（电工理论与新技术专业论文）cmos高速折叠插值型模数转换器的ic设计.pdf

a b s t r a c t t h e p u r p o s e o ft h i s p r o j e c t i st or e a l i z ea d e s i g n o fa8 - b i t h i g h s p e e d 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 q w i t ht h ef a s t d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , d i g i t a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a n dm i c r o e l e c t m n i ct e c h n o l o g y , a d v a n t a g e de l e c t r o n i cs y s t e m sa r ep r e s e n t e d c o n t i n u a l l y t h ed e s i g no fa n a l o g t o - d i g i t a lc o n v e r t e r sc o n t i n u e st ob ec r i t i c a li nt h ed e v e l o p m e n to f m i x e ds i g n a li n t e g r a t e dc i r c u i t sf o rav a r i e t yo fa p p l i c a t i o n st h a tp r o c e s sa n dt r a n s m i t 、，o i c ea n dv i d e os i g n a l sa n ds t i l l i m a g e n e wp r o c e s s e sa n da p p l i c a t i o n sc o n t i n u et o d e m a n dt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h e s eb l o c k s a f t e rc o m p a r i n gw i t hm a n y s t m c t r u t e so fa d c ，t h ef o l d i n g - a n d i n t e r p o l a t i n ga r c h i t e c t u r ei ss e l e c t e d w i t hak i n do f n o v e lh i g h s p e e dc o m p a r a t o ra n dw e l ld e s i g n e df o l d i n ga m p l i f i e r s ，h i g hs p e e da n dl o w p o w e r a r ea c h i e v e d t h ef o l d i n g a n d - i n t e r p o l a t i n gc o n v e r t e rd e s c r i b e di nt h et h e s i su s ec o n t i n u o u s t i m e n a l o gc i r c u i t st oc r e a t e ”f o l d e d ”s i g n a lt h a tr e d u c et h en u m b e ro fc o m p a r a t o r sr e q u i r e d i o raf l a s ha d c t y p ec o n v e r s i o ni nas i n g l ec l o c kc y c l ea n dl e a d i n gt oar e d u c t i o ni n c o m p o n e n tc o s t ，a r e aa n dp o w e r t oc o m p e n s a t ef o rt h ef o l d i n ga m p l i f i e rn o n l i n e a r i t i e s ， t w o f o l d i n ga m p l i f i e r s a r eu s e di nt h e a n a l o g t o d i g i t a l c o n v e r t d e s i g n an o v e l h i g h - s p e e dc o m p a r a t o ri se l a b o r a t e di nt h et h e s i s ，w h i c hm e e t st h er e q u i r e m e n to fs p e e d a n d a c c u r a c y t h i s t h e s i sd e s c r i b e st h e d e s i g n o f f o l d i n g a n d i n t e r p o l a t i n g a n a l o g 。t o - d i g i t a lc o n v e r t e r si n c l u d i n gt h ef u n c t i o n a l i t ya n dd e s i g nc o n s t r a i n t sf o re a c h b l o c k t h ew h o l e8 - b i tc m o sh i g h s p e e df o l d i n g a n d i n t e r p o l a t i n ga n a l o g - t o d i g i t a l c o n v e r t e ri sd e s i g n e da n ds i m u l a t e db y s h a n g h u a0 6l am c m o sm o d e l t h ec o n v e r t e r c a no p e r a t en o r m a l l y u p t o1 5 0 m s p sw h i l et h ep o w e r c o n s u m p t i o n i sl e s st h a n3 3 0 m w k e y w o r d ：a n a l o g 。t o d i g i t a lc o n v e r t e r , c m o s ，f o l d i n ga n d i n t e r p o l a t i n g 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除 了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰 写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 ：占权保留论文及送交论文复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：型笙三16 上海人学硕士学位论文 1 1 国内外概况 第一章绪论 在现代电子系统中，模数转换器( a d c ) 已经成为了一个相当重要的电路单元。 将馍拟信号转换为数字信号的过程往往会限制整个系统运行的速度和精度，因而就 i 蒿要设计出低功耗、面积小、高速度、高精度模数接口电路。高速a d c 的结构及 实现也就成为众多研究者的课题【l 】f 2 】 3 i 。 随着传感器和微处理器的数据处理及管理能力的提高，d 转换器已成为传感 器和微处理器之间的薄弱环节，对高速高分辨率a d 转换器的需求日益增长。因而 迅速推动着高速高分辨率d 转换器的发展。在一些实际应用中，要求a d c 具有 很高的采样频率，通常如示波器、视频处理、雷达扫描等的高速采样系统中，要使 用采样频率为百兆赫兹以上的模数转换模块，这就需要高速a d c 。在数模混合电路 中，高速、低精度a d 、d a 转换器也直保持旺盛的需求量。磁盘读写驱动电路、 医用图象仪器、通讯设备、数字存储示波器、瞬态记录仪、h d t v 等多种领域都需 要6 1 2 b i t 高速a d 、d a 转换器【2 】【3 1 1 6 。同时，在s o c 技术中，a d 转换器( a d c ) 将与数字系统集成在同一芯片，因此不含精确电容的a d c 新结构成为研究热点。 由于当前数字系统的工作频率已经越来越高，并且所需处理的信号也常具有很 高的带宽，模数转换器也在向高速度、高精度和易于集成方向发展。在高采样率、 低精度的a d c 中，通常首选f l a s h 结构，它具有高速、低延迟的优点，但其缺点也 相当明显，对于n 位精度需要2 “个比较器，导致功耗及信号负载电容过大。即使 精室限制在6 8 b i t ，功耗也往往达到w 量级，这限制了它在嵌入式系统、便携式 电子设备、无线通讯等领域的应用 6 1 。在电路结构方面，折叠插值型a d c 在比较 器电路之前增加了预处理电路，有助于减少所需的比较器的数目。预处理电路的使 用还有效降低了整个a d c 的输入电容，有利于提高输入信号的带宽。 世界范围内，著名的生产模数转换器的厂家主要是t i ( 德州仪器) 、a d i ( 模拟 器件公司) 、n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ( 国家半导体) 。国内模数转换器和数模转换器 的研究起步较晚，在总体设计能力上离国外先进水平还有很大的差距。大部分还只 是处于研究阶段，没有真正面向市场。如果能够掌握高速转换器的设计和生产，将 对我国军事、医疗、通信等方面的发展有很大的促进作用。 上海大学硕士学位论文 1 2 本论文研究的意义 单片集成技术主要有双极工艺、c m o s 工艺以及双极和c m o s 相结合的 b i c m o s 工艺，单片集成的a d 和d a 转换器的发展趋势是以硅为主导发展技术： 混合和模块集成的a d 和d a 转换器是军事和航天系统的主导产品，将与硅芯片技 术并行发展，而且需建立在先进的芯片技术基础上。在当前s o c 系统和d s p 系统 的掏建中，a d 转换模块更是不可缺少的电路单元。单片集成电路的工艺技术主要 二与双极工艺、c m o s 工艺以及b i c m o s 工艺。c m o s 工艺是数字集成电路的主流制 作工艺。采用数字c m o s 工艺实现模拟电路的设计，在集成电路向着s o c 发展的 过程中更加具有重要的意义。在工艺一定的条件下，设计者要完成高速度、高精度、 低功耗模数转换器的设计，就要在转换器的结构设计上提出更高的要求，也更需要 具有一定的前瞻和创新能力。 此外，在很多集成电路设计领域中，国内的设计水平与国外尚有很大的差距， 使得集成电路从设计到商品的过程需要很长的时间，所以，设计者设计经验的积累 知电路设计知识理论的总结，对集成电路设计行业的发展会起到很大的作用。面对 逐渐扩容的集成电路市场，具有自主知识产权电路的设计和研究，也将具有良好的 市场前景。 1 3 本论文的研究工作及创新 作者阅读了大量相关文献，对多种高速模数转换器的电路结构及基本特性进行 了仔细的研究，最终确定采用折叠插值型结构来实现超高速模数转换器。经过近一 年的研究工作，作者完成了基于标准数字c m o s 工艺的折叠插值型超高速模数转换 器的集成电路设计，其中包括了采样保持、折叠放大器、插值电路、比较器、位同 步、逻辑编码、时钟驱动等内部模块电路的设计。所设计完成的转换器采用单一电 源( + 5 v ) 供电，采样速率达到1 5 0 m s p s ，8 位精度数字量输出，功耗仅为3 3 0 m w 。 当使能信号为0 时，电路工作处于休眠状态，整个模数转换器的平均功耗降低到 5 m w 以下。 在按照折叠插值型结构设计电路时，作者并没有局限于书本及文献介绍的知识， 积极研究电路的特性和优化设计。比较器作为模数转换器中至关重要的部件，直接 影响其精度、面积和功耗。作者在具体电路的设计过程中，设计并优化了一种新型 上海火学硕士学位论文 高速、高精度的电压比较器，并使用上华0 6 1 - 1r f lc m o s 工艺器件模型对其进行了 仿真分析。结果表明，该比较器能够工作于2 0 0 m h z 的时钟频率下，完成8 位精度 的电压比较，从而为提高整个模数转换器的各方面性能奠定了基础。 1 4 论文组织 论文的第二章介绍了部分重要的性能参数，并对几种常见的高速模数转换器结 构以及原理进行了简要的分析。 第三章将讨论折叠插值结构a d c 的电路设计方案，简要分析了折叠插值结构 的特点和优点。并分析了基本电路模块的构成及特性。 第四章详细阐述了折叠插值型a d c 具体模块电路的设计，包括折叠放大器、 比较器、插值电路等，并以图形图表的形式给出了单元电路以及整体电路的原理和 仿真结果。比较器是模数转换器设计中最为核心的部分，也是提高a d c 芯片转换 速度、降低功耗的关键所在。文中详细地阐述了再生型比较器的创新设计，它满足 了离速模数转换所要求的速度和精度。本章还描述了“气泡”消除电路和编码器的 设计，在第九节给出了总体电路仿真结果，并作了分析说明。 第五章阐述了模数转换器在版图布局方面的考虑，包括模块电路布局、器件匹 配等内容。 第六章是本课题的总结与展望。 上海大学硕士学位论文 第二章高速a d c 的性能指标及结构 2 1a d c 的性能指标 我们常用转换速度、精度、功耗三个指标简单地描述一个模数转换器( a d c ) 的陛能。实际上，要客观、准确地评价模数转换器的性能，还需要了解一系列的性 能指标，下面将回顾几个常用的评价转换器性能的主要参数。转换器的性能指标分 为两类：静态特性和动态特性。微分非线性( d n l ) 和积分非线性( i n l ) 是用来 描述a d c 的静态特性的。在频域内作分析时，既可以研究a d c 的静态特性，也可 以研究其动态特性。信噪比( s n r ) 、总谐波失真( t h d ) 、无杂散动态范围( s f d r ) 、 信号噪声与失真比( s n d r ) 常常用来描述a d c 的动态特性。有效位数( e n o b ) 、 ；宁效精度带宽( e r b ) 也是a d c 的两个重要指标 5 a 2 。 2 1 1 微分非线性( d i f f e r e n t i a ln o n l i n e a r i t y ，简称d n l ) 苦 舞 到 忡 辆 模拟量输入 图2 1 微分非线性 一 。一。v 一一 。 微分非线性( d n l ) 反映了实际码宽与理想码宽之间的偏差程度。其数值用最 低有效位( l s b ) 作为单位。理想的码宽为1 l s b ，其值可以由式( 2 1 1 ) 计算出 来 1 0 i ： 理想的码宽= 量堕壁型蓉景丢磊差学( 2 - 1 - 1 ) 上海大学硕士学位论文 于是，我们就可以用式( 2 - 1 2 ) 来计算编码n 处的微分非线性： d n l ( 由= 塑驾嚣笋堕( 2 - 1 - 2 ) 图2 1 用图形的方式来说明理想码宽和微分非线性。根据定义，转换器的d n l ：下能比“1 ”小。如果在代码n 处的d n l = 一1 ，就意味则转换器不能产生代码n ， 也就是存在“失码”。实际应用中，d n l 是用测得的最大的正值和负值表示的。如 果d n l 较大的话，量化误差也相应较大，会产生较大的量化噪声，也就是说d n l 的大小会直接影响到转换器频域特性中噪声电平的高低。如果所有的代码的d n l 邢为“0 ”，并且不考虑其他噪声，在这样的理想情况下，噪声电平的大小就是由理 想量化噪声决定的，这时的量化噪声只与最低有效位( l s b ) 的大小有关。转换精 度的提高由利于量化噪声的减小。如果d n l 是非零的，那么d n l 增大量化噪声也 会增大，最终导致整体噪声电平的提高。 2 1 2 积分非线性( i n t e g r a t e dn o n l i n e a r i t y ，简称i n l ) 积分非线性( i n l ) 是衡量转换特性曲线的线性度的参数。如图2 2 所示，实际 码宽的中点与理想码宽的中点间的差值就定义为i n l 。如果在传输特性曲线的两个 端点间画一条理想的直线，i n l 也可以看作是a d c 的输出偏离这条线的程度 川【4 】 5 】f 1 0 】【2 9 1 。另外还有一种表示i n l 的方法，是将在代码n 处的i n l 看作是d n l 从 代码0 到n 的积分，如公式( 2 ，1 3 ) 表示【1 0 】。 卫 i n l ( n ) = d n l ( i ) ( 2 - 1 3 ) i f f i t a 由于所选择的两个端点可能不同，i n l 会因此产生不同的结果。在某些结构中， 两个端点选择为0 和v r e f 。非理想的0 参考点会产生失调误差，而非理想的满 量程范围v r e f 则会增大增益误差。在多数情况下，我们不是很关心由非理想的满量 程范围( 0 v r e f ) 造成的失调和增益误差，因此可将实际传输特性曲线和与其拟合 得较好的直线相比较，来计算积分非线性，而不是使用满量程v r e f 的绝对测量值。 因i n l 表示的是传输特性曲线的非线性，它在频域上就表现为杂散谐波分量。 一个模数转换器的积分非线性较小，它就具有较宽的无杂散动态范围( s f d r ) 。与 定义d n l 相同，在实际的特性参数表中，i n l 是由测量得到的正( 负) 最大值表示 的。 上海大学硕士学位论文 兰 簿 蚓 * 裁 模拟量输入 图2 2 积分非线性 如果要按照前面的方程来计算d n l 和i n l ，就要求a d c 的输入信号是线性度 非常好的斜坡信号。另外，精确的码宽测量也需要台高精度的测量仪器。在实际 测量时，要满足这样的条件是有困难的，因此，常采用输入正弦波信号进行编码转 换来计算d n l 和i n l 。与使用量化斜坡信号不同的是，这种编码转换得方法在段 时间内将输入的正弦波信号进行数字量化，然后将每个代码出现的次数与理想的值 作比较。其中，理想值的获得是将所有采样得到的代码对应到所有的编码上得到的。 这种方法在实际测量中有一个缺点，即在整个编码范围内，a d c 内部产生或者输入 信号之中的随机噪声信号会引入到a d 转换过程中，而这些噪声的影响不能在i n l 知d n l 中显示出来。因此，对i n l 和d n l 的测量不足以描述模数转换器的性能。 要使得性能参数比较完整，就要象大多数a d c 的数据手册那样，包含频域的性能 指际，如s n r 、t h d 、s f d r 、e n o b 等【5 】【6 】【o 】【2 7 1 。 2 1 3 信噪比( s i g n a l t o n o i s er a t i o ，简称s n r ) 获得信噪比的方式如下：给a d c 输入一个频谱纯净的正弦波信号，对所得到 的一组转换数据结果进行一次快速傅立叶变换之后，s n r 就是基波的幅值与所有其 它各次谐波的均方根之和的比值，其中不包括杂波和直流量吐s n r 通常可以用表 达式( 2 1 4 ) 表示。 s 2 嘶g ( 渊c ( 2 - 1 - 4 ) 上海大学硕士学位论文 在理想的情况下，噪声仅是由量化噪声决定的。因而，s n r 的理论最大值为 s n r = s 0 2 n + 1 7 6 + 1 0 l o g ( 2 f 志a x c a b ，( 2 - 1 - 5 ) 其中，n 是a d c 精度的位数；f s 是采样频率：f m a x 是输入信号的最高频率。 从式5 中可以看出，如果f s = f m a x 并且忽略1 7 6 d b ，那么s n r 就约等于6 n ( d b ) 。 可见，a d c 的精度越高，信噪比性能就越好。当输入信号频率不变时，随着采样频 率的增大，s n r 也增大，这是因为固定且与频率无关的量化噪声功率在更宽的带宽 i - 分布，降低了噪声电平。 2 1 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 ，简称t h d ) 总谐波失真( t h d ) 指的是备谐波分量的均方根值与信号放大倍数之比。这里 所说的各谐波分量是从基频一直到奈氏频率，而比奈氏频率高的频谱分量则使用其 低顿镜象分量【1 0 】。假设h d 0 是信号的直流分量，i - i d i 是信号的基频分量，h d 2 是 ：二次谐波，i - i d 3 是三次谐波，一以次类推。那么，t h d 可表示为【2 9 1 彻 孕 沼蜥， 图2 3 无杂散动态范围 2 1 5 无杂散动态范围( s p u m o u s f r e e d y n a m i cr a n g e ，简称s f d r ) 无杂散动态范围( s h ) r ) 是基波分量的幅值与相邻的最大频谱分量的幅值之比。 在一个非常大的信号存在的情况下，无杂散动态范围可以反映出a d c 同步检测出 上海大学硕士学位论文 微小信号的能力。如图2 3 所示。在通信应用场合中，无杂散动态范围是很重要的 指标。 2 1 6 信号与噪声失真比( s i g n a l t o n o i s e a n dd i s t o r t i o nr a t i o ，简称s n d r ) s n d r 定义为一定带宽内，基波频率信号的功率与所有其它谐波分量的信号功 率的比值，其中包括谐波但是不包含直流分量。也可以看作是输入为j 下弦信号时，输 出端信号功率与总噪声及谐波功率的比【，见式( 2 - 1 7 ) 。 s n d r ：2 0 1 0 9 f 型一1 ( d b ) ( 2 - 1 7 ) ln o i s e + h a r m o n i c sj 2 1 7 有效位数( e f f e c t i v en u m b e ro f b i t s ，简称e n o b ) 模数转换器的有效位数可以由s n d r 参数推得。联立方程( 2 1 5 ) 和( 2 1 7 ) ， 可解得： 一：s n d r - 1 1 7 6 - 矿1 0 i o 上g ( 型f j i ( b 坻) 协m ， 6 0 2 、 7 通常情况下，有效位数是指在奈氏频率下求得的数值，也就是输入频率为采样 频率一半时的结果。 2 1 8 有效精度带宽( e f f e c t i v er a n g eo f b a n d w i t h ，简称e r b ) 转换器的一个重要参数是它能转换的信号的带宽。信号带宽不仅受到a d c 内 祁输入电路的模拟带宽的限制，同时也受到转换器最大采样频率的限制。输入信号 的频率必须小于n y q u i s t 频率( 为采样频率的一半) 。为得到转换器的频率响应，我 们常需要绘制输入信号的频率特性曲线，如s n d r 、s f d r 、s n r 。有效精度带宽是 指s n d r 下降3 d b ( 或者e n o b 下降1 2b i t ) 时对应的输入信号的频率，如图2 4 中的e r b 点所对应的频率。一个精心设计的宽带模数转换器的有效精度带宽会略大 于n y q u i s t 频率f 2 9 】。 上海大学硕士学位论文 ! ! ：! ! = = = = ，= = ! = = = = = ：= ! ! ! ! = ：t = = ! = = ：= 。! ， 1 ki o kl o o ki ml o m1 0 0 m 图2 4 有效精度带宽的确定 2 2 高速模数转换器结构 输入蠛幸 f h 对 目前，世界上有多种类型的a d c ，有传统的并行、逐次逼近型、积分型a d c ， 也有近年来新发展起来的型和流水线型a d c ，多种类型的a d c 各有其优缺点 并能满足不同的具体应用要求。低功耗、高速、高分辨率是新型的a d c 的发展方 向5 】【l l 】。 积分型模数转换技术在低速、高精度测量领域有着广泛的应用，特别是在数字 仪表领域。积分型模数转换技术有单积分和双积分两种转换方式。单积分模数转换 主要缺陷是转换精度不高，而双积分型转换方式精度较高，可以达到2 2 位，但是， 它的转换速度太慢。 逐次逼近型转换方式在当今的模数转换领域有着广泛的应用，它是按照二分搜 索法的原理，类似于天平称物的一种模数转换过程。逐次逼近型转换方式的特点是： 转换速度较高，可以达到1 0 0 万次秒( m p s p ) ：在低于1 2 位分辨率的情况下，电 路实现上较其他转换方式成本低；转换时间确定。但这种转换方式需要数模转换电 路，由于高精度的数模转换电路需要较高精度的电阻或电容匹配网络，故实际精度 ：下会很高。 过采样模数转换是近十几年发展起来的一种模数转换方式，在各类模数转 换器中分辨率是最高的。目前，a d c 在低成本、高线性度、高分辨率的低频，并 丑要求低功耗、低电压的信号处理场合得到了很好的应用 2 l s 1 16 1 。过采样a d c 由调制器和数字滤波器两部分构成，其中调制器是核心部分。调制器利用积分 上海大学硕士学位论文 知反馈，使电路具有独特的噪声整形功能，可把大部分量化噪声移出基带，因而过 采样a d c 有着极高的精度，可达2 4 位以上。过采样模数转换的主要特 点是转换的精度很高，可达2 4 位以上；由于采用了过采样调制、噪音整形和数字 滤波等关键技术，充分发扬了数字和模拟集成电路的长处，故使用很少的模拟元件 知高度复杂的数字信号处理电路就可使a d c 达到1 6 位以上的高精度。但转换 ：号式的转换速度不高，一般在几十k h z 左右，不适合处理高频( 如视频) 信号3 1 。 通常，一个超高速a d 转换器往往是一个大功耗、高集成度的i c 器件、要想 实现超高速d 转换功能，在制作工艺不变的情况下，电路的结构设计是研究a d c 的首要问题。超高速a d 转换器主要有全并行( 快闪式) 结构、分区式结构、折叠插 值结构和流水线结构，本章将就这五种结构的工作原理、结构特点进行介绍。本篇 论文的重点是对高速模数转换器的研究，因此，那些针对低速应用场合的模数转换 器将不再多加讨论。 a 2 1 快闪式结构( f l a s ha r c h i t e c t u r e ) 快闪式结构也称为并行转换结构，是实现模数转换最为直接的方式。它包含一 个闽值电平产生电路( 通常是由电阻串构成) ，一组比较器和一编码逻辑单元。图 互5 是典型的快闪式结构a d c 的框图。为完成n 位精度的转换，由2 “个等值电阻串 i 美产生2 0 一1 个闽值电平，每两个电平间距为u 阳。2 n 一1 个比较器同时进行输入 信号和相应闽值电平的比较，然后将产生的温度计代码送到解码电路。解码电路的 图2 5 快闪式结构 一1 0 - 模拟量输入v i n m m 眦肌 o：， 上海大学硕士学位论文 输出可以是二进制编码也可以是格雷码，这取决于具体的设计。因为整个转换的时 间汉受到比较器速度的限制，所以快闪式结构a d c 能实现比其它类a d c 都要高的 转换速度【5 1 1 ”。 快闪式结构的主要缺点在于，比较器和电阻的数目是随着a d c 的精度n 成指 数关系增长的。如果n 的数值较大，就会导致功耗和面积激增。另外，在奈氏采样 频率下，在a d c 的输入端需要采样保持电路，以使比较期间输入信号保持不变。 随着位数的增加，对于采样保持电路来说，比较器电路就成为较大的负载，这将影 响到整个电路的工作速度。快闪式结构中，电阻间的不匹配以及比较器输入失调电 压也会直接影响到模数转换的精度。鉴于以上的原因，快闪式结构的应用只限于精 度不超过8 位的模数转换器。这类a d c 的优点是模数转换速度很高，广泛应用于 通屠雷达、数字存储示波器、高清晰度电视和多媒体视频等领域1 2 】【3 】。它的缺点是 分辨率不高，功耗大，成本高。 2 2 2 分区式结构( s u b r a n g a r c h i t e c t u r e ) 分区式结构以牺牲采样速度来克服快闪式结构的不利因素。整个转换过程是通 过一连串的判断完成的，而不是一次完成输入信号的转换。如果是两步式转换，通 m s b 图2 5 分区式结构 s b 上海大学硕士学位论文 i 善是在粗度量化之后，再做细度量化。粗度判断决定采样输入信号的高有效位。有 了高位数值信息，就可以选择特定的分区提供给低位比较器。比较器通过比较输入 信号和重新设定的阈值电平完成细度量化，如图2 6 所示。这种结构中，总的比较 器数目为2 + 2 2 。其中c 是由粗度量化决定的高有效位的位数f 是由细度量化决 定的低有效位的位数。与1 0 位精度的快闪式a d c 相比，如果选择c 和f 均为5 ， 分区式a d c 所使用的比较器的数目以及功耗则会降低1 6 倍。这种复杂程度的降低 是以牺牲采样速率为代价的。因为每个转换过程需要多次判断，所蹦，转换速率随 判断次数的增多而降低。 有一些分区式a d c 利用数字校正技术来降低粗度量化时可能产生的错误。其 低应比较电路部分所需的比较器的数目要多于2 一l ，在不采用数字校正技术时， 如果在粗度量化时产生了错误，那么输入信号就会落在细度量化范围之外。要是额 外采用一些比较器来覆盖超出转换范围的区域，就能检测和校正粗度量化的错误。 如果在细度量化时也可能产生类似的错误，校正技术就无能为力了。因为用于细度 量化的阈值电平始终是以1 l s b 分隔的。在低位转换电路中仍然需要精确的比较器 知匹配良好的电阻。尽管有校正技术可以降低高位比较器的精度要求，但是对低位 比较器来说，仍然要求具有c + f 位的精度。这也大大限制了在高于1 0 位精度模数 转换器上的应用1 1 m 】【1 8 】【2 7 】。 2 2 3 多步式结构( m u l t i s t e p a r c h i t e c t u r e ) 一、 模 n 位数字输出 图2 7 两步式结构 - 1 2 上海大学硕士学位论文 象分区式结构一样，多步式a d c 也是通过多次判断完成一次转换，如果判断 的次数为n ，那么转换速率则降低n 倍。然而，多步式a d c 有一个很大的不同， 它不是一直都使用单一的输入信号，其低位的细度判断使用的是经过放大的残余信 号。这里所说的残余信号是指输入信号与一个数模转换器输出之间的差值。图2 7 是多步式a d c 的一个例子，它是一个简化了的两步式a d c 。残余信号经过放大之 后，就使得细度量化的量程范围和粗度量化的量程范围是一致的。由于量程范围扩 大了，低位转换电路就可降低对比较器和电阻串的精度要求，使其不再是限制因素 【】。要产生经过放大的残余信号，多步式a d c 需要增加一些功能块，诸如d a c ， 提取器和放大器，如图2 7 所示。这三个功能块是同时动作的，也可合并为一个电 路模块，称为倍乘数模转换器( m d a c ) 。 由于在倍乘数模转换器中使用的放大器的带宽是有限的，所以整个多步式 a d c 的速度就受到运算放大器的建立时间的限制。降低运算放大器的建立时间就意 昧着增大偏置电流，由于增益带宽积一定，这将降低直流增益。总之，低的直流增 益会降低放大的残余信号的精度，也会影响到整个a d c 的非线性。经过权衡利弊， 1 0 位精度的多步式a d c ，其转换速度约为1 5 2 0 m h z 。 2 2 4 流水线结构( p i p e l i n e da r c h i t e c t u r e ) 模拟量 图2 8 流水线结构 一 - _ 一 一f n j 1 一一一一一 - 一 流水线型( p i p e l i n e ) a d c 又称为子区式a d c ，它由若于级级联电路组成，每一 级包括一个采样保持放大器、一个低分辨率的a d c 和d a c 以及一个求和电路，其中 上海大学硕士学位论文 求和电路还包括可提供增益的级间放大器，如图2 ，8 所示。快速精确的n 位转换器分 成两段以上的子区( 流水线) 来完成。首级电路的采样保持器对输入信号取样后先 由一个m 位分辨率的粗a d 转换器对输入进行量化，接着用一个至少n 位精度的乘积 型数模转换器( m d a c ) 产生一个对应于量化结果的模拟电平并送至求和电路，求 和电路从输入信号中扣除此模拟电平，并将差值精确放大某一固定增益后送交下一 级电路处理。经过各级这样的处理后，最后由一个较高精度的k 位细a d 转换器对残 余信号进行转换。将上述各级粗、细a d 的输出组合起来即构成高精度的n 位输出。 流水线a d c 每一级的冗余位可以纠正重叠误差，具有良好的线性和低失调；每 一级具有独立的采样保持放大器，前一级电路的采样保持电路可以被释放出来用 于处理下次采样，因此允许流水线各级同时对多个采样进行处理，从而提高了信 号的处理速度；多级转换提高了a d c 的分辨率，而且降低了功耗。同时流水线型a d c 也有一些缺点；复杂的基准电路和偏置结构；输入信号必须穿过数级电路造成流水 线延迟；同步所有输出需要严格的时钟锁存；对工艺缺陷敏感，对印刷线路板更为 敏感，它们会影响增益的线性、失调及其它参数。目前，这种新型的a d c 结构主要 应用于通讯系统、c c d 成像系统、数据采集系统等( 1 0 】 1 5 】【2 1 】 2 5 】。 2 2 5 折叠插值结构( f o l d i n g - a n d - i n t e r p o l a t i n g a r c h i t e c t u r e ) l c o a r s ei b i t s - i q u a n t i z e r r _ 斗 一i n j ! l，r e e o d i n g l o g i c 咽砷习骂 图2 9折叠结构 快闪式结构的模数转换器有着最高的转换速度，但是功耗和成本也很高。为了 获得与快闪式转换器相当的转换速度，并且能减小器件的功耗和面积，折叠结构就 是一种很好的设计方案。图2 9 是一个折叠型a d c 的功能框图。模拟量输入信号v i n 经过折叠放大器电路后成为一折叠波。折叠波在整个输入域内折叠的次数，即为折叠 上海大学硕士学位论文 率，折叠率为4 的折叠波如图2 1 0 所示。但在频率较高时，由于电路的带宽有限，形成 的折叠波是非理想的，即在折叠波的波峰部形成圆弧误差。为了保证系统的分辨精度 知可靠性，通常在实际设计时，通过折叠预处理电路，产生一定数量、彼此有定 偏移的过零折叠波，比较器对每一折叠波只进行过零检测，以此形成的比较器状态对 应低位数据( l s b ) 。这种过零检测的精度要大于折叠波与固定参考电压相比较的 精交1 6 】【1 0 1 1 1 2 】i l9 1 。 v r e f v r e f 4 0 m s b s =0 0 模拟量输入 v r e f 0 1l o1 1 图2 10 理想折叠放大器传输特性曲线 3 2 如果所有的过零折叠波均用折叠电路来实现，则所需折叠电路数目较多，硬件 复杂性过高，芯片面积不经济i i j 。研究表明，在折叠的基础上再采用插值技术就可 以解决这个矛盾，即在少数几个用折叠电路实现的折叠波之间，设计特殊的插值电 路来产生其余的折叠波，以此方式便形成了折叠插值型模数转换器。由上可知，m s b s 转换与l s b s 转换是同时进行的，内部不再需要采样保持电路和d a 转换电路。所需 比较器个数也少于快闪结构a d c 。因此能在保证功耗、面积大大减少的同时，获得 一- 5 陕闪式a d c 相近的转换速度。 上海大学硕士学位论文 第三章折叠插值型a d c 的基本电路模块 本章主要研究折叠插值型模数转换器的基本结构和基本性能，着重分析、设计 构成a d c 电路所需的基本电路模块，并分析了每个电路模块对整个a d c 性能的影 响。 一个完整的折叠插值型模数转换器通常需要由以下几种电路模块构成：1 ) 折叠 放大器；2 插值电路网络；3 ) 比较器；4 ) 位同步。另外，还包括一些数字逻辑电 路( 如：数字校正、编码电路等) ，将比较器的输出转换为二进制数输出。在具体的 电珞设计中，往往会根据不同的应用场合以及不同的指标要求，增加或者减少某些 电路从而实现更为复杂的功能，如“睡眠”功能、“片上自动校准”功能等【2 】。 3 1 折叠放大器 3 1 1 折叠放大器的功能描述 折叠放大器是折叠插值模数转换器中的重要的电路模块。它可以将输入的线性 斜坡信号转换成三角波，这种转换产生频率更高的折叠波，也相应地降低了输入信 号的动态范围。“折叠因子”是反映折叠状态的常数，通常取其值为2 、4 、8 或者更 大，但是折叠因子的增大会降低输入信号的动态范围1 1 2 1 1 2 2 】f 2 7 】。图3 1 反映了选择不 同的折叠因子时，折叠放大器的传输特性。假设折叠放大器的输出为y ，增益为k ， 那么折叠放大器的传输特性可以由以下一系列表达式表示。 当折叠因子n = 1 时( 即为快闪式a d c ) y = k ( z + v d ) 当折叠因子n = 2 时 ik ( x + 1 ) 垆 一足 一话) y = 雕， ( 3 1 - 1 ) ( - - v r , 1 - - x v d s ( s a t ) = v g s v t 此状态下，导电沟道被夹断，i d s 几乎不变，其v - j 特性可由以下方程表示： ，。, - = i d s a t 销c 。( 当心一蚶 ( 4 _ z _ 1 ) ( 3 ) 线性区v g s v r n 并且v g s v d s v t n 此时，n m o s 管的v - i 特性近似由下列方程表示： ，d - 邸。( 詈肌一一等( 4 - 2 - 2 ) c m o s 模拟集成电路中，常用m o s 源极耦合电路构成差分放大电路。在折叠 插值模数转换器设计时，在折叠放大器的前级也采用了差分源极耦合的差分输入电 路，满足对差分信号分辨率的要求。差分放大级的电路原理图如图4 9 所示。 为了使得折叠放大器能产生比