（物理电子学专业论文）流水线型10bit高速adc芯片设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 模数转换器( a d c ) 是将模拟输入量按一定规则转换为与之对应的数字编码的接口 电路。近年来随着通信技术以及数字信号处理技术的飞速发展，逐渐形成了以数字系统 为主体的格局。高性能模数转换器作为模拟信号与数字信号的桥梁，尤其在图形、视频 以及无线通讯等领域的需求日益增强。而流水线型a d c 因为其可以在速度和精度上做 到很好的折中而取得了广泛的应用。 本论文基于t s m c0 2 5 z mc m o s 工艺，并利用e d a 集成电路设计工具c a d e n c * i c 5 0 设计了一款适用于数字通信领域的低功耗1 0 位4 0 m s sp i p e l i n c da d c 。在查阅大 量文献的前提下，根据模拟l c 设计流程，并以高速、低压、低功耗为研究重心，逐步 完成了各个模块电路以及整体电路的设计，主要工作包括：完成了每级1 5 位流水线结 构的设计；精确两项不交叠时钟电路( 为流水线提供采样保持时钟信号) 的设计；高精度 带隙基准源和偏置电路( 为a d c 提供参考电压和电流) 的设计；带热滞回功能的过热保 护电路( 为保证芯片不会因温度过高而烧毁) 的设计；开关电容采样保持电路( 为了抑制 输入级的噪声) 的设计；高速预放大锁存比较器、高性能米勒补偿型运算放大器( 为了提 高a d c 的速度和精度) 的设计；数字校正电路( 为了克服比较器的失调误差) 的设计。同 时利用s p e c t r e s 和h s p i c e 仿真工具对各模块和整体电路进行了详细的仿真分析，并利 用m a t l a b 软件对a d c 的静态和动态参数进行了计算。另外，论文最后还绘制了部分模 块电路的版图。 芯片工作电压为2 5 v ，9 级流水线功耗为1 3 2 m w ，是一款典型的低压、低功耗模 数转换器芯片。芯片的整体仿真结果及其静态和动态参数的计算结果表明，本文设计的 流水线型1 0 位4 0 m s sp i p c l i n e da d c 性能良好，有一定的理论参考和实际应用价值。 关键词：模数转换器；流水线；高速；低功耗 大连理工大学硕士学位论文 t h e d e s i g no fl o - b i th i g h s p e e dp i p e l i n 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 b s t r a c t a sa ni n t e r f a c ec i r c u i t ，a n a l o gt o d i g i t a lc o n v e r t e r ( a d c ) i su s e dt oc o n v e r ta n a l o g s i g n a l s t od i 西t a l s i g n a l sw i t h t h ec e r t a i nr u l e s w i t ht h ee x p l o s i v ed e v e l o p m e n to f c o m m u n i c a t i o na n dd i g i t a is i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，t h ed i 【百h a ls y s t e mh a sb e e n b e c o m i n gt h em a i nb o d yp a t t e r n a na n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t e r , a sa ni n t e r f a c eb e t w e e n a n a l o gs i g n a la n dd i g i t a ls i g n a l ，e s p e c i a l l yi sd e m a n d e di nv i d e oa n d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n f i e l d a tt h es a m et i m e ，p i p e l i n e da d ch a sag o o dt r a d c o f fb e t w e e ns p e e da n dd i s s i p a t i o n ，s o i ti sw i d e l yu s e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n , b a s e do nt s m c0 2 5 u r nc m o st e c h n o l o g y ，al o wp o w e r1 0b i t s 4 0 m s sp i p e l i n e da d ci sd e s i g n e dw i t ht h ee d at o o lo fc a d e n c ei c5 0 m a i nw o r ko ft h i s d i s s e r t a t i o ni n c l u d e s ：b ya n a l y z i n gag r e a td e a lo fl i t e r a t u r e s ，1 5b i t sp e rs t a g es t r u c t u r ei s d e s i g n e dt oo b t a i 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 dp i p e l i n e da d c ；d e s i g na n a c c u r a t en o n o v e r l a p p i n gc l o c kc i r c u i tt op r o v i d ec l o c ks i g n a lf o rt h ep i p e l i n e ；d e s i g na b a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c ec i r c u i ta n dt h eb i a sc i r c u i tt op r o v i d ep r e c i s ev o l t a g ea n dc u r r e n t r e f e r e n c ef o rt h er e f e r r e da d c ；d e s i g nat h e r m a l s h u t d o w nc i r c u i tt oe n h a n c et h eh e a d r o o mo f t o oh i g hw o r k i n gt e m p e r a t u r e ；m a k et h es a m p l e - a n d h o l dc i r c u i ta st h ei n p u ts t a g et or e d u c e t h en o i s ee f f e c t ；d e s i g nas e r i e so fh i g hs p e e dl o wp o w e rd y n a m i cc o m p a r a t o r sa n dl o wp o w e r h i 曲p e r f o r m a n c em i l l e ro p a m p st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e m ；d e s i g nad i g i t a l c o r r e c t i o nc i r c u i tt oe n h a n c et h eh e a d r o o mo fc o m p a r a t o ro f f s e t a tt h es a m et i m e ，as e r i e so f s i m u l a t i o na n da n a l y s i sa t em a k e db yt h et o o lo fs p e e t r e sa n dh s p i c e a n das e r i e so f0 3 d e d e s i t ya n df f ta n a l y s i sf o rs y s t e ms t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c ea r em a k e db ym a n a b a t l a s t ，s o m el a y o u t so ft h ec i r c u i t sa r ef i n i s h e di nt h i sp a p e r t h ea d cc o n s u m e sa b o u t1 3 2m wo ua2 5 vs u p p l y , s oi ti sal o wp o w e rc h i p n c s i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ec h i pa n dt h es t a t i ca n dd y n a m i c p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ms h o w t h a t t h e1 0 b i t4 0 m s sp i p e l i n e da d c d e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o nh a sg o o dp e r f o r m a n c e ，a n da l s o i ti sv a l u a b l ei nt h e o r e t i c sr e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：a d c ；p i p e l i n e ；h i 9 1 1 一s p e e d ；l o w - p o w e r 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：i ! j ! 丝益日期：丝z ! ：三：丝 大连理1 ：大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：、镌磊 导师签名聋圈季 j 1 22 年j 三月j 旦日j 1 2 年j 三月j 旦日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 研究背景及其意义 近年来，随着计算机和微电子技术的高速发展，数字信号处理( d s p ) 技术越来越多 地应用于军事和民用领域的各个方面。与之相对的是，自然界的信号，如语音信号、温 度信号、传感器信号等大多是模拟信号。因此，要通过处理器来进行信号处理，就必须 将自然界的模拟信号转变成数字信号。a d c ，即模数转换器，它的功能是把自然界的模 拟信号转换为按照一定规则与之对应得数字编码。由于a d c 作为模拟信号和数字信号 之间的接口电路，决定了它是模拟i c 设计中不会完全被数字代替的领域之一。 随着数字信号处理技术在高分辨率图像、视频处理即无线通信等领域的广泛应用， 对高速、高精度、基于标准c m o s 工艺的可嵌入式a d c 的需求日益迫切。不同领域对 模数转换器的要求也不同，因此模数转换器的结构也相应不同。一些高速仪表( 比如数 字示波器) 的带宽达到g h z 量级，需要转换速度极高的模数转换器，通常采用f l a s h 结 构，或者采用多个流水线结构的转换器，结合时间交织技术来获得高转换速率；多媒体 音频和图像处理需要很高的转换精度来获得优质声音和图像，因此多采用一a 过采样 型的模数转换器或s a r 型模数转换器；通讯领域的高速模数转换器多采用流水线结构， 能够满足较高的转换速度并且具有较高精度。 本论文设计的a d c ，采用9 级流水线结构，目标工作精度1 0 b i t ，频率4 0 m h z ，主 要应用在同时要求高速和高精度的通讯领域( 如无线通信及视频信号传输) 。通过采用高 带宽运算放大器和高速比较器来提高a d c 的转换速度；在电路中引入冗余位的方案和 数字校正技术来消除级问所产生的误差，使得流水线系统能达到更高的精度；采用精确 的偏置电路和低电源电压来保证芯片的低功耗特性。 1 2 国内外研究概况及发展趋势 国际上各著名大学和实验室都有大量研究人员从事a d c 的结构和基础研发工作， m a x i m 、a d i 、t i 和美国国家半导体等主要设计生产模拟i c 的专业化大公司的产品代 表了当今a d c 技术的领先水平。 国外对高速a d 转换器的研究最为活跃，并在基本的f l a s h 结构上出现了一些改进 结构，如h a l f - f l a s h 结构、p i p e l i n e d 结构和m u l t i s t e p 结构。另外，在高分辨率a 1 ) 转换 器电路设计技术中，一电路结构是目前很流行的一种电路设计技术，这种电路结构 不仅在高分辨中低速a d 转换器方面将逐步取代s a i l 和积分型电路结构，而且这种结 构同流水线结构相结合，有望实现更高分辨率、和更高速的a d 转换器【1 1 。 流水线型1 0 - b i t 高速a d c 芯片设计 应该说a ，d 转换器发展到今天，产品的性能参数指标完全可以满足绝大部分场合的 要求，其速度指标从几m h z 到几g h z ，精度指标从8 位到3 2 位，横跨较宽的范围，可 以满足各种不同应用要求。当前处于研究阶段的a d c 最高精度已达3 2 b i t ，最快转换速 度达8 0 g s s 。比较有代表性的产品有：a d i 公司生产的a d 7 9 8 0 ，采用p u l - s a r 技术， 精度为1 6 b i t ，在1 m s s 采样速率下仅有7 5 m w 的功耗；1 1 公司生产的a d s 5 4 6 3 ，采 用p i p e l i n e d 结构，精度为1 2 b i t ，采样速率最高达5 0 0 m s s ；a d i 公司生产的a d s l 2 0 1 ， 采用一结构，精度可达2 4 b i t ，采样速率为1 m s s 。 目前我国在模数转换技术领域与国外差距比较大，应用的高性能a d c 主要依赖进 口。我国从7 0 年代开始研制a d 转换器，至今已研制出8 位、1 0 位、1 2 位、1 4 位、 1 6 位的a d c 产品，但产品的性能还远远达不到高端应用要求；高端a d 还处于高校和 科研院所的研究阶段。 a d 转换技术发展到今天，在追求更小沟道长度器件的同时，还有向高分辨率、高 转换速率、低压低功耗和单片系统化等方向发展的趋势1 2 l 。 ( 1 ) 高性能方向发展 采用新型的电路结构方案，如一a 调制技术，在同样的工艺条件下，使单片a d c 达到更高的分辨率；采用流水线结构来实现高分辨率和高转换速率的统一：采用自校正 技术和统计匹配技术，使数据转换电路的分辨率和精度进一步提高。 ( 2 ) 单电源、低电压、低功耗方向发展 采用c m o s 或b i c m o s 工艺，低工作电压( 3 3 v 以下) 及电源休眠工作方式等技术， 在获得良好的精度、速度性能的同时，又可以达到低功耗，适应便携式仪器的需要。 ( 3 ) 单片系统化方向发展 随着v l s i 技术的成熟，数字信号处理器( d s p ) 及其它数字器件与高分辨率a d c 、 d a c 可集成于同一芯片上，构成混合信号处理器，从而增强了芯片功能，减少了外围 电路的设计，使其应用更加方便。 1 3 论文主要工作 1 3 1 预期设计指标 本文采用t s m c0 2 5 u r nc m o s 工艺，设计实现一款适用于高速、高精度通讯领域 的1 0 位4 0 m h z 流水线型a d c 芯片。芯片的预期设计指标如下： ( 1 ) 流水线系统工作的电源电压为2 5 v ； ( 2 ) a d c 有效精度在9 b i t 以上； ( 3 ) 片内采样时钟为4 0 m h z ，外接时钟频率最高可达6 0 m h z ； 大连理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 整体电路均采用9 级1 5 b i t 级的全差分流水线结构； ( 5 ) 模拟差分输入信号范围：0 9 v 到1 - 6 v ，共模电平为1 2 5 v ； ( 6 ) 将时钟信号产生电路、基准源电路、以及过温保护电路集成到芯片内部； ( 7 ) 设计高性能的比较器、运算放大器来保证芯片的速度、精度、和功耗； ( 8 ) 设计数字校正电路来调整比较器失调误差，提高a d c 精度； ( 9 ) 将核心9 级流水线的功耗控制在1 5 m w 以下。 1 3 2 论文内容安排 本论文共分七章，各章内容的安排如下： 第一章是绪论部分，主要说明了课题的研究背景和意义，对a d c 芯片的研究动态 和发展趋势做了简要介绍，并提出了芯片的预期设计目标。 第二章介绍了a d c 的主要性能参数和几种典型a d c 的原理、结构及特点，并对影 响a d c 性能的非理想因素和误差来源进行了分析。 第三章详细介绍了流水线型a d c 的基本原理和结构特点，提出了系统设计方案。 第四章对流水线a d c 中的各功能模块电路进行了设计和仿真，并对仿真结果进行 了分析。 第五章对a d c 芯片进行了整体仿真，并通过m a t l a b 软件计算出了芯片的静态和动 态参数。 第六章是芯片版图设计。 最后是论文的总结部分。 流水线型1 0 - b i t 高速a d c 芯片设计 2a d c 概述 本章首先介绍a d 转换器的主要性能参数，接着分析几种典型a d c 的结构和特点， 然后分析影响a d c 性能得主要非理想因素和误差来源以及其对应采用的解决方法，从 而制定出本设计采用的结构和预想的参数目标。 2 1a d 转换器的主要性能指标 在实现a d 转换功能时，由于电路结构和器件本身所存在的种种非理想特性，使得 实际达到的芯片系统性能与理想性能之间存在着一定的偏差。因此有必要了解a d 的理 想转换特性和工业界关于a d 转换器经常用到的性能参数及其意义。 2 1 1 理想a d 转换特性 理想a d c 的理论传递函数是一条斜率为1 的直线( 假如量化精度无穷大) ，而实际 上可实现的理想a d c 的传递函数是呈单调上升的阶梯状，如图2 1 所示。 图2 1 理想a d c 传递函数 f i g 2 1 t h et r a n s f e rf u n c t i o no fi d e a la d c 由于不可能进行无限量化，所以实际a d c 都是仅以有限位数的数字编码表示一定 范围内所有的模拟输入，每个数字输出都代表了一段范围的模拟输入。模拟输入和与它 一4 l 0 1 0 1 0 m m 呲 吼 大连理工大学硕士学位论文 最接近的参考电平比较，输出一系列数字编码，这样就引入了误差，原始输入和数字输 出之间的差值叫做量化误差。随着a d c 的数字输出位数增大( 即分辨率增加) ，这种误 差会相应地减小。另外，通过选取数字输出发生跳变的位置，使每一个“阶梯”的中点落 在理想传递函数的直线上，这样可以获得更低的量化噪声。每一个“阶梯”的宽度定义为 1 个l s b ( 1 e a s ts i g n i f i c a n tb i t ) ，这是a d c 性能描述中的最小单位，在其它性能参数的描 述中会经常用到。 i 2 l s 湛 - i 2 l s b - 置化误差 卜、卜、 j 入j ，? 掣力。j j 弋 r全j ， i 固有量化瞑差 图2 2 理想a d c 的量化误差 f i g 2 2 t h eq u a n t i z i n gc i t o ro fi d e a la d c 如图2 2 所示，量化误差会被作为附加噪声( 叫量化噪声) 叠加在输出中，所以对于 理想m 位a d c 来说，当它在转换信号时也会存在非零噪声，这是量化作用带来的结果。 量化噪声是a d c 中的一个基本限制，它确定了误差能量的下限值。由于电路的非理想 性，总误差始终要大于量化误差。为了较全面地说明a d c 性能，下面介绍静态参数和 动态参数。 2 1 2 静态性能参数 静态性能参数用来表征a d c 的静态误差，即转换器量化直流信号时影响精度的误 差，可以由五个参数完全表示。它们是分辨率、失调误差、增益误差、积分非线性和微 分非线性。通常都以l s b 或f s r 的百分比为单位表示。其中最重要的参数就是积分非 线性( 1 n l ) 和微分非线性( d n l ) ，它们体现了转换器中包括量化误差、非线性、阈值漂 移、失调和噪声在内的精度性能，通常需要进行专门测定的静态参数也是这两个非线性 误差。本文是利用专门的计算软件m a l l 西来计算静态误差的，采用的是码密度直方图 测试法。 流水线型1 0 - b i t 高速a d c 芯片设计 ( 1 ) 分辨率是指转换器所能分辩的最小量化信号的能力。它是a d c 最基本的参数 之一。对于二进制的n 位分辨率的a d c ，它所能分辩的最小量化信号或量化电平的能 力为2 “位。例如，一个1 0 位的a d c ，它能分辩的最小量化电平能力达到2 1 0 = 1 0 2 4 位。 ( 2 ) 失调误差( o f f s e te r r o r ) 定义为理想和实际偏移点之间的差值。对a d c 来说，偏 移点是数字输出为零时的模拟输入范围中点。失调误差对所有输出码的影响是等量的， 一般可以被补偿。 ( 3 ) 增益误差( g a i ne r r o r ) 定义为扣除失调误差影响后，输入输出函数增益点处的理 想值和实际值的差，所谓增益点就是指数字码满幅值输出时的输入中间值。该误差同样 可以被补偿。 ( 4 ) 积分非线性( i n t e g r a ln o n l i n e a r i t y ，矾l ) 是输入输出特性曲线与连接两端点的直 线之间的最大偏差，即某一位上的积分非线性的数值由输入输出特性曲线到该位之间的 微分非线性值累加而得到。 ( 5 ) 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 ，d n l ) 是输入轴上两个连续码转换点之间 的差值与理想1 l s b 的值的最大偏差。当位宽为1 l s b 时，d n l 为零；若a d c 的d n l 超过1 l s b ，则可能出现局部输出在输入增大时反而变小的情况。 以上几项参数体现在图2 3 中。 图2 3a d c 静态参数 f i g 2 3 t h es t a t i cp e r f o r m a n c eo f a d c 6 1 0 1 d 1 0 m m m 眦 大连理工大学硕士学位论文 2 1 3 动态性能参数 动态性能参数所体现的信息包括噪声、动态线性度、失真、建立时间误差以及a d c 采样时间的不确定性。所有动态性能参数的测量均是与频率和信号幅值相关的。 ( 1 ) 信噪比( s n r ) 在测试a d c 的动态特性时，经常使用正弦波作为输入信号，以此计算理想的a d c 信噪比。信噪比是指除去滤波能量后，基波能量与总噪声能量的比值，一般以分贝( d b ) 为单位。如果模拟输入是振幅为v r e f l 2 正弦信号( 峰峰值盼移，它的总功率等于： n 名1 2 “ ( 2 1 ) 所以输出信噪比等于： s n r e 一雾“ c z z ， - = 栌。专2 “ ( 2 2 ) 1 2 表示成分贝形式： s n r e 一6 0 2 m + 1 7 6 d b ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 常用来比较给定m 位a d c 性能和理想情况下的差别。可以看出，每增加一 位数字输出，理想a d c 的信噪比将增加6 0 2 d b 。 ( 2 ) 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 ) a d c 中任何非线性都会带来谐波失真。总谐波失真描述了由谐波失真所带来的信 噪比衰减。其定义如式( 2 4 ) 所示。 黝逝 ( 2 4 ) 略 其中，腑是计算t h d 所考虑的最高谐波阶数，跆和巧分别是基波和j 次谐波的幅值。 ( 3 ) 信号噪声失真比( s m g a l - t o - n o i s ea n dd i s t o r t i o nr a t i o ，s n d r ) 信噪失真比是对实际的a d c 芯片来说更有用的动态性能参数。它是信号能量与总 噪声能量( 包括频谱上毛刺和谐波在内) 的比值。 ( 4 ) 有效位数( e f f e c t i v en u m b e ro fb i t s ，e n o b ) e n o b 。s n d r - 1 7 6 d b( 2 5 ) 流水线型1 0 - b i t 高速a d c 芯片设计 2 2 几种典型的a d 转换器及其特点 正如绪论中所叙述的那样，不同结构的a d 转换器因其各自不同的特性而分别适用 于不同的领域。模数转换器有多种分类方法：按采样频率划分为n y q u i s t 采样a d 和过 采样a d ：按性能划分为高速d 和高精度a 巾。 为了更好地确定适用于高分辨率、高速应用场合的复杂a d c 系统的设计结构，有 必要首先了解一些典型a d c ( 全并行、两步型a d 、流水线型和过采样s i g m a d e l t a 型) 的结构原理，同时也分析一下它们各自性能上的制约因素。 2 2 1 全并行结构( f i a s h ) 全并行a d c 也被称为快闪a d c ，是速度最快结构最简单的a d c ，典型结构如图 2 4 所示l 孤。采用一1 个比较器实现n 位精度，参考电压通过+ 1 个串联电阻分压， 分别作为每个比较器的阈值电压。2 “一1 个比较器的输出为一组温度计码，通过译码电 路转换为二进制码，最后通过输出级输出。 r e f 模拟输入 图2 4 全并行a d c f i g 2 4 t h ef l a s ha d c 由于其一次模数转换过程在一个时钟周期内完成，所以f l a s ha 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和数字解码电路的延迟限制。目前f l a s h a d c 的转换速度最高达到8 0 g i - i z 4 1 。但是f l j - ：l t 较器的数目和电阻的数目与a d c 精度成2 大连理工大学硕士学位论文 的幂指数关系，因此f l a s ha d c 的硬件消耗非常大，由此带来面积大、成本高、和功耗 大等一些缺点。另外，由于参考电压受电阻匹配特性的限制、非线性电容随比较器数目 增多而增大等因素的影响，f l a s ha d c 的精度很有限，一般限制在8 b i t 以下。 f l a s ha d c 主要应用于高速存储器、高速仪器仪表、接口电路中。工艺以双极型为 主，双极型晶体管的高速度和高匹配度使得双极工艺在f l a s ha d c 中占主导地位。但是 并不是说就不需要高速c m o sa d c 了，虽然c m o s 器件跨导低，失配大，但是易于与 数字电路集成的特性决定了其广泛的应用前景【5 1 。 2 2 2 两步( t w o - s t e pf i a s h ) 型a d 图2 5 两步型a d c f i g 2 5 t h e t w o - s t e pf l a s ha d c 两步结构a d c 分两步进行模数转换，如图2 5 所示。对于n 位a d c ，输入信号 经过采样保持后先经过一个粗略f l 勰h a d c 得到高几位的数字输出；然后将这个输出信 号再经过一个分辨率不低于n 位的d a c ，还原为模拟信号：再将得到的模拟值与原信 号相减，所得余量进行相应放大，最后用一精细a d c 将放大后的余量作模数变换得到 低位的数字信号。与全并行a d c 相比，两步结构a d c 大大减小了比较器的数目，具 有功耗低，芯片面积小，电容负载小，对比较器失调的敏感度小的特点。而且两步结构 还能提高a d c 的精度，达到1 0 b i t 以上。由于模拟减法器一般采用运算放大器来实现， 而宽带高、高精度运放本身是电路设计和制作的一个难点，同时d a c 的输出又必须与 输入信号精确匹配，因此，这种结构的a d c 具有一定的制作难度。 两步结构a d c 是常用的高速中等精度a d c ，典型指标为1 0 b i t 以上，几十到几 百m s s ，常用在视频信号采集等领域。 流水线型1 0 - b i t 高速a d c 芯片设计 2 2 3 流水线型a d o 受数字系统中新发展的流水工作方式的启发，近年来在高精度视频a d c 中提出了 流水工作新方式。从整个转换过程来看，流水工作方式可以看作是串行的，但就每一步 转换来看，又是并行转换的，其速度较快。同时采用r s d ( r e d u n d a n ts i g n e dd i g i t ) 、平 均技术、校准技术等可以获得较高的精度。因此，这种转换方式可以同时满足高速和高 精度的要求，在现代通讯领域应用极其广泛。 流水线结构由结构类似的低位a d c 构成，每级包含采样保持、子a d c 、子d a c 、 减法器、余量放大器等，从高位到低位依次算出数字码【6 l 。流水线结构如图2 6 所示。 m s b 图2 6 流水线型a d c f i g 2 6 t h ep i p e l i n e da d c 在实际电路实现时，c m o s 流水线a d c 的精度要求要受到诸多电路和工艺非理想 因素的影响。如：电容失配、比较器失调、运放的增益有限。因此，c m o s 流水线a d c 电路在速度优化、精度优化、低压低功耗设计技术这三个方面的研究尤为活跃。 ( 1 ) 在速度优化方面，主要集中在提高单元电路的带宽、减小建立时间等。针对减 小建立时间方面，要努力的提高运放的压摆率，合理的设定零极点，合理的进行大信号 建立以及合理的分割小信号建立的时间等。而提高整体电路的带宽是一个协调的过程， 因为它取决于各模块电路中带宽最低的那个值。因此，必须提高各单元电路的带宽，使 其达到同一数量级上，才是提高a d c 速度的关键所在。 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 在精度优化方面，为了达到1 0 位以上的设计精度，主要从模拟校正和数字校 正两方面做出努力。模拟校正有常规的元件匹配校准方法，还有人们目前正在努力研究 的电容变换、电容误差平均等技术。 ( 3 ) 在低压方面，主要技术有r a i l t o r a i l 的运放设计、自举开关和开关运放等。 流水线结构a d c 由于其子区转换、流水操作的结构特点，在实现较高精度的模数 转换的同时仍然能保持较高的速度和功耗。而且，流水线结构本身所具有的设计自由度 和灵活性，也为实现速度、功耗、电压和面积优化等课题提供了广阔的空间。 2 2 4 过采样一型a d o s i 一 数 t 字 t 滤 波 器 图2 7 过采样一型结构 f i g 2 7 t h es i g m a d e l t aa d c 图2 7 为过采样一a 型a d c 的结构原理图，其工作过程是：首先从输入信号减 去d a c 的输出( 即差分信号) ，接着在规定时i 日j 内对差分信号进行积分( 积分或求和一般 用表示，这就是一名称的由来) ，然后与基准电压比较从而产生1 位a d c 输出。 为了提高分辨率，以牺牲速度为代价，再对该输出进行数字滤波( 实质上是一种过采样 技术) 。由于一a 调制的采样频率通常为转换速率的6 4 - 2 5 6 倍，其过高的采样频率要 求使其应用受到很大的限制。 我们还可以在频域上来理解一a 型a d c 是如何来提高精度的。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。采用过采样技术能将噪声的 功率密度减小，同时采用一a 调制技术对噪声整形，将噪声搬到高频，用数字滤波器 滤掉高频噪声，获得很小的量化噪声，从而提高精度。 一a 型a d c 的最大特点是精度高，最高已达到3 2 b i t ，另外模拟电路的比例小， 对m o s 管、电容等匹配误差敏感度减小。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。过采样一a 型a d c 应用在多媒体音频、图像处理、 a d s l 通讯等需要很高的模数转换精度的领域。 流水线型1 0 - b i t 高速a d c 芯片设计 2 3 非理想因素和误差来源 由于从器件模型到电路结构存在的种种非理想因素，在实际设计芯片时绝大部分的 精力都放在分析和处理各种可能存在的非理想特性上。可以说，对于流水线a d c ，所 有电路的设计都是基于这些分析上的。这一节将详细分析流水线a d c 中存在的各种非 理想因素和误差来源，并将之直观地反映在传递函数曲线上，并提出相应得解决办法。 流水线a d c 主要有三类误差：噪声，静态误差和动态误差。噪声主要指热噪声； 静态误差包括比较器失调、运放的有限增益误差等；动态误差包括时钟抖动噪声、运放 非线性误差、采样保持电路有限建立时问的误差、电荷注入和时钟溃通效应等。 2 3 1 比较器失调 比较器的失调现象是流水线子级a d c 中主要的误差来源之一。比较器失调的原因 有很多，主要的来源是固有的器件失配，可以被体现为输入端上的失调；此外参考电压 的漂移也可以同样被等效到输入失调上【7 1 。失调电压使比较器的阈值发生偏移，导致量 化误差，体现在1 5b “传递特性曲线上如图2 8 所示。失调必须控制在a d c 系统的1 2 个l s b 内，这对比较器是非常苛刻的。因此通过冗余量化来进行数字校正是必须的。 本设计中采用的是动态比较器，其输出由锁存器控制，锁存器时钟信号的漂移也会 引入信号相关误差。因此必须在比较器| ； 端加采样保持电路来进行一定的改善。 lv o u e 十v r e t 力 l a ，” ，1 f 2 i i v r e f i 7 o i ：砸 一_ i j ? + 、矗鹏 + v r c f 、1 7 一v1 e f f 2 - _v le f 图2 8 比较器失调现象 f i g 2 8 t h eo f f s e tc r l o l o f c o m p a r a t o r 大连理工大学硕士学位论文 2 3 2 运算放大器的非理想因素 运算放大器是整个流水线a d c 子级电路中最核心的模块，它的非理想特性将直接 影响整个流水线级的静态和动态线性度，进而影响整个a d c 的各项性能指标。为了避 免引起逻辑混乱和满足精度要求，运算放大器的输出电压必须能在半个时钟周期内稳定 到满足后级要求的精度范围内。运放的主要非理想特性包括失调、有限增益带宽、电压 摆率的限制和有限丌环直流增益。 ( 1 ) 失调 对于一个理想的运算放大器，当输入为零时，输出也应该为零。而实际上由于器件 参数不匹配等因素，使得输入为零时，输出不为零。通过等效，可以将这种偏差定义为 运算放大器的输入失调。运放的失调现象体现在传递特性曲线上如图2 9 所示。 lv 0 1 1c +n e f 耽砸 + 、协 i 彳 ， - v r e f ? 厂 才 + v l蜘a ?w - 战。 ；i v hi f 2 厂r e 图2 9 运算放大器的失调现象 f i g 2 9 t h eo f f s e te r r o ro fa m p l i f i e r 运放的输入是跟采样保持电路连接在一起的，通过采样电容和反馈电容的电荷转移 来完成信号传递。但是当运放的输入端存在失调电压时，采样电容上的电荷就不能完全 的转移到反馈电容上，而是有一部分电荷来抵消失调电压的影响，使输出偏离j 下常值， 从图2 1 5 也能看出放大器失调造成的结果是传递特性曲线在纵向上发生等值的偏移。 这种偏移可能造成输出信号超出下级子级的量化范围，甚至引起饱和而产生失码。 流水线型1 0 - b i t 高速a d c 芯片设计 ( 2 ) 有限增益带宽 a d c 中涉及到的开关电容理论分析往往是基于理想运算放大器的，要求放大器有 无穷大的直流增益。而实际上，放大器的增益不可能是无限的，从而有限的直流增益就 会对开关电容电路的输出造成误差。将电压输出精度系数归一化处理，也为直流增益， f 为反馈系数。理想情况下该式等于1 ，对输出无影响。当4 ， 1 时，可以推出下式： 忑1 小巧1 ( 2 6 ) 4 厂 当4 有限大时，会使输出电压线性衰减，其对传递特性的影响如图2 1 0 所示 ： ， j 争 u 啪唯 n e f ， 争 - v r e f 厂 j l + v l 舭霉 + v r e f 4 秀 毒 ， 一v ! f 2 v ee 图2 1 0 运算放大器的有限增益误差 f i g 2 1 0 t h el i m i t e dg a i ne l t o go fa m p l i f i e r ( 3 ) 电压摆率的限制和有限增益带宽 子级电路中还有一个比较严重的误差来源是运算放大器有限电压摆率和有限增益 带宽造成的输出电压不稳定。压摆阶段的电压变化速率称为压摆率，受放大器跨导靠和 负载电容q 大小的限制。其中可表示为： r | s 兄。二磐l 一 ( 2 7 ) c l “+ c f 一1 4 大连理工大学硕士学位论文 该式的意义为最大输出电流除以总负载电容和反馈电容。压摆率的大小直接限制流 水线子级建立时间的大小。s r 过小会使输出电压不完全建立，从而影响系统线性度； 而过大的s r 会使得功耗成比例加大。 m d a c 电路是整个流水线a d c 的核心电路，而其内部运算放大器的有限带宽直接 决定了整个a d c 的带宽，进而影响整个a d c 的性能。在本设计中，各电压之间的转化 都是通过开关电容电路来实现的，那么电压是以指数形式建立的，输出电压可以表示为： k 。( f ) = ( 1 一p 一d m t ) 吃，( f ) ( 2 8 ) 其中3 d b 带宽可由下式得出： 口 吐蛐一( - 0 n ，- 号“， ( 2 9 ) i i 矗 由上式可以看出，3 d b 带宽受放大器有限跨导的限制，因而为有限带宽。从而使最 终稳定电压值与理想值之间存在一定的误差。 2 3 3 采样时钟抖动 采样时钟的抖动会产生抖动噪声( c l o c kj i t t e r ) ，使采样发生偏差，设输入信号为： v = 0 5 s i n ( 2 j r f t ) ( 2 1 0 ) 其中p k 为a d c 的模拟输入量程，f 为输入信号频率。当时钟抖动发生缸偏差时， 输入信号的偏差为： a v 一石，虼c o s ( 2 , f t ) 出 ( 2 1 1 ) 最大信号偏差( 幅值) 为： a m a x a | v e s & 为满足nb i t 的精度要求，必须满足： 矿 a m a x 一0 2 v 还是a v - ，b1 ，b ，1 i b1 f b t i m e ( u s 图5 2a d c 高5 位输出信号 f i g 5 2 t h eh i g hf i v