（微电子学与固体电子学专业论文）一种8位250msps采样保持电路的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 近年来，a d 转换器在结构、工艺、性能上都有了很大的进步，正朝着高速、 高精度的方向发展。采样保持电路是高速、高精度a d 转换器中必不可少的重要 电路单元，其作用是对给定的模拟信号进行采样，并将该采样信号保持一段时间， 以便后续电路对其进行处理。采样保持电路的性能参数决定了整个a d 转换器的 性能参数，它的设计是整个a d 转换器的电路设计工作中的及其重要的一个环节。 本文针对目前采样保持电路存在的技术问题进行研究，以期研制出高速、高精度 的采样保持电路。 首先，在查阅大量文献资料的基础上，论文对目前国内外研制出的a d 转换 器的发展动态进行了详细的比较分析，对流水线a d 转换器进行了说明，同时对 采样保持电路的研究动态和发展趋势也作了详细的介绍。 其次，在对采样保持电路的工作原理进行详细分析的基础上，对s - b i t s 2 5 0 m s p s 流水线a d 转换器中的采样保持电路的几个组成部分( 采样开关、采 样电容和运算放大器) 进行了具体的设计。在设计采样保持电路时，分析了采样 开关误差的来源，并采用合适的时钟脉冲序列来减少采样开关带来的误差；同时 利用m o s 管和双极晶体管的各自的优点，设计了两级全差分b i c m o s 运算放大 器，并用开关电容式共模反馈电路来稳定全差分b i c m o s 运算放大器的输出共模 电压；对两种采样保持电路的结构进行了比较，最后确定采用全差分的电荷转换 结构。 最后，采用标准的0 3 5 1 m ab i c m o s 工艺提供的p d k ，在c a d e n c e 环境下对采 样保持电路进行了s p e c t r e 仿真。采保电路的模拟输入为l v p p ，在输入频率为 1 2 1 0 9 3 7 5 m h z 的正弦信号，电源电压3 3 v 的条件下对采样保持电路进行模拟仿 真，建立时间小于0 7 3 n s ，动态指标s f d r 为7 5 d b 。由整个流水线a d 转换器测 试结果可知：采样保持电路达到了采样精度为8 位，采样率为2 5 0 m s p s 的技术指 标要求。研究设计的采样保持电路能应用于8 位2 5 0 m s p s 流水线a d 转换器中。 关键词：流水线a d 转换器；采样保持电路；采样开关；线性；匹配；运算放大 器 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ea r c h i t e c t u r e , p r o c e s sa n dp e r f o r m a n c eo fa dc o n v e r t e rh a v e g a i n e dg r e a tp r o g r e s s ；a d c o n v e r t e ri s d e v e l o p i n gt o w a r d sh i g h s p e e d a n d 1 1 i 曲_ p r e c i s i o n s a m p l ea n dh o l dc i r c u i ti sa ni n d i s p e n s a b l yi m p o r t a n tc i r c u i tb l o c k , w h i c hp a l y st h er o l eo fs a m p l i n gag i v e na n a l o gs i g n a la n dt h e nh o l d i n gt h es a m p l e d s i g n a lf o rac e r t a i nt i m et ob ep r o c e s s e db yt h ef o l l o w i n gc i r c u i t s t h ep e r f o r m a n c eo f s a m p l ea n dh o l dc i r c u i td e t e r m i n e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l ea dc o n v e r t e r , w h o s e d e s i g ni sav e r yi m p o r t a n tp h a s ei nt h ed e s i g no ft h ew h o l ea dc o n v e r t e r t h er e s e a r c h o fd i s s e r t a t i o ni sf o c u so nt h ee x i s t i n gp r o b l e m so fs a m p l ea n dh o l dc i r c u i tw i t ht h e p u r p o s eo f d e v e l o p i n gh i g h - s p e e da n dh i g hp r e c i s i o ns a m p l ea n dh o l dc i r c u i t f i r s t l y , b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o na n dr e a d i n go fal a r g en u m b e ro fl i t e r a t u r e s ，t h e c u r r e n td e v e l o p m e n to f a dc o n v e r t e ra th o m ea n da b r o a di sc o m p a r e da n da n a l y z e di n d e t a i l ，p i p e l i n e a dc o n v e r t e ri s e x p l a i n e d ，s i m u l t a n e o u s l y ，t h e r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tt r e n d so f s a m p l ea n dh o l dc i r c u i ti sa l s oi n t r o d u c e da tl e n g t h s e c o n d l y , b a s e do nt h ed e t a i l e da n a l y s i so ft h eo p e r a t i o no fs a m p l ea n dh o l d c i r c u i t ，s e v e r a lb l o c k so fs a m p l i n gs w i t c h , s a m p l i n gc a p a c i t o ra n do p e r a t i o n a la m p l i f i e r t 0b eu s e di n8 - b i t2 5 0 m s a m p l e sp i p e l i n ea dc o n v e r t e ra r ed e s i g n e d t h ea t o rs o u r c e s i n h e r i t e df r o ms a m p l i n gs w i t c ha r ea n a l y z e di nt h ed e s i g n e do fs a m p l ea n dh o l d c i r c u i t ，a n dt h ee r r o r si n h e r i t e df r o ms a m p l i n gs w i t c ha r em i n i s h e db yu s i n ga p p r o p r i a t e t i m i n g , w i t ht h er e s p e c t i v ea d v a n t a g e so fm o s f e ta n db i p o l a rt r a n s i s t o r , at w os t a g e f u l l yd i f f e r e n t i a lb i c m o so p e r a t i o n a la m p l i f i e ri sd e s i g n e da n ds w i t c h e dc a p a c i t o r c o m m o mm o d ef e e d b a c kc i r c u i ti su s e dt os t a b i l i z eo u t p u tc o m m o nm o d ev o l t a g eo f t h e f u l l y d i f f e r e n t i a lb i c m o s o p e r a t i o n a la m p l i f i e r , ac o m p a r i s i o n b e t w e e nt w o a r c h i t e c t u r eo fs a m p l ea n dh o l dc i r c u i ti sp e r f o r m e da n dt h ea r c h i t e c t u r eo ff u l l y d i f f e r e n t i a lc h a r g et r a n s f e ri sd e t e r m i n e df i n a l l yt ob ee m p l o y e d t h es a m p l ea n dh o l dc i r c u i ti s f i n a l l ys i m u l a t e dw i t ht h ep d kp r o v i d e db y s t a n d a r d0 3 5 t i mb i c m o sp r o c e s sa n dc a d e n c et o o l s t h es a m p l ea n dh o l dc i r c u i ti s s i m u l a t e du n d e rt h ec o n d i t i o n so f p o w e rs u p p l yo f 3 3 v ，i n p u ts i n e w a v ew i t ha m p l i t u d e o fl v p pa n df r e q u e n c yo f1 2 1 0 9 3 7 5 m h z ，t h es i m u l a t e dr e s u l t ss h o wt h e s e t t l i n gt i m e i sl e s st h a no 7 3 n sa n dd y n a m i cs p e c i f i c a t i o ns f d ri s7 5 d b i ti sd e m o n s t r a t e db y m e s u r e m e dr e s u l t st h a tt h ed e s i g n e ds a m p l ea n dh o l dc i r c u i ti ss u f f i c i e n tf o r s p e c i f i c a t i o nr e q u i r e m e n t so fa dc o n v e r t e rw i t h8 - b i ta n ds a m p l i n gf r e q u e n c yo f 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 2 5 0 m s p s t h ed e s i g n e ds a m p l ea n dh o l dc i r g u i tc a nb eu s e dt o8 - b f f2 5 0 m s a m p l e s p i p e l i n ea dc o n v e r t e r k e y w o r d ：p i p e l i n e da n a l o g - t o d i g i t a lc o n v e r t e r ；s a m p l e - a n d - h o l dc i r c u i t ；s a m p l e s w i t c h ；l i n e a r i t y ；m a t c h ；o p e r a t i o n a la m p l i f i e r ! i i 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及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 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谢意。 学位论文作者签名：i 姬三 签字日期： 力1 年月千e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重庞太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权重废太堂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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：闰愿互 签字日期：砷年6 月f 日 导师签名： 签字日期：沙7 年占月? i t 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 刖d 转换器及采样保持电路的研究动态及发展趋势 目前，以集成电路为核心的电子信息产业超过了以汽车、石油、钢铁为代表的 传统工业成为第一大产业，成为改造和拉动传统产业迈向数字时代的强大引擎和雄 厚基石。1 9 9 9 年全球集成电路的销售额为1 2 5 0 亿美元，而以集成电路为核心的电 子信息产业的世界贸易总额约占世界g n p 的3 ，现代经济发展的数据表明，每卜2 元的集成电路产值，带动了l o 元左右电子工业产值的形成，进而带动了1 0 0 元g d p 的增长。目前。发达国家国民经济总产值增长部分的6 5 与集成电路相关；美国国 防预算中的电子含量已占据了半壁江山( 2 0 0 1 年为4 3 6 ) 。预计未来1 0 年内，世界 集成电路销售额将以年平均1 5 的速度增长，2 0 1 0 年将达到6 0 0 0 - - 8 0 0 0 亿美元。作 为当今世界经济竞争的焦点，拥有自主版权的集成电路已日益成为经济发展的命 脉、社会进步的基础、国际竞争的筹码和国家安全的保障。 近十几年来，随着计算机和微电子技术的高速发展，数字信号处理( d s p ) 技术 己经广泛地应用于军事、民用领域的各个方面。目前，在信号传输和信号处理领 域，大都采用数字系统进行信号处理【“。 但是，对来自于自然界的信号，如语音信号、传感器信号等大多是模拟量， 而且处理后的数字信号往往还要再转换为模拟信号，以实现系统对外界的控制。 因此在模拟世界和数字处理系统之间，必然要存在转换接口。数据转换系统是连 接模拟世界与数字系统的桥梁 主要表现为： 集成电路的发展趋势是日益数字化，数字电路具有的特点：噪声灵敏度低、 稳定性高、适应性强、设计及自动、测试容易、可编程性更广泛；工艺的进步使 数字电路性能不断提高；速度更高、功能更多( 单片) 、功耗更低、成本更低；电路 结构的改进c a d 分析与综合工具的进步。 物理环境对数字化发展的限制，首先，自然界出现的信号是模拟量，而人 类保留信息的习惯方式是模拟方式，对数字信号的中间媒介中的处理方式等同于 模拟信号。 数据转换的作用是不可替代的，因为数据转换是建立数字处理器与模拟世 界的联系，主要起数据的获取与重构作用。当前先进的电子设备系统中，它的前 端和后端处理都分别应用到模数转换器( a n a l o g - t o d i g i t a lc o n v e r t e r ) 和数模转换器 d a ( d i g i t a l t o - a n a l o gc o n v e r t e r ) 。模数转换器( 以下记为a d c ) 就是将模拟信号转 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 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 与之对应的数字编码。数模转换器( 以下记为d a c ) 的功能是在后端重新产生模 拟信号。 随着数字v l s i 技术的飞速发展，数据转换技术在高分辨率图像，视频处理及 无线通信等领域得到广泛应用。数据转换技术可应用在以下两个方面：1 ) 消费产 品：c d 唱机、数码摄像机、数码相机、电话、调制解调器、高清晰度电视( h d t v ) 、 数字声广播收发机等等；2 ) 特殊系统：医学图像、语音处理、仪器仪表、工业控 制、通信、雷达等等；在不同的应用中对指标的要求有所不同，如：便携式摄像 机：l ob i t ，几十兆；功耗必须最小；h d t v ：7 0m i - i z 速度；高质量演播室：1 2 至 1 4b i t 分辨率以上。 近年来，随着对高速、高分辨率、低压和低功耗的信号处理系统的要求越来 越强烈，高性能的a d c 电路的设计也显得越来越重要。表1 1 列举了一些应用领 域对a d c 的性能要求【2 】【3 】。 表1 1 各应用领域对a d c 的精度和速度性能要求 t a b e i 1t h er e q u i s i t i o no f a d c s p r e c i s i o na n ds p e e d i n e v e r y a p p l i c a t i o n d o m a i n 应用领域要求精度要求速度 无线局域网6 一l o b “l 一5 0 m 海量存储器 6 8 b i t5 0 2 0 0 m a d s l1 2 一1 6 b “5 0 2 0 0 m 数字t v 8 一1 0 b i t2 0 m 数码相机、摄像机 8 一1 2 b i t2 0 m c a t v 解码调制器 8 一l0 b i t1 0 2 0 m h d t v1 0 b i t5 0 7 5 m d i g i m l - i f 数字中频 8 一l 撕t1 0 0 2 0 0 m 音频放大器1 6 b i t 以上 测量仪表 i6 b i t 以上 自7 0 年代开始工业化生产以来，随着制造工艺和电路设计技术的不断改进， 模数转换器的发展非常迅速，出现了多种新的结构，无论是在分辨率还是转换速 度方面都己达到了很高的水平【4 】。 a d c 和d a c 的市场呈稳步增长的发展趋势，在现代军用和民用电子系统中 均显示出其重要地位。2 0 0 0 年的市场销售额己达2 0 3 亿美元。 在单片a d c 的实现方面，相继提出了全并行( h a s h ) 、子区式( s u b r a n g i n g 、 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 折叠一插值( f o l d i n ga n di n t e r t e a v i n g ) 、流水线( p i p e l i n e d ) 、过采样( o v e rs a m p l i n g ) 一和并行时间交织( p a r a l l e lt i m e - i n t e r l e a v e d ) 等结构。表1 2 列出了各种a d c 的 性能指标。 表1 2 各种a d c 的性能指标 t a b e i 2 t h e p e r f o r m a n c e i n d i c a t o r o f e v e r y a d c 泌 全并行折叠一插值子区式并行时间流水线 x - aa d c a d c a d c a d c 交织a d c a d c 精度( b i t s ) 6 - 88 1 01 5 2 56 _ 1 08 1 28 一1 6 采样率 3 m 2 2 0 5 m 一1 5 0 m s p s 以下4 0 1 0 03 0 2 0 04 0 2 5 0 ( m s p s ) 其中全并行结构由于其全并行信号处理的特点，在现有的结构中速度最高， 输入到输出延迟最小，但随着分辨率的增加，内部器件数目呈几何级数上升，同 时对电阻等元器件精度和匹配特性提出严格的要求，且全并行处理也带来了功耗 和面积随分辨率指数增长的缺点，不适合应用于高分辨率的a d c ；折叠插值结构 应用折叠和插值技术纠正了全并行结构中电路规模指数增长的缺点，但折叠处理 限制了信号带宽，并且对晶体管的跨导和匹配特性提出了很高的要求使得它不利 于c m o s 实现；子区式结构通过将转换范围分区和信号分步的方法来换取电路规 模和功耗的减少，但其以多级串行转换来得到一次输出的工作方式大大降低了转 换速度；z - a 结构通过过采样( 岛。p k ，之2 ) 和噪声整形可以获得比其他结构都要高 的分辨率，但其可以处理的信号频率很低，其转换速度一般在m h z 以下，只适用 于音频信号的处理；并行时间交织结构将多路结构一致的a d c 组合在一起，使它 们对同一个输入信号进行时间交织采样，以此来实现单个a d c 所不能达到的速度， 然而通道问失调和增益的不匹配、非均匀采样等问题使其难以达到较高的精度 【5 】【6 l 。 与上述结构相比，流水线结构通过在子区式结构的各级之间引入采样保持放 大器( s a m p l e - a n d - h o l d a m p l i f i 盱) 电路，使得子区转换可以并行工作，大大提高了转 换速度。由于其子区转换、流水操作的特点，在实现较高精度的模数转换时仍然 能保持较高的速度和较低的功耗，是一种可以实现高速高分辨率模数转换的结构。 另外，在实际电路实现时，b i c m o s - r 艺的流水线a d c 的精度要受到许多电路和 工艺非理想因素的影响，其中最重要的有电容失配、比较器失调、跨导运算放大 器( o t a ) 有限增益等。基于以上几点，b i c m o st 艺的流水线a d c 电路设计技术 的研究在以下三个方面都很活跃【7 】： 重庆大学硕士学位论文1 绪论 速度优化 除了提升单元电路本身的带宽和响应速度外，研究工作主要在于优化级电路 的建立特性( 运算放大器压摆率增强设计、反馈放大器极点与零点的合理分布、 压摆区和线性建立区的合理分割) ，在流水线结构中增加局部的流水或并行操作等。 低功耗、低电压、小面积设计技术 在功耗和面积方面，主要有结构的研究，如级分辨率分配和级间缩减( s c a l i n g d o w n ) 系数的优化；单元电路( 主要是运算放大器和比较器) 的共享复用技术；以及 单元电路的低功耗设计，如动态偏置、电流自举运算放大器和动态比较器。在低 电压方面，主要有运算放大器的r a i l t o - r a i l 设计，弱反型工作和背栅驱动，模拟开 关的电压自举，开关运算放大器等技术，以及电流模，开关电流a d c 的研究。 校准技术 。 在实现1 0 - b i t 以上的a d c 时，一般要采取一定的校准措施。校准技术根据所 处理的信号域不同，可分为数字校准和模拟校准。数字校准重点发展对温度、电 源等环境变量不敏感的后台化处理技术；模拟校准除了常规的元件匹配校准方法 外，电容交换、电容误差平均等技术的研究也很活跃。 在国际上，各著名大学和实验室里都有大量的研究人员从事于各种a d c 的结 构与基础研发工作，其研究目标主要集中在新型a d c 系统结构、单元电路和具体 的技术难点的突破；而公司、生产厂家则主要对己经证实为准确、可靠的a d 转 换技术，从设计、工艺、生产成本等方面进行改进和完善，以期让这些技术和产 品尽快应用于军民用领域。国外m a x i m 、a d 、n i 和美国国家半导体( n a t i o n a l s e m i c o n d u c t o r ) 等主要设计生产模拟i c 的这些专业化大公司的产品代表了当今国 际a d c 的领先水平。目前研究比较广泛的a d c 的主要类型有自校准 ( s e l f - c a l i b r a t i o n ) a d c 、流水线结构a d c 、电流型( c u r r e n t m o d e ) a d c 、基于折叠 和插值技术的a d c 和_ 型a d c 等【5 】。 随着数字v i s l ( v e r yl a r g es c a l ei n t e r g r a t i o n ) 技术的飞速发展，数字信号处 理技术在高分辨率图像、视频处理及无线通信等领域广泛应用，系统设计对a d c 的速度和分辨率提出了更高的要求。 当前，在结构上，a d c 不断减少在工艺制作中难度相对较大、匹配要求较高 的元件的数量，如高速比较器、宽带运算放大器、精密电阻等；减少模拟元件， 尽量能采用成熟的数字电路，以便于嵌入系统，进行系统集成。同时为了适应低 压低功耗的发展趋势，a d c 逐渐从双极工艺向c m o s 工艺过渡，并尽可能采用主 流c m o s 数字工艺，在集成度上，a d c 从早期的分立器件型和混合集成型到现在 的单片集成，并且朝着作为s o c ( s y s t e m o n c h i p ) 系统芯片内部的嵌入式p 模块的 方向发展。 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 作为a d c 的前端处理电路，采样，保持电路( s a m p l e - a n d h o l dc i r c u i t ) 的功能 是对不断变化的模拟输入信号瞬时值进行采样并保持一定时间的电路。采样保持 电路( 以下记为采保电路) 是模拟电路和混合信号集成电路中的关键单元电路之一， 在a d c 和c m o s 开关电容滤波器的设计中起着非常关键的作用。除了输入信号 变化较缓慢的情况外，大部分数据采集系统都必须使用采保电路，尤其是高速数据 采集系统。随着新时期电子系统功能的不断扩大及性能的不断提高，电子系统的 复杂程度也不断增加。为了保证电子系统的数据采集、控制反馈和数字处理的性 能，现代电子系统对a d c 、d a c 的要求也越来越高。特别是数据通讯系统、数据 采集系统的建立，对高速、高分辨率a d c 、d a c 的需求在不断增加，因而显示了 其重要的地位。作为数据采集与处理系统前端的a d 转换器，主要用于系统外部 实时数据的采集和转换，为系统的决策、控制和反馈提供第一手资料。采保电路 是高速、高精度a d c 中必不可少的重要电路单元，采保电路的性能参数决定了整 个电路的性能参数。常规来说，完成了电路的设计，整个a d c 的电路设计工作就 完成了一半【9 】。 对集成电路的采保电路来说，目前国外的水平在实现了商业上的应用的采保 电路单元，最先进的要数美国国家半导体公司2 0 0 5 年9 月3 0 日宣布推出的 a d c 0 8 d 1 5 0 0 a d c 0 8 d 5 0 0 及a d c 0 8 1 5 0 0 三种采样率达1 g s p s 以上的全新模拟 数字转换器中的高性能采保电路。另外还有美国模拟器件公司实现了分辨率高达 1 6 位的全新模拟数字转换器中的采保电路。 通过对国外各大公司所做出的a d c 的了解分析，对其内部的采保电路的性能 指标进行了归纳总结，如下表1 3 所示，从表中可以看出目前的采保电路的最高的 采样率达到了1 5 g s p s ，而分辨率也最高达到了1 6 位。现在采保电路的发展趋势 主要是要求具有高速、高分辨率、低失真和低功耗的性能指标。 国内a d c 的发展起步较晚，研究水平较为落后，自主研发的产品进入市场的 不多，而且主要集中在全并行、积分型、逐次逼近型等低精度高速或低速高精度 的结构上，高速、高精度的a d c 研究尚不多见。我国集成电路产业起步于2 0 世 纪6 0 年代，2 0 0 1 年全国集成电路产量为6 4 亿块，销售额2 0 0 亿元人民币。2 0 0 2 年6 月，共有半导体企事业单位( 不含材料、设备) 6 5 1 家，其中芯片制造厂4 6 家， 封装、测试厂1 0 8 家，设计公司3 6 7 家，分立器件厂商1 3 0 家，从业人员1 1 5 万 人。设计能力0 1 8 o 2 5 微米、7 0 0 万门，制造工艺为8 英寸、0 1 8 o 2 5 微米， 主流产品为0 3 5 0 8 微米。2 0 世纪8 0 年代中期我国集成电路的加工水平为5 微 米，其后，经历了3 、1 、0 8 、0 5 、0 3 5 微米的发展，目前达到了0 1 8 微米的水 平，而当前国际水平为o 0 9 微米( 9 0 纳米) ，我国与之相差约为2 3 代。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 表1 3 调查的各$ h 单元电路性能指标 a d 产品名称 s i l t 电路的性能指标 分辨率采样速率信号输入s n rd n li n u 生产公司 ( 位) ( m s p s )范围( v p p 1( d b f s )( l s b )l s b ) 美国家半 a d c 0 8 d 5 0 0 85 0 02 o4 8o 1 5o 3 导体公司 a d c 0 8 d 1 5 0 0a d 公司 81 5 0 02 o 4 5 50 1 5o 3 a d 9 4 1 0 a d 公司 1 02 1 01 55 4 士0 6士0 8 a d 9 2 1 1a d 公司1 02 5 0 1 2 5 6 0士o 2 5士1 0 = r 8 4 a s 0 0 la t m d 公司1 05 0 03 36 2士0 2 5士1 0 a d c 9 2 3 0 a d 公司 1 22 5 01 2 56 5 5士o 34 - 0 5 a d l 2 4 0 l a d 公司 1 24 0 03 26 3 士0 3 士o 5 北京凌特 a d ci t c 2 2 8 41 41 0 51 0 或2 07 2 2：t o 6士1 5 公司 a d s 9 4 4 5a d 公司 1 41 2 53 37 2 5士0 21 1 0 a d s 5 5 4 6 a d 公司 1 41 9 03 28 4士0 5士3 0 a d s 9 4 4 6 a d 公司 1 6l o o2 0 或4 07 9e 0 4士3 0 a d s 9 4 6 0a d 公司1 61 0 52 0 或4 07 8 3e 0 6“0 与国外的主要差距：一是规模小，2 0 0 0 年，国内生产的芯片销售额仅占世界市 场总额的1 5 ，占国内市场的2 0 ；二是档次低，主流产品加工技术比国外落后两 代；三是创新开发能力弱，设计、工艺、设备、材料、应用、市场的开发能力均不 十分理想，其结果是今天受制于人，明天后劲乏力；四是人才欠缺。 针对集成电路的采保电路来说，国内所设计的采保电路的采样率一般都只有 几十兆左右，各方面的性能指标都比较低。 东南大学的国家专用集成电路系统工程技术研究中心的吴建辉、吴自信和 吴宁于2 0 0 4 年6 月设计出的一种采样率达4 0 m s p s ，线性度大于7 0 d b 的采保电 路。该采保电路采用了b o o t s t r a p p e d 开关来降低非线性。这个采样保持电路被用 在1 0 b i t 、4 0 m s p s 采样频率流水线a d c 中，经测试满足了系统要求。 清华大学微电子研究所的薛亮、沈延钊和张向民于2 0 0 4 年4 月设计出的 6 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 一种采样率达5 0 m h z 的采保电路。采样开关利用电容自举提高传输速度，减少传 输引入的非线性误差；运算放大器采用t r i p l e - c a s c o d e 结构，以获得较高的电压增 益和较高的单位增益带宽；全平衡结喉差分输入差分输出采样保持电路能够消除 各种共模噪声提高采样精度。采用h s p i c e 模拟软件和t s m 0 3 5 9 m 标准工艺库，对 整体电路和分块电路的性能进行了仿真，验证了电路结构的正确性。 复旦大学的专用集成电路与系统国家重点实验室的王照钢、陈诚、任俊 彦和许俊于2 0 0 5 年4 月设计出了一种低电压高精度的高速采保电路。该电路的电 源电压为1 8 v ，在1 2 5 m h z 频率时钟采样时，可达到1 0 位以上的精度；采用栅源 电压恒定的栅压自举开关，极大地减小了采样的非线性失真，同时，有效地抑制了 输入信号的直流偏移；高性能增益自举的折叠式级联运算放大器减小了有限增益 和不完全建立带来的误差。整个电路以0 1 8 9 mc m o s 工艺库验证，功耗仅为 1 1 2 m w 。 浙江大学v l s i 研究所的陈曦、何乐年于2 0 0 5 年5 月设计了一种适用于 1 0 位2 0 m s s 流水线a d c 的采保电路。该电路为开关电容结构，以0 6 md p d m c m o s 工艺实现。采用差分信号输入结构，降低对共模噪声的敏感度，共模反馈 电路的设计稳定了共模输出，以达到高精度。该s h 电路采用低功耗运算跨导放大 器( o t a ) ，在5 v 电源电压下，功耗仅为5 m w 。基于该采保电路的流水线a d 转 换器在2 0 m h z 采样率下，信噪比( s n r ) 为5 8 d b ，功耗为4 9 r o w 。 1 2 论文背景及意义 本课题是基础研究项目，目标是设计出一种3 3 v 电源电压、2 5 0 m s p s 采样 频率、8 b i t 采样精度的高性能采保电路，该采保电路应用在对应参数的流水线型 a d c 上。流水线结构具有高吞吐率、低功耗、占用面积小的特点，是高速高精度 a d c 的常用结构。流水线结构的a d c 每一级所完成的转换精度依赖于具体应用 中所要求的转换速度和转换精度。 a d c 转换直流信号的工作原理简单明了。但如果在转换期间输入信号的变 化超过一个最低有效位( l s b ) ，a d c 将得到不正确( 或至少是不精确) 的结果。减小 误差的一种方法是在a d c 之前添加低通滤波器，并选择适当的参数以保证a d c 的输入在一个转换周期中的变化不超过一个最低有效位。处理变化的输入信号 的另一种方法是在a d c 之前添加采样保持( s h ) 电路。在a d c 处理前将信号采样 并存储起来，使得后级的电路可以工作在直流的状态下，可以很大的降低了后级 电路对于带宽的要求。采样保持电路( s h ) 它在较短的时间里完成采样一个输采保 电路是指对不断变化的模拟信号瞬时值进行采样并保持一定时间的电路。采保电 路在较短时间里完成采样一个输入电压值的任务，并把该电压值保持足够长的时 7 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 间，再由a d c 在这段时间里完成量化和编码操作，以获得更高的技术指标，如速 度、分辨率、精度等【1 0 】。采样保持电路通常在信号通路的第一级，所以它的精度 和速度制约了整个系统的性能。论文对采样保持电路的组成部分进行了详细分析， 采样保持电路由采样开关和运算放大器组成。采样开关网络主要有m o s 开关和 c m o s 开关，运算放大器有单级放大器和两级放大器。针对本采样保持电路的8 - b i t 分辨率和2 5 0 m s p s 采样速度的要求，确定开关采用m o s 晶体管；放大器采用由 双极晶体管和m o s 管组成的两级放大器；采保电路的结构采用电荷转换的闭环结 构。对采样开关主要考虑开关的时钟馈通和电荷注入效应对采样保持电路性能的 影响。运算放大器主要考虑其直流增益和单位增益带宽对采保电路的采样精度和 采样速度的影响。为了抑制偶次谐波失真、增加输入信号范围、提高信噪比，输 入采用全差分的工作方式。为了获得高的采样速度，该采保电路采用b i c m o s 工艺 制作而成。 基于上述分析，本文围绕如何实现8 - b i t 采样精度和2 5 0 m s p s 的采样速度进 行了系统和单元设计，以保证采保电路的性能指标。最终在0 3 5 p r o 的b i c m o s 工艺条件下，采用电荷转换结构设计了一种工作在3 3 v 电源电压下，采样精度达 8 - b i t ，采样速度达2 5 0 m s p s 的采保电路，它广泛用于军事、民用的各个领域。 1 3 论文的主要研究内容 论文的主要工作是完成a d c 中的关键单元采保电路的设计。 第一章介绍了a d c 与采保电路的研究动态及发展趋势和课题的相关背景。 第二章简要介绍了采保电路的工作原理，主要有是采样过程、采样定理、采 样方法及采保的分类。 第三章详细论述了采保电路实现过程和结构选定，分析了对关键模块电路设 计时的主要考虑因素和实现方式。 第四章用标准的0 3 5 1 u nb i c m o st 艺提供的p d k ，在c a d e n c e 环境下对采 样保持电路进行了s p t r e 仿真，并给出了采保电路输入缓冲放大器，共模反馈， 及放大器的模拟仿真的结果，并作了简要的分析。 第五章简要地介绍了b i c m o s 工艺的版图设计规则和设计芯片版图时所要考 虑的问题。 第六章为结论。 8 重庆大学硕士学位论文2 采样保持电路的工作原理 2 采样保持电路的工作原理 2 1 采样过程 从某种意义上说，a d c 的工作原理类似于采样和保持过程，虽然并不是所有 a d c 过程都要包括采样过程。 采样就是周期性读出或测出一种模拟信号( 或者连续过程信号) 。显然，测量或 读出时间和周期时间相比是很小的。 采样过程的完成必须用到模拟电子开关。设采样器输入的是模拟信号a ( 1 ) ， 采样波形为p ( 0 ，输出的为采样信号a ( t ) 。显然，a ( t ) 为连续信号；p ( t ) 和a ( t ) 为脉冲信号，它们的脉冲宽度相同。a + ( t ) 的脉冲幅度与同一瞬间的模拟信号a c t ) 的幅度是相同的。 图2 1 给出了采样过程的示意图。其中，( a ) 示出了采样执行过程；( b ) 示 出了输入模拟信号a ( t ) ；( c ) 示出了采样脉冲波形p ( t ) ；( d ) 示出了输出的采样信号 a ( t ) 。 从图2 1 中可以看出：采样器把连续变化的模拟信号a ( t ) 转变为发生在采样瞬 间0 ，t ，2 t , 时的一串采样脉冲，采样间隔时间为t 。在两个采样脉冲之间，采样器 不传递信息。 如果输出采样信号a ( t ) 通过保持器，则保持器能够把采样信号转变为连续变 化的信号a h ( t ) ，它近似地重现了采样器输入的模拟信号a ( 0 ( 见图2 2 ) 。当然，图 2 2 的曲线与图2 1 的曲线是不完全重合的，这实际上是量化误差的反映。 4 ) a t ( b ) o t 2 t3 t4 t5 t6 t7 t 乳t0 t 2 t3 胤乳6 t7 l 缸t ( t ( d ) 图2 1 采样过程示意图 f i g2 i t h ep r o c e s so f s a m p l e 9 重庆大学硕士学位论文2 采样保持电路的工作原理 气( t ) ot2 t3 l4jt仇氕t 图2 2 通过保持器后的输出采样信号 f i g2 2t h eo u t p u ts a m p l es i g n a lv i at h eh o l d 2 2 采样定理 采样定理是为了说明在什么条件下，可以使采样开关输出的信号a ( t ) 完 全恢复输入信号a ( t ) 。根据频谱分析理论，只有采样信号的频谱不发生重叠现 象时，采样的基频频谱才能与信号频谱相一致。所以采样定理可以表述为：为 了使采样信号a ( t ) 能完全恢复连续信号a ( t ) ，则包含任何干扰在内的信号a ( t ) 的最高有效频率奈奎斯特频率缸必须小于采样波形重复频率的一半。或 者表述为：为了从采样信号a ( t ) 中完全恢复连续信号a ( t ) ，则采样波形p ( t ) 的重复频率，至少应为a ( 0 最高有效频率f m ( 包括噪声在内) 的两倍。 正2 凡( 2 1 ) 2 3 采样方法 采样方法可以分为基带采样，带通采样和过采样。 基带采样( 奈奎斯特采样，临界采样) 理想情况要求采样频率等于输入信号最高频率的二倍，因为抗混迭滤波器不 可能具有理想低通特性，必须有过渡频带，所以采样频率需要高于奈奎斯特 ( n y q u i s t ) 频率。 带通采样 带通信号也可用它的最高频率的二倍作为采样频率，但必然导致采样频率过 高，利用带通信号的频谱在频率轴上空余很多，可以使用比较低的采样频率，只 要保证频谱不混叠即可。 过采样 采样频率远超过奈奎斯特采样频率的采样。 2 4 采样保持电路的原理 采保电路的功能是跟踪模拟输入信号并保持这值以备后续处理。图2 3 ( a ) 是 一个简单的采样电路，它包括一个开关和一个电容。在m o s 技术中，m 0 s 器件作为 1 0 重庆大学硕士学位论文2 采样保持电路的工作原理 一个开关如图2 3 所示。 v i n 咔v o u t 了 工 v i “ ( a )( b ) 图2 , 3 ( a ) 简单采样电路采用m o s 器件作开关 f i g2 3 ( a ) t h es i m p l es a m p l ec i r c u i t ( ”t h em o s s w i t c h 为了理解图2 3 ( b ) 的电路是如何对输入信号进行采样的，首先考虑如图2 4 所示的简单情况，其中栅极信号甲在t = t o 时刻变为高电平。在图2 4 ( a ) 中，假设在 芭= t o 时，v i n = o ，并且电容的初始电压等于v d d 。这样，在卢t o 时，m i 的栅源电压 等于