（微电子学与固体电子学专业论文）低电压下高速低功耗cmos+adc的研究与设计.pdf

摘要 摘要 模数转换器( a d c ) 是片上系统( s o c ) 的重要组成部分，在医疗图像，电力线收 发系统和通信系统等方面有着大量的应用。随着金属互补氧化物半导体( c m o s ) 技术进入深亚微米工艺，s o c 的集成度越来越高，这就需要在设计a d c 的时候 尽量减小a d c 的面积和功耗。但是随着工艺尺寸的减小，供电电压也进一步降 低，模拟电路在工艺进入深亚微米之后，遇到的挑战越来越多。 本文对各种不同类型a d c 的优缺点进行了比较。重点介绍了流水线模数转 换器( p i p e l i n e da d c ) 的原理，分析了其非线性产生的主要原因，并提出了相应的 解决方法。通过对已有的a d c 低功耗设计的研究，对a d c 的第一级电路的采 样时序进行了特殊的处理去掉了采样保持电路，降低功耗的同时又减小了面积。 详细分析了1 5 b i t 级结构，并且将其与2 5 b i t 级结构进行了比较，最终提出了两 者相结合的a d c 结构，起到了各取所长的作用。对低电压开关的线性度进行了 分析，引入了b o o t s t r a p 开关。分析和比较了不同类型的运放，对运放的速度， 摆幅和功耗等各方面取了折中，找到了最适合本设计的运放结构。最终设计了一 个1 0 b i t 的流水线a d c 。 仿真结果表明，在4 0 m h z 时钟采样，输入信号频率为7 m h z 的情况下，a d c 所能达到的e n o b ( 有效比特数) 为9 6 4 ，s f d r ( 无杂散动态范围) 为7 0 1 5 d b ， t h d ( 总谐波失真) 为6 8 1 d b ，功耗为1 4 m w 。基本满足c m m b 和d v b t 等无线 通信系统的要求。 本设计着眼于低电压条件下高速p i p e l i n e da d c 的设计，并且在设计过程中 尽量降低了功耗。文中提出的针对低电压和低功耗设计的方法能够在一定程度上 为其他深亚微米c m o s 模拟电路的设计提供一定的借鉴意义。 关键词流水线模数转换器；样保持电路；低电压；低功耗；运算放大器 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a n a l o g - - t o - d i g i t a lc o n v e r t e ri so n ei m p o r t a n tb u i l d i n gb l o c ki ns o ca n di s w i d e l yu s e di nm e d i c a l i m a g e ，p o w e ri i n er e c e i v e r , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n d s oo n w i t ht r a n s i s t o rd i m e n s i o n sd o w ns c a l i n gt os u b m i c r o ，t h es o c i n t e g r a t i o nr a t ei sg e t t i n gh i g h e ra n dh i g h e r s o ，a d c sw i t hs m a l la r e aa n dl o w p o w e rd i s s i p a t i o n a r ee m p h a s i z e dm o r et h a ne v e la d v a n c e si nc m o s t e c h n o l o g ya r ed r i v i n gt h eo p e r a t i n gv o l t a g eo fi n t e g r a t e dc i r c u i t si n c r e a s i n g l y i o w e r , w h i c hj sa n o t h e rc h a l l e n g ef o ra n a l o gc i r c u i t sd e s i g n t h i sp a p e rf o c u s e so nr e d u c i n ga r e aa n dm i n i m i z i n gp o w e rd i s s i p a t i o ni n 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 s t h r o u g ht h ea n a l y s i so fp i p e l i n e da d c ， a l ik i n d so fn o n 1 i n e a r i t yf a c t o ra f f e c t i n ga d c p e r f o r m a n c eh a s b e e ni n t r o d u c e d s a m p l e a n d h o l da m p l i f i e ri sr e m o v e dt or e d u c ep o w e rd i s s i p a t i o na n dd i e a r e a d e s i g nt e c h n i q u e sf o rai o w p o w e ra d cw i t h1 5 b i t s t a g ea n d 2 5 b i t s t a g ec o m b i n e da r ep r e s e n t e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a t ，u n d e r4 0 m h zs a m p l i n gr a t e ，e n o bc a n a c h i e v et o9 6 4 ，s f d ri s7 0 15 d b ，t h di s 6 8 1 d b ，d i s i i p a t i n g1 4 m wp o w e r f r o m1 2 vs u p p l y t h ea l ik i n d so fp e r f o r m a n c es a t i s f yt h er e q u i r e m e n to f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e ms u c ha sc m m ba n dd v b t t h et h e s i sf o c u so n h i g hs p e e dp i p e l i n e da d cu n d e rl o w s u p p l y ，t r y i n gt o m i n i m i z et h ep o w e rc o n s u m p t i o na sw e l l t h ec o n c e p ta n dm e t h o d o l o g yu s e d i nt h ep a p e ra r ea l s ou s e f u lf o ro t h e ra n a l o gc i r c u i t sd e s i g ni nd e e ps u b m i c r o n c m o s p r o c e s s k e yw o r dp i p e l i n e da d c ；s a m p l e - a n dh o l da m p l i f i e r ；l o wp o w e r ；l o wv o l t a g e ； o p e r a t i o n a la m p l i f i e r 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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。 签名：疡狄日期：z 1 7 哆3 - 27 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 虢嗡搭 第1 章绪论 第1 章绪论 11 课题的背景和意义 模拟数字转换器( a d c ) 是现代数字通信系统中十分重要的单元。与模拟信 号相比，数字信号具有便于存储、转移、傈真度和可靠性高等优点斟掰耻。但 是因为人们所处的世界是连续的模拟环境。自然界的音、光、温度和压力等自然 现象也都是模拟信号，这是数字电路无法直接处理的。因此，必须借助于a d c 将外部采集进来的模拟信号转变数字信号后，才能由数字电路处理，再以适当的 方式输出。随着数字技术的快速发展和应用领域越来越宽，使a d c 器件也相应 获得较快的发展与进步，这体现在对a d c 分辨率要求越来越高，采样率要求越 来越快，功率消耗要求越来越低等方面。a d c 在军、民用电子系统中具有重要 作用，其应用领域不断扩大，其市场呈稳步发展和增长势头。 目前，a d c 的结构有f l a s h 、p i p e l i n e d 、折叠式等几种，通常a d c 采用的 结构取决于对数字信号精度及其处理速度的要求删。如图1 1 对于采样率为 1 0 m h z 1 0 0 m h z ，分辨率为8 _ 1 再b t 的a d c ，p i p e l i n e d a d c 是最为合适的结构。 田1 - 1 各种类型a d c 结构的应用比较 f i g u r e1 - 1c o m n n 酊n y q u i s t a d c 随着s o c 系统的集成度越来越高，要求a d c 具有更小的面积和功耗。与 双极( b i l 斌呻工艺相比，c m o s 工艺兼具低价格与高集成度的优点吼町嗍【1 q 啕口1 p 7 】p l l , 因此，采用c m o s 工艺制造的低功耗高速a d c 是当前模拟集成电路设 计中的一个热点。而且，随着c m o s 工艺尺寸的减小，更加高速的a d c 的实现 北京工业大学工学硕士论文 也不再是梦想。 因此，设计能随着数字电路工艺尺寸下降的低电压低功耗高速a d c 在当今 显得尤为重要。 1 2 国内外研究现状和挑战 作为信息技术基础之一的集成电路技术，其技术水平和生产规模已成为衡量 一个国家综合实力经济发展、科技进步和国防力量的重要标志之一。集成 电路技术是资金密集和知识密集的高新技术，从它诞生之日起就成为世界各工业 发达国家和部分发展中国家竞相发展的核心技术的重要组成部分。 作为连接数字电路和模拟电路的桥梁，在当代集成电路设计中有着不可替换 的作用。据统计，从1 9 8 6 年至今，在i e e e 所公开发表的文献中，共有8 4 3 篇 文章涉及流水线a d c 结构。而在作为当今集成电路设计最高水平会议的国际固 态电路会议0 s s c c ) 中，涉及流水线a d c 的文章也占了不少数量 6 】【9 】【3 4 1 。由此可 见，低功耗流水线a d c 设计已经成为当今模拟集成电路设计中的一个重点和热 点。 纵观世界，以a n a l o gd e v i c ei n c 、m a x i m 和t l 等为代表的主要设计模拟i c 的公司的产品代表着当今工业界的最高水平。从各个公司网站发布的产品来看， 流水线a d c 的最高精度可以达到1 6 b i t ，采样率可达1 6 0 m s p s 。相比国外，国 内a d c 的研究水平虽然较过去有了很大提高，但是与国外的设计水平还是存在 不小的差距，自主研发的高精度高速度a d c 并不多见，市场占有率也比较低。 发展我国数模混合集成电路任重道远。 随着c m o s 工艺尺寸的不断减小，虽然电路的速度有所提高，但是这种趋 势又对数模混合电路的设计提出了新的挑战：一、供电电压随着工艺尺寸的减小 而降低，这就导致了电路输出摆幅的降低，减小了电路的动态范围。二、运放本 征增益下降。大家知道，在传统流水线a d c 中，运放是最重要的模块，运放的 直流增益( d cg a i n ) 直接决定了流水线a d c 所能达到的分辨率。所以必须引入新 的技术来补偿这一缺陷。三、随着工艺尺寸的下降，电路的噪声会越来越大。 【1 5 】【2 6 】【2 7 1 【3 6 1 【2 8 1 在高精度a d c 中，热噪声( t h e r m a ln o i s e ) 相对于电容匹配是首要考 虑的因素【5 1 。所以，在选择采样电容的时候必须选择更大的电容来满足热噪声要 求。这就使得电路的面积变大，同时又增加了功耗。除了以上几点，工艺的下降 还会引入电荷泄漏( 1 e a k a g e ) ，在c m o s 电路中，时钟频率所能达到的最低值就 是由l e a k a g e 决定的。 在现有的c m o s 工艺下，电容匹配所能达到的精度大约在0 1 左右，按 照传统的流水线a d c 设计，a d c 的有效分辨率很难达到1 2 b i t 以上【7 】【3 1 】。必须 2 第1 章绪论 要引入有效的校正技术对误差进行补偿和纠正来提高流水线a d c 的精度达到更 高。校正技术分为前台校正技术和后台校正技术。前台校正技术即在上电的时候 对电路的误差进行测量并且校正。相对于前台校正，后台校正技术能在不中断 a d c 正常数据转换的前提下，在后台连续的测量误差并实时的更新校正参数， 最终实现对输出连续不断的校正。【1 5 】 除了高精度a d c 以外，低功耗a d c 也是目前流水线a d c 研究的一个热 点【4 】【2 7 】【4 6 】【4 7 】【4 8 】。目前流行的减小p i p e l i n e da d c 功耗的方法包括：运放分享 ( o p a m ps h a r i n g ) ，时间交织( t i m ei n t e r l e a v i n g ) ，开环运放( o p e nl o o p a m p l i f i e r s ) ，开关运放结构( s w i t c h e do p a m p ) 等等。从2 0 0 8i s s c c 发表的论文 来看，1 0 b i t1 0 0 m s p s 的p i p e l i n e da d c 所能达到的最低功耗仅为4 5 m w 。而国 内发表的论文中，尚无功耗低于2 0 m w ，采样率大于5 0 m s p s 的10 b i tp i p e l i n e d a d c 出现，可以说差距巨大。 1 3 课题的主要研究内容 本设计的流水线a d c 分辨率为10 b i t ，采样率为4 0 m h z ，可用于宽带无线 通信系统中，最终功耗在1 5 m w 以下。采样保持电路并不是a d c 中必须的模块， 其性能限制了整个a d c 的性能，并且往往要消耗a d c 中1 5 到1 4 的功耗。因 此在对a d c 性能指标分析之后，通过对第一级的比较器和采样时钟进行特殊处 理，去掉了采样保持电路，极大的降低了功耗，并且减小了面积。对流水线a d c 每级的分辨率做了研究，比较了1 5 b i t 级和2 5 b i t 级对功耗的影响，分析了两种 结构各自的优缺点，最终提出了1 5 b i t 级与2 5 b i t 级相结合的设计方案，对功耗 进行了优化，同时降低了电路的复杂度。本设计中，流水线a d c 第一级采用 1 5 b i t 级的分辨率以减小对比较器的要求，2 4 级采用2 5 ，级结构。运放是 p i p e l i n e da d c 中最重要的单元，本文分析并比较了不同类型的运放结构，综合 考虑增益，摆幅，速度，功耗，噪声等因素，选择了折叠式增益增强结构的运放。 给出了各级运放的仿真结果。设计了适用于低电压条件下的参考电压源，给出了 电压随温度变化的仿真结果。最后，对版图设计时要注意的一些事项进行了说明， 给出了整体电路的版图和最终仿真结果。 1 4 论文结构 本文共分为六章。 第1 章即本绪论，对课题的背景和国内外现状作了简要的介绍。 第2 章对衡量a d c 性能的各项参数进行了必要的介绍，并对简单的介绍了 3 北京工业大学工学硕士论文 比较了各种类型的a d c 。 第3 章详细介绍了流水线a d c 的原理和引起流水线非线性误差的原因，提 出了相应的解决方法，对各种方法进行详细比较之后，确定了最适合本设计的 a d c 的系统结构。 第4 章是本文的重点，介绍具体电路的设计，包括1 5 b i t 级m d a c 的结构， 采样保持电容的选取，详细的介绍和比较了几种常用的运放结构。设计了适合低 电压结构的参考电压源，并且对电路进行了仿真。 第5 章介绍了版图设计和物理验证中所要注意的事项，给出了整体电路的版 图和仿真结果。 4 第2 章模数转换器的类型和性能指标 第2 章模数转换器的类型和性能指标 2 1 模数转换器的性能指标 模数转换器有许多不同的特性参数，对于相同分辨率和采样率的a d c ，可 以用不同的性能指标对其进行衡量。所有的特性参数可分为两种：静态特性参数 和动态特性参数。静态特性参数与时间无关，反映的是实际量化特性和理想量化 特性之间的偏差，包括失调误差( o f f s e te r r o r ) ，增益误差( g a i ne r r o r ) ，微分非线 性( d i f f e r e n t i a ln o n 1 i n e a r i t y ) 和积分非线一l 生( i n t e g r a t e dn o n 。l i n e a r i t y ) 。动态特性 参数与输入信号幅度和频率以及a d c 的分辨率等有关系，包括信噪比( s n r ) ，总 谐波失真( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) ，信噪失真比( s i g n a lt o n o i s ea n d d i s t o r t i o n ) ，有效比特数( e f f e c t i v en u m b e ro fb i t s ) ，无杂散动态范围( s p u r i o u s f r e ed y n a m i cr a n g e ) 等等。 2 1 1a d c 的静态特性参数 a d c 的分辨率是衡量一个a d c 所能分辨出最小量化电压( l e a s ts i g n i f i c a n t b i t ) 的能力，以一个nb l t 的a d c 为例，它能分辨出2 n 个级别的电压值。输入信 号每增长一个l s b ，数字输出就向上跳变一个码，任何一个在l s b 之内的信号 均对应同一个数字输出。理想a d c 的电压传输函数( v o l t a g et r a n s f e rf u n c t i o n ， v - i f ) 女i ：i 图2 1 ( a ) 中虚线所示。但是，实际电路由于存在非线性的误差导致实其 传输函数不是一个理想的阶梯形状。例如，a d c 中的比较器存在一个o f f s e te r r o r ， 比较器的转换电压就会存在一个水平漂移，那么整个电路的传输函数也会整体向 左或向右漂移，如图2 1 ( a ) 实线所示。a d c 的增益误差( g a i ne r r o r ) 指的是理想 a d c 和实际a d c 之间斜率的误差，增益上的误差导致a d c 的电压转换区间大 小不一。 5 北京工业大学t 学硕士论文 v o u tl a c t u a i l 一i d e a i 、7 斧 d o f l m t e n o r | = f 一一 ( a ) v o u tj a c t u a i i d e a i d 一 一 一 ( b ) 图2 1a ) a d c 失调误差示意b ) a d c 增益误差示意 f i g u r e2 - 1a ) o f f s e te r r o r b ) g a i ne r r o r 当a d c 的非线性误差严重时，还可能会出现非单调的情况，即当输入信号 增加一个l s b 的时候，数字输出不随输入信号的增大而增加，反而减小，如 图2 2 ( a ) 。 微分非线- i 生( d n l ) 和积分非线。i 生( i n l ) 是衡量a d c 线性度的两个非常重要的 指标。d n l 衡量的是实际数字输出码的宽度和理想数字输出码宽度之间的差， 可表示为： d n l ( i ) = 面v i - l s b 一1 ( 2 - 1 ) v o u t ， 一a c t u a l 二f l - 一i d e a l 一 一 一 - ( a ) v o u t 。 l ， 一a d l i a l j , r 霄i l i d e a l 一 一 一 - 图2 2a ) 非单调误差 b ) a d c 丢码 f i g u r e2 - 2a ) n o n m o n o t o n i c b ) m i s s i n gc o d e 对于理想的a d c 的d n l = 0 。一般认为，d n l 超过1l s b ，a d c 就会丢码。i n l 则是将所有的d n l 进行累加，其表达方式如( 2 - 2 ) 式所示： 6 第2 章模数转换器的类型和性能指标 2 n 一1 i n l ( i ) = d n l ( i ) ( 2 - 2 ) t 1 i = 0 i n l 和d n l 可以衡量一个a d c 线性度的优劣，i n l ，d n l 越接近于零， a d c 的线性度越好，对于线性度要求比较高的a d c ，i n l 和d n l 一般要小于 0 5 l s b 。 2 1 2a d c 的动态特性参数 a d c 的动态参数与输入信号和a d c 本身的采样频率有关，也是衡量一个 a d c 性能的重要指标。 2 1 2 1 信噪比 信噪h 二( s n r ) ，顾名思义就是信号和噪声( 不含谐波) 之间功率的比值，一般 以d b 为单位。信噪比越大，说明a d c 的动态范 习( d y n a m i cr a n g e ) 越大，信号 越不容易受到噪声的干扰，性能越好。一个理想的a d c 的s n r 如式( 2 3 ) 所示， s n r = 6 0 2 n + 1 7 6d b ( 2 - 3 ) n 表示a d c 的分辨率，所以对于一个理想的a d c ，在只考虑量化噪声的情 况下，所能实现的信噪比最大为6 0 2 n + 1 7 6 d b 。对于实际的a d c ，除了量化噪 声以外，还会受到热噪声( t h e r m a ln o i s e ) 和闪烁噪声( f l i c k e rn o i s e ) 等等的影响， 一般来说s n r 很难达到这个值，所以在设计中一般会给s n r 留出一点余量。 2 1 - 2 2 信号失真比 信噪失真 = k ( s l n a d ) ，是信号和噪声加谐波失真功率之间的比值。由于实际 电路中存在非线性的误差，所以一般来说，s i n a d 的值会比s n r 略小，可以用 s i a n d 来衡量a d c 实际的有效比特数。 2 1 2 3 有效比特数 由于实际电路中，存在着一些噪声和非线性误差，所以一个实际的a d c 很 难达到它理想上的分辨率。于是定义了有效比特数( e n o b ) 来衡量一个a d c 真正 能够达到的精度。 e n 。b = s i n a 矿d - 1 7 6 ( 2 - 4 ) 7 北京工业大学工学硕士论文 2 1 2 4 无杂散动态范围和总谐波失真 无杂散动态范i 重i ( s f d r ) ，信号与最大噪声或者谐波能量的比值，是衡量a d c 线性度的一个重要指标，反映了a d c 在有很强干扰信号的环境下捕获有用频宽 中的微弱信号的能力。在宽带无线通信，比如3 g ，雷达，声纳等应用都对s f d r 有较高的要求。 总谐波失真( t h d ) ，由于实际电路中存在着动态误差和非线性，a d c 的输出 总含有信号的谐波分量。t h d 就是衡量谐波对输入信号影响的重要指标。它可 以如下表示： t h d n = 1 0 l o g l o ( 、t , i i i = 2 。p d i s t o r t i o n j ( 2 - 5 ) 因为高次谐波对总谐波能量的贡献非常小，所以一般只计算2 5 次谐波能量 即可。 2 2 模数转换器的分类 2 2 1 奈奎斯特模数转换器 当对一个模拟信号进行采样时候，采样频率大于模拟信号最高频率的两倍时， 采样出来的数字信号就能完整地表达模拟信号，称之为奈奎斯特采样定律 ( n y q u i s tr a t e ) 。以此种采样方式进行采样的模数转换器即奈奎斯特模数转换器。 在实际实现中，为了使收发机中的抗混叠滤波器能够更好更容易的实现，一般采 用1 5 到1 0 倍的奈奎斯特率，就是取3 2 0 倍的信号带宽( b a n d w i d t h ) 。 奈奎斯特模数转换器根据其采样速率的快慢还可以分为三大类，如： ( 1 ) 快速转换器：最常见最基本的类型，包括快闪式a d c ( f l a s ha d c ) 、两 步式a d c ( t w o s t e pa d c ) 、折叠式a d c ( f o l d i n ga d c ) 、时间交织型a d c ( t i m e i n t e r - l e a v i n ga d c ) 和流水线a d c ( p i p e l i n e da d c ) 。这几种类型的a d c 都是直 接进行比较然后并列输出，速度快，但是功耗和面积也比较大。 ( 2 ) 中速转换器：此类a d c 包括逐次逼近型a d c ( s u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o na d c ) 和迭代算法型a d c ( a l g o r i t h m i ca d c ) ，这两种a d c 都是利用二分 法层层找出与输入模拟量相对应的码值，速度上大概从几十k h z 到几十m h z ， 常应用于测量仪器中。 ( 3 ) 低速转换器：此种a d c 一般速度很慢，但是精度很高，一般适用于输 入信号较慢，但是解析度高的应用。低速采样器有积分型a d c ( i n t e g r a t i n ga d c ) 、 8 第2 章模数转换8 的类型和性能指标 双斜率a d c ( d u a l s l o p e a d c ) 和叠；斜率a d c ( m u i t i - s l o p e a o c ) 等等。 表2 一i 各种亲奎斯特 d c 的比较 t a b l e2 - 1c o m p a r i s o no f n y q u i s t a d c s p e e dh i g h m o d i u ml o w a c c u r a c y l o wt om e d i u mm o d i u m h i g h f l a s h t w o - s t e p s u c c e s s i v e i n t e g r a t i n g a r c h i t e c t u r e f o l d i n q a p p r o x i m a t i o n d u a l s l o p e n m e i n t e r l e a v i n ga l g o r i t h m i c m u l t i s l o p e p i p e l i n e 2 211 快闪式a d c 快闪式a d c ( f l a s ha d c ) 又称为全并行a d c ，是速度最快的a d c ，其结构 如图2 3 所示。该种转换器由一串电阻产生一组参考电压，然后通过比较器对 输入信号进行比较，产生温度码r r h e r m a lc o d e ) ，最后经过译码器将产生的温度 码转换成二进制码( b i n a r y c o d e ) ，最终完成模拟信号转换为数字信号的过程口瑚。 其特点是速度快，只要一个时钟周期就能比较出相对应的温度码，缺点是面积非 常大。一个nb i t 的f l a s h a d c ，需要2 “个电阻和2 n 1 个比较器。随着比较器 个数的增多，前一级电路的负载也变得更大，所以需要引入额外的缓冲电路来驱 动这些比较器，这就增加了额外的功耗。 除了面积大之外，这种结构的a d c 还有另外一个比较明显的缺点，就是对 比较器的误差非常敏感。当精度越高时，a d c 对比较器误差的容忍范围越d i 缸 所以，对于精度为8 b i t 以上的a d c ，很少采用f l a s h a d c 这一结构。 v m fo m 枷w 哪m 田2 3f l a s h a d c 结构圈 f ( g u r e 2 - 3 t h e a m h i t e c t u r eo f f l a s h a d c 9 北京工业大学工学硕士论文 2 2 1 2 - - 步式a d c 二步式a d c ( t w os t e pa d c ) i 撇构如图2 4 所示，其转换过程是通过两个 步骤来完成的。 m s b s 图2 4 二步式a d c 结构示意图 f i g u r e2 - 4t w os t e pa d c 首先，用一个采样保持电路( s a m p l ea n dh o l dc i r c u i t ) 来使动态信号v i n 转 换成一个直流电平，以便后面的电路更好的工作。之后，模拟输入信号经过一个 精度为n 1 b i t 的f l a s ha d c 得到高位码元( m s b s ) 送到输出，然后将得到的高位 码送入一个n 1 精度的d a c ，再将输入信号与这个转换之后的信号相减，得到剩 余电量。这些剩余电量经过一个n 2b i t 的a d c 后，最终得到剩下的低位码元 ( l s b s ) 2 5 】。 与f l a s ha d c 相比，t w os t e pa d c 的面积大为减小。以一个8 b i t 的a d c 为例，f l a s ha d c 需要2 8 = 2 5 6 个电阻和2 8 1 = 2 5 5 个比较器，而一个4 + 4 的t w o s t e pa d c 所需要的电阻和比较器数目仅仅为2 2 4 = 3 2 和2 2 4 1 = 3 1 个，大大的 降低了芯片的面积和功耗。 与f l a s ha d c 相比，t w os t e pa d c 需要两个时钟周期才能完成转换，因此， 其转换速度为f l a s ha d c 的一半。 2 2 1 3 迭代算法a d c 迭代算法a d c ( a i g o r i t h m i ca d c ) 又叫循环式a d c ( c y c l i ca d c ) 。简单来说 是利用p i p e l i n e da d c 里面的一级电路，进行循环操作，最后得到所需要的码值。 所以它占用的面积非常小。 以一个2 b i t 的子a d c 为例，其结构图如 图2 5 所示。c y c l i ca d c 需要两个相反的时钟进行操作，在第一个时钟周 期，k 1 闭合，子a d c 接到输入信号，剩余电压产生之后，k 1 断开，k 2 闭合， 1 0 第2 章模数转换器的类型和性能指标 曼! 曼曼蔓曼曼曼曼曼曼曼曼虽曼量曼曼曼! 曼! ! ! 曼曼曼曼曼曼曼i i i i 皇曼皇曼曼皇! 曼! 量曼曼曼皇曼曼曼蔓曼! 曼曼皇曼璺 将第一次操作产生的剩余电压送入该级电路，如此往复。所以，对于一个精度为 10 b i t 的c y c l i ca d c ，如果每一次产生2 个b i t ，则需要5 个时钟周期才能产生一 个完整的码值。 虽然，c y c l i ca d c 的速度比较慢，但是它占据芯片的面积非常小，应用还 是十分广泛。 图2 5 迭代算法型a d c f i g u r e2 - 5a l g o r i t h m i ca d c 2 2 2 过采样模数转换器 过采样a d c ( o v e r s a mp | n ga d c ) 又称为y 执d c ，它是通过过采样 ( o v e r s a m p l i n g ) 和噪声整形( n o i s es h a p i n g ) 来提高a d c 的信噪i ：匕( s i g n a lt o n o i s er a t i o 。s n r ) ，一般过采样率为奈奎斯特采样频率的8 到5 12 倒1 9 】。 一 一个理想的a d c 的量化噪声有效值为、厂西，其中= v l s b ，平均分布在直 流至奈奎斯特频率f s 2 范围内( 尽为采样频率) 。假设信号为输入范围从- v r e f 到 + v r e f 的正弦波，则理想的nb i t a d c 的信噪比可以表示为： s n r _ 2 0 1 0 9 - 。静= 2 0 1 0 9 l of v r e f 捌4 互= 2 0l ogloq,rmsv l s b 啦2 n ) ( 2 - 6 ) 、，z 、j s n r = 6 0 2 n + 1 7 6d b ( 2 7 ) 如果将提高采样率到k 疋，这时量化噪声的总量仍然为、厂西。但是由于采 样频率的提高，量化噪声的频谱扩大，0 到五2 之间的量化噪声值变成1 2 k 。 由于信号的通带频率不变，可以用滤波器滤除兵2 到k f j 2 的噪声。这种方法使 量化噪声从、厂西变成瓜，从而提高了信噪比。经过k 倍过采样之后，a d c 的信噪比变成： 北京丁业大学工学硕十论文 s n r = 6 0 2 n + 1 7 6 + 1 0l 0 9 1 0 ( 叼 ( 2 8 ) 可见，经过k 倍过采样，信噪比能提高l 0 9 1 0 ( 固。所以，理论上只要采样率 足够大，经过滤波器之后就能够实现想要的a d c 的分辨率。但是由( 2 8 ) 可以看 出，a d c 要提高1 b i t 的精度，即s n r 提高6 d b ，采样率必须提高4 倍。由于 器件和工艺的限制，一味依靠提高采样率来达到a d c 的高精度，也是不现实的。 为了使a d c 的过采样率控制在一个合理的界限之内，需要对量化噪声进行 整形，使大部分的量化噪声处于f s 2 至r j k 五之间，仅仅使- 4 , 部分的量化噪声处 在0 到疋2 ，这就是e a a d c 中z 调制器所要进行的工作。量化噪声经过整形 之后，数字滤波器可以滤去大部分的噪声能量，从而大大的提高了信噪比。 2 3 本章小结 本章介绍了模数转换器的各种分类，对其中常见的几种a d c 进行了简单的 介绍，并且详细比较了其优缺点和应用范围。提出了衡量a d c 性能的各种指标， 包括静态特性参数和动态特性参数等等。流水线a d c 原理及系统设计 p i p e l i n e da d c 由几个a l g o r i t h m i ca d c 串联而成，在每一个时钟周期都有 数字码的输出，能达到几十m h z 到几百m h z 的采样率，同时又有较高的精度， 并降低了功耗，应用十分广泛。正因为p i p e l i n e da d c 速度快和面积小兼具的优 点，p i p e l i n e da d c 成为当今数模混合集成电路研究的一个热点。 1 2 第3 章p i p e l i n e da d c 原理及系统设计 第3 章p i p e l i n e da d c 原理及系统设计 传统的流水线a d c 如图3 - 1 所示，一般包括时钟产生电路( c l o c k g e n e r a t o r ) ，电压电流偏置电路( b i a sc i r c u i t ) ，数字误差修正电路( d i g i t a le r r o r c o r r e c t ，d e c ) t r - i a d c 核心电路( a d cc o r e ) 组成 3 】【1 1 】【3 4 】。 图3 - 1 流水线a d c 结构图 f i g u r e3 1t h ea r c h i t e c t u r eo fp i p e l i n e da d c 一般在实际电路中会加入一个采样保持电路( s a m p l ea n dh o l dc i r c u i t s 。 s h ) 来减小a d c 的动态误差【4 】【6 】【9 】。采样电路的动态性能决定了整个a d c 的动 态性能。因为，采样保持电路处于a d cc o r e 的最前端，为了保证整个a d c 的 精度，采样保持电路的精度必须高于a d c 的精度，这就使采样保持电路中的运 放必须要有足够高的增益。同时，运放的带宽决定了采样保持器的速度，为了达 到足够的动态性能，运放的带宽也必须足够大，采样保持电路往往要消耗整个 a d c1 5 到1 4 的功耗p 圳。 p i p e l i n e da d c 每一级的结构同c y c l i ca d c 结构类似，输入信号先经过子 a d c 分辨出该级的码值输出。另一方面将分辨出的码值经过一个子d a c ，减法 器和放大器之后得到剩余电压( r e s i d u ev o l t a g e ) 再送到下一级电路进行转换。实 际电路中的子d a c ，减法器和放大电路合起来称为m u l t i p l y i n gd a c ( m d a c ) ， m d a c 电路多由开关电容电路( s w i t c hc a p a c i t o rc i r c u i t ) 来实现【2 4 】【2 5 】【2 6 1 【2 7 】。 p i p e l i n e da d c 每一级电路的工作状态分为两种：采样和保持。因此，可以 利用两路非交叠的时钟来控制a d c 相邻的两级电路，保证经过k 个时钟周期延 时之后，每一个时钟周期都有数字码值输出，k 由a d c 的级数决定。 图3 - 2 以一个理想2 b i t 级组成的8 b i tp i p e l i n e da d c 为例，形象的说明 1 3 北京工业大学工学硕士论文 p i p e l i n e da d c 电路的具体操作过程。当输入信号经过第一级电路以后得到最高 两位( o o ) 2 ，然后依次通过后面三级电路得到总的数字输出( 0 0 0 1 1 1 0 1 ) 2 。 v o u r v ，= 、 n v 2 = 4 ( v l d ，) v 3 = 4 ( v 2 d 2 )v = 4 ( v 3 d 3 ) | | | 。| ? | ， | | ? d 1 = ( 0 0 ) 2晚= ( 0 1 k d 3 = ( 1 1 ) 2d 4 = ( 0 1 k v l d i g i t a lo u t p u t = ( 0 0 ，0 1 ，1 1 ，0 1 ) 2 图3 - 2a ) 2 b i t 级8b i l 理想p i p e l i n e da d c 操作过程b ) 2 b i t 级s t a g e 传输曲线 f i g u r e3 - 2a ) 8 b i tp i p e l i n e da d c o f2b i t s t a g e b ) v o l t a g et r a n s f e rf u n c t i o no f2 b i t s t a g e 3 1 p i p e l i n e da d c 主要的非线性及产生原因 流水线a d c 的误差主要由三个方面产生：噪声，静态误差和动态误型3 2 1 。 噪声分为热噪声( t h e r m a ln o i s e ) 和闪烁噪声( f l i c k e rn o i s e ) 。静态误差主要由采 样电容失配，比较器失调和运放增益有限等等造成。动态误差则由开关非线性， 时钟抖动( j i t t e r ) ，运放输出摆幅和带宽有限等等因素造成。 下面以一个2 b i t 的a d c 为例，介绍一下造成a d c 非线性的几种原因。 3 1 1 比较器失调误差 比较器由于其本身电路和参考电压存在误差，导致比较器的判决点存在偏移。 理想的2 b i ta d c 的传输曲线如图3 - 2 ( b ) 所示。差分输入信号的范围为v 停f 到 + v r e f ，输出的数字信号在尹r e f l 0 ，+ 尹r e f 处发生跳变。但是由于比较器存在。仟s e t ， 导致判决点向左或向右偏移，如图3 3 所示。 1 4 ” 们 恬t黼i卜尘惦 c 第3 章p i p e l i n e da d c 原理及系统设计 图3 3 比较器失调误差 f i g u r e3 3c o m p a r a t o ro f f s e t 如图3 3 所示，当比较器存在失调误差的时候，会使本级的剩余电压超过 a d c 的输入范围，如果继续将剩余电压送入下一级进行量化，会导致丢码。 3 1 2 增益误差