用于高速高性能模数转换器输入缓冲的电源装置

1.本发明涉及的是一种数字电路领域的技术，具体是一种用于高速高性能模数转换器输入缓冲的电源装置。


背景技术：

2.高速高性能模数转换器对于输入缓冲器的性能提出了很高的要求，而偏置电压对于输入缓冲器的性能具有很大的影响。且为了能够让输入缓冲器达到较高的性能还会使用负的电源电压，而大部分片上负电压是由片外电源直接连接产生的，片外电源产生的片外纹波很大程度上影响输入缓冲器的线性度及驱动能力。为了减小偏置电压以及电源电压对于输入缓冲器性能的影响，片内电源是优质的解决方法，片上电感型dc-dc电源辐射的高次谐波会严重影响，且随着工艺尺寸及片外电源电压的降低，要做到片内高压很消耗面积和功耗，应用于高速高性能模数转换器场景中不适合。而有关于片上电荷泵电源的研究不够。在已有的研究中，几乎没有设计可以兼顾输出多级电压和较小纹波。
3.现有的片上电源中电感型dc-dc占大部分，通常功耗较大，输出纹波较大，且集成度不高，小部分电容型电荷泵电源电路的输出是固定的，在实际工作环境发生变化时因存在非理想因素而产生较大的纹波且输出的电压值可能会发生偏移且不稳定，上述技术不适用于为高速高性能模数转换器场景中的高性能输入缓冲器供电。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于高速高性能模数转换器输入缓冲的电源装置，通过采用正负电压电荷泵结构，使用多相时钟及退耦电容(decap)结构，并由数字控制信号控制，集成在芯片上而非使用片外模块，通过多相位时钟，实现不使用超高频时钟直接驱动电荷泵的情况下产生较小纹波的电源电压，从而降低了片外电源纹波对所供电模块性能的影响，可以为应用于高速高性能模数转换器场景中的高性能输入缓冲器提供稳定的、纹波很小的电压，并向输入缓冲器提供多级可调节参考电压。
5.本发明是通过以下技术方案实现的：
6.本发明涉及一种应用于高速高性能模数转换器输入缓冲的电源装置，包括：偏置电路、负电压电荷泵、正电压电荷泵、退耦电容和八分频的时钟电路，其中：时钟电路根据高频时钟，分别输出八相时钟中的一相时钟至模数转换器后的数字部分的开关作为控制数字部分的数据对齐的时钟、输出八相时钟至正电压电荷泵和负电压电荷泵的输入端，正负电压电荷泵根据八相时钟分别产生并输出稳定的、纹波小的片上正负电压，同时为偏置电路提供片上电源电压，偏置电路根据数字控制信号控制产生四个可变参考电压，退耦电容与正电压电荷泵相连接，以实现正电压电荷泵高压域稳定。技术效果
7.本发明使用该技术手段设计的电源供应方案可以为高频输入缓冲器提供更大的电压裕度，从而减轻输入缓冲器的设计难度。所应用到输入缓冲器，可以使输入缓冲器提供
75db的无杂散动态范围(sfdr)性能。
附图说明
8.图1为本发明结构示意图；
9.图2为实施例应用场景示意图；
10.图3为电源设计结构框图中偏置电路的电路图；
11.图4为八相时钟时序图；
12.图5为负电压电荷泵负压的建立图。
具体实施方式
13.如图1所示，为本实施例涉及一种应用于高速高性能模数转换器输入缓冲的电源装置，包括：偏置电路、负电压电荷泵、正电压电荷泵、退耦电容和八分频的时钟电路，其中：时钟电路根据高频采样时钟clk_in，分别输出八相时钟clk1～clk8中的一相时钟clk1至模数转换器后的数字部分的开关作为控制数字部分的数据对齐的时钟、输出八相时钟clk1～clk8至正电压电荷泵和负电压电荷泵的输入端，正、负电压电荷泵根据八相时钟分别产生并输出稳定的、纹波小的片上正负电压，同时为偏置电路提供片上电源电压，偏置电路由数字控制信号控制产生四个可变参考电压vref1～vref4并输出，退耦电容与正电压电荷泵相连接，以实现正电压电荷泵高压域稳定。
14.如图3所示，所述的偏置电路包括：四个相同的电阻阵列，用于为输入缓冲器提供四个参考电压vref1、vref2、vref3、vref4，该偏置电路通过电阻分压产生四个参考电压vref1、vref2、vref3、vref4，该偏置电路包括：四个电阻阵列和开关，其中：电阻阵列两端分别接片上正电压电荷泵产生vdd(1.8v)和片上负电压电荷泵产生的vss(-0.5v)，开关分别跨接在电阻阵列各个电阻两端，由电阻阵列控制字bias1《8:1》、bias2《8:1》、bias3《8:1》、bias4《8:1》控制产生参考电压。
15.所述的电阻阵列为多个不同权重的电阻串联，其中：en《4:1》为偏置电路模块的使能信号，用来控制偏置电路的工作状态，当en《4:1》为低电平时，偏置电路通路断开，vref1、vref2、vref3、vref4被置位到vdd(1.8v)，使得输入缓冲器关断。此结构的优点是可以通过改变电阻阵列控制字对产生的参考电压进行调控，以适应不同工作环境下或者不同工艺角条件下对参考电压的不同要求，且有使能控制，降低了功耗。
16.如图4所示，所述的负电压电荷泵用于生成片上负压，并且通过八相时钟输入来实现输出负压的稳定，并且可以很大程度上减小负压的纹波，输入时钟的频率越快，对负电压电荷泵的充电频率越快，产生的纹波就越小，但在实际操作中使用ghz以上的时钟对电荷泵进行驱动会导致设计比较困难，在本实施例中采用分频产生的八个不同相位的低频时钟控制开关电容型负压电荷泵，通过多相位弥补频率上的不足，从而在不使用超高频时钟直接驱动电荷泵的情况下获得较小纹波的负电源电压，其中：八相时钟clk1～clk8与模数转换器的采样有关，是通过将采样时钟进行八分频产生了不同相位的八个时钟clk1～clk8，使八相时钟clk1～clk8的翻转与采样时钟clk_in的翻转处在同一时刻，这样可以很大程度上减小或者取消纹波的影响。
17.如图2所示，为本实施例电源模块的具体实施例的应用场景，包括：输入缓冲电路
以及多路模数转换器，其中：上述电源模块根据高频采样时钟clk_in和数字控制信号，输出一相时钟连接到模数转换器后的数字部分的开关，作为控制数字部分的数据对齐的时钟，输出端与输入缓冲电路的电源电压输入端相连，为输入缓冲电路提供稳定的片上正电压和稳定的片上负电压，并且为输入缓冲器提供参考电压vref1～vref4。输入缓冲电路的输入端输入模拟信号vinm和vinp，在由电源模块提供的稳定正负电压下，输出端接四路子模数转换器的输入端。
18.所述的多路模数转换器为高速高性能模数转换器，通过时间交织技术实现超高速的模数转换。
19.所述的输入缓冲电路采用的源级跟随器(source follower)架构，输入缓冲电路后面连接了多路高速高性能模数转换器，输入缓冲电路的等效输出负载比较大，需要较大的驱动能力，因此输入缓冲电路的设计难度增加、要求增大，具体可以体现为需要更广范围的电压，所需最高电压会超出整体模数转换器系统的电源电压，所需最低电压会低于零电位。此外，电源纹波对输入缓冲电路性能的影响也不容忽视，纹波过大会产生不期望的谐波，影响整体模数转换器的性能。
20.如图5所示，为本实施例的负压建立时间波形图，在由八分频器产生的八相时钟clk1～clk8的输入下，负压能够很快的建立，建立时间约为10us，并且由于八相时钟clk1～clk8的翻转与采样时钟clk_in的翻转同步，减小了在采样过程中电源的纹波对输入缓冲器造成的影响，稳定后电压纹波能够达到2mv。较小纹波的电压为source follower输入缓冲器能够实现好的性能提供了保证。
21.经过具体实际实验，本电源装置在高速高性能模数转换器的高频率输入缓冲器、输入时钟为超高频率时钟的应用场景下，输出的片上负压的纹波低至2mv；所应用到输入缓冲器，可以使输入缓冲器提供75db的无杂散动态范围(sfdr)性能。
22.与现有技术相比，本装置主要应用于高速高性能模数转换器的高频率输入缓冲器，采用分频产生的八个不同相位的低频时钟控制开关电容型负压电荷泵，通过多相位弥补频率上的不足，从而在不使用超高频时钟直接驱动电荷泵的情况下获得较小纹波的负电源电压。
23.解决了相关技术中的不能兼顾输出多级参考电压和较小纹波负电源电压的问题，时钟同时连接到模数转换器后的数字部分的开关，作为控制数字部分的数据对齐的时钟。
24.上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。