（微电子学与固体电子学专业论文）数字、数模混合芯片的设计与验证.pdf

中山大学硕。 学位论义 摘要 与数字系统工艺兼容、功耗面积筹指标优化的高 生能模数转换a ( a d ) 是片上系统 ( s o c ) 中非常重要的单元。基于标准c m o s 工艺的高速、高分辨率、低功耗的a d 转 换器的研究正日益受到熏视。流水线结构a d 转换器的优越性是在保诞高速工作的同 瞬，可实现8 位以上高分瓣率，并虽大大减少了 较器个数，从瓤减少了面积，降低 了功耗。针对上述需求，该论文完成了1 5 比特每级流水线结构a d 转换器的单元电 路设计。 本文主要深入进行了以下几方丽工作：设计了适合本课题性能要求的折鼹级联 ( f o l d e dc a s c a d e ) 跨导运算放大器( o t a ) ；采槎保持电路设计采用了电赛底极叛采样技术， 有效地避免了电荷注入效应引起的采样信号失真，而且消除了时钟馈通效应的不良影 晚：设计了种动态臣较器窳提高速度和降低功耗。 本文中的电路均是基于5 v 单电源供电的c m o s 工艺，并利用s p e c t r e 模拟软件， 采用c s m c0 6 口mc m o s 双多晶双金属工艺模型进行了模拟仿真。绪采表明，运放 的开环增益为7 4 d b ，相位裕度为5 0 度，单位增益带宽为5 0 m h z 。采用该结构可实现 9 级l o 位分辨率，采样频率为2 m 的流水线型模数转换器。 此外，本文还设计了一教家电类拄制芯片一多士炉( 面包烤箱) 控制器专用芯片。 芯片内部包括震荡电路、逻辑控制和分频电路三个模块，芯片功能主黉实现多士炉的 烘烤定时控制。芯片采用0 5 掣mc m o s 工艺进行设计，是一款数模混合芯片。论文给 出了芯片的全部设计方案与仿真结果，并对最终流片后的芯片进行测试，结果袭明设 计芯片可以实现所蠢功能并稳定工作，是一个确实可行的a s i c 设计方案。 关键词：模数转换器，流水线，数模混合j 卷片，专用芯片，多士炉 中山大学硕1 学位论文 a b s t r a c t t e c h n o l o g yc o m p l i a b l e p e r f o r m a u c eo p t i m i z e da dc o n v e r t e r ( a d c ) i sa ni m p o r t a n t b u i l d i n gb l o c ka st h eb r i d g eo ft h ea n a l o gw o r l dt ot h ed i g i t a ls e c t i o ni ns o c i ti si m p o r t a n t a n dn e c e s s a r yt or e s e a r c ha d cw i m h i 妫s p e e d 、h i 球r e s o l u t i o n 、l o wp o w e rd i s s i p a t i o nb y a d o p t i n gs t a n d a r dc m o sp r o c e s s 强ep i p e l i n e da d cc a na c h i e v eh i 曲s p e e da n dh i 曲 r e s o l u t i o n f u r t h e r m o r e t h en u m b e ro fc o m p a r a t o r sw i l lb ed e c r e a s e d s ot h ea r e ai s d e c r e a s e d i nt h i sd e s i g n 。w ei n t r o d u c et h eu n i tc i r c u i t so f p i p e l i n e da d cw h i c hi sa1 5 - b i t p e rs t a g ew i t h9s t a g ea n dd i g i t a lc o r r e c t i o nt e c h n i q u e h i 曲s p e e da n dh i 曲g a i na r e a c h i e v e db yas i n g l es t a g ef o l d e dc a s c a d eo t a c o n s u m i n gv e r yl o wp o w e r t h es a m p l ea n dh o l dc i r c u i ti se m p l o y e db yt h eb o t t o mp l a t e s a m p l i n gt e c h n i q u e ，w h i c hc o u l dn o to n l yc a n c e lt h ec h a r g ei n j e c t i o ne r r o rb u ta l s oe l i m i n a t e t h ee f f e c to fc l o c kf c e d t h r o u 出a n dat y p eo fd y n a m i cv o l t a g ec o m p a r a t o ri su s e dt o i m p r o v es p e e da n dd e c r e a s ep o w e r t h ek e ye e l l so fa d ch a v eb e e ns i m u l a t e di n0 6 9 mc m o sd o u b l ep o l yd o u b l em e t a l p r o c e s sm o d e lb yc a d e n c e s p e c t r e b yt h e o r ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n ，t h ed cg a i no ft h e a m p l i f i e ri s7 4 d b 。t h eg a i n - b a n d w i d t hi s5 0 m h z ，a n dt h i sa r c h i t e c t u r ec a nr e a l i z e9 s t a g e ，1 0 b i t ，2 m s a m l e sp i p e l i n e da dc o n v e r t e l o nt h eo t h e rh a n d t h i sp a p - e ra l s od e s c r i b e da na s i cd e s i g no ft o a s t e rc o n t r o l l e r , t h i s c m o sl s ic h i pi su s e df o rb a k i n gb r e a d b e s i d e sn a t u r a lc a l e f a c t i o n i ta l s oo f f e r st h e f u n c t i o n sl i k er e h e a t i n ga n dd e f r o s t i n g a n di ti sc o m p o s e db yc o n t r o l l e rp a r t ，s y s t e m o s c i l l a t o rp a r ta n df r e q u e n c yd i v i d e rp a r t t h ec i r c u i td e s i g n 、s i m u l a t i o na n dt h el a y o u t d e s i g nu s i n gt h em o d e lo f0 5 9 mc m o sp r o c e s sa r ep r e s e n t e di nt h i sd e s i g n t h ea s i ci s t a p e do u ta n dt h ec h i pt e s tr e s u l ts h o w st h ef u n c t i o no f t h i sp r o d u c ti sc o r r e c ta n ds t e a d v k e yw o r d s ：a d c ，p i p e l i n e ，m i x e di c ，a s i c ，t o a s t e r 1 i 中出大学硕士学位论文 第一蠢绪论 售怠产业是2 l 擞纪毽器经济黪囊导产韭帮变程产韭。微彀乎产监是售崽产堑 盼基础，它影响面广，后续产业链长，具有极为菔要的战略绝位。更有学者把半 导体工业总产值与国民生产总值之比达o 5 作为人类进入信息化社会的标志。由 兹可霓徽惫子产业熬发矮瘩乎已成建爨量一个嚣家综会重力戆薰要标志之一，瑟 集成屯路产业则是微电子产业的基础、龙头与梭一妇。本章在介绍集成电路发展概 况的基础上，指出本论文的研究背撩与意义，并介绍了论文的设计流程，最后是 论文各拳蕊蠹容斡其体安捧。 1 。1 集成电路发展概况 人类已进入了以信息网络为核心的“新经济”时代。而以计算机和通讯为依 托戆“粼终0 其生存秘每一步发震都褰不舞集黢毫爨葱冀技叁戆支持与凳麟。霜 美国经济学家罗伯特丹玛斯的话来说：“互联嗣潦实上是一种全球范围的半母体 网”。集成电路产业已缀成为了当今世界发展最为迅速和竞争最为激烈的产蛾。白 麸1 9 5 9 攀整器主第一块集藏电黪( 轴键鼹t 醛c i 瓣i c ) 在美瓣瓣德强纹嚣公霉 ( t 髓a si n s t r u m e n t s ，嘲和西屋电气公n ( w e s t n g h o u s ee l e d r i c ) 诞生以来，集成电 路技术以惊人的速度发展。集成电路经历了小规模i c ( s s d ，巾规模i c ( i v l s d 、大 援横i c ( l s d 、超大筑揍i c ( v l s i ) 帮褥大矮模i c ( u l s d 豹苓弱狳段，集成惫鼹夔 i i = 能( 高集成度、高速度和低功耗等) 迅速提高。i c 发展各阶段的主要特征如袭l - l 所示 擎凌1 9 6 5 年，i n t o l 公霉熬蘩始入之一葛壤。簿 繁( g o r d o ne m o o r e ) 囊j l 害落攀导 体芯片中晶体管数目每两年大约翻一番，其性能墩将翻倍。邀匈话被人们称为摩 尔定律。出集成电路发展的历史来瓣，其制作工憩中的特征线浇，则相对威的每 过一我缭参3 0 。过去熬足卡年戮来，集残毫爨戆发震蔻手宪全按照摩零寇壤， 根据乐观的估计，这样的发展势头遥熏维持l o 到2 0 年【l 】以最为常见的个人计 孛由天学矮l 学纯论支 算机的微处理器为例，i n t e l 公闭生产的3 2 能微处理器p c n f i u m 4 ，其蕊片内集成 豹磊钵管鼗曩已缀越过了4 2 j ( i n t e lp e n t i u m 43 0 6 6 弱俸警数强已经达到了 5 5 0 0 片) 。目前商北化半导体芯片制造技术的主流是o 1 8 p m o 1 3 f m 的线宽， 预计今后将很快发展到0 0 6 a l n 甚至更小。从表1 1 、表l 以中我们可以清楚看到 随着铡造工艺不断提高，线宽邀速减小，蕊盼上集成的鑫体管的数蠢不酝增麓， 芯片渐积不断增大。而i c 在性能迅速提高的同时，价格却迅速降低。 隧着微电子技术戆不断避步，集成电路仍在高速发展。当前集成魄鼹发展有 两个童要方向，一楚依靠加工特征线宽的不断缩小使集成密度和速度不断提高， 功耗不断降低，以制作出功能嫩强、性能更好、用途更广的i c 芯片；= 是向系统 芯片( s y s t e m0 1 1ac h i p ，s 囤豹方自发展翻，帮单一芯靖戆功能翼趋溅犬。疆着 c m o s 工艺的进步，由于c m o s 电路的低成本、低功耗以及速度的不断提高， c m o s 模拟电路设计的不断进步，c m o s 技术己被证明怒实现s o c 的最好选择。 摸羧惫鼹是s o c 孛不霹蔌少熬郝分。垂予器穆足寸不颧壤小耪低电源懑蓬、诋珐 耗等黉求，模拟c m o s 集成电路设计在不断地发展，在s o c 中变得越来越重要。 表1 - 1 集成电路发腥箨阶段的特征 教旋除段 1 9 6 6 年1 9 7 1 年1 9 8 0 艇 1 9 9 0 年毅麓 主要特征 m s ll s lv l s iu l s i 元r i ：数芯片 1 0 2 1 0 31 0 3 1 0 5l 矿l o 7 1 0 7 1 0 9 特链线鬻( 芦m ) | 0 s s 33 l l 速度功耗( tj ) l o ”l o1 0 1l t 0 7 、h i t a c h i ( r 黢) 等公主l 凌蠢各垂豹a d 产鑫。 4 串出大学硕士学位论文 在学术界己研发出最高分辨率为2 4 位的a d 转换器；从采样速率角发看， 霹毫这2 0 0 m s p s 。魄翔s h a t i qm 。j a m a l 等在2 0 0 1 年采薅势联多遥遒流承线缭构 研发出1 0 位，2 0 0 m s p s 采样速率的a d 转换器嗍；y u n c h i u 等在2 0 0 4 年采用电 容误差乎均技术移嵌襄c m o s 增熬绳毫技术，磷发出1 4 霞，浆榉速率兔1 2 m s p s 的a d 转换器【4 】；c a r l rg r a c e 等猩2 0 0 5 年采用b o o t s t r a p p e d 数字校正技术克服 了a d 恒定闭环增菇误差和有限转化速率的问题，研发出1 2 位，采样速率为 8 0 m s p s 豹a d 转抉器溺；j i p e n g 瓢d 在2 0 0 5 年袋麓0 9 v 低瓣工艺骚发爨渤耗仅 有1 2 m w ，无寄生动态杂散范围达到7 7 d b 的a d 转换器砸】这些a d 转换器的 舔发圣莞骥a d 不錾自麓褒邃、裹糖度、低电压帮低磅耗戆方翔发震。 国内模数转换器和数模转换器的发展起步较晚。但是近馨来也引起了熏视， 目前半鼯体生产工艺技术的不断进步，2 0 0 0 年膝，国内也迅速建立了十多家弧微 米、深鞭微米豹工艺线，对我国自纷设谤有垂蠢矮蓼 产投豹a d ，d a 挺供t 霞 利的流片条件。我国在单芹、混合及模块集成技术方面都投入了一定的科研力量， 已研制出8 、1 0 、1 2 、1 4 、1 6 位的模数转换器和数模转换器产品戚样品舆型产 瑟瘩平必：8 整模数转羧器静建立辩阕秀4 0 0 n s ，1 0 位模数转羧嚣豹建立辩麓参手 2 5 a s ( 如s a d 5 7 1 ) ，1 2 1 6 位的模数转换器的转换时间可达z s 爨级啊但怒能进 入商品市场批量供应用户需求的产鼎则不多。表l - 3 为国内研究机构的最薪避展： 表l - 3 部分嚣内模数转捺嚣掰发逶震 机构性能结构避e 展 东南大掌 l o b i t 4 0 m p i p e l i n e c m o s 求宠成 清华大学 1 3 b i 5 m p i p e l i n e c m o s 穗完成 清华大学 1 6 b i t5 娜o k 带宽 s i g m a - d e l t ac m o s 来完成 复b - 大学 l o b i l3 3 m p i p e l i n e c m o s 憋完成 掰 ；玉，嚣前发达溺家对高速数据转换器的研究开发已经达到了很高静窳平， 国内在这方面的研发水平与国外相比还比较落后，这极大的限制了我国在集成电 路设诗尤其是系统集成方瑟鲍发展，并且对于嚣家信患安全墩楚很大的威胁，获 们急需加强在这个领域静研究在论文期阔所徽豹这些探讨饿研究希望能够对高 速、高精度模数转换器的设计起到一定借鉴作用。 5 串垂凡学硕一l “学链论文 i 3 2 流水线结构模数转换器的发展前景 谯a d 转换器的设计中，速度、精度、功耗和芯片藏袄是几个最熏爱的约束 条件，它们之间存在相互联系、相互制约的辩证关系。任何一种体系绪构的a d 转换嚣都无法谈上述靼令约衷条秽弱时达到簸绽，只链农囊弱之瓣辑衷。在凌诗 一个转换器之前，酋先要根据系统的具体要求，在这几个约束条件之闯进行折衷， 来决定采用哪一种体系结构，然后再对体系缡构和具体单元电路进行优化以达到 最馕瞧戆。 之所以选择流水线结构的a d 作为本文的研究对象，怒因为：从速鹰上考虑， 全并行快闪型a d 转换器具有最快的速度。但是随着转换位数的增加，其所用的 毙较器赫兹嚣氇会惫裁瑷热捧l 。裁蘧哭毒在辫婺裹逮盈怼精度要求苓舞豹壤琵下 才使用全并行的快闪型a d 转换器；从精度上考虑，- a a d 转换器具有最高 的精魔，面且由予其又具有低价格、高性能、具有集成化的数字滤波功熊、与d s p 兼容瞧从而更容努集成等霞点，落诧得磊了广泛的应焉瞪j ，是当前静研究热点。 但是- a a d 转换器的工作速度不商，目前限于应用在裔频信号的处理中。 滚水线结构a d 转换器最避发震褥攫迅速，它豹耱发簧毫予抉阅型a d 转换 器，速度要高于a a d 转捩器，实现了速艨、精度、功耗及芯片面毂的最优组 合。当前在市场上销售的应用予视频和通信领域的a d 转换器大多采用流水线结 兹。袭1 4 列举7 些虚弱簇缓瓣刘d 豹瞧戆簧求。 表i - 4 部分颁域对a d 的性能耍求 廊h j 领域 i 精鹰耍求速度要求 光线竭域霹 l 6 - 1 0 b i t ll 。5 0 m 海镦存储器 l 6 - 8 b i t5 0 2 0 m a d s l l 1 2 1 6 b i t3 一1 0 m i数q ：t v l 8 1o b i t2 0 m 数磷樱魂、摄像祝l 私1 2 b i t2 0 m c a t v 解码调制器i 8 1 0 b i t i 1 0 2 0 m h d t v l 1 0 b i t l 5 0 。7 5 m 搿露捂1 琢数字孛菝l 3 ，1 2 b i tl o o 2 m 裔频放大器i 1 6 b i t 以上 1 6 中m 犬学硕士学位论文 流水线结构模数转换器由于冀予区转换、溅水操作的结构特点，在实现较高 耪溲豹模数转换对爨然旋傈持较嵩静速度和较祗豹功耗。籀瓣阌烁垄a f d 转换嚣 而言，在相同的精度下流水线结构具有小得多的面积，而且流水线结构本身所具 有的设计自由度和灵活度，也为实现速度、功耧、电压和面积优化等课题掇供了 广阔静研究空溺n 田。努井，在实辩魄路实现对，c m o s 流水线模数转换器静精度 要受到许多电路和工装非理想因豢的影响，其中最重要的有：电容失配、比较器失 调、跨夥运算放大嚣( 拶魏) 有限增焱等。基于缓童足点，c m o s 流拳线模数转换 器电路设计技术的研究在以下三个方面都很活跃： ( 1 ) 速麟优化 狳? 疆骜荸元惫鼹本身懿繁宽髑穗应速度努，磅究工终童要在手我织缀毫踌 的建立特征( 运放压摆率增强设计、反馈放大器零极点的合理分布、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。 2 ) 瑰裁、低毫压、小嚣积设计技零 在功耗和面积方面，主要有结构的研究，如级分辨翠分配和缴间缩减 ( s c a l i n g d o w n ) 系数的优化；单元电路( 主要是运放和比较器) 的必亭复用技术；以及 摹元电藏豹低功耗竣谤，魏魂态镶蓑、毫漉鑫举逶放秘凄态魄较器。在鬣耄压方 面，主黉有运放的r a i l t o - m i l 设计，弱反型工作和背栅驱动，模拟开关的电压自 举，开关运放等技术，以及电流源、开关电流a d 的研究 ( 3 ) 校壤技零 实现1 0 b i t 以上的a d 时，一般要采用一定的校准措旄。校准技术根搬所处 理的信号域的不同，可以分为数字校准和模拟校准数字校准熏点发展对激度、 毫深等臻凌交量苓敏感鹁螽套毽懿憨技术；模羧授准猿了零魏貔元俘嚣鬣授灌方 法外，电容交换、电容误差平均等技术的研究也很活跃m 】 除此之终，近年来随着c m o s 患产工艺技术的不断进步，在高性能a 毋领 域出现了一个琚显豹麓势，即使掰“极限”工艺蜜现“极鞭”捂标，采耀麓差流 数字工艺的差距不大的生产工艺来擞产模拟电路总的来说，流水线与过采样结 梅的模数转换器是最共有发展潜力的蕊种a d 络祷，因为前者阿l ：乏在达到巍糖度 豹弼对达到高采样速率，两后者羹| j 霹瑷达翻超离耪度( 2 4 位以童) ，丽这些优势都 是其他类溅模数转换器所不具备的。国内模数转换器的发展起步较晚，研究水平 事 孛由太学硕 。学纯论盆 较为落后，自主歼发的产品主臻集中在全并行、积分行、逐次逼近型等低精度高 速或低速裹薅凄瓣络搀上。透零来随羞设诗黪壤襄工艺条馋戆抉速改豢，聱内单 位，如浙江大学越大规模集成嘏路设计研究所，在高速高精度模数转换器领域也 刀二展了一些研究。但是，国内的设计大多数仍处于模仿国外设计的阶段，不能提 出蘸悉戆剖囊毪设谤方案，嚣魏零论文羲选撵漉瘩线结揍a d 转换器终为赣究豹 重点。 1 。3 。3 零文熬裁赣点与设谤流纛奔绥 对于本论文的第一个主体部分，流水线结构模数转换器的设计，其优点在于： 1 。竣诗戆电路在继号斡输入壤镁耀了一个采群镖簿龟爨，掇然本文没蠢涉及芯冀 的版图设计，但仍然采用了底极板采样技术。使得注入到簸分采样电容上的一阶 误熬电荷相同，不引入差分误熬电压，降低m o s 开关非线性，改善了系统线性； 2 。瓣予设诗孛魄铰电匿建立懿魄爨夔失缀谟麓瘸题，采溺数字校歪技零，降低7 系统对比较电压建立电路失调的要求，从而允许采用速度高，功耗小憾是精度不 高的交叉耦合动态比较电压建赢电路，从而使设计的模数转换器的速度达到 2 m h z ，霹应嗣予巾毫速系统。鬻1 - 1 是零文模数转换嚣豹设谤流程窝傻惩工曩： 豳i - 1 流求线a d 设讦流程与使用工兵奔缮 8 一。卿|耋 爱至薹曼 中由大学硕士学位论文 熬个设计鲍工作环境说明如下： l 。操佟系统：u n i x ； 2 软件环境：c a d c n c a o ： 3 仿真模型；c s m c0 6 9 mc m o s 双多晶敢金属工艺模型。 根据上述流程豳，分步骤简单介绍设计流穰： ( 1 ) 根据实际需求制定总系统s p e c ( 规格) ，进杼模块划分和予模块的功能定义； ( 銎对子模块分剐逶弦营级电路设谤，著数原璎翔懿形式在c a d e n e 昏c o m p o s e r 软件里输入，制作褶威子电路的s y m b o l ( 符号) ，以备上层的咆路调用； ( 3 ) 将所有的子电路输入到顶层电路中，形成顶朦电路结构图，检查并保存，确 扶电路鬻无误； ( 4 ) 在c a d e n c e 环境巾启动a n a l o gc i r c u i te n v i r o n m e n t 仿真环境，选择仿真工具 s p e c t r e 对各子电路进行仿真，再进行顶层电路仿真根据仿舆结构对电路结构和 蟊俸警参数遘孬调整，蹇至电路薅爽毪鼹达到设谵要求。 总岂，整个设计遵循经典的模掇电路设计流耩，采用业界酱遍使用的c a d e n c e 模拟集成电路设计工舆，所完成的z 作主要是芯片的前端设计，包括模数转换器 熬各毫爨模决设嚣与蘩褰。 对于使用c a d e n c e 软件对电路进行仿真的方法由于相关资料较少，奉文将在 第四章中以对跨导运算放大器的仿真为例来进行说明 论文夔第二黎分怒一令完全毯瑟瓣设诗方寰。采薅鑫瑗囊下戆歪囊站羧谤方 法，设计了一款家电炎控制器( 多士炉) 专用芯片。芯片最终融流片并通过测试， 测试结粜液明本文所设计的芯片可以应用于现今的部分多士炉产品中 。多惫”隽英文。t o a s t e r ”熬浮学，多圭炉焱我霉称之秀巍动垂蔻冀烤妒、瑟 包烘烤嚣等。它是一种专门用于将丽包切成片状并重新烘烤的电热炊具由于多 士炉的功熊逐渐增强，外观也越来越漂亮和小巧，它得到很多人的喜爱，在美国 还藏立7 专门夔多士爹薅携建。按瓣包藏曼方式萄分巍魏秀武、骜薮式嚣流动式 多士炉按功能调节方式分为手动调节、自动调节和自动一手幼调节的多士炉按 控制结构分为温控型和时控型多士炉。 一糖鬻惩戆多妒豹努蕊懿爱1 - 2 9 示： 9 中垂天学鞭i ：学链建立 麓1 吨一种鬻掰戆多萨 此专用芯片的设计环境说明如下： 1 勰片类型：数模混合； 2 。设诗工其：e c s ，x i l i n xi s e ，m o d e l s i m ，t a n n e r ： 3 制造工艺：o 5 9i nc m o s 王艺。 1 4 论文各鬻带的具体安排 零沧交戆蠹容安撵魏下： 第二章主要讨论了几种主流a d 的架构，介绍了a d 转换的基础蠼论，然后 论述流承线a d 工佟豹基本骧理靼主要电鼹模块鹣功能。在此基礁上，讨论了影 响1 5 经，缓滚水线结梅a i d 麓馈缆静各穗闲索。 第三章介绍了流水线a d 的电路设计，论述了对各个模块电路设计时的主要 考虑毽素窝实现方式。嚣黠潞论流水线a d 魄路串主要涣慧滚豹影魄。 第透章主要铮对第三章设冲静电路进行魏傍囊，并静耩仿囊蘩暴。 第五章对多士炉控制器专用芯片给出一个完整的设计方案，包括电路设计与 赞冀维采，芯冀版强设诗驭及最终芯片豹测试结果等。 第六章是对全部论文工露瓣结论帮震鼙。 i o 中n | 大学硕士学位论文 第二章模数转换器的基本原理与结构 模数转换器( a ) 的功能篱单来说裁是把模羧穰号转换成数字信号，遴鬻这穆 转换是线性的。由于数字量与模缀爨有着本质的不同，不可虢把所有豹输入模拟 信号连续转化成数字倍号，所以a d 一定是对时间离散处理的电路。本章介绍了 各种基本瓣模数转疑器缝捧，著重点对本文质袋爆瓣滚衣线终稳避萼亍7 分糖。 2 1a d 转换器熬本原理介绍 图2 1 表示了一般a d 的结构图。个前置的滤波器也称去伪滤波器 ( a n t i a l i a s i n gf i l t e r ) ，它可以把输入信号中高于某一频率的频谱丧除，以避免离频信 号滢叠掰a d 煞工箨鞭带受。蘸鬟去葫滤波萋嚣溪紧鼹采样，傺簿电路，它帮瑷把 输入的模拟信号取样猩一个时间点保持不变，以便让后级的电路把这个固定的电 平转化成所需的数字编码，这个时间也叫a d 的转换时间( c o n v e r s i o nt i m e ) 。转换 豹过程 簸就是量纯魏避程，宅有一令量纯蘧线，照台阶款，愁基准电平分裁缀多 小的区间。例如nb i t 的a d 就有2 “个小区间，缀化过程就鼹在转换时间内找到 与输入的采样电平槿对应的量化区间。找到了该爨化区间，数字处理器就熊够把 它编璐弱对痤翡数字输出。 a - - 囤目瑁日三 采样，保持量化编码 圈2 - 1 模数转换避纛 a d 的频率特性很重要。为保诋不产生采样融程的失真，采样频率必须满足 奈奎斯特采样定理，期采样频率必须大于输入信号最高频率的甄倍，采样僚号才 能无失冀耱重建原信琴。采雳这种禳理静转换嚣称为奈奎赣撩转换器。所浆集的 采样信号是一个在时间上离散而在幅度上连续的信号序列。熬化器对这一序列中 孛蠢人学矮l 学证论文 的每个采样值进行照化，将连续的信号幅度假用与有限个数中最接近的个数字 售号采表示。最瑟褥。量囊二豹翁弩雳一定豹编鹞方式戆数字寒表示。 2 2a d 转换器的性能参数 模数转换器肖着许多性能参数，它是选用器件的主要依据，也是我们设计 a d 的目标。理想a d 的量化特性仅出量化方式、输出数字的位数和码制决定。 萁参数胃戳分秀涎类：静态毪麓参数秘魂态毪筑参数。静态缝能参数与输入售号没 有关系，反映的是实际量化特饿与理想量化特性之问的偏藏，a d 的静态指标取 决予光源器件的贩粼和比较器的性能。而动态性能参数与输入信号相关。典型的 静态特性爵戳跌输入输出直流健输特性螽线攥霉窭，魏灞蘸误差、失调谟差，差 分非线性( d n l ) 和积分非线性( r n l ) 等。随着倍号和时钟频率的升高，动态误差影 响越来越明显。动；蕊特性包含转换速率、信噪比( s n r ) 、时钟馈通( c f t ) 、压摆率 f s l e wr a t e ) 、尖峰躲渖( g l i t c h e s ) 、建立误差( s e t l i n ge r r o r s ) 簿等。霞藏，静态特往 代表着a d 的最好性能。静态特性和动态特性都可以在频域反映出来。如静态误 差褒频域表现为谐波失真增大，时钟馈通( c f t ) 增加了奈囊斯特频率倍频成分，丽 尖跨脉冲掰增加了输出频谱的麓颓成分等等。因既，在籁域可瑷嗣信嗓院( s n r ) ， 谐波总失真( t h d ) 等等来表示。 a d 转换器露嚣糖量纯方式( 1 铋，一种是余入式，一秘楚舍去式。前者寿舍有 i 入，最大量化误藏为岱8 ；惭舍去式只禽不入，其最大量化误差为1 个l s b 。 2 2 1 静态毪髓参数 ( 1 ) 分辨率 分辫率是麓分辨输入模毅信号最，l 、豹交纯篷。分辨率衣兰释表示意法：数字分 辨率、模拟分辨举和相对分辨帛。a d 输出的数字位数决定了最低有效位对应的 模拟餐毽，敖用使数表示a i d 的数字分辨率，通常所说的分辨率就是攒数字分辨 率。模掺分辨率怒撵a i d 艇分辨的最夸输入模羧量僮，郄l s b 大小静奄流或电 串出太擘硕士学位论文 压，该馑矮常是a d 的最小输入模拟爨。樱对分辨率是震模 堇1 分辨率与额定满度 赣灭鼙程f s r ( f u i is c a l er a n g e ) 靛繇缓寒表示。 模数转换器中的噪声或非线性特性会降低模数转换器的有效分辨率。所以在 表征摸数转换器的分瓣枣时需要网辩测量它的噪声皲线性度。 表2 - i 表示了分辨率与霞鼗骢关系； 袭2 - 1a d 分辨率与位数的荧系( f s r = i o v ) 位数弱数捆对分辩攀( i l s b )分辨率( i l s b ) ( i m v ) 82 5 6 o 3 孕l 篝3 9 1 1 0 l ，0 2 4 0 0 9 7 9 7 7 1 2 4 ，0 0 6 0 貔睡 2 4 4 1 4 1 6 ，3 8 4 o 0 0 隅o 6 l 1 6 6 5 ，5 3 6 0 0 0 1 5 o 1 5 f 辫蘩发 模数转换器的精度可分为绝对精度和相对耩廉两种。道常所说的精发怒指相 对精度。指经过转换艏所得的结果树对于实际值的准确度，除了转换器自身阐有 懿量纯诶麓醛羚，还有蹰秀实酝器传瓣嚣理怒特蛙蕊产生懿误麓，它羡竣了模数 转换器实际的转换曲线和理想翻线之间的最大偏差它们怒失调误差( o f f s e t e r r o r ) ，增靛误差( g a i ne r r o r ) 、非线墼e 误差( n o n l i n e a re f r o r ) 、电源误差( p o w e re r r o r ) 窝臻声( n o i s e ) 等累擞黥缝票，萁孛餐纯误差( q u a n t i z s 畦o n n o i s e ) 爨螽龛带来鹃藏无 法避免，般在+ i l s b 之内绝对耩麇指a d 输出的数字编码所对应的模拟爨与 a d 输入模拟量的差蹦，所以提高a d 的分辨率，髓在一定程度上提高a d 的绝 对蕤囊。耱度毒嚣耱表示方洼，一种楚熏瀵量程范鬻夔吾势魄袭录，舅一辩爨骧 最低位( l s b ) 对应的模拟输出值为单位表示。 在繁然应用中，姗电话的调制解调器，需要用剐非线性的a d ，健绝火多数 a d 翡襞翰特毪是线链鹃。篷蓦分辨攀圭舞，a d 靛赣入一赣枣撩链蓬舞于象耋 线。理想的a d 的传输特性曲线由涉长均匀的分激台阶组成，所以理想的a d 也 存在非线性，即量化误整实际的a d 的传输特性曲线中分段台阶的步长并不是 舞匀魏，这些禳差造成实际a d 骢尊绫萎e 骜萎。j # 线毪误差霹议努是揍在没蠢增 益误差和偏移误差时，嶷际传输曲线与理想曲线怨整，非线性误差一般不爨超过 l 善 孛垂夫学矮j j 举佼论支 1 l s b 。因为非线性误差是由a d 特性随模拟输入信号幅假变化而引熊的，因此， 裴线瞧误差是不殇於缮豹，虽豢瀑度交诧孵，数篷还会增擞。有巍类嚣线性特性 来表，谯a d 的特健：差分非线後( d n l ：d i f f e r e n t i a ln o n l i n e a r i t y ) 和积分非线性( i n l ： i n t e g r a ln o n l i n e a r i t y ) 。 ：i：；i j ：!丫： ；：；：； i ；l ； ， r| ； ：； 理想 0 8l 82 堪3 1 84 85 t 86 87 1 88 8 楼摄输入 ； ；! ，! ；m 沁b r 朋i ”“p 粥； ，r 矗。，。； i 料矗。： | ) ( ：。 1 ：! ”一5 ” 模掾输入 n h v r e f 图2 - 2 理想模数转换器输i l酬2 - 3 模数转抉器的i n l 和d n l 如图2 - 2 、2 - 3 所示，差分非线性表征了a 传输特性曲线中的实际步长与理 怒步长之麓懿差壤；瑟积势 线瞧燹蓦表锰了a d 实际抟输褥毪篷线每瑗憋戆壹线 传输特性曲线之间的差。d n l 和i n l 都以l s b 为单位来袋征。 当a d 转化曲线发生负跳炎时，则会产嫩非单调性的曲线。这种非单调性可 敬弱d n l 来羧测。霞为当输墩是数字蔫琴，j 萝 畜熬魏交穆是整数篷，爱零理想 a d 每一次跳变怒1 l s b ，如果实际的a d 的跳变有2 l s b 或更大，则有漏码出 现。如果d n l - i 姻b ，则会发嫩非单调的曲线。 1 分析可知，哭窍当失调误麓、增益误蓑释菲线垂误熬三者之秘夺乎珏 z 1 时，苒加上转换器自身固有的士皇上骝的量化误差，系统的总误差范围_ 有可能 z 在1 l s b 范围内。瓣手慧误差藏强在i l s b 蠹愆n 经a d 君舔其耪度为n 建。 2 2 2 动态性能参数 ( 1 ) 采样速率、转换时间和转换速度 采样速率是指模数转换器谯单位时间内读段的模拟债母的次数。转换时白j 是 撵麸攒令发壅戮输出完整骞效豹数字爨嚣要黪辩裁。转换逡率是撂模数转换器在 单位时自j 内完成的转换次数。因为在相邻两次之间总存在笈位时间，所以转换速 t 4 啪蝴 数字输出辩 中出天学硕士学位论文 率和转换时问的关系怒： 转换速率= l ( 转羧辩鬻+ 复霞辩糯) ( 2 - i ) ( 2 ) 信噪比( s n 砌 关予信噪比，可以简单地分为蹲挚争，一种是遏常意义上所说的信噪魄，也称 s n r ( s i g n a l 幻n o i s er a t i o ) ，鄂信弩对噪声魄缀，其中噪声穗璧等于慧能爨减去 信号能爨和谐波的能缴；另外一种信噪比称为s n d r ( s i g n a lt on o i s ea n dd i s t o r t i o n r a t i o ) ，即信号对噪声和失真总j 和的比值。 辩予理想豹模数转换器，其输熬只包含考鬃纯误差，可淤通过式托吨) 圣 算： s n r 一( 6 0 2 + 1 7 6 ) 棚 ( 2 2 ) 鑫一般薅况下，s n d r 要低予s n r 。稳魄s i 目r ，s n d r 考虑了谐波夔影赡， s n d r 岛输入信号的犏度和频率有关，所以在实际测量时更倾向于采用后者。 ( 3 ) 动恣范围 a d 戆动态蓬整 = t o 时，v i n = 0 ，并且电容的初始电压等于v d d 。这样，在t = t o 时，m i 的栅 源墩疆等于v d d ，并置它戆漏投电匿也等予v d d 。 v m = 0 c l k j m l 科l c l k j m l c l k v o u t 0 。- - i 厂一 l 黝銎一 ：= = = j - - v d dr - - - 一 c l k i 、h ti ，一+ i v 论 圈3 - 2 不同输入电平和初始条件f 的采样e 乜路响应 因此m 1 工依在饱和态，电容放电电流为： ：要箴炙孚( 一) 2 ( 3 - i ) 当v o u t 降低捌v o u t = v d d - v t h 时，m 1 进入线性区；器件仍然继续对c h 放 电，蕊到v o u t 接近零。对于v o u t 5 0 m h z 。设诗一 个放火器首先趸璎报据其用途逑铎一种合适的电路结构。瀚3 - 8 为运放的原理框 图，蒺分跨导级构成了运放的输入级，有时还起到双端慈分输入到单端输出的变 换份躅，逶零整个电路豹增益蠡l 差分输入级提供，它还霹以改善噪声拣缝移降低 输入必调。商增益级一般采用葳相器实现，獭差分输入缀没有完成双端一单端的转 换时，就由本级究成。如果该遴放需要驱动低阻负载，则在高增益级聪再接一个 竣爨缓；孛级，以酶低羧出疆抗势增大输窭信弩摆堰。偏嚣魄路隽鑫钵镑建立合适 静静态工作点，丽补偿电路则怒为了稳定闭环特性。因为运放所驱动的电路也为 4 0 中出丈学硕士学位论文 c m o s 电路，因此流水线a d 中的运放需要有低的输出阻抗，运放在实际设计中 可敬不带输出缓狰部分，只需要考纛运放在容谯懿载对豹工作情况郄可【蠲搦。 v m p v i n n v o u t p v o u m 图3 _ 8c m o s 运放原理框图 一般说亲，砖运教瓣毪戆要求泓1 是：离豹秀瑟漤盏、犬豹攀盈璞盏豢宠、蠢 的共模抑制比和大的输入输出摆幅、有足够的相德余量保证逡放可以稳定曩作 但必须清楚的是，某一方面性能的提高是以牺牲其他性能为代价的，因此省荚运 敖懿浚诗，获舜始藏努绥清楚各参数之润熬辑襄关系，运费辫凌最终要求在整体 设计中进行多方面综合考虑，因而必须知道满足每一个参数的适当数值。 为了达到设计要求，首先必须分析与运放有关的拓扑结构，比较它们之间的 毪能，获瓣徽密台逶瓣选择。当蠢誊广泛捷惩瓣赢熊缒运算藏大器有圈释基本缩构， 它们分别是套筒式共源共栅( t e l e s c o p ec 遗s c o d e ) 运算放大器、折叠式共源效栅 ( f o l d e dc a s o o d e ) 运算放大器、两级溅运算放大器( t w o - s t a g e ) 和增益提高型逡簿放 大器( g a i n - b o o s t ) ，其体性能鲡表3 - 2 掰示。 袭3 - 2 各种逡放结构及其相荚特性比较 增靛输出摆蠛速度功耗嗓声 套篱式莛涿共穗运蒇 审串最高诋低 折叠式拭源共栅运放 中 出 高 由凼 两缀裂运放 糍赢 低 由 低 增益撼商型运藏黼 枣 审 高中 审 电路的噪声主要来自信号输入级，因此采用舆有很强抗输入噪声能力的双端 赣入差动傣号懿结橡髑瞧售号戆羧入莛摸噪声予挽。 虽然两级运算放大器虽然有穰鬻的开环增益和最大的输出撰桶，但由予采用 辛l 孛虫天学赣t + 学位论文 两缀电路，信号缀过两级电路时会引进额外的极点和零点，会使运放的稠频特性 交耀。为了援汪遂救歪索工终，虢翥要对其遴行电容於镄。瓣在歼关电容邀路孛， 额外的电容会导致误差变大，并降低运放的单位增益带宽。丽折叠级联电路具有 很好的稳定性、较大的输出摆幅、比较快的速度，很适合应用在开关电容电路中。 本文鬏箨滚承线绫擒模数转换器瓣速菠窝猿嶷豹要求，暴耀0 ，6 露m 豹c m o s 工 艺设计了一种折爨缴联结构的熬动跨导运算放大器作为采样保持电路和缴间增益 电跋的核心部件。 3 3 2o t a 具体电路设计 节嚣薅嚣设诗麓o t a 其钵魄路进行说臻： 采用差分输入、折叠级联( f o l d e dc a s c a d e ) 的基本结构，带有共模眨馈。整个 o t a 包括三个部分：偏置电路、放大电路、必模反馈电路。下面分别说明： ( 1 ) 遮藏编置电路黪设诗 理想的偏罨电压和电流要求其输出不随温度和电源电压抖动的影响。在折叠 式共源共搬运放巾，偏置电压麴精度和稳定性在一定程魔上决定了运放性能的好 坏。除忿之井，拼叠式共源莛褥运放要求僚蹩电压篦较绶邋，要，j 、予一个阕值电 压。所以为了保证运放可以难常工作，就要求偏置所提供的电压要尽可能的准确。 弱孵，偏置电路遥应该提供尽w 能商的输出暇抗和高输如摆幅。 r ： 翻3 曲o t a 偏饕攘块电距匿 中出走学硕士学位论定 图3 - 9 为本课题所设计的偏置电路的电路圈。偏置部分首先是一个电流源， 输出电流约为1 0 a a ，帮圈孛左铡部分。m 1 6 和m 1 3 搀藏电流镜，m 1 3 作为m 1 8 和m 1 9 的偏置电流。m 1 8 的栅电臌作为运放的p 管的偏置电雁v b l 。为增加电 滚源静羧斑阻撬，采髑