可校正有限增益误差的乘法型数模转换器

本发明涉及一种可校正有限增益误差的乘法型数模转换器，它的直接应用领域是高速高 精度、低功耗流水线A/D转换器。

乘法型数模转换器是流水线A/D转换器的子级核心单元，图1给出了一个全差分乘法型 数模转换器的基本结构。该结构的优点是利用了反馈原理，使增益等于采样电容Cs与反馈电 容Cf之比，提高了增益的精度和线性度。但该结构的增益误差太大，主要来源有两处：1) 采样电容Cs与反馈电容Cf的精度和匹配度有限，使得其比值不能精确等于电路设计值，导致 级间增益误差。2)运算放大器A的直流有限增益，使得运放输入端的“虚地”等效非理想， 导致级间增益误差。

对于以上两个误差来源，第一个主要受制造工艺的影响；第二个误差源，本可通过提高 运算放大器的直流增益来解决，但为对于有低功耗需求的乘法型模数转换器，运算放大器的 直流增益要被限制，不能做得很大，典型值约在60dB左右，因此低功耗乘法型数模转换器 的有限增益误差很难减小。

本发明所要解决的技术问题在于发明一种可校正有限增益误差的乘法型数模转换器，减 小其有限增益误差，同时实现电路的低功耗。

为实现上述目的，本发明解决上述技术问题所采取的技术方案在于本发明的可校正有限 增益误差的乘法型数模转换器含有：

一个放大电路单元，包括：运算放大器A2、采样电容Cs1+和Cs1-、反馈电容Cf1+和Cf1-、 互连开关Ss1+和Ss1-、互连开关Sr1+和Sr1-、互连开关Sf1+和Sf1-，其中，

Cs1+的一端通过Ss1+和Sr1+分别连接正向输入信号Vin+和参考电压，Cs1+的另一端接A2的 负输入端，Cf1+的一端通过Ss2+和Sf1+分别连接正向输入信号Vin+和A2的正输出端，Cf1+的另 一端与A2的负输入端连接，Cs1-的一端通过Ss1-和Sr1-分别连接负向输入信号Vin-和参考电压， Cs1-的另一端与A2的正输入端连接，Cf1-的一端通过Ss2-和Sf1-分别连接负向输入信号Vin-和 A2的负输出端，Cf1-的另一端与A2的正输入端连接；和

一个有限增益误差校正电路单元，包括：可变增益放大器A3、补偿电容Ccal+和Ccal-、互 连开关S1+和S1-、互连开关S2+和S2-，其中，

Ccal+的一端通过S1+连接A2的正输入端，Ccal+的另一端连接A3的正输出端，A3的负输 入端通过S2+与A2的负输出端连接，Ccal-的一端通过S1-连接A2的负输入端，Ccal-的另一端连 接A3的负输出端，A3的正输入端通过S2-与A2的正输出端连接。

所述互连开关Ss1+和Ss1-、互连开关Sr1+和Sr1-、互连开关Sf1+和Sf1-、互连开关S1+和S1-、 互连开关S2+和S2-均为常规的CMOS开关。

所述采样电容Cs1+和Cs1-、反馈电容Cf1+和Cf1-均为常规的金属电容，电容值为1～2pF。

所述运算放大器A2为常规的运算放大器，其增益为40～60dB。

所述补偿电容Ccal+和Ccal-为常规的金属电容，电容值为10～50fF。

所述放大器A3为常规的可变增益放大器，通过调整A3的增益GA3，以抵消制造工艺与 温度变化带来的误差。

有益效果：

与常规的乘法型数模转换器相比，本发明的可校正有限增益误差的乘法型数模转换器， 具有以下优点：

1.本发明通过两个补偿电容Ccal+、Ccal-和一个放大器A3，组成校正电路，将部分输出 量可调节地补偿到运算放大器A2的输入端，对“虚地”不为零进行调整，极大地减小了有 限增益误差。对比本发明电路与常规乘法型数模转换器中的运算放大器增益与级间增益误差 的关系曲线图，即对比图4与图3，以增益为65dB为例，它们的增益误差分别为0.11％与 0.01％，可知，采用本发明电路后，整个流水线A/D转换器的有限增益误差下降1个数量级。

2.本发明采用有限增益误差校正电路单元，减小了常规电路的增益误差，降低了运算放 大器的直流增益要求，从而降低了流水线A/D转换器的功耗。常规12位流水线A/D转换器 中的运算放大器单元需要增益85dB，功耗约为16～18mW。采用本发明电路后，12位流水线 A/D转换器中的运算放大器单元仅需要增益62dB，就可满足12位精度要求，其功耗约为 6～8mW，功耗减少50％。

3.本发明电路中，放大器A3的增益是可调节的，有效抵消了温度和工艺变化带来的有 限增益误差，使得本发明电路的可靠性高。

图1为常规的乘法型数模转换器的电路图；

图2为本发明的乘法型数模转换器的电路图；

图3为常规乘法型数模转换器中的运算放大器增益与级间增益误差的关系曲线图；

图4为本发明的乘法型数模转换器的运算放大器增益与级间增益误差的关系曲线图。

本发明的具体实施方式不仅限于下面的描述，现结合附图加以进一步说明。

本发明的乘法型数模转换器的电路图如图2所示。它的基本组成包含一个放大电路单元 和一个有限增益误差校正电路单元。放大电路单元包括：运算放大器A2、采样电容Cs1+和 Cs1-、反馈电容Cf1+和Cf1-、互连开关Ss1+和Ss1-、互连开关Sr1+和Sr1-、互连开关Sf1+和Sf1-。 有限增益误差校正电路单元包括：可变增益放大器A3、补偿电容Ccal+和Ccal-、互连开关S1+ 和S1-、互连开关S2+和S2-。

图2中的具体连接关系、作用关系与本说明书的发明内容部分相同，此处不再重复。它 的工作原理如下：

当电路处于采样阶段时，开关Ss1+和Ss1-、Ss2+和Ss2-闭合，开关Sf1+和Sf1-、Sr1+和Sr1-、 S1+和S1-、S2+和S2-断开，输入信号被保存到采样电容和反馈电容上。此时，有限增益误差校 正电路单元不工作，处于清零状态。

当电路处于放大阶段时，开关Ss1+和Ss1-、Ss2+和Ss2-断开，开关Sf1+和Sf1-、Sr1+和Sr1-、 S1+和S1-、S2+和S2-闭合，采样电容连接参考电压，反馈电容连接在运算放大器A2输入输出 两端。通过电荷守恒，输入信号被放大到运算放大器A2的输出端。此时，有限增益误差校 正电路开始工作，其输入输出两端连接在运算放大器A2的输入输出端，将部分输出量可调 节地补偿到运算放大器A2的输入端，对“虚地”不为零进行调整，极大地减小了有限增益 误差。此时，级间增益表达式为：

$G_{\mathrm{closed}}=\frac{C_s+C_f}{C_f+\frac{C_s+C_f}{G_{A2}}+\frac{C_{\mathrm{cal}}}{G_{A2}}-G_{A3}{C}_{\mathrm{cal}}}---\left(1\right)$

其中，Cs＝Cs1+＝Cs1-、Cf＝Cf1+＝Cf1-、Ccal＝Ccal+＝Ccal-，GA2、GA3分别表示运算放大器A2、 A3的直流增益。

从(1)式可以看出，若没有引入有限增益误差校正电路单元，即GA3、Ccal两项为零， 当运算放大器A2的直流增益有限时，级间增益不等于采样电容与反馈电容之间的比值，存 在增益误差；

当引入有限增益误差校正电路单元后，即使运算放大器A2直流增益有限，若分母中第 二、三、四项之和为零，则乘法型数模转换器仍能保持理想的级间增益。因此，通过选择合 适的电容值和运算放大器的增益，满足表达式(2)，即可达到校正乘法型数模转换器的有限 增益误差的目的。

$C_{\mathrm{cal}}=\frac{C_s+C_f}{G_{A3}{G}_{A2}-1}---\left(2\right)$

为抵消制造工艺和温度变化带来的误差量，放大器A3的增益是可调的，通过调整A3的 增益值GA3，来始终确保表达式(2)成立。

所述互连开关Ss1+和Ss1-、互连开关Sr1+和Sr1-、互连开关Sf1+和Sf1-、互连开关S1+和S1-、 互连开关S2+和S2-均为常规的CMOS开关。

所述采样电容Cs1+和Cs1-、反馈电容Cf1+和Cf1-均为常规的金属电容，电容值为1～2pF。

所述放大器A2为常规的运算放大器，其增益为40～60dB。

所述补偿电容Ccal+和Ccal-为常规的金属电容，电容值为10～50fF。

所述放大器A3为常规的可变增益放大器，通过调整A3的增益GA3，以抵消制造工艺与 温度变化带来的误差。