（微电子学与固体电子学专业论文）标准数字cmos工艺下视频模拟前ip核的设计.pdf

复旦大学硕 ：学位论文 摘要 视频模拟前端芯片主要的功能是对模拟视频信号进行滤波、放大和量化， 使模拟信号转换成可以被数字信号处理模块处理的数字信号。视频模拟前端被 广泛地应用于数码相机、摄像机、数字电视和监视器等消费类电子产品中。因 此，设计高性能、高兼容性、低成本的视频前端芯片具有很大的市场价值。本 文的研究课题是带宽和增益可配置的高速、高精度、低功耗的视频模拟前端 ( v i d e oa n a l o gf r o n te n d ，v a f e ) i p 核。 本文设计了一个1 0 位精度、1 0 0 兆赫兹采样频率的视频模拟前端口核。 该口核的主要模块有箝位电路、低通滤波器( 1 0 wp a s sf i l t e r , l p f ) 和集成了可编 程增益放大器( p r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e r , p g a ) 的流水线模数转换器( a n a l o g d i g i t a lc o n v e r t e r , a d o 。本文研究了视频模拟前端各主要模块性能和模拟前端的 整体性能之间的关系，并在这些研究的基础上，根据系统性能可配置的设计思 想，提出了适合各个模块的不同的可配置方案。 作者通过研究不同结构的箝位电路，提出了适合本模拟前端的电荷泵结构 的箝位电路，利用数字信号控制箝位电路的充放电电流，实现了高速高精度的 箝位功能。为了满足视频信号对带宽的要求，本文提出了具有高通带、带宽可 配置的低通滤波器。低通滤波器的最大带宽可达4 0 兆赫兹，并且可以通过调节 电阻阵列实现带宽可调。 最后，本文设计了一个1 0 位1 0 0 兆赫兹流水线结构的a d c 。这个a d c 集 成了一个p g a ，实现了增益可调。并且采用错列金属叉指电容和共极板金属叉 指电容来代替金属绝缘体金属( m e t a l i n s u l a t o r - m e t a l ，m i m ) 电容，达到了与 m i m 电容接近的性能。本文还使用了对称栅压自举开关、衬底自适应变换开 关、薄栅输入对管运算放大器等技术，降低了a d c 的功耗并且提高了线性度。 这个a d c 采用0 1 8l x m 标准数字c m o s 工艺进行了流片和测试，电源电压为 3 3 1 8v ，芯片面积为2 7m m 2 ，测试结果显示当采样频率为1 0 0m h z ，输入信 号为5 1m h z ，幅度为满幅( 差分2 v ) 的正弦波时，输出信号的信号噪声失真比 ( s i g n a lt on o i s ea n dd i s t o r t a t i o nr a t i o ，s n d r ) 为4 8 7d b ，有效位数( e f f e c t i v e n u m b e ro f b i t s ，e n o b ) 为7 8 位，功耗为5 3 毫安。作者根据对a d c 测试结果的 研究，改进了电路，并且将a d c 和箝位电路、低通滤波器整合成一个完整的 v a f ei p 核，该i p 核已完成版图设计，目前正在流片测试阶段。 关键词：视频模拟前端、箝位电路、带宽可配置低通滤波器、增益可编程放大 器、流水线模数转换器、数字c m o s 工艺。 复_ 口大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em a i nf u n c t i o no ft h ev i d e oa n a l o gf r o n te n d ( v a f e ) i sf i l t e r i n g ，a m p l i f i e r i n g a n dq u a n t i f y i n gt h ev i d e os i g n a l st om a k et h e mp r o c e s s a b l ef o rt h ed i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r s v a f ei sw i d e l yu s e di nc u s t o mc i r c u i t ss u c ha sd i l g i t a lc a b _ c t a s ，d i g i t a l t e l e v i s i o na n dm o n i t o r s t h e s ek i n d so fp r o d u c t sh a v el a r g em a r k e tn o w , s o d e s i g n i n gh i g h l yc o m p a t i b l ev a f ew i t l lh i g hp e r f o r m a n c e ，h i g hr e s o l u t i o na n dl o w p o w e ri sl a r g e l yr e q u i r e d t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yi n v e s t i g a t e st h ed e s i g no f c o n f i g u r a b l ev a f ei n t e l l i g e n c ep a t e n t ( i p ) c o r ew i t hh i g hs p e e d ，h i g hr e s o l u t i o n a n dl o wp o w e r a1o b i t ，10 0m s sv a f ei sd e s i g n e di nt h i st h e s i s t h em a i nm o d u l e so ft h i s v a f ea r ec l a m p ，l o wp a s sf i l t e r ( l p f ) ，a n dap i p e l i n ea n a l o gd i g i t a lc o n v e r t e r ( a d c ) w h i c hi n t e g r a t e sap r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e r ( p g a ) t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ep e r f o r m a n c eo ft h em a i nm o d u l e so ft h ev a f ea n dt h a to f 虹e 嬲a w h o l ei sa n a l y s e di nt h ed i s s e r t a t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i s ，t h em a i nm o d u l e sa r e c o n f i g u r e dr e s p e c t i v e l y t h ea u t h o rp r o p o s e dc h a r g e - p u m p s t r u c t u r e dc l a m pc i r c u i tw h i c hs a t i s f i e st h e r e q u i r e m e n to ft h ev a f e t h ed i g i t a ls i g n a l sd e d d et h eo u t p u tc u r r e n to ft h ec h a r g e p u m pw h i c ha c h i e v e sh i 曲s p e e da n dh i g hr e s o l u t i o np e r f o r m a n c e i no r d e rt o s a t i s f yt h er e q u i r e m e n ta b o u tt h eb a n d w i d t ho ft h ev i d e os i g n a l s ，t h i sd i s s e r t a t i o n p r o p o s e sat u n a b l el o wp a s sf i l t e r , w h o s el a r g e s tb a n d w i d t hi s4 0m h z t h e b a n d w i d t ho ft h el p fc a nb et u n e db yc h a n g i n gt h ev a r i a b l er e s i s t o ra r r a y s a10 - b i t10 0m s sp i p e l i n ea d ci s d e s i g n e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h i sa d c i n t e g r a t e sap g at om a k ei t sg a i nt u n a b l e i nt h i sa d c ，s t a g g e r e dm e t a lf i n g e r ( s m f ) c a p a c i t o ra n dc o m m o np l a t em e t a lf i n g e r ( c p m f ) c a p a c i t o rs u b s t i t u t em i m c a p a c i t o r , a n da c h i e v ea l m o s tt h es a m ep e r f o r m a n c ea st h em i mc a p a c i t o r d e s i g n t e c h n i q u e ss u c h 嬲s y m m e t r i cb o o t s t r a p p e ds w i t c h , b u l k - s w i t c h i n gs w i t c ha n d o p e r a t i o n a la m p l i f i e rw i mt h i n - g a t ei n p u tt r a n s i s t o r sa r eu s e dt oe n h a n c et h e l i n e a r i t ya n dr e d u c et h ep o w e ro ft h ea d c t h ea d ci sd e s i g n e di nt s m co 18 t m 1 8 3 3 vc m o sp u r el o g i cp r o c e s s ，o c c u p i e s2 7m m 2a n dc o n s u m e s5 3 m af o r 10 0 - m s so p e r a t i o n t h ed y n a m i cr a n g eo ft h ei n p u td i f f e r e n t i a ls i g n a li s2 v t h e s i g n a l 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 ) i s4 8 7d bf o raf u l l s c a l es i n u s o i d a l i n p u t ，r e s p e c t i v e l y t h ea u t h o ri m p r o v e st h ec i r c u i t sb a s e do nt h er e s e a r c ho ft h e 2 复日大学硕上学位论文 t e s tr e s u l t so ft h ea d c a n di n t e g r a t e st h ea d cw i t ht h ec l a m pa n dl p ft om a k ea c o m p l e t ev a f ei pc o r e t h el a y o u to f t h i si pc o r eh a sb e e nc o m p l e t e d k e y w o r d s ：v i d e oa n a l o gf r o n te n d ，c l a m p ，l o wp a s sf i l t e rw i t hp r o g r a m m a b l e c u to f f f r e q u e n c y , p r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e r , p i p e l i n e da n a l o g - t o - d i g i t a l c o n v e r t e r ；, c m o sl o g i cp r o c e s s ； 3 复日人学硕：学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 视频模拟前端( v i d e oa n a l o gf r o n te n d ，v a f e ) 应用于数码相机，摄像机和高 清电视中，随着高清电视的推广，高性能、低成本的视频模拟前端芯片有着巨 大的市场。根据市场调研公司i s u p p l i 的预测，摄像机、视频服务器、个人电 脑、电视、外围设备和软件等构成的各种设备的市场总额将在2 0 1 0 年达到7 1 亿美元，远高于2 0 0 6 年的7 3 1 亿美元；到2 0 1 0 年，视频监控摄像机的销售收 入将达到3 9 亿美元，远高于2 0 0 6 年的3 o l 亿美元。面对着空前的机遇，t i 、 a d i 、f r e e s c a l e 等国际著名芯片厂商推出了针对视频监控的一系列解决方案， 并不断更新该领域的技术。 高性能的视频模拟前端i p 核是前端数据采集乃至整个整个监控网络的最重 要部分，它将负责原始场景的采集和预处理。为符合标清、高清视频监控要 求，并切合电视与p c 融合的发展趋势，高清晰度、多功能、低功耗、低成本 的视频模拟前端m 的研发是各开发商提供具有竞争力的视频监控解决方案的关 键，也是体现核心竞争力的所在。 本文介绍了一种在纯数字工艺下设计的模拟前端i p 核。该i p 核包括箝位 电路、缓冲器和可配置低通滤波器、可变增益放大器，同时还集成了一个1 0 位 1 0 0 兆赫兹的流水线模数转换器。一般来说，c m o s 混合信号工艺能够提供性 能比较可靠的金属绝缘体金属( m e t a l i n s u l a t o r - m e t a l ，m i m ) 电容，纯数字工艺无 法提供这样的电容，但是纯数字工艺制造成本比混合信号工艺低。本设计采用 纯数字工艺设计模拟视频前端，不仅可以降低成本而且适合与数字模块集成。 为了解决数字工艺中无法使用m i m 电容的问题，本设计采用了金属叉指电容， 经过测试验证，金属叉指电容能够达到与m i m 电容接近的性能。 1 2 视频模拟前端芯片的应用 模拟前端( a n a l o gf r o n te n d ，a f e ) 的应用范围已经超出定制芯片，如今，设计 者可从多个a f e 配置中作出选择，从而满足多种市场需求。一些a f e 芯片具 有特定的用途，针对有线和无线通信，图象处理以及工业控制。还有一些a f e 芯片为通用构造单元，这些a f e 芯片可以是“少数字，多模拟”电路。这种类 型的a f e 包括一个或多个数据转换器，并带有其它微控制器( m i c r o c o n t r o l l u n i t m c u ) 和外围设备。 复旦大学硕七学位论文 一般来说，所有a f e 的共同特点是它们拥有数据转换器，即数模转换器 ( d i g i t a la n a l o gc o n v e r t e r , d a c ) 和模数转换器( a n a l o gd i g i t a lc o n v e r t e r , a d c ) 。 数模转换器的结构没有大的区别，但模数转换器可以是架构，逐次逼近架 构或流水线架构。每种架构在吞吐量、分辨率、延迟、过滤要求、功耗和硅占 用面积方面均有局限性。自然，不同的转换器架构将在不同的目标应用中不同 的表现。 转换在窄带无线应用中特别有用，因为它高度的选择性和非常大的瞬 时动态范围。最初，瞄准的是高解析率、慢反应应用，如磅秤。后来，它 们被应用到音频领域。芯片制造技术的进步使得结构将采样器内核的采样 速率提升至每秒2 0 兆个采样，这也使得有效带宽增加到2 5m h z ，同时产生了 1 6 位有效解析率。另一方面，尽管转换在窄带无线应用中具颇具吸引力， 但是该结构不适合宽带应用。相反，逐次近似转换器通常被用于工业控制和测 量中的中高速宽带应用。现在，1 6 位每秒3 0 0 兆个采样的逐次近似转换器较为 普遍，它们成本也较低廉。流水线结构的a d c 可用于只需8 或1 0 位解析率及 每秒l o 兆个采样的转换速率的应用。流水线式结构引入了延迟设计，但具有较 高的芯片处理效率。相比较而言，通过分阶转换，一个流水线式转换器所需要 的比较器数量大大减少，然而延迟将达到6 至7 个周期。不过延迟并不是反馈 回路控制系统中的一个重要的问题，因为转换器的延迟对於整个信号链中的所 有延迟来说微不足道。 现在，许多新的a f e 产品瞄准了各种不同的应用，市场上也出现了几种广 泛应用的通用a f e 。a n a l o gd e v i c e s 、t e x a si n s r u m 肌t s 和s t m i c r o e l e e t r o n i c s 以及其它公司拥有许多瞄准大量应用领域的a f e 产品。 2 0 0 5 年末，p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 引入了t d a 8 7 5 4 三倍8 位视频数据转换 器，可用于液晶显示( l c d ) 监视器、投影仪和电视机。该芯片可接收模拟 r g b 或y u v 信号，并将它们转换为数字信号输出，用于分辨率高达q x g a ( 刷新速率8 5h z 时分辨率为2 0 4 8 1 5 3 6 ) 的高速平面显示器或高保真电视接 收机。 不同供应商对复合模数转换器a f e 有不同的设计，包括管脚短接或通过一 个串口利用寄存器编程控制单个或多个数据转换器。在l i n e a rt e c h n o l o g y 的 l t c l 8 5 9 5 1 中，有一个芯片内置的8 信道多路器，可以向1 0 或1 2 位逐次逼近 a d c 传输信号，如图1 1 所示。该a f e 为扫描模式，可以在所有八个信道问重 复循环，并且可以通过按顺序编程连续扫描到多达1 6 个地址和配置，也可以读 取顺序记忆体。所有这些均通过短接a f e 封装上的管脚来控制。 复旦人学硕上学位论文 图1 1l i n e a r t e c h n o l o g y 的l t c l 8 5 1 系统架构 l t c l 8 5 0 系列中的8 位和l o 位产品各包含一个逐次近似a d c 和一个内置 式8 信道多路器。绝对采样速率可达每秒1 2 5 兆个采样。但是，实际速率取决 于正在采样的输入数量。也就是说，如果该设计中仅要求两个输入信道，各信 道须与多路器的四个输入口连接，各信道的有效采样速率为每秒6 2 5 兆个采 样。在各多路器信道的输入各不相同时，吞吐能力应为每秒1 5 6 兆个采样。 a n a l o gd e v i c e s 的a d 7 2 6 6 a 采用了相似的设计理念。该设备整合了两个独 立的1 2 位逐次近似a d c ，可允许同步采样和两个信道转换，吞吐能力达每秒2 兆个采样。每个a d c 均包括一个三信道多路器和一个能处理超过1 0m h z 输入 频率的低噪声、大带宽跟踪保持放大器。每个a d c 拥有两个模拟输入口，且有 三个完全不同的且可以编程的信道对或六个单端信道。各信道的转换结果可在 不同的数据线上同时读取或在一根数据线上连续读取。 复且大学硕卜学位论文 图1 2m a x l 4 0 2 系统架构 m a x i m 的m a x l 4 0 2 采用一个调节器和一个数字采样滤波器以获得1 6 位的分辨率，如图1 2 ，所示。可以通过设置m a x l 4 0 2 的输入多路器来管理三个 完全差动信号或五个伪差动信号。该多路器有两个可以被旁路的缓冲器，一个 增益可以从1 到1 2 8 变化的p g a ，一个用来消除系统偏移的d a c 和一个 转换器。1 位数据流通过一个可配置为s i n c l 或s i n c 3 的集成数字滤波器过 滤。转换结果可通过一个s p i q s p i 兼容性三线串口产生。 除某些产品，如s i l i c o nl a b s 的m c u 芯片和c y p r e s s 的p s o c 结构a s i c 之外，多数芯片制造商有意限制了他们的a f e 所包含的数字成分。a n a l o g d e v i c e s 的产品经理和高级应用工程师指出，避开执行完全的单芯片系统( s y s t e m o n ac h i p ，s o c ) 的原因是多方面的。首先，芯片的制造工艺技术能最佳地契合模 拟电路而非数字电路。再则，随着芯片设计逐渐采用新方法，芯片的模拟部分 的减少速度低于数字部分的减少速度。最后，利用尖端的芯片生产工艺技术将 过高程度的数字功能和模拟功能合并，会增加新设计的方案不符合规格的可能 性。这将意味着要重新设计，同时增加其它隐性费用。在专用a f e 中，只有在 系统对数据转换器性能的要求为中等且潜在销量较大时( 比如，每年出货量达数 千万个单位) 才可以接受该风险。 复且大学硕上学位论文 在宽带无线市场和新兴的有线通讯市场，相对适中的潜在销量和对高转换 器性能的需求意味着“多模拟，少数字”芯片的分割。例如，流视频高保真电视 要求吞吐能力达到7 0m b s ，这些a f e 采用了成熟的处理技术，比如0 1 3i n n 或o 1 8 岬工艺。它们主要由模拟功能构成，仅包含适当数量的数字功能。该 系统的数字成分在一个采用更为先进的加工技术生产的芯片上得到了提升。 1 3 本文的研究目标 本文的设计目标是通过采用0 1 8i n nc m o s 纯数字工艺，设计一个1 0 位分 辨率，1 0 0 兆赫兹采样频率的视频模拟前端i p 核。该口核将作为一个通道，用 于一个三通道的视频信号处理系统，该系统用于处理r g b 、y u v 或其他视频 信号。为了能够适应不同视频协议的需要，本视频模拟前端i p 核采用了性能可 配置的系统设计方法，它的带宽、增益和量化范围均可通过数字信号进行配 置，满足不同视频协议的需要。本视频模拟前端口核没有采用模拟电路常用的 混合信号工艺，而采用纯数字工艺，是因为三通道的视频处理系统将与数字信 号处理系统集成，采用纯数字工艺能够提高系统之间的集成度，还能够降低芯 片的制造成本，因为混合信号工艺的制造成本比纯数字工艺要高。 1 4 本文的主要工作和贡献 本文作者查阅了大量关于模拟前端方面的资料，系统地研究和对比各种电 路的结构和性能，在导师洪志良教授的指导下，采用1 8 3 3 vo 1 8pmc m o s 纯数字工艺，设计了一个1 0 位精度、1 0 0 兆赫兹采样频率的低功耗视频模拟前 端m 核。它的主要模块有箝位电路、低通滤波器和a d c 。该口核具有带宽、 增益和量化范围可配置功能。 现已完成a d c 的电路设计、版图设计和流片测试工作，以及视频模拟前端 m 核的电路设计、版图设计和仿真的全部工作。对a d c 的测试结果显示，在 纯数字工艺下设计模拟电路能够达到预期性能，a d c 的功耗仅为5 3m a ，其静 态和动态指标均达到或超过国内先进水平。本文的主要贡献体现在以下几个方 面： 在系统设计方面，作者设计了一个能够适应不同需要的、性能可配置的视 频模拟前端系统，提出了系统带宽、增益和量化范围各自的配置方案：系统的 带宽采用可变电阻阵列进行配置；系统的增益采用可变电容阵列进行配置；系 统的量化范围采用数模转换器进行配置。本文研究了视频模拟前端的指标同各 个子模块的性能之间的关系，建立了视频模拟前端的误差和噪声模型，得出了 复_ 日大学硕七学位论文 一些功耗优化的结论。并且在此基础上，总结出一个可配置高速低功耗视频模 拟前端m 核的设计流程。 本文提出了一种电荷泵结构的箝位电路，通过对视频信号行速、帧速的计 算和分辨率的要求，确定了箝位电路中电荷泵电流的大小和控制位数，实现了 高速高精度的箝位功能。 作者研究了不同结构的低通滤波器，最终采用有源r c 巴特沃思低通滤波 器，通过多级前馈技术提高了滤波器中的运算放大器的带宽，使得滤波器的最 高带宽可达4 0m h z 。并且利用可变电阻阵列实现了滤波器带宽可调。 本文还完成了1 0 位、1 0 0 兆赫兹流水线a d c 的设计，该a d c 集成了一个 宽带可编程增益放大器( p r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e r , p g a ) ，实现了增益8 档可 调，。针对在纯数字c m o s 工艺下实现开关电容流水线a d c 对电容的特殊要 求，本文采用两种利用金属层互连线寄生电容的电容实现方法【1 1 ：具有高单位面 积电容率的错列金属叉指电容和具有很好匹配特性的共极板金属叉指电容。通 过对电容的后端仿真，得出了这两种电容的小信号模型，分析了电容的寄生参 数对电路的影响。本设计还使用对称栅压自举开关，摆幅优化的套筒式o t a 输 入对管采用薄栅管，降低了o t a 的功耗，运放的单位增益带宽达到1 5 g h z ； 采用衬底变换开关减小了开关导通电阻；实现了片内参考电压，并且提供了关 闭内部参考源，接受外部偏置电压源的模式；整个芯片可在系统控制下进入低 功耗的休眠模式，此时功耗仅为2 2 6u a 。 1 5 本文的组织结构 本论文的组织如下：第二章概要介绍视频模拟前端的系统结构和性能指标 以及主要模块。第三章提出了带宽、增益和量化范围可配置的系统设计方案。 第四章从系统设计的角度分析了模拟前端中各个模块对系统非线性误差的贡 献。第五章介绍了一个高速高精度视频模拟前端的设计过程，包括电路设计和 版图设计。第六章介绍了电路仿真结果和测试方案。第七章给出研究结论和对 未来的展望。 复r 日大学硕上学位论文 第2 章视频模拟前端i p 核概述 2 1 视频模拟前端的系统结构 如图2 1 所示，视频信号处理系统由模拟前端i p 核和数字信号处理电路两 部分构成，虚线框中为本文设计的模拟前端i p 核，包括隔直电容、缓冲器和低 通滤波器( 1 0 wp a s sf i l t e r , l p f ) 、可编程增益放大器( p r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e r , p g a ) 、a d c 、箝位电路和参考源。 - - - - - - _ 一- - _ 一 图2 1 系统结构框图 由于外部输入的视频信号的共模电平和模拟前端内部的共模电平不一致， 所以需要使用隔直电容将外部的直流信号和内部的分开。在本文的设计中，这 个电容采用片外大电容实现。 由于隔直电容上的电压会由于电荷泄漏等原因发生变化，为了保证芯片内 部的共模电平稳定，需要使用箝位电路。箝位电路充放电的电流大小由数字信 号处理电路控制，控制电流大小的是3 位数字信号，控制充放电的是s u p 和s d 信号。输入信号经过a d c 转换成数字量，数字信号处理电路将数字量同预先设 定好的阂值比较，产生控制箝位电路的数字信号，确定对电容充放电的电流1 0 t l t 的大小。c l a m p有效时，箝位电路将输出电压调整到能使缓冲器正常工_reset 作的范围内。 缓冲器和低通滤波器，低通滤波器用于滤除高频噪声，它的截止频率可以 通过2 位数字信号来配置。由于本文采用的滤波器存在直流通路，如果将滤波 器的输入端直接接到隔直电容上会导致输入共模电压持续下降，所以需要通过 复口大学硕+ = 学位论文 缓冲器加以隔开。 p g a 的增益可以在l 到2 之间调节，增益大小由3 位数字信号控制。当输 入信号比较小时，通过增大p g a 的增益，可以使视频信号的幅度增大到接近满 幅，使得显示在屏幕上的图像始终保持比较高的亮度和对比度。由于视频信号 是单端信号，所以需要p g a 把单端信号转变成a d c 可以处理的差分信号。 除了上述模块，本视频模拟前端i p 核还集成了一个l o 位1 0 0 兆赫兹采样 频率的流水线a d c ，该a d c 已经流片测试成功，达到预期的性能。另外，本 模拟前端实现了参考源片内产生。 2 2 视频模拟前端的性能指标 为了精确地描述模拟前端的性能，必须先介绍一些描述模拟前端性能的参 数。微分非线性( d i f f e r e n t i a ln o n 1 i n e a r i t y , d n l ) 和积分非线性( i n t e g r a t en o n - l i n e a r i t y , i n l ) 用来描述模拟前端的静态特性，信号一噪声比( s i g n a lt on o i s er a t i o ， s n r ) 、总谐波失真( t o t a lh o a r m o n i ed i s t o r t i o n , t h d ) 、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 ) 、信号- 噪声和失真比( s i g n a lt on o i s ea n d d i s t o r t i o nr a t i o ，s n d r ) 和有效位数( e n o b ) 用来描述模拟前端的动态特性。 2 2 1 微分非线性( d n l ) d n l 是用来描述电路归一化传输函数的步长的指标，它的定义是归一化传 输函数曲线( 如图2 1 所示，较粗的线是理想传输曲线，较细的线是实际传输 曲线) 上理想步长和实际步长之间的差，通常以最低量化位( 1 e a s ts i g n i f i c a n t b i t ， l s b ) 作为单位。理想的步长由式( 2 1 ) 表示： i s z = 等芋 ， 其中i s z 表示理想步长，表示a d c 最大量化值，表示a d c 最低量化 值，表示a d c 的分辨率。 复日大学硕上学位论文 皂了 簿 讳 籁 图2 1 模拟前端的传输函数曲线 模拟输入 量化码行的d n l 可以由式( 2 2 ) 表示： d n l ( 甩1 = s z ( , o - z s z ( 2 2 ) 1。lsz 其中s z ( n ) 是量化码捍的实际步长，根据定义，d n l 的值不能小于1 ，如果 d n l 的值等于1 ，那么量化码捍就无法在传输函数曲线中显示，称为失码。实 际上，系统的d n l 被定义为能够被测到的系统最大正d n l 和负d n l 。d n l 对于系统频谱的噪声底有影响，在理想情况下，如果不考虑d n l 和其他噪声， 噪声底由理想量化噪声决定，而量化噪声只由l s b 决定。如果考虑d n l 的影 响，那么量化噪声和噪声底将会变大【2 1 。 2 2 2 积分非线性( i n l ) i n l 用于表示系统传输特性曲线的线性度。i n l 被定义成实际的量化台阶 的中点和理想的量化台阶的中点之间的距离，它是a d c 理想的输出曲线和实际 的输出曲线之间的偏差。另一种对i n l 的定义是，量化码，l 的i n l 是将d n l 从量化码0 到量化码刀积分得到的，如式( 2 3 ) 所示： 舭( ，1 ) = 砒( f ) ( 2 3 ) i = 0 因为i n l 是模拟前端传输函数曲线的非线性度，所以它是频谱中杂散成份 的一部分。如果输入频率较低而任何与速度有关的电路性能恶化都可以忽略， 那么如果电路的i n l 降低，则电路的s f d r 会升高。和d n l 一样，系统的 i n l 由所有量化码的i n l 的最大值决定。 复日人学硕上学位论文 2 2 3 信号噪声比( s n r ) s n r 是信号的基频幅度k 辔和其它所有频率分量( 除去直流分量) 的均方 根和的比值。s n r 通常由2 4 式表示，单位是分贝( d b ) 。 册- 2 0 l 。g f 堡1 ( 2 4 ) 理想情况下，只考虑量化噪声的影响，理论上最大的s n r 可以由式 ( 2 5 ) 表示： 册= 6 0 2 n + 1 7 6 + 1 0 l o g 刊 5 ) 其中是a d c 的精度，石是采样频率，而是输入信号的最高频率。输入信 号频率不变而采样频率升高，s n r 会增加。这是因为量化噪声的功率是常数， 而且和频率没有关系，当采样频率增加，量化噪声在一个更宽的频带上平铺。 2 2 4 信号噪声和失真比( s n d r ) s n d r 就是信号的基频分量与噪声以及谐波分量之和的比值，不包括直流 分量。 一= 2 0 l o g ( 嘉) 泣。 其中，a s g 是输出信号的基频分量，是所有噪声的均方根和，以是谐波分量的 均方根和。 2 2 5 总谐波失真( t h d ) t h d 是所有谐波分量的均方根的和，通常情况下，谐波分量只计算到基频 的1 0 倍频，因为更高频的谐波分量的功率和基频分量相比可以忽略不计。如果 谐波的频率高于n y q u i s t 频率，它会混叠到相应的小于n y q u i s t 频率的分量上。 假设h d 口是信号的直流分量，h d j 是信号的基频分量，h d 2 是信号的2 倍 谐波分量，h d 3 是信号的3 倍谐波分量，依此类推，那么t h d 可以由式 ( 2 7 ) 所示： 珏国= 2 。g s i h d 21 2 + i h d s1 2 + ： ( 2 7 ) 2 2 6 无杂散动态范围( s f d r ) 无杂散动态范围( s f d r ) 是基频分量的幅度和最大的谐波分量的幅度之间 的差。s f d r 描述了当小幅度输入信号的频率附近有一个幅度很大的干扰信号 时，a d c 检测这个输入信号的能力，如图2 2 所示。这个参数是通信系统的应 用中一个非常重要的指标。 复旦大学硕上学位论文 基波信号 t i i 无杂散动态范围 i 。- 1 了_ _ _ 一 图2 2 无杂散动态范围 噪底 2 2 7 有效位数( e n o b ) a d c 的有效位数可以通过s n d r 计算得到，联列等式( 2 5 ) 和( 2 7 ) ，可 以得到： 一-176-10109(老)enob= ：唑z 通常情况下，e n o b 被定义在最大输入信号频率为n y q u i s t 频率时， 大输入信号频率为采样频率一半的时候。 ( 2 8 ) 就是最 复口大学硕 ：学位论文 第3 章基于性能可配置的系统设计 3 1 可编程配置的模拟电路的设计思想 当模拟电路需要提供某些可编程的性能时，它的设计复杂性和设计时间会迅 速地增加。因为这样的设计不是追求一个最优化的解决方案，而是为了研究出 数目正比于输入指标要求的一系列的解决方案。只有通过将可配置特性考虑在 内的仔细的底层系统级分析之后，才能够获得某个最优化的实现。性能可配置 的模拟电路设计所面临的挑战主要有以下四个方面【3 j ： 1 电路性能的可编程性 为了能够和许多无线标准兼容，发送机的每个子模块被要求提供一定的自 由度，以保证足够的动态范围和在一个宽的频率范围内有准确的频率响应。对 于高频段，这是一个更加严酷的挑战。 2 功耗逐级可调 可配置模拟电路设计的目标是使电路的功耗和电路的性能成正比。如果模 拟前端电路的功耗可以通过软件来配置，那么在不同的工作模式下，电路可以 达到最小的功耗。比如，当系统从对噪声特性要求较高的标准( w l a n ) 切换 到要求较低的标准( u m t s ) 时，滤波器的功耗可以减小。这就可以使可配置 模拟前端电路满足各种不同视频协议的需要，而消耗的电流与某种协议专用的 a f e 接近。 3 设计复杂性 设计步骤同样应该可以逐级调节。性能可配置程度高低直接影响设计的时间 和可控性。因此，利用模块化的结构，将基本的结构进行复制的设计方案是合 理的，这样可以使增加需要的数字控制信号变得有效率，同时这样的设计减小 版图设计和多模式验证的复杂性 4 制造成本 相对于专门用于处理某种视频信号的单模式模拟前端而言，可重构的模拟 前端会占用较多的芯片面积。但是如果要使用各种的单模式模拟前端处理同样 多的视频信号，它们所占用的芯片面积将会比一块可重构的模拟前端芯片大得 多。 3 2 基于带宽、增益可配置的系统设计 为了能够使模拟前端芯片能够在不同类型，不同精度的视频信号输入时能 复口大学硕- l 学位论文 够达到最优的性能，达到性能与功耗的折衷，本文研究的模拟前端按照基于带 宽和增益可配置的系统设计方法。本模拟前端芯片根据不同的输入信号，能够 改变滤波器的带宽和p g a 的增益，以适应不同的需要，使得输出信号的线性度 等指标最优化。因为不同格式的视频信号具有不同的频率和带宽，如表3 1 所 示，本模拟前端采用增益可配置的p g a ，和带宽可配置的滤波器，使得不同视 频信号输入时，芯片都能够达到最佳的性能。 表3 i 不同视频格式 视频格式n t s cp a lh d 州| s d t vv g ax g a 行数约4 8 0约5 7 51 0 8 0 或7 2 0 或4 8 04 8 07 6 8 行象素数3 2 0 6 5 03 2 0 7 2 0 1 9 2 0 或7 0 4 或6 4 0 6 4 01 0 2 4 行扫描率( k h z ) 1 5 7 3 41 5 6 2 s3 3 7 5 4 53 1 s6 0 帧率( h z s ) 2 9 9 72 53 0 6 06 0 8 06 0 8 0 最高频率( m h z ) 4 25 52 51 5 34 0 7 本文的设计目标是完成视频信号处理单通道的设计，通过将三个这样的通 道集成，可以得到视频信号处理系统。系统性能如下所示： 1 采用0 1 8 微米标准数字c m o s 工艺； 2 整个系统单端输入，差分输出； 3 系统的增益范围l 2 ，线性地分为8 档，由3 位数字量控制； 4 滤波器带宽可调； 5a d c 量化范围可调； 6 拥有片上参考源，如果片上参考源工作不正常时，可以采用外接电压源 和电流源： 7 所有模块都具有关断功能，在不工作时几乎不消耗静态电流。 3 3 增益可配置的p g a 主要的p g a 类型有两种，连续时间型和开关电容型。本文选用电容值可配 置的开关电容电路作为p g a 的拓扑结构，这样可以把p g a 的a d c 中的采样保 持电路结合起来，降低系统的设计复杂性和功耗【l 】。因为a d c 处理的是差分信 号，所以p g a 还应具有单端差分信号转换功能。 本文中的p g a 采用电荷转移型的结构，如图3 1 所示，采样电容是固定 值，反馈电容由可配置电容阵列组成。反馈电容阵列的总容值范围在1 2 c s 到 c s 之间变化，这样p g a 的增益就在l 到2 之间变化。 复旦大学硕二l 二学位论文 图3 1p g a 电路结构 当输入信号的幅度接近a d c 量化范围时，a d c 的输出信号能够达到最高 的线性度。所以通过改变p g a 的增益，可以使得a d c 在处理不同格式的输入 视频信号时都能达到最佳的性能。p g a 的电路结构如图3 i 所示，p g a 的增益 由电容阵列决定。利用软件或者数字电路对p g a 的电容阵列进行配置，可以得 到8 种不同电容值。p g a 的增益如式3 1 所示： 彳：竖叠 ( 3 1 ) g 其中c s 是采样电容的容值，c 知是反馈电容阵列中单位电容的容值，畅是三位 二进制数字信号，的函数，表示接入反馈网络的单位电容的数目。 对于不同的负载电容，运放的电流消耗也可以作相应的调整。当负载电容 减小时，可以减小芯片的功耗。p g a 中的运算放大器消耗了p g a 的大部分功 耗，p g a 的带宽和运放带宽的关系可以由式3 2 表示： g b w e g 4 = g b 【l + ) ( 3 2 ) 其中2 瓦。瓦譬r n o p a 石 3 3 ： 竺： ( 3 4 ) 川，) q o + g + g 将( 3 3 ) 式和( 3 4 ) 式代入( 3 2 ) 式，可得： 础= 瓦g r n o p ai 。h 燕j b 5 ， 由于运放的功耗和踟哪成正比，所以由式3 5 可知，p g a 的功耗和反馈电容阵 复口大学硕上学位论文 列的总容值成正比。反馈电容值减小时，运放的功耗可以按比例相应减小。所 以利用数字电路分别对电容阵列和p g a 的电流进行配置，可以使p g a 的性能 和功耗的比值最优化。 3 4 带宽可配置滤波器 为了满足不同的视频协议的需要，滤波器被设计成带宽可配置的低通滤波 器。一个关于性能可配置a f e 芯片的链接预算分析提供一个输入指标范围，这 个范围覆盖了所有的可预见的指标，在每个模式下达到最优的功耗。 不同的视频信号具有不同的带宽，滤波器的带宽必须能够根据不同的视频 信号作相应的变化，所以滤波器需要被设计成带宽具有一定的变化范围，并且 能够根据外部给予的数字信号作相应变化的结构。由于滤波器的采用有源r c 结构，所以截止频率和运放的带宽成正比，当滤波器的带宽较小时，可以通