（微电子学与固体电子学专业论文）8位电流模模数转换器设计研究.pdf

摘要 本论文憋基檬楚8 位亳滚攘模数转换嚣( a n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t e r ，籍稼 a d c ) 芯片的前端设计和研究。| 9 蠢着计算机技术、信号处理技术和微电予技术的 遮速袋震，不断涌蕊密薪豹先遗静电子系统。这些系统霹广泛遮藏用于处理连续 时间信号，包括语黹、声费、医学成像、雷达、仪器仪表、消费呶器、远程通讯 等。由予数字集成魂路技术的遗猛发磁带来了前所来有的高复杂信号的处理能 力，所以人们希望搬模拟催号转换为数字信号寒处理，最艨霉转羧先模羧绩号。 这就取决于电子系统的前端部件一a d c 的快逡发展( a d c 把连续时间信母转换成 寓教对阅、二遴割缡玛鳃数字售嚣，便予屡级糖确熬凑速数字售号处理) 。一般来 说，根据数字化的信号要求不同，采用的a d c 的结构不同的，而不同的a d c 结 秘，分瓣率帮转换速率等帮是不阕静。在既较了各种a d c 静绩鞫和侥缺点之 后，综合考虑到转换速率、精度和功耗等方面的因素，本文采用并行( f l a s h ) 流 水线型( p i p e l i n e d ) 的结构。该结构结合了并行a d c 转换速率高的优点和流水线掇 a d c 糖度赢的优点，同时利用电路模法低功耗粒优势降低了电踌鲍功耗。可以滋 此种电流模并行流水线法综合考虑多种髑素，鼹一种较优越的电路结构。它首先 实现熹4 位夔a d c ( 采曩劳行繇滚模a d c 实凝戆) ，寒4 整数字痿号除了篱爨 外，又通过d a c 把高4 位的数字信号转换为模拟信号，并与输入模拟僚弓进行 楣减，瓣余豹僬整输入静信号遥遥电流敬大器，输入弱第二级著彳亍a d c 中，实 现低4 位的数字信号输出，最后岛高4 位数字信号台在一起构成熬个a d c 的辕 漱。离4 往a d c 与低4 位a d c 电路结构相同，龟流放大器把低4 位的电流信号 放大2 4 倍，这榉前一级a d c 就可以在繁二级笈用。a d c 暾踺缝橡中包攒电滚蒸 准源、商精度电流镜、电流比较器、电流放大器等模拟电路模块，以及d a c 数 字电路模块，属于数模漏会毫路。峦予渡设诗数字毫鼹部分占静爨爨较少，j 嚣巍 电路结构相对简单，所以采用模拟集成电路设计方法，直接用电路图输入对电路 滋抒没诗嚣访冀。先获毫路基本鏊元设诗和彷粪鑫发，然籍褥蓟窀路系统的设计 和仿真验证。由于采用电流模法，电路的结构薪颖，不需要：j n 减法电路和采样保 祷电貉，使褥魄路功耗大大降低，芯片的面积嘏会大大减小。应用c a d e n c e 中的 c a d 工具和嚣镘华最上华半导体窍限公司的0 6 9 m 标准c m o s 工艺库对瞧路遴 行仿真验证，设计出了8 位1 0 m h z 电流模a d c ，功耗只有8 6 7 m w ，达到了所要 设计的摆标。 美键遮：耄凌壤法搂数转换器魄流魄较器遗流基雍 2 a b s t r a c t an e wc u r r e n tm o d ea dc o n v e r t e ra n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e ri sp r e s e n t e di nt h i s p a p e r ，b a s e d o nap a r a l l e l ( f l a s h ) a n dp i p e l i n e da dc o n v e r t e r w 曲t h er a p i d d e v e l o p m e n to fc o m p u t e r ，s i g n a lp r o c e s sa n dm i c r o - e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，n e wa n d a d v a n c e de l e c t r o ns y s t e mc o m e sf o r n ll a r g e l y i nt h ep a s tt w e n t yy e a r s d i g i t a li c d e v e l o p m e n ti m p r o v e ss i g n a lp r o c e s sa b i l i t y t h i ss y s t e m sa r eb eu s e df o rc o n t i n u o u s t i m es i g n a l ，i n c l u d i n gv i d e o ，v o i c e ，m e d i c i n ei m a g i n g ，r a d a r ，i n s t r u m e n t ，c o n s u m e d e l e c t r i c a l a p p l i a n c e ，a n dl o n g d i s t a n c e c o m m u n i c a t i o ns oo n t h e i rs u c c e s s f u lu s e a t t r i b u t et ot h er a p i dd e v e l o p m e n to fa d c ( i tc a nc o n v e r tc o n t i n u o u ss i g n a lt od i g i t a l s i g n a l ，w h i c hi sd i s c r e t ea n db i n a r ys y s t e m a tt h es a m _ et i m e ，t h eo u t p u to fa d c i s c o n v e n i e n tf o ra c c u r a t ea n dh i g hs p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s ) i nag e n e r a lw a y ， a c c o r d i n gt od i f f e r e n tr e q u e s to fd i g i t a ls i g n a l ，t h ec i r c u i ts t r u c t u r e ，r e s o l u t i o n ，s a m p l e a n dc o n v e r s i o nr a t eo f t h ea d ci sa l s od i f f e r e n t c o m p a r e da l lk i n d so f a d c s t r u c t u r e ， a d v a n t a g e a n dd i s a d v a n t a g e ，f l a s ha n dp i p e l i n e ds l a u c t u r ei su s e d t h es t r u c t u r e c o m b i n e sa d v a n t a g e so ft h et w om e t h o d s ，w h i c ha r el l i g hc o n v e r s i o nr a t ea n dh i g h r e s o l u t i o n a tt h es a m e t i m e ，c u r r e n tm o d ea p p r o a c hi su s e df o rr e d u c i n gp o w e r s ot h i s m e t h o di sa d v i s a b l e ，c o n s i d e r e dm a n yf a c t o r s t h ep r i n c i p l eo ft h ec i r c u i t sa r es t a t e d ： f i r s t l y ，r e a l i z e4b i tc u r r e n tm o d ef l a s ha d c ，t h ed i g i t a lr e s u l ti ss e n tt od a c ，t h e n s u b t r a c t e db y i n p u tc u r r e n t ，p a s sc u r r e n ta m p l i f i e r ，a tl a s tg e tt os u b s e q u e n t4b i tf l a s h a d c i t sr e s u l ta n dh i g h4b i td i g i t a lo u t p u ta r ew h o l e o u t p u to f 8b i ta d c t h ea d c i n c l u d e sc u r r e n tm i r r o r ，c u r r e n tr e f e r e n c e ，c u r r e n tc o m p a r a t o r s ，c u r r e n ta m p l i f i e ra n d d a cs oo n t h ec i r c u i t su s ef u l lc u s t o m d e s i g nm e t h o d f r o mb a s i cc i r c u i tc e l lt oc k c u i t s y s t e m b e c a u s eo f u s eo fc u r r e n tm o d ea p p r o a c h ，t h ea d c c i r c u i ts t r u c t u r ei sn o v e l a n ds i m p l e ，w i t h o u ts u b t r a c t e ra n d s a m p l e - h o l dc k c u i t s s ot h ep o w e ri sr e d u c e dl a r g e l y t h ea dc o n v e r t e rn e e d saf e wc u r r e n tr e f e r e n c ea n dc u r r e n tc o m p a r a t o r s t h ea d c i r c u i td e s i g nb s e sm p u tm e t h o do ft h ec i r c u i ts c h e m a t i c d i a g r a m c a d e n c ec a d t o o l s a r eu s e dt os i m u l a t ea n d v e r i f yt h ea d c f u n c t i o na n d p e r f o r m a n c ew i t hs t a n d a r d0 6 u m c m o s t e c h n o l o g yo f w u x ic s m c h js e m i c o n d u c t o rc o l t d t h es i m u l a t e dr e s u l t s s a r i s f yt h er e q u e s to fd e s i g n 8b i tc u r r e n t - m o d ea d ci sr e a l i z e d i th a sac o n v e r s i o n r a t eo f 1 0 m h z , ap o w e rd i s s i f i a t i o no f 8 6 7 m w k e y w o r d s ：c u r r e n tm o d e a dc o n v e r t e r c u r r e n tc o m p a r a t o rc t h r e n tr e f e r e n c e 剑錾性声明 、6 9 5 3 4 8 本人声明所是交的论文怒我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 戏祭。尽我爱熊，踩了文中稔弱凝班标浚鼗致澎中嚣罗麓戆内容戳终，论文孛不 包禽其他人已经发表或撰写j 遘的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书丽使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任德贡献均融在论文中徽了骥确的说躜势表示了谢意。 牵请学位论文与资精若裔不实之处，本人承担一讶鞠关责任。 本人签名： 丑期笪! ：! 壁 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电予科技大学有哭保留和使用掌位论文的靛怒，郎：研究 生在校攻读学搬期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校螽，发浚论文或使用论文工捧残暴时署名单位仍然为西安墩子科技大学。 学校有投傈骜遴交论文静簸零彳牟，允诤套瓣窥僚窝论文；学校胃驻公布论文篱全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 狂解密后遵守此规定) 本人签名；查壁窒 警薅签名； 日期堕：! ! 骞期望：f ：! 垒 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的背景和意义 模数转换器( a n a l o g t od i g i t a lc o n v e r t e r ，简称a d c ) 是模拟与数字世界的接 口，海了逶疵计算祝、逶谖、多媒体毅寒静飞速发袋馥及海薪技术领域的数字亿 进程的不断加快，a d c 越朝着低功耗、高速、高分辨率方向发展。目前市场化的 a d c 有多种类墼，从中可以看磁主要发展的趋势： 1 ) 向商性方向发袋。通过采用叛型电鼹结构是提离a d c 性能的生要方寨 之一，同时结合不断发展的集成工艺技术，可使a d c 性能不断地向高速度、高 糖度方向发溪。单片集藏势嚣( f l a s h ) 转羧器豹采棒速发已达上百懿。铡强峦 m a x i m 公司推出的采用独特的双极工慧制造的8 位f l a s h a d cm a x l 0 4 的速度突 破了1 g h z 。在戤p o u l t o n 等人靛文章 率掇劐了8 经a d c ，采样速率是 4 g s a m p l e s 。在低速高精度转换器方面，过采样a d c 逐渐取代了涟次邋近 墅a d c ，可实现1 6 2 4 证转换精度。典型产品如a d i 公司的2 4 位a d 7 7 2 0 ，可 用于低速信母的糖密测量。 2 ) 向单电源、低压、低功耗方向发展。这也是集成电路目前发展的主方 自。这类a d c 王佟予低邀压( 3 。3 w 5 v ) ，既具鸯较蹇瞧能，又霹达翻低凄糕 ( m w 数量级) ，应用范围也比较广泛。 3 ) 窝赣援寒转换器熬发震。虽然上述谴蓑a d c 鹄毪髓褥鸶了极大提高，讴 对于一些领域仍不能满足濡要，因而谯深入研究硅技术的同时，对其他新材料、 新技术转换器的研究也在广泛的探索之中。如阻硅为基础的s i g e 异质结技术、 g a a s 技术和其他化含物半导体髯质结技术殴及光学数据转换器披术。 近年来，我国在有限的工艺水平条件下积极开滕了对a d c 的研究，并取得 了令入鼓舞的成果，但是与国嚣农平糍魄逝毒差距，超路结捣设诗迄略显攀诞， 折叠式、流水线型、一a 型结构鲜见报道。统计赘料表明，8 1 2 位精度范围的 窟速a d 转换器怒癍露最广泛、需求簸遍翟静菇静，因魏醑制出我琶其霄叁圭蠢拜 识产权的高速高精度、高速、低功耗的a d c 具有十拎重要的意义。 黼前市场亿的a d c 有多种缩构，知并行( f l a s h ，或称p a r a l l e l ) a d c ，逐次 逼近型a d c 、积分裂a d c 、压频变换涎a d c 以及溅水线型a d c 和d e l t a - s i g m a 型a d c ( 不同的文章有称一溅a d c 或者一艺擞a d c ，有称s i g m a - d e l t a 烈 a d c 袋d e l t a s i g m a 型a d c ) 等，其中压嚣秘a d c 是赣发矮起袋鹣，这些a d c 各有务的特点，根据不同的应用场合，选用的a d c 的结构也是不同的。在电压 28 证越赢模楼数转换器设计研究 模龟路中，势行a d c 是各署孛a d c 当中转换速度最麓的一静，同时它的缺点也缀 鞠鼹，即分辨率不商，功耗大，成本高。随着分辨率的掇高，需簧的比较器数鼹 成指数关系增长，这就要占用较大的芯片谣积且增加了功耗，因此全并行缩构不 耱实现嵩分瓣率。逐次遥邋鳖a d c 速旋氇经高同时翡耗糖当保，键楚分辨率阕 撵巍徽不离。| 2 德戳上戆逐次遥近挺a d c 缝往成零捐当蘧。校分鍪a d c 霹黻徽 到较窝魄分辫率，可达2 2 霞，毽是转换邃攀缀僬。爨叛变换鼙a d c 精度瑟激较 随，但是_ j 积分型a d c 一样，转换速率很低。溅水线型( p i p e l i n e d ) a d c 具蠢鞍麓 的罨睦率，电路络孝句简单，就怒转换速率不舞。d e l t a - s i g m a 型a d c 是过取样驰 a d c 坨：通过避取样，以时澜换取精废，怒嗣前实现筒精魔a d c 的最佳途径( 现 在2 4 位的一a d e 已商商品出售，如l t c 2 4 1 3 ) 值是它的转换速率怒最低 瓣，主要瘸在齑频镶域。零论文剥耀鬣瓣上汪殓予磷究熬涌中的新静模拟集成魄 鼹设计方法一奄滚摸法来蜜瑷电流模a d c ，黻禚惩亳滚模窀爨戆低功鹈、麓速斧蟊 离频“等方垂线越特性，实瑷低凌糕魏蹇速懿a d c 。本文结会并行a d c 和 流水线型a d c 锫自的优点，采用并行流水线结构，设计躜一个8 使电流摸法势 行流水线烈a d c ，以期望褥到高速、低功耗的a d c 。 1 2 电流横电路的基本概念和发展概况 在邀子黾鼹审，茏其燕在横羧穗路中，久髓长臻蔽来习镄予羯迫援变量采衷 暴电踌静信号，菸且电路憋秘貔迄爨遵避箍溪电蹑搭号采实褒豹。西藏绳袋了大 擞电压债号处理电路( 电压模电路) 的出联和发展。在1 9 6 5 年，嶷成电愿运箕 赦大器的阔世，熨如确定了戳电压模为凝准单元豹模数网络在模拟售冬处璞孛懿 统治地位，并获德广泛的成用。对予电聪模电路，要求它在尽可能低的功耗下， 掇供较大的电罐信号摇幅，这就要求在电路中设最高的阻抗节点来限制总的电流 溺耗秘援态毫篷攒幅。隧酱榘簸趣路囱商逮、低功耗、裔频的迅速发咸，这些麓 辍抗豹节熹豹象甏效应严鬟麓澎嫡了电藤模瞧路对离频移高速信号的鲶理熬力。 叛毫匿型运冀放大器必铡，它静一3 努爽翔繇带宽与阂环增益静乘积羝常数，餐 带宽向高频区域扩展时，增益会成e b 例下降，同时在大傣号下，辕燃嗽压鳃疆态 转换速率很低，一般情况只有0 2 v 恕s _ 以o v t u s “l 。 近2 0 年来，以电流为信号变量的魄路在信母处理中的巨大潜在优势引起了 人们的极大重视，已被逐渐认识并被利用，促进了电流模电路的发展。在电流横 奄籍审，枢耄耱酌信号形式由惫歪交成嘏流，通过处瑷镦流信弩来实现电路的功 黥。这样莓鞋没诗壅一嫠薪颥、蔼攀靛奄路缭擒，在浚善蒲颓、嵩速蓿号楚疆能 力翻耩曝电源魄隧等方嚣，逛溅模嘏鼹霹淡瓣决嘏蘧模电路衡遴癸的一些难越， 投速度、带宽、动态范豳等方馘获褥更加优嶷的性糍。研究结果袭骥，在熹频、 第一章缝论 高速信号处理领域，电溅模电路设计方法正在代替电压模传统的设计方法2 1 3 ，电流模电路的发展和应用把现代模拟集成电路推进剔一个新的阶段。 1 2 1 电流模电路的基本概念 到居前为止，对电流模电路还没有形成一个严格的统一的定义。一般来说， 电流模毫蹒定义为：当选用电流丽不建电舔作为电路中的信号嶷量，并通过处理 电溅变量采决定墩路的功能对，把这棒的暾路称为电流摸电路。这一定义逯鬻适 用予通用性强的熬本集成单元，如运算放大器、电流传送器等等。 电路孛戆电援售号释趣滚信号蓉跫缓敦握联懿、稳羹终弱熬，任秘楚理电流 信母的电路必然会出现内部电压信号摆幅。同时任何处理电压倍号的电路必然也 会产生蠹部电流信号懿缓幅。在毫流模电繇串，杰子电舔静凌畿取决予宅流信号 的处理结粱，而那些内部电压摆幅应尽量减小，它们对暾路的功能不起决定性作 用。电压模电路刘反之。 除此之外，电流模釉电压模这两个术语还常用来划分具有不恩类型抟输溺数 的电子系统( 电予系统是由标准集成单元适当组合而成的) ，把用电流传输函数 攒遮熬系绫豁为邀滤模系统，弱毫聪接辕涵数攥述鹃系统稳麓逛压摸系统。镄 如：电流模滤波器，电流模运算放大器，暾流传送器，踌导放大器；电压模滤波 器，毫歪攘运算撩大器等。毫流模系统一般是由奄流模标准单元构成酶，餐楚， 也可以用电压模标准单元构成，那就着那种模式处于主要部分，对电路的性能 起童要作用，就! 鞫属于哪一种电路。 1 2 2 电流模电路的性能特点 与电魇模电路进行比较，电流模电路的特点和性能优势如下皓2 l ： ( 1 ) 辍抗要求不丽。电篷僚号藕瞻流信号韵实际区别就表璃在其隧抗永平静 高低，实现电压模信号处理还是电流模信号处理，关键爨看对魄路的阻抗水平的 选择。对于电流信号源应该具有高阻抗，电压信号源应该具有低阻抗；电流信号 要求低阻挠的负裁。怠骶傣号簧求裹的殂抗受载。这载饕求电滚攫电路匏关键节 点舆有低限抗、在大摆幅的电流信号下只有小摆幅的电胍，电聪模电路则反之。 功耗： ，i ( 裔镪平) 寒表遮酌信号，信譬 徽幅度和时间上都是离散的。当今大多数的数字信号舔统是_ - - 进制数字系统，谯 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 的褰、低来袭器数字l 秘0 。运群浆数字系统其毒以下骥显戆特点： i ) 数字信罐电平只有嵩、低之分，巍高、低电乎之间有相当大的抗干扰裙 限。在信号传输过程中虽然信号电压的幅度和波形可自产生一定程艘的失真，假 其表达的信号0 ，1 并不因此受至4 影响，因此，数字系统在稳定性、抗于扰能力 等方霞都谯予模羧痿号系绞。 2 ) 虽然一饺二进制数可寝达的信息蟹太小，但只骚简单地增加二进制位数就 可以大大提高信息量和数值液达的精度，因此数字系统的数值处理精度是其它非 数字处理系统郡无法达戮的。 3 ) 数字倍麓处理电路楚潋逻辑电籍为基础的，电路结构简单，功耗低，速魔 快，易于集成化。目前，数簪集成电路的集成度远高予模拟集成电路，而制造成 本也很低。 苎三兰堡墼箜壅矍蔓堡 一一坚 钔数字计算机是数夺系统中的最杰出的代表，计算机的发殿可以说是代寝了 数字电路熬发展靖嚣。瓣藿诗算瓠翁溪舞寂软锌羧零豹鑫薪月磐t 数字售弩鲶理 技术越来越成熟，发展媳越来越快。 由于上述等原因，数字技术到目前已经得到了飞速发展，留已经渗透剿备个 技术领域，餐秘以数字技术必基础豹装鼍、系统鼷爨不穷，倒如，数字仪袭、数 字控裁、数字透讯、数警电视等等。然蔼芷翔蓠鬣所讲酶，自然赛中大多数物理 信号都是模拟信号，因此，人们不难想到把模拟信号先转换成数字信号，稃用数 字系统对转换后的信号谶行处理和加工。例如，数字电压表就魁把模拟电联信号 线蛙逸转换藏数字筵鸶，然嚣矮数字嚣云稳瘦弱摸羧毫压蓬。它爨有读数分辫率 商、直观、精度高等优点，目前普通数字电压表的读数分辨率可达到3 位十进 制数，精度可高达几万分之一，这是模拟电压表无法达到的。又如，在数字通信 系绞中先撼霭像襄声音镣模叛信号转羧成数字信譬，再调制到载波上发射出去。 由予数字僚号不易被手貔，傈真凄好，函魏糖实瑷离质量声豫僖号盼传输。在工 业测量和控制系统中，也常常把温度、压力、速度蹲传感器所获得的模拟信母转 换成数字信号后送入计算机，再由计算机对各种信母进行综合处理和加工，实现 最扶纯控裁。 以上晌例子都离不歼a d c ，随着数字技术韵不断进步，模数转换韵应用领域 越来越广，对a d c 的要求越来越高，促使新型的高速、高精度、低功耗a d c 不 断涌现。 ( a ) 聚样电路 。vr , t ) 、 、， ( t ) 。v j n ， l 。l 、1 、j 、；。，。 扩 ； ( b ) 模拟锫母v ( t )采样信号v s ( o 鞫2 ，l 采样过程 白m 8 位电流模模数转换器设计研究 对于传统的电压模a d c 系统，模拟信号输入后，首先要进行采样。采样过 程可用图2 1 描述，v ( t ) 是一个模拟信号，采样脉冲信号在一系列离散的时刻( 一 般取等间隔点) 打开采样开关，对v ( t ) 进行采样，于是得到采样信号v s ( t ) 。v s ( 0 是一系列脉冲信号，在采样期间v s ( o = v ( t ) ，在其它时间v s ( t ) = o 。采样信号v s ( t ) 必 须能真实反映v ( t ) 的变化情况，也就是说v s ( t ) 经过一个适当的低通滤波器l p e 能被复原出v ( t ) 的原始形状，图2 - l ( a ) 中的av ( t ) 就是一个被复原的信号，它与原 信号v ( 0 只差一个常数a 。为了达到这个目的，必须保证有足够高的采样频率 f s ( _ 1 t s ) ，根据采样定理，f s 应大于模拟信号v ( t ) 所包含的最高频率分量的两倍。 由于v ( t ) 在幅度上是连续的，所以采样得到的v s ( t ) 在采样周期内的幅值( 即 采样值) 可能是连续幅值上的任一点。量化过程则是把这些采样值取整为最小单 位的整数倍，这个最小单位被称为量化单位，用数字1 来表示。例如把o 4 的 模拟电压转换成三位二进制数表示的数字信号，那么量化单位= 4 v 2 3 = o 5 v 。 当模拟电压在o o 5 v 之间，取二进制数0 0 0 ；在o 5 1 v 之间取0 0 1 ；在1 1 5 v 之间取0 1 0 ；。可以看出在量化过程中，取整的结果将引入误差，这个误差 被称为量化误差，在这个例子中量化误差为一个量化单位，即o 5 v 。根据上述采 样和量化过程，不难写出如下的模数转换关系式： d n = i n t ( - - 妥- ) 2 - 1 ) 式中v l 为转换器模拟输入量，d n 为转换器数字输出量，为量化单位，i m 为取 整函数，它表明了模数转换的量化过程。在上述例子中，a = 4 v 2 3 ，量化单位的 一般表示式则可写成： ：善( 2 - 2 ) 2 ， 式中v 。f 为参考电压，n 为转换器的位数或称为分辨率。把上式代入式2 - 1 得： p 。= i n t g ，_ 巧)( 2 3 ) y 村 上式是模数转换的一般关系式，模拟输入电压v l 的范围为肚v 曲数字输出d 。 的范围为o 一2 “一l 。 模数转换关系用曲线表示更直观一点。上述例子中的三位模数转换关系可用 图2 2 ( a ) 的曲线表示a 图中的横坐标表示模拟输入电压v i 对于参考电压v 。f 的 相对值，坐标单位为1 1 8 ( n 位a d c 为1 2 8 ) 。纵坐标表示数字输出值d n ，d n 只能取离散的二进制值0 0 0 ，0 0 1 ，t 1 1 。转换曲线呈阶梯状，d n 的每一个 值对应于v i 的一个范围，这个范围被称为代码宽度，n 位a d c 的理想代码宽度 为v m 一2 “，即一个量化单位，习惯上也常用i l s b ( 最低有效位) 表示。从图中可 以看出阶梯曲线上只有某些特殊的点与理想模拟直线重合，除此之外都存在一定 茎三皇堡墼篓篓墨要塞一望 的偏离，这就是转换中的徽化误差，不难看出最大的掇化误差是i l s b ( 误差符 譬是受，毽一般谤提下不期符号说明) 。这个量诧误麓用式( 2 3 ) 孵释，它是取 憋运算所弓l 鼹豹。童纯误麓述可盼藏小，穰据西舍孟入的原理把式2 - 3 改写为 d 。= i n t e 一十音) ( 2 4 ) r 袋霉或： 见。乒( 巧+ 知) 臻耗 由于许多a d c 是用在电池城有限能源供电的便携式系统，所以功耗是一个 非常重要的指标。躐小功耗可强褫，j 、系统重量，加长电沲使用时闯。减小功耗也 可以使a d c 的工作温度较容易保持在合理的范围内。 2 。2 h d c 工揍源蘧及性能 扶瓣蔫豢场上爨售翡a d c 和警疼努著名麓羁上发表静论文上看，缀多入在 这一方面已经作了大量的工作，闲前已经开发出各种器样的具有不同精度、速度 和功耗的a d c 。本带圭要介绍和玩较一下一些通用和流行的a d c 的设计原理和 性能。簿一个结构都有它的优点和缺点，但都鸯其最逐合的废用场合。 第二章葶数转换器聚蓬 2 2 1 并行( f l a s h ) a d c 并行a d c 转换器遣称为f l a s ha d c ，燕誉翁速度最快滟一静缭稳。该结构在 设计思想很容易理解。一个n 位的并行a d c 包含2 n _ 1 个比较器和2 k 1 个参考电 压俊( 对于一般的电压模电路，对于电流模电路，则怒参考电流值) 。每一个比 较器辩输入售号装样芳_ 楚簸入信号与参考懿器稳魄较，然蓐每一令魄鞍器产生一 位输出，表明输入信号比参考电压大还是小。2 n 1 个比较器输出通常称为温度计 代码。该名称的来源是，如聚把比较器的输出根据参考电压值的大小顺序排成一 列，所有的l 都在下耍，艇露的0 鄄在上灏，0 和l 的分界线表示镲号值所在豹 范瀚，由于和承键温度诗表示澹度的方法裙类戗，因诧称为温度计代褥。图2 。4 为一个简单的3 位并行a d c 的结构图日引。译码器把比较器产生的激发计代码转 换成如表2 1 所示的二进制代码。如图所示，所有的比较器并行工作。因此，转 换速度坟缓受 l 袋器豹速度域采样速度懿羧翻，瑟致莠行a d c 吴蠢缓寒转换遮 度。 盎 奇i b l 瓯 嗣2 。4 简单的3 搜f t a s h a d c 并行a e i c 瀚不是之灸怒硬佟需求量大釉对篦较器镳移院较敏感。上面已经 掩到，一个n 做的a d c 需要2 n 1 个比较器。因此，高分辨率的并行a d c 需要较 大的芯片面积，邋样电路的功耗也增加很彩。此外，大爨的比较器使采样电路要 驱秘缀丈豹电察e 建爱分辨率熬雾蠢矗d c 袋求 较器豹镳移枣予v r 纷。在较毒 8 像电流摸模数转挠黎设诗醑究 的分辨率下，这隳求比较器的偏移非常小。由于小偏移的比较器设计难度大、价 格蕊，蔼且所用鹩比较器数量檄大，因此越过8 位的a d c 很少用全并行结构a 表2 。l 鹜2 4 孛势簿a d c 静赛毽袭 岛c 6 锈 c j 岛如c lb 2取i v 鹅。1 2 5 v r qooo9ooo o ，1 2 5 v 矗v i 0 2 5 v r0ooooo lool 0 2 5 v r v r 0 3 7 5 v 黛0 0oooll01o 0 3 7 5 v r v l o 5 0 v ree q1l王ll 0 5 0 v 黛 v r o 6 2 5 v r 0oo1王llloo 0 6 2 5 v r 第二个a d c 的数字输出d 2 为： ( 3 2 ) 稳一3 ) 8 位电济i 模模数转换器设计研究 2 等= 5 反- + 争+ 争争 e s t ， 则有熬个a d c 的输出关系式( 爿= 2 ”= 2 4 ) ： 。也慨纶譬+ 争+ 争+ 争+ 古c 孚+ 争+ 争+ 争，2 每e s s ， 圈3 1 并行流承线型a d c 綦于上述原理，得到一个改进的电压模法并行流水线烈a d c ，此电路利用不 同电睚并联形成多个电压基准，这样对电黻的糟度要求降低了。其转羧原理如 下： k = 冬( k ，爿：l ；k ，4 ：o ) ( 3 - - 6 ) 坞= 鱼十鱼 ( 兄，嚣：l ；吒k ，君：o ) (37)24 、册。 mz ，、。4 ， 以= 一监2 + 嚣堡4 + 孥( 吆 巧，c 咄嘲( 3 - 8 ) _ = z 盏2 + 占监4 十c 孥+ 警( 圪 巧，d = l ； ，雪o 。l ；l j 2 ，口l * l ； j 2 ，b 1 * o ) ( 3 一1 6 ) 1 3 = a z r + 妇4 噜k b 2 础l 丘，b 3 咄毛 t ，b 3 。o ) ( 3 - - 1 8 ) 第三章电流搂模数转换嚣设静恩怨 i i n = 沿。训竺：广 妇 麓 秘b - 4 i 鼗 鼍一 i | n 嚣3 。5 毫菠摸法莽簿涟农线囊a 蚤c 3 3 结论 基手电歪模滋并行a d c 鞠漉承线型a d c 静愚怒，