（微电子学与固体电子学专业论文）12位流水线型ad转换器设计.pdf

摘要 论文题目：1 2 位流水线型 o 转换器设计 学科专业：微电子学与固体电子学 研究生：申向顺 指导教师：雷天民教授 摘要 签名：空鱼嗵 签砬! 型 本文设计了一种应用广泛的流水线型a o 转换器，分辨精度1 2 位，采样速率5 0 m h z ， 输入范围l v ，工作电压3 3 v 。 首先介绍了几种应用较为广泛的a d 转换器的结构和工作原理，并对其优缺点进行了 分析。然后结合设计指标确定了本文流水线型a d 转换器的主体结构，经过权衡考虑计划 采用8 级流水线型结构实现，结合冗余位数字校j 下技术，第一级采用4 位级结构，后面 6 级为1 5 位级结构，最后一级为2 位级结构。 电路的设计从系统级开始，首先分析其功能然后由功能得出算法，再由算法设计出具 体的电路。采样保持电路( s h a ) 采用翻转式结构，提高了采样速度和减d , y 因电容失配引 起的采样误差；除过最后一级每级流水线都包含一个闪烁型( f l a s h ) a d c 和余量增益电 路( m d a c ) ，第一级流水线包含个4 位子a d c 和4 位m d a c ，后面6 级流水线包含一个1 5 位子a d c 和1 5 位m d a c ，最后一级流水线仅包括一个2 位子a d c ；译码电路和数字校正电 路由逻辑电路构成。 最后使用h s p i c e 软件和t s m c0 3 5 u mc m o st 艺库对电路逐级仿真，仿真结果显示各 级电路能够实现基本功能，转换出的1 2 位数字信号在最后4 位出现了误差，对于误差的 减小还需要进一步研究。 关键词：模数转换；流水线；开关电容电路；数字校正 a b s tr f i c t t i t l e ：t h ed e s l g no f1 2b i tp i p e l i n e da dc o n v e r t e r m a j o r ： m i c r o e l e c t r o n i c sa n ds o l i d - s t a t ee l e c t r o n i c s n a m e ：x i a n g s h u ns h e n s u p e r v i s o r ：p r o f t i a n m i nl e i s i g n a t u r e ：盖确些坐姆 渤于鲥“k s ig n a t u r e ：萨剐u 一二 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，a1 2 b i t ，5 0 m s p s ，1 vi n p u tr a n g e ，s i n g l e3 3 vs u p p l y ，p i p e l i n e da d ci s p r e s e n t e d f i r s tt h ea r c h i t e c t u r ea n dt h et h e o r yo fs e v e r a lp o p u l a ra d ci sp r e s e n t e d ，t h ea d v a n t a g e a n dt h ed i s a d v a n t a g ei sa n a l y z e d t h e nt h eb a s i ca r c h i t e c t u r ei sd e s i g n e d ，t h ea r c h i t e c t u r e c o n s i s t so faf r o n te n ds h af o l l o w e db yap i p e l i n e ds w i t c h e dc a p a c i t o ra d c t h ep i p e l i n e d a d ci sd i v i d e di n t ot h r e es e c t i o n s ，c o n s i s t i n go fa4 b i tf i r s ts t a g ef o l l o w e db ys i x1 5 b i ts t a g e s a n daf i n a l2 b i tf l a s h t h ed e s i g ni sb e g i na tt h es y s t e ma r c h i t e c t u r e ，t h ef u n c t i o ni sa n a l y z e df i r s t l y , t h e ne d u c e t h ea r i t h m e t i c ，t h ec i r c u i ti sb a s e do na r i t h m e t i c t h es h au s e do v e r t u n - ia r c h i t e c t u r e e a c h s t a g eo ft h ep i p e l i n e ，e x c e p t i n gt h el a s t ，c o n s i s t so f al o wr e s o l u t i o nf l a s ha d cc o n n e c t e dt oa s w i t c h e dc a p a c i t o rd a ca n di n t e rs t a g er e s i d u ea m p l i f i e r ( m d a c ) ，t h ee n c o d e ra n dt h e c o r r e c t i o nl o g i cc o n s i s t so fl o g i cc i r c u i t t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw i t hh s p i c ea n dt s m co 3 5 u r nc m o s p r o c e s sp r o v e si tc a nc a r r y o u tt h eb a s i cf u n c t i o n ，t h el a s t4 b i to ft h ed i g i t a lo u t p u t si si m p r e c i s e k e yw o r d s ：a n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r s i o n ；p i p e l i n e d ；s w i t c h e dc a p a c i t o rc i r c u i t ；d i g i t a l c o r r e c t i o n 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：聋鱼! ：! 煎一7 1 年罗月2 7 日 学位论文使用授权声明 本人望鱼虫灸在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：毒蛳 导师签 ( ， 名塑 口7 年了月上7 日 绪论 1绪论 1 1 课题的目的及意义 现代社会中，电视机、计算机、网络、无线通信等电子产品，给人们带来了丰富多彩 的娱乐享受，采用电子系统控制的新一代家电，如冰箱、空调、汽车等使人们的生活更加 便利。近年，随着超大规模集成电路技术的发展，传统的模拟信号处理技术正逐渐被具有 更大灵活性和可靠性的数字信号处理技术所取代。然而无法改变的是自然界是一个模拟的 世界，人们以模拟的形式对其进行感知和改造。因此，需要一座连接模拟世界和数字世界 的桥梁，这就引出了数据转换技术“1 。能够把外界的模拟信号采集进来，并把它转换为数 字信号的系统称之为模数转换器( a d c ) ；相应的能够把数字信号转换为模拟信号的系统称 之为数模转换器( d a c ) 。 一般情况信号的处理过程为，外界的模拟信号经过a d c 采集进来，将其量化成数字信 号的形式：这个数字信号再经过d s p 或c p u 等数字信号处理器进行处理；经过处理的数字 信号往往还需要再经过d a c 转换为模拟的形式，最终输出用束控制各种机电设备或者直接 输出被人们所利用，例如显示器和音响系统。这个过程如图卜l 所示”1 。 删叶驴固n 勇沪 滤波器 i 笙l l - i 信号的处理过挫 f i g 1 1b l o c kd i a g r a mo fs i g n a lp r o c e s s i n g 早在几千年前，数据转换技术就已经被人们所掌握并广泛应用于日常生活之中，某些 技术直到现在还被人们所使用。例如尺子就是一个最简单的a d c ，对于物体的长度而言它 是一个连续的模拟信号，当我们用尺子对其进行测量时，就把这个输入的模拟信号进行了 离散化并最终转换为了具体的数量值即数字信号。量筒也是一个简单的a d c ，当我们把水 倒入量筒时，水的体积这个模拟值将被量筒壁上的刻度进行离散和量化，我们最终读出的 水的体积就是经过量化的数字信号。至今，这些基本的量化原理仍被人们使用，现代电子 技术所实现的数据转换系统只是形式上的改变，其本质的核心理论与尺子和量筒是统一 的。 当前，a d 转换系统广泛应用于视频信号处理、无线通信、自动控制和雷达等领域。 本文将设计一种应用于视频信号采集的精度1 2 位，转换速度5 0 m s p s 的高速a d c 。 西安理工大学硕士学位论文 1 2 模数转换器的发展历史及国内外现状 现代a d c 是伴随着p c m ( p u l s ec o d e m o d u l a t i o n ) 技术在电话中的应用在2 0 世纪3 0 年 代发展起来的。1 。2 0 世纪5 0 年代，随着数字计算机和各种航空器及导弹数据处理系统 的出现，a d c 获得了进一步的发展。这个时期的a d c 都使用真空管来实现，成本极高，体 积和功耗也十分大。1 9 5 5 年，e p s c o 公司b e r n a r d f g o r d o n 设计的名为d a t r a c 的a d 转换器，采用逐次逼近( s a r ) 结构，分辨率1 1 位，转换速度5 0 k s p s ，功耗5 0 0 w ，体积 0 2 5 m 3 ，售价高达8 5 0 0 美元“】。 2 0 世纪6 0 年代晶体管逐渐取代真空管，与真空管a d c 相比，晶体管a d c 的性能显著 提高，价格明显下降。1 9 6 9 年a d i ( a n a l o gd e v i c e s ，i n c ) 公司设计的基于晶体管电路的a d 转换器a d c 一1 2 u ，采用逐次逼近型结构，分辨率达到位1 2 位，转换速度1 0 0 k s p s ，功耗 2 3 w ，售价仅仅8 0 0 美元“1 。 2 0 世纪7 0 年代，随着数字处理技术、计算机技术以及集成电路技术的进一步发展， 单片集成的a d c 应运而生。a d i 公司1 9 7 7 年设计的a d 5 7 2 是一款单片集成的a d c 。这是一 款1 2 位4 0 k s p s 的逐次逼近型a d 转换器，它采用双极型工艺实现，其内部集成了数字逻 辑、内部时钟、比较器、放大器、电压基准和d a c 等所有模块。 近些年随着半导体工艺技术，尤其是深亚微米c m o s 技术的成熟，a d c 的性能有了大 幅度的提高，同时价格却成万倍的下降。例如a d i 公司推出的a d 9 4 3 0 ，采用流水线型结 构，能实现1 2 位的分辨率，转换速度高达2 1 0 m s p s ，功耗仅1 3 w ，售价4 0 美元，主要用 于视频信号处理，堪称经典之作“】。另一方面，随着数字视频技术、数字音频技术和数字 通信技术的飞速发展促使a d c 在结构上发生了巨大的变化。不同的结构侧重于不同的应 用，有的侧重于高速度，有的侧重于高精度，还有的侧重于低功耗。其中比较有代表性的 有：闪烁型、两步型、逐次逼近型、积分型、流水线型和并行型。 现今市场上最快的1 2 位a d c 为a t m d 公司2 0 0 6 年3 月推出的商用单芯片 a t 8 4 a s o o i t p ，转换速度高达5 0 0 m s p 8 ，耗电2 3 w ，售价9 8 美元”1 。精度最高的a d c 为凌 特公司( l i n e a rt e c h n o l o g yc o r p ) 于2 0 0 5 年底推出的l t c 2 4 4 2 ，采用s 结构，转换精 度高达2 4 位，工作频率为7 k h z ，售价不到8 美元“】。 国内的a d 转换研究起步较晚，跟国际上差距较大。能够自主设计高性能a d c 的机 构还不多，绝大多数科研院所和企业还处在模仿国外成熟产品的阶段。所以对于d 转 换的研究十分迫切。 1 3 论文的主要工作和结构 本文设计了一个基于t s m c0 3 5 u mc m o s 工艺的1 2 位的流水线型a d 转换器，转换速 度为5 0 m s p s ，输入范围l v ，功耗低于3 0 0 m w 。并对其关键单元进行了具体电路设计，经 过h s p i e e 软件逐级仿真可以实现a d 转换功能。 2 绪论 论文分为六章个章内容如下： 第一章：绪论，介绍课题的目的、意义及国内外现状； 第二章：a i d 转换器的工作原理和主要分类； 第三章：1 2 位流水线型a d 转换器的系统级设计； 第四章：a d 转换器关键单元的电路级设计； 第五章：电路的仿真及结果分析； 第六章：结论。 3 a i d 转换器的工作原理及分类 2 a d 转换器的工作原理及分类 2 1 工作原理 a d 转换是对时变信号进行的转换，其基本的转换原理是以某一固定的时间间隔，把 连续的时变信号工转换成一组离散的序列，这组序列以数码形式表示y ( k t ，j ，并可以通 过各种数字处理方式进行处理和变换。a i d 转换包括采样、保持、量化和编码四个过程， 如图2 1 所示。 以哐蹦丑一舰) 幽2 - 1a d 转换的过程 f i g 2 - 1b l o c kd i a g r a mo fa n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t c r 采样就是对外界的连续模拟信号进行采集，并将其在时间域内离散化：保持就是让采 集到并离散化的信号在一段时h j 内保持恒定不变，以便电路处理；采样和保持往往在一个 工作周期内完成，而且统一用一个硬件实现，统称为采样保持器；这个过程如图2 2 所示， 图中的黑色柱子为保持的信号值，柱问间隔即为采样过程。 y i i 玺i2 - 2 信号的采样保持 f i g 2 - 2s i g n a ls a m p l i n ga n dh o l d i n g 采集到的信号能否保持原始信号的完整性，是否包含了原始信号的所有信号，或者说 通过采集到的信号能不能还原出原始信号，这是我们首先要关注的问题。在一定条件下这 是可以实现的，首先，被转换的原始信号必须是一个带限信号( 信号的频谱在频域上是有 限的) ；其次，a d 转换器的转换速率必须大于原始信号中最高频率的两倍，这就是奈奎 斯特采样定理，可以用下式描述： s 苫2 f ( 2 1 ) 式中s 为采样频率，厂为原始信号中的最高频率。若满足上述定理，则这样一组离散的数 字序列就可以通过d a 转换器和低通滤波器重构出原始信号“1 。 4 t 一 ，_，-l、ii、 k 、fiijl，_，上_-i- 一 _+十土-+ m m m 琳呲m 眦辨 西安理工大学硕士学住论文 若采样频率过低将会出现如图2 3 所示的情况，原始信号中的某些信息丢失，重建的 信号与原始信号相差甚远，这种情况称之为“失码”。这是我们要坚决避免的情况，一般 来说，采样频率越高效果越好，但这个结论也仅限于某个范围之内。 一 一 幽2 - 3 采样频率过低的结果 f i g 2 - 3t h er e s u l to fl o ws a m p l i n gf r e q u e n c y 量化就是将保持的信号变换到最接近的数字值，即用有限个数的数值近似表达原来连 续变化的值。这里便是模拟信号和数字信号的交汇之处，相当于使用一个基准信号对输入 信号进行了一次比较测量，如图二4 所示。 1 1 1 1 1 0 强l 卅 g l l 姒 舶1 的e 眦刳溶- 强i 1 l 和 u 1 1 i e 1 9 1 e 1 1 e 埔e 埔- 9 u l 蝣 l 鳘i2 4 信号的苗化 f i 9 2 - 4s i g n a lq u a n t i z a t i o n 编码是对量化得到的数字信号表达形式的转换，将数码的形式转换为需要的另一种形 式，例如将温度计码转换为= 进制码，它们只是表示方式上的不同，在本质上是等价的。 2 2a d 转换器的性能参数 2 2 1 量化误差 a o 转换器有两种量化方式：一种是舍去法，一种是舍入法。舍去法只舍不入，最大 量化误差为i l s b ( 最小码宽) ；舍入法有舍有入，最大量化误差为l s b 2 ；分别如图2 5 所示，本文使用舍去法量化方式。 a d 转换器的工作原理及分类 v o u t 舍去法 v o u t 7 舍入法 v r 。f 幽2 - 5 量化误差 f i g 2 5q u a n t i z a t i o ne r r o r 量化误差是所有a d 转换器都存在的一种本征误差，不能消除只能通过提高转换位 数的方法减小“ 2 2 2 非线性误差 分线性误差反映了a d 转换器的实际量化曲线和理想量化曲线之白j 的偏差，这种误 差来源于设计中的一些不确定因素，例如放大器的失调和有限增益，或一些元器件如电阻、 电容等的失配。因此，从本质上说这种误差可以通过优化结构和改善设计来减小。 非线性误差包括微分非线性误差( d n l ) 和积分非线性误差( i n l ) 。微分非线性误差是指 实际转换特性中所有台阶宽度和理想台阶宽度( i l s b ) 之差的最大值。其中第r 1 个数码对 应的d n l 定义为： d l ( m l - l s b ( 2 2 ) l 式中l 为第r 1 个数码对应的台阶宽度。理想情况下每个d n l ( n ) 都应该是0 ，则d n l 也为 0 。 而积分非线性误差指传输特性中的实际量化参考值与理想量化参考值之差的最大值， 其中第n 个数码对应的i n l 定义为： 舭阳) 。! 丝 ( 2 3 ) l 3 矗 v ，和v ，分别表示第n 个数字码发生跳变时对应的实际模拟量和理想模拟量。理想情况下 i n l 也是o 。对于同一个输出数字码n ，d n l 和i n l 存在如下关系： 肌o ) 一d 舭( n ) ( 2 - 4 ) 关于d n l 和i n l 分别如图2 - 6 所示， ” 6 西安理工大学硕士学位论文 幽2 6 非线性误差 f i g 2 - 6t h ed n la n di n l 如图中以3 位a d c 为例所示，d n l 和i n l 分别为1 l s b 和1 5 l s b 。 2 2 3 失调误差 失调误差定义为实际量化曲线相对于理想量化曲线在横坐标上的平移，具体可以用第 一个码转换时所对应的模拟信号值与理想转换值之差表示“1 。如图2 7 所示，失调误差为 1 ，5 l s b 。 v r e f v i 圈2 7 失调误差 f i g 2 - 7o f f s e te r r o r 2 2 4 增益误差 增益误差反映了实际转换特性曲线与理想转换特性曲线在转换范围上的差异，一个有 增益误差的转换特性曲线相当于理想转换特性曲线与一个常数相乘。如图2 8 所示，增益 误差为1 5 l s b 。 7 数字输出编码 m m m 叭 啪 唧 咖 数半铀誊码 a i d 转换器的工作原理及分类 - r e f v i 图2 - 8 增益误差 p i g 2 8g a i ne r r o r 失调误差和增益误差并不影响a d 转换器的精度，也不会引入非线性，因此在许多应 用场合中并不十分重要；只是在一些对直流信号进行转换并要求有很高绝对精度的情况下 才被关注“1 。 2 2 5 信噪比( s n r ) 信噪比指信号与总噪声在输出端的功率之比。对于n 位的a d 转换器而言其计算公式 为： t s n r 一2 0 1 9 ( 笋) ( 2 5 ) r f ) 式中v m ( 。) 为输入信号的功率的均方值，ve ( ) 为量化噪声功率的均方值。因为s n r 还和 信号类型有关，所以对于正弦输入的测试信号a d 转换器的信噪比为： 孙限一6 0 2 n + 1 7 6 d b ( 2 6 ) 由此可得，a d 转换的精度增加一位，信噪比增加6 0 2 d b “1 。 2 2 6 信噪失真比( s n d r ) 信噪失真比表征了由于噪声，量化误差，谐波失真等引起的性能下降情况。通常对应 于正弦信号而言，与输入信号的频率，幅度有关，通常定义为确定频带内信号功率与总噪 声、谐波功率和之比。计算公式为： s n d r “叭。g ( s 喀h a l p o w e r n o i s ea n dd i s t o r t i o n ( 2 7 ) 2 2 7 无杂波动态范围( s f d r ) s f d r 通常用于描述对纯币弦输入信号采样的输入频谱中不应该出现的谐波失真和 8 m m 啪 叭 啪 叭 啪 数字输出 西安理工大学硕士学住论文 寄生信号，该指标指出了一个a d 的可用动态范围。通常被定义为确定频带内信号功率 和最大杂波功率之比，计算公式为： s f d r s b - 1 0 1 0 s ； s i g n a l p o w e r ) = 1 0 1 0 9 、( - 。娶：) ( z s ) 式中蜀和瓠分别是基波和最大杂波的均方根值。 2 2 8 总谐波失真( t h d ) t h d 是确定频带内总谐波失真功率和基波功率之比，计算公式为： 渤= l o l o g ( 丝旦翥s i g n a l 些p o w 丝e r 堕丝卜。g ( 弘觯) ( 2 9 ) iji 包j 式中凰和蜀分别是k 阶谐波和基波的均方根值。 2 3a d 转换器的分类 a d 转换器有许多种类型，本文仅介绍其中较有代表性的几种：闪烁型、两步型、逐 次逼近型、积分型、流水线型、型和并行型。 2 3 1 闪烁型模数转换器 闪烁型a d 转换器也叫全并行a d 转换器，是目前最快的一种模数转换器。对于” 位的结构而言，电路由2 ”一1 个比较器和一组电阻及基准电压源组成，如图2 - 9 所示。电 阻网络分压输出24 一1 个基准电压，输入的模拟信号分别与这些电压比较，若高于基准电 压输出l ，低于基准电压则输出0 ，这就是量化的结果。经比较器量化输出的结果为温度 计码的形式，温度计码再经过译码电路转换为二进制编码的形式输出。 v r c “ v 。 f i g 2 - 9b l o c kd i a g r a mo ff l a s ha d c 9 a d 转换器的工作原理及分类 闪烁型a d c 速度是各种a d c 中速度最快的，但是随着其分辨率位数的增加比较器的数 量会呈指数增加，这就占用了大量的芯片面积，而且因为比较器存在误差的原因，闪烁型 a d 转换器的分辩率很难达到1 0 位以上。 闪烁型a ，d 转换器主要应用于高速存储器、高速仪器仪表、射频通讯、光纤通讯等 设备中，工艺以双极型或b i c m o s 型为主。 2 3 2 两步型模数转换器 两步型a d 转换器是在闪烁型a d 转换器的基础上发展起来的，闪烁型a d 转换器 的功耗、面积和输入电容随分辨率提高呈指数增长，所以很难达到1 0 位以上分辩率。为 了提高分辨率并保持较高的转换速度，人们引入了两步型a d 转换器，它的转换速度仅 次于闪烁型a d 转换器，电路结构如图2 1 0 所示。 v 模 幽2 一1 0 两步型a d 转换器 f i g 2 1 0b l o c kd i a g r a mo ft w o - s t e pa d c 两步型，d 转换器由采样保持电路( s h ) 、粗量化器r ( c o a r s e a d c ) 、数模转换器( d a c ) 、 减法器和细量化器( f i n e a d c ) 构成。工作原理如下：输入的模拟信号首先由采样保持电路 进行采样和保持，将采集到的信号输入粗量化器进行高m 位量化得到高m 位的输出；高 m 位的量化结果再经过d a 转换重新转换为模拟信号，此模拟信号与采样保持得到的原 始信号相减，得到的余量信号进入细量化器再次进行量化输出n 位数字信号：高m 位的 数字信号与此n 位数字信号经过数字校j 下和时钟对齐之后输出m + n 1 位数字信号，这就 是最终的结果：其中的数字校j 下电路采用冗余位数字校征技术可以消除量化误差。 与闪烁型a d 转换器相比两步型a d 转换器的芯片面积大大减小，对于m + n 1 位的 分辩率仅需要2 ”+ 2 1 2 个比较器，所以它具有速度高、功耗低、芯片面积小等特点，可 以达到1 0 位以上分辨率和上百m s p s 的转换速度。主要用于无线通信、视频信号采集等领 域。 2 3 3 逐次逼近型模数转换器 逐次逼近型a d 转换器足最早出现的种a d 转换结构，每个时钟周期只完成一位 1 0 西安理工大学硕士学位论文 的量化，n 位的分辩率至少需要l r l 个时钟周期来完成，所以转换速度很慢，但是它只需要 一个比较器。逐次逼近型a d 转换器主要包括采样保持电路、比较器、计数器、寄存器、 逻辑控制电路和数模转换器，如图2 1 l 所示。 v i n i 生i2 - 1 1 逐次逼近型a d 转换器 f i g 2 - 1 1b l o c kd i a g r a mo fs u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o na d c 逐次逼近型a d 转换器的工作原理如下：电路首先进行初始化，将计数器置o ，寄存 器中的数据设置多j o o o 0 ) ；寄存器中的数据经过d a 转换器转换为输出范围的中问电平 v 。t 采样保持电路采集到的模拟信号v 。与其进行比较；若v 。 v 。，将寄存器中的最 高位d 。置为1 ，若v 。 v 。，将寄存器中的最高位d 。置为0 ，寄存器中的数据此时为 ( d 。1 0 o ) ，同时计数器加1 ；同理寄存器中的数据( d 。1 0 o ) 经过d a 转换器再次转换 为模拟信号与v ，进行比较，从而确定次高位d ，计数器再次加1 ；如此循环下去，当 计数器中的数字为n 时就完成了n 位的a d 转换，寄存器中存储的数字信号就是转换的 最终结果。 逐次逼近型a d 转换器只采用了一个比较器，所以占用芯片面积很小，功耗也低， 精度较高，若加入自校准技术能够达到1 8 位的分辩率。但是转换速度很慢，与n 位闪烁 型a d 转换器相比，速度只有其1 n 。逐次逼近型a d 转换器主要应用于高精度仪表和低 速高精度数据采集测量中。 2 3 4 积分型模数转换器 积分型a i d 转换器属于间接转换，它首先通过v - t 变换将模拟量转换成时间间隔，在 该时问间隔内对固定频率时钟进行计数，再经过编码得到所需的数字信号输出。积分型 a d 转换器分为单积分型和双积分型两种，其中双积分型应用较为广泛。 单积分型a d 转换器又称单斜率a d 转换器，主要由积分器、比较器和数字控制电路 构成，如图2 - 1 2 所示。 a d 转换器的工作原理及分类 v f 图2 1 2 单积分型a d 转换器 f i g 2 1 2b l o c kd i a g r a mo fs i n g l ei n t e g r a la d c 如图所示，积分器的输入接基准电压，输出接两个比较器，比较器一个与零电平 比较，一个与采样保持电路采集得到的电压k 比较。因为电压一是恒定的，所以积分器 的输出段电压圪线性下降： t ，杉 ( 2 1 0 ) 7 ，1r c 当输出电压下降到k 时，上面的比较器翻转，输出一个脉冲；继续降低到0 时，下面的比 较器发生翻转，也输出一个脉冲。这两个脉冲分别控制开关电路的开关，使得固定时钟 c l k 在次时间段内通过进入计数输出电路，计数输出电路对时钟进行计数和编码后输出。1 。 双积分型a d 转换器又称双斜率a d 转换器，它主要由积分器、验零电路和数字控制 电路构成，如图2 一1 3 所示。 圈2 - 1 3 舣积分刑a d 转抉器 f i g 2 1 3b l o c kd i a g r a mo f d o u b l ei n t e g r a la d c 它的工作原理如下所述，在o o ) ，积分器的输出电压则开始线性 下降，设下降到0 所需时间为l ，则： v , ( t o 一嘉k 一t 2 v 一。 但1 1 西安理工大学硕士学位论文 由此可得： k = ( 2 1 2 ) 对于互和2 的比值我们可以用在互和l 时| 目j 段内通过开关进入计数电路的时钟脉冲数乏。 和七：之比代替，既： kz 鲁k ( 2 1 3 ) 积分型a d 转换器对器件的精确匹配程度要求不高，而且具有很强的抗干扰能力，但 是其转换速度太慢一般低于i o o h z ，所以主要应用于低速的数字仪表之中嘲。 2 3 5 流水线型模数转换器 流水线型a d 转换器是一种既能实现高速度又能实现高精度的高性能a i d 转换器。它 是在两步型a d 转换器的基础上发展起来的，拥有多级流水线结构，如图2 1 4 所示。 v i n 数，校正和对齐l u 路 n 位数输j w , - i2 - 1 4 流水线型a d 转换器 f i g 2 1 4b l o c kd i a g r a mo fp i p e l i n e da d c 同两步型a d 转换器相似，它的每一级流水线部转换出若干位数字信号，这些数字 信号经过数字校j 下和对齐然后一起输出。关于它的具体工作原理和电路下一章将结合实例 详细论述。 由于其具有高速和高精度的特性，可以达到1 2 位以上分辩率和几百m s p s 的转换速度， 所以可以满足绝大多数场合的应用。它也是国内外企业和研究机构重点研究的a d 转换器 之一。 2 3 6 型模数转换器 型a d 转换器是一种高精度a d 转换器，主要由采样保持电路、积分器、比较器、 d a 转换器和降采样滤波器等构成，如图2 一1 5 所示。型 o 转换器属于过采样a d 转换器中的一种，它通过过采样以时间换取精度，是目前精度最高的一种a d 转换器，能 够达到2 4 位的分辩率。 1 3 a d 转换器的工作原理及分类 幽2 - 1 5 z 型a d 转换器 f i g 2 1 5b l o c kd i a g r a mo f o v e r s a m p l i n g z - aa d c 数 字 信 号 输 m 普通a d 转换器的量化噪声是白噪声，噪声功率在频域上平均分布。而型a d 转换器采用过采样技术将噪声的功率密度减小，采用技术对噪声整形，将噪声搬运到 高频范围，再用数字滤波器滤除高频噪声，这样就获得了较小的量化噪声，极大的提高了 a d 转换的精度。型a d 转换器主要应用在高精度的音频信号处理和图像处理领域0 1 。 2 3 7 并行型模数转换器 并行型a d 转换器( 也被称为时间交织型a d 转换器) 是一种超高速型a d 转换器， 并行结构可以极大的提高a d 转换的速度。如图2 - 1 6 所示，它由n 个通道组成，每个通 道都有独自的采样保持电路和子a d c ，每个通道的工作时序也在图中示出。 c l k i 厂 峨 厂 叫 厂 | ! | 2 一1 6 并行酗a d 转换器 f i g 2 1 6b l o c kd i a g r a mo f t i m ei n t e d e a v e da d c 并行的处理结构降低了每个通道的速度要求，因而可以达到极高的转换速度，一般能 够达到几g s p s 以上，设计的难点主要在于各个通道之间工作的协调和匹配。并行型a d 转换器主要应用与高速存储器和高速示波器 1 4 1 2 住流水线型a a 转换器系统级设计 312 位流水线型a d 转换器系统级设计 3 1 整体设计 本文设计一种流水线型a d 转换器，基于t s m c0 3 5 u mc m o s 工艺，转换精度达到1 2 位，转换速度5 0 i s p s ，输入范围l v ，工作电压3 3 v 。因为采用流水线型结构，如果流水 线级数过多将影响转换速度，级数过少每级转换位数增加会导致误差增大，从而影珥句转换 精度。经过权衡考虑计划采用8 级流水线型结构实现，结合冗余位数字校正技术，第一级 采用4 位f l a s h 结构，后面6 级为1 5 位结构，最后一级为2 位结构，如图3 - 1 所示。 1 2 位敢手输 图3 - 1 本文所设计1 2 位流水线型a d 转换器 f i g 3 - 1b l o c kd i a g r a mo f1 2 b i tp i p e l i n c da d c 模拟信号经采样保持电路输入，逐级进行转换，每级量化输出若干位数字信号，这些 数字信号经过数字校正和对齐最终输出1 2 位数字信号。前7 级的内部电路如图3 - 2 所示， 主要由采样保持电路、子a d c 、d a c 、减法电路和放大电路构成，最后一级仅包括子a d c 电路。3 。 模 信号 k 位数字输出 i 笙l3 - 2 流水线内部电路图 f i g 3 - 2t h ei n s i d ec i r c u i to fp i p e l i n e 输入的模拟信号在每一级内经子a d c 转换为数字信号做为本级的数字信号输出，同时 此数字信号再经d a c 重新转换为模拟信号并与原始输入信号相减，得到的差值经放大输出 做为下一级流水线的输入使用”1 。 关于其中的1 5 位级结构是因为采用了冗余位数字校正技术而引入的，实际上l - 5 位级的结构输出的数字信号是2 位，但是结合下一级的2 位数字信号经过数字校正算法 处理之后最终输出3 位数字信号，在最终的效果上看相当于每级输出了1 5 位的信号，因 此我们习惯上称之为1 5 位级结构“1 。 西安理工大学硕士学位论文 3 2 采样保持电路设计 3 2 1 采样保持电路的原理和结构 在各种a 0 转换器中基本都离不开采样保持电路( s h a ) ，它般出现在a d 转换器的 最前端，对输入的模拟信号进行采样和保持。采样和保持是联系在一起的一般情况下在一 个时钟周期内完成，前半个周期进行采样，后半个周期进行保持。在采样阶段采样保持电 路跟踪输入信号的变化；保持阶段采样保持电路对采样阶段采集到的信号进行保持，并提 供给下级电路使用。理论上讲，采样保持电路所保持的信号为电路采样结束并转换到保持 状态时那一个瞬间所采集到的信号，这个值只与此刻的输入有关，我们用它代表整个采样 保持周期内输入信号的变化；可以说我们用一个时间点的值代替了一个时间段的值，这就 是模拟信号的离散化“。 采样保持电路的原理图如图3 - 3 所示，由一个开关和一个电容组成，像这种电路称之 为开关电容电路“。 c k a、 。 t i c ho l 采样 保持 c k 图3 - 3 采样保持电路的原理 f i g 3 3t h et h e o r yo fs a m p l i n ga n dh o l d i n g 如图所示，在c k 为高电平时，电路处于采样阶段，对电容c 。进行充电，输出电压 跟踪输入电压；在c k 为低电平时，电容c 。上电荷保持不变，所以输出电压也保持一个固 定值。当然这个电路只是理论电路，在实际中是无法使用的，因为电路与下级电路连接时 c 。上的电荷要重新进行分配，必定使得保持电压改变。实际的采样保持电路一般分为两 种，电荷重分配式和翻转式。 电荷重分配式采样保持电路如图3 - 4 所示，+ 和吃为差模输入信号，吃，+ 和p 0 一为 差模输出信号，屹为输入共模电平，中和中，为互不交叠的两相高电平有效时钟，a 为 高增益运算放大器，四个电容c ，、c ，、c ，和c 大小相等。 1 6 i 2 位流水线型a i d 转换器系统级设计 图3 - 4 电荷重分配式采样保持电路 f i g 3 - 4c h a r g et r a n s f e r e n c es hc i r c u i t 在中。为高电平时，电路处在采样阶段c 。、c ：之上积累电荷，因为运放输入端短接到 v 。所以运放输出也为v 。：当垂：为高电平时，电容c 。、c ：之上积累的电荷将全部转移 到c ，和c 。之上，因为e 。、c ：、c ，和c 。大小相等，所以运放输出电压与输入相等，这就 实现了保持功能。电荷重分配式采样保持电路因为需要4 个电容，占用芯片面积较大，而 且会因为电容大小的失配引起误差，所以正逐渐被翻转式采样保持电路所取代。 翻转式采样保持电路如图3 5 所示，+ 和一为差模输入信号，圪。和吃。为差模 输出信号，k 为输入共模电平，中，和m ：为互不交叠的两相高电平有效时钟，a 为高增 益运算放大器，两个电容c 。、c ：大小相等。 j 。+ 电i c 。 j ， 一( 1l i 一 + 吨v “+ 一一 一。k 。孙 7 多一、 a + ， i 二 - 沁v o 。 i ”lk 幽3 - 5 翻转式采样保持电路 f i g 3 - 5o v e r t u r ns hc i r c u i t 在巾。为高电平时，输入信号对电容c 。、c ，进行充电，在其上积累电荷，运放a 的两 个输入端短接到p ，因而运放输出端电压也为k ；在m ：为高电平时，两个电容跨接在 运放的输入和输出端，因为电容上的电荷没有转移，所以采样阶段的输入电压在输出端褥 到保持。与电荷重分配式采样保持电路相比，翻转式采样保持电路仅使用两个电容，这样 就避免了电容大小的失配，而且减小了芯片面积，尤其是它的反馈因子为l ，这意味着在 相同的电路转换速度下，翻转式结构运放所需要的速度仅仅是电荷重分配式结构运放所需 要速度的一半”“。 综合考虑上面两种结构，本设计中选择使用翻转式采样保持电路，电路如图3 - 6 所示。 1 7 西安理工大擘硕士学位论文 吃+ 和。为差模输入信号，+ 和一为差模输出信号，为输入共模电平，m 。和中： 为互不交叠的两相高电平有效时钟，a 为高增益运算放大器，两个电容c 。、c ：大小相等。 下面对其工作原理进行推导，简单起见仅就其中一路信号从圪+ 到p 0 + 进行推导。 在巾。为高电平时，电容c 。开始充电积累电荷，运放a 的输入和输出端短接到p r 埘， 所以输出为吃。充电完毕时，电容上积累的电荷为： q l = ( v h + 一v 。) c 1 ( 3 1 ) 在m ，为高电平时，电容c ，跨接在运放的输入和输出端，因为运放的高增益和输入端 虚短特性，所以运放输入端电压仍然维持在圪，电容上积累的电荷为： q2 = ( v 一一v 。) c l ( 3 2 ) 因为在中，闭合之后电容上的电荷没有转移所以电荷始终守恒q 。= q ：，即： ( v 。+ 一v 。) c 。= ( v 。+ 一v 。) c 。 ( 3 3 ) v 。+ = v ( 3 4 ) 同理，另一路信号从v 。一到v 。一经推导也可得到相似的结果： v 。= y ( 3 5 ) 由( 3 4 ) 和( 3 5 ) 两式可以看出，这个电路实现了采样保持的功能，能够在前半个时钟 周期对输入的信号进行采样并在下半个时钟周期保持这个信号不变。 一蔓 毫。一z + 一一 一k 。， a + 、。 一c ：li 4 1 ， q f 吒 i j | 3 - 6 本设计的采样保持也路 f i g 3 - 6o v e r t u ms hc i r c u i t 3 2 2 采样电容大小的确定 电路中电容c ，、c ，的大小要经过理论计算和实际仿真来确定，在流水线a d 转换器 的设计中，采样电容的取值非常重要，电容越小，电