（微电子学与固体电子学专业论文）高速、低功耗折叠内插模数转换器设计研究.pdf

摘要 摘要 随着短距离无线通信技术进入前所未有的发展时期，伴随着3 g 的使用和后 3 g 系统的日益逼近，w l a n 和w p a n 的需求和应用也在不断增长。人们相信，这 两种类型的异构网络最终必将融合在一起。现在的短距离无线网络一般都是孤立 地工作在室内家庭和办公环境中，或室外相对比较封闭的环境，尚没有与大型的 无线广域基础设施集成，但这种现状有望随着超宽带技术的发展而被突破。在短 距离无线通信领域，超宽带无线技术具有巨大的潜力。 在基于多频带o f d m 联盟协议的超宽带模拟前端电路中，需要两个6 8 比特 分辨率、5 0 0 m h z 采样速率、低功耗的高速模数转换器( a d c ) 把接收到的模拟 信号转换成数字信号。高速中等分辨率模数转换器在液晶显示驱动、数字示波器 和硬盘驱动电路等方面也有着广泛的应用。同时，为满足电池供电的可携带通讯 设备的需要，低功耗模数转换器也越来越多地引起人们的注意。 作为混合信号系统芯片设计中的一个瓶颈，高速模数转换器消耗大量的芯片 面积、功耗和设计时间。在众多种模数转换器电路结构中，折叠内插结构具有高 速、低功耗、面积小及易与数字工艺兼容等优点。在9 0 年代中期以前，折叠内插 结构的模数转换器基本上都是用双极型工艺实现的。由于c m o s 工艺的发展和设 计技术的提高，现在用c m o s i 艺实现的折叠内插模数转换器越来越多。随着超 宽带等技术的发展，要求模数转换器具有中等分辨率、高速、低功耗的特点。已 有的研究结果显示，目前国际上单通道8 比特分辨率的折叠内插模数转换器可以 达到6 0 0 m h z 采样速率，2 0 8 r o w 功耗的性能。与国际先进水平相比，我国研制的 同等分辨率的折叠内插模数转换器仅可达到2 0 0 m h z ，1 8 1 m w 功耗的性能。因此， 研究和发展新的高速、低功耗c m o s 模数转换器电路结构，具有很好的理论研究 价值和重要的应用背景。 基于上述研究背景，本论文对用于超宽带的8 比特分辨率、5 0 0 m h z 转换速率、 低功耗模数转换器进行了设计研究。进行了如下工作： l 、提出了三种新型折叠内插结构，分别是：混合型二层折叠器、混合n 口型 折叠器和相加折叠+ 电流内插+ 电压内插的3 级结构。与传统折叠器相比，混合 型二层折叠器和混合n p 型折叠器可以克服传统折叠器相加节点处寄生电容过大、 功耗过高的不足。与传统l 级折叠+ l 级内插的2 级结构相比，相加折叠+ 电流内 插+ 电压内插的3 级结构可以避免高内插系数给单个内插带来的种种不利因素， 从而大大降低模数转换器的整体功耗。 2 、详细分析了折叠内插模数转换器的非线性失真，探讨抑制非线性失真的 高速、低功耗折叠内插模数转换器设计研究 摘要 方法。在折叠内插模数转换器中，易引起非线性失真的模块有：参考电压产生电 阻串、预放大电路、采样保持电路和折叠内插电路。 3 、建立了行为级设计、晶体管设计和程序分析的设计流程。当模数转换器 的电路结构以及时序选定以后，首先是结构设计，在m a t l a b 平台上进行行为级 仿真；接着是电路设计及电路网表提取；最后对提取的网表模拟仿真，仿真结果 用分析程序进行分析。 4 、采用中芯国际集成电路制造( 上海) 有限公司0 1 8 微米、3 3 w 18 v 、单 层多晶，四层金属的标准数字c m o s i 艺设计了一个8 比特分辨率、5 0 0 m h z 采样 速率的高速c m o s 模数转换器的完整电路，其中应用了混合型二层折叠器。电路 动态特性仿真参数表明，在5 0 0 m h z 采样频率时，电路信噪失真比( s n d r ) 可 达4 2 5 d b 2 5 0 m h z 输入频率。 关键词：模数转换器、折叠、内插、分布式采样保持、非线性失真、失调平均、 温度计编码、格雷编码 中图分类号：t n 4 3 2 l l 高速、低功耗折叠内插模数转换器设计研究 摘要 a b s t r a c t a nu n p r e c e d e n t e dt r a n s f o r m a t i o ni nt h ed e s i g n ，d e p l o y m e n t ，a n da p p l i c a t i o no f s h o r t - r a n g ew w e l e s sd e v i c e sa n ds e r v i c e si si np r o g r e s st o d a yt h i st r e n di s i nl i n e w i t ht h ei m m i n e n tt r a n s i t i o nf r o mt h i r d - t of o u r t h - g e n e r a t i o nr a d i os y s t e m s ，w h e r e h e t e r o g e n e o u se n v i r o n m e n t sa r ee x p e c t e dt op r e v a i le v e n t u a l l y ak e yd r i v e ri nt h i s t r a n m i o ni st h es t e e pg r o w t hi nb o t hd e m a n da n dd e p l o y m e n to fw l a n “w p a n s b a s e do nt h ew i r e l e s ss t a n d a r d sw i t h i nt h ei e e e8 0 2s u i t e t o d a y ，t h e s es h o r t - r a n g e d e v i c e sa n dn e t w o r k s o p e r a t em a i n l ys t a n d a l o n e i ni n d o o rh o m ea n do f f i c e e n v i r o n m e n t so rl a r g ee n c l o s e dp u b l i ca r e a s ，w h i l et h e i rm t e g r a t t o ni n t ot h ew i r e l e s s w i d e a r e ai n f r a s t r u c t u r ei ss t i l ln e a r l yn o n e x i s t e n ta n df a rf r o mt r i v i a l t h i ss t a t u s q u o i nt h es h o r t m n g ew i r e l e s sa p p l i c a t i o ns p a c ei sa b o u tt o b ed i s r u p t e db yn o v e l d e v i c e sa n ds y s t e m sb a s e do nt h ee m e r g i n gu w b ( u i t r aw i d eb a n d ) r a d i o t e c h n o l o g yw i t ht h ep o t e n t i a lt op r o v i d es o l u t i o n sf o rm a n yo f t o d a y sp r o b l e m si nt h e a r e a so fs p e c t r u mm a n a g e m e n ta n dr a d i os y s t e me n g i n e e r i n g ， i nu w bb a s e do nm u l t i - b a n do f d ma l h a n c e ，t h ea n a l o gf r o n t - e n dr e c e i v e rn e e d s t w o6t o8 - b ra d c sh a v i n gas a m p l i n gr a t eo f5 0 0 m h zt oc o n v e r tt h er e c e i v e d a n a l o gm g n a lt 0d i g i t a ld a t a h i g h s p e e da n dm o d e r a t e r e s o l u t i o na d c sa r ea l s o r e q u i r e dw i d e l yi nl c dd r i v e r , d i g i t a lo s c i l l o s c o p e s ，a n dh a r dd i s hd r i v e r m e a n w h i l e ， p o w e rd i s s i p a t i o ni sb e c o m i n ga l li n c r e a s i n g l yi m p o r t a n ti s s u ei nt h ed e s i g no fa d c a sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sm o v ei n t oa p p l i c a t i o n sr e q u i r i n ge i t h e rp o r t a b d i t y a sab o t t l e n e c ki nt h em i x e d s i g n a ls y s t e md e s i g n ，h l g h s p e e da d cc o n s u m e sa l a r g e c h i pa r e a , p o w e rb u d g e ta n dd e s i g n i n gp e r i o d a m o n gal o to fa d ca r c h i t e c t u r e s ， f o l d i n ga n dm t e r p o l a t i n gt e c h n o l o g yp o s s e s s e sa d v a n t a g e so fh i g hs p e e d ，l o wp o w e r , s m a l lc h i pa r e a , e a s i n e s st ob ec o m p a t i b l ew i t hd i g i t a lp r o c e s s e t c m o s to ft h e f o l d i n ga n di n t e r p o l a t i n ga d c sw e r er e a l i z e di nb i p o l a rp r o c e s sb e f o r et h em i d9 0 s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec m o s p r o c e s sa n dd e s i g nt e c h n i q u e m o r ea n dm o r e f o l d i n ga n di n t e r p o l a t i n ga d c sa r er e a l i z e di nc m o st e c h n o l o g yn o w t h e d e v e l o p m e n to fu w bt e c h n o l o g yr e q u i r e sah i g h s p e e d ，m o d e r a t e - r e s o l u t i o na n d l o w - p o w e ra d c r e c e n tr e s e a r c hs h o w st h a ta n 8 - b i tr e s o l u t i o ns i n g l e - c h a n n e l f o l d i n ga n di n t e r p o l a t i n ga d ci sa b l et oo p e r a t ea t6 0 0 m s p s w h i l et h ep o w e r 高速、低功耗折叠内插模数转换器设计研究 1 i i 摘要 d i s s i p a t i o ni so n l y2 0 8 m w h o w e v e r , t h es a m er e s o l u t i o ns i n g l e - c h a n n e lf o l d i n ga n d i n t e r p o l a t i n ga d cd e s i g n e di nc h i n ac a no n l yo p e r a t ea t2 0 0 m s p s ，w h i l et h ep o w e r d i s s i p a t i o ni s1 8 1 r o w t h u s ，i ti sw o r t h yt or e s e a r c ha n dd e v e l o pn e wh i g hs p e e da n d l o wp o w e rc m o sa d ca r c h i t e c t u r e b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h e s , t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u so nt h ed e s i g no fa ns b i t 5 0 0 m s p sl o wp o w e ra d cu s e di nu w b t h em a i nc o n t r i b u t i o n sc a nb ec o n c l u d e d a sf o l l o w s ： lt h r e en e w f o l d i n ga n di n t e r p o l a t i n ga r c h l t e c m r e sa r ep r o p o s e d t h e ya r eah y b r i d t w o l e v e lf o l d e r , ah y b r i dn pf o l d e ra n daf o l d i n g + c u r r e n ti n t e r p o l a t i n g + r e s i s t o r i n t e r p o l a t i n gs t r u c t u r er e s p e c t i v e l y c o m p a r e dw i t hac o n v e n t i o n a lf o l d e r , ah y b r i d t w o l e v e lf o l d e ra n dah y b r i dn pf o l d e rc a nr e d u c ep o w e r & s s i p a t i o nw h i l es m a l l e r c a p a c i t i v el o a d i n gc a nb e a c h i e v e da tt h eo u t p u t n o d e c o m p a r e dw i t h t h e c o n v e n t i o n a lf o l d i n g + i n t e r p o l a t i n gs t r u c t u r e t h ef o l d i n g + c u r r e n ti n t e r p o l a t i n g + r e s i s t o ri n t e r p o l a t i n ga r c h i t e c u t r ec a nf u r t h e rr e d u c et h ep o w e rc o n s u m p t i o no fw h o l e a d c b yp r e v e n t i n gh i g hi n t e r p o l a t i n gf a c t o rf r o md i s t u r b i n gs i n g l ei n t e r p o l a t i n g 2 a n a l y z ed i s t o r t i o ni nt h ef o l d i n ga n di n t e r p o l a t i n ga d c a n dd i s c u s st h em e t h o dt o r e s t r a i nt h ee f f e c to fn o n l i n e a rd i s t o r t i o n i nt h e s u b - b l o c k so f f o l d i n g a n d i n t e r p o l a t i n ga d c ，r e s i s t o rl a d d e r , p r e a m p l i f i e r , t r a c k a n d h o l dc i r c u i ta n df o l d i n g a n di n t e r p o l a t i n gc i r c u i te a s i l yi n t r o d u c ed i s t o r t i o n 3 ad e s i g nf l o wi sb u i l t ，f r o mt h ed e s i g no fb e h a v i o r a ls t a g e ，t r a n s i s t o rs t a g ea n d a n a l y t i cp r o c e d u r e a f t e rt h ea r c h i t e c t u r ea n dt i m i n go fa d ca l ed e c i d e d ，t h ef i r s t t h i n gi s a r c h i t e c t u r ed e s i g na n dp e r f o m i n gb e h a v i o r a l - s t a g es t m u l a t t o nb r u i ti n m a t l a b t h es e c o n dc o m e st oc i r c u i td e s i g na n dn e t l i s te x t r a c t i o n t h i r d l y , t h e e x t r a c t e dn e t h s ti ss i m u l a t e da n dt h eo u t p u tr e s u l t sa r e a n a l y z e du s i n ga n a l y t i c p r o c e d u r e 4 a n8 - b i t5 0 0 m h zh i g hs p e e da d ci sf a b r i c a t e di ns m i c0 1 8 1 t i n 3 3 v i g v , s i n g l e p o l y m ，f o u rm e t a ls t a n d a r dd i g i t a lc m o sp r o c e s s an e wh y b r i dt w ol e v e l f o l d e ri sa p p h e di nt h i sa d c t h i sa d ca c h i e v e ss n d ro f4 2 5 d bw i t h2 5 0 m h za t 5 0 0 m h zs a m p l i n gc l o c k i v 高速、低功耗折叠内插模数转换器设计研究 摘要 k e y w o r d s ：a n a l o g 2 厶，这就是香农采样定理。 ( 3 ) 奈奎斯特频率( n y q u i s tf r e q u e n c y ) 把采样频率的l 2 ( 即z 2 ) 称为奈奎斯特频率，直流至z 2 之间的频带称 为奈奎斯特带宽，简称奈氏带宽。 ( 4 ) 混叠( a l l a s i n g ) 当信号频率超过奈氏带宽( 厶 z 2 ) 时，z 一厶的混叠频率分量将会进 入奈氏带宽内，这就是混叠现象。此时，模数转换器是不可能恢复出原始信号的。 假设模拟输入信号的频率响应如图2 2 ( a ) 所示 1 0 】，而频率厶是模拟输入信号 的最高频率。当模拟输入信号在频率，：上破采样时，可以得到如图2 2 ( b ) 所示 高速、低功耗折叠内插模数转换器设计研究 7 第二章高速模数转换器概述 的频率响应，输入信号的频谱在采样频率和它的各次谐波上被重复。当信号带宽 厶超过z 2 时，频谱开始混叠，如图2 2 ( c ) 所示，此时，模数转换器将不可能 恢复出原始信号。 ( c ) 图2 2 ( a ) 模拟信号的连续时间频率响应；( b ) 数据采样的等效频率响应； ( c ) j ；n 超过z 2 时引起的混叠 ( 5 ) 分辨率( r c s o l u t m n ) 分辨率指模数转换器在转换中所能分辨的最小量，习随上用转换结果的位数 表示。例如，称8 位a d c 具有8 位分辨率。分辨率有时也用最低有效位( l s b ) 的 步长表示。例如，把8 位a d c 的分辨率说成1 2 8 或1 2 5 6 。 ( 6 ) 模拟带宽( a n a l o gb a n d w i d t h ) 模拟带宽指进行快速傅利叶( f f t ) 分析时，基频信号能量下降3 d b 时对应 的模拟输入信号频率。 ( 7 ) 有效分辨率带宽( e f f e c t i v er e s o l u t i o nb a n d w i d t h - - e r b w ) 有效分辨率带宽指的是模数转换器的信噪失真比( s n d r ) 从最大值下降到 3 d b 时的输入信号频率。它受限于模数转换器的输入模拟电路带宽与模数转换器 的最大采样频率。 ( 8 ) 输入电容( i n p u t c a p a p c i t a n c e ) 输入电容指的是模数转换器前端驱动电路的负载大小。 ( 9 ) 输入范围( i n p u ts i g n a ls w i n g ) 输入范围是指导致模数转换器产生不可接受的失真或者不超出模数转换器 分辨范围的输入信号的最大值和最小值之差。 ( 1 0 ) 电源噪声抑制比( p o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i o - - p s r r ) 8 高速、低功耗折叠内插模数转换器设计研究 第二章高速模数转换器概述 电源噪声抑制比定义为电源噪声能量与输出噪声能量的比值。电源上的噪声 会耦合到模数转换器的输出。该参数被用来衡量模数转换器抗电源噪声的能力。 评估一个模数转换器，通常从精度、速度、功耗和芯片面积等多方面综合考 虑。但由于模数转换器最基本的功能是把一个连续的模拟信号精确量化成离散的 数字信号，因此它的分辨能力是最主要的性能指标。具体来说，通过静态性能和 动态性能来分别评估模数转换器对直流信号和交流信号的分辨能力。下面将以一 个3 位模数转换器为例来具体阐述表示模数转换器性能指标的各个参数。 2 1 2 模数转换器的静态参数 m p u ts i g n a l 图2 33 位a d c 的传输特性曲线( i n l 和d n l 实例) 图2 3 显示的是一个3 位模数转换器的静态传输特性曲线，横坐标表示连续模 拟输入信号，纵坐标表示离散数字输出信号。每个台阶代表一个最小量化区间， 一个量化区间内所有的模拟值对应同一个数字输出码。在没有误码的情况下，台 阶每升高一级意味着输出码的最低位加1 。对于理想的传输特性曲线，每一个台 阶的宽度相等( 即i l s b ) ，并且存在一条从原点出发穿过每个台阶中点的直线。 而在实际情况下，任何一个模数转换器的转换特性与理想情况下的转换特性之间 存在着非线性误差。一般用差分非线性( d n l ) 和积分非线性( i n l ) 来衡量这 个误差。差分非线性表征了模数转换器传输特性曲线中实际步长与理想步长之间 的差值：而积分非线性误差则表征了模数转换器实际传输特性曲线与理想的直线 传输特性曲线之间的差别。d n l 和1 n l 都以l s b 为单位来表征。图2 3 中，在一个 3 位模数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 高速、低功耗折叠内插模数转换器设计研究 9 第二章高速模数转换器概述 d n l 。 2 1 3 模数转换器的动态参数 动态性能反映了模数转换器以一定频率对交流输入信号进行转换时的特性， 这些特性与模数转换器的转换速率和输入信号的频率幅度有关。动态参数是重要 的模数转换器性能的衡量指标。 ( 1 ) 信噪比( s i g n a l t o n o i s er a t i o - - s n r ) 信噪比指模数转换器输出端的信号能量与噪声能量之比，通常用d b 表示。 其中信号指基波分量的有效值，噪声指奈奎斯特频率以下全部非谐波分量，但不 包括直流分量的总有效值。计算公式如下： 舢：1 0l o g f 壁堕坠1 ( 2 1 ) l t o t a ln o l s e f l o o rp o w e r ( 2 ) 信噪失真比( s i g n a l - t o - n o i s e a n d d i s t o m o nr a n o - - s n d r ) 信噪失真比又称信纳比，指被测输入信号能量与奈奎斯特频率以下的全部噪 声和谐波分量( 不包括直流分量) 的能量和之比。实际上与信噪比的定义相似， 只是为了强调音频领域中的谐波失真。s n d r 的数学表达式为： s n d r ：1 0l o g f ! ! 鲤! ! ! ! 竺1 1( 2 2 ) l n o i s ea n dd 1 s t o m o np o w e r ) ( 3 ) 有效位数( e f f e c t i v e n u m b e r o f b i t s - - e n o b ) 由于模数转换器在实际应用中存在噪声和失真，从而影响了模数转换器的实 际分辨率，等效地降低了模数转换器的位数。模数转换器实际可达到的位数称为 有效位数。e n o b 数学表达式为： e n o b ：s n d r ( d b ) - - 1 7 61( 2 3 ) 6 0 2 ( 4 ) 总谐波失真( t o m lh a r m o n i cd i s t o r t i o n - - t h d ) 总谐波失真指模数转换器输出信号中包含的全部谐破分量功耗与基频信号 功耗之比。t h d 的数学表达式为： t h d = l o 1 0 9 l t o t a l h a r m 。；o 印n i 。c 。d p i 。s 。t o 。r ，t i o n p o w e r ( 5 ) 无杂散动态范围( s p u r i o u sf r e ed y n a m i cr a n g e - - s f d r ) 输入信号功率与峰值杂散信号功率之比称为无杂散动态范围。 表达式为： s f d r ：1 0 1 0 一韭型坠竺一1 1 0 高速、低功耗折叠内插模数转换器设计研究 ( 2 4 ) s f d r 的数学 ( 2 5 ) 第二章高速模数转换器概述 p e r f o r m a n c el i m i t e d 图2 4 模数转换器的s f d r 定义 2 2 模数转换器结构 模数转换器是一种将模拟信号转换为数字信号的器件。按采样速度和分辨率 进行分类，可以分为：高速低( 或中) 等精度模数转换器；中速中等精度模数转 换器；中( 或低) 速高精度模数转换器。其中，高速中等精度模数转换器的结构 包括：全并行( f l a s h ) 、两步式( t w os t e p ) 、内插式( i n t e r p o l a t i n g ) 、折叠式 ( f o l d i n g ) 、流水线型( p i p e l m e d ) 和时间交错式( t i m ei n t e r l e a v e d ) 等。表2 1 简单概括并且比较了上述各种不同类型模数转换器的结构，说明了各种结构的应 用范围【11 】。 表21 模数转换器结构分类 结构 速度 精度功耗应用举例 积分型慢高低自动控制，传感器 全并行快低高硬盘读取，通信，雷达 内插型 快低 较高雷达，通信，数字仪表 逐次比较型 中 由 低 音频，自动控制，仪表 算法型 d j 中低 音频，自动控制，仪表 两步式 较快低中 视频，通信 折叠式快低较高雷达，数据传输 流水式较快低中 由 视频，通信 过采样型 较慢高中 音频，通信，地球物理测量 高速、低功耗折叠内插模数转换器设计研究 第二章高速模数转换器概述 2 3 高速模数转换器的结构比较 由于本文研究的是应用于超宽带的模数转换器，它的应用要求为中等分辨 率、高速、低功耗的模数转换器。为此，我们拟重点研究折叠加内插的模数转换 器结构。本节将重点介绍各种高速模数转换器的结构和它们的优缺点，并阐述采 用折叠内插结构的原因。 2 3 1 全并行模数转换器( f l a s ha d c ) 全并行是速度最快的模数转换器结构。如图2 5 所示，模拟输入信号和由电 阻串产生的参考电压分别输入到比较器的输入端， ，位分辨率的模数转换器需要 2 ”- 1 个比较器。比较器的输出为温度码，它可以编码为二进制码或格雷码( g r a y ) 输出 v m f ( k - 0 v r ( k - 2 ) v r e f ( 2 ) v r 皈i ) v r e fv i n n b i t o u t p u t 图2 5 全并行模数转换器 全并行模数转换器的优点是只需要单相时钟，结构设计简单，高频性能好。 缺点是所需的比较器数目与分辨率成指数关系。因此，它消耗的功耗、占有的芯 片面积和输入电容与分辨率成指数关系。全并行模数转换器的另一个缺点是比较 器的输入失调限制了它所能达到的分辨率。为了提高分辨率，可以采取一些补偿 措施，如自校零技术等：但分辨率的提高是以速度降低为代价的。在c m o s 工艺 中，全并行模数转换器的分辨率一般都小于8 位。 2 3 2 两步式模数转换器( t w o - s t e pa d c ) 两步式结构的模数转换器如图26 所示。它包括一个采样保持放大器，两个 1 2 高速、低功耗折叠内插模数转换器设计研究 全并行模数转换器，一个数模转换器和一个减法器。它的工作过程为：采样保 持电路采集输入信号：在保持阶段，由第一个模数转换器量化，得到高位数字码： 然后通过数模转换器，把高位数字码转换成模拟信号，并与输入信号相减得到差 值，用第二个模数转换器量化差值得到低位的数字码。 两步式模数转换器的优点在于减少了比较器的数目。它所消耗的功耗，所占 的芯片面积和输入电容都比全并行模数转换器小。缺点是转换周期长，需要三个 时钟周期。由于信号在通道中没有增益，在第二个模数转换器中需要高精度的比 较器。 n i n 2 m o s ts l g m f i e a n tb i t sl e a s ts i g n i f i c a n tb i t s 图2 6 两步式模数转换器 2 3 3 流水线型模数转换器( p i p e l i n e da d c ) 图2 7 流水线型模数转换器 图2 7 是流水线结构模数转换器的框图。它i ：h m 级流水线构成。每一级包含采 样保持电路、低分辨率子模数转换器、子数模转换电路、余量和增益电路。前一 级放大的余量输出作为后一级的模拟输入。各级量化的数字输出在延时对齐后， 高速、低功耗折叠内插模数转换器设计研究 1 3 第二章高速模数转换器概述 经数字校正电路，得到最终的量化输出。 输入信号由第一级子模数转换器量化输出后位数字码。所对应的模拟量减去 量化的女位数字码后，其差值通过2 倍放大后送到下一级进行类似的处理。该过 程一直重复到转换器最后一级。将各级得到的输出合并后就可以得到整个模数转 换器的量化输出。相邻两级之间均有采样保挣电路，因此它们能同时进行数据转 换，保证了流水线型模数转换器在每个时钟周期均能产生一次转换输出。在电路 实现方面，出于性能和复杂度的考虑，每级量化的位数可能不尽相同。另外，由 于应用了数字校正算法，每级均有冗余输出，各级量化位数的总和可能会大于整 个模数转化器的量化位数。 2 3 4 内插型模数转换器( i n t e r p o l a t i n ga d c ) 全并行模数转换器的一个主要缺点是输入电容太大。内插技术可以有效降低 输入电容。内插技术是指利用全并行模数转换器前置放大器在转折电压附近的线 性特性，通过电阻串，电流镜或电容等内插出全并行模数转换器所需的更多的参 考电压。其原理如图2 8 所示。内插技术除了可以有效降低转换器输入电容外， 还能降低由于前置放大器的漂移而引入的差分非线性误差。但内插后的模数转换 器仍然会占据很大的芯片面积，消耗大量功耗。 图2 8 内插式模数转换器 2 3 5 折叠式模数转换器( f o l d i n ga d c ) 内插技术减少了前置放大器的数目，但转换器所需的比较器数目仍与全并行 结构所需的相同。折叠技术减少了所需的比较器数目，其原理如图29 所示。折 叠结构的转换器类似于两步式结构，它也分别产生所需转换模拟信号的高位数字 码( m s b ) 和低位数字码( l s b ) 不同的是，在折叠结构模数转换器中没有 1 4高速、低功耗折叠内插模数转换器设计研究 第二章高速模数转换器概述 d a c 和减法器，取而代之的是一个称为“折叠器”的模拟信号预处理单元。该电 路的输入一输出特性曲线是三角波，其输出可以由一个小的全并行转换器处理得 到低位数字码。同时，输入信号通过另一个全并行转换器得到高位数字码。折叠 模数转换器的优点是速度快。占用的芯片面积和消耗的功耗小，只需一个时钟周 期就能完成数据转换。缺点是( 1 ) 输入电容大，( 2 ) 高频性能差。后者主要原 因是折叠器对输入频率有倍频效应。 v 图2 9 折叠式模数转换器 折叠式模数转换器继承了两步式模数转换器的优点，并且在一定程度上克服 了两步式模数转换器的缺点：它是连续工作的“两步式”模数转换器。它的一个 缺点，即输入电容太大，可以通过内插技术来克服。折叠与内插相结合的结构称 为折叠内插结构。 表22 高速模数转换器比较 结构比较器数目比较器精度输入电容采样，保持限制因数 全并行多 高 大不要失调 一 两步式适中尚适中要失调 流水线型少 低小要 噪声 内插式多高适中不要失调 折叠式适中高大不要失调 上面我们简单介绍了几种常见的高速模数转换器结构，并说明了它们各自的 优缺点。表2 2 对各种结构高速模数转换器的电路特征做了一个概括性的比较。 由该表可以看出，折叠内插结构相对于全并行结构具有低功耗的特点，相对于流 水线型具有高速的特性，非常符合超宽带的对模数转换器的要求。2 0 0 2 年陈诚博 士己设计完成了一个8 比特分辨率，2 0 0 m h z 采样速率的折叠内插模数转换器 【1 2 1 。但是它不适合超宽带应用中对a d c 采样频率( 大于5 0 0 m b p s ) 的要求，原 有的电路结构也不适合用于更高速度，低功耗的应用。需要对电路结构进行创新， 对影响高频电路性能的因素进行进一步的研究。基于以上考虑，我们拟采用折叠 高速、低功耗折叠内插模数转换器设计研究 第二章高速模数转换器概述 内插结构来实现论文提出的研究目标，设计一个8 比特分辨率、5 0 0 m h z 采样速率、 低功耗的模数转换器。 最后，我们制定相应的技术路线。首先是探索新型折叠内插结构以及研究影 响系统高频性能因素。接着选定电路结构进行结构设计，在m a t l a b 平台上进 行行为级仿真，验证结构的可行性。然后将新结构和新技术应用到电路设计中模 拟仿真。最后用分析程序( 见附录) 进行性能分析。 1 6高速、低功耗折叠内插模数转换器设计研究 第三章新型折叠内插技术探索 第三章新型折叠内插技术探索 如本文第二章所述，折叠结构模数转换器可看作是一种并行的两步式转换 器。与两步式结构相同，它也分为粗量化转换和细量化转换。但与两步式结构不 同的是，细量化转换不再依赖于粗量化转换，而是基于折叠器种模拟预处 理单元。粗量化转换和细量化转换同时进行，因而可获得与全并行结构相媲美的 高转换速度。与两步式转换器相比，折叠结构模数转换器另一大优势在于这种结 构可以结合内插技术，进一步降低功耗，减小面积，达到高速、低功耗的目的。 3 1 传统折叠内插技术 本节介绍折叠技术的产生与发展，详细分析传统折叠结构的优劣，折叠器本 身固有的速度瓶颈问题。引入内插技术的概念，分析其特点，介绍内插技术的结 构种类。 3 1 1 在过零点产生前折叠 如本文第二章所述，折叠结构模数转换器可看作一种并行的两步式转换器。 分为粗量化转换和细量化转换。其中，细量化转换利用折叠技术，通过输入信号 的m _ 1 映射转换，减小了后续电路的规模 1 3 1 。映射可以在过零点产生前 ( ir e z g ) 实现 1 4 1 5 】，如图3 1 ( a ) 。如图3 1 ( b ) 所示，输入信号硒过一 个具有锯齿形输入一输出特性的折叠器，按折叠率m 折叠，输出锯齿波墨。输出 锯齿波的周期为m ，每个周期输入子域的宽度是r m ，其中，r 为输入幅度。经 过细通道的过零点产生电路( z g s ) 后产生多个折叠信号( f x s ) 。如图3 1 ( c ) 所示，输入信号经过粗通道的过零点产生电路后产生多个过零点佶号( z x s ) 在图中，折叠信号f x s 在向下突变处重新界定了粗通道的过零点转换电平置( i = 2 ，3 ，m 1 ) 。因此，粗量化器需要产生冗余的过零点信号，才能将 粗量化器的过零点信号与细量化器的锯齿信号相结合，进行位同步处理。然而， 这种位同步的方法较为麻烦 为了解决这个问题，考虑采用三角形输入一输出特性的m l 映射转换代替 锯齿形转换，如图3 2 所示。由于三角波输出信号没有突变情况，没有重新界定 粗通道的过零点转换电平，因此不需要冗余的过零点信号，也不需要进行位同步 处理。剩下的问题就是三角形的m 一1 映射转换是否会使编码复杂化。从图3 2 中可以看到，尽管在细量化器中，对应于三角折叠波正斜率的输入子域，其过零 点检测( z d s ) 输出的温度码与对应于负斜率输入子域的输出不同，但是不同组 温度码的分界点没有改变。这意味着，图3 2 ( a ) 中细量化器编码可以检测到分 高速、低功耗折叠内插模数转换器设计研究 1 7 第三章新型折叠内插技术探索 界点，并且可以将不同组的温度码准确地转换为二进制码。粗量化器编码更加简 单，因为它并不需要位同步。图3 2 ( b ) 显示了可以实现粗细量化器格雷码的模 拟编码电路。这是一种采用了模拟反相以及乘法的两步式信号折叠。在数字领域， 这些功能可以分别由反相器以及与门实现。 过零点产生前完成m 时1 映射的优点是可以同时减少过零点产生电路和过 零检测电路单元个数，但缺点也很多，主要有以下三点： ( 1 ) 折叠器要求有很高的线性度； ( 2 ) 折叠器要有精确的增益； ( 3 ) 折叠器将成为电路速度的瓶颈，因为高频时折叠信号会在转折点处削平 z gz e t o - c r o s sg e n e r a t i o n z d z e r o - c r o s sd e t e c t m n ( a ) 玉胖 p r e - z gp r o c e s s i n g n = 1 6 m = 珥 x 1x 2x 3x 4x sx ( b ) m s b sc o a r s ec h a n n e l s l s b sf r e ec h a n n e i s _ = 二= = = = f x _ = 拜j 乇多睁x = 二= 乒三xi 穷手甘乎x 斗_ 弓卜 + + _ o y = j 竺二二x 刁书f 栌栌x - _ - 4 - 0 二 0 + _ | 二_ y k 这冬姜竺攀望兰j 4 ( c ) 图3 1 基于p r e z g 折叠的模数转换器：( a ) 框图；( b ) 折叠特性曲线； ( c ) 粕，细量化熙输m 的信署( z x s 和f x g ) 高速、低功耗折叠内插模数转换器设计研究 叫兰co啦口一 第三章新型折叠内插技术探索 n = 1 6 m = 4 x 1x 2 x 3 x 4x 5x z x 3 = 二= 二二二二二x ( a ) f x 4 _ = f = ：| b x f x 3 _ j = 乇= 乒= 3 匕x = j 兰= = 二x 叫些寻乒= 卜x _ f _ - o f _ _ + x 2x 3x 4x 2x 3x 4 f x m s b = z x 3 if x l s b + 1 = f x 3 + f x _ = z x e ( - z x 4 )+ f x l s b = f x - 2 (