（微电子学与固体电子学专业论文）16位∑△adc模拟部分的研究与设计.pdf

摘要 随着电子技术的发展，模数转换对精度的要求越来越高，一调制器结构成为 迄今为止在数字v l s i 技术中执行高精度a d 转换最吸引入的方法。一a ( s i g m a d e l t a ) 转换技术是建立在过采样、噪声整形和数字降频滤波器技术的基础上的，它 采用过采样噪声整形技术实现高精度模数转换，和传统的n y q u i s t 率模数转换器相比， 它可以避免了对模拟电路性能指标和元器件匹配精度的较高要求，可以充分利用现代 v l s i 的高速、高集成度、低成本的优点。同时一转换器采用d s p 技术，其数字化 特性可以使之集成到其他的数字芯片上，工艺不具有特殊性，这使它在成本方面也可 以下降，优于其他a d 转换器。 本论文研究与设计的是一种1 6 位一转换器模拟部分电路，一a d c 采用z 一 调制技术来实现模数转换。它主要是根据s i g m a - d e l t a 调制原理，设计出二阶 s i g m a - d e l t a 调制器，调制器采用全差分开关电容电路实现。并根据系统结构特点优 化电路结构，克服电路中存在的积分器非理想特性、比较器非理想特性、开关非零导 通电阻、电路噪声等非理想因素。同时对模拟部分的每个模块进行了电路设计，其中 包括c m o s 运算放大器的设计、基准带隙的原理与设计、开关电容积分器的设计，还 有比较器、两相非交叠时钟、反馈d a c 等模块的电路结构和参数设计。 本文中给出了通过c a d e n c e 软件验证的各个模块和整体模块的彷真结果，实现了 1 6 位a d c 的精度要求。 关键词：a d 转换器s j g m a - d e i t a 调制器过采样噪声整形。 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , a dc o n v e r t e ra r i s e sh i g h e ra n dh i g h e r r e q u i r e m e n tt op r e c i s i o n , e - am o d u l a t o rs t r u c t a r eh a ss of a rb e t h em o s ta t t r a c t i v e w a y s t oe x e c u t e h i 【g hp r e c i s i o n s i g m a - d e l t ac o n v e r s i o nt e c h n o l o g yi sb a s e d o n o v e r s a m p l i n g , n o i s es h a p i n g ，a n dd e c i m a t i o nf i l t e r i n g a d cc a na c h i e v eh i g l l r e s o l u t i o nb 鹊e do no v e r s a m p l i n ga n dn o i s e - s h a p i n g c o m p a r i n gw i t hc o n v e n t i o n a l n y q u i s tc o n v e r t e r s 一ac o n v e r t e r sg r e a t l yr e l e a s et h er e q u i r e m e n t s f o rh i g hp e r f o r m a n c e o fa n a l o gc i r c u i ta n dp r e c i s e l ym a t c hc o m p o n e n t s a n d ，t h e s ec o n v e r t e r se x p l o i tt h e e n h a n c es p e e d ，c i r c u i td e n s i t ya n dl o wc o s to fm o d e r nv l s it e c h n o l o g i e s a l s o ，t h em a j o r a d v a n t a g e i st h a ti ti sb a s e dp r e d o m i n a n t l yo nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gd u et oi t sd i g i t a l n a t u r es i g m a - d e l t ac o n v e r t e r sc a nb ei n t e g r a t e do n t oo t h e rd i g i t a ld e v i c e s m a n u f a c t u r e t e c h n o l o g yi sn o tw i t h s t a n d i n g ，h e n c et h ec o s to fi m p l e m e n t a t i o ni sl o wa n dw i l lc o n t i m m t od e c r e a s e i ti st h eg r e a t e s ta d v a n t a g eo f a l li nt h ec o s t t h ep a p e rr e s e a r c ha n dd e s i g ni sa n a l o gc i r c u i to fa1 6b i te - ac o n v e r t e r b a s e do n t h et h e o r yo fs i g m a - d e l t a ，i td e s i g n st w oo r d e rs i g m a - d e l t am o d u l a t i o n s t h ee x p e r i m e n t a l m o d u l a t o rc a r r i e do u tw i t hf u l l yd i f f e r e n t i a ls w i t c h e d - c a p a c i t o rc i r c u i t a n dt h ew a y st o o p t i m i z et h ec i r c u i ta r c h i t e c t u r ea r et o m i n i m i z ei n t e g r a t o rn o n i d e a l i t i e s 、c o m p a r a t o r n o n i d e a l i t i e s 、r e s i s t a n c eo fs w i t c hn o n z e r oa n dc i r c u i tn o i s ei nt h es y s t e m a tt h es a m e t i m e ，t h i sp a p e rd e s i g n st h ee v e r ym o d u i ei nt h ec i r c u i t i ti n c l u d e st h ed e s i g no fc i r c u i t c m o so p e r a t i o n , b a n d g a p ，d i f f e r e n t i a ls w i t c h e d - c a p a c i t o r c i r c u i t ，c o m p a r a t o r , n o n o v e r l a p p i n gc l o c ka n df e e d b a c kd a c t h ep a p e rg i v e ss i m u l a t i o nr e s u l to fe a c hm o d u l ea n dt h ew h o l em o d u l e i tv a l i d a t e s t h r o u g hc a d e n c ea n dr e a l i z e st h ep r e c i s i o no f1 6b i ta d c k e yw o r d s ： a dc o n v e r t e r s s i g m a - d e l t a m o d u l a t o r o v e r s a m p l i n g n o i s es h a p i n g 长春瑗王大学硕士学篷论文嚣l 镁幢声溺 本人郑黛声明：所融绽的硕士学位论文，1 6 位一a d c 横拟部分的研究与 设计是本人在指导教掰的指导下，独立进行研究z 作所取得懿成果。除文孛已 经注瘸弓l 掰麓内容羚，零论文不韪含诺褥英谴个入袋集薅已经发表或撰写遥的俸 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。 本人完全意识裂本声明的法律结果巍本人承担。 作潜签名：至盘警邀翌蔓年三月望闷 长春理正大学学忮论文版权使用授权书 本学位论文终者及揩露教绛完全了解“长春理工大学硬学佼论交舨教锭鼹 溉定”，阕意长春理工大学保警并囱薄家有关部门或枫褐送交学位论文韵复帮律 和电子版，允许论文被粪阅和借阅。本人授权长春矬工大学可以将本学位论义的 全部或部分内誉壤入有关数据疼进行检索，也露采爝影印、缡印或扫描等复制手 段保存积汇编学位论文。 终者熬名：三：起查翟堡年立月三妇 指学黪师签名萃烙军塑年劲挫基 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着计算机、通信和多媒体技术的飞速发展，全球高新技术领域数字化的程度 已不断加深。如今电子产业已经形成了以数字技术为主体的格局，特别是半导体产 业显得尤为突出。数字信号在信号的幅度上和时间上都是离散的，数字信号系统与 模拟信号系统相比具有很多优点：稳定性好，抗干扰能力强：便于传输，存储无损 失；精度高，集成度高，成本低；特别是方便数字计算机处理“1 。因此，随着计算 机的硬件和软件技术发展的日新月异，数字信号处理技术的越来越成熟，数字技术 也得到了飞速发展，数字技术渗透到各个技术领域，各种以数字技术为基础的设备、 系统层出不穷，例如数字通信，数字电视，数字娱乐产品，数字控制等等2 。 但是，自然界中的物理信号大部分是随时间或空间连续变化的模拟信号，例如 声音，温度，压力，图象等等。因此，必须要先把模拟信号转换成数字信号，然后 再用数字系统对转换后的数字信号进行处理和加工。完成这种信号转换工作的设备 就是模数转换器a d c 。模数转换器a d c 是模拟与数字世界的接口，由于模数转换器 属于大规模混合电路，并对电路性能有严格的要求，因此在设计上有一定的难度， 从转换器一出现开始，人们就一直在不断研究新的转换器结构以适应不同的应用领 域，满足不同的性能要求。跟随着半导体技术数字化和集成化的日益提高，在推动 微控制器( m c u ) 、数字信号处理器( d s p ) 、微机械电子系统( m e m s ) 的发展中， 也推动了“嵌入”或“隐性”模数转换技术的发展n “。在这些因素的影响下，模 数转换技术正朝着高精度、高速度的发展方向迈进。目前，数模转换器的速度可以 高达2g h z ，例如a t m e l 公司最新发布的l o b i t a d ca t 8 4 a s 0 0 4 t p ，时钟频率达到 2 g s p s ；分辨率已高达2 4 位，例如模拟器件公司的a d 7 7 1 4 ，a d l 8 7 1 ”1 。 现在市场上较为成熟的转换器结构有并行比较型，逐次逼近型，积分型，压频 交换型，流水线型，以及本文要论述的一a a d c 。后两种a d c 是最新发展起来的， 这些a d c 各有各的优缺点，广泛应用在各个领域6 。近年来模数转换器制造技术发 展十分迅速，竞争十分激烈，市场不断推出低成本、高性能的a d c 新产品。总体发 展趋势可以归纳为以下几个方面： ( 1 ) 新结构。一a 型和分级流水线型a d c 特别引人关注，近年来它们分别是高 分辨率a d c 和高速a d c 的主流结构。 ( 2 ) 高分辨率和高精度。高分辨率的一a a d c 已被应用于数字音频系统，使音 频信号的动态范围和信噪比大大提高：高分辨率、高精度的一aa d c 被用于仪表测量 系统，在某些场合将取代双积分型a d c 。 ( 3 ) 高速。分级流水结构圆满地解决了速度和分辨率之间的矛盾，为数字视频 和数字通信领域提供了高速、高分辨率的a d c 。本来属于中、低速的逐次逼近型、一 a a d c 的转换速度也在不断提高。 ( 4 ) 低电压和低功耗。使用3 - 5v 单电源的a d c 已十分流行，有的a d c 电源仅 1 8v ，某些芯片的待机功耗降低到i iw 量级。 ( 5 ) 小型化。小型表面贴装芯片越来越流行，满足了系统的小型化要求和自动 贴装生产线的需要。 ( 6 ) 单片系统。越来越多的a d c 芯片上集成了采样保持放大器、模拟开关，以 至数字信号处理器和微处理器，构成模数转换子系统，大大简化了系统结构和提高了 系统可靠性。 ( 7 ) 低成本。在各类集成电路中a d c 芯片的成本是比较高的，但近年有大幅度 下降。同等性能的a d c 芯片今天的价格是十年前的几分之一，甚至几十分之一1 7 1 。 传统的模数转换器是n y q u i s t 率转换器，主要由模拟电路构成。在这种电路中， 元器件的匹配误差大小决定了该模数转换器所能达到的精度，而且随着集成电路尺寸 的缩小，电源电压的降低，设计高性能的模拟集成电路越来越困难。综合考虑各种因 素，使得实现高精度的n y q u i s t 率模数转换器存在相当的困难。而同时，人们对信号 处理系统提出了更高的要求，比如希望有更高的精度、速度以及更低的成本和功耗， 能够采用标准的数字c m o s 工艺实现整个信号处理系统。来提高整个系统的可靠性、 集成度，从而降低成本“。为了满足这一需求，并充分利用现代v l s i 的高速、高集 成度的优点，过采一调制技术已经被广泛应用到模数转换器中。 一调制器的思想早在1 9 6 2 年就被提出来了，但是发展了近2 0 年，这种方法 才变得活跃，之所以在当时没有获得实际的应用，是因为当时技术的局限，特别是数 字抽取滤波器实现的困难。随着数字超大规模集成电路技术的突飞猛进以及d s p 技术 的出现给信号处理方式带来了变革，迫切需要a d 接口与v l s i 技穴兼容，当半导体工 业技术的发展可以将数字电路和模拟电路整合到同一块芯片上，一a d c 获得了长足 的发展，并且在音频信号处理领域比较成熟9 卜1 ”。 过采样一调制技术是建立在数字滤波器的基础上，对模拟电路的精度要求不 是很高，可以避免对元器件匹配精度的较高要求，具有很好的兼容性，能够实现传统 n y q u i s t 率a d c 达不到的精度，己成为实现中低速、高精度模数转换器的主要技术。 它广泛应用于语首编码、数字音频、i s d n 等，分辨率达到1 6 2 0b i t s1 1 2 。 以往传统的两精度a d c ，如逐次逼近型和f l a s h 型，都是工作在n y q u i s t 频率下， 并没有充分利用高速的数字电路的优点，因为这些a d c 对模拟电路的要求比较苛刻， 比如需要一个复袅的模拟a a f 电路( a n t ia l i a s i n gf i i t e r ) ，以及采样保持电路。 而一a d c 将信号在高采样率下以很低的精度数字化，只需要一个低精度的a d c ( 通 常是i 位) ，通过噪声整形，高过采样率，以及数字滤波将速度转化为精度，实现高 精度的输出( 通常为1 4 位到2 4 位) 。一技术经常应用于语音电路中，它的信号 带宽通常只有4k h z ，而精度可以达到1 4 位i t 3 。在数字音频电路中也有广泛的应用， 2 它的信号带宽为2 0 2 4k h z ，精度为1 6 - 1 8 位。 我国从2 0 世纪7 0 年代开始研制数模转换器。至今已经研制出8 位、1 0 位、1 2 位、1 4 位、1 6 位的数模转换器。产品种类较少，产品水平较低“”。典型产品水平为： 8 位数模转换器建立时间为5 0a s ( 如s d a l 0 0 ) ，1 2 位数模转换器的建立时间小于5 0 0 1 1 8 ( 如s d a 0 0 2 ) n 但是能进入商品市场，批量生产提供给用户的产品则不多。在设 计和制造工艺技术上，由于我国自身的半导体行业的落后，高性能的a d c 设计的发展 很慢，对高速高精度的新型a d c 的研究尚不多见。目前a d c 的发展和国际水平相比还 存在着较大的差距，特别是一a a d c 方面，成熟的产品也较少。而国外的a d c 通常都 是单片的，价格晶贵；由于国外公司不提供a d c 的i p 核，因此，这严重制约了我国 开展高性能通信和多媒体s o c 芯片的设计与研究1 。只依赖国外的高性能转换器， 不利于我国芯片产业的发展。从国内目前取得的研究成果看，采用的反向设计，抄版， 仿制主流a d 转换器，设计水平和对体系的研究与国际先进水平存在差距“”。我国自 主研制a d c 已经是大势所趋，所以高分辨率、低功耗的一a a d c 结构的研究，是我国 模拟集成电路研制所必需的，无论在经济上还是学术上都有着非常重要的意义。 1 2 一aa d c 的优势 由于传统的模数转换技术对电路元件匹配要求高、需要较复杂的比较网络和高精 度的模拟电子器件，所以传统采样原理的a d 转换器要提高分辨率，其硬件电路的实 现就很困难，很难达到1 6 位以上的高分辨率，并且难以集成到s o c 上。因此，传统 的n y q u i s t 模数转换器不适用于要求高分辨率、高集成度、低功耗、低成本的数字音 频应用领域。 一调制技术是2 0 世纪8 0 年代兴起的一种高精度转换器实现方法，这种方法 应用过采样原理，将信号频带内的量化噪声能量大大压缩，从而达到很高的信噪比， 与其它结构的转换器比较，一a a d c 具有许多独特的优点。e 一a d c 不同于其他转 换器主要有五个方面： ( 1 ) 其他的a d c 均基本上由模拟电路构成，而一a a d c 数字部分占了芯片面积 的绝大多数，模拟部分相对简单，所以它很适合在一片混合信号c m o s 大规模集成电 路上，实现a d c 与数字信号处理技术的结合。 ( 2 ) 它可以很容易、低成本的达到高分辨率，可以达到2 4b i t 的精度。随着 计算机技术的发展，人们对模数转换器的要求越来越高，而相对传统方法实现的转换 器而言，与更高的转换精度对应的是更高的元件精度要求，而更高的元件精度要求往 往意味着更低的成品率和更高的制造成本。而且当精度要求高到一定程度的时候，应 用传统的模数转换器甚至无法实现，而一转换器应用过采样噪声整形原理，限制 一转换器的关键因素是元件的速度，而不是元件的精度，而列集成电路制造工艺 来讲，提高元件的速度相对来说较为容易目前一转换器已经是现代高精度转换 器的主流方法。 ( 3 ) 输入信号带宽很大，对模数转换器前端的模拟滤波器要求很低。 ( 4 ) 对模拟器件的匹配要求不高。在集成电路生产中，数字电路的设计工具方 法比较成熟，集成电路生产工艺通常也都是针对数字电路进行优化的，而模数转换器 属于大规模数模混合电路，数模混合电路的关键部分往往是模拟电路，对需要高精度 的模拟电路，针对数字电路优化的设计工具和生产工艺难以真正满足要求e l a 。s o c ( 单片系统集成) 是现代电子系统的趋势，由于s i g m a - d e l t a 转换器对模拟元件的精 度没太高的要求，因此可以用和数字电路工艺完全兼容的生产条件进行s i g m a d e l t a 转换器的生产，因此应用s i g m a - d e l t a 转换器可以非常方便地和数字电路集成，实现 真正意义上的系统集成。 ( 5 ) e 一转换器还有一个线性度高的特点，这是因为s i g m a - d e l t a 调制器的结 构是用一个内部较低精度的转换器来转换模数信号，然后运用过采样噪声整形原理扩 展转换器的动态范围，而这个内部精度较低，所以可得到比较高的线性度。 基于以上的这些特点，同时也随着综合业务数字网( i s d n ) 、调制解调器、c d 播 放器、成像仪的应用发展，近几年来一型a d c s 得到了广泛的研究使用，国内外大 量文章涉及到该类型转换器，形成了研究热点，目前国内型a d c s 研究的水平要 比国外低，成熟的产品也较少，而该论文正是研究一型a d c 设计技术，对推动我 国一型a i ) c 的发展做出贡献“”。 1 3e aa d o 的最新进展 目前，e 一型a d c 已经是国内外模数转换过程中不可缺少的一种转换器，它已 经广泛应用于各个领域。国内外一转换器的研究进展大致分为了几个方向： 1 高阶一a i ) c 。高阶一a d 调制器比低阶的一调制器具有更好的性能。 因此，高阶的一调制器得到了广泛应用，但大于二阶的一调制器不能用线性模 型描述，必须采月一些复杂的技术来确保系统的稳定性。1 9 9 8 年1 2 月，日本东芝公 司的研究人员a k ! r ay a s u d a ，h i r os h it a n i m o t o 和t e ts u y ai i d a 介绍了他们研制 的三阶一调制器，其中运用了树状的二阶噪声整形动态单元匹配技术( ns d e m ) ， 该技术能够很好的改善一个高阶一调制器的信噪比。树状结 亳的ns d e m 应用于一 个多位的一a d c ，ns d e m 可以减少晶体管的数量，从而缩小芯片面积，实现了低电 压、高速度、高精度的三阶一调制器的设计。信号的带宽达到了1 0 0k h z ，工作频 率为5m h z ，信噪比为8 0d b ，芯片工作电压为1 1 5v ，a d c 部分的功耗为9 1 6m w ， d a c 部分的功耗为5 1 2m w 2 0 1 0 2 低电压设计。目前，对于一a d c 的低电压研究大多在一调制器的积分器 和比较器上。例如，使用阈值较低的晶体管，通过优化它们的结构达到低功耗的目的， 在积分器中使用苴极运算跨导放大器( o t a ) 也是设计低功耗转换器常采用的方法。 4 己发表的研究文摘显示，一般经过低电压处理的模数转换器的工作电压为1 1 5v 。早 在1 9 9 7 年，s h a r a r hr a b i i 和b r u c ea 1w o o l e y 就已经做到了，他们设计的e 一调 制器的供电电压为1 1 5 - - 2 1 5v ，在1 1 8v 的电压下功耗为2 1 5m w “。vi n c e n z o p e l u s o 和p e t e rv a n c or e n l a n d 等几位学者设计了一种低电压、低功耗的一a 模数 转换器。他们将积分器的放大器、电流镜、c m f b 、比较器分别进行了改善优化，v t p = 5 5 0 m v v t 。= 6 2 0m v 。研制出来的三阶一调制器工作电压为9 0 0m y ，功耗为4 0 栅，过采样 率为4 8 ，抽样速率是1 1 5 3 8m h z ，信噪比6 2d b ，动态范围达到7 7d b ，转换的模拟 信号带宽为1 6k h z ，芯片使用o 1 5t l mc m o s 工艺，双层多晶硅、三层金属布线恤。 2 0 0 1 年3 月，德国和埃及的两位教授a n d e a sk a i s e r 和m o h a m e dd e s s o u k y 发表了他 们的研究结果。他们通过改善调制器中的开关电容积分器、比较器，在开关电容积分 器中使用了低电压的自举开关( b o o s tr s p p e ds w i t c h ) ，成功研制出了工作电压为1v 、 功耗1m w 的1 4 位一调制器。该调制器采用0 3 5u mc m o s 技术，过采样率为1 0 0 。 调制器的动态允许范围为8 8d b ，信噪比为8 7d b 2 3 1 。 3 多位结构。多位结构的一aa d c 可提高转换速率和分辨率，这对于声音信号 处理器的性能来说是一个大飞跃。多位结构的一aa d c 含有一个n 位的并行模拟转换 器和一个n 位数模转换器，对于一个给定的过采样比和滤波器的阶数，这种结构可以 提供更大的动态范围。但多位结构在混合信号大规模集成电路中实现极为困难，因为 它的线性度取决予n 位模数转换器的线性度，对工艺要求严格。日卒的b y u n 9 2 w o o gc h o 等几位学者设计了3 位结构的模数转换器，该芯片为了减少由于多位产生的非线性， 3 位d a c 只是用简单的逻辑门组成“钉1 2 6 1 。电路用0 1 8u mc m o s 工艺，双层多晶硅、 双层金属布线。测试的结果是，在时钟为2 1 8 1 6m l l z 、信号带宽2 2k h z 下，信噪比 为8 7d b ，还是较为理想的。最近研究人员采用所谓数据加权平均法( d w a ) 的动态单 元匹配技术( d e m ) ，使一转换器在速度方面取得了突破性的进展，大幅度提高了 转换器的信噪比、动态范围和线性度。美国一研究小组研制的多位的一转换器， 采用了4 阶( 2 - i - - 1 ) 级联一调制器、多位量化器和双向d w a 算法1 。该1 6 位2 1 5 ms p s 转换器采用两层多晶硅、三层金属布线，o 1 5t l mc m o s 工艺，对于1 1 2 5m h z 信号带宽。其信噪比达9 0d b ，在2 0m 采样时钟频率下，功耗为2 7 0m w 。这个结果 使得一型模数转换器的性能基本能满足当前的需要。 4 带通一厶转换器。大多数产品化一转换器都属于低通滤波器，一调制 器内的积分器起到低通作用，若用带通滤波器代替积分器，就构成带通一调制器， 这种类型的模数转换器就是带通一型模数转换器。带通一模数转换器满足了信 号带宽较窄但信号中心频率却很高的情况“”。近年来，带通一模数转换器也取得 了可喜的进展。s t e p h e nalj a n t z i ，k e n 2 n e t h w i m a r ti n 和ad e l s l s e d r a ”为数 字收音机设计的舒通一a 型模数转换器信号带宽可达2 0 0k h z ，时钟为1 0m h z ，信 噪比为6 2d b ，采用0 1 8u mc m o s 工艺，芯片面积是2 1 4m m 1 1 8 姗。l o a i l o u i s 、 j o h n a b c a r i u s 、g o r d o n wi r o b e r t s 设计的8 阶带通调制器也达到了2 0 0k h z ，时钟为 5 1 0 1 7m h z ，采用0 1 8u m 双极c m o s 工艺，信噪比为1 1 0d b ，输出达到了1 8 位”。 1 4 本论文结构 本论文的目标是设计一个1 6 位一a a d c 的模拟部分，首先介绍了a d 和一a a d c 的原理，然后讨论了一aa d c 中各个部分电路的结构以及实现，最后给出了电路仿真 的结果，并对结果进行分析。论文结构如下： 第一章绪论，介绍课题背景及研究意义，一a d c 的优势及其发展方向。 第二章a d 转换器及一调制器原理，重点讲述了a d 转换器的发展和类型比较 以及二阶一调制器的原理。 第三章一n 调制器的结构设计，从理论上分析确定了量化器的位数，过采样率 和调制器阶数的确定，并对整个系统的噪声进行了分析。 第四章开关电容共模运算放大器的原理与电路设计，对运放参数进行彷真。彷 真结构均满足设计参数要求。同时也给出了比较器的设计电路。 第五章一a a d c 模拟部分设计电路，给出二阶一调制器电路图，它其中还包 括开关电容积分器、基准源电路、时钟电路的设计、反馈d a c 的设计，并给出了彷真 结果，同时进行分析。 第六章给出结论，对本论文做出总结。 6 第二章a d 转换器及一调制器原理 2 1 船转换器 2 1 1 舶转换器撩述 模数转换( a d ) 的过程包括采样、保持、量化、编码四大步骤。 采样：就是对模拟信号周期性的抽取样值，使模拟信号变成时阃上离散的脉冲串， 毽其取撵壤仍取决于取撵辩阗内输入模熬信号黪大夺。采襻过程将横羧信号在时闻上 离敬纯，後之成为采释籍号；将采样篷保存下米，搜其在量往编码期闻不发生变亿， 称为保持。由于采样值是模拟艇，而不是数字赞。任何一个数字量的大小，都是以某 个最小数字量单位的整数倍来表示的，用数字敷袭示采样值也是如此，即必须把采样 值转化为最小数值单位的整数倍，这一过程称量化。最后把量化的结果用代码( 如二 进制数筠、髂d 鹃) 表示出来，称隽编码。 采撵迩毽捂密：当采撵频率f l 不枣手竣入攘羧信号菝谱孛最藏频搴f 。豹两嵇， 即f l 2 f ；。对。采样信号v 。考可以正确地反映输入信号，或者说，在满足上式的条 件下，将v 。通过低通滤波器，就可以使它无失舆地还原成输入模拟信号v 。一般取 f 。= ( 2 s 一3 ) f l 。，”1 。 2 。 。2 鳓豹主要类鍪与特赢 模数转换器( a d c ) 是现寓世界中各种模拟信号通向数字化的桥粱，作为将模拟 电信号转抉成数字信号的a d c 集成电路主要有以下几种类型： 1 逐次逼近型a d c 逐次邋泛型矗粥是一耱旋鼷菲零广泛豹模数转换骞法。它善毙砖采样鳃赣入售号 与己翔嘏愿不甑遥厅魄较，然藤转换成二逶制数。 优点；( 1 ) 高速，转换速率高达1 0 0 万次每秒( m s p s ) 。 ( 2 ) 与其它a d c 结构相比，功耗相当低。 ( 3 ) 在要求分辨攀很低( 在要求毫分辨率( 1 4 位) 馕溅下，徐揍较毫。 ( 2 ) 旁簧感器产惫的输出信号在遗嚣数援转换之蓊遂常鼗对穰弘信号遴行 调理，一般包括增益级和滤波，这样会明显提高成本。 2 余并行a d c 全并彳予a d c 又叫闪烁型( f l a s h ) a d c ，它韪将采样信号一步转换成二进制数。如 果褥采榉绥号分嚣步转换成二遴潮数，噩鞋称作半阂烁壁( h a l f f l a s h ) a d c 。分成两步 7 或三步完成的a d c 又称作分级型( m u l t i s t e p 或s u b r a n g e ) a d c ，如果从转换时序角 度出发，又叫流水线( p i p e l i n e d ) a d c 。闪烁型a d c 转换速率最高，通常用于低分辨 率( 8 1 0 位) ，高速2 0 5 0 m s p s 应用场合，一般用于视频和通信领域。半闪烁型分辨 率比闪烁型要高，但转换速率要低。 优点：它是模数转换中速度最高的； 缺点：( 1 ) 分辨率不太高；( 2 ) 面积和功耗大；( 3 ) 成本相当高；( 4 ) 需要2 n 一1 比较器。 3 积分型a i l c 积分型a d c 用于低速，精密测量等领域，例如数字电压表和包含低速传感器的 许多应用。这种a d c 的分辨率可高达2 2 位，而且完全能够抑制高频本底噪声( 如交 流干线干扰) 。虽然这种a d c 取决于使用的电容器，但是其分辨率不受电容的绝对值 影响。 优点：( 1 ) 精度高；( 2 ) 功耗较低；( 3 ) 成本较低。 缺点：转换速率受限制，转换精度随转换速率的增加而降低。1 0 0 一3 0 0s p s 对应 转换精度为1 2 位。 4 压频变换型a d c 压频变换( v f c ) 型a d c 是通过间接转换方式实现模数转换的。它首先将输入的 模拟信号转换成频率，然后再使用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲，这种a d c 的分辨率几乎可以无限增加，只要采样时间长到满足输出频率分辨率要求的累积脉冲 个数的宽度。 优点：( 1 ) 高精度；( 2 ) 功耗较低；( 3 ) 价格较低，但还需要附加的计数电路实 现频率数字转换。 缺点：( 1 ) 类似积分型a d c ，它的转换速率受限制，转换器的精度随转换速率增 加而降低。1 0 0 - 3 0 0s p s 的转换速率对应的转换精度一般为1 2 位。 ( 2 ) 需要外部计数电路( m c u 或其它器件) 完成模数转换。 5 一x a d c 最近几年，用于高分辨率模数转换的一x a d c 颇为流行。它的一个突出优点是在 一片混合信号大规模集成电路上实现了a i ) c 与数字信号处理( d s p ) 技术的结合。一 a d c 实际上是以最低的分辨率( 1 位) 和相当高的采样速率实现模拟信号的数字化。 优点：( 1 ) 分辨率高达2 4 位；( 2 ) 比积分型及压频变换型a d c 的转换速率高；( 3 ) 采用混合信号c m o s 制造工艺，在一块芯片上很容易实现低价格、高分辨率数据采集 和数字信号处理；( 4 ) 由于采用高倍率过采样技术，降低了对传感器信号进行滤波的 要求，实际上取消了信号调理。 缺点：( 1 ) 当高速转换时，需要高阶调制器；( 2 ) 在转换速率相同的条件下，与 逐次逼近型a d c 和积分型a d o 相比功耗比较高，在转换期间功耗典型为2 3m w 。 1 2 1 3a t ) 转换器术语 积分非线性i i n l ) ：是指熨际有限精度特性曲线与理想有限精魔特性曲线在垂直 方向上敬簸大差值，戳百分魄戏l s b 为单位。 徽分落线往：臻l ：为崧每令垂壹台除上灏纛豹稳邻编西之鞠豹距离，瑷吾分毙 或l s b 为单位。 a d c 的微分非线性可以写为； d n l - ( d c l 1 ) l s b d o ，是以l s b 为单位的实际；羹崴台阶的尺寸。 单投偏穆误差：是指当工作在单极工作模式下，第一个转换番；露理想豹a i n ( + ) 电压( a i n ( 一) + 8 。5 珏瑟) 豹镳差。 双檄零误差：是指在正作在双极模式下量程转换中点( 0 1 1 1 1 1 1 判 1 0 0 0 0 0 0 ) 与理想a i n ( + ) 电压( a i n ( 一) 一0 5l s b ) 的偏差。 增益误差：是指a d c 的测量范围误差，包括满量程误差但刁：包括零量程误差。 对单极藏嘲其定义为满量程误麓一单极偏移误羞，丽对于双极输入骶蠢定义为满量程 误差一双狻镳移误差。 双板负的满量程误差：怒指当工作在双极工伟模式下，第一个转羧码与理想的a i n ( + ) 电膳( a i n ( 一) 一v r e f g a i n + 0 5 l s b ) 的偏麓。 正满墩程超程：是指在a i n 输入端的输入可控电压超过a i n ( 一) + v r e f g a i n 而未造成淤麓，或未导致模拟调制器过载或数字滤波器溢出的最大爨。( 例如，在系 统较准避疆审，尖峰啜声或避憋嚣导致懿系绕缮慈误差。 受满爨程超程：是指在a i n 输入瑞豹输入露控电莲低于a i n ( 一) - v r e f g a i n 弱 未造成误麓，或未导致模拟调制器过载或数字滤波器溢出的最大量。注；即便是在单 极模式下，在a i h ( + ) 端模拟输入的负电压峰值威太于a i n ( 一) 同时火于a g n d 一3 0 m v 。 偏移梭准范围：在系统校凇模式下，该芯片邋过控制模拟输入来校准偏移误差。 镶移误茇嫒准蕊 鐾筑范定义了该蕊片藐够接受势纛麓够撩续精礁蟪嫒准俊移误差静 电筮范豳。 满量程校准范围：芯片能够接受并能够持续精确的校准满量程谈藏的电压范围。 信噪比( s n r ) ：是转换器输入的最大r m s ( 均方根) 值对噪声r m s 值的比率。 2 2一x a d o 豹原遴 2 2 1z 一x a d o 的简介 一a d c 与传统的l p c m 溅a d c 不同，它不韪赢接根据信号的隔度避行量化编码， 磊是稷猫藏一采誊僮与后一慕榉壤之差( 邸绣谬瓒鬃) 送行量亿编礤，扶莱释意义上 9 来说它是根据信号的包络形状进行量化编码的；一a d c 名称中的表示增量，表 示积分或求和。所以一a d c 又称为总和增量a d c 。 一( 过采样) 的概念在2 0 世纪中期就存在了，但是近2 0 年来这种方法才变 得活跃，主要是因为当时技术的局限，特别是数字抽取滤波实现的困难，直到上个世 纪7 0 年代末再次出现，在8 0 年代主要应用在音频信号处理领域。随着集成电路工艺 技术和数字信号处理技术的不断进步，一a d c 获得了进一步的发展，并且在音频信 号处理领域比较成熟，这种结构适合于在深亚微米、低压技术、在很难获得较高的模 拟精度的情况下提高a d 转换器接口的性能，同时能够提高高速数字电路的电路密 度，特别是上个世纪9 0 年代以来，一a a d c 获得了空前的应用和发展，并在高精度 数据采集，特别是在数字音像系统，多媒体，地震勘探，声纳，电子测量等领域获得 了广泛的应用。目前1 6 位的一a d c 已经大批量的生产。 一a d c 主要有两部分来组成：相对较小的模拟调制部分和较复杂的数字滤波 部分。众所周知，a d c 的模拟部分是影响它性能和面积的关键部分，而一a d c 在获 得很高分辨率的同时，仿真器件并不需要很高的匹配率，这样设计的过采样a d c 不但 精度高、功耗低，电路结构本身也具有数字信号处理能力，很容易制成低通过采样a d c 和带通过采样a d c ，而并不增加芯片面积。过采样a d c 是通过提高数字电路的复杂度， 而降低在模拟电路上的技术要求，换取精度的提高。这是它比其它a d c 的独特所在。 就是因为过采样仰转换器是采用高采样来换取高精度的量化，用速度来换精度。 因为它的这个特点，所以速度是制约它进一步发展的重要因素。目前的一a d c 能达 到的最高的转换速率为2 删z 左右，其在视频领域的应用处于研究和开发阶段，其应 用领域将会得到更大的扩展。 过采样a d 转换器主要由前端一调制器和后端数字抽取滤波器两部分组成。 一调制器对信号进行调制之后，然后是进行数字信号处理，这有两个目的，即滤除 频带外的量化噪声和抑制频带外的寄生信号。一调制器有利于产生高分辨率数据。 所谓过采样是指以远远高于奈奎斯特( n y q u i s t ) 采样频率的频率对模拟信号进 行采样。由信号采样量化理论可知，若输入信号的最小幅度大于量化器的量化阶梯， 并且输入信号的幅度随机分布，则量化噪声的总功率是一个常数，与采样频率f s 无关， 在o - f j 2 的频率范围内均匀分布。因此量化噪声电平与采样频率成反比，提高采样频 率，可以降低量化噪声电平，而基带是固定不变的，因而减少了基带范围内的噪声功 率，提高了信噪比。 过采样s i g m a - d e l t a 调制技术采用过采样技术与一调制器的噪声整形技术对 量化噪声进行双重抑制，使基带内信噪比大大提高。由于直流信号转换具有的量化误 差达i 2 l s b ，所以数据采样系统具有量化噪声。如图2 1 所示，一个理想的常规n 位模数转换器的采样量化噪声有效值为q 1 2 ，均匀分布在n y q u i s t 频带直流至f 2 范围内，其中q 为i l s b 对应的模拟电压值，f ；为采样速率，模拟的滤波器将滤除f 2 1 0 以上的噪声。 k f ,数据速率嚷 数据速率= 豳2 1 模数转换流程 如果掇高采样速率，用k 的采样速率对输入信号进行采样( k 为过采样率) ， n y q u i s t 频率增至k f ，2 ，熬个爨化噪声位于直流囊k f t 2 之闻，量化噪声盼总量仍然 蔻镌2 ，毽是垂手量毒| 二臻声猿谱嚣扩大，霞予纛流至f 2 之越懿爨纯噪声为 q 1 2 k ，模拟低通滤波嚣烈需滤除k f 。2 以上的噪声，因此对仿真低通滤波器的整 体要求就降低了。由于系统的遇带频率仍为f d ，所以可在a d c 之后加一个数字低通滤 波器滤除数至k l 2 之闻的爨他噪声和无用信号瓤又不影响有用信号，从而提高了信 臻觅，这耱方法程兰手褥a d c 戆藿纯臻声簿低爨了q 1 2 要，赘隽缀来魏l 要。鬏 据n y q u i s t 定理，f 。2 应至少为，根据过采样的信嗓比公式： s n r = 6 0 2 n + i 7 6 + i 0 1 9 ( 7 2 l ) d b ( 2 1 ) 此时，f i = k ，= n 2 因此，s n r = 6 。0 2 n + i 7 6 + i 0 1 9 ( k ) d b 】 ( 2 2 ) 遣魏怒浼，总落臻邃援舞了l o l g ( k ；【d b ，安瑗7 磊纛分辨率纛k 这费毫分瓣率模 数转换的秘的。从理论上说，如果过采样率足够大，通过数字滤波，就可以胃低分辨 率a d c 实现任意分辨率的a d c 。一个lb i t a d c 的s n r = 7 7 8 d b ( 6 0 2 + 1 7 6 ) ，每4 倍过 采样将使s n r 增加6d b ，s n r 每增加6d b 等效于分辨率增加l b i t 。这样，采用lb i t a d c 进行6 4 饿过采样就能获得4b i t 分辨率；而要获褥1 6b i t 分辨率髓必须进行4 ”倍 蓬采样，这跫苓切实嚣瓣。麓一转挨器采爱噪声夔形菝术瀵除了这耱麓疆，每4 毽 过采群系数碍增加高于6d b 的信嗓比“。 2 2 2 一调制器的原理 瞬2 。2 过采样e 一a d 转换器框图 从围2 2 可看出，一调制器是一a i ) c 的