（微电子学与固体电子学专业论文）cmos图像传感器中的模数转换器研究.pdf

摘要 本文是天津市重点科技攻关项目“高性能大动态范围c m o s 图像传感器设 计”研究工作的一部分，目的是设计其接口电路模数转换器( a d c ) 。其功 能是将传感器采样并放大过的模拟信号转换为数字信号，从而实现与数字处理系 统的接口，依靠诸如计算机或d s p 的强大数字处理能力完成对图像的呈现。 基于全定制自顶向下的设计方法，在分析图像传感器需求的基础上，经过对 各种类型a d c 的优劣对比后，最终确定使用流水线( p i p e l i n e ) 结构，因其每一 级在完成对一个信号的采样量化后可立即对新采样进行处理，所以显著地提高了 数据吞吐率，加快了系统速度。文中在已有的框架结构基础上，对其中的模块进 行了细化设计( 包括电路结构设计、功能仿真和版图设计验证) 。 工艺采用流行的c m o s 工艺( c h a r t e r e d 公司0 3 5 微米c m o s 双栅4 层金 属n 阱工艺) 以便和整个传感器系统更好的兼容，实现片上集成。所用开发工 具为h s p i c e 和c a d e n c e 公司的c o m p o s e rs p e c i e 和v i r t u o s o ，d r a c u l a ， d i v a 。 本文创新点为：流水线a d c 共分4 级，分别进行4 位、3 位、3 位、3 位的 转换，最后采用冗余位校正技术实现1 0 位数字输出，既节省了硬件空间，又保 证了转换精度；级间增益模块中的高性能运放，具有9 0 d b 直流增益和近7 0 0 m 的单位增益带宽，这使流水线a d c 在工作时可以兼顾转换速度和精度，采样速 率为2 0 m s s 。运放采用全差分开关电容三级结构，提高了运放的抗干扰能力， 共模反馈电路也为开关电容离散型反馈结构，更好的和系统在工艺上兼容。 文中给出了设计思路，运放结构和仿真结果。此外，对系统中的辅助模块( 如 四相不交叠时钟) 进行了设计。 本人在此次项目中所作工作如下：系统分析设计，时钟模块、偏压模块和 m d a c 模块的设计调试和版图绘制验证，并为后期测试提供测试方案。 关键词：流水线模数转换器；开关电容电路；采样保持；m d a c ；运算放大器 不交叠时钟 a b s t r a c t t h i sp r o j e c ti sp a r to fr e s e a r c hw o r ko nap a r a m o u n tp r o j e c tt ot a c k l ei nt i a n j i n s c i e n c e & t e c h n o l o g yc o m m i t t e e “h i g hp e r f o r m a n c eh i g hd y n a m i cc m o si m a g e s e n s o rd e s i g n ”1 a tis h o u l dd oi st od e s i g nt h ei n t e r f a c ec i r c u i tb l o c ko f t h es e n s o r i ti sc a l l e da n a l o g - t o d i g i t a lc o n v e r t e r i tc a nc o n v e r tt h ea n a l o gs i g n a l ，w h i c hh a s b e e ns a m p l e da n da m p l i f i e db yt h es e n s o rt od i g i t a ls i g n a l s a n dt h e nt h ei m a g ei s p r e s e n t e db ys t r o n gd i g i t a lp r o c e s s i n ga b i l i t yo f c o m p u t e ro rd s p b a s e do nt h et o p d o w nf u l lc u s t o md e s i g nm e t h o d ，a f t e ra n a l y z i n gt h en e e do f t h es e n s o ra n dt h ec o m p a r i s o nb e t w e e ns e v e r nk i n d so f a d c ，t h ep i p e l i n e a r c h i t e c t u r eh a sb e e ns e l e c t e de v e n t u a l l y i na p i p e l i n e da n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r 。a h i g h e rt h r o u g h p u tr a t ec a nb eo b t a i n e db e c a u s ean e ws a m p l ec a r lb et a k e na ss o o na s t h ef i r s ts t a g eo f t h e p i p e l i n eh a sf i n i s h e dp r o c e s s i n gt h eo l ds a m p l e e a c hb l o c ko f t h e p i p e l i n ea d c h a sb e e nd e s i g n e di nd e t a i lb a s e do nt h ee x i s t i n gf r a m e w o r k ( i n c l u d i n g t h ea r c h i t e c t u r ed e s i g n i n g ，f u n c t i o ns i m u l a t i n ga n dl a y o u tw i t hv a l i d a t i o n ) p o p u l a r c m o sp r o c e s sf 0 3 5 u mp s u bn - w e l l2 p a mc m o st e c h n o l o g yw h i c hi so f f e r e db y c h a r t e r e dc o ，l t d ) h a sb e e nu s e di nd e s i g nf l o wa n dt h i sm a k e sa d cm o r ec o n y e n i e n tt ob ec o m p a t i b l ew i t ht h ew h o l es e f n s o rs y s t e ma n dt or e a l i z et h es o c t h e e d at o o l su s e di nt h ep r o j e c ta r eh s p i c ea n dc o m p o s e rs p e c t r e ，v i r t u o s o ，d r a c u l a ， d i v a ，f r o mc a d e n c ec o ，u d t h ep i p e l i n ea d c p r e s e n t e di nt h et h e s i st o t a l l yh a s 4s t a g e s 4 b i t s ，3 b i t s ，3 b i t s ， 3 b i t sh a v eb e e nc o n v e r t e db ye a c hs t a g e t h ec o n v e r t e rw h i c hh a sa g o o dt m d e o f f b e t w e e nc o n v e r s i o ns p e e da n dc o n v e r s i o np r e c i s i o na n d2 0 m s a m p l e ss a m p l er a t eh a s b e e no b t a i n e db yd e s i g n i n gt h eh i 曲p e r f o r m a n c eo pa m p l i f i e rw i m9 0 d bg a i na n d a b o u t7 0 0 mb a n d w i d t h w er e a l i z et h eo pa m pa sa3s t a g e s ，f u l l d i f f e r e n t i a l s w i t c h c a p a c i t o ra r c h i t e c t u r e t h ed e s i g nm e t h o d ，c i r c - n i ta r c h i t e c t u r ea n ds i m u l a t i o n r e s u l th a v eb e e np r o p o s e dc o m p l e t e l y b e s i d e s ，s e v e r a ls u p p l e m e n t a r yb l o c k sa r ea l s o p r e s e n t e di nt h i st h e s i s w h a tih a v ed o n ei sa sf o l l o w s ：a n a l y s i sa n dd e s i g no ns y s t e m ，s i m u l a t i o na n d l a y o u to fc l o c kb l o c k ，b i a sb l o c ka n dm d a cb l o c k ，p r e s e n tt h et e s tb e n c hf o rt e s t i n g w o r k k e yw o r d s ：p i p e l i n ea d c ，s w i t c h c a p a c i t o rc i r c u i t , s a m p l e i o l d ，m d a c ，0 p a m p ，n o n - o v e r l a pc l o c k 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 一魏荔矽槲期：加厂年月阳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盎盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 f 呻j | j 红内 签字日期：加，年月7 1 ，日 新虢杏柯荤 签字日期：0 印厂年宣月岁) 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 刖d 转换器的地位和未来发展趋势1 】1 3 a d 是英文a n a l o gt od i g i t a l 的缩写形式，中文意思为模拟量到数字量；d a 是英文d i g i t a lt o a n a l o g 的缩写形式，即数字量到模拟量。a d c 是英文a n a l o g t o d i g i 埘c o n v e r t e r 的缩写，即模拟数字转换器。a d 和d a 转换器实现了连续物 理量和数字逻辑电路之间的通信。近2 0 年来，a d 和d a 转换器已发展成大规 模集成电路产品，从而使昂贵的数字量转换到模拟量或模拟量转换到数字量子系 统( 在计算机数据采集系统中此属子系统) 成为目前较低成本的器件。此外，在 很多系统中，a d 转换器也是不可或缺的子模块。本次课题设计就是一例，在 c m o s 图像传感器中，a d 起着承上启下的重要作用，承接前端电路传来的信号， 转换成数字逻辑后输出。 1 1 1 模拟和数字信剖2 3 】 数字信号和模拟信号是两种性质迥然不同的信号。 模拟信号是指那些在时间上和数值上都是连续变化的信号，在自然界中，电、 磁、光、热、声和机械等方面的几乎所有变量，如电流、电压、电阻、压力、流 量、温度、功率、厚度、距离、光强、重量等等，从本质上说都是以连续可 变的模拟量形式出现的。高品质麦克风接收乐队声音时输出电压幅值从几微伏到 几百毫伏，视频照相机中的光电池电流达每毫秒几个电子，地震仪传感器产生的 输出电压范围从微小地球振动时的几微伏到强烈地震的几百毫伏。可见模拟信号 没有离散性，因为“自然是不能突变的”。 数字信号是指用0 ，1 ，2 ，的数字来表达的信号，信号在幅度和时间上 都是离散的。当今大多数的数字信号系统是二进制数字系统，在二进制系统中只 有0 和1 两个数码，当用电子线路构成二进制系统时，常用电平的高、低来表示 数字1 和0 。数字信号电平只有高、低之分，在高、低电平之间有相当大的抗干 扰容限。在信号传输过程中虽然信号电压的幅度和波形可能产生一定程度的失 真，但其表达的信号0 ，1 并不因此受到影响，因此，数字系统在稳定性、抗干 扰能力等方面都优于模拟信号系统。虽然位二进制数可表达的信息量太小，但 只要简单地增加二进制位数就可以大大提高信息量和数值表达的精度，因此数字 系统的数值处理精度是其他非数字处理系统无法达到的。 为了直观起见，将模拟信号和数字信号示于图1 一l 。图1 1 ( a ) 示出了一个 模拟信号，而数字信号则如图1 1 一l ( b ) 所示的那样，是一些在时间和幅度的某 第一章绪论 些离散点上有确定意义的信号，或者说是一种断续阶跃的离散量，它只能取有限 个数值来表征其大小。 还有一种信号口q 作模拟取样数据信号( a n a l o gs a m p l e d d a t as i g n a l ) 。模拟取 样数据信号的幅度在一段连续范围内有意义，而在时间上只在离散点上有意义。 开关电容技术得到的就是这种信号。通常取样模拟信号保持的是取样时期起始点 的数值，这样的信号叫作取样保持信号。图1 1 ( c ) 中分别示出模拟取样数据信 号和模拟取样保持信号的图形。 魁 粤 (b)tt 图1 1 信号 ( a )模拟的或连续时间信号：( b ) 数字信号；( c ) 模拟取样信号或离散时间信号 t 是数字信号或取样信号的周期 此外，数字信号处理电路是以逻辑电路为基础的，电路结构简单，易于集成。 目前，数字电路的集成度远高于模拟电路，而制造成本却很低。众所周知，数字 计算机是数字系统中的杰出代表，随着计算机的硬件和软件技术的日新月异，数 字信号处理技术一定会越来越成熟。基于此，数字电子技术已经广泛的应用于电 视，雷达，通信，电子计算机，自动控制，电子测量仪表，核物理，航天等各个 领域。例如，在通信系统中，应用数字电子技术的数字通信系统，它不仅比模拟 通信系统抗干扰能力强、保密性好，而且还能应用电子计算机进行信息处理和控 第一章绪论 制，在测量仪表中，数字测量仪表不仅比模拟测量仪表测量精度高，测试功能强， 而且易实现测试的自动化和智能化。随着集成电路技术的发展，尤其是大规模和 超大规模集成器件的发展，使得各种电子系统可靠性大大提高，设备的体积大大 缩小，各种功能诸如自动化和智能化大大提高。 考虑到数字信号处理方法的种种优势，人们必然想到用这种先进的办法去解 决自然界的种种问题，但由于自然界的信号是连续的模拟信号，这又产生了一个 矛盾：即似乎数字信号处理方法无法用于自然界中的问题。当要求计算机冲破实 验室的范畴去解决各类实际问题时，我们必须解决上述矛盾，进行模拟量和数字 量的转换。因此在模拟世界和数字处理系统之间，必然需要接口部分，即模拟 数字转换器( a n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e r ) 。 1 1 2 模数转换器( a d c ) 的诞生和存在意义 模数转换器就是将模拟信号转换成数字信号的接口芯片，它的功能是将来 自外界的模拟输入信号转换为与之相对应的数字代码。 a d 转换器的发展历史最早可以追溯到二次世界大战末期。那时，一门新的 科学分支信息论正在崛起，它预示了数字通信技术将得到迅速发展。这种新 颖的通信技术的最大特点是将信息以数字形式发送出去，并以数字形式接收下 来。理论和实践都证明，这是一种可靠、经济、保密和方便的通信方法。显然， 要实现数字通信，首先要在发射端将所要传送的声音、图像等连续变化的模拟量 转化成相应的、分离的数字量，发送出去；而在接收端，还必须将所接收到的数 字量还原成声音、图像等模拟量。为此人们开始研制和发展了a - d 和d ，a 转换 器。所以a d 和d a 转换器最早是应数字信息的传输需要而出现的。 但是a d 和d a 转换器真正的光辉年华还是从六十年代开始的。这也与电 子计算机的日益普及应用有密切关系。从某种意义上说，a d 和d a 转换器的 命运是和电子计算机紧密相连的。它虽不是应计算机的需要而诞生，却是随着计 算机的普及应用而蓬勃发展起来的。而且甚至可以认为，计算机的推广普及及应 用闯题首先归结如何获得高性能和低售价的a d 和d a 转换器。 尽管数字电子计算机仅能进行算术运算( 或逻辑运算) ，也就是从本质上讲 只能解决纯数学问题，但当配备a - d 和d a 转换器后，它就能“随心所欲”的 被用来解决各种各样的问题：大至控制导弹和飞船的飞行和进行水利大坝的最佳 坡度设计，小至家庭烹调菜肴的最佳火候选取。这是因为在自然界或日常生活中， 各种过程或现象虽然千差万别，但是当人们用数学关系式表示它们时，却呈现惊 人的相似。如钟摆的摆动与电磁振动有共同的数学表达式，船舶在波浪起伏的大 海中摇荡和太阳系中各星球在太阳引力下运动的数学方程式几乎完全一致。再 第一章绪论 有，当地震发生时，地球地壳的振动和宇宙间大恒星的晃动也可用同一数学方程 式来表达。总之，我们生活中的各种看似互不关联的现象，在数学领域中，它们 却不分彼此的统一在一起了。 因此任何过程，不管如何复杂，只要弄清了该过程的物理实质，人们总可以 用一些代数方程、微分方程或其他复杂的数学关系式将该过程表达和描述出来。 当配上a d 和d a 转换器后，也就可以通过电子计算机进行一定顺序的算术运 算或逻辑运算，进而达到分析和控制该过程的目的，或找出正确的答案。所以随 着人们愈来愈广泛的利用电子计算机来处理大量数据，a d 和d a 转换器的重 要性也就愈加突出了。 当然，除了进行数据处理外，计算机也大大地促进了数字信息传输技术的发 展，赋予数字通信以新的生命力，从而愈来愈多的电报、电话、电视和广播采用 数字化通信方式。这也进一步衬托出a d 和d a 转换器的重要性。 在其他电子系统中，a d 和d a 转换器的重要作用也日益显示出来。特别 是在数字化仪表系统中，a d 和d a 转换器正一它们自己特有的功能发挥着作 用。此外，在计量、摄影、自动显示、疾病自动诊断和各种检测控制系统中，都 少不了a d 和d a 转换器。 1 1 3 a d c 的发展历程 a d c 的发展和电子器件一样，也经历了从电子管、晶体管到集成电路的发 展过程。六十年代中期，构成a d c 的主要功能单元电路如运算放大器、基 准电压源、电压比较器、电阻网络、模拟开关和逻辑控制电路等已陆续实现集成 化，特别是集成化运放已经开始进入大规模工业生产阶段。在此基础上，人们逐 渐摒弃了全部由分立元、器件组装a d c 的方法，开始选择某些集成电路，并外 加一些必要的元器件来组装a d c 。这被称为组件型a d c 。 与此同时，出现了混合集成电路型转换器。与其他混合型模拟集成电路一样， 混合型集成转换器是把分立的晶体管粘在绝缘衬底上，再通过薄膜或厚膜技术， 在同绝缘衬底上制作电阻、电容和金属互连线，从而构成具有完整功能的转换 器。随着集成工艺的日臻成熟，混合型a d c 中的集成电路的比例也逐渐上升。 1 9 7 1 年诞生了第一块高位集成化d a 转换器，这标志着a d c 完全进入了工业生 产的新阶段。此后，国际上的a d c 几乎以与微处理机相等同的发展速度急速的 取得进展和技术突破。与混合型转换器相比，单片式集成a d c 具有生产成本低 和容易获得的良好方面，使模拟电路和数字电路彼此融台，为模拟与数字系统的 进一步结合开创了良好的先例。 综上，a d c 正在向着高速度，高精度，高分辨率，低电压，低功耗，高集 第章绪论 有，当地震发生时，地球地壳的振动和宇宙间大恒星的晃动也可用同一数学方程 式来表达。总之，我们生活中的各种看似互小关联的现象，在数学领域中，它们 却不分彼此的统一在一起了。 因此任何过程，不管如何复杂，只要弄清了该过程的物理实质，人们总可以 用一些代数方程、微分方程或其他复杂的数学关系式将该过程表达和描述出来。 当配上a d 和d a 转换器后，也就可以通过电子计算机进行定顺序的算术运 算或逻辑运算，进而达到分析和控制该过程的目的，或找出t f 确的答案。所以随 着人们愈来愈广泛的利用电子计算机来处理大量数据，a - d 和d a 转换器的重 要性也就愈加突出了。 当然，除了进行数据处理外，计算机也大大地促进了数字信息传输技术的发 展，赋予数宁通信以新的生命力，从而愈来愈多的电报、电话、电视和广播采用 数宁化通信方式。这也进一步衬托出a d 和d a 转换器的重要性。 在其他电子系统中，a d 和d a 转换器的重要作用也日益显示出米。特别 是在数字化仪表系统中，a 。d 和d a 转换器正一它们自己特有的功能发挥着作 用。此外，在计量、摄影、自动显示、疾病自动诊断和各种检测控制系统中，都 少不了a d 和d - a 转换器。 1 1 3a d c 的发展历程 a d c 的发展和电子器件一样，也经历了从电子管、晶体管到集成电路的发 展过程。六十年代中期，构成a d c 的主要功能单元电路如运算放大器、基 准电压源、电压比较器、电阻网络、模拟开关和逻辑控制电路等已陆续实现集成 化，特别是集成化运放已经开始进入大规模工业生产阶段。在此基础上，人们逐 渐摒弃了全部由分立元、器件组装a d c 的方法，开始选择某些集成电路，并外 加一些必要的元器件来组装a d c 。这被称为组件型a d c 。 与此同时，出现了混合集成电路型转换器。与其他混合型模拟集成电路一样， 混合型集成转换器是把分立的晶体管粘在绝缘衬底上，再通过薄膜或厚膜技术， 在同一绝缘衬底上制作电阻、电容和金属互连线，从而构成具有完整功能的转换 器。随着集成工艺的日臻成熟，混合型a d c 中的集成电路的比例也逐渐k y l 。 1 9 7 1 年诞生了第块高位集成化d a 转换器，这标志着a d c 完全进入了工业生 产的新阶段。此后，国际上的a d c 几乎以与微处理机相等同的发展速度急速的 取得进展和技术突破。与混合型转换器相比，单片式集成a d c 具有生产成本低 和容易获得的良好方面，使模拟电路和数字电路彼此融台，为模拟与数字系统的 迸一步结合开创了良好的先例。 综上，a d c 正在向着高速度，高精度，高分辨率，低电压，低功耗，高集 综上，a d c 正在向着高速度，高精度，高分辩率，低电压，低功耗，高集 第一章绪论 成度的方向发展，我们有理由相信，在未来，a d c 的发展水平会迈向一个新的 台阶，也会给人类的生活带来新的可喜的变化。 诚然，单片式集成a d c 的出现，反映了集成工艺和半导体制作技术的进步； 然而，从另一方面，由于单片式集成a d c 日益显出其优越性，更激了人们对它 的进步探求的热情，从而大大促进了集成工艺和半导体制作技术向纵深发展。 特别，在a d c 内部，既有模拟电路，又有数字逻辑电路，因此在设计技巧以及 工艺技术方面，都具有相当大的挑战性。 1 2 论文的背景 在信息技术高速发展的今天，大量信息被储存在存储设备中，信息处理设备 或通信交换系统要求在短时间内将大量的信息读出或写入。这样就要求系统要具 有很高的数据传输率。同时对于一些多媒体系统，像视频传输系统也要求系统能 够很快地传输处理大量精确的数据( 我们所做的项目c m o s 图像传感器就是一 例) ，这些都对a d c 的速度和精度提出了更高的要求。 以往的信号处理及通信系统中所采用的高速高精度a d c 大多是采用双极 ( b i p o l a r ) 工艺制成的。随着技术的发展，为了减少系统的成本、功耗及体积以 使信号处理及通信系统达到便携的目的，就需要采用新的方法来实现高速高精度 的a d c 。人们很自然的想到具有很高集成度，同时又有很低功耗的c m o s 工艺。 c m o s 工艺还具有和数字系统相兼容的工艺，因此可以和数字电路结合在起制 造而不需要引入新的设备。现今最好的系统设计方法就是将a d c 和滤波电路与 大的数字处理系统或其他数字电路集成在同一芯片上，以减少系统的体积和功 耗，使单个芯片即可完成以往需要一块电路板才可实现的功能。这种单芯片就可 实现系统的设计方法就是现在正被广泛研究s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 设计方法。 所以采用c m o s 工艺制作高性能的a d c 具有很大的优势。随着c m o s 工艺水 平的进步，不断降低的c m o s 工艺特征线宽使c m o s 电路也可达到双级工艺所 具有的速度。 基于上述考虑，本文在o 3 5 u m 的c m o s 双阱工艺条件下，采用4 级流水线 结构设计了一种工作在5 v 电压条件下的2 0 m 采样速率流水线结构的a d c ，其 可用于图像、视频信号处理以及便携式通信领域，以完成模拟数字信号的转换。 第一章绪论 1 3 本文的工作和论文结构安排 天津大学a s i c 中心承接了天津市科委重大科技攻关项目“高性能大动态范 围c m o s 图像传感器设计”，从前端像素传来的电压信号经过几级放大器的处理， 最后经过a d c 的转换成数字信号，输出到计算机存储器里。根据c m o s 图像 传感器整体系统的设计要求，我们的设计最终采用了1 0 位2 0 m 采样速率的流水 线a d c 结构。主要性能指标期望值要求为4 级流水线结构，分别为4 位、3 位、 3 位、3 位；转换器的最终转换精度达到1 0 位，同时它的转换速率可以达到 2 0 m s a m p l e s 。 对其中主要模块进行了设计仿真，版图绘制，并已流片，设计工艺采用 c h a r t e r e d 公司o 3 5 u r n 双栅4 层金属( 2 p 4 m ) c m o s 混合信号工艺。 绪论中介绍了模拟信号与数字信号以及a d c 发展的背景和趋势； 第二章对a d c 相关理论、类型、结构和工作原理进行了论述说明； 第三章主要介绍了流水线a d c 工作原理，分析了其中的误差，并对数字校 正技术进行了说明； 第四章重点围绕m d a c 模块论述了流水线a d c 的具体实现方法； 第五章给出了所设计模块的版图； 最后对全文做了总结和展望。 第二章a d c 结构和工作原理 第二章a d c 结构和工作原理 2 1 通常模数转换器的主要术语和眭能参判4 】 2 1 1 常用基本术语 一、模拟量 如上章所述，凡是可以连续变化的物理量，都称为模拟量。 从本质上说，自然界中几乎所有宏观的物理量，都是连续可变的，因此一般 的说，所有物理量都属于模拟量。 二、传感器 传感器是一种能够灵活的反映电学模拟量和非电学模拟量的变化、并把非电 学模拟量转换( 或说“归一化”) 为电学仿真量的组件或器件。常见的传感器类 型有开关型，变阻型，电容型、电感型、电子振荡型，机械振荡型、霍尔器件型、 射线型、激光型、超声型，感应同步型和微波型等。 三、连续调幅电子模拟信号 连续调幅电子模拟信号是电子模拟信号的基本形式之一。不论是直流电压或 电流，还是交流电压或电流，都可以用作连续调幅电子模拟信号。这种信号的特 点是电流或电压的幅度连续变化；对“加工”信号的电路频带宽度要求不高。这 样，相对而言，电路能够传输的信号频率会更高；这种信号的缺点是一个通道只 能传输一路信息，因而无形中增大了处理设备的费用。 蚓 脚 1 k - - ( a ) 连续调幅电子模拟信号( b ) 脉冲调幅电子模拟信号 图2 - 1 调幅电子模拟信号 第二章a d c 结构和工作原理 图2 1 ( a ) 为连续调幅电子模拟电压信号，其中a 为直流电压信号，b 为 交流电压信号。 四、脉冲调幅电子模拟信号 脉冲调幅电子模拟信号是电子模拟信号的另一种基本形式，它也是在电子线 路中传输调幅电压或调幅电流以达到运载信息的目的。它的主要特点是电压或电 流的幅度呈阶跃变化，在同一信道中可以传输多路信息，因而可以减少信号信道 的硬件设备，但是牺牲了带宽和精度。若n 为信号信道的数目，则允许传输的最 高信号频率将减小为单信道频率的1 n 。虽然用脉冲调幅电子模拟信号和连续调 幅电子模拟信号表示信息时精度基本相同，但是由于受到电路的频带宽度和响应 时间的限制，脉冲调幅电子模拟信号被“加工”的结果总是会引入更大的误差。 为在同一信号信道上传输多路脉冲调幅模拟信号，必须将所规定的时问周期平均 分给每一个通道，比如对于一个1 0 路脉冲调幅电压信号，需有1 0 个相等的时间 间隔，才可以作为一个重复周期t ，而每一个通道在每一个重复周期的1 1 0 时 间内才出现信号一次( 见图2 一l ( b ) ) 。 五、电子模拟信号的极限精度 对于理想的( 即不存在噪声的) 电子模拟信号，其精度应该可以无限高，但 由于信号在实际运行中总会有噪声附加在信号上( 噪声可以是直流形式，也可以 是交流形式；可能是电压噪声，也可能是电流噪声；可能是连续形式，也可能是 脉冲形式) ，所以实际电子模拟信号的精度有限。比如，对于调幅电子模拟信号， 能够传输信息的极限精度只有1 0 4 左右。 六、电子模拟信号的噪声 在调幅电子模拟信号中，噪声可由在频宽从几百兆赫范围内变化的无相关特 性的信号组成。这些噪声经常是通过静电或电磁耦合作用迭加到有用的电子模拟 信号上。 七、数字信号 在绪论中已经提到广义的数字信号，具体到与我们相关的领域，数字信号被 定义为用电压或电流之类电的量来表示数字的信号。比如当信道“通”时称为逻 辑“l ”；信道“断”时称为逻辑0 。信道的“通”与“断”正是通过电压的高 低或电流的大小来表示的。 八、并行数字信号 第二章a d c 结构和工作原理 并行数字信号是同时借助多个信道来传递信号的电子数字信号。其中每一个 通断电平都代表一位信息的数字信号的传输形式。如要将一个数字信号编码成 一个n 位二进制数，就需要有n 条信道。如果传递的是双极性信息，则其符号 位可单用一条信道表示，而数值由其它各条信道表示。其特点是任何时刻都能出 现信息，信息可以在零点几个数字位时间内作任意瞬间的改变，因此并行电子数 字信号反映或传输速度快，但所需设备成本高。 九、串行数字信号 串行电子信号是在单个信道上用等幅和等宽脉冲的有或无( 这些脉冲是按时 间顺序出现的) 来传递信息，一个脉冲的有或无可以代表一位信息。每位信息量 的大小是不同的，这与所用的具体代码有关。因此，n 位脉冲所传递的信息是一 个n 位串行数字，它们可以重复出现。其中，串行数字的第一位或者最后一位 可以作为符号位，这样就可以表示双极性信息了。 十、数字信号的精度 从理论上说，如电子模拟信号一样，数字信号的精度也是无限的。因为当所 传信号的信道足够多时，或者串行电子数字信号的脉冲数足够多时，电子数字信 号总能达到任意高的精度。然而，对于并行信号到底能够变化多快，串行信号到 底能重复多快，将由这些信号本身的特性决定。所以数字信号的精度实际上是有 限的。 十一、数字信号的噪声 在电子数字信号中，可能出现的噪声主要来源于两个方面。一是由频率变化 很宽的通断电平信号进行幅度调制时所产生的噪声；二是由脉冲边缘( 抖动) 的时间对信号进行调制时所产生的噪声。只有在某一门限电压时，这两种噪声源 才很少影响或者不影响被传递信息的精度，否则就会影响很大，甚至有可能破坏 被传递的信号。 显然，如噪声只影响a d c 的最低有效位的信息信道，或者最低有效位的脉 冲，危害尚小。但如果使最高有效位( 数值和符号值) 的状态都改变了，则由噪 声引起的误差就会很大。 十二、a d 转换器( a d c ) 在绪论中我们已经提过，a d c 是一种编码器，它将模拟量变成能被数字系 统识别的数字量。它的输入量为电子模拟信号a 和电子模拟基准量r ( 对于一 个确定的a d c 来说，r 为常量) ，输出量为电子数字信号d 。一个理想的a d c 第二章a d c 结构和工作原理 的输出量d 与输入量a 和r 的关系为 d = a ，r( 2 1 ) r 其实是个比例常数。 上式用二进制数字表示为： a = r ( b 1 2 1 + b 2 2 2 + + b _ 】v 2 “) = r 6 2 1 ( 2 - 2 ) i m 式中r 可为参考电压，b l ，b 2 ，b n 分别是第一位( 最高位) 到第n 位( 最低 位) 的系数，且仅可取：“0 ”、1 两值。a d c 若同时有n 位输出数码，称为并 行输出：若a d c 只有一个输出端，n 位输出数码从高到低逐个依次输出，称为 串行输出。 十三、d a 转换器( d a c ) d a 转换器是一种译码器，其基本功能是将一组数字信号转换成与此相对应 的模拟信号( 模拟电压或模拟电流) 。它的输入量为电子数字信号d 和电子模拟 基准量r ( 与上述a d 转换器一样，对于一个确定的d a 转换器，r 为常量) ， 输出量为电子模拟信号a 。理想的d a c 其输入输出关系式为 a = r d ( 2 3 ) 一般来说，对于具有n 位的二进制数字信号d 来说，可用加权的二进制数 的和来，从高位到低位如下式所示： d = ( h 2 。1 + 6 2 2 。26 3 2 3 + + 6 2 “) = b , z “ ( 2 4 ) i = l 式中b 1 ，b 2 ，b n 是每一位数字的系数，而且此系数只有两个数可供选择 要么是“o ”，要么是“1 ”。式中最高位数字为b l 2 ，最低位为b n 2 ”。因此，对于 任何一个模拟量a ，总可以用一个n 位数字量来表示： a = r ( 6 】2 1 + 6 2 2 。2 如2 4 + + b u 2 一”) = r 6 2 1 ( 2 - 5 ) i = 1 由此可以看出，要使d a c 具有转换功能，必须具有下面四个组成部分： ( 1 ) 首先必须将数字量d 转换成相应的电量，如可用电流的大小来表示数 字量中的各位数值( 这些大小不同的电流也就称为“权重电流”) 。 ( 2 ) 必须有一组与数字量中n 个二进制位数相对应的开关，每个开关的开 启与关闭是受该位数码控制，如该位数码为“1 ”时，开关闭合，这时就有对应 于该位的权重电流流过；反之，当此数码为“0 ”时，开关断开，无权重电流流 过。这样，可以权重电流来代表每一位数码。 ( 3 ) 为了对应于a 表达式中每位数码的公共比例系数r ，应设置一个基准 第二章a d c 结构和工作原理 参考源。 ( 4 ) 最后，需要将代表每一位数码的各位权重电流迭加起来。显然，迭加 后的总电流就代表了该数字信号的模拟量。 a d 与d a 的转换关系示于图2 2 ( a ) a d 转换器有关各量之间的关系( b ) d - a 转换器有关各量之间的关系 图2 - 2a d 转换器与d - a 转换器 十四、线眭a d 转换器 在一般情况下，如果忽略量化误差，a d 转换器的数字输出量与模拟输入量 之间呈线性关系，数字输出量是模拟输出量的直接显示。这种a d c 称为线性 a d c 。对于包括传感器在内的线性a d c ，传感器的输入模拟量与其输出模拟电 学量之间的关系也应呈线性关系。 + 十五、非线性a d c 在有些场合，有传感器输入的非电模拟信号转换成输出电子模拟信号时，传 感器的输入量和输出量之间呈非线性关系。如当传感器的输入量是重量，而输出 模拟量是电压时，它们之间往往呈非线性关系。当再把传感器输出的模拟电压输 入到a d c 中以后，从a d c 输出的数字量d 也可能不与输入转换器的模拟电压 成线性关系。因此传感器输入的非电学模拟量与a d c 最终输出的数字量呈现很 复杂的非线性关系。 从广义上说，不管是由于传感器的输出与输入量之间的非线性特性引起的， 还是由于实际的a d c 的输入输出非线性特性引起的，凡是a d c 最终输出的数 字量与传感器的输入模拟量呈现非线性关系的，皆称为非线性a d 转换器。当然， 狭义的非线性a d c 仅是指其输出的数字量与其输入的电学模拟量不呈线性关系 的转换器。 + 六、线性d a c d a c 的输出模拟量与输入数字量呈现线性关系。我们把转换器的输出模拟 量是输入数字量的直接显示的d a c 称为线性d a c 。 第二章a d c 结构和工作原理 十七、非线性d a c 输出模拟量与输入数字量之间呈非线性关系的d a c ，称为非线性关系的 d a c 。指数型d a c 是一种常见的非线性关系的d a c 。该型d a c 可用多种方法 构成，如应用分段线性近似法，变换衰减器法，以及利用双极型晶体管的基极一 发射极电压v b e 与集电极电流i c 之间的指数关系等方法。采用最后一种方法的 d a c 由两部分组成，其一为线性d a c ，其二为电压到电流的非线性转换器。 十八、采样 对于某一连续信号( 如某一模拟信号) 进行周期性的读出，或对其进行周期 性的测量，而且读出或测量时间与该连续信号的周期相比，是非常小的，此读出 或测量过程就叫采样过程。 实际上，一般a d c 的工作过程就是个采样过程，因为输入到a d c 的是连续 变化的模拟量，其输出信号( 读出信号) 即是离散的数字信号。由此我们引出采 样定理。 n y q u i s t 采样定理的内容是：连续信号能由一组瞬时测量值或者由时间间隔 相同的采样信号值表示和构成。采样频率必须大于信号最高频率分量的两倍。图 2 - 4 示出了其简单的证明：设有一个有限带宽、且其所含频率分量都不超过f c 的 信号频谱( 如图2 - 4 ( a ) ) 。当以频率采样时，频谱以为单位移动，若q ， 则会发生频谱卷迭，从而使信号不能复现( 如图2 - 4 ( b ) ) 。 根据采样定理，如果一个连续的、带宽有限的信号所包含的频率不大于f o 则有如下结论： 如果采样频率大于2 f c ，则可保证所采集的信号复现而不至失真。实际中采 用的采样频率要比采样定理所确定的2 f c 高处出许多，通常达c 的5 1 0 倍，这 是由于实际输入信号中总是混入一些高频噪声的缘故。 在一个数据采集系统中，对模拟信号的采集过程可以用图2 3 来说明。 第二章a d c 结构和工作原理 i( a ) 模拟信号 山山山l u 山山 ( c ) 采样输出序列 图2 - 3 采样处理过程示意图 ( a ) ( b ) 图2 4 采样定理的证明 十九、量化 量化即是用一些不连续的量来表示信号。如最常见的幅度量化就是用一些幅 度不连续的电平来表示信号。 通常当用数值测量和表示物理量时将会遇到量化问题。对一个幅度连续变化 的模拟量进行量化后，就会产生一组幅度不连续的电平。 二十、量化误差 一个连续里量经过量化后，如经过幅度量化后，就变成一组幅度不连续的电 平。在任何时刻，被量化的连续量只能用最接近于该时刻连续量幅度的量化电平 表示。因此量化过程必然导致失真。量化结果引入的误差就叫量化误差。对a d c 来说，量化误差就是1 2 最低有效为( l s b ) 的误差( 后面将会对a d c 的量化 误差作详细说明) 。 2 1 - 2a d c 的主要参数【1 1 1 3 恪7 理想a d 转换器的量化特性仅由量化方式、输出数字的位数和码制决定。 实际模数转换器的性能参数可分为静态特性和动态特性。其中静态特性与时间 无关，其反映的是实际量化特性与理想量化特性之间的偏差。如失调误差、增益 误差、非线性误差等。动态特性主要有转换时间和转换速率。以下介绍一些在设 计中常用的参数： 第二章a d c 结构和工作原理 一、分辨率 分辨率是转换器最基本的，也是最重要的参数之一。a d c 的分辨率是指转 换器能够分辨最小量化信号的能力。有数字分辨率和模拟分辨率之分。数字分辨 率是指数字输出的位数，数字输出的位数越多，转换器的分辨率也就越高。模拟 分辨率是指a d c 所能分辨的模拟输入信号的最小增量，是指1 l s b 所代表的模 拟量。对一个n 位a d c ，1 l s b 为量程的1 2 “。 对于二进制的n 位分辨率的a d c ，它能够分辨的最小量化信号或量化电平 的能力为2 “位。例如，对于一个1 2 位的a d c ，它能分辨最小量化电平的能力 达2 1 2 = 2 0 4 8 位。 二、最高有效位( m o s t - s i g n i f i c a n t b i t ) 最高有效位是指带有最高数值权重的数字输出位，或与此相对应的模拟输入 电平位移。最高有效位常以m s b 表示。在二进制加权a d c 中，与m s b 相对应 的模拟输入电平位移为f s 2 。这里f s 为满刻度输入模拟量。 三、最低有效位( l e a s t s i g n i f i c a n t b i t ) 最低有效位是带有最低数值权重的数字输出位，或与此相对应的模拟输入电 平位移，常以l s b 表示。在二进制加权a d c 中，与1 l s b 相对应的模拟输入电 平为f s 2 “。 四、精度 精度是a d c 另一