（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研究与设计.pdf

摘要 摘要 随着便携式或高度并行信号处理设备的广泛应用，低功耗模数转换器( 爿d c ) 的设计越来越多地引起人们的重视。本研究主要集中在降低高速中等分辨率模数 转换器的功耗上面，它们在诸如液晶显示驱动、数字示波器、硬盘驱动电路等高 数码率、低功耗领域有着广泛的应用。 本论文对6 0 0 m h z 采样频率，8 位a d c 进行了研究与设计，采用了折叠内插结 构来降低并行结构a d c 的复杂度和功耗。在前置放大电路输出端应用电阻失调平 均技术来改善1 n l d n l 。在前置放大器阵列的顶端和底端加入冗余单元以使失调 平均网络在整个输入范围内能很好的工作。电路的最前端加入了采样保持单元来 提高电路的带宽。为了获得高速采样频率，采样保持单元仅包括个开关、一个 保持电容和一个用来驱动预放大阵列的源跟随器。其中n m o s 开关的时钟由自举 电路提供，以此来使电荷注入和导通电阻r 。竹独立于输入信号。本文还提出并采 用了新型层叠折叠器来进一步降低折叠a d c 的功耗。采用了数字同步技术来消除 由粗细量化器不匹配而引起的误码。 本文a d c 采用中芯国际的0 j 雎聊6 层金属c m o s 工艺，有效面积为o 5 6 m m 2 。 整个电路工作在6 0 0 m h z 采样频率下，由j 8 v 单一电源供电，消耗的功率为 ，d 垅。仿真结果表明，在输入信号为3 0 0 m h z 情况下，s n d r 为4 5 1 d b 。最后本 文给出了电路的初步测试结果。 关键词：模数转换器、折叠、内插、折叠器、自举开关、非线性失真、失调平均、 温度计编码、格雷编码 中图分类号：t n4 3 2 高速、低功耗折叠内插模数转换器研究与设计 摘要 a b s t r a c t p o w e r d 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 f 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 ) a ss i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m sm o v ei n t o a 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 i l i t yo rah i g hd e g r e eo f p a r a l l e l i s m t h i sr e s e a r c h f o c u s e so nm i n i m i z i n gp o w e rd i s s i p a t i o ni nh i g l ls p e e dm o d e r a t er e s o l u t i o na d c s ， w h i c ha r en e e d e di na p p l i c a t i o n sr e q u i r i n gb o t hh i g hd a t ar a t e sa n dl o wp o w e r d i s s i p a t i o n ，s u c ha sl c dd r i v e r , d i g i t a lo s c i l l o g r a p h ，h a r dd i s kd r i v e ra n ds o0 1 1 t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sad e t a i l e dd e s i g nm e t h o d o l o g yf o rd e v e l o p i n ga 6 0 0 m e g a - s a m p l e s e e8 - b i ta d c i nc m o s ，w h i c ha d o p t st h ef o l d i n ga n d i n t e r p o l a t i o na r c h i t e c t u r et or e d u c et h ec o m p l e x i t ya n dp o w e rd i s s i p a t i o no ff l a s h a d ca r c h i t e c t u r e s r e s i s t i v ea v e r a g i n gi sa p p l i e da tt h eo u t p u to f t h ea m p l i f i e r st o i m p r o v ei n l d n l d u m m ya m p l i f i e r sa r ea d d e da tt h et o pa n dt h eb o t t o mo f t h e a m p l i f i e ra r r a y ss ot h a ta v e r a g i n gw o r k sw e l lo v e rt h ew h o l es i g n a lr a n g e at h s t a g ei sa d d e di nt h ef r o n tf o rh i g hs i g n a ib a n d w i d t h i no r d e r t oa c h i e v eh i g l ls a m p l e r a t e si to n l yc o n s i s t so f as w i t c h , ah o l dc a p a c i t o ra n das o u r c ef o l l o w e rt od r i v et h e f i r s ta r r a yo f a m p l i f i e r s t h en m o ss w i t c hi sc l o c k e dw i t hab o o t s t r a p p e dc l o c k s i g r 山t om a k ec h a r g ei n j e c t i o na n dr o i n d e p e n d e n to f t h ei n p u ts i g r l a 】an o v e l f o l d i n gc i r c u i tc a l l e dh y b r i dt w o l e v e lf o l d i n ga m p l i f e rw a sd e v e l o p e dt of u r t h e r r e d u c et h ep o w e rd i s s i p a t i o no ff o l d i n ga d c s h i g he f f i c i e n td i g i t a ls y n c h r o n i z a t i o n l o g i ci sd e s i g n e dt or e d u c ee r r o r sc a u s e db yt h em i s m a t c hb e t w e e n t h ec o a r s ea n df i n e c h a n n e l si nf o l d i n ga d c f a b r i c a t e di ns m i co 1 8 9 r n1 p 6 mc m o st e c h n o l o g y , t h ep r o t o t y p e a d c o c c u p i e sa na c t i v ea r e ao f o 5 6 m m 2 t h ew h o l ea d cc o n s u m e s11 0 m w w i t has i n g l e 1 8 vs u p p l yw h i l eo p e r a t i n ga t6 0 0 m h zc o n v e r s i o nr a t e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h e a d ca c h i e v es n d r f i g u r eo f 4 5 1 d b a t3 0 0 m h zi n p u t 丘e q u e n c i e s a tl a s tt h e a d c i st e ：s t e d k e y w o r d s ：a n a l o g - d i g i t a lc o n v e r t e ! l , f o l d i n g ，i n t e r p o l a t i n g ，b o o t s t r a p ，f o l d e r , n o n l i n e a r d i s t o r t i o n , o f f s e ta v e r a g e ，t h e r m o m e t e re n c o d e ，g r a ye n c o d e c l cn a m b e r ：t n4 3 2 高速、低功耗折叠内插模数转换器研究与设计 论文独创性声明 本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论文中 除了特别加以标注和致谢的地方外。不包含其他人或其它机构已经发表或撰写 过的研究成果其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确 的声明并表示了谢意 作者签名： 论文使用授权声明 本人完全了解复旦大学有关保留、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、缩印或其它复制手段保存论文保密的论文在解密后 遵守此规定 作者签名： 拓j l 礁， 导师签名： 日期： 嘲一6 一f y 第一章引言 第一章引言 英特尔创始人之一的戈登摩尔于1 9 6 5 年提出著名的摩尔定律：集成电路上 可容纳的晶体管数目约每1 8 个月会增加一倍，性能也将提高一倍。近年来随着集 成电路规模的进一步增大，晶体管按比例缩小，数字电路速度越来越快，导致数 字信号处理系统( d s p ) 的高速发展。于是，为了提高精度，降低功耗和芯片面 积，增强芯片的鲁棒性，加快信号处理速度，增强灵活性与可编程性，出现了将 信号处理从模拟领域转移到数字领域的趋势。这个趋势推动了模数转换器模 拟领域与数字领域的接口向射频方向发展。系统对于模数转换器速度的要求 越来越高。同时，由于靠电池供电的便携式设备日益普及，也要求在达到速度要 求的前提下，消耗尽可能小的功耗，以维持较长的待机时问。单片系统集成的快 速发展则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。 模数转换器是高性能混合信号系统中最重要的核心技术，而c m o s 高速模数 转换器设计更是其中的一个技术瓶颈，始终是国际上研究的热点和重点。研究和 发展新的、高速、低功耗、高噪声容限c m o s 模数转换器的算法( 结构) 和电路 实现方法，研究用深亚微米数字c m o s t 艺实现可嵌入s o c 的模数转换器核，具 有很好的理论研究价值和重要的应用背景。 1 1研究背景与应用意义 传统上，高速模数转换器被广泛地应用在测试仪器上。随着数字集成电路与 信号处理系统的快速发展，高速模数转换器的应用范围越来越广。 1 1 1 千兆以太网 图1 1a d c 在千兆以太网收发芯片系统中的应用 在高速数据通信中，由于多位编码和信号的衰减及干扰，在接收通路中需要 有模数转换器量化接收信号以进行数字方法处理。图l _ i 是基于5 类非屏蔽双绞线 高速，低功耗折叠内插模致转换器研究与设计 1 第一章引言 ( c a t - 5 ) 的千兆以太网( 1 0 0 0 b a s e - t ) 收发芯片单个通道的示意图【l 】。在 1 0 0 0 b a s e - t 的接收通路中需要四个这样的模数转换器，且与其它电路集成在同 一块芯片中，这对模数转换器的抗噪声能力、功耗和面积提出了很高的要求。 1 1 2 电视机顶盒 用于电视机机顶盒内的有线调制解调器也需要高速模数转换器，如图1 2 所 示。输入宽带信号包含6 0 个有效频道，其中，每个频道占2 0 m h z 的带宽，即输入 信号的总带宽为1 2 g h z 。若采用采样频率高于1 2 g h z 的模数转换器，则在i q 通 道内只需两个高频头。可见在电视机顶盒的应用中，模数转换器的采样频率越高， 所需高频头的数目就越少 j 妒 o e 凸 1 1 3 硬盘驱动 图1 2a d c 在电视机顶盒中的应用 图1 3a d c 在p r m l 读通道芯片系统中的应用 典型的p r m l 读通道芯片结构如图1 3 所示【2 】。虽然硬盘存储的是数字信号， 但是随着存储密度的提高，硬盘读取数据电路处理的信号在性能上越来越接近模 拟信号的特性，需要将读取到的信号量化后进行数字方法的处理。因此，高速模 数转换器在硬盘读取电路方面得到了广泛的应用。模数转换器的速度与精度是限 制硬盘读取系统性能提高的一个主要元件 1 1 4 显示驱动电路 高速模数转换器的另一个重要应用是显示驱动电路。传统的计算机显示器为 高速，低功耗折叠内插模数转换器研究与殴计2 第一章引言 阴极射线管显示器，采用3 个8 位的数模转换器在阴极射线管显示器上显示r g b 信号。随着平面液晶显示的发展，需要把r g b 信号转化为l c d , 显示所需的格式， l c d 驱动芯片所采用的结构如图1 4 所示。高端l c d 显示要求模数转换器的转换 速率达到l5 0 m h z 。 图1 4a d c 在l c d 驱动器芯片中的应用 1 2 研究现状 目前高性能模数转换器的两大主要发展方向是低速、高精度和高速、中低精 度。前者采用的结构大体上为增量一总和( s i g m a - d e l t a ) 型【3 】，可以实现1 6 比特 以上的分辨率。后者大多采用多通道时间交错技术，使模数转换器达到高速的要 求。例如：采用3 2 个通道的模数转换器可以达到采样频率为4 g h z ，分辨率为8 比特的性能【4 】；采用2 个通道模数转换器可以达到分辨率为8 比特，采样频率为 1 6 g h z 的性能【5 】；在单通道方面，为了实现高速，全并行和折叠内插结构被广 泛使用，6 比特和8 比特分辨率下分别可以实现4 g h z 和6 0 0 m h z 的采样速率 【6 】【7 【8 】。 从上面的介绍可以看到，目前发达国家对高速模数转换器的研究开发已经达 到了很高的水平。我国从7 0 年代开始研制模数转换器和数模转换器( d a c ) ，发 展至今，已研制出了分辨率8 、l o 、1 2 、1 4 和1 6 位的模数转换器产品。但是与国 外产品相比，我国研制的模数转换器在产品种类和性能水平上都存在着较大的差 距，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。 1 3 论文的主要工作 本文的目标是研究高速模数转换器的结构，并针对低功耗的应用要求，设计 并实现了一个能够工作在6 0 0 m h z 采样速率、8 比特分辨率的折叠内插模数转换 器。 在技术创新方面，本文一是在折叠器前后均加入内插电阻网络，减少电路开 销，同时也具有失调平均的作用。二是设计了层叠式折叠电路，克服了现有折叠 器电流源多、功耗高、寄生栅漏电容过大等不足。 高速、低功耗折叠内插模数转换器研究与设计 3 第一章引言 本文较为系统地研究了折叠内插模数转换器的结构，探讨了影响其性能的因 素，着重分析了折叠内插模数转换器的非线性失真以及系统参数选取标准。在此 基础上对电路的结构进行了分析和建模，着重探讨了存在于参考电压产生电阻 串、前置放大电路、采样保持电路以及折叠内插电路四个子模块中的非线性失真， 并且给出了抑制方法。 电路设计方面，电路的最前端加入了采样保持单元来提高电路的带宽。为了 获得高速采样频率，采样保持单元仅包括一个开关、一个保持电容和一个用来驱 动预放大阵列的源跟随器。其中n m o s 开关的时钟由自举电路提供，以此来使电 荷注入和导通电阻r 。独立于输入信号。比较器采用了多级比较的结构，从而提 高了比较速度，降低了功耗。 本文设计采用中芯国际( s m i c ) 的0 1 $ g m 、1 8 v 、单层多晶、6 层金属， 标准c m o s 工艺实现了一个8 比特分辨率、6 0 0 m h z 采样频率的高速模数转换 器。电路仿真结果表明：在采样频率6 0 0 m h z ，输入信号频率3 0 0 m h z 条件下， 信号与噪声及谐波失真比( s n d r ) 可以达到4 5 1 d b ，整个模数转换器消耗功耗 1 1 0 r o w 。最后对芯片进行了初步的测试。 1 4 论文的组织结构 论文共分为六章。 本章为第一章，引言部分，主要介绍高速模数转换器的研究背景、应用意义 以及研究现状。 第二章介绍模数转换器参数定义。简略介绍模数转换器结构，重点比较各种 高速模数转换器的优缺点与适用范围。 第三章详细研究和规划模数转换器的系统结构和时序。通过系统的建模和仿 真，分析了分布式采样保持电路在高速采样中的限制，和模数转换器中各模块对 整体性能的影响。 第四章对模数转换器的各模块进行详尽的电路设计，进行完整的电路仿真， 给出电路整体仿真结果，表明电路设计达到了指标要求。 第五章研究了高速模数转换器的版图设计，给出了版图后仿真的结果，并且 对芯片进行了初步测试 第六章对本论文工作进行总结并展望下一步的工作。 高速、低功耗折叠内插模数转换器研究与设计4 第二章高速模数转换器概述 第二章高速模数转换器概述 模数转换器的输入是时间和幅度都连续的模拟信号，而它的输出则是时间和 幅度都离散的数字信号。因此，模数转换器的作用就是对连续的模拟信号进行量 化。时域上的量化由采样保持电路完成( t h ) ，而幅度上的量化则是通过输入 信号与参考值的比较来实现的。我们可以把这个过程进一步分解为过零点产生 ( z g ) 和过零点检测( z d ) 的过程 1 1 】。因此，我们用图2 1 来表示模数转换器 的一般结构。在实际的应用中，采样保持并不一定是放在幅度量化的前面来完成， 它可以放在幅度量化器的各部分之白j 来实现流水线操作，或者内嵌在过零点检测 ( z d ) 电路里面。t h ，z g 和z d 的不同组合方式决定了不同的模数转换器的结 构。本章先介绍模数转换器的参数定义，然后着重介绍高速模数转换器的各种结 构。 图2 1 模数转换器基本结构 高速、低功耗折叠内插模数转换器研究与设计 5 玛 一 _ 1 训 一 第二章高速模数转换器概述 2 1 模数转换器参数定义 2 1 1 模数转换器的静态参数 i n p u ts i g n a l 图2 23 , 匣a d c 的传输特性曲线( i n l 和d n l 实例) 图2 2 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， 一个量化区问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 。对于理想情况传输特性曲线，每一个 台阶的宽度相等( 即1 l s b ) ，而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都与理想情况下的转换特性存 在着非线性误差，一般通过差分非线性( 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。d n l 和i n l 都以l s b 为单位来表征。图2 2 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 d n l 。 2 1 2 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 ) 高速、低功耗折叠内插模数转换器研究与设计 6 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基波分量，但不 包括直流分量的总有效值。计算公式如下： s n r = 1 0 1 0 9 s i g n a lp o w e r ) 眨， ( 2 ) 信噪失真比( s i g l l a j t o n o i s e - a n d d i s t o r t i o nr a t i 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 0 1 0 9 f 璺型旦竺二1 ( 2 2 ) 一ln o i s ea n dd i s t o r t i 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 c i 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 ) ( 4 ) 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 - - 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波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 = 1 0 1 0 9 。t o t a lh a r m 。i o 叫n i cd p i 。s 帕t o r t i o np o w e r 晓4 ， ( 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 9 l l 盯g 。吼h 姐s m i g n n i a 。l 。p ，o s w p e 。r i ；五- i 吾；) s f d r 的数学 ( 2 5 ) 高速、低功耗折叠内插模数转换器研究与设计 7 第一二章高速模数转换器概述 图2 3 模数转换器的s f d r 定义 o n 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 i n e ) 和时间交错式( t i m ei n m f 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 1 0 】。 表2 1 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 中 低 音频，自动控制，仪表 算法型 由由 低音频，自动控制，仪表 两步式较快低 由 视频，通信 折叠式 快低较高雷达，数据传输 流水式 较快 低一中 中视频，通信 过采样型较慢 高 由 音频，通信地球物理测量 高速、低功耗折叠内插模数转换器研究与设计 8 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高速数据通信用途的转换器，我们拟采用折叠加内 插的结构来实现。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 4 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，n 位分辨率的模数转换器需要 2 s - 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 ，dv 。 v r 哦b i j v n 咀k - 2 ) v r e 2 ) v 嘲i ) n b i t o u t p u t 一一 图2 4 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 面积和输入电容也与分辨率成指数关系。另一个缺点是比较器的输入失调限制了 全并行模数转换器所能达到的分辨率。为提高它的分辨率，可以采取一些补偿措 麓，如采用自校零技术等；但分辨率的提高是以速度的降低为代价的。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2 5 所示，它包括一个采样保持放大器，两个 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 持电路采样输入信号，在保持阶段，由第一个模数转换器量化，得到高位数字码； i 言f 速、低功耗折叠内插模数转换器研究与设计9 第二章高速模数转换器概述 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，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：并且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 m o s ts i g n i f i c a n tb i t s n 2 l e a s ts i g n i f i c a n tb i t s 图2 5 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 ea d c ) 图2 6 是流水线结构模数转换器的框图，由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经数 字校正电路得到最终量化输出。 图2 6 流水型模数转换器 输入信号由第一级子模数转换器量化输出k 位数字码，减去量化的k 位数字码 高速、低功耗折叠内插模数转换器研究与设计 i o 第二章高速模数转换器概述 所对应的模拟量后，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持电路，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 7 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。 f o l d i n gs i g n a l 弧胍 。删i 图2 7 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 ) 传统折叠结构 在传统的折叠结构模数转换器中，折叠模块在过零点产生电路( z g ) 之前 ( 图2 8 ) 。其作用是将输入的模拟信号按照折叠系数进行等分折叠，从而减少后 面的过零点产生电路( z g ) 和过零点检测电路( z d ) 的数目，而折叠器后的z g 和z d 仅对折叠后的信号幅度进行量化。粗量化部分的信息由租子通道的z g 和z d 高速、低功耗折叠内插模数转换器研究与设计 l l 第二章高速模数车专换器概述 产生。因此折叠结构模数转换器可看作是一种并行的两步式转换器，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，而是基于折叠器的模拟预处 理，租量化转换和细量化转换同时迸行，因此能够获得与全并行结构相媲美的高 转换速度而同时又有效的减少了模块的数目。 ( a ) ( b ) 图2 8 ( a ) 传统折叠模数转换器结构图：( b ) 传统模数转换器模块图 以8 比特模数转换器为例，折叠系数为8 ，将满量程的输入范围等分为8 段， 分别对应3 位租量化转换产生的高位数字码；同时对上述折叠信号进行5 位细量化 转换得到低位数字码；最后高低位数字码合起来组成8 位的数字输出。这个8 位折 叠模数转换器所需的比较器数目为： n = n 。一n f i 。= 3 8 ( 2 6 ) 而8 位全并行结构模数转换器需要2 5 5 个比较器。显然，折叠结构大大减少了比较 器数目，节省功耗。 由于量化信息存储在折叠信号的的幅度上，所以这种结构的折叠模数转换器 需要折叠操作有很高的精确度和线性度。但实际的折叠电路都有一定的非线性区 域，尤其是高速应用中，很难在速度和精度之间进行折衷，因此限制了这种模数 转换器的转换速度。 高速、低功耗折叠内插模数转换器研究与设计 1 2 第二章i 真i 速模数转换器概述 新式折叠结构 在新式折叠模数转换器中，折叠模块移到了过零点产生电路( z g ) 之后， 过零点检测电路( z d ) 之前( 图2 ，9 ) 。相比传统折叠结构中直接折叠输入模拟 信号，新式折叠结构中的折叠模块的作用转变成了复用z g 产生的过零点( z x ) ， 即，将若干等问隔的过零点( z x ) 复用到同一路折叠信号上。这种功能的转变 解放了对折叠器精度和线性度的要求，使得折叠器现在只需要保存折叠信号过零 点( z x ) 相对位置的信息，而非绝对的幅度值。 flil 一嬲h 刚dh 皿忆 c r j 葛 n o 厶 盘 - +z gz dj - - 图2 9 新式折叠结构模数转换器 在这种结构里，折叠器仍然能减少其后过零点检测电路( z d ) 的数目，但 是不能减少其前过零点产生电路( z g ) 的数目。 折叠内插结构 如前所述，在新式折叠结构中，折叠器只能减少z d 的数目，而不能减少z g 的数目。模数转换器产生2 “个过零点( z x ) 所带来的功耗和输入电容都很大。 解决此问题的方案是在折叠器之间引入内插模块( 图2 1 0 ) 。其作用是通过相邻 折叠信号之问的内插产生额外的折叠信号换言之，内插模块就是用来产生其余 过零点( z x ) 的。内插模块也可以在折叠之前使用，类似于前述的内插结构的 模数转换器。通过内插电路，有效的减少了前端的过零点产生电路( z g ) 的数 目。 内插的代价是需要折叠信号在其过零点( z x ) 附近有一定的精度和线性度。 但是相比起传统折叠结构，这种对精度的要求低得多。 简而占之，通过折叠和内插操作，z g 和z d 的数目都减少了而对折叠信号 线性度的要求仅限于在过零点( z x ) 附近的内插区域，这个区域随着折叠信号 数目的加大而减少。 高速、低功耗折叠内插模数转换器研究与设计1 3 第二章高速模数转换器概述 图2 1 0 折叠内插结构模数转换器 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，流水线模数转换器虽然在很多方面都优于其他电路，但是它并 不适合6 0 0 m h z 采样频率的要求。而全并行结构由于功耗的关系限制了它在8 位分 辨率转换器中的应用。两步式结构是以速度为代价改进了全并行模数转换器其它 方面的特性，所以也不适合用于高速系统的应用。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，适合高速应用，而它的缺点( 输入电容太大) 可以通过内插技术来克服。 基于以上考虑，我们采用折叠内插结构的模数转换器来实现论文提出的研究 目标。 表2 2 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xxxo 两步式x3 o 流水线型0003n 内插式xx o 折叠式 xxo x ：高：中； ：少；3 ：需要：一：不需：o ：失调：n ：噪声。 高速、低功耗折叠内插模数转换器研究与设计 1 4 第三章结构分析与设计 第三章结构分析与设计 本章首先对折叠内插模数转换器进行了系统失真分析，然后利用m a 凡a b 建立了系统宏观模型，针对各种失真进行了仿真并得出结论，并以此为依据设计 了本模数转换器的系统结构。 3 1 系统失真分析 在折叠内插模数转换器中，存在很多非线性失真情况，最终影响到模数转换 器的动态性能。下面，我们将详细分析这些非线性失真。 3 1 1 参考电压产生电阻串 如图3 1 所示，电阻串为共源结构的差分输入对提供参考电压，差分输入对 则根据参考电压值确定过零点的位置。但由于输入信号通过输入对管的栅源电容 耦合至参考电阻串，导致参考电压的波动，使过零点偏移【1 7 】。图3 1 是计算输入 信号对参考电压影响的模型【3 4 】，其中，总的参考电阻值为r ，它被均分为4 份； 输入端与参考电压端之间总的寄生电容值为c ，它被分成5 份，在边界处，由于 边界效应，假设此时的电容值是中间处电容值的一半。各电阻和电容的取值如图 3 1 中所示。假设在最高和最低参考电压处( 一般由外接电压提供) 有良好的退 耦机制，即这两个节点的电压值保持不变，那么耦合电压最大的节点在电阻串的 中间，即节点圪。处。由基尔霍夫电流定律可得： 蜊：；丝塑一：典型一 ( 3 1 ) g ) p 2 + 6 4 p + 5 1 2 盯2 + 3 2 0 + 1 2 8 式中，p = r s c ，仃= n f , r c ，兀是输入信号频率。当盯 l 时，式( 3 1y 可以 简化为： 鱼v = 三4 厶r c ( 3 2 ) jm 所以参考电阻串中的电阻值定义为： r ：墼：o l ( 3 3 ) 巧s n 2 6f 、，c 式中，o 是模数转换器所能忍受的参考电阻处的耦合干扰电压( p a l s b 为单位表 示) ，n 是模数转换器的分辨率。对于8 比特分辨率的模数转换器，如果寄生电容 c = i p f ，最大可以忍受的耦合干扰电压为i l s b ，输入信号带宽是1 0 0 m h z ，那么 参考电阻串的总的最大电阻可以取约5 0 f l 。如此小的电阻会消耗很大功耗。 高速、低功耗折叠内插模数转换器研究与设计 1 5 第三章结构分析与设计 ( a ) 图3 1 ( a ) 输入信号对参考电压影响示意图：( b ) 参考电阻串模型 幸运的是，如果输入信号是差分形式，那么上述情况就可以避免。每个参考 电压都可以用到两次，分别与两个差分输入信号作为差分对的输入，如图3 2 所 示。这样一来，在理想情况下，+ 、圪一与之间的寄生电容相同，对的 串扰大小相同，但相位相反，正好可以抵消，p 0 得以保持稳定。本文中研究的 模数转换器的模拟输入信号就是采用差分形式 另一个解决的方法是在参考电阻串的中间增加退耦电容，以减少差分输入对 参考电压的干扰。退耦电容可同时加在片上和片外。把参考电阻串的中间电平引 出至片外的另一个优点是可以为输入信号提供共模输入电压【1 8 】。 r e f e r e n c ei a d d e r 图3 2 差分输入抵消输入干扰 3 1 2 前置放大电路 在大部分模数转换器中，信号往往会输入到一个幅度与带宽都受到限制的电 路，例如折叠内插模数转换器中的前置放大电路 3 5 】。通常情况下，输入信号的 幅度会远远大于单个差分前置放大单元的线性区域。一个满幅正弦信号输入到前 置放大阵列，可以看作是不同斜率的线段连接，如图3 3 所示。由于不同参考电 压处输入信号斜率的不同，导致输出信号过零点延迟的不同，在系统中引入非线 性失真，最终限制了系统的动态性能。 下面我们通过一个简单的模型来进一步分析由于过零点延迟的不同而引入 高速、低功耗折叠内插模数转换器研究与设计 1 6 ja口暑r1 duc3jq崔 第二章结构分析与设计 的非线性失真。这个模型由一个幅度受限电路和一个带宽受限电路组成，如图3 4 所示。一条两端饱和中间线性，不经任何平滑处理的传输曲线来模拟幅度受限电 路，带宽受限电路则由一个简单的r c 网络来模拟。现在假设输入信号处于幅度 受限电路的线性区域，并以一个固定斜率上升，这时，r c 网络的输入信号为斜 波函数，如图3 5 所示。当幅度受限电路的输出信号达到满幅时，输入n r c 网络 的信号由斜波变为阶跃函数。在正常的模数转换器转换中，只有当幅度受限电路 的输出是斜波信号时，r c 网络才会影响输出。因此我们用一条斜率可变的斜波 来模拟受限输入信号，且定义参数： 图3 3 幅度带宽受限电路的时间延迟问题 1 凡土 - 肛。 a m p l i t u d e b a n d w i d t h l i m i t i h gc i r c u i tl i m i t i n gc i r c u i t 图3 4 放大器简单非线性模型 高速、低功耗折叠内插模数转换器研究与设计1 7 第三章结构分析与设计 t s v t r = a | g a 石= i 2 ，r r c = 2 t r 丘 t a2 t 3 一t l hh bt 图3 5r c 网络对于斜波信号的响应 输入信号 幅度受限电路输出信号 带宽受限电路输出信号 模数转换器满幅输入量程 放大器增益 模数转换器输入信号频率 模数转换器输入信号斜率 幅度受限电路输出信号斜率 模数转换器最大输出电压 信号延迟确定处的相对输出电压 幅度受限电路输出信号初始时刻 幅度受限电路输出信号达到“a 电平的时刻 幅度受限电路输出信号达到最大值a 电平的时刻 带宽受限电路输出信号达到“4 电平的时刻 放大器线性输入区域 放大器一3 d b 带宽 输入与输出斜波信号间的延迟 假设输入信号为： 圪= 知研 对式( 3 4 ) 进行微分得到输入信号斜率： ( 3 4 ) 高速、低功耗折叠内插模数转换器研究与设计1 8 珞白届sa k 如“如 第三章结构分析与设计 s ：生甜c o s 耐 ( 3 5 ) z 由于幅度受限电路的增益为g ，可以得到其输出信号斜率( 即输入到r c 网络的 信号斜率) 为： 矿。 = q 等o j c o s o m ( 3 6 ) 因此，如图3 5 所示，幅度受限电路的输出信号又可以表示为： = 瓯。0 ( 3 7 ) 令t o 为坐标原点，对( 3 7 ) 拉普拉斯变换( 将其看作斜率为的斜坡信号) ，得： v i n ( s ) = ，j 2 ( 3 8 ) 而r c 网络的传输函数为： 耶) = 百 ( 3 9 ) 相乘可以得到r c 网络的输出响应： 啪，= 蒜刮；坷c 嵩刀 拉普拉斯反变换可以得到其时域输出： l ( ，) = ，- r c ( i - e ”) ( 3 1 1 ) 对应于相同的输出电压值b a ，图3 5 中和慵在延时协 l 6 ：a = s 。= s 。一s 。r c ( i p 肥) ( 3 1 2 ) t a = ，3 - t l = r c ( 1 一p “) ( 3 1 3 ) 其中： t 3 = t o + 以( ，2 - t o ) + g ( 3 1 4 ) ，2 一f 0 2 西a ( 3 1 5 ) 当毛 t 2 时，将( 3 1 4 ) 、( 3 1 5 ) 及( 3 6 ) 代入( 3 1 3 ) 中可得： 例c ( h 毕h h 茜一 - 6 ， 当输入信号斜率发生变化时，重要的参数是与信号斜率相关的延迟时间的变化 高速、低功耗折叠内插模数转换器研究与设计 1 9 第三章结构分析与设计 t d = r c 一6 t t ( 3 1 7 ) 将( 3 1 7 ) 代入( 3 1 6 ) ，可得输入信号与延迟变化吼之间的关系： ：一意+l。yt4_!$ta r c e：r c e 嚣笔告( 3 1 8 )= “w = j “( ) 图3 6 表示输入信号幅度的变化与延迟变化时间由。之间的关系。 吼达到最大值： 6 t d = r c e v k “j ! 生! 生纽+ 丑。1 当c o $ t = 1 时， ( 3 1 9 ) 因此，为了得到最小的