（微电子学与固体电子学专业论文）基于cmos工艺10位模数转换电路的设计.pdf

中文摘要 中文摘要 模数转换电路( a d c ) 作为模拟和数字电路的接口，一直被广泛应用于雷达、通 信、电子对抗、图像、声纳、卫星、导弹、测控系统、医疗、仪器仪表等领域。 其中逐次逼近型模数转换器( s a r a d c ) 由于其低功耗、高分辨率、高精度以及小尺 寸等优点一直被广泛应用。 本课题基于o 1 8 微米的c m o s 工艺设计了一个1 0 位精度的模数转换器，该 结构的a d c 主要包括三部分，比较器、模转换器( d a c ) 和数字逻辑控制部分，其 中d a c 采用电荷重分配式结构。在设计过程中，利用c m e n c e 仿真软件对电路原 理图进行了绘制、仿真并且完成了版图的设计，仿真结果表明该结构的a d c 可以 满足l o 位精度的要求，并且在电源电压为1 8 v 时采样频率为1 m s p s 时其功耗仅 为1 5 6 8 2 微瓦，版图面积为3 7 t i m x 4 0 9 i n ，达到了设计目标对低功耗的要求，具 有一定的实用价值。 关键词基于c m o si 艺；逐次逼近；模数转换器；数模转换器；比较器 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a n a l o g - d i 西t a lc o n v e r s i o nc i r c u i t ( a d c ) a st h ei n t e r f a c eo ft h ea n a l o ga n dd i g i t a l c i r c u i t , h a sb e e nw i d e l yu s e di nr a d a r , c o m m u n i c a t i o n s ，e l e c t r o n i cc o u n t e r m e a s u r e s ， i m a g e ，s o n a r , s a t e l l i t e s ，m i s s i l e s ，c o n t r o ls y s t e m s ，m e d i c a l ，i n s t r u m e n t a t i o na n do t h e r f i e l d s s u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o nr e g i s t e ra d c ( s a ra d c ) h a sb e e nw i d e l yu s e da si t s l o w - p o w e r , h i g h - r e s o l u t i o n , h i g ha c c u r a c y , a sw e l la ss m a l ls i z e i nt h i sp a p e r , a10 一b i ta d ch a sb e e nd e s i g n e du s i n gas t a n d a r do fo 18 b i nc m o s t e c h n o l o g y t h es t r u c t u r eo fa d c i n c l u d e st h r e ep a r t s ：e o m p a r a t o r , d a ca n dd i g i t a l 1 0 9 i cc o n t r 0 1 i nw h i e ht h ed a c i sb a s e do nc h a r g er e d i s t r i b u t i o nc o n f i g r a t i o n t h e c i r c u i ts c h e m a t i ct o g e t h e r 谢t hl a y o u tw a sd r a w nb yc a d e n c ee d a t o o l s t h r o u g ht h e s i m u l a t i o no fe a c hp a r to ft h ec i r c u i t ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a tt h es t r u c t u r eo f t h ea d cc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so f10 - b i tp r e c i s i o n ，w h e na1 8 vs u p p l yv o l t a g ei s a p p l i e d ，t h ep o w e rc o n s u m p t i o ni so n l y15 6 8 2 a w a st h es a m p l er a t e sr e a c h e d1 m s p s ， t h ea r e ao ft h el a y o u ti s3 7 z mx 4 0 t m ，t h ea r t i c l ea c h i e v e dt h ed e s i g nt a r g e tf o r l o w - p o w e rr e q u i r e m e n t s ，h a v ec e r t a i np r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d sb a s e do nc m o s ；s u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o nr e g i s t e r ；a d c ( a n a l o g t o - d i g i t a l c o n v e r t e r ) ；d a c ( d i g i t a l - t o - a n a l o gc o n v e r t e r ) ；c o m p a r a t o r 黑龙江大学硕士学位论文 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，也不包含为获得墨蕉延太堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。 学位论文作者签名：辽；各傅签字日期：泐汐年月弓饵 学位论文版权使用授权书 本人完全了解墨蕉江太堂有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权墨蕉堑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、缩印或其他复制手段保存、汇编本学位论文。 学位论文作者签名到冬蹲 导师签名：粥 签字日期：幻d 年5 月知日签字日期：2 0 o 年j 月弓0 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话：乡8 够。s 钰心 邮编： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的与意义 现实世界提供的信号大多数是模拟信号，如压力、温度、语言信号、传感器 输出、雷达回波等等。然而很多情况下这些模拟信号需要能够在计算机中应用， 由于计算机中存储的数据都是二进制的数字信号，因此就需要在两者之间进行数 据转换。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 , a d c ) 就是模拟信号与数字信号之 间转换的桥梁。由于数字信号相对于模拟信号有许多优点，例如精度比较高、工 艺成本相对模拟信号低、信号抗干扰能力强、易于实现等。所以，数字信号处理 技术已经逐渐取代模拟信号处理技术，得到更广泛的应用，同时模拟信号数字化 也是未来发展的一个趋势1 】【2 】。 模数转换电路应用非常广泛，它广泛应用于雷达、通信、电子对抗、图像、 声纳、卫星、导弹、测控系统、医疗、仪器仪表等领域。计算机和通信行业的迅 猛发展，也推动了a d c 在便携式设备上的应用，a d c 正逐步向着高速度、高精 度以及低功耗的方向发展【3 1 。 目前，市场上常用的a d c 主要有闪速型( f l a s h a d c ) 、流水式运算型( p i p e l i n e d a d c ) 、过采样型( - a a d o 、逐次逼近型( s a ra d c ) 等。其中闪速型a d c 又称 全并行式a d c ，它是实现模数转换最直接的方法，这种结构的a d c 优点主要有结 构简单、速度快、延迟小、大信号带宽等，但由于一个n 位精度的a d c 需要2 n 个比 较器，因此其缺点也相当明显，例如功耗过大，通常其功耗会达到瓦量级，同时 信号的负载电容也过大，所以它的精度一般都在8 位以下，这些缺点导致闪速型 a d c 很难在便携式设备以及嵌入式设备上应用1 4 1 。流水式运算型a d c 的特点是速 度快、精度高，主要应用在精度和速度要求较高的场合，但它的结构较复杂【5 】【6 】。 过采样型a d c 是通过采样频率高于信号的奈奎斯特频率实现的，相对于其它类型 的a d c 过采样型a d c 的精度最高，同时信噪比也比较高，同时还具有低成本的优 点，常用在音频设备中，但转换速率相对较慢。逐次逼近型a d c 是利用二进制搜 索算法实现的，其主要优点是精度高、功耗低、原理简单便于实现，对于许多对 黑龙江大学硕十学位论文 功耗限制比较高的场合，例如，无线传感网络、生物测定学、工业控制以及许多 便携设备中急需这种低功耗的a d c ，它可以使器件在连续工作过程中延长电池的 寿命，在对速度要求不是很高的情况下逐次逼近式a d c 是首选【7 - 9 。由于逐次逼近 型a d c 的以上优点，所以本课题研究的主要内容就是逐次逼近型a d c 。模数转换 器在很多领域都有应用广泛，因此研究模数转换器具有非常重要的意义。 1 2a d c 的发展现状与发展趋势 自从1 9 7 4 年r j c h a r d oe s u a r e z 基于m o s 工艺实现了第一个电荷再分布型a d c 至今，a d c 的发展已经经历了三十多年【1 0 1 。每一次半导体工艺技术的进步都推动 着模数转换器的发展，使模数转换器的性能不断提高，器件尺寸不断减小，同时 制造模数转换器的技术也越来越成熟。 目前，商用市场上的大部分a d c 都来自国外的一些大公司，这些公司包括美 国模拟器件( a d r ) 、凌力尔特( l i n e a rt e c h n o l o g y ) 、德州仪器( t o 、美信( m a x i m ) 等， 这些公司生产的a d c 在性能方面已经达到了很高的水平。 例如，最近a d i 公司推出了分辨率为1 0 - - - 1 6 位、采样速率为2 0 m s p s 1 2 5 m s p s 的高功效a d c 产品。其中，a d 9 2 6 8 是1 6 位、8 0 1 0 5 1 2 5 m s p s 、双通道a d c ， 1 2 5 m s p s 产品的每通道功耗仅为3 7 6 m w t l l j 。 凌力尔特公司( l i n e a rt e c h n o l o g y ) 推出的超低功率1 4 位模数转换器l t c 2 2 6 2 。 该a d c 在采样率为15 0 m s p s 时功耗仅为1 4 9 m w ，这有利于便携式设备扩展性能， 同时能对3 g 、新兴的4 g 技术以及w i m a x 基站设备提供较高的工作效率同时也可 以降低成本【1 2 】。 德州仪器( t i ) 推出1 6 位模数转换器a d s l l l s 系列，它的设计目标是高精度、低 功耗、操作简单，它能够执行可编程数据速率高达8 6 0 个采样数据每秒( s p s ) 的转换 而耗电电流仅为1 5 0 2 a ( 典型标准值) 、工作电压低至2 v 1 3 】。 m a x i m 推出引脚兼容的双通道1 0 位1 3 0m s p sa d c 系列产品m a x l 9 5 1 7 。这 种器件每个模拟通道的功耗仅为7 5 m w 。m a x l 9 5 1 7 集低功耗和优异的动态性能于 一体，是超声和医学成像、便携式仪表以及低功耗数据采集系统等功耗敏感的便 第1 章绪论 携式应用的理想选择。该系列a d c 专为空间受限的应用而设计，a d c 具有的多个 功能单元可极大减少外部器件数量。器件提供自感应模拟电源稳压器，允许用户 采用1 8v 、2 5v 或3 3v 模拟电源【1 4 1 。 从工艺上看，目前o 1 3 m - - o 3 5 1 1 1 工艺已经成为模拟c m o s 的主流工艺， 国际上，主要的模拟公司都具有先进的c m o s 工艺，并不断推出采用c m o s 工艺 的a d c ，美国国家半导体在缅因州分厂采用o 3 5 m 、0 2 5 m 和o 1 8 m 的c m o s 工艺制作的8 位a d c 0 8 1 0 0 0 ，其速率达到1 g s p s ，s f d r 为5 8 5 d b 。a d i 公司的 1 6 位a d ca d 9 7 7 9 采用o 1 8 m 制作，速率达到1 g s p s ，s f d r 为7 8 d b ，功耗为 6 0 0 m w ，另外l i n e r - t e c h n o l o g y 的l t c l 7 5 0 ，m a x i m 的m a x l 4 2 7 和a d i 的 a d 9 2 3 0 ，都是采用c m o s 工艺制作的数据转换器【l5 1 。 我国对于模数转换器的研究是从7 0 年代开始的，也有一些专门从事a d c 研 究的高校和研究所，例如电子科技大学、浙江大学、中国科学院半导体研究所、 重庆2 4 所等【阍。2 0 0 2 年，重庆2 4 所采用双极工艺和c m o s 工艺制成了采样速率 分别为1 2 0 m s s 和1 0 0 m s s 的8 位a d c 。2 0 0 3 年，浙江大学采用0 6 1 u n 的c m o s 工艺制成了分辨率为l o 位，采样速率为2 m s s 的a d c ，它的d n l 和i n l 分别为 0 7 l s b 和1 5 l s b ，芯片面积大约为4 舢n 2 。2 0 0 4 年，中国科学院半导体研究所采 用0 6 v m 的c m o s 工艺，制成了精度为1 0 位、采样速率为5 0 m s s 的折叠流水结 构的a d c ，功耗约为1 2 0 m w 。2 0 0 5 年，上海微科集成电路有限公司与复旦大学 专用集成电路与系统国家重点实验室合作采用0 2 5 1 a m 的c m o s 工艺研制了，1 0 位精度的，工作电压3 v 的4 0 m s s 的流水式运算a d c ，其中d n l 小于o 8 5 l s b 、 i n l 小于2 2 l s b ，芯片面积约为1 2 4 m m 2 ，功耗为5 9 m w l l 7 1 。国内研制的a d c 主 要应用在中低端产品上，性能与国外a d c 相比存在明显的差距。目前我国应用高 性能a d c 主要依靠进口，为了缩短与国外先进水平之间的差距，我们急需加强在 这个领域的研究。因此研究模数转换器具有非常重要的意义。 随着a d c 的应用日益广泛，人们对a d c 的性能要求也越来越多，未来的a d c 主要向着以下几个方向发展： ( 1 ) 高速度、高精度。在雷达系统、医疗领域、光波侦测及定位、无线收发器 黑龙江大学硕士学何论文 等领域要求测量精度较高，所以高精度高速度的a d c 是未来的发展趋势之一。 ( 2 ) 嵌入式a d c 。目前系统级芯片( s o c ) 已经成为发展的主流，与单片分立式 a d c 相比较，嵌入式a d c 可以降低成本、简化设计流程、降低版图面积，所以嵌 入式a d c 也是未来的一个发展趋势。 ( 3 ) 高采样率和多路采样。在很多领域，比如3 g 3 5 g 方面，需要高采样率的 a d c ，而且需要多路采样，以便系统能够对更宽的带宽进行采样，从而缓解无线 数字业务不断增加的吞吐量和可靠性要求的压力。 ( 4 ) 低功耗、小尺寸、低成本。目前很多a d c 应用在便携设备中，这种a d c 对 功耗和尺寸的要求更加严格，无论哪种a d c 都向着低成本方向发展，特别对于民 用低成本的a d c 显得更加重要。 ( 5 ) 各种数字技术在a d c 中的应用。例如数字校准、抖动处理等技术将在a d c 中有着广泛的应用，这样可以提高a d c 的性能。 综上所述a d c 的发展趋势像普通模拟集成电路的发展趋势一样走向高速、高 精度、高集成度、低功耗等方向【1 8 - 2 0 1 。 1 3 本课题研究内容 本论文共分6 章，具体章节如下： 第1 章主要介绍的课题研究的目的与意义以及模数转换器的国内外发展现状 与发展趋势。 第2 章主要介绍了a d c 的工作原理以及a d c 的四种分类，其中包括闪速型 a d c 、逐次逼近型a d c 、流水式运算型a d c 和过采样型a d c ，同时也介绍了a d c 的主要性能参数。 第3 章主要介绍了逐次逼近型a d c 的基本结构，并且分别对它的三个主要组 成部分采样保持电路、比较器、d a c 的结构和工作原理进行了详细的介绍。 第4 章主要介绍了本设计实际采用的电路结构以及仿真结果。 第5 章主要介绍了版图的设计规则，并给出了实际绘制的版图。 第6 章结论。 第2 章a d c 的工作原理及分类 第2 章a d c 的工作原理及分类 2 1a d c 的基本工作原理 模数转换器的功能是将输入的模拟信号转换为对应的二进制数字码。因为输 入的模拟信号在时间上是连续的而输出的数字信号在时间上是离散的，转换需要 一定的时间，所以转换的过程需要在特定时间对输入的模拟信号进行采样，然后 再把采样的瞬态值变成幅值上离散的数字码。 因此，模数转换器工作通常有三个步骤：采样保持、量化、编码。采样保持 主要的功能是对模拟信号某一时刻的样值进行采样，并在一定时间内保持这个模 拟样值不变。量化是将获取的样值转化为用“0 ”和“1 ”表示的二进制数字码。编码是 将量化后的数字码按照一定的规则排列成数据流，以便存储与处理。 2 2a d c 的主要分类 模数转换器的种类很多，按照a d c 的结构不同，通常可以分为闪速型a d c 、 逐次逼近式a d c 、流水式运算a d c 和过采样型a d c ，不同种类的a d c 应用在 不同场合，每种a d c 都有自己的优缺点，因此在应用中要根据实际情况选择合适 的模数转换器，下面将分别介绍这几种模数转换器的基本结构以及特点。 2 2 1 闪速型a d c 闪速型a d c 又称为全并行式a d c ，这种a d c 的最高采样率可达到几十兆、 几百兆甚至g h z 数量级。闪速型a d c 的原理非常简单直观。它由分压电阻串、 参考电压、以及一系列高速带锁存的电压比较器组成。图2 1 给出了一个3 位闪速 型a d c 的基本结构图。由于闪速型a d c 是并行工作的，所以一个时钟周期能转 换一个模拟量，因此速度很快，但一个n 位的闪速型a d c 需要2 n 。1 个比较器，因 此芯片面积较大，而且功耗也较大，因此闪速型a d c 经常应用在对速度要求很高 但对精度和功耗要求较低的场合。 黑龙江大学硕士学位论文 图2 13 位闪速式a d c 的基本结构 f i g 2 - 1b a s i cs t r u c t u r eo f3 - b i t f l a s ha d c 2 2 2 逐次逼近式a d c 逐次逼近式a d c 主要由比较器、数模转换器、数字逻辑控制单元组成【2 1 1 1 2 2 1 ， 逐次逼近式a d c 是按照二进制搜索算法进行工作的，这类似于天平称物的过程， 将输入的模拟信号与已知的参考电压的不同值进行多次比较，最终使转换后的数 字量与逐次逼近后的模拟量在数值上相等皿3 】。图2 - 2 为逐次逼近型a d c 的基本结 构。其工作过程如下：首先数字逻辑单元中的逐次逼近寄存器的最高位置“l ”，其 它位置“0 ”，逐次逼近寄存器的这个状态经过d a c 后得到的模拟电压值约为满量程 输出时的一半；这个电压值与输入信号通过比较器进行比较；如果比较器输出高 电平则逐次逼近寄存器的最高位保持“1 ”不变，次高位预置“1 ”，相反如果比较器输 出低电平，则逐次逼近寄存器的最高位置“0 ”，次高位预置“1 ”，这样在数字逻辑控 制下，逐次逼近寄存器按位逐次地对电压进行修正，直到所有位都比较结束，最 后逐次逼近寄存器中的数值就是要输出的数字码 2 4 1 ，通常，n 位逐次逼近型a d c 需要n 个时钟周期，但由于每次转换之前有个准备时间，所以全部转换完成n 位需 要的周期数往往大于n 2 5 1 ，逐次逼近型a d c 的另一个特点是它的功耗与采样频率 有关，一般采样频率越快功耗也越大，这与闪速型a d c 和流水式运算a d c 的功耗 与采样频率无关不同，由于s a ra d c 的采样频率一般比较低，所以它的功耗也比 第2 章a d c 的工作原理及分类 较低网。 逐次逼近型a d c 的主要优点是功耗低、精度高、结构简单、占用芯片面积小。 因此它易于与其它更大的功能集成在一起应用。逐次逼近型a d c 的不足之处在于 它的低采样速率，同时它对各个子模块的匹配性要求也较高，它要求各个子模块 如比较器、d a c 都要达到整体系统精度的要求【2 刀。 日回 图2 - 2 逐次逼近型a d c 的基本结构 f i g 2 - 2b a s i cs 仃u c t u r eo f s u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o na d c 2 2 3 流水式运算a d c 流水式运算a d c 的基本结构如图2 3 所示，这种结构的基本思路就是把电路分 成若干级，然后将电路总体上想要达到的精度平均分配给每一级，再把每一级的 转换结果经过校正合并到一起从而达到转换的精度要求2 8 。3 0 】。它由m 级流水线来构 成，每级流水线结构由一个并行a d c 、一个采样保持电路、一个子d a c 、一个减 法电路和一个差值放大电路构成【3 1 1 。在实际设计中采样保持电路、d a c 、减法器 和差值放大器这几个部分一般都采用一个电路模块实现，这个电路模块被称为 m d a c 。电路工作时，前一级采样保持电路对输入信号进行采样，采集的样本信 号分成两个支路，一个支路送入一个分辨率至少为k 位的子模数转换器，转换成k 位二进制数字信号，这个数字信号在经子d a c 重新变成模拟量v x ，采样信号的另 一个支路送入减法器与相应的k 位子d a c 的输出信号v x 相减，其结果经过放大器放 大2 k 倍后送入下一级采样保持电路，这样一级比较完毕，继续进行下一级循环。 转换完成后还要经过数字误差校正电路，它对每部分子a d c 的输出的数字信号统 一进行校正，校正后输出的n 位数字代码即是模数转换器的最终结果。流水式运算 a d c 的优点是，每级流水线都有单独的采样保持电路，所以能够同时对数据进行 转换，从而提高了转换器的速度。流水式运算a d c 的优点还在于能很好的平衡速 黑龙江大学硕士学位论文 度、精度、功耗等方面的要求【3 2 】【3 3 】。 一匡卫叫孙悃 图2 - 3 流水式运算a d c 的基本结构 f i g 2 3b a s i c s t r u c t u r eo f p i p e l i n e da d c 2 2 4 过采样型a d c 过采样型a d c 又称为_ a d c ，主要通过过采样技术实现的，即采样频率高 于信号的奈奎斯特频率。z - 幽, d c 的基本结构如图2 4 所示。图中给出了一个一 阶z - 幽d c 调制器。它由积分器、a d c 、d a c 和减法器构成 3 4 1 1 3 5 1 。转换过程如下： 首先，输入信号v j l l 经过积分器后再经过a d c 转换为数字信号，a d c 输出的数字 信号再经过d a c 转换为模拟信号，用输入信号v i n 减去d a c 前一时刻输出的模拟 信号得到两个信号的差值，根据这个差值的正负来判断积分器的输出，如果积分 器的输出信号为正，则a d c 输出为高电平“1 ”，这时d a c 输出一个正的参考电压。 同样，当积分器的输出信号为负时，a d c 输出为低电平“0 ”，这时d a c 输出一个 负的参考电压，输入信号v i n 减去此负的参考电压，这时积分器的输出向正的方向 移动。可见输入信号越大，对应输出高电平“1 ”的数目就越多，相反，输入信号越 小，输出低电平0 的数目就会越多，因此输入模拟信号的大小就可以用输出“1 ” 的个数来表示7 t 3 6 j 。 y - z x a d c 的特点是结构简单、匹配性好、精度高、最高已达到2 4 位。过采样 e - z 执d c 主要应用在音频、图像处理、a d s l 通讯等领域。 第2 章a d c 的工作原理及分类 j 图2 - 4e - a a d c 的基本结构 f i g 2 - 4b a s i cs t r u c t u r eo f 跚d c 2 3a d c 的性能参数 不同的工作环境对a d c 特性的要求也不同，模数转换器的性能参数主要分为 静态特性和动态特性两部分，静态特性是指实际特性与理想特性之间的偏差是与 时间无关的量，例如分辨率、积分非线性、微分非线性、失调误差、增益误差等， 动态特性主要有信噪比、信噪失真比、有效位数等。 2 3 1 静态特性 ( 1 ) 分辨率 a d c 的分辨率一般可以用模拟分辨率和数字分辨率表示，模拟分辨率是指当 a d c 的输入有微小增量时，它能分辨的这个最小增量就是a d c 的模拟分辨率。 通常它用1 l s b 的模拟量来表示，对于n 位的二进制码字，1 l s b 的值见公式( 2 - 1 ) ， 其中v r e f 是a d c 的参考电压。数字分辨率是指输出二进制代码的位数，能分辨 的位数越多，精度越高。 1 l s b = 2 ( 2 1 ) ( 2 ) 积分非线性 积分非线性( i n l ) 是指实际的有限精度与理想有限精度特性在垂直方向的最大 差值，图2 5 给出了3 位a d c 的i n l 特性，对于理想的a d c 而言，所有的判决 电平都在一条直线上。然而在实际a d c 中，这些判决电平或多或少的会存在一定 的偏差，往往并不完全在一条直线上。通常把实际芯片中测量出的判决电平拟合 成一条最佳直线，从而来计算i n l 3 7 1 。积分非线性用百分比或l s b 表示。 ( 3 ) 微分非线性 黑龙江大学硕+ 学位论文 a d c 的微分非线性( d n l ) 是指每个垂直台阶上测量的相邻编码之间的距离， 通常用百分比或l s b 表示。图2 5 给出了3 位a d c 的d n l 特性，微分非线性 - 一癣群需 稍警毒 ： i 毒 0 ， v 抽 v r e f 图2 53 位a d c 的肌和d h l 特性 f i g 2 5i n la n dd n l c h a r a c t e r i s t i co f3 一b i ta d c 也可以由公式( 2 2 ) 表示。 d n l = ( 一1 ) l s b ( 2 2 ) 其中，d c x 是实际垂直台阶的尺寸，它是以l s b 为单位的。 ( 4 ) 失调误差 失调误差又称为零位误差，是指在输人电压为零时，输出的数字量并不为零， 输出与理想状态时转移函数的零点总存在一个固定的差值，这个差值就是失调误 差。失调误差主要是电路中m o s 管的失配产生的失调电压或失调电流引起的。图 2 6 给出了一个3 位a d c 的失调误差。 lii il ili ；l；li ：妇榴如柱“砬一 i i r t _ i i专7 r 芝珀 i 一一j j 一u 一 ：一一j j i 一一一l - 一銮 调误茔f 1 。8 l s b - 盯一门| ；1 | 监 v r e a r u：2叭叭协叭 m 埘 啪 叭啪 咄 数字输出编玛 第2 苹a d c 的工作原理及分类 ( 5 ) 增益误差 增益误差是a d c 的实际特性曲线和理想精度特性曲线之间的偏差，它与a d c 输入电压的幅度大小成比例。通常以l s b 为单位，也可以用满量程的百分比来表 示【3 8 1 ，图2 7 给出了一个3 位a d c 的增益误差。 增益误差= 1 5 l s b i 疽：j = ：匿：翻 且 v r e f f i g 2 - 7g a i ne - 1 3 o ro f3 - b i ta d c 2 3 2 动态特性 ( 1 ) 信噪比 信噪比( s n r ) 通常定义为全量程输入信号与总噪声在输出端的功率之比，它是 在不考虑信号失真情况下的信号噪声之比，信噪比表征了a d c 所能辨别的最小输 入信号的能力。它的单位一般用分贝( d b ) 表示，a d c 满幅输入时信噪比的理论值 可以由公式( 2 3 ) 表示，其中n 为a d c 的精度。 s n r = 6 0 2 n d b + 1 7 6 d b ( 2 3 ) ( 2 ) 信噪失真比 信噪失真比( s n d r ) 通常定义为基带信号功率与谐波、混叠谐波以及噪声信号 功率之比，s n d r 比s n r 更接近a d c 输出的实际信号性能情况，更能全面反映 各种参数对电路性能的影响。信噪比与功率的关系见公式( 2 4 ) 0 9 。 一圳地 忐 p 4 ， ( 3 ) 有效位数 m 叭 叭 啪 川m 埘 m 垂孚 m 咖 数字输出编码 黑龙江大学硕士学位论文 有效位数( e n o b ) 是根据a d c 理想的信噪比公式推算出来的，它可以用含有 s n r d 的公式来表示，它是评估a d c 的另一个指标，可以由公式( 2 5 ) 表示。 e n o b ：= s n d r - 1 7 6 d b 6 0 2 d b ( 2 5 ) 2 4 本章小结 本章主要介绍了a d c 的基本工作原理，同时也介绍了几种常用a d c 如闪速 型a d c 、逐次逼近型a d c 、流水式运算a d c 以及过采样型a d c 的基本结构以 及工作原理，给出了衡量a d c 性能指标的各项参数，其中包括静态特性和动态特 性。 第3 章逐次逼近a d c 的结构及工作原理 第3 章逐次逼近a d c 的结构及工作原理 逐次逼近型a d c 主要由三部分构成，分别为采样保持电路、比较器以及 d a c 4 0 】【4 1 l ，本章将对这几个部分进行详细的介绍。 3 1 采样保持电路 采样保持电路( s h ) 是a d c 的关键部分之一，它的性能直接影响到a d c 的性 能，采样保持电路的作用是对模拟信号进行采样，并在时钟周期内对采样结果进 行保持，以供后续电路对保持的信号进行处理。 3 1 1 采样保持电路工作原理 由于模数转换电路中需要转化的模拟量是随着时间不断连续变化的，同时由 于a d c 完成一次模数转换需要一定的时间，采样保持电路的功能就是在时钟信号 的控制下，在某一时刻对输入的模拟量进行采样，并将这个采样值保持一段时间， 直到完成一个周期的模数转换后再进行下一次采样。因此采样保持电路是a d c 不 可缺少的一部分。图3 1 是理想采样保持电路的输入输出波形，当时钟信号c l o c k 为高电平时对输入v 烈进行采样，时钟信号为低电平时为保持阶段。 v o w 图3 - 1 理想采样保持电路的输入输出波形 f i g 3 1i d e a ls a m p l ea n dh o l dc i r c u i ti n p u ta n do u t p u tw a v e f o r m s 3 1 2 采样保持电路基本结构 最简单的采样保持电路可以用一个m o s 管和一个电容组成，如图( 3 2 a ) 所示。 m o s 管相当于一个开关，当开关闭合的时候为采样模式，模拟信号被电容采样， 黑龙江大学硕十学位论文 i i i 开关断开为保持模式，此时输出端电压有效。由于理想开关管导通电阻为零，闭 合时电阻为无穷大，所以只要开关一打开电容上的电压就随着输入信号波形变化。 实际上这种结构的电路，如果用n m o s 管，当输入电压接近v d d v t h 时n m o s 管 的导通电阻将迅速增大，从而使采样电路的时间常数r o n c 增大，从而降低电路的 响应速度，因此为了保证采样保持电路的响应速度，必须使m o s 管的导通电阻较 小，然而p m o s 管在输入电压很大的正电压时，导通电阻较小，当n m o s 管和 p m o s 管尺寸相同时，当传输门关闭时，每个晶体管所造成的电荷注入效应将相 互抵消。因此我们常常采用c m o s 互补开关，这既可以保证较小的导通电阻，又 可以获得较大的输入摆率。图3 2 b 是c m o s 互补开关采样电路【4 2 】。 这种结构的缺点是，当考虑到时钟波形的有限坡度时，由于晶体管的关闭时 间是与信号相关的，这就造成了n m o s 管和p m o s 管在不同的时间关闭。 篡 渤九 t 弋1 。 c t o c k a ) 基本结构b ) 互补型结构 图3 - 2 采样保持电路 f i g 3 - 2s a m p l ea n dh o l dc i r c u i t 采样保持电路一般可分为两类，无反馈的采样保持电路( 开环结构) 和带反馈 ( 闭环结构) 的采样保持电路，一般使用反馈的电路可以提高采样保持电路的精度， 但是以牺牲速度为代价的，图3 3 是一个闭环结构的采样保持电路【4 3 】脚】，这种结 构保持电容c h o l d 没有接地，而是放在了运算放大器的反馈环路中，其中输入放大 器的优点是允许保持电容快速充放电。尽管这种结构当q 1 关闭时造成的电荷注入 效应将会引起一次些直流偏移，但并不会导致失真，其次，q 2 使第一个运算放大 器的输出端接地，这大大加快了s h 回到跟踪方式所需要的时间，使得信号的馈 第3 章逐次逼近a d c 的结构及工作原理 入最小化。 3 2 比较器 渤 图3 3 闭环结构的采样保持电路 f i g 3 - 3c l o s e d - l o o ps t r u c t m o fs a m p l ea n dh o l dc i r c u i t 3 2 1 比较器的原理 比较器按输入信号的种类不同可以分为电压比较器和电流比较器，其中电压 比较器的应用更为广泛，比较器是的作用是将两个模拟量进行比较，输出一个二 进制数字量“1 ”或“0 ”，比较器的电路符号如图3 - 4 所示，v i n + 为比较器的同向输入 端，f i n 一为比较器的反向输入端，对于理想的比较器，当v i n + 输入的电压值大于 v i n 一输入的电压值时比较器的输出场为高电平“1 ”，当v i n + 输入的电压值小于v i n 一 输入的电压值时比较器的输出场为低电平“0 ”，比较器的理想传输特性如图3 5 所 示。 rd 矿l g i n + 一渤 匠 图3 - 4 比较器电路符号图3 5 理想传输特性 f i g 3 - 4c o m p a m t o rc i r c u i ts y m b o lf i g 3 5i d e a lt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s 3 2 2 比较器的性能指标 衡量比较器性能好坏的最重要的参数主要包括，增益、精度、失调电压以及 黑龙江大学硕士学位论文 传输时延等。 ( 1 ) 比较器的增益( 彳1 ，) 在理想情况下比较器的增益可以由公式( 3 1 ) 表示，输入值改变了a v 从而使输 出值发生变化，如果a v 趋近于零，则意味着比较器的增益为无限大。 舡h m 笋( 3 - 1 ) a v - - + 0 a v 而实际的比较器，在高低电平过渡期间其增益往往并不是理想的，此时比较 器的增益可以由公式( 3 2 ) 表示。其中和是输出分别达到上限和下限所需的 输入f i n + 和v i n 一的电压差。 彳v ：坠二垡 一 ( 3 2 ) ( 2 ) 比较器的精度 比较器的精度是是衡量比较器性能的一个重要的指标，它指能使比较器的输 出值发生翻转所需要的输入最小电压差，这个电压差越小，比较器的精度就越高。 比较器的精度受开环增益和失调电压的影响【4 5 1 。 比较器的精度可由公式( 3 3 ) 表示，可见比较器的增益直接影响其精度，增益 越大精度也越大。 y ：k 二垡 4 ( 3 3 ) ( 3 ) 失调电压( v o s ) 理想比较器当输入的电压差过零时，输出就发生变化，对于非理想情况下， 直到输入之差达到某个电压值v o s 时输出才开始变化，这个差值被称为失调电压。 ( 4 ) 传输时延 传输时延又叫响应时间，是指当比较器的输入激励差值使比较器发生反转时 刻起到比较器的输出达到稳定值时的时间。传输时延也是a d c 的一个重要参数， 它直接影响到a d c 的转换率。图3 - 6 显示了比较器的传输时延，通常比较器的传 输时延与比较器的输入信号幅度有关，输入激励越大比较器的时延越短。 第3 章逐次逼近a d c 的结构及工作原理 么场= i 等 p 2 一 zt 。叶 盼：堡竺 一 2 。 j 图3 - 6 比较器的传输时延 f i g 3 - 6t r a n s m i s s i o nd e l a yo fc o m p a r a t o r 3 2 3 比较器的常见结构 通常比较器可以分为开环比较器和再生比较器两种类型，开环比较器是借助 于运算放大器来实现的，这种结构的比较器不需要进行补偿，再生比较器是借助 于传感器或者触发器的正反馈来实现的。两种比较器的主要区别在于是否引入反 馈1 4 6 1 。 ( 1 ) 开环比较器 要想使比较器达到要求的精度，必须选择差分输入并且要达到足够大的增益， 所以两级差分运算放大器可以应用于比较器中，开环模式的比较器使得不需要对 比较器进行补偿便可以达到很大的带宽和很快的响应，图3 7 是一个常用的两级差 分比较器的基本结构。该电路的输出级是一个电流漏反相器。除了差分比较器外， 常用的比较器还有推挽式、折叠共源共栅比较器、可驱动大容量负载比较器等， 开环比较器的性能可以通过自动校零技术和双稳态电路的迟滞来提高。 黑龙江大学硕士学位论文 。 v d d 踟一叫 v b i a s v s s 图3 7 两级差分比较器的基本结构 f i g 3 - 7b a s i cs t r u c t u r eo f 2 一s t a g ed i f f e r e n t i a lc o m p a r a t o r ( 2 ) 再生比较器 再生比较器又称为锁存器或双稳态电路，它是利用正反馈来实现比较的。图 3 8 是一个简单的锁存器结构，它是由两个交叉耦合的m o s 管组成的，其中图3 8 a 用的是两个n m o s 管，图3 8 b 则是由两个p m o s 管组成的，晶体管的直流电流 由图中的电流源来确定，通常情况下，这种锁存器有两种工作状态，第一种状态 直接将输入信号加到v o l 和v 0 2 两个输入端，这种状态不使用正反馈，第二种状态 需要使用锁存器，根据第一种状态所加的初始电压值，将这两个输出电压其中一 个变为高电平另一个变为低电平，这个工作状态可以用两个相位的时钟进行控制。 2 晒 = =訾 a ) n m o s 管锁存器结构b ) p m o s 管锁存器结构 图3 8 锁存器结构 f i g 3 8l a t c hs t r u c t u r e 图3 - 9 给出了是一个常用的锁存比较器的基本结构1 4 8 1 1 4 9 1 ，其中m l 和m 6 是由 第3 章逐次逼近a d c 的结构及工作原理 p m o s 晶体管构成的锁存器。电路工作时，可以通过调节m l 和m 6 管的漏源电压 为零从而使晶体管m o 和m 7 实现复位锁存器的功能，锁存器的输入端加在m 4 和 m l l 管的栅极。晶体管m 4 、m s 、m l o 和m “都工作在线性区。当有输入电压时晶 体管m 3 和m 9 的源极到地的电阻将发生改变。当锁存器使能端为高电平时，晶体 管m 3 和m 9 的漏极将连接到锁存器的输出端。m 3 和m 9 构成锁存器的并行正反馈 通路。例如，m 1 栅极的信号可以通过m l 或者通过m 3 ，此时m 2 是一个关闭的开 关。电阻r l 或r 2 的大小决定着m 3 和m 9 反馈路径的增益。如果电阻很小，那么 增益就会很大，锁存器的另一端将变为高电平f 丌。 图3 - 9 常用锁存比较器 f i g 3 - 9c o m m o nl a t c hc o m p a r a t o r 当1 变成高电平时，锁存器将进入再生模式。m 2 和m 8 的漏极电流的作用是 使锁存器达到最终状态，这个最终状态是由电阻r l 和r e 失配决定的。这些电阻计 算公式可由式( 3 4 ) 和式( 3 5 ) 表示。 j 1 = k u w i a + r 吲+ 了w 2 a ( 吲 ( 3 - 4 ) 击2 孚c 一_ ，+ 孚c 晦一巧) 。3 啕 使r l 和r e 相等的输入电压值见式( 3 6 ) 。 黑龙江大学硕十学位论文 忙 ( 3 - 6 ) 再生比较器的一个缺点是瞬态响应一般用正指数函数来描述，所以当输入信 号很小时，所需信号需要花很长时间才能达到大斜率的指数响应区域。所以实际 应用中通常需要级联前置放大器和锁存器。前置放大器的作用是快速建立锁存器 的输入，以达到提高比较器速度的目的。 3 3 数模转换