（农业电气化与自动化专业论文）用于10位高速adc的采样保持电路的仿真设计.pdf

学位论文版权使用授权书 f i l lr r li rfl l i l lll f f lrllf y 18 9 4 5 6 4 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所交送学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容一致，允许论文被查阅和借阅，同时授权 中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据库 并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本论 文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密。 学位敝储躲坎 聊躲 如f 年厂月，弘日 、齿立 旦di j 年6 月陴日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：易峻 日期： 矽，年多月，午日 江苏大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着数字通信技术、微机和模数转换技术的研究进展，作为模拟和 数字信号的接口电路：模数转换器( a d c ) 在结构、性能和制造工艺上均有飞速 发展，目前正向着低压、低功耗、高速、高精度的方向推进；而作为a d c 的重 要组成单元一采样保持( s h ) 电路，它是整个信号处理的前置模块，其速度、 精度、功耗、线性度和杂散动态范围等直接影响着a d c 的系统性能指标。 首先，论文在查阅大量文献资料的基础上，对国内外a d c 的研究动态、发 展趋势和基本理论作出综述；并对a d c 的发展、性能指标及几种高速a d c 的 结构特点和基本原理进行简单概述；同时对a d c 中s h 电路基本理论进行分析。 其次，对比分析了文献中各种s h 电路设计方法的优缺点，在吸收优良成 果的基础上设计了一款基于s m i c1 8vo 2 5g mb i c m o s 工艺的1 0 位高速s h 电路，电路设计包括s h 电路的总电路设计和各模块电路设计：运算放大电路、 基极偏置电路、双通道共模反馈电路、采样自举开关、非交叠两相时钟电路等。 最后，通过p s p i c e 对设计的各模块电路和s h 总体电路进行了仿真验证。 当输入信号频率，l 为0 1 0m h z 的正弦波电压，共模输入电压为1 8v ，坼_ p = 6 0 0m v ，采样频率a = 2 5 0m h z ，输出端负载电容c l = 1 2p f ，系统建立精度函 o 5m v 时，s h 电路的建立时间t s 仅为1 9l l s ，电路速度和精度指标有所提升； 同时验证了设计过程中建立s h 数学模型的可行性；对所设计的全差分折叠式 运放的仿真结果是：直流增益彳达到9 ld b ，单位增益带宽届为1 6g h z ，相位 裕度为7 3 1 0 ，转换速率s r = 5 0 0v p s ，具有高速特性；将s h 单元电路应用 到1 0 位2 5 0m i - z 双通道流水线型模数转换器中，当输入频率a = 2 0m h z 的满刻 度正弦波电压，时钟采样频率瓜= 2 5 0m h z 时，所设计的s h 电路的无杂散动 态范围s f d r 约为- - 7 7 3d b ，信号噪声失真比s n d r 约为6 7 8 5d b ，信噪比s n r 约为6 8 9 8d b ，三次谐波失真t h d 约为- - 6 5 5 2d b ，整个电路功耗尸b 约为1 1m w ， 仿真实验结果说明了所设计的s h 电路完全可以满足1 0 位精度的高速、低功耗、 双通道2 5 0m h za d c 的系统性能要求。 关键词：模数转换器；s h 电路；栅压自举采样开关；s h 数学建模；增益 增强型折叠运放；共模反馈电路；双极型和互补金属氧化物半导体 中图分类号：t n7 9 2 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fd i g i t a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ， c o m p u t e ra n da n a l o gd i g i t a lc o n v e r s i o nt e c h n o l o g y ，嬲i n t e r f a c ec i r c u i to fa n a l o ga n d d i g i t a ls i g n a l ：a d ci si m p r o v i n gr a p i d l yi ns t r u c t u r e ，p e r f o r m a n c ea n dm a n u f a c t u r i n g t e c h n i q u e sa n dp r o g r e s s i n gd i r e c t i o no fl o wv o l t a g el o wp o w e r ，h i 曲s p e e dh i g h p r e c i s i o n ；a si m p o r t a n tc o m p o s i t i o nu n i to f a d c - - s a m p l ea n dh o l dc i r c u i t s ( s h ) a l ef r o n tm o d u l ec i r c u i t so ft h ew h o l es i g n a lp r o c e s s i n g ，a d cs y s t e mp e r f o r m a n c e s a r ed i r e c t l ya f f e c t e db yt h e i rs p e e d ，a c c u r a c y ，p o w e rc o n s u m p t i o n ，l i n e a l i t y ，s p u r i o u s f r e ed y n a m i cr a n g ea n ds oo n f i r s t l yo nt h eb a s i so fa c c e s s i n gal a r g en u m b e ro fl i t e r a t u r ep a p e r s ，s u m m a l i e d h o m ea n da b r o a da d ci nr e s e a r c ht r e n d s ，d e v e l o p m e n tt r e n d sa n db a s i ct h e o r y ； b r i e f l y o v e r v i e w e da d cd e v e l o p m e n t ，p e r t b r m a n c ei n d i c a t o r s ， s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i co fs e v e r a lh i g hs p e e da d ca n db a s i cp r i n c i p l e ；a tt h es a m et i m e a n a l y s i s e db a s i ct h e o r i e so fs hc i r c u i t si nd e t a i l s e c o n d l yc o m p a r a t i v e l ya n a l y s i s e da d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fv a r i o u s s hc i r c u i t sd e s i g n i n gm e t h o d si nt h e1 i t e r a t u r e s ，o nt h eb a s eo fa b s o r b i n gt h eg o o d r e s u l t s ，d e s i g n e da10b i th i 曲s p e e ds hc i r c u i tb a s i n go ns m i c1 8v0 2 5l a m b i c m o st e c h n o l o g y ；c i r c u i t sd e s i g ni n c l u d e do v e r a l lc i r c u i ta n dm o d u l ec i r c u i t d e s i g no fs hc i r c u i t s ：o p e r a t i o n a la m p l i f i e r ，t h eb a s eb i a sc i r c u i t ，t w oc h a n n e l c o m m o nm o d ef e e d b a c kc i r c u i tb o o t s t r a p p e ds a m p l i n gs w i t c h ，n o n o v e r l a p p i n gt w o p h a s ec l o c kc i r c u i ta n ds oo n f i n a l l yd e m o n s t r a t e ds i m u l a t i o nr e s u l t so fd e s i g n e do v e r a l la n dm o d u l es h c i r c u i tb yp s p i c e w h e nt h ei n p u t t i n gs i g n a lf r e q u e n c y 石i so lom h zs i n ew a v e v o l t a g e ，c o m m o nm o d ei n p u tv o l t a g ei s1 8v ，坼- pi s6 0 0m v ， i s2 5 0m h z ，o u t p u t l o a dc a p a c i t a n c ec li s1 2p f ，i t ss e t t i n g u pa c c u r a c y6 sl e s s e dt h a n0 5m v ， s e t t i n g u pt i m et so fs hc i r c u i ti so n l y1 9n s ，e n h a n c e ds p e e da n da c c u r a c yo ft h e c i r c u i t ，a l s ov e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h es hm a t h e m a t i c a lm o d e lc r e a t e di nt h i s d e s i g n ；s i m u l a t e dt h ed e s i g n e df u l l yd i f f e r e n t i a lf o l d e do p a m p ：d cg a i na r e a c h e s91 d b ，u n i t yg a i nb a n d w i d t h 屈i s1 6g h z ，p h a s em a r g i nf li s7 3 1o ；a p p l i e dt h es hu n i t c i r c u i t st ot h e2 5 0m h zd u a lc h a n n e ll0b i tp i p e l i n e da d c ，w h e ni n p u t t i n gf u l lr a n g e 石i s2 0m h z s i n ew a v e ，c l o c ks a m p l i n gr a t e i s2 5 0m h z ，s p u r i o u sf r e ed y n a m i c r a n g es f d ri sa b o u t 一7 3 2d b ，s i g n a lt on o i s ed i s t o r t i o nr a t i os n d ri sa b o u t6 7s s d b ，s i g n a lt on o i s er a t i o s ! 撇i sa b o u t6 8 9 8d b ，t h i r dh a r m o n i cd i s t o r t i o n 册i s a b o u t 一6 5 5 2d b ，w h o l ec i r c u i tp o w e rc o n s u m p t i o np di sa b o u t1 1m wi nt h i s d e s i g n e ds hc i r c u i t ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ed e s i g n e ds hc i r c u i tf u l l ys a t i s f i e s s y s t e mp e r f o r m a n c en e e do f10b i th i 曲s p e e d ，l o wp o w e ra n dd u a lc h a n n e l2 5 0m h z a d c k e yw o r d s ：a d c s ；s a m p l ea n dh o l dc i r c u i t s ；b o o t - s t r a p p e dg a t ev o l t a g es w i t c h e s ； s hc i r c u i tm o d e l i n g ；e n h a n c e dg a i nf o l d e da m p l i f i e r s ；c o m m o nm o d ef e e db a c k c i r c u i t s ；b i c m o s i l 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究意义1 1 2国内外采样保持电路研究现状和发展趋势3 1 3 论文研究范围和主要内容5 第二章a d c 基本理论简介6 2 1 模数转换器a d c 概述和工作原理6 2 2a d c 主要性能指标6 2 2 1 理想a d c 转换特性6 2 2 2 静态性能指标7 2 2 3 动态性能指标8 2 3a d c 典型结构简介1o 2 3 1 并行比较结构a d c 10 2 3 2 两步式结构a d c 1 1 2 3 3 流水线结构a d c 11 ：。 2 3 4 折叠差值结构a d c 13 2 4 第二章小结1 4 第三章采样保持电路基本理论分析l5 3 1 采样保持电路基本理论和采样定理一1 5 3 1 。l 采样保持电路基本理论介绍1 5 3 1 2 采样定理1 5 3 1 3 底极板采样技术1 6 3 2 采样保持电路时域和频域性能指标1 7 3 2 1 采样保持电路时域性能指标l7 3 2 2 采样保持电路频域性能指标18 3 3 采样保持电路时域和频域分析1 9 3 4 采样保持电路基本结构介绍2 1 3 4 1 开环结构2 2 3 4 2 闭环结构2 2 | i i 江苏大学硕士学位论文 第四章采样保持电路的设计与实现2 5 4 1 采样保持电路总体电路设计2 5 4 2 采样保持电路的输入自举采样开关设计2 5 4 2 1 基于栅压提升技术的采样开关2 5 4 2 2 基于栅压跟随技术的采样开关2 6 4 2 3 设计栅压自举开关仿真2 7 4 3 运算放大器设计2 8 4 3 1 单级运算放大器2 8 4 3 2 套筒式运算放大器2 8 4 3 3 折叠式运算放大器2 9 4 3 4 增益增强型共源一共栅电流源2 9 4 - 3 5 两级运算放大器：3 0 4 3 6 采样电容和运放负载电容计算一3 1 4 3 7 设计的全差分折叠式运放仿真3 2 4 4 偏置电路3 3 4 5 共模反馈电路3 4 4 6 时钟发生电路3 5 第五章采样保持电路数学模式分析3 8 5 1 采样相建模3 8 5 2 采样模式非理想因素误差源分析3 8 5 2 1 采样时钟抖动3 9 5 2 2 电荷注入效应4 0 5 2 3 输入电压相关的关断瞬间：4 1 5 2 4 开关时钟馈通效应4 2 5 2 5 非线性开关电阻4 3 5 2 6 开关热噪声4 3 5 3 保持相建模4 4 5 4 保持相运放建立时间建模4 4 5 4 1 压摆区建模4 4 5 4 2 线性区建模4 5 i v 江苏大学硕士学位论文 5 5 采样保持电路建立时间数学模型的验证。4 7 5 6 第五章小结4 8 第六章采样保持电路的p s p i c e 仿真结果及分析4 9 6 1采样保持电路性能。4 9 6 2 采样保持电路系统仿真结果4 9 6 3a d c 电路系统仿真测试5 1 第七章结论和展望5 3 致谢5 5 参考文献5 6 攻读硕士研究生期间发表的论文6 1 v 江苏大学硕士学位论丈 第一章绪论弟一早硒形 第一章阐述了研究论文的目的、意义及主要研究工作，说明了论文的主要内 容和设计的主要框架。 1 1 课题研究意义 随着集成电路迅猛发展，国际通讯、消费类电子和多媒体市场的快速增长， 数字信号处理技术也得到了很快的发展，并应用于各个领域。作为数字信号和模 拟信号的接口电路一模数转换器( a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r ：a d c ) 成为各种 数字设备必不可少的前置单元模块。a d c 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，但系统最终需要将得到的数字信号变换为模拟信号，用于进行信号的不失真 传输【1 1 ；信号处理系统的结构框图如图卜1 所示，详细表明了信号的传输过程。 模拟信 号输入 预处理( 滤 数字信 后处理 波和a d 扒 j 号处理 、 ( d a 转 转换) 换和滤波) 模拟信 号输出 图卜1 信号处理结构框图 在半导体集成电路发展的未来，集成电子系统要求将越来越多的模拟和数字 电路集成到一个硅片上，以降低成本，这就是混合信号片上系统( s o c ) ；a d c 是s o c 的重要组成单元；b i c m o sa d c 的性能主要取决于其采用的整体电路结 构和各单元电路( s h 电路、运算放大器等) 的性能。文章的重点是研究高性能 的s h 电路对a d c 综合性能指标的影响。 二十世纪七十年代，a d c 的种类主要分为全并行( f l a s h ) 、两步型( t w os t e p ) ； 八十年代开始，随着制造工艺和数字电路设计技术的不断改进，a d c 出现各种 新的结构，在精度和速度上均达到高水平，主要分为折叠型( f o l d i n g ) 、子区间 型( s u br a n g i n g ) 、插值型( i n t e r p o l a t i o n ) ，此类高速高精度低分辨率的a d c 一 直保持着缓慢发展；进入九十年代以来，流水线型( p i p e l i n e d ) 、逐次逼近型 ( s u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o n - s a p , ) 、过采样卜型( s i g m ad e l t a ) 、时间交织型 ( t i m ei n t e r l e a v e d ) 以及c t s d 型( c o n t i n u o u st i m es i g m ad e l t a ) 成为a d c 的 主流代表，克服传统a d c 在高功耗、低分辨率和低转换速率上的局限性，向着 高速、高分辨率、高转换速率方向发展【2 引。 江苏大学硕士学位论文 流水线型( p i p e l i n e d ) a d c 的结构如图卜2 所示，双通道流水线a d c 由如下两 个基本结构并联构成，其工作原理是s h 电路将采样点模拟量进行保持，供a d c 进行恒值处理；同时采用多级结构，通过低精度的a d c 子电路分时分级转换输 入的模拟信号，从而达到高精度、高采样频率和高集成度，该类型a d c 在近年 来被广泛研究和应用于通信、消费类电子和医疗电子等多个领域【4 】。 盟- 1 黧 模拟输入l 第一级u 第二级b 一第级 b ：! ：产鼍一 y - b i t 输出 图卜2 流水线a d c 结构示意图 s h 电路位于p i p e l i n e da d c 的最前端，在两相不交叠时钟的控制下，其在 采样相对输入模拟信号进行采样，在保持相对采得的模拟信号进行保持，使该信 号在一定时间内恒定不变，以供后级a d c 转换，其功能示意图如图1 - 3 所示。 采样时钟 模拟输入 控制开关波 图卜3s h 电路工作原理示意图 随着数字电路处理速度的提高，能否快速采样模拟信号并将其量化为数字 量，是提高系统快速处理数据的重要环节。s h 电路是a d c 的前置模块，即模 数转换的接口，其综合性能直接决定整个a d c 的速度和精度。随着c m o s 和 b j t 尺寸的不断减小和芯片工作电压的降低，要求c m o s 管的阈值电压能随着 电源电压的降低而动态降低，即增加了设计高性能模拟电路的难度，因此，研究 和设计适合1 0 位双通道高速流水线型a d c 的s h 电路是相当有意义和必要的。 2 江苏大学硕士学位论文 1 2 国内外采样保持电路研究现状和发展趋势 表卜l 统计了i e e e 文献关于s h 电路技术的最新学术成果及其设计优点【4 】。 表卜ls h 电路最新设计学术成果 文献结构特点制造工艺和性能 g i a n f r a n c oa v i t a b i l e g i u s e p p e基于m a t i ，a bs i m u l i n k 工 充分考虑影响s h 电路性 c o v i e i l o p o l y t e c h n i co f b a r i ， 具，对s h 电路进行时域建模能因素：失调电压、增益误 b a r ii t a l y 5 1 差、增益非线性 j r a m ia n g u l o n e wm e x i c os t a t e基于全差分轨对轨a b 类运算 基于0 5 岬c m o s 工艺， u n i v e r s i t y ，u s a 6 】 放大器的轨对轨s h 电路 = 2m t l z ，s f d r = 6 9d b c h a d i j a b b o u r 。d a v i dc a m a r e r o 提出优化时间叠加s h 电路通 t e l e c o mp a r i s - t e c h ，f r a n c e t 7 l 道技术，可提取单个s h 电路基于1 2v6 5n mc m o s ， 最优值，考虑运用同一结构多验证了提出的技术 个运放的有限增益带宽 q u i n c yf u n g ，a r m i na f o m a n i 设计开关发射级跟随器结构的基于3 5v 0 1 8 “m6 0g h z 开环s h 电路，在跟随器之后s i g eb i c m o s 工艺，1 0b i t ， u n i v e r s i t yo f t o r o n t o ，c a n a d a l 8 】 采用高线性度缓冲级，降低电 p d - 1 4 8m w 路复杂度和功耗 m o u s ay o u s e f i ，z i a a d d i nd a i e 应用于时间交织结构a d c 的可基于t s m c3 3vo 3 5 m k o o z ek a n a n i i s l a m i ca z a d编程结构s h 电路，电路的增 c m o s 工艺镌= 2 0 0m h z ， u n i v e r s i t y ，l r a n 9 1 益通过编程改变 s n d r = 8 7d b j i a nr u a n ，c h u n gl e nl e e 差分输入，两级结构的s h 电基于s m i c1 8 v o 1 8l a m 路，每一级可独立调节。实现 c m o s 工艺，1 0b i t ，矗= p e k i n gu n i v e r s i t y ，c h i n a 1 0 1 了大动态范围和高转换速率 5 0m h z ，刀d = 一6 2d b ， s f d r = 6 3d b s o u n a k r o y i n d i a ni n s t i t u t e采用双采样，栅压自举开关和 基于1 8vo 1 8p mc m o s t e c h n o l o g y ，i n d i a 1 1 l 底极板采样技术工艺，9b i t ，五= 4 0 0i v i h z ， 尸d = 1 0 m w j u n h u as h e n ，p e t e rr k i n g e t 前端采用低精度辅助s h 电基于0 5v9 0n mc m o s 工 c o l u m b i au n i v e r s i t y ，n y 1 2 1 路，使子a d c 与流水线级同步， 艺， = 1 0m h z ，s f d r = 降低了设计难度和功耗一4 8 d b t s u n gs u ml e e n a t i o n a ly u nl i n 采用全差分密勒效应结构和高基于3v0 3 5 岬c m o s 工 u n i v e r s i t y o fs c i e n c ea n d线性度的前端采样开关，达到 艺，石= 3 3 0m h z ，t h d = t e c h n o l o g y ，t a i w a n ，c h i n a 1 3 】 高速度和高线性度 - - 6 8d b ，尸d = 2 6 4m w s h a h j i a n g ， m a n h a n hd o 提出混合s h 结构，可降低信基于1 8v0 1 8 岬c m o s n a n y a n gt e c h n o l o g yu n i v e r s i t y ， 号摆幅和提高s n r ：降低了带工艺，8b i t ，矗= 2 0 0m h z ， s i n g a p o r e 1 4 1 宽和电容匹配度的要求，降低 p d - - 2 2m w 了功耗 m a h m o u d s a d o l l a h y u r m i a设计开环s h 电路，采用高线 基于3 3vo 3 5 岬c m o s u n i v e r s i t y ，m a l a y s i a 1 5 l 性度缓冲器和栅压自举开关工艺，p d = 3 1 2m w g i l s o n l w i r t h w i r e l e s ss m a r t基于翻转电压运算放大器的全 基于1vo 1 8i n nc m o s ， d e v l a b s ，c a n a d a 【1 6 1 差分低压跨导跟随s h 电路 五= 1m h z ，p d = 5m w 江苏大学硕士学位论文 国外科研机构和企业对s h 电路的基础理论和基本结构进行了广泛且深入 的研究，国外在此方向上已形成比较系统的理论和技术，同时新的科研成果和高 性能的产品仍在不断涌现。虽然国内在此研究领域上已有所发展，但不如国外完 善；参照表1 - 1 研究文献，可以总结：s h 电路在拓扑结构、工艺、运算放大器、 误差校正技术和数学建模方面都有新的进展：尤其是在低压和高速两个方面进展 明显，这也正是目前市场需求的体现。 综上所述，s h 电路的基础理论和电路设计技术的进步主要体现在以下三个 方面： 1 电路拓扑结构的改进。2 0 0 8 年出现t y l 种新的结构，如两级结构、可编 程结构、混合模式结构和开环结构的s h 电路等。 2 运算放大器性能的进一步提高。尽管运算放大器相关的技术已经非常成 熟，但仍然有一些新的改进技术出现，如采用翻转电压跟随技术的全差分低压跨 导运算放大器等。 3 采样开关的优化。虽然采样开关的结构较为简单，但要在低压下设计高 性能的采样开关，仍然是一个挑战。采样开关相关的技术近年来也有所发展，出 现了一些新的结构，如双边栅压自举采样开关技术等。这些技术均是针对采样开 关的诸多非理想因素中的一项或者几项提出的；进一步优化采样开关的结构，提 高其性能仍然是一个重要的发展方向。 4 b i c m o s 电路结构应用于整体电路和各子电路是高速低功耗a d c 趋势。 另综合国内外高质量论文及集成电路制造公司产品手册、技术资料，可知 a d c 电路的发展趋势是高转换速率、高分辨率、低压低功耗、b i c m o s 结构方 向发展；a d c 的前置模块电路一s h 电路，与其有着相同的发展方向。设计同 时具备高速、高精度、低电压性能的s h 电路是难点和热点，研究均从采样相 和保持相进行入手，采样相包括b i c m o s 器件沟道电荷注入、电荷馈通效应和 栅压跟随运放电路等；保持相侧重运放建立过程，重点是建立时间和电容容值成 反比的矛盾解决。 国外起步早，技术基础实力强，在此方面进行了较深研究，因此可实现高分 辨率和转换速率，1 0 1 2b i t1 0 0 m h z 的a d c 已有产品。国内主要是研究所和高 校对高速高精度a d c 进行研究，对于1 0b i t 精度的a d c 只有1 0m h z 左右的产 品出现，与国外差距较大的。随着国家重视集成电路产业并加大资金投入，现在 4 江苏大学硕士学位论文 已有了一定的发展，相信未来我国在这方面会有很大的发展。 1 3 论文研究范围和主要内容 由于a d c 数据转换系统对精度与速度需求的不断增加，就需要高精度、高 速度的a d c ，同时不可避免的需要高精度、高速度的s h 电路。论文研究重点 是设计一款适用于双通道流水线型的超高速1 0 位s h 电路，该设计是基于s m i c 的0 2 5g m1 8v 电源电压b i c m o s 工艺设计出输入信号范围为1v ，分辨率为 1 0b i t ，转换速率为2 5 0m h z 。 论文共分七章，具体章节安排如下t 第一章介绍了国内外a d c 的研究动态 和发展趋势，同时给出论文设计s h 电路的研究意义和主要内容。 第二章首先介绍了a d c 的工作原理和主要性能指标，然后介绍几种典型高 速，高精度a d c 电路的工作原理及特点，对比分析各电路的优缺点。 第三章首先介绍了s h 电路的基本理论，时域和频域性能指标：对比分析 各种典型s h 电路结构，详细分析了典型s h 电路的功能和优缺点。 第四章依据前面各章节介绍的，设计出应用于1 0 位流水线a d c 的s h 电 路，确定适合本设计的最优模块电路，文章重点对s h 电路中的采样自举开关 及其非线性，采样电容和运算放大器，双通道共模反馈和时钟发生电路进行了分 析，简单介绍下底板采样技术的优点。 第五章对s h 电路进行数学建模，包括采样相建模和保持相建模，采样相 建模主要分析推导采样开关的非线性导通电阻对s h 电路引入的非线性谐波分 量，保持相建模主要推导保持态建立时间与负载电容、反馈系数、运放极点、偏 置电流、信号摆幅和建立精度之间的关系。 第六章基于现代低压工艺，设计实现10b i t 精度，采样频率居= 2 5 0m h z 的高性能s h 电路，并进行p s p i c e 仿真实验，给出了最终的电路仿真波形。 第七章为总结和展望，主要对论文完成的设计工作做了总结分析，并对设计 的工作进行补充说明。 江苏大学硕士学位论文 第二章a d c 基本理论简介 2 1 模数转换器a d c 概述和工作原理 在模数转换器a d c 中，s h 电路作为整个信号处理链中的第一个模块，s h 电路的性能直接决定了整个模数转换器的性能。这一章，首先介绍高速a d 转 换器及高精度a d 转换器的基本原理，然后对比分析典型结构的s h 电路性能。 模数转换器( a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r ：a d c ) 是将在幅度和时间上连续变 化的模拟信号转换为在幅度和时间上均为离散变化的数字信号，通常由一个或多 个前置滤波器、通断开关、s h 电路、量化器编码器、时钟控制电路和无源器件 构成。图2 - 1 是模数转换过程的工作原理示意图。 制 信号明 采样频率矗 s h 爿量化器 刮编码器 电路l l _ r l 1 一 时钟控制电路 输出数字 信号 图2 - 1a d c 工作原理示意图 首先，前置滤波器( 抗混叠滤波器) 用来将输入信号频带以外的杂波信号滤 除，限制输入信号带宽，使后续的采样不会将额外的噪声或杂波信号成分混叠在 有用的信号基带中。与前置滤波器相接的是一个s h 电路，该电路在采样时钟 频率( 居) 控制下将输入到a d c 的模拟信号转换为一个等价的输出数字码信号， 并使该数字信号在此时间周期内保持不变，该时间周期被称为a d c 的转换时间； 转换过程通过量化来完成，量化的实质是将输入模拟信号矾波形幅度的采样值 用一系列参考电平值来近似，量化后采样信号变为幅度离散的数字信号；在 输出数字信号端编码电路建立与量化电平相对应的二进制数字量；a d c 转换器 所需各路时钟信号由时钟控制电路提供，依据转换过程中的要求来控制各部分电 路的通断。在a d c 实际应用电路中，量化和编码常结合起来使用【1 7 】。 2 2a d c 主要性能指标 当a d c 的功能以片上集成的方式实现时，由于从器件到电路结构的各种非 理想因素的存在，使实际达到的系统性能与其理想性能存在偏差。在2 2 节中， 重点介绍理想a d c 的动态和静态基本特性及量化的概念。 2 2 1理想a d c 转换特性 6 江苏大学硕士学位论文 理想的a d c 传递函数是一条斜率为l 的直线( 假定可以无限量化) ，如图 2 - 2 所示，实际中a d c 传递函数是阶梯状单调上升函数，适当范围内所有输入 模拟信号可以被a d c 以有限位数的数字编码输出表示。如图2 2 所示数字输出 0 0 i 代表模拟输入信号的i 8 周期，其他数字编码以此类推。 图2 t3 位a d c 理想输入输出特性 图中各范围内的模拟信号连续，数字编码信号离散，所以a d c 需引入量化 过程，同时引入固有量化误差。当a d c 输出数字信号位数增多时( 分辨率上升) ， 其传递函数近似为直线。当选取输出数字信号发生跳变时的阈值位置，阶梯的中 点将落在传递直线上，能获得较低量化噪声。每个阶梯宽度定义为l s b ；a d c 分辨率用数字输出信号位数表示，位的分辨率有2 个有效数字输出【1 7 1 。但由 于传输特性中第一位和最后一位均有1 2l s b ，所以满幅度范围( f u l ls c a l er a n g e ： f s r ) 可分为2 - 1 个l s b 宽度，l s b 表达式如下【1 8 】： 三姐= 月娥( 2 n - 1 )( 2 一1 ) 2 2 2 静态性能| 旨标 a d c 的静态误差可用静态参数表征，即影响a d c 量化直流信号精度的误差 源。a d c 静态性能指标有增益误差、失调误差、积分非线性i n l 和差分非线性 d n l 、分辨率及精度，通常以百分之l s b 或f s r 表示。1 n l 和d n l 表示a d c 包含量化误差、非线性、失调和噪声等的精度性能。 1 失调误差( o f f s e te l r o r ) a d c 失调误差近似为漂移误差，即实际a d c 最低判决电平与理想a d c 最 低判决电平的差值，用m v 或百分之满量程( 殿r ) 表示。失调误差通常由 a d c 中的运放和比较器的失调电压或电流造成，该失调电压或电流由m o s f e t 7 江苏大学硕士学位论文 管的失配引起；失调误差使a d c 输入信号为零时，产生非零输出电压或电流。 因此在i c 设计和制造时，应设计出高性能运放和比较器电路来抑制失调误差对 电路输入电压和电流信号造成的影响。 2 增益误差( g a i ne r r o r ) 增益误差指以a d c 的失调误差为参考电平，实际输出增益和理想输出增益 的最大值之差；将实际a d c 与理想a d c 的最低判定电平对齐，两者最高判定 电平的差值，大小为百分之满量程。 3 积分非线性( i n t e g r a ln o n - l i n e a r i t y ) 理想a d c 中，所有的判定电位均处于一条直线上；但实际a d c 中，这些 判定电位会偏移直线。采用端点一端点或最小方差原则将实际芯片测量出的判定 电位拟合出最佳直线来计算i n l 。积分非线性误差也可定义为去除失调误差和增 益误差后实际a d c 和理想的a d c 的传输曲线之间的偏差值。 4 差分非线性( d i f f e r e m i a ln o n 1 i n e a r i t y ) 理想a d c 中，相邻两个判决电平的差值等于一个l s b 。但在实际a d c 中， 这些差值并非等于一个l s b 。该差值和一个l s b 的偏差值就是差分非线性误差 d n l ，它反映a d c 的局部误差【1 7 】。d n l 可用下式计算： d n l = ( d c r - - 1 ) l 馏 ( 2 2 ) 其中，以l s b 为单位时，d c r 为实际垂直台阶的尺寸。通常情况下，d n l 的大小依赖于a d c 实际输出数码；若没限定具体的输出数码，则用所有输出数 码中d n l 的最大值来衡量整个a d c 的差分非线性误差指标。 5 分辨率( a c c u r a c y ) 分辨率是在包含了所有的误差时，a d c 所能转换的最小电压。该所有误