（微电子学与固体电子学专业论文）高速数据采集与转换的研究.pdf

中文摘要 这篇论文描述并分析了高速数据转换电路的设计。文章的内容分为两个方 面，一是高速、低功耗流水线a d 转换器的设计，另一方面是自校准高速、高精 度电流驱动型d a 转换器的设计。 在高速数据转换电路中，速度、精度、功耗、和芯片面积是四个关键的性能 l _ _ _ _ - _ - 一 指标。它们之间并非相互独立的，而是存在相互联系、相互制约的辨证关系。任 何设计都要根据具体的要求在这4 个方面进行折衷。尽管如此，我们还是可以通 过对电路结构和体系结构的改进使总体性能得到不断提升。针对这个思想，本论 文对高速、高精度数据转换器的设计方法进行了讨论，总结了设计中存在的一些 限制，并提出了相应的解决方案。为了进步阐明高速数据转换电路的设计思想， 本论文讨论了两个具体电路的设计，一个是1 0 位2 0 m s s 流水线a d 转换器， 另个是1 4 b i t5 0 m s s 自校准d a 转换器。 在a d 转换器的设计中，以传统9 级，每级1 5 位流水线结构为基础，提出 了一种o t a 共享的体系结构，并且对折叠级联o t a 结构进行了改进。理论分析和 仿真验证显示，改进后的结构使电路的功耗和版图面积大大减小，而其它各方面 性能保持不变。目前，芯片正在测试中，初测显示电路功能正确，功耗与仿真结 果相近。 在高速、高精度d a 转换器的设计中，电流驱动型结构被采用。由于芯片制 造过程中许多因素的影响，使完全靠m o s 电流源本征匹配实现的d a 转换器很难 达到1 0 以上的精度。为此提出了一种用模拟方式实现的后台电流自校准技术。 利用这种技术，在自校准时钟的控制下对高5 位电流源进行校准，可以使d a 转换器的线性度得到极大的改善。此外，我们也采用了毛刺消除技术和输出电流 自归零技术来提高动态范围。对芯片的测试结果显示，d a 转换器在没有经过自 校准情况下测得的s f d 8 ( 伪动态范围) 为5 0 d b ( 输出信号频率为】0 0 0 0 4 船l z 、 采样频率为i o m h z ) ；而经过自校准后，在同样条件下测得的s f d r 为7 3 d b 。这说 明我们在体系结构和电路结构上的改进使电路的总体性能得到了很大的提高。 蚊章最后把我们设计的电路和国外同类先进电路进行了比较，同时总结了设 计中的一些经验教训和不足之处，并对将来的研究工作提出了展望。、。 ，、f 关键词子模块；共享0 t a 结构；f 采样保持电璐j 余量增益电路；运算跨导 放大器( o t a 4 7 ( 流水线；折叠搬联；压摆率；自校准；) 温度计编码；二进制权 重电流源 7 a b s t r a c t t h i st h e s i sd e s c r i b e sa n da n a l y z e st h ed e s i g no fh i g h - s p e e dd a d ac o n v e r s i o n c i r c u i t s t h ec o n t e n ti n c l u d e st w of i e l d s o n ei sh i g h s p e e d ，l o w - p o w e rd i s s i p a t i o n a i dc o n v e r t e r ；t h eo t h e ri ss e l f - t r i m m i n gh i g h s p e e d ，h i g h a c c u r a c y , c u r r e n t d r i v i n g d ac o n y e r r e l - i n h i g h s p e e d d a t ac o n v e r s i o nc i r c u i t ，s p e e d ，a c c u r a c y , p o w e rd i s s i p a t i o na n d c h i pa r e aa r ef o u rk e yp e r f o r m a n c es p e c i f i c a t i o n s t h e ya r en o ti n d e p e n d e n t ；i n s t e a d ， t h e ya r ei n t e r r e l a t e da n dl i m i te a c h o t h e nt h e r ei sa l w a y sat r a d e o f fa m o n gt h e s ef o u r a s p e c t s h o w e v e r , w e s t i l lc a ni m p r o v et h ee n t f f e p e r f o r m a n c e o fac i r c u i t b y u p g r a d i n g i t sa r c h i t e c t u r ea n dc i r c u i tt o p o l o g y a c c o r d i n gt ot h i si d e a ，i nt h et h e s i st h e d e s i g n m e t h o do fh i g h s p e e d h i g h a c c u r a c y d a t ac o n v e r t e ri s a n a l y z e d ，s o m e l i m i t a t i o n sa r es u m m a r i z e da n ds o m ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n sa r ep u tf o r w a r d i n o r d e rt os e tf o r t hf u r t h e ri m p o r t a n td e s i g ni d e ao fh i g h - s p e e dd a t ac o n v e r t e r , t w o c i r c u i t sd e s i g na r ea n a l y z e d t h ef i r s ti st h e10 - b i t2 0 m s s p i p e l i n e da dc o n v e r t e r ； t h es e c o n di st h e1 4 一b i t5 0 m s ss e l f - t r i m m i n gc u r r e n td ac o n v e r t e r i nt h ed e s i g no fa dc o n v m e ga no t a - s h a r e da r c h i t e c t u r ei sp u tf o r w a r do nt h e b a s eo ft r a d i t i o n a lp i p e l i n e da r c h i t e c t u r eo f9s t a g e sa n d1 5b i te a c hs t a g e ，a n dt h e t o p o l o g y o ff o l d e d c a s c o d eo t ai si m p r o v e d t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n v e r i f i c a t i o ns h o wt h a tt h ei m p r o v e da r c h i t e c t u r em a k e ss u r es p e e da n da c c u r a c yn o c h a n g ea n dr e d u c e ss i g n i f i c a n t l yt h ep o w e rd i s s i p a t i o na n dc h i pa r e a n o w t h et e s ti s u n d e r w a y , a n dr o u g h t e s tr e s u l ts h o w st h ef u n c t i o ni sc o r r e c ta n dt h e p o w e r d i s s i p a t i o ni sa p p r o x i m a t e t ot h es i m u l a t i o n i nt h e d e s i g n o fh i g h - s p e e da n d h i g h a c c u r a c y d ac o n v e r t e r ，t h ec u r r e n t d r i v i n ga r c h i t e c t u r ei sa d o p t e d b e c a u s eo fs o m ei n e v i t a b l ef a c t o r si nt h ep r o c e s so f m a n u f a c t u r e ，i ti sd i f f i c u l tt or e a c ho v e r10 一b i ta c c u r a c yb yi n t r i n s i cm a t c ho fm o s c u r r e n t s oa na n a l o gb a c k g r o u n dc u r r e n t s e l f - t r i m m i n gi m p l e m e n t a t i o ni sb r o u g h t f o r w a r d i nt h ec o n t r o lo f s e l f - t r i m m i n gc l o c k ，u s i n g t h i s t e c h n i q u e f o rm o s t s i g n i f i c a n t5b i t s ( m s b5 ) c u r r e n ts o u r c e s ，t h er e s o l u t i o nc a nr e a c h1 4b i t s i no r d e rt o i m p r o v et h ed y n a m i cr a n g e ，w ea d o p tt h et e c h n i q u e so fs p u r tc a n c e l l a t i o na n d a u t o z e r o t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a ts f d r ( s p u r i o u sf r e ed y n a m i c r a n g e ) w i t h o u t t r i m m i n gi s5 0 d b ( f o u t = 1 0 0 0 0 4 m h z ，f s = 1 0 m h z ) ，b u tt h es f d r i s7 3 d bu n d e rt h e s a m et e s t i n gc o n d i t i o n sw i t hs e l f - t r i m m i n g s ot h ei m p r o v e m e n ti na r c h i t e c t u r ea n d t o p o l o g ym a d e t h ee n t i r ep e r f o r m a n c eo ft h ec i r c u i t sb e t t e r i nt h ee n do f t h i st h e s i s ，t h ec o m p a r i s o no f t h ec i r c u i t sw ed e s i g n e dw i t ht h e a d v a n c e dc i r c u i t so fs a m et y p ei sm a d e ，t h el e s s o n sa r es u m m a r i z e d ，a n d t h ed i r e c t i o n o ff u t u r er e s e a r c hw o r ki sp r o p o s e d k e y w o r d s ：s u b - m o d u l e s ；s h a r e - o t a s t r u c t u r e ；s a m p l i n g - h o l d i n g c i r c u i t ( s h ) ；r e s i d u e - g a i n - c i r c u i t ；o p e r a t i o n a lt r a n s - c o n d u c t a n c ea m p l i f i e r ( o t a ) ； p i p e l i n e d ；f o l d e d - c a s c a d e ；s l e w r a t e ；s e l f - t r i m m i n g ；t h e r m o m e t e rc o d i n g ； b i n a r y w e i g h t l a d d e r 引言 1 引言 今天，电子产品在人们的生活中扮演着举足轻重的角色。电视机、电脑、网 络、无线通信设备等电子工具，给人们带来了丰富多彩的娱乐享受，而采用电子 系统控制的新一代家电，如冰箱、空调、电饭锅、汽车等使我们的生活更加便利。 这些现代电子设备多采用数字电路的方式实现，但我们生活的自然界却是模拟 的，我们自然界中的人类，感知外界的方式也是模拟的。因此，这些电子系 统需要把外部的模拟信号采集进来，并把它转换成数字信号，然后通过d s p 或 c p u 等数字信号处理器，对其进行处理，最终得到的结果往往需要再变回到模拟 形式，以便控制各种机电设备，或作为各种家电设备的输出，来满足人们视听的 享受。这种把模拟数据采集进来并转换成数字数据，或把数字数据转换成模拟数 据的功能是通过a d 和d a 转换器实现的。 ll a d 和d a 转换器的典型应用 图1 1 表示a d 和d a 转换器在数字信号处理系统中的典型应用，图1 t 中的数字信号处理系统既可以代表个简单的数字滤波器，也可能是一个复杂的 视频信号处理系统，两端的a d 和d a 转换器作为数字系统和外界之间的接i z l 1 1 。 a n t i a l i a s s o x n p ea d d ar e c o n s t r u c t l o “ f i1t e ra n dh o l d c o n v e r t e r c o n v e r c e rf il t e 7 图1 1 a d 和d a 转换器在数字信号处理中的应用 近年采，a d 和d a 转换器也被越来越多地应用于无线数字通信系统 2 ，3 。 其中，在数字中频t r a n s c e i v e r 中的应用最为典型，与传统模拟中频t r a n s c e i v e r 所不同的是，在数字中频t r a n s c e i v e r 的接收通道，由射频信号降频得到的中 修呻年琦 皤 。 k 弛蚪三旧 图1 2a d 和d a 转换器在于线猜信中的向田 引言 频信号直接被a d 转换器转换成数字中频信号，然后通过数字方式解调到基带信 号，同样，在发射通道，基带到中频的调制也是以数字方式实现的，经过调制的 数字中频信号再通过d a 转换器变成模拟中频信号。图1 2 是一个数字中频无线 t r a n s c e i v e r 的原理图。与模拟中频比较，数字中频具有更低的功耗，这对于靠 电池供电的便携式电子设备是至关重要的；此外，由于数字电路具有更高的可靠 性，使数字中频解调具有更低的误码率。 1 2研究的背景、方向和意义 目前，可内嵌的高速、高精度、低功耗数据转换器成为模拟集成电路领域中 的研究热点。其原因是，l 、与模拟信号相比，数字信号具有便于存储、转移、 保真度和可靠性高等优点，因此，在过去的2 0 年，各国的研究机构对数字技术 的发展非常重视，另外，随着c m o s 工艺水平的长足进步和数字系统设计软件的 日趋成熟，使数字系统无论是在处理能力还是处理速度上都取得了飞速的发展。 相对而言，模拟和数模接口电路的设计在过去的几十年没有得到足够的重视，加 之模拟设计软件也不够成熟，使模拟尤其是数模接口电路的发展落后于数字电路 的发展，因此，在一些包括数模接口的电子系统，象数字视频系统和数字通信系 统中，接口电路的性能( 如速度、精度) 成为限制整个系统性能的瓶颈；2 、由 于靠电池供电的便携式设备日益普及，也要求在达到高速、高精度的前提下，消 耗尽可能小的功耗，以维持较长的待机时间；3 、随着单片系统集成的快速发展， 要求接口电路和数字系统集成在一块芯片上，这对降低成本、提高性能具有很重 要的意义1 4 。 为了消除数模接口电路对系统性能造成的限制，近年来，国外的一些研究机 构加大了对高速数据转换器研究的投入并在该领域取得了较大的进展 5 ，6 。在 o t a 转换器方面，由美国i u i o n i s 大学的a l e xr b u g e j a 设计的一个1 4 一b ， 1 0 0 m s sd a 转换器 5 和比利时l e u v e n 大学的g e e r ta m v a nd e rp l a s 设 计的一个1 4 一b 本征精度高速d a 转换器 6 是代表当今国际先进水平的两个典型 设计。两个d a 转换器电路都采用电流驱动型结构，为了达到足够高的线性度， 它们分别采用了电流自校准和先进的误差平均化技术。表1 1 是两种结构的主要 性能指标。 在a d 转换器方面，用于前端视频信号处理的l o 位高速a d 转换器是当前 的研究热点。这种转换器要求转换速率达到i o m s s 到5 0 m s s ，为了能够内嵌于 单片数字系统，并适合便携设备使用，除了需要满足精度和速度的要求外，也希 望a d 转换器消耗尽可能低的功耗和芯片面积。考虑到流水线结构可以在速度、 引言 精度、功耗和芯片面积之间达到最好的折衷，目前大多数视频芯片中的a i d 转换 器都采用这种结构。表1 2 列出了代表目前国外先进水平的两个高速、低功耗 a d 转换器的主要性能指标 7 ，8 。第一个a d 转换器由美国a n a l o gd e v i c e 公 司的i u r im e h r 设计，第二个a d 转换器由美国c a l i f o r n i a ，b e r k e l e y 大学的 a n d r e wm a b o 设计。 表i i 两个1 4 - b 高速d a 转换器的主要性能指标 a l e xr b u g e j a 的结构g e e r ta m v a nd e rp l a s 的结构 分辨率 1 4 分辨率 1 4 i n l 0 5 l s bi n l o 3 l s b d n l 0 3 l s bd n l o 2 l s b 最大采样速率l o o m s s最大采样速率1 5 0 m s s s f d r ( = i o o m s s ，f o i = 8 5 蛐z )8 2 d bs f d r ( f 。= 4 0 m s s ，l 。f o5 m h z )8 4 d b s f ? 0 r ( r ，fj 0 0 _ i s s ， 。= 4 25 m h z )7 2 d bs f d r ( 一。- 4 0 m s s l ：= 3 _ l h z )6 4 5 d 8 最大功耗1 8 0 m w最大功耗3 0 0 m w 芯片面积1 1 8 m m 芯片面积1 3 1 m m 表l2 两个高速、低功耗a d 转换器的主要性能指标 l u r im e h r 的结构a n d r e wm a b o 的结构 分辨率1 0 分辨率 1 0 i n l 0 7 5 l s bi n l 0 7 l s b d n l 0 3 l s b d n l 0 5 l s b 最大采样速率4 0 m s s 最大采样速率1 4 3 m s s s n d r ( f c ，t = 4 0 m s s ，f 1 = 2 0 删z )5 9 d b s n d r ( f d k = 4 0 m s s ，f h = l o o k h z ) 5 8 5 d b 最大功耗7 0 l w 最大功耗 3 6 w 芯片面积2 6 m m 2 芯片面积 23 x 25m m 。 从上面的介绍可以看到，目前发达国家对高速数据转换电路的研究开发已经 达到t i e 高的水平，由于各种原因，我国在这方面的研发水平与国外相比还十分 落后，这严重限制了我国在集成电路设计尤其是系统集成方面的发展。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。本论文以高速、 商精度数据转换器的设计为研究方向，深入探讨了高速数据转换电路的设计理论 和设计方法，并提出了一些创新思想，其中的大部分创新已经通过实验得到验证。 作者希望，论文期间所做的这些探索性研究能对高速、高精度a d 、d a 转换器 的设计起到定的借鉴作用。 引言 1 3主要工作及创新 在论文工作期间，作者查阅了大量有关数据转换方面的资料，较系统地研究 了各种数据转换器的结构和性能，并在导师洪志良教授的指导下，先后设计了一 个1 4 b i t5 0 m s s 自校准d a 转换器1 和个l o b i t2 0 m s s 流水线a d 转换器。 目前，d a 转换器已经完成了从电路设计、版图设计到流片测试的全部工作，测 试结果显示，该电路对低频信号转换时的动态范围可以达到7 3 d b ：a d 转换器已 经完成流片，初测结果显示功能正确，进一步的测试正在进行当中。 为了使电路达到最优的性能，在两个电路的设计中，都大胆地采用了一些创 新的思想和创新的电路结构。在a d 设计中，主要的创新和改进包括：1 、两级 共享o t a 体系结构；2 、改进的折叠一级联o t a 电路结构。在d a 设计中，主要的 刨新和改进包括：1 、后台模拟式电流自校准技术2 ；2 、流水线毛刺消除技术。 1 4 论文的组织结构 第二章首先回顾了a d 和d a 转换器的发展历史，并简要介绍a d 和d a 转换器的常见类型，然后讨论了a d 和d a 转换器设计中的主要制约因素，以及 在不同的情况下，如何在这些约束条件之间折衷。 第三章讨论了一个l o b i t2 0 m s s 流水线a d 转换器的设计，内容包括体系 结构的创新，单元电路的优化设计和仿真结果分析。 第四章讨论了一个1 4 b i t5 0 m s s 自校准d a 转换器的设计，内容包括模拟 自校准的原理介绍，及其在d a 体系结构中的实现，单元电路的优化设计，版图 设计中的关键问题考虑，以及最终的测试结果分析。 第五章对整个论文的内容进行总结和展望，讨论了设计中存在的一些问题， 并提出了进步工作的想法。 。该课题是复旦大学集成电路设计实验室和瑞士苏黎士高等工业大学集成系统研究所的联合 研究项目。 2 后台模拟式电流自校准技术由瑞士苏黎士高等理工大学的黄秋庭教授提出。 4 2 高速数据转换电路的设计基础 2 高速数据转换电路的设计基础 从集成电路的发展历史来看，工艺技术的进步和革新对集成电路的发展起着 首要的推动作用。按照著名的摩尔定律，随着器件特征尺寸的缩小，c m o s 集成 电路的集成度每1 8 个月会提高一倍，同时器件的某些性能指标也会得到改善。 表2 1 是c m o s 集成电路的特征尺寸与器件的集成度( 这里用单位面积集成的 d r a m 数来表示集成度) 和截止频率1 之间的关系 9 。 表21c m o s 集成电路的特征尺寸与集成度和器件截止频率之间的关系 特征尺寸d r a m c m 截止频率( 最小沟道长度器件) 2 u r n2 1 3 k0 9 g h z 1u r n2 m3 6 g h z 0 5u ml l m1 5 g h z 0 3 5u m3 2m3 0 g h z 0 2 5u m8 5 m6 0 g h z 从表2 1 可以看出，集成度和器件的截止频率都会随着线宽的缩小而不断提 高，这也意味着，每一次工艺进步都会为集成电路的设计者们提供更广阔、更自 由的设计空间，促使功能更强、速度更快的芯片有可能被设计出来。另一方面， 由于电源电压降低、电路规模增大和短沟道效应等因素使集成电路的设计难度越 来越大，这对设计者的能力提出了更高的要求。 近年来，用于数字电路设计的e d a 软件日趋成熟，使数字系统的设计取得 r 飞速发展，但由于模拟设计软件和其它一些因素的限制，使模拟集成电路尤其 是作为接口的高速数据转换电路的发展相对落后。这对模拟电路的设计者而言， 既提供了机遇，也提出了严峻的挑战。 这一章分别回顾了a d d 和d a 转换器的发展历程，逐一讨论了高速、高精 度a i d 、d a 转换器的基本理论以及设计中存在的基本限制和相应的解决方案， 并逐渐把视线的焦点集中到我们所研究的方向上。 2 1 a d 转换器的回顾 a d 转换器的雏形最早是伴随着p c m ( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ) 技术在电话中 的使用出现在上个世纪3 0 年代的 1 0 。然而，直到上个世纪5 0 年代，随着数字 计算机和各种航空器及导弹数据处理系统的出现，a i d 转换器才获得了进一步 的发展。近2 0 年，由于深亚微米集成技术的日趋成熟，促使a i d 转换器发生了 从分立实现到单片集成的革命。早期用分立元件实现的a i d 转换器，不仅成本 这1 1 假定电源电压恒定为33 v 。 2 高述数据转换电路的发训基础 高、而且体积和功耗也大的惊人。例如，6 0 年代初，一个每秒转换5 万次的l o 位a d 转换器价值8 0 0 0 美元，消耗5 0 0 w 的功耗并且要占0 2 5 m 3 的空间。单片 集成a d 转换器的各方面性能都远远超过了它的前辈，例如，由a d 公司生产 的a d 芯片a d 5 3 7 ，其转换速率和分辨率与上述分立a d 转换器相同，但它的 价格和功耗只有前者的o 2 ，体积只有指甲盖大，稳定性却远远超过了前者 1 。 此外，数字视频技术、数字音频技术和数字通信技术的飞速发展，也促使a d 转换器在体系结构的发展上获得了巨大的进步 11 。 在a d 转换器的发展过程中，出现了许多种体系结构。不同的结构侧重于 不同的需求，有的侧重于高精度，有的侧重于高速度，有的侧重于低功耗，有的 侧重于低硬件消耗。在当今各种a d 转换器中，按基本的转换原理划分，可分 为n y q u i s ta d 转换器和过采样a d 转换器。对于n y q u i s t a d 转换器，其主要 特征是：每一个被采样的模拟信号都被转换为唯一与之相对应的数字信号，即采 样速率和转换速率相同。而过采样型是一类通过提高过采样比( 采样速率与转换 速率的比值) 来达到高动态范围的a d 转换器。在目前所有的a d 转换器中， 过采样型是精度最高的，但由这类转换器从本质上是通过牺牲速度来换取高动态 范围的，所以它的转换速率较低( 一般小于5 m s s ) ，这种转换器广泛用于音频 处理、图像处理等低速、高动态范围领域。目前，大多数的a d 转换器都属于 n y q u i s t 型，其中包括快闪型、两步快闪型、主从型、逐次逼近型、折叠插值型、 积分型和流水线型等 1 2 ，1 3 ，1 4 ，15 】。 2 2a d 转换器的设计基础 这一节首先简要介绍高速n y q u i s t a d 转换器的类型、性能指标和基本设计 原理，然后着重对高速流水线a d 转换器的设计进行讨论。 2 2 1 主要性能指标 评估一个a d 转换器，需要从精度、速度、功耗和芯片面积等多方面综合 考虑。但由于a d 转换器最基本的功能是把一个连续的模拟信号精确地量化成 离散的数字信号，因此它的分辨能力是最主要的性能指标。通常情况下，通过静 态性能和动态性能来分别评估a d 转换器对直流信号和交流信号的分辨能力。 2 2 1 1 静态性能 图2 1 是一个3 位a d 转换器的静态传输特性曲线，横坐标表示连续的模拟 输入信号，纵坐标表示离散的数字输出信号。图2 1 中，每一个台阶代表一个最 小量化区间，一个量化区间内的所有模拟值对应同一个数字输出码。在没有误码 6 一 ! 壹垄塾塑堑堡皇堕竺堡生苎型 - - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ - 、_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ 的情况下，台阶每升高一级意味着输出码的最低位加l 。对于理想情况下的传输 特性曲线，每一个台阶的宽度相等( 我们把这个宽度，即最小量化区间称为l l s b ) ，而且存在一条从原点出发并穿过每个台阶中点的直线。而在实际情况下， 任何一个a d 转换器的转换特性都与理想情况下的转换特性存在非线性误差， 一般通过d n l ( 微分非线性) 和i n l ( 积分非线性) 来衡量这个误差。d n l 指 实际转换特性中所有台阶宽度和理想台阶宽度( 1l s b ) 之差的最大值：而i n l 指实际传输特性中的量化参考值与理想量化参考值之差的最大值，其中，量化参 考值是台阶跳变处对应的模拟输入值。图2 1 中，在一个3 位a d 转换器的转换 特性曲线上，分别标出了按理想量化区间归一后的i n l 和d n l 1 6 。 i n p u ts i g n a 图2 13 位a d 转换器的转移特性 2 2 1 2 动态性能 动态性能反映a d 转换器以一定频率对交流输入信号进行转换时的特性， 因此这些特性与a k ) 转换器的转换速率以及输入信号的频率和幅度有关。通常， 动态性能都从频域来衡量，它的指标主要包括，s n r 、s n d r 和s f d r 。其中， s n r 指a d 转换器输出端，信号功率与噪声功率之比。s n d r 指a d 转换器输 出端信号功率与噪声、谐波功率和之比，它通常使用正弦信号进行测量，并且是 正弦输入信号幅度的函数。 由图2 1 可以看出，a d 转换器中，每一个离散的量化值都对应一段连续的 璧化区间，因此在量化过程中，只要是在同一个量化区间内的模拟值都可以得到 相同的量化结果。这说明，在对交流信号进行转换时，即使a d 转换器有完全 2 高速数据转换电路的设计基础 理想的转换特性，其输出也包含误差，这是任何n y q u i s t a d 转换器都无法避免 的，我们把它称之为量化误差，这个误差由a d 转换器的分辨率决定。从频谱 特性考虑，量化误差使a d 转换器的s n r 存在一个上限。例如，l o 位a d 转 换器的最大s n r 是6 1 9 6 d b ，而且随着分辨率每升高一位，最大s n r 增加6 0 2 d b 。 图2 2 表示输入信号功率和s n d r 的关系。图2 2 中，s n d r 为0 d b 时对应 的输入信号功率表示a d 转换器可以分辨的最小信号，这时，由于信号功率非 常小，谐波功率要远远小于噪声功率，因此，这时的s n d r 约等于s n r ；随着 输入信号功率的增大，谐波功率随之增大，当信号功率较小时，谐波功率的增速 小于输入信号功率的增速，因此s n d r 也随之增大，随着信号功率的进步增 犬，谐波功率的增速越来越快，当谐波功率的增速等于输入信号功率的增速时， s n d r 达到最大值s n d r m a x ，如果信号功率继续增加，s n d r 将迅速衰减。 s n d r m a x 对应的输入信号功率与s n d r 为0 d b 时对应的输入信号功率之间的比 值破定义为s f d r 。显然，s f d r 与输入信号的幅度无关，因此，用它表示的动 态性能更具有普遍意义 1 6 】。 2 , 2 2 a d 转换器的基本设计准则 在a d 转换器的设计中，速度、精度、功耗和芯片面积是几个最重要的约 束条件，它们之间并非相互独立的，而是存在相互联系、相互制约的辨证关系。 有一条基本的准则是，堡鲤二壁签丕缝塑数也艟拯墨壑玉造焦土述婴全约塞 2 高速数据转换电路的设计基础 釜鲑园吐达到篮伍! 面尽能在宣 1 查间蚯塞! 例如，过采样a d 转换器可以达 到相当高的精度，但这是以牺牲速度为代价的；快闪结构可以达到很高的速度， 但却要消耗很大的功耗和芯片面积；逐次逼近结构和积分结构消耗的功耗和芯片 面积都很小，但速度却很慢；流水线a d 转换器可同时使速度和精度达到最优， 但却无法避免地要消耗较大的芯片面积和功耗。但上述准则并不排除通过体系结 构和电路结构的优化和创新可以使a d 转换器的总体性能不断得到改善。在设 计一个转换器之前，设计者首先要根据系统的具体要求，在这几个约束条件之间 折衷，来决定采用那一种的体系结构，然后再对体系结构和具体的单元电路进行 优化以达到最佳性能。 2 2 3 高速a d 转换器的介绍 在高速a d 转换器的发展过程中，出现了几种典型的体系结构，主要包括 快闪型、两步快闪型、和流水线型。最早出现的是1 9 5 9 获得专利的快闪a d 转 换器，这种转换器的结构十分简单，而且速度非常快，因此直到今天，在高速、 中等分辨率领域，这种结构仍然被广泛应用 1 7 。 图2 , 3 快闪结构的原理图 d i g il a o k t d u t 2 高速数据转换电路的设计基础 图2 t 3 是一个3 位快闪a d 转换器的结构原理图。整个电路由一个采样保 持电路( 采样保持) 、7 个比较器、一串用来获得参考电压的电阻和一个温度计 码到二进制码的译码器构成。当一个连续输入信号被施加，采样保持电路首先对 这个信号进行采样，并在一段时间内使采样到的电压值保持恒定。在这期间，被 保持的信号与由电阻串分压得到的参考电平通过比较器进行比较，比较出来的温 度计码通过一个二进制译码器可得到最终的二进制数字输出。很显然，整个转换 过程都是并行进行的，因此它的速度非常快。但是，比较器的个数( 2 “一1 ) 将随 着转换器位数( n ) 的增加而指数增加，对于一个l o 位的快闪a d 转换器，需 要】0 2 3 个比较器，这将消耗相当可观的功耗和芯片面积，对于要求低功耗和低 硬件消耗的单片集成系统，这是难以接受的：另外，如此多的比较器都要靠一个 采样，保蒋电路驱动，相当于采样保持电路带了一个非常大的负载电容，这将使 其建立时间显著增加，从而使a d 转换器的速度变慢：第三，每一个比较器的 失调误差和电阻之间的误匹配都将在a d 转换器中引入非线性误差，而要把这 种误差控制在1 0 位精度以内是相当困难的。实际上，在8 位以上，就很少使用 快闪结构了 1 1 。 为了提高分辨率，并能保持较高的转换速率，两步快闪结构被提出，它的体 系结构如图2 4 ( a ) 所示。这种a d 转换器由两级位数相同的快闪a d 转换器( 分 别用于高位和低位量化) 、一个d a 转换器和一个减法器构成。简单怏闪结构只 需一步就得到完整的一组数据，而它需要两个步才能产生一组数据。在第一步， 高位的数据( n 。) 被第一个快闪转换器产生，然后一个d a 转换器把这个数据变 阄到模拟信号，并与输入的模拟信号相减。在第二步，减出的余量送入第二级快 闪转换器，并产生低位的数据( n ：) 。最终输出的数据由高位数据n i 和低数据位 n 2 组成。由于低位数据的产生要经过两次a d 变换，因此两步快闪结构的转换 时间要比全快闪结构长一些，但仍然是非常快的。然而，由于两步快闪需要的比 较器远远少于同样位数的全快闪结构，因此大大地节省了功耗和芯片面积( 例如， 同样是1 0 位分辨率，全快闪需要1 0 2 3 个比较器，而两步快闪仅需要6 2 个) 。两 步快闪结构经常被用于8 位以上分辨率的高速应用中 1 3 。 图2 4 ( b ) 是一种改进的两步快闪结构，与图2 4 ( a ) 的结构相比，它在余量输 出和低位a d 转换器之间增加了一个采样保持电路，并在高位的数据输出之后 增加了个延迟单元。两个采样保持电路在同步时钟控制下工作 1 8 。在第一个 周期，输入采样保持电路对模拟输入信号采样，并把采样到的值保持到余量计 算完成；在第二个周期，级间保持电路保持余量值，同时低位a i d 转换器对余 量进行变换。显然，由于增加了级间采样保持电路，在低位a d 转换器进行转 换的同时，输入采样电路可以进行下一次采样。这样，高位和低位快闪被级间采 ! 童望墼塑堑堡皇堕堕堡! ! 兰型一 样保持电路分成了两级，分别独立地进行高位和低位转换，因此使速度比改进 前提高了近一倍。由于对高位和低位的转换相差一个周期，为了保证数据同步， 要在高位数据后加一个移位寄存器对其延迟。这样，在模拟输入信号和数字输出 信号之间会有2 个周期的延迟，这个延迟被称为转换器的“l a t e n c y ”。 ( b ) 图2 4 ( a ) 两步快闪结构( b ) 改进的两步快闪结构 上面的这种操作方式就是所谓的流水线操作方式，它克服了两步快闪结构上 的缺陷，充分地利用了硬件资源，使速度和精度达到了几乎完美的优化。作为本 论文的核心课题之一，下面将对流水线a i d 转换器做进一步的讨论。 2 商速数据转换电路的设计基础 2 2 4 流水线操作a 巾转换器 1 9 8 7 年，第一个单片集成的c m o s 流水线a d 转换器被设计成功( 1 9 。此 后的卜几年，这种结构获得了不断的改进，成为高速、高精度a d 转换器的主 流产品。在各种结构的流水线, a d d 转换器中，每级1 5 位带数字误差校正的结构 是比较成功的一种，这主要归功于它固有的高线性度和高速度。下面将对这种 ad 转换器的体系结构、算法、和误差做进一步的分析。作为本文关注的焦点， 此后文章中所出现的“流水线a d 转换器”，如果不做特别说明，都指每级1 5 位结构。 2 2 4 1 体系结构 图2 5k 位流水线a d 转换器的体系结构 图2 5 是一个典型的k 位流水线a d 转换器体系结构示意图，它由k ，1 级 低分辨率的子模块( 每级分辨率为i 5 位) 级联而成。第级到第k 一2 级完全相 同，第k 一【级是由三个比较器构成的两位a d 转换器。图2 5 中，子模块中的采 样保持、余量增益功能仅由一块单独的电路实现，这个电路由一个o t a 核和一 些外围的开关和电容组成。模拟信号首先经采样保持电路进入第一级子a ，d 转 换器，其输出的粗量化值进入数字校正电路，同时被两位d a 转化成模拟值， 这个值与输入a d 转换器的模拟值相减，得到的余量值经过余量增益电路放大 两倍后传送到下级，依此类推，每一级子模块都输出一个余量值作为下一级的 输入，同时产生两位低分辨率的数字值到数字校正电路，通过对这些值进行适当 f 勺逻辑运算，可得到最终高分辨率的数字输出值。流水线a d 转换器的输入采 ! 堕鲨墼塑堑堡皇堕盟堡盐苎型一 样，保持电路、各级子模块和最后的数字校正电路都在同步时钟的控制下连续运 作因此它的转换速率与采样频率相同 2 0 ，2 2 。 2 2 4 2算法分析 在流水线a d 转换器的发展过程中，出现过许多种算法。其中最成功的算法 是s t e p h e nh l e w i s 在1 9 9 2 年提出的数字校正算法 2 0 ，2 1 。这种算法的最大的 优点是可以在很大程度上消除比较器的失调，因此，采用这种算法的a d 转换 器具有达到更高分辨率的潜力。下面将以每级1 5 位流水线a d 转换器为例分析 这种算法的原理及其优点。 ( 2 1 ) 式是k 位a d 转换器的标准量化编码关系。其中a d 转换器的量程 是盼口户十v r e f , 叱屯+ 等非。 ( 拳一专卜旧+ 专卜与d = z “+ 一。= 乒，。，j 2 “_ 1 ，( 2 1 ) 专嵋非z l 式子的左边表示模拟量区间，右边表示该区间对应的数字量化值。其中数字量化 值以十进制表示，它与实际运算中的二进制值一一对应。 图2 6 是流水线a i d 转换器的余量关系图，其中，v “表示第i 级输出的余 d 1 1d i 。 d zid 2 。 d 3 】d 3 。 d x ，2 id k 2 。 +dk，dklo 图2 6 余量关系图图27 数字校正算法示意图 量，v ”】表示第i + l 级输出的余量，从图中可以看出，余量线在一庳和+ ，庳p 膏 处不连续，这对应着量化器的两个阈值电压，因此，除了最后一级( 最后一级有 互个量化