M5以及所述第六晶体管M6截止，所述输出开关 信号SW为低电平；

当所述输入时钟控制信号CK为高电平时，所述第一晶体管M1以及 所述第三晶体管M3截止，所述第二晶体管M2导通，所述第五晶体管 M5栅极的电压为低电平，所述第五晶体管M5导通，所述自举电容Cb 对所述第八晶体管M8的栅极充电，使得所述第八晶体管M8导通，所述 第八晶体管M8使所述输出开关信号SW跟随所述输入模拟信号VIN，并 保持输出开关信号SW比所述输入模拟信号VIN高出所述电源电压VDD， 即SW＝VIN+VDD。

优选地，包括双相不交叠时钟电路，其中，

所述双相不交叠时钟电路包括第二反相器INV2，第三反相器INV3， 第四反相器INV4，第五反相器INV5，第六反相器INV6，第一与非门 NAND1，第二与非门NAND2，第一延迟单元DL1以及第二延迟单元DL2；

所述模数转换器电路中采样信号ADC_Sample与所述第二反相器 INV2的输入端以及所述第二与非门NAND2的输入端连接；所述第二反 相器INV2的输出端与所述第一与非门NAND1的输入端连接；所述第一 与非门NAND1的输出端与所述第一延迟单元DL1的输入端连接；所述 第一延迟单元的输出端DL1与所述第三反相器INV3的输入端连接；所 述第三反相器INV3的输出端与所述第四反相器INV4的输入端连接；所 述第四反相器INV4的输出端与所述第二与非门NAND2的输入端连接； 所述第二与非门NAND2的输出端与所述第二延迟单元DL2的输入端连 接；所述第二延迟单元DL2的输出端与所述第五反相器INV5的输入端 连接；所述第五反相器INV5的输出端与所述第六反相器INV6的输入端 连接；所述第六反相器INV6的输出端与所述第一与非门NAND1的输入 端连接；

在所述双相不交叠时钟电路输入采样信号ADC_Sample时，生成一 对双相不交叠时钟电路产生的采样相信号PHS和转换相信号PHC；

其中，所述双相不交叠时钟电路的采样相信号PHS和转换相信号 PHC不交叠的时间长短取决于所述延迟单元DL1和DL2的延迟时间长短， 延迟单元DL1和DL2均为相同偶数个反相器依次串联组成；

所述双相不交叠时钟电路产生的采样相信号PHS作为通道选择控制 电路中M个与门电路的输入信号，只有在双相不交叠时钟电路产生的采 样相信号PHS为高电平时，通道才能被打开。

优选地，所述模数转换器电路的类型是逐次逼近型、流水线型以及 sigma-delta型。

在本发明实施例中通过自举开关电路，将通道选择电路中NMOS开 关管的栅源电压固定为一个电源电压的值，也就是说，本发明实施例中 每个通道的导通电阻随着输入模拟信号变化十分小，基本上为恒定的值， 从而弥补现有技术方案中多通道选择电路线性度差的缺陷。相比于现有 技术方案而言，本发明实施例更加适合于低电压、高速、高精度模数转 换器，其中模数转换器类型可为逐次逼近型、流水线型、sigma-delta型等 主流模数转换器。

附图说明

图1是带有M通道选择电路的模数转换器框图；

图2是现有M通道选择电路的模数转换器技术方案框图；

图3是本发明的一种带有M通道选择电路的模数转换器技术方案框 图；

图4是本发明技术方案中一种自举开关电路的示意图；

图5是本发明技术方案中模数转换器在通道打开时输出信号的频谱 图；

图6是现有技术方案中模数转换器在通道打开时输出信号的频谱图。

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，以下将结合本发明 实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。 显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例， 基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前 提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。

图3是本发明的一种带多通道选择电路的模数转换器方案框图，具 体包括：通道选择控制电路301、自举开关多通道选择电路302以及模数 转换器电路303。

通道选择控制电路301的输出和自举开关多通道选择电路302的输 入时钟控制信号相连接，自举开关多通道选择电路302的输出模拟信号 作为模数转换器电路303的输入信号，模数转换器电路303中双相不交 叠时钟电路304产生的采样相信号作为通道选择控制电路301的输入。

图3中通道选择控制电路301的输入为通道选择控制信号Select<k:1> 和模数转换器电路内部双相不交叠时钟产生的采样相信号PHS，输出为 M个自举开关所需要的时钟控制信号CK<M:1>。通道选择控制电路301 包括译码电路Decoder和M个与门AND。通道选择控制信号Select<k:1> 经过译码电路Decoder生成M位选择信号SN<M:1>，其中高电平对应通 道选通，低电平对应通道关闭，SN<M:1>和PHS作为M个与门的输入， 生成相应输出信号CK<M:1>，作为M个自举开关的控制时钟；

图3中自举开关多通道选择电路302，输入为M个自举开关的时钟 控制信号CK<M:1>和M个输入模拟信号VIN<M:1>，输出为模数转换器 电路的输入信号ADC_IN，包括M个自举开关电路和M个NMOS开关 管。M个自举开关电路的输入分别为M个模拟信号VIN<M:1>以及M个 自举开关控制时钟控制信号CK<M:1>，输出个M个开关信号SW<M:1>， 也可称为开关信号，作为M个NMOS开关管的栅极电压，M个模拟输入 信号同时作为M个NMOS开关管的源级电压。VDD和VSS分别是电源 和地。

在本发明实施例的自举开关电路具有如下的特征：

当输入时钟控制信号CK为低电平时，自举开关电路内部的自举电容 Cb充电至电源电压VDD，输出控制信号SW为低电平VSS；

当输入时钟控制信号CK为高电平时，输出控制信号SW跟随输入模 拟信号VIN变化，始终比输入模拟信号高出一个电源电压VDD，即输出 控制信号SW的电压大小为输入模拟信号VIN+电源电压VDD。

为了使本领域技术人员更加详细地理解自举开关的工作原理，本发 明实施例给出一种自举开关电路，具体可以参照图4，自举开关电路可以 包括第一晶体管M1，第二晶体管M2，第三晶体管M3，第四晶体管M4， 第五晶体管M5，第六晶体管M6，第七晶体管M7，第八晶体管M8，第 九晶体管M9，自举电容Cb，第一反相器INV1，其中，

所述输入时钟控制信号CK与所述第一晶体管M1的栅极、所述第二 晶体管M2的栅极以及所述第一反相器INV1的输入端连接；所述第一晶 体管M1的漏极与所述第二晶体管M2的漏极，所述第五晶体管M5的栅 极以及第六晶体管M6的漏极连接；电源电压VDD与所述第一晶体管 M1的源极及其衬底、所述第四晶体管M4的源极以及所述第七晶体管 M7的栅极连接；所述第四晶体管M4的栅极及其衬底与所述第五晶体管 M5的源极及其衬底以及所述自举电容Cb的顶板连接；所述第四晶体管 M4的栅极与所述第五晶体管M5的漏极、所述第六晶体管M6的栅极、 所述第七晶体管M7的漏极、所述第八晶体管M8的栅极以及输出控制信 号SW连接；所述第七晶体管M7的源极与所述第九晶体管M9的漏极连 接；所述第九晶体管M9的栅极与所述第一反相器INV1的输出端以及所 述第三晶体管M3的栅极连接；所述第三晶体管M3的漏极与所述第二晶 体管M2的源极、所述自举电容Cb的底板、所述第六晶体管M6的源极 以及所述第八晶体管M8的漏极连接；所述第八晶体管M8的源极与输入 模拟信号VIN连接；所述第三晶体管M3的源极和所述第九晶体管M9 的源极与地VSS连接；

当所述输入时钟控制信号CK为低电平时，所述第一晶体管M1导通， 所述第二晶体管M2以及所述第五晶体管M5截止，所述第七晶体管M7 以及所述第九晶体管M9导通，所述第三晶体管M3以及所述第四晶体管 M4导通，所述电源电压VDD对所述自举电容Cb充电至所述电源电压 VDD，所述第五晶体管M5以及所述第六晶体管M6截止，所述输出控制 信号SW为低电平；

当所述输入时钟控制信号CK为高电平时，所述第一晶体管M1以及 所述第三晶体管M3截止，所述第二晶体管M2导通，所述第五晶体管 M5栅极的电压为低电平，所述第五晶体管M5导通，所述自举电容Cb 对所述第八晶体管M8的栅极充电，使得所述第八晶体管M8导通，所述 第八晶体管M8使所述输出控制信号SW跟随所述输入模拟信号VIN，并 保持输出开关信号SW比所述输入模拟信号VIN高出所述电源电压VDD， 即SW＝VIN+VDD。

在本示例中，该自举开关电路中一共包含9个MOS管、1个反相器 INV1、一个自举电容Cb，CK为输入时钟控制信号，VIN为通道选择电 路中的输入模拟信号，SW为自举开关的输出控制信号，VDD和VSS分 别为高电平的电源电压和低电平的地。

当时钟控制信号CK为低电平时，M1导通，M2以及M5截止，M7 以及M9导通，输出开关信号SW被拉低为低电平，M3以及M4导通， 电源VDD对自举电容Cb充电至VDD，M5以及M6截止；

当时钟控制信号CK为高电平时，M1以及M3截止，M2导通，将 M5的栅极电压拉低，M5导通，Cb开始对M8的栅极充电，使得M8导 通，M8使自举开关的输出控制信号SW跟随输入模拟信号VIN，并保持 输出开关信号SW比输入模拟信号VIN高出电源电压VDD，即输出控制 信号SW＝输入模拟信号VIN+电源电压VDD。

需要强调的是，其他类型的自举开关电路均适合本发明的方案，上 述的自举开关电路仅仅作为示例，本发明并不局限于一种自举开关电路。

在自举开关多通道选择电路302中，M个自举开关电路的输出控制 信号SW<M:1>作为M个NMOS开关管的栅极电压，控制着M个通道的 输入模拟信号VIN<M:1>是否被选择，M个NMOS开关管的漏极接在一 起作为模数转换器电路303的输入信号。

当所述选择信号SN<M:1>均为低电平时，所述自举开关电路的输入 时钟控制信号CK<M:1>和所述输出控制信号SW<M:1>均为低电平，则所 述模数转换器电路不选择任何通道的输入模拟信号VIN<M:1>；

当所述选择信号SN<M:1>存在一位高电平时，则其他M-1位均为低 电平时，所述模数转换器电路选择所述为高电平的选择信号对应通道的 模拟信号。

在具体实现中，当选择信号SN<M:1>为全0(即低电平)时，M个 自举开关电路的输入时钟控制信号CK<M:1>和输出控制信号SW<M:1> 均为低电平，模数转换器电路303在采样相信号PHS下不会选择任何通 道的输入模拟信号VIN<M:1>；当第i个选择信号SN<i>和输出采样信号 PHS均为1(高电平)时，除了第i个选择信号之外，其他的选择信号 SN<M:i+1>和SN<i-1:1>均为0，且对应的输入时钟控制信号CK<i>为高 电平，第i个输出控制信号SW<i>大小为第i个输入模拟信号VIN<i>+电 源电压VDD，第i通道在模数转换器电路303的采样相信号PHS下导通。

模数转换器电路303，用于转换自举开关多通道选择电路所选择的模 拟信号，内部的双相不交叠时钟电路产生的采样相信号PHS作为通道选 择控制电路的输入。

在本发明的一种优选实施例中，所述模数转换器电路303包括双相 不交叠时钟电路304；在所述双相不交叠时钟电路304中包括第二反相器 INV2，第三反相器INV3，第四反相器INV4，第五反相器INV5，第六反 相器INV6，第一与非门NAND1，第二与非门NAND2，第一延迟单元 DL1以及第二延迟单元DL2；

所述模数转换器电路中采样信号ADC_Sample与所述第二反相器 INV2的输入端以及所述第二与非门NAND2的输入端连接；所述第二反 相器INV2的输出端与所述第一与非门NAND1的输入端连接；所述第一 与非门NAND1的输出端与所述第一延迟单元DL1的输入端连接；所述 第一延迟单元的输出端DL1与所述第三反相器INV3的输入端连接；所 述第三反相器INV3的输出端与所述第四反相器INV4的输入端连接；所 述第四反相器INV4的输出端与所述第二与非门NAND2的输入端连接； 所述第二与非门NAND2的输出端与所述第二延迟单元DL2的输入端连 接；所述第二延迟单元DL2的输出端与所述第五反相器INV5的输入端 连接；所述第五反相器INV5的输出端与所述第六反相器INV6的输入端 连接；所述第六反相器INV6的输出端与所述第一与非门NAND1的输入 端连接；

当在双相不交叠时钟电路304输入采样信号ADC_Sample时，生成 一对双相不交叠的采样相信号PHS和转换相信号PHC；

其中，所述双相不交叠的采样相信号PHS和转换相信号PHC不交叠 的时间长短取决于所述延迟单元DL1和DL2的延迟时间长短，延迟单元 DL1和DL2均为相同偶数个反相器依次串联组成。

图3中模数转换器电路303包含双相不交叠时钟电路304，双相不交 叠时钟电路304输出采样相信号PHS作为通道选择控制电路301中M个 与门的输入信号，只有在采样相信号PHS为高电平时，通道才有可能被 打开，导通电阻近似如式2。

$R_{on}\approx \frac{1}{{\mu }_n{C}_{ox}{\left(\frac{W}{L}\right)}_N(V_{DD}-V_{THN})}---\left(2\right)$

从式2可以看出通道的导通电阻与输入信号无关，为一固定值。

在本发明的一种优选实施例中，所述模数转换器电路的类型包括逐 次逼近型、流水线型以及sigma-delta型。当然，该模数转换器电路的类 型也可以是其他的类型，本发明实施例对此不加以限制。

为了进一步说明本发明实施例的优势，同等条件下，仿真模数转换 器在通道打开时整体电路线性度，对输出信号做快速傅里叶变换，本发 明技术方案以及现有技术方案对应频谱分别如图5和图6所示。将两个 频谱图对比可知，相比于现有技术方案而言，本发明实施例的无杂散动 态范围提高10dB左右，谐波明显小很多，线性度大幅度提高。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点 说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分 互相参见即可。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅 用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求 或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且， 术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而 使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要 素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、 方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由 语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、 物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种适合于高速高精度模数转换器的多通道 选择电路，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及 实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方 法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思 想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明 书内容不应理解为对本发明的限制。