（电路与系统专业论文）14位100mss的流水线模数转换器的分析与设计.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 高速高精度的模数转换器( a d c ) 是消费类电子和通讯系统中的重要模块之 一，例如在无线基站中可能需要1 2 位2 0 0 m 采样的a d c 来进行信号处理，另外 瓦森纳协定说明了高速高精度的a d c 对我国目前还处在禁运状态。因此，研究 高速高精度a d c 的自主研发是一个具有挑战性的工作。在高速高精度的a d c 中，有几种常用的结构如分级比较模数转换器( s u b r a n g i n ga d c ) ，折叠式模数转 换器( f o l d i n g a d c ) 以及流水线模数转换器( p i p e l i n e d a d c ) 。在这些结构中，流水 线a d c 是实现高速高精度模数转换效率最高的一种结构，它经常被采用在数据 采集系统，视频处理系统以及一些3 g 的无线应用。所以，本论文就是要研究高 速高精度流水线a d c 的系统设计，然后在了解系统的模块后进行电路和版图设 计，并尽可能降低功耗。 流水线a d c 中存在很多的非理想因素，比如采样开关的导通电阻，运放的 有限增益和带宽，比较器的失调电压，参考电压的波动，电容的失配以及电路中 的噪声等，因此需要充分考虑这些非理想因素造成的流水线a d c 的性能下降。 通过对流水线a d c 进行m a t l a b 建模，分析这些非理想因素带来的输出频谱的变 化，从而了解它们在电路设计中所占的重要地位。为了消除这些非理想因素，论 文也提出了一种数字前台校准的算法来校准电容的失配误差，并在m a t l a b 中验 证了算法，达到了一定的效果。最后，考虑了功耗和速度的折中关系，选择1 5 位每级作为流水线级来实现整个流水线a d c 。整个流水线a d c 包括了1 4 个1 5 位的流水线级和一个2 位的f l a s h 级，其中多加了2 个流水线级用来作数字校准。 本设计中提出的数字校准算法是通过全数字流程来实现的，首先是编写了数 字工具需要的v e r i l o g 代码，并对代码进行综合生成仿真需要的电路。在验证电 路的正确性后，使用数字工具对生成的电路进行布局布线，提取寄生参数后接着 进行后仿真。如果后仿真结果没有达到要求，那么重复上述的数字流程，对数字 工具参数进行适当的修改即可完成整个数字校准电路的设计。 本论文设计了一个1 4 位1 0 0 m 采样的原型流水线a d c ，芯片采用t s m c o 1 8 9 mc m o s 工艺制造。经过数字校准后，当输入信号频率为1 m h z ，采样频 率为4 0 m s s 时，a d c 的输出信噪比为6 4 1 d b ，无杂散动态范围为7 4 3 d b 。而 当输入信号频率增加到2 0 m h z 时，输出信噪比降低为5 3 6 d b ，无杂散动态范围 降低为6 4 5 d b 。流水线a d c 的d n l 和i n l 在校准前分别是+ o 4 7 - 0 5 l s b 和 1 2 l s b 。经过数字校准后d n l 和i n l 分别提高为+ 0 3 8 - 0 3 6 l s b 和 + 2 2 - 2 1 l s b 。整个流水线a d c 芯片在4 0 m s s 情况下消耗的电流为1 8 0 m a ，在 3 3 v 电源电压下的功耗为5 9 4 m w 。 关键词：流水线a d c ，高速高精度，数字校准，m a t l a b 建模 浙江大学硕士学位论文a b s t r a e t a b s t r a c t h i g hs p e e dh i g hr e s o l u t i o na n a l o g t o - d i g i t a lc o n v e r t e r s ( a d c s ) a r et h eb u i l d i n gb l o c k si n c o n s u m e re l e c t r o n i c sa n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，f o re x a m p l ea12 b i t2 0 0 m s a m p l e sa d ci s n e e d e di nw i r e l e s si n f r a s t r u c t u r et op r o c e s sd i g i t a ls i g n a l ，a n dh i g hs p e e dh i g hr e s o l u t i o na d c s a r ep r o h i b i t e dt oe x p o r tt oc h i n ad u et ot h ew a s s e n a a ra r r a n g e m e n t t h e r e f o r e ，i ti sac h a l l e n g i n g w o r kt od or e s e a r c ho nh i g hs p e e dh i g hr e s o l u t i o na d c s t h e r ea r es e v e r a lt y p e so fh i g hs p e e d h i g hr e s o l u t i o na d c s ，s u c ha ss u b - r a n g i n ga d c ，f o l d i n ga d c a n dp i p e l i n e da d c ，o fw h i c ht h e p i p e l i n e da d ci s t h em o s te f f i c i e n tt o p o l o g yt or e a l i z et h eh i 曲s p e e dh i g hr e s o l u t i o n a n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r s i o n t h ep i p e l i n e da d c i so f t e nu s e di nd a t aa c q u i s i s t i o ns y s t e m s ，v i d e o p r o c e s s i n ga n ds o m e3 gw i r e l e s sa p p l i c a t i o n s t h i st h e s i sf o c u s e so nt h es y s t e md e s i g no fh i g h s p e e dh i g hr e s o l u t i o np i p e l i n e da d c ，a n dt h e nt h ec i r c u i tl e v e la n dl a y o u tl e v e ld e s i g na r em a d e a f t e ru n d e r s t a n d i n ge a c hp a r to ft h ep i p e l i n e da d cs y s t e m i nt h ef i n a l ，l o wp o w e rd e s i g ni s n e c e s s a r yf o ri cd e s i g n t h e r ea r es e v e r a ln o n - i d e a l i t i e si np i p e l i n e da d c ，s u c ha st h eo n - r e s i s t a n c eo fs a m p l i n g s w i t c h , t h ef i n i t eg a i no fo p a m pa n df i n i t eb a n d w i d t h , t h eo f f s e to fc o m p a r a t o r , t h ev a r i a t i o no f r e f e r e n c ev o l t a g e s ，t h ec a p a c i t o rm i s m a t c ha n dt h ec i r c u i tn o i s e t h e r e f o r e ，w eh a v et oc o n s i d e r t h e s en o n - i d e a lf a c t o r sw h i c hd e g r a d et h ep e r f o r m a n c eo fp i p e l i n e da d c t h r o u g ht h em a t l a b m o d e l i n go ft h ep i p e l i e n da d cs y s t e m w ec a r la n a l y z et h e s en o n - i d e a lf a c t o r sb yt h eo u t p u t s p e c t r u ma n dk n o wt h ei m p o r t a n c eo ft h e mi nc i r c u i tl e v e ld e s i g n i no r d e rt or e d u c et h ee f f e c to f n o n i d e a lf a c t o r s ，w ep r o p o s eaf o r e g r o u n dd i 百t a lc a l i b r a t i o nm e t h o dt oc a l i b r a t et h ec a p a c i t o r m i s m a t c ha n dv e r i f yt h ea l g o r i t h mi nm a t l a b a l s o ，t h ec a l i b r a t i o nm e t h o dw o r k se f f e c t i v e l y f i n a l l y , w ec h o o s et h e1 5 b i tp e rs t a g ea st h es t a g eo fp i p e l i n e da d cc o n s i d e r i n gt h et r a d e - o f fo f p o w e ra n ds p e e d t h ew h o l ep i p e l i n e da d c i n c l u d e s1 41 5 b i ts t a g e sa n da2 b i tf l a s hs t a g e ，a n d t h ee x t r at w o1 5 b i ts t a g e sa r eu s e df o rd i g i t a lc a l i b r a t i o n t h ep r o p o s e dd i g i t a lc a l i b r a t i o nm e t h o di sr e a l i z e db a s e do nd i g i t a ld e s i g nf l o wm e t h o d ，t h a t i st os a y , w ef i r s tw r i t et h ev e r i l o gc o d eu s i n gd i g i t a ls o f t w a r e ，a n ds y n t h e s i z et h ec o d et om a k e t h ec i r c u i tf o rs i m u l a t i o n a f t e rs i m u l a t i n gt h ec o d e b a s e dc i r c u i ta n dv e r i f yt h ec o r r e c t n e s s ，t h e l a y o u to ft h ec i r c u i ti sr e a l i z e da n dt h ep a r a s i t i c sa r ee x t r a c t e df o rp o s t - l a y o u ts i m u l a t i o n i ft h e r e s u l td o e sn o tr e a c ho u rg o a l ，t h ep r o c e s sd e s c r i b e da b o v es h o u l db er e p e t e du n t i lt h e s p e c i f i c a t i o n sa r er e a c h e dt h r o u g hr e v i s i n gt h ep a r a m e t e ro fd i g i t a ls o f t w a r et o o l st of i n i s ht h e d e s i g no fd i g i t a lc a l i b r a t i o nc i r c u i t r y a1 4 - b i t1 0 0 m s sp r o t o t y p ep i p e l i e n da d ci si m p l e m e n t e di nt h i sp a p e r ，w h i c hi sf a b r i c a t e d w i t ht s m co 1 8 i t mc m o sp r o c e s s t h ea d ca c h i e v e ss n ro f6 4 1d ba n ds f d ro f7 4 3 d b w i t h1 m h zi n p u tf r e q u e n c ya n d4 0 m s ss a m p l i n gf r e q u e n c ya f t e rd i g i t a lc a l i b r a t i o n w i t ht h e i n p u tf r e q u e n c yr e a c h e s2 0 m h z , t h es n rr e d u c e st o5 3 6 d ba n ds f d rr e d u c e st o6 4 5 d b t h e d n lo fa d ci s + o 4 7 - 0 5 l s ba n d + o 3 8 - 0 3 6 l s b ，w h i l et h ei n lo fa d ci s 12 l s ba n d + 2 2 - 2 1l s br e s p e c t i v e l yb e f o r ea n d 硪e rd i g i t a lc a l i b r a t i o n t h ew h o l ea d cc h i pc o n s u m e s 18 0 m ac u r r e n ta t4 0 m s sc l o c kf r e q u e n c y , w h i c hi s5 9 4 m wp o w e rc o n s u m p t i o nf r o m3 3 v v o l t a g es u p p l y k e yw o r d s ：p i p e l i n e da i ) c ，h i g hs p e e dh i g l lr e s o l u t i o n , d i g i t a lc a l i b r a t i o n , m a t l a bm o d e l i n g i 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 本人在浙江大学超大规模集成电路研究所攻读博士研究生期间，由于个人的 原因不能发表达到博士毕业要求的论文，所以选择了转硕。 在这5 年的研究生学习中，我首先要谢谢我的父母对我的精神和生活上的支 持，不管我做什么决定我的爸妈总是会支持我的想法。虽然我最终没能获得博士 的学位，但是我的爸妈也会理解为什么我要这么做。我的选择是考虑了自己的实 际情况后作出的决定，我也会为这个决定负责。 我要感谢我的导师何乐年教授，何老师对我的研究和生活都非常地关心，给 了我很多地指导并让我懂得了很多的做人道理。为了让我做喜欢的课题，何老师 也费尽心思地特地安排了我喜欢的项目让我做研究，可谓是煞费苦心。所以我觉 得很抱歉没能最终完成博士的学习目标，给何老师留下了遗憾。 在刚开始的2 年里，我是实验室里的菜鸟，很多事情都需要像师兄师姐学习。 在这里，我非常感谢已经毕业的陈东坡，王菁，胡清琮，陈琛，王忆等对我电路 设计上的指导以及教会我对软件的使用。同时，我要感谢一起在实验室共事的巩 文超，王义凯，潘文捷，丁万新，葛康康，刘召辉，朱运征，崔传荣等同学，大 家一起度过了美好的2 年。我们讨论电路设计上的问题，也会一起去踢球打球并 且在运动完后一起吃饭，那是值得回忆的时光。 我还要感谢实验室的一些师弟和师妹，虽然我们年纪上差了一些岁数，但是 我们在交流上不会存在任何的问题。他们是薛晓博，诸剑慧，陈俊晓，朱丽芳， 邵亚丽，董玲玲，胡博宇，陆燕峰，金津，柯徐刚，徐碧野，付大伟，邱建平， 王煊，陈帅，宁志华，叶益迭，林玲，沈亚丹，孙可旭，胡志成，王玉麟，姜俊 敏等，跟他们在一起也渡过了很多快乐的日子。 我要感谢我的室友姜涛，从本科起我们就是同班的，在研究生学习中我们又 有幸住在一个宿舍，和他的交流让我在面对困难时有了听取意见的机会，这带给 了我更多的选择来解决生活中和研究上的问题。我还要感谢另一个本科的同学程 爱莲，如果我有问题找她帮忙，她都会非常热心地帮我解决这些问题，而且大家 在私下也是比较好的朋友关系，可以经常聚在一起聊天讨论问题。 另外，我要感谢在大学本科和研究生生活中遇到的所有人，他们和我的相识 给我的校园生活带来了很多的不同，让我也更加的成熟和明事理，也使我在闲暇 之余有时间和不同类型的人打交道从而学习他们身上的特别之处。 最后，我要特别感谢一下陈俊晓，王煊和孙可旭他们对我工作的帮助，没有 他们我的论文不知道什么时候才能完成。 浙江大学硕士学位论文图目录 图目录 图2 1a d c 的基本工作原理5 图2 2 一个3 位a d c 的传递函数曲线6 图2 3 存在失调电压时a d c 的传递函数曲线7 图2 4 存在增益误差时a d c 的传递函数曲线7 图2 51 2 位a d c 在2 3 m h z 信号输入时的频谱( a d 9 2 3 3 ) 8 图2 6 简单3 位输出并行a d c 9 图2 7 两级比较并行a d c 1o 图2 。8 简单的逐次逼近型a d c 的结构1 l 图2 9 循环a d c 的原理图1 l 图2 1 0 流水线a d c 的基本结构1 2 图2 1 1 一个简单的过采样a d c 的结构框图1 3 图2 1 2 简单1 阶s i g m a - d e l t aa d c 的z 域模型1 3 图2 1 3 数字滤波前后的量化噪声曲线1 4 图2 1 4 一种基于s i g m a - d e l t aa d c 的数据采集系统1 4 图2 1 5 开环结构仪表放大器的系统框图1 5 图2 1 6 信号通过仪表放大器的频谱。1 5 图2 1 7a d c 的转换速率和分辨率的折中关系1 6 图3 1 一个简单的流水线比较的例子1 7 图3 2 典型的流水线a d c 的结构框图1 8 图3 3 采样保持电路的3 种实现结构19 图3 4 二进制权重电容阵列的皿a c 结构2 1 图3 5 等电容结构的m d a c 电路2 2 图3 6 理想1 5 位的如a c 传递函数曲线2 2 图3 7 一个2 5 位的子a d c 电路结构框图2 3 图3 8 电流镜结构运算放大器2 4 图3 9 两级运算放大器2 6 图3 1 0 折叠式运算放大器2 7 图3 1 1 套筒式运算放大器2 9 图3 1 2 开环运放作比较器时的输入输出传递曲线3 0 图3 1 3 动态比较器的结构框图3 0 图3 1 4 经典的动态锁存器结构。3 l 图3 1 5 动态锁存器的等效模型3l 图3 1 6 输入端失调电压存储的典型结构3 3 图3 1 7 输出端失调电压存储的典型结构3 4 图3 1 8 当运放增益为有限时，1 5 位流水线级的输出传递曲线。3 5 图3 1 9 当运放带宽为有限时，1 5 位流水线级的输出传递曲线3 6 图3 2 0 简单的采样保持电路及等效模型3 7 图3 2 1 当比较器存在失调电压时，1 5 位流水线级的输出传递曲线3 8 图3 2 2 当电容存在失配时，1 5 位流水线级的输出传递曲线。3 9 图3 2 3 时钟采样的抖动产生的误差3 9 图3 2 4 与比例无关的放大4 l v 浙江大学硕士学位论文图目录 图3 2 5 电容误差平均技术4 l 图3 2 6 电容修调的原理4 2 图3 。2 71 位岫a c 校准前后的传递函数曲线4 3 图3 2 8 数字自校准的系统结构4 4 图3 2 9 基于队列原理的a d c 结构4 4 图3 3 0 队列a d c 结构的工作时序4 5 图3 3 l 基于相关性原理的后台数字校准4 5 图3 3 2 双a d c 结构数字校准4 6 图4 1 功耗，速度和动态范围之间的折中关系5 2 图4 2 岫a c 在放大阶段的等效噪声模型5 4 图4 3 包含寄生电容的m d a c 放大电路5 5 图4 4 采样保持电路的简单m a t l a b 模型5 7 图4 5 采样保持电路中的k t c 噪声模型5 7 图4 6 采样保持电路一个周期的时域输出波形5 8 图4 7 采样保持电路的输出频谱5 8 图4 8 采样时钟抖动的模型5 9 图4 9 时钟抖动带来的采样保持电路输出频谱的变化5 9 图4 1 0 比较器的建模6 0 图4 1 12 5 位肋a c 模型的传递函数曲线6 0 图4 1 21 4 位流水线a d c 的系统模型61 图4 1 3 流水线a d c 模型在输入频率9 7 1 d h z ，采样频率i o o m h z 时的频谱6 2 图4 1 4 流水线a d c 的d n l ，i n l 6 3 图4 1 5 对1 5 位的姻a c 级校准前后的传递函数曲线6 4 图4 1 6 测量1 5 位的m i ) a c 级传递函数中y r e f 4 处的误差6 5 图4 1 7 流水线a d c 及其数字前台校准系统框图6 6 图4 1 8 校准前后流水线a d c 的输出频谱6 7 图4 1 9 校准前后流水线a d c 的d n l i n l 。6 7 图5 1 开环结构的采样保持电路6 9 图5 2 电容翻转式采样保持电路7 0 图5 3 采样保持电路中的两相非交叠时钟7 0 图5 4m o s 开关的导通电阻和输入电压的关系7 l 图5 5b o o t - s t r a p p e d 开关的原理7 2 图5 6 不同类型开关管作采样时动态范围随频率的变化7 2 图5 7b o o t - s t r a p p e d 开关的电路实现7 3 图5 8b o o t - s t r a p p e d 电路的瞬态仿真结果7 4 图5 9 运放输出和反馈开关之间的b u f f e r 。7 4 图5 1 0 采样保持电路中的折叠式运放7 5 图5 1 lg a i n - b o o s ti n g 的基本原理7 6 图5 1 2g a i n - b o o s t e d 运放，a u xo p a m p 以及原折叠运放的增益波特曲线7 7 图5 1 3 靠近p m 0 s 端的a u x 跨导运放7 8 图6 1 4 传统的s c 共模反馈结构7 8 图5 1 5 改进的平衡型s c 共模反馈结构7 9 图5 1 6 采样保持电路中运放的增益和相位曲线7 9 图5 1 7 采样保持电路的时域频域曲线8 0 v i 浙江大学硕士学位论文图目录 图5 1 8 前两级的m d a c 电路结构框图8 1 图5 1 9 前级m d a c 中带增益提升的套筒式运放8 2 图5 2 0 第一级m d a c 电路中运放的增益和相位曲线8 2 图5 2 1m d a c 电路中子d a c 的一种实现8 3 图5 2 2 一种r e s i s t i v ed i v i d e r 动态比较器8 4 图5 2 3 电容式动态比较器8 5 图5 2 4 差分对动态比较器8 6 图5 2 5 + v r e f 4 处的差分对动态比较器仿真结果。8 7 图5 2 6 子a d c 的编码输出结果8 8 图5 2 7m d a c 电路中的输入输出电压仿真结果8 8 图5 2 8 片上的时钟接收电路8 9 图5 2 9 两相非交叠时钟及提前关断时钟的产生电路9 0 图5 3 0 时钟输入电路的仿真曲线9 l 图5 3 l 时钟控制电路的仿真结果9 l 图5 3 2 数字校正电路的实现一9 2 图5 3 3c m o s 电路实现的两种类型d 触发器9 3 图5 3 4 加入校准电路后的流水线级电路9 4 图5 3 5 包括数字校准的整个流水线a d c 系统9 5 图5 3 6 流水线a d c 中数字校准的时序逻辑9 5 图5 3 7 流水线a d c 数字校准的设计流程9 6 图5 3 8 校准前后流水线a d c 在9 8 6 m l l z 输入时的数字输出频谱9 7 图5 3 9b a n d g a p 电压基准的常用实现电路9 8 图5 4 0 电压基准和参考电流电路的实现9 9 图5 4 l 参考电压的温度变化特性1 0 0 图5 4 2 运放偏置电压的产生电路1 0 l 图5 4 3 参考电压缓冲电路的原理图及负载模型l o l 图5 4 4 需要片外电容的参考电压缓冲器电路1 0 2 图5 4 5 使用片外电容的电压缓冲器输出阻抗随频率的变化结果1 0 2 图5 4 6 片外参考电压缓冲电路的运放实现结构1 0 3 图5 4 7 片内参考电压电路的具体实现1 0 3 图5 4 8 片内参考电压缓冲器中的运放10 4 图5 4 9 片内参考电压缓冲器运放第一级的共模反馈电路1 0 5 图5 5 0 片内差分参考电压在不同时钟相位的仿真结果1 0 5 图5 5 l 常见的数字输出驱动电路1 0 6 图5 5 2 流水线a d c 芯片的版图1 0 7 图6 1 本设计流水线a d c 的压焊图10 9 图6 2 流水线a d c 测试系统的基本设置1 11 图6 3 流水线a d c 芯片的p c b 测试原理图11 2 图6 4 流水线a d c 芯片的p c b 测试版图11 3 图6 5 当输入信号频率为l l 肛i z ，采样频率为l o m n z 和4 0 m h z 时的输出频谱11 4 图6 6 流水线a d c 的信噪比和无杂散动态范围随着输入频率的变化情况一1 1 5 图6 7 数字校准前流水线a d c 的d n l i n l 测试结果1 l5 图6 8 数字校准后流水线a d c 的d n l i n l 测试结果1 1 6 i x 浙江大学硕士学位论文 表目录 表目录 表1 1 常见商用高速高精度流水线a d c 指标一l 表1 2 学术界高速高精度流水线a d c 的指标2 表4 1 论文所用电容按比例缩减5 2 表4 2 不同级分辨率的流水线a d c 5 3 表4 3 流水线a d c 模型中使用的参数6 7 表4 4 流水线a d c 模型的系统仿真结果6 8 表5 1 子d a c 中b h ，b l 和输出控制信号的关系8 4 表5 2b n _ c a l 和b l _ c a l 与测量点的关系9 3 表6 1 流水线a d c 的引脚说明1 l o 表6 2 流水线a d c 的技术参数及测试结果116 x 浙江大学硕士学位论文绪论 1 1 背景概述 第1 章绪论 随着无线通信技术的大范围应用，比如多通道、多模式的接收机，移动基站的基础设施， 以及其他消费电子通讯方面的设备已经越来越广泛地得到应用，高速高精度的流水线模数转 换器( p i p e l i n e da n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t e r , p i p e l i n e da d c ) 已经成为这些设备中必不可少的一 个部分。在通讯系统中，由天线接收的模拟信号都会经过a d c 量化为数字信号进行后端处 理，而且将来的趋势是让这种量化越来越接近接收天线【l 】，因此p i p e l i n e da d c 的采样速率 也会越来越高。另外，数字信号处理器已经有了强大的算法支持和电路的改进，那么模拟信 号和数字信号处理器的接口电路也就是a d c 就成为了一个设计的难点，因为a d c 通常比 数字电路更难达到精确的输出。 一方面虽然采样速率的增大会增加a d c 的功耗，这主要是因为高速信号需要高带宽的 运算放大器从而消耗很大的电流。但是随着集成电路c m o s 工艺尺寸的不断缩小，芯片的 供电电压也在下降，所以在纳米尺寸的工艺下实现的a d c 的功耗也并不大。当电路的工艺 尺寸减小后，模拟电路的设计难度会有一定的增加，这主要是工艺尺寸的限制，我们需要从 电路设计上解决先进的工艺带来的一些问题，比如m o s 管的本征增益减小，电源电压减小 带来的信号摆幅减小，m o s 管的噪声增大以及阈值电压的失配也变大。 另一方面，由于国际上对中国采取高端芯片禁运措施，所以国内在高速高精度模数转换 器方向还是比较落后的，这使得我们国家的国防技术和商用通讯都会落后于发达国家。这使 得高速高精度流水线a d c 的研究很迫切，而且高速高精度流水线a d c 在国际学术界也是 最近几年研究的热点1 2 j i 副【4 1 。 因此，在国家大力发展“核心电子器件，高端通用芯片和基础软件，极大规模集成电路 制造技术及成套工艺”的决定下，开始对高速高精度的流水线a d c 进行研究和设计。表1 1 列出了国外公司的一些高速高精度流水线a d c 达到的参数指标，而表1 2 是当前国外学术 界所实现的高速高精度流水线a d c 的参数指标。从中可以看出，目前高速高精度流水线 表1 1 常见商用高速高精度流水线a d c 指标 型号电源电压分辨率采样速度功耗信噪比动态范围 l t c 2 2 8 4 3 v 1 4 b i t1 0 5 m5 4 0 m w7 2 4 d b8 5 d b l t c 2 2 0 73 3 v 1 4 b i t10 5 m 8 0 m9 4 7 m w 7 7 3 d b9 8 d b 7 6 2 m w a d c l 4 c 1 0 53 v 1 4 b i t1 0 5 m3 5 0 m w t7 1 d b8 2 d b 3 3 v4 0 0 m w a d $ 5 5 4 l3 3 v1 4 b i t1 0 5 m5 7 l m w7 2 d b8 6 d b a d $ 5 4 2 45 v 1 4 b i t1 0 5 m1 9 0 0 m w7 4 d b9 3 d b a d 6 6 4 55 v 1 4 b i t8 0 m 1 0 5 m1 5 0 0 m w7 5 d b 8 9 d b 7 2 d b a d 9 2 3 31 8 v1 2 b i t8 0 m 1 0 5 m 3 9 5 m w6 9 5 d b8 5 d b 1 2 5 m 浙江大学硕士学位论文绪论 表1 2 学术界高速高精度流水线a d c 的指标 参考论文工艺电源电压分辨率采样速度功耗信噪比动态范围 【2 】 9 0 n m1 2 v1 4 b1 0 0 m2 5 0 m w，1 3 瞧|9 0 d b | 7 0 7 d b7 8 7 d b 【4 】 0 1 3 1 , t m 1 2 v1 4 b1 2 0 m1 4 0 m w6 4 d b 7 1 d b 【2 0 】0 1 8 9 m 1 8 v1 6 b1 2 5 m3 8 5 m w7 8 7 d b 9 6 d b | 8 7 d b 4 0 】0 3 5 9 m 3 v1 4 b7 5 m3 4 1 m w7 3 d b8 8 d b 【8 l 】 0 1 8 9 m 3 v 1 4 b1 0 0 m2 3 0 m w7 2 2 d b 9 1 1 d b 7 0 5 d b 8 6 d b 【8 6 】 0 3 5 9 m 3 3 v 1 4 b1 2 5 m 1 8 5 w7 5 d b 1 0 0 d b | b i c m o s1 0 5 m7 2 d b8 2 d b 【8 8 0 2 5 9 m 5 v 3 3 v1 6 b1 0 0 m 1 6 w7 7 d b 1 0 0 d b b i c m o s1 6 0 m a d c 的设计在1 4 位大于1 0 0 m 采样的居多，因此本论文的设计目标就是一个1 4 位，1 0 0 m 采样的流水线a d c 的研究与设计。而且，从表中发现流水线a d c 的信噪比基本在7 0 d b 以 上，而动态范围在8 0 d b 以上。所以，本次需要实现的流水线a d c 的信噪比定为7 0 d b 左右， 而a d c 的无杂散动态范围定为8 0 d b 左右。另外，a d c 的功耗和电源电压的关系比较大， 由于本设计中采用o 1 8 岬工艺，并使用了3 3 v 的电源，所以整个a d c 的功耗在设计中需 要尽量做小。 要实现流水线a d c 的高精度转换，一般需要3 个过程：比较，数模转换，余量放大。 在芯片设计中，如果以c m o s 工艺为制造技术，那么这个高精度转换就受限于m o s 管的非 线性。在深亚微米工艺下，m o s 管的匹配性更差，输出阻抗很有限，承受的耐压也更低， 这些因素都会限制上述的3 个过程出现非线性，导致流水线a d c 的转换精度降低。所以， 经常会采用数字校准算法来纠正模拟电路中的误差。 为了实现模拟数字的转换，比较器是一个必不可少的电路单元。在流水线a d c 中，每 一级中的比较器都不需要很高的精度，因为每级的输出数字位都比较小。但是比较器的失调 电压会导致流水线a d c 的数字输出出错，因此当流水线级的输出位数较高时，必须减小该 级中比较器的失调电压。在流水线a d c 中，比较器的速度也是需要考虑的一个因素，在高 速的时钟采样中，比较器可以处理信号的时间只有半个时钟周期，所以比较时间很短。另外， 我们希望比较器可以消耗很低的功耗，甚至是只消耗动态功耗而没有静态功耗。因此，比较 器的设计需要在速度，精度和功耗之间分别作详细地考虑以得到最佳的比较器性能。 为了把每级的数字输出传递下去，需要数字模拟转换电路，它通常是由开关控制阵列来 传递模拟电压信号。但是，由于本级中存在电容负载以及开关的导通电阻，使得本级的数模 转换时电压充放电存在信号的建立精度问题从而导致输出电压非线性的产生。因此，首先需 要保证数模转换电路中模拟电压要足够稳定，在负载发生变化时，模拟电压的变化要保证在 下级的电压精度范围内。然后，需要减小开关开启时的导通电阻以及要有足够大的电流使得 模数转换可以尽快完成。 信号经过流水线级的比较器和数模转换后，电压范围会减小从而需要每级中的余量放大 器把信号进行重新放大以保证下级的流水线级电路可以正常处理信号。该余量放大电路一般 都由开关电容与闭环运放来实现，那么电容的失配和运放的有限开环增益就成为了放大电路 的非线性来源。因此，需要采用校准算法来纠正电容的失配和有限的增益带来的误差以提高 2 浙江大学硕士学位论文绪论 流水线a d c 的输出精度。而且，在采用了校准算法后，运放的增益可以降低从而减小运放 实现的复杂度以及降低运放的功耗。 1 2 论文的主要工作 本论文分析了流水线a d c 中存在的各种非理想因素以及这些非理想因素带来的非线性 误差，通过对流水线a d c 进行m a t l a b 系统建模，分析高速高精度流水线a d c 中非理想因 素带来的输出频谱的变化。其中，这些非理想因素主要是比较器的失调电压，运放的有限增 益和有限带宽，电容失配以及采样的噪声。为了校准电容失配和运放有限增益带来的非线性 误差，论文提出了一种数字前台校准的算法来