毕业设计 4位CMOS流水线ADC的设计.doc

重庆大学本科学生毕业设计（论文）4位CMOS流水线ADC的设计学生：学号：指导教师：专业：重庆大学光电工程学院二OO九年六月GraduationDesign(Thesis)ofChongqingUniversityDesignofA4-BitCMOSPipelinedADCUndergraduate:XiaoShengqiangSupervisor:AssociateProfessorPanYinsongMajor:ElectronicScienceAndTechnologyCollegeOfOptoelectronicEngineeringChongqingUniversityJune2009重庆大学本科学生毕业设计（论文）中文摘要I摘要随着数字信号处理技术的迅速发展和成熟，将需处理的模拟信号转换成数字信号来进行信号处理的方法得到了越来越广泛的应用。ADC作为连接模拟和数字世界的接口电路，在这种处理方法中占据着十分重要的地位，甚至影响到了数字信号处理技术的应用和推广。此外，作为IC设计主流的CMOS技术的不断发展带来了越来越明显的速度、功耗、和成本优势，特别是SOC技术、数模混合IC设计技术的出现，更是把ADC的设计重新推到了设计的重要地位。本文设计了一个4位CMOS流水线ADC，采样速率为20MSPS。在了解了CMOS流水线ADC的原理和分析了若干设计的优缺点后，主要做了以下的工作：（1）采用翻转结构的采样保持电路，降低了功耗；（2）采用了数字纠错技术和增益误差校正技术，减小了系统的误差；（3）采用一种动态比较器来提高速度、降低功耗，该动态比较器直流功耗为0；（4）对各个核心单元电路进行了仿真，并结合设计要求进行了优化。研究结果表明，本次设计达到了要求，具有一定的理论价值和应用前景。关键词：ADC，流水线，采样保持，子ADC，子DAC重庆大学本科学生毕业设计（论文）ABSTRACTIIABSTRACTBecauseoftherapiddevelopmentandmaturingofdigitalsignalprocessingtechnology,toconverttheanalogsignalstodigitalsignalsbecomesmoreandmorepopular.Asaconnectionofanaloganddigitalcircuits,ADCplaysagreatroleinthisprocessing,andevenmoreaffectstheapplicationandpromotionofdigitalsignalprocessingtechnology.Inaddition,theunceasingdevelopmentofCMOStechnologywhichisamainstreamofICdesignbringsmoreandmoreobviousspeed,power,andcostadvantages,andespeciallytheSOCtechnologyandmixed-signalICdesigntechniquesturnup,whichputtheADCdesigntothemostimportantstatusindesign.ThispaperdesignsafourbitsCMOSpipelineADCanditssamplingrateis20MSPS.BystudyingtheCMOSpipelineADCsprincipleandanalyzingtheadvantagesanddisadvantagesofseveraldesignsthesethingshasbeendone:(1)Usingtheflipstructuresamplingcircuittoreducethepowerconsumption；(2)Usingthedigitalcorrectiontechnologyandgainerrorcorrectiontechnique,toreducetheerrorofthesystem；(3)Usingadynamiccomparatorsforhighspeedandlowerpowerconsumption,andthedynamiccomparatorsdcpoweris0；(4)simulatethemainunitcircuitandoptimizethedesignfortherequirements.Theresearchresultsshowthatthedesignmeetsthestandards,andhascertaintheoreticalvalueandapplicationprospect.Keywords：ADC,pipelined,sample-hold,sub-ADC,sub-DAC重庆大学本科学生毕业设计（论文）目录IV目录摘要.IABSTRACT.II1绪论.51.1课题背景.51.2国内外研究现状及发展方向.61.3论文结构安排.82流水线ADC的原理分析.92.1流水线ADC的工作原理.92.2模数转换器的性能参数.123流水线ADC误差分析及性能改进.153.1流水线ADC误差分析.153.1.1MOS采样开关的误差.153.1.2MDAC电路的误差分析.163.1.3比较器失调.183.2减小误差的措施.183.2.1底极板采样技术.183.2.2数字校正技术.184核心单元电路的设计.204.1采样保持电路的设计.204.1.1采样保持放大器的设计.204.1.2采样保持模块的设计.224.2子ADC的设计.244.2.1比较器的设计.244.2.2编码电路(DECODER)的设计.264.3子DAC的设计.274.3.1与非门电路的设计.284.3.2子DAC电路及仿真.294.4数字校正电路的设计.315版图设计.335.1版图设计简介.335.1.1版图设计概述.33重庆大学本科学生毕业设计（论文）目录IV5.1.2各种元器件的绘法.335.2单元电路的版图设计.355.2.1采样保持放大器的版图设计.365.2.2采样保持模块的版图设计.375.2.3动态比较器的版图设计.385.2.4编码器的版图设计.395.2.5与非门电路的版图设计.405.2.6子DAC版图设计.415.2.7D触发器的版图设计.42结论.43致谢.44参考文献.45重庆大学本科学生毕业设计（论文）2流水线ADC的原理分析IV1绪论1.1课题背景随着计算机技术、多媒体技术、信号处理(DSP)技术、微电子技术的发展，电子技术的应用己经逐渐渗透到军事和民用领域的各个角落，不断推出先进的电子系统。目前，在信号传输和信号处理领域，大都采用数字系统进行信号处理。但是，对来自于自然界的信号，如语音信号、传感器信号等大多是模拟量，而且处理后的数字信号往往还要再转换为模拟信号，以实现系统对外界的控制。因此在模拟世界和数字处理系统之间，必然要存在转换接口。当前先进的电子设备系统中，它的前端和后端处理都分别应用到A/D(Analog-to-Digital)和D/A(Digital-to-Analog)转换器。模数转换器(ADC)就是将模拟信号转换为数字信号的接口电路，它的功能是把外界的模拟输入量转换为按照一定规则与之对应的数字编码。在现代先进的电子系统前端和后端都要用到高性能1（包括高分辨率2、高速、低功耗、小面积等等）的模数转换器和数模转换器，来改善数字处理技术的性能，特别是诸如雷达、声纳、高分辨率视频和图像显示、军事和医疗成像、高性能控制器与传动器，以及包括无线电话和基站接收机在内的现代数字通讯系统。A/D和D/A转换器的市场呈稳步增长的发展趋势，在现代军用和民用电子系统中均显示出其重要地位。2000年的市场销售额己达20.3亿美元。在单片ADC的实现方面，相继提出了全并行(Flash)、子区式(Subranging)、折叠-插值(FoldingandInterpolating)、流水线(Pipelined)、过采样(OverSampling)、-和并行时间交织(ParallelTime-Interleaved)等结构。其中全并行结构由于其全并行信号处理的特点，在现有的结构中速度最高，输入到输出延迟最小，但随着分辨率的增加，内部元件数目呈几何级数上升，同时对电阻等元器件精度和匹配特性提出严格的要求；折叠插值结构应用折叠和插值技术纠正了全并行结构中电路规模指数增长的缺点，但折叠处理限制了信号带宽，并且对晶体管的跨导和匹配特性提出了很高的要求；子区式结构通过将转换范围分区和信号分步的方法来换取电路规模和功耗的减少，但其多级转换降低了转换器的转换速度；-结构通过过采样(fsample/fin>2)和噪声整形可以获得比其他结构都要高的分辨率，但其可以处理的信号频率很低，只适用于音频信号的处理；并行时间交织结构将多路结构一致的ADC组合在起，使它们对同一个输入信号进行时间交织采样，以此来实现单个ADC所不能达到的速度，然而通道间失调和增益的不匹配、非均匀采样等问题使其难以达到较高的精度。