（微电子学与固体电子学专业论文）一种高速流水线adc的研究.pdf

中文摘要 摘要：随着通信和多媒体技术的迅速发展，半导体技术数字化和集成化的程度日 益提高，极大的推动了模数转换技术朝着高速度、高精度、低功耗的方向迈进。 而在许多种类的c m o s 模数转换器结构中，流水线结构能达到高速的输入性能和 快速的处理能力。因此，本论文根据目前应用中对模数转换器的要求，设计了一 款具有8 位精度，2 0 0 m h z 采样速率的流水线模数转换器。 该模数转换器的子模块电路包含了采样保持电路、子a d c 、子d a c 、时钟产 生电路和数字校正电路。针对高速的要求，采用了基于过零检测器的开关电容电 路来实现采样保持功能，具有结构简单、速度快、面积小等优点。整个结构是七 级，每级1 5 b i t ，并用数字校正技术进行校正，以达到8 位的精度。本设计先用 m a r “墟中的s i m l l l i n k 对a d c 进行系统行为级仿真，验证了系统结构的有效性。 然后用c a d e n c e 软件对电路进行了仿真，采用s m i co 1 8 岬c m o s 工艺库，电源 电压为1 8 v 。 关键词：模数转换器，流水线，高速 分类号：t n 4 5 3 a bs t r a c t a b s t r a c t w i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r ，m u l t i m e d i a 也ei n c r e a s eo f d i g i t i z a t i o n 觚di n t e g r a t i o ni ns e m i - c o n d u c t o rt e c h n 0 1 0 9 yh a sc o n s i d e 吨b l yp r o m o t e d 廿l ed e v e l o p m e n to fa 1 1 a l o g d i g i t a lc o n v e n e r ( a d c ) t e c h i l o l o g yt o w a r d sh i 曲s p e e d ， h i 曲p r e c i s i o n 孤dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n a m o n gm a n y 咖e so fc m o s 削) c a r c h i t e c t u r e s ， t l l e p i p e l i n e d a r c h i t e c t l l r e sc a na c h i e v cg o o dh i g l li n p u t 丘e q u e n c y d y n a m i cp e r f o r r n a n c ea n d 舔ah i g ht 1 1 r o u g h p u t i no r d e rt 0m e e t t l l er e q u l r e m e n t st o r a d ci nt l l ea p p l i c a t i o n ，t l l et a r g e t e d a r c h i t e c t i l r ei sa8 b i t ，2 0 0 m s sp i p e l i n e d 砚a l o g - t 0 一d i g i t a lc o n v e r t e r t h ep i p e l i n e da d cc o n s i s t so ft h eb u i l d i n gb l o c k sl i k es a m p l i i 培一a n d - h o l dc i r c u i t s ， s u b a d c ，s u b d a c ，c l o c kg e n e r a t o r 龃dd 滔“c o r r e c t i o nc i r c u i t t om e e tt l l eh i 曲 s p e e dr e q u i r e m e n t ，ad y n a m i cz e r o c r o s s i n gi i e t e c t o ra n dc u r r e n ts o 眦et 0 嫩1 1 z ea p r e c i s i o nc h a 唱e 仃a i l s f e r i th a s as i m p l es t n l c t u r e ，h i 曲s p e e d ，s m a l la r e a t h ep i p e l i n e d a d ci sf o l l o w e db ys e v 饥1 5 - b i ts t a g e sw i t had i g i t a lc o 玎e c t i o nc i r c u i t i n0 r d e rt 0 e n s u r et l l ev a i i d i t yo fp i p e l i n e da d ca r c h i t e c t u r e ，s y s t e mm o d e l i n gt o o l s i m u l i r l l ( i n m a t l a bi su s e dt 0m a l 【eas y s t e ms i m u i a t i o no fp i p e l i n e da d cb e f - o r ed e s i g n i n go ft l l e c i r c u i t t h ed e s i 四i sb a s e do ns m i c0 18 岬c m o st e c l u l o l o g yu i l d e r t h ec a d e n c e d e s i g i le n v i r o n m e n t ，蛆dt l i ep o w e rs u p p l yi s1 8 v k e y w o r d s ：a m a l o g d i g i t a lc o n v e r t e r h i g hs p e e d ，p i p e l i n e d c l a s s n o ：t n 4 5 3 致谢 本论文的工作是在我的导师袁晓军教授的悉心指导下完成的，袁教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来袁老 师对我的关心和指导。 骆丽教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向骆老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，宋宝、蔡晓伟、杜加懂等同学对我论文中的 电路研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1 研究的背景 1 引言 随着科学技术的日新月异，半导体工艺技术和集成电路设计技术得到快速发 展。片上系统( s y s t e m o n c h i p ，s o c ) 是集成电路发展的必然趋势，它需要将更 多的数字和模拟电路集成到一个硅片上，以降低功耗、减小体积和节省成本等。 对于这种模数混合集成电路而言，c m o s 工艺在成本、功耗和实现的便利性都具 有明显的优势。在混合信号系统中，丸转换器( a n a l o g t o d 珥t a lc o n v e n e r ，a d c ) 是一个非常关键的部分。它被广泛应用于通信、电子对抗、雷达、测控、医疗、 仪器仪表、图像和数字通信系统等。因此，模数转换技术一直都作为核心技术而 成为国内外集成电路设计领域的研究热点。 模数转换器是将模拟信号转变为数字信号的接口电路，它作为连接模拟量和 数字量的桥梁，广泛应用在数字通信、自动控制、雷达和多媒体技术等领域。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 0 s 高速高精度模数转 换器的设计更是其中的技术瓶颈，一直是国际上研究的热点和重点，并具有很好 的理论研究价值和重要的应用背景。由于集成电路工艺水平的推动，模数转换器 正朝着更快的转换速率、更高的精度、更低的功耗、更低的误码率和更小的面积 等方向发展。 从国内整体上来看，单片集成a d c 已经成为模拟集成电路的一个重要分支。 目前，模数转换器件的速度高达上g h z ，分辨率高达2 4 位。与此同时，低电压、 低功耗己逐渐成为集成电路乃至整个电子系统的迫切需求和研发热点，从而推动 模拟电路进入了c m o s 时代。当前国际上主流数字c m o s 技术已进入0 2 5 0 0 6 5 岬 的阶段，模拟c m o s 技术也开始从0 3 5 岬向0 1 3 岬过渡，沟道长度缩短将带来 速度、功耗和成本等方面的优势。这些因素都极大促进了a d c 的研究与发展【l 】。 1 2 研究的目的和意义 目前，国内加和d a 方面的研究主要集中在中等转换速度、中等精度范畴， 多采用电阻、电容网络等结构为主。而高速、高精度的新型a d 研究尚不多见。 对于上述其他的主流新结构和新技术，国内由于受到工艺条件、设计的限制，也 很少有人涉及。系统仿真是非常重要的，它从系统级进行优化，从而在保证功能 的情况下降低单元电路的设计难度。系统时钟的驱动、周期、占空比以及各周期 之间的延时大小直接影响到整个系统的工作；前端采样保持电路的线性度、噪声、 增益、输入输出范围和对后端的驱动能力都直接影响到后面各个子a d c 的工作， 特别是噪声会被后面的电路放大，这是流水线型模数转换器研究的一个重点。系 统时钟和前端采样保持电路几乎是所有a d c 设计都需要的，尽管不同a d c 对系 统时钟和前端采样保持电路的要求各不相同，但本课题的研究是具有通用性的。 从实际应用上讲，流水线型模数转换器速度快、功耗低、面积相对小、价格相对 低，特别适合应用于通信领域。 国内外研究表明，国内a d c 、d a c 技术与国外存在明显距。国外高速高精 度a d c 分辨率和采样率大多集中在1 2 1 4 b i t 、8 0 1 5 0 m h z ，系统结构以流水线结 构为主，生产线所采用的工艺以b i c m o s 和0 1 8 岫s i c m o s 为主，并且特征尺 寸在不断降低。国内高速a d c 方面，中科院微电子所在2 0 0 9 年底采用s i c m o s 工艺研制成功6 b i t 单通道超高速a d c 芯片，采样速率为1 4 g h z 。然而国内对于8 位流水线型高速a d c 采样率主要集中在1 0 0 m s 1 2 0 m s s 之间，而本论文设计的8 位2 0 0 m s s 高速采样率在国内尚不多见。目前国内应用的高性能a d c 主要依靠进 口，对国防现代化和民用电子工业的发展相当不利。除工艺水平限制以外，其基 础研究和设计能力是两大主要的制约环节。国内研究所、高校和设计公司正积极 研究新型转换器电路系统结构、新型基本电路单元、工艺匹配与容差和标准实用 化器件工艺模型库等基础技术，设计生产自主高性能a d c 已成为当务之急，这将 具有现实、深远的意义【2 j 。 1 3论文的主要内容和结构 本文采用s m i c0 1 8 岬工艺设计8 b i t 高速流水线模数转换器。论文的各章内 容安排如下： 第一章：引言。主要介绍了当前模数转换器的研究背景、目的和意义。 第二章：介绍了模数转换器的工作原理及常见结构。包括性能指标及几种典 型结构模数转换器的原理和特点。 第三章：分析了流水线a d c 的设计原理，包括基本的流水线结构和误差来源。 并且用m a t l a b 中的s i m u l i i l l ( 工具通过建模的方法分析了流水线a d c 的工作原理。 第四章是详细阐述了流水线a d c 子电路和电路功能模块的设计与仿真。包括 系统时钟产生电路、采样保持电路、过零检测电路、子转换级电路、数字校正电 路和带隙基准源等。 第五章：论文的总结和展望。 2 2 模数转换器概述 自然界的信号，如语音信号、传感器信号等大多数都是连续的模拟信号，而 如果对其进行数字处理，就需要将其转换为离散的数字信号。模数转换器 ( a i l a l o g 勘- d i g i t a lc o n v e n c r ，简称a d c ) 是将连续的模拟信号转换成离散的数字 信号的接口器件，是联系数字处理设备和现实模拟量的纽带。 2 1模数转换器的工作原理 模数转换器的工作原理是在某一个固定时间间隔内，把连续的时变信号转换 成一组离散的序列，并通过各种数字处理的方式进行处理和变换。如图2 1 所示， 模拟信号首先要经过抗混叠滤波器( 锄t i a l i a s i n gf i l t e r ) 将信号中的高频分量滤除，实 际这一功能利用模数转换器本身的低通特性来实现【3 】。目的是为了避免在对输入信 号采样时引入了高频信号的混叠失真。滤波器的输出送到采样保持( s 锄p l e & h o l d ) 电路。采样保持电路是在采样时钟的控制下对滤波器的输出信号进行采样，将时 间上连续的模拟信号转换为时间上离散、幅度上连续的信号，并保持采样的瞬时 值。采样保持电路的输出信号仍然是模拟信号，将采样值变换为最接近的由二进 制数字表示的值，此时已经将时间上和幅度上连续的模拟信号转换为时间上和幅 度上都离散的数字信号，这就是量化编码过程。一般把取整量的过程称为量化， 把用二进制代码表示其量化值的过程称为编码。 滤波采样保持量化编码j 硝 图2 1 模数转换流程图 f i g 2 lf l o wc h a no f a dc o n v e n 根据奈奎斯特采样定理，对一个模拟信号进行采样，为了能够从取样信号中 还原原来的信号，采样信号的频率必须大于模拟信号最高频率的两倍，如式( 2 1 ) 正2 ( 2 1 ) 满足奈奎斯特采样定理的采样称为奈奎斯特采样或基带采样。 2 2几种典型的模数转换器 模数转换器有多种分类方法，按性能可划分为高速a d c 和高精度a d c ；按 采样频率可划分为奈奎期特采样a d c 和过采样a d c ，奈奎斯特采样a d c 又可划 分为高速a d c 、中速a d c 和低速a d c ；按结构划分为串行a d c 、并行a d c 和 串并行a d c 。 其中高速a d c 可分为全并行( f l a s h ) d 、两步( 1 w o s t e pf l a s h ) 型加、流水 线( p i p e l i n e d ) a d 、折叠内插型a d 。高精度a d c 可分为过采样s i g m a d e l t a 型a d c 、 逐次逼近( s u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o n ) 型a d c 。下面将介绍几种典型的a d c 。 2 2 1闪烁型a d c 闪烁型a d c 又称全并行模数转换器，是速度最快、结构最简单的a d c ，它 可以在一个时钟周期内完成模拟信号的采样，比较和输出。其工作原理如下：电 路工作在两相不交叠时钟下，在一个相位，模拟输入先被采样，在另一个相位， 此采样值和不同的参考电压值进行比较。每次比较都需要一个比较器和一个参考 电压。比较器的输出这时就是输入信号的一个温度计编码的表示。然后经过一个 编码器对比较器的输出再进行编码就可以得到需要的数字信号了。如图2 2 所示， 对于一个n b i t 的f l a s ha d c 中，需要2 一1 个比较器【4 1 。可见，如果n 比较大， 需要的比较器的数目就比较多，所以一般不用闪烁型a d c 实现转换精度要求高的 模数转换过程。 圪f + 比较器锁存器 模拟 吃 图2 2 闪烁型模数转换器 f i g 2 - 2 f l a s h a d c 4 数字输出 矿 d “i 闪烁型a d c 的特点是： ( 1 ) 速度快。由于模数转换只需要通过一次比较就能完成，因此闪烁型a d c 是 所有a d c 中工作速度最快的，它的速度仅仅由比较器限制。目前闪烁型a d c 的 转换速度最高可达到1 6 g h z 。 ( 2 ) 电路结构简单，不需要采样保持电路。 ( 3 ) 精度有限。闪烁型a d c 的参考电压由内部集成电阻串分压形成，因此参考 电压的线性度直接影响到整闪烁型a d c 的性能，而一般内部集成电阻分压可以达 到的最高分辨率仅为1 0 b i t 。 ( 4 ) 功耗大，面积大。由于比较器的数目和电阻的数目与a d c 精度成2 的幂 指数关系，因此闪烁型a d c 的硬件消耗非常大，由此带来功耗大、面积大和成本 高的一些不足【5 1 。 闪烁型a d c 主要应用于对转换效率要求特别高、同时精度要求不高的电路， 比如高速存储器、卫星通讯和高速仪器仪表接口电路等。这种结构的通常采样率 在2 0 0 m h z 2 g h z ，采样精度一般在8 b i t 以下。 2 2 2两步型a d c 两步型( t 、阳s t e p ) a d c 也称为半并行a d c ，是由两个f 1 a s ha d c 组成。它不 像一般的f 1 a s ha d c 在一个时钟周期内完成信号的比较、锁存和输出，而是将比 较、量化分成两步完成。如图2 3 所示，先用一个粗分f l a s h a d c 得到高lb i t ， 然后将lb i t 作数模变换，得到的模拟值与原信号相减，所得余量放大2 1 倍，最 后用一细分f l a s h a d c 将放大后的余量作模数变换得到低，b i t 。与闪烁型a d c 相比，两步型a d c 大大减少了比较器的数目，需要2 2 2 个比较裂2 1 。 图2 3 两步型模数转换器 f i g 2 31 、v 0 一s t c pa d c 两步型a d c 常用于视频信号采集等领域。具有芯片面积小，功耗低，电容负 载小，对比较器失调的敏感度小等特点。而且两步结构还能提高a d c 的精度，达 到l o b i t 以上。由于这种a d c 转换过程分成两个步骤，所以需要一个采样保持电 路( s h ，s 锄p l e 觚dh o l dc i r c u i t ) ，这样限制了a d c 的最高转换速度。 2 2 3流水线型a d c 流水线型a d c ( p i p e l i n ea d c ) 采用多个低精度的闪烁型a d c 对取样信号 进行分级量化，然后将各级的量化结果组合起来，构成一个高精度的量化输出。 每级均包含采样保持电路、子a d c 、子d a c 、减法器和余量增益放大器等，从 高位到低位依次输出数字转换码，如图2 - 4 所示。一个n 位分辨率的流水线型a d c 完成一次采样的流程如下：首先输入的模拟信号经采样保持电路进行采样；然后 送到子a d c 对其进行量化，产生m 位数字量：接着量化后的数字信号被送到子 d a c ，子d a c 则产生一个与之相对应的模拟电平，然后从采样后的输入信号减掉 该模拟电平得到一个残差信号，该残差信号经放大后输出，送到下一级作为下一 级的输入信号。每一级都进行相同的操作，同时由于有采样保持电路，所以各级 都能在时钟的控制下同时工作，因此可以提高速率。为了克服每级子a d c 内部的 失调和非线性，每级流水线都采用了数字校正技术，每级的输出位中都有相应的 冗余位，所以每级的输出位经过校正后共同构成了最后的转换输出【6 1 。但是流水线 型a d c 的第一个数字量化输出结果相对于其它结构的模数转换器来说有 n ( p i p e l i n e 的状态数) 个时钟周期的延迟。这无疑的限制了流水线型a d c 在某些场 合下的具体应用。而且在流水线型a d c 中，如果不能保证每一级的量化精度，就 是说，如果不能保证系统中每一级内部的电路都工作在我们设计的误差范围内， 那么每一级的量化误差都会影响到它随后所有各级的量化结果。 流水线型a d c 的特点： ( 1 ) 流水线型a d c 中各级可以处于并行工作状态，提高了转换速率。 ( 2 ) 流水线型a d c 用到的器件数目与转换位数成正比，硬件消耗和功耗都得 到了限铝0 。 ( 3 ) 流水线型a d c 简化了电路设计，结合了串并型和算法校正型转换器的 优点。 ( 4 ) 输入信号必须穿过多级电路，造成流水线延迟。 ( 5 ) 通过采用冗余自校正设计，可以把电路非理想因素对线性的影响减到最 小。 6 图2 4 流水线型模数转换器 f i g 2 - 4p i p e l i n ca d c 2 2 4 过采样s i g m a d e l t a 型a d c 过采样s i g m a d e l t a 型a d c 是指对信号的采样速率远高于信号带宽的一类转 换器。主要由采样保持电路、减法器、积分器、比较器、d a c 、和降采样滤波器 等构成，如图2 5 所示。过采样s i g m d e l t aa d c 采用了过采样技术和噪声整形 技术对量化噪声进行双重抑制，使基带内信噪比大大提高。过采样技术的应用， 大大缓解了对前置抗混叠滤波器的性能要求，使a d c 对模拟电路精度要求降低。 它的工作原理是：首先输入信号减去d a c 的输出得到一个差值信号。这个差值信 号经过积分器积分，得到的电压经比较器转化成一位数字输出( 1 或0 ) ，这个数字 量作为d a c 的输入，然后输入信号减去d a c 的输出，开始了下一个转换周期。 普通a d c 的量化噪声是白噪声，噪声功率在频域上平均分布，且总量一定，采用 过采样技术将噪声的功率密度减小，采用s i 肿a d e l t a 技术对噪声整形，将低频噪 声转化成高频噪声，用数字滤波器滤掉高频噪声，获得很小的量化噪声，因此工 作在低频下，该模数转换器可以达到很高的精度。 7 + 出 图2 5 过采样s ig n l a d e l t a 型a d c f i g 2 - 5s i 黟n a - d e l t aa d c 过采样s i g m a d e l t a 型a d c 的特点是精度高，最高己达到2 4 b i t 。模拟电路的 比例小，对模拟电路的要求降低，对电容等匹配误差敏感度减小【_ 7 1 。此外，它的结 构简单，采用简单的l b i td a c 可以避免多b i td a c 的非线性。高分辨率s i g m a d e l t a 型a d c 的突出优点是在一片混合信号c m o s 大规模集成电路上实现a d c 与数字 信号处理技术的结合。缺点是当高速转换时，需要高阶调制器；在转换速率相同 的条件下，相对而言功耗要高。过采样s i g m d e l t aa d c 主要应用在图像处理、音 频、高精度数据仪表、a d s l 通讯等领域。 2 2 5逐次逼近型a d c 逐次逼近型( s u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o n ) a d c 实质上是采用一种二进制搜索 的方法，从高位到低位逐渐逼近信号对应的数字码。如图2 6 所示，逐次逼近型 a d c 中包括采样保持电路、比较器、移位寄存器控制逻辑和一个n 位数模转换器 【3 】。逐次逼近型a d c 的具体工作过程是：首先初始化控制逻辑，就是将移位寄存 器设置到中间码( 1 0 0 0 ) ，使得数模转换器的输出为模拟输入的中间电平 ( = 2 ) ，为a d c 的参考电压值。比较器将和进行比较，如果吃 大于，则比较器的输出为逻辑高电平l ，此时n 位寄存器的最高位保持为1 ； 相反，如果k 。小于，比较器的输出为逻辑低电平0 ，此时寄存器的最高位也被 置为0 。这样的过程一直循环，直到得到所需的所有比特数结果，最终通过寄存 器串行或并行输出【4 】。 8 器的输出 图2 6 逐次逼近型a d c f i g 2 6 s u c c c s s i v ca p p r o x i m a t i o na d c 逐次逼近型a d c 常应用于工业控制、便携电池供电仪表和数据信号采集器等。 逐次逼近型a d c 是采样速率低于5 m s s 的中等精度到高精度应用中常见结构。 它的精度一般为8 位至1 6 位具有低功耗、小尺寸和结构简单等特点。 2 3 模数转换器的主要性能参数 模数转换器的性能参数分为静态参数和动态参数，下面将具体描述模数转换 器的主要的静态和动态参数。 2 3 1a d c 的静态参数 1 、 分辨率( r e s 0 1 u t i o n ) a d c 的分辨率是指模数转换器所能分辨的最小量化信号的能力，反映了 a d c 分别的精细程度。对于二进制的n 位分辨率的a d c 所能分辨的最小量化 信号或量化电平的能力为2 个。如果a d c 的输入范围是0 吃，那么这个a d c 能分辩的最小电平为： 矿 y = l s b = 等 ( 2 - 2 ) 实际中分辨率会受到噪声、非线性等因素的影响而降低【3 1 。 2 、失调( o 镌e t ) 失调( o 仃s e t ) 是由于模数转换器的比较器存在失调电压和失调电流引起的。这 些失调电压和失调电流是由组成它们的m o s 管的失配造成的。失调误差使得转 9 换器的输入信号为零时，仍然存在非零的输出电压或电流。 3 、微分非线性( d n l ) 微分非线性( d i 自f e r e n t i a ln o n l i n e a r i 哆，d n l ) 定义为a d c 实际转移曲线的量 化码宽与理想转移曲线的量化码宽之差的最大值，单位为l s b 。如式( 2 3 ) 所示 t ，t ， 删已：尘显垫三刍盟( 2 3 ) l l 。婚 对于一个理想a d c ，其微分非线性为d n l = o l s b ，也就是说每个模拟量化 台阶等于1 l s b ，跳变值之间的间隔为精确的1 l s b 。若忆误差指标l l s b ， 就意味着传输函数具有保证的单调性，没有失码【6 】。 数j = ：输出 1 1 0 1 0 1 i o o 0 1 1 0 1 0 o o l 0 0 0 l23l 5 援拟输入l s b 图2 7 微分非线性示意图 f i g 2 - 7 d n ld i a g r a m 4 、积分非线性 积分非线性( i n t e g r a ln o n l i n e 撕坝i n l ) 定义为模数转换器的实际转移曲线与 理想转移曲线的最大偏差，它表示了实际转移曲线偏离理想曲线的程度，如式 ( 2 4 ) 所示 肌：堡善 ( 2 - 4 ) l 厶妨 实际上积分非线性是微分非线性的积分f 6 】。 1 0 数，输出 2 3 2a d c 的动态参数 1 、信噪比 信噪比( s i g n a l - t 0 n o i s er a d i o ，s n r ) 是指输出信号功率和总噪声功率之比， 单位是d b 。公式定义为 眺= 1 0 l o g ( 只只) ( 2 - 5 ) 在模数转换器中，s n r 的值与电路本身抗噪声干扰的能力成正比，s n r 的值越高， 电路抗噪声干扰的能力越强。理论上模数转换器的信噪比取决于它的量化噪声， 对于n 位精度的a d c ，设它的量化噪声范围为( 2 ，2 ) ，其中= ll s b 。则 总噪声功率为 只= j ：c 争= 岳 亿6 ) 最大输入信号幅度是2 厶，则最大信号功率是 只= 参羔华甩( 等) 出= 华 亿7 ， 将式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 代入( 2 5 ) 中 o 1 o ， 0 “ 帕 m 仇 姗= 1 0 l o g l o2 2 川+ l o l o g l o1 5 = 6 0 2 + 1 7 6 ( 2 - 8 ) a d c 有效位数通常是通过信噪比进行计算的【。 2 、信号噪声失真比( s n d r ) 信号噪声失真比( ( s i g n a l t o - n o i s ea n dd i s t o n i o nr a t i o ，s n d r ) 是指当模数转换器 输入信号为一正弦波时，其输出信号功率与所有杂散信号功率和谐波功率的比值， 是a d c 的一个重要参数，单位为d b 。公式定义为 趴隙= 1 0 1 0 9 1 0 化以+ 咖。) ) ( 2 - 9 ) 相比s n r ，s n d r 考虑了谐波的影响，所以在实际测量时更倾向于采用后者。 一般情况下s n d r 要低于s n r 。在模数转换器的测量上，一般都以s n d r 来决定 整个模数转换器真正可以转换的位数。 3 、无杂散动态范围( s f d r ) 无杂散动态范围( s p u r i o u sf r e ed ”a i n i cr a n g e ，s f d r ) 是指模数转换器输出频 谱中信号功率与最大谐波功率之比。在频谱图上很容易得到s f d r ，即直接测量信 号与最大谐波功率的功率差。s f d r 是反映模数转换器线性度的重要参数【3 1 。 公式定义为 s ! 嗍= l o l o g l 0 化m a ) 【陇蛐。) ) ( 2 1 0 ) 图2 9 无杂散动态范围 f i g 2 - 9s p u r i o u sf r e cd y n a m i cr a n g c 4 、有效位数( e n o b ) 有效位数即是e f j f e c t i v cn u m b e ro f b i t s ( e n o b ) ，单位是比特数。它表达了模数 转换器输出无误码的位数，在实际的应用中常常是先测得a d c 的s n d r ，采用式 ( 2 - 9 ) ( 用s n d r 代替式中的s n r ) 反推出有效位数。 e 脚：幽二! ：z 鱼( 2 11 ) 3流水线a d c 的理论分析 本章主要介绍流水线a d c 的结构和工作原理，并分析了误差来源。然后用 m a t l a b 中的s i m u l i l l k 工具进行建模，详细分析了a d c 原理。 3 1 3 1 1 流水线a d c 的结构和工作原理 流水线a d c 的结构 流水线a d c 的结构如图3 1 所示，它包括n 级串联单元级，每级由一个子 a d c ，子d a c 、减法器和余量放大器，最后一级只需要子a d c 。所有输出经过数 字电路处理最后完成模数转换。 图3 1 流水线a d c 结构 f i g 3 - 1p i p e l i n ea d c 3 1 2流水线a d c 的工作原理 输出 首先输入的模拟信号被采样保持电路采样，然后子a d c 进行模数转换，结果 输出b 位的数字编码；同时b 位数字编码输入到子d a c 进行数模转换输出一个 模拟值，再由原来的输入模拟信号减去这个模拟值，产生一个余量( 这是未被量化 的部分) ，然后余量被放大后再输入下一级。在n 级流水线中，这种过程要重复n 次，每一级的数字输出收集起来形成n b 位。从流水线a d c 的工作原理可以看 1 3 出，流水线a d c 的每一级是并行工作的，这种工作方式可以达到很大的吞吐量。 a d c 的模数转换速度仅由每级产生bb i t 数字值的速度所决定，但同时，流水线型 的工作方式也决定了任何一个模拟值输入至a d c 后需要n 个时钟周期的流水延迟 才能输出转换完成的数字值。因此，流水线a d c 也许并不适用于对延迟要求很严 格的应用【s 】。 流水线a d c 的优点有很多。它降低了电路的复杂性，放宽了对比较器的要求。 但为了进一步放宽对比较器失调误差的要求，需要引入数字校正技术。如果a d c 的精度需要增加，只要增加流水线的技术就能实现，所以a d c 的功耗和硬件消耗 只是随a d c 的精度成线性增加。 3 2 3 2 1 1 5 位级流水线a d c 的结构和工作原理 1 5 位级流水线a d c 的结构 流水线a d c 中每级所产生位数的选择极大地影响了整个a d c 的速度、功耗 和每级放大精度。若流水线a d c 每级产生较少数字值，对子a d c 中的比较器的 要求较低，每级的增益彳。= 2 扣1 也小。但每级产生较少数字值的流水线a d c 结 构也有一些缺点，为了达到相同的精度，必须相应地增加级数，这带来功耗和面 积的问题；由于每级较小的增益，增益误差和后级的噪声更容易导致整个a d c 的 误差。综上所述，在高速、低精度的应用中往往采用每级产生较少数字值的结构， 而在低速、高精度的应用中往往采用每级产生较多数字值的结构。 援撖 图3 21 5 位级流水线a d c 结构 f i g 3 21 5 b i t s t a g cp i p e l i n ca d c 1 4 输出 在本设计中，流水线a d c 采用1 5 位级，共采用7 级，其中0 5 位用于数字 校正，如图3 - 2 所示。每级由子a d c 产生2 b i t 数字值，子d a c 把这2 b i t 数字值 转换成一个模拟值，减法器从原输入信号中减去这个模拟值得到余量，两倍增益 放大器把余量放大后得到模拟残量传到下一级。在1 5 位级流水线a d c 中，输入 信号的范围从- 到+ ，子a d c 的阈值是- 4 和+ ，子d a c 的转换值为 - 、o 、+ 。因此每级的传输函数如式( 3 1 ) 所示。 砌= 2 所+ y 砂 矿班 一 厂 d = 2 ( 1 。) ： 2 所 矿一 啊 啊 矿一 乃可s 所s 啊 矿m 暑啊 矿一；多阿 巧 丢多阿 矿所 乃可 ( 3 5 ) y 删 ? 一+ 多 。 力 v q 、 ，i 一 一一 呵 v 崎i 图3 5电容不匹配对转移曲线的影响 f i g 3 5e f f e c to ft i l cc a p a c i t o rm i s m t c ho nt l l e 咖l s f e r 凡m c t i o n 如图3 - 5 所示，当不同电容值之间出现不匹配时，体现在电压传递特性上是斜 率发生变化。电容不匹配主要有两个原因，一是寄生电容的影响；二是由于平面 1 7 v v 玢 玢 訇 訇 + + 厂、 ，、 一 + 玢 n 研 、叫，、叫、l訇訇訇 + + + 一卜厂2厂2 工艺有限的最小线宽，在平面电容的四周边缘会有一些不平整的光刻误差，导致 了电容不匹配。由于这两个原因，画版图时要把匹配的电容做成正方形并放在一 起。因为在相同的面积下，正方形的周长最短，可造成边缘不平整的机会也最小， 而且，寄生电容与周长成正比，周长短寄生电容也小。平面电容两极板之间氧化 层厚度的变化也有可能造成电容不匹配，但这个影响对于面积小，邻近的电容可 以忽略i 川。从目前主流的工艺水平看，电容匹配水平一般在1 2 b i t 精度以下。 3 3 2m o s 开关误差 m o s 开关误差的主要来源是：导通电阻、沟道电荷注入和时钟馈通。 l 导通电阻 一个n m o s 管可以传输的最大输出电压近似等于二，最大的输入电压 近似等于屹一。同时最小的输入电压和输出电压近似等于i 。j 。 单个m o s 开关的导通电阻r o 是输入电压的函数，它是随输入电压的变化而 变化的【1 0 】。因此忽略体效应，n m o s 管的导通电阻为： r 洲。脚= 矿，l _ _ ( 3 6 ) 以气( 一一。j 从上面的公式可以看出m o s 开关的电阻是非线性的。而且当k 。等于 一时，导通电阻为无穷大，这也是n m o s 管的输入电压的最大值。当用单 一m o s 管作为开关时，需要考虑这个问题。 对于p m o s 管，r d 也有相似的表达式。不同的是，当输入电压为i i 时， 它的值为无穷大。p m o s 管的导通电阻： 1 l ( 3 7 ) 作c 似詈帆一) 为了减小m o s 开关的误差对a d c 性能的影响， 输门开关，也叫c m o s 开关。 传输门的导通电阻： 天甜c 粉= 天伽一忙洲一 一2 习一 可以采用“互补型 的传 1 fw 、 化。一) 即吐i ， p ( 3 8 ) ( 3 9 ) 通过此式，如果以c 二( 叫) 。= 一c “( 叫三) p ，那么与输入电平无关川。 n m o s 开关、p m o s 开关和c m o s 开关的导通电阻曲线如图3 6 所示。 r 图3 6 不i 司m o s 开关的导通电阻 f i g 3 - 60 n r e s i s t 掮c e so fd i f 凫陀n tm o ss w i t c h e s 2 沟道电荷注入 当m o s 开关打开时，电流可以几乎毫无阻碍地流过m o s 开关。电流等于每 时间单位流过沟道的电荷数量，它的值等于c “忆一j 。当m o s 开关关闭时， 沟道内积累的电荷要从源极和漏极释放出来。这就导致了沟道电荷注入误差。 对于一个简单的r c 电路，m o s 管导通时，二氧化硅与硅界面存在导电沟道。 若圪= ，则反型层中的总电荷是： q = 耽巳( 一圪一) ( 3 - 1 0 ) 当开关断开后，q 就会通过源极和漏极释放出来，这种现象就称为沟道电荷注入。 假设开关断开以后，沟道电荷被平均注入到左右两边，则注入到左边的电荷被输 入信号源吸收，不会产生误差。但是，注入到右边的电荷被沉积在c 上，产生 的误差是： 矿：堕边掣 ( 3 - 1 1 ) 1 9 欧x ， 图3 7 沟道电荷注入效应 f i g 3 - 7c h 锄e lc h a r g e 删e c t i 伽c f l j 烈 3 时钟馈通 除了沟道电荷注入效应，m o s 开关还会通过其栅漏或栅源交叠电容将时钟跳 变耦合到采样电容上，这种效应会给采样输出电压引入误差，其电路如图3 8 所示。 假设交叠电容不变，误差可以表示为： 肌老 p 埘 式中c d y 为单位宽度的交叠电容。误差矿与输入电压无关，在输入输出特性 中表现为固定的失调。和沟道电荷注入一样，时钟馈通效应也产生速度和精度之 间的折衷。通过采用全差分结构和下底板采样的方法，可以有效的消除这两种误 差。 傩。 ，丧x 矿 拥 、 m1 3 3 3 子a d c 误差 图3 8 时钟馈通 f i g 3 - 8c l o c kf e e d t h r o u g h 子a d c 的主要误差源是比较器的失调电压。失调电压使比较器的判决电平改 变，对该级输出的量化结果产生影响。单级1 5 位的输出转移曲线由于比较器的失 调导致的变化如图3 9 所示，实线是实际情况，虚线是理想情况，由于比较器存在 失调，在理想参考电平附近会产生矿的偏差。当输入信号靠近参考电平时，会产 生比较误差，严重情况下会造成失码。比较器的失调有多个原因，主要的来源是 器件的失配，参考电压的变化。只要比较器的失调电压小于l 2 l s b ，一般每一级 的输出不会超过下一级的输入范围，也就可以通过数字校正来进行校正。 一： ，材j p i ，彳 _ - f i f “玛 f o i 一 何 k 矿 | 图3 - 9 比较器的失调电压对转移曲线的影响 f i g 3 9e f f e c to f t 1 1 et h ec o m p a 忸t o ro f f e to nt h et r a n s f e rf h n c t i o no fa1 5 b i ts t a g e 3 3 4 热噪声误差 在流水线式a d c 中热噪声主要来源于采样保持电路。采样保持电路等效图 如图3 1 0 所示，设开关的导通电阻为r ，