（电路与系统专业论文）28v、25mhz、10比特模数转换器的设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 ab s t r a c t t h e th e s i s p r e s e n t s t h e d e s i g n o f a 2 . 8 v 2 5 m h z 1 0 - b i t p i p e l i n e a n a l o g - t o - d i g i t a l c o n v e rt , u s i n g a 1 . 5 b i t / s t a g e p i p e l i n e a d c w i t h 9 s t a g e s . t h e f o l d e d - c a s c o d e a m p l i f i e r i s a d o p t e d， i n o r d e r t o a c q u i r e l a r g e r a n g e o f o u t p u t s w i n g a n d i n p u t c o m m o n mo d e v o l t a g e , a s w e l l a s h i g h - g a i n . p r o g r a mm a b l e g a i n a m p l if i e r u s e d i n t h e s / h r e s u l t s i n b i g g e r r a n g e o f t h e in p u t s i g n a l , a n d n e g a t i v e s i g n a l c a n n e v e r b e s a mp l e d w i t h t h e o f f s e t v o l t a g e c o n n e ct e d . t h e d y n a m i c c o m p a r a t o r s w h i c h a r e l a c k o f k i c k b a c k n o i s e k e e p t h e a n a l o g s i g n a l fr o m p i p e l i n e s t a g e s t a b l e d u r i n g t h e h i 沙 f r e q u e n c y s a m p l i n g p h a s e . i n c l o c k g e n e r a t i n g c i r c u i t , t w o - s t a g e d i ff e r e n t i a l i n v e rt e r i s u s e d t o g e n e r a t e t w o - p h a s e n o n - o v e r l a p p i n g c l o c k . d - fl i p - fl o p u s e d i n t h e d i g i t a l d e l a y b l o c k , m o r e a c c u r a t e d e l a y i s a c h i e v e d . d i g i t a l c o r r e c t i o n l o g i c a c c o mp l i s h e d p e r f e c t l y m a k e u s e o f t h e s i m p l e a d d e r u n i t . a d o p t in g t h e s mi c 0 . 3 5 ,u m t e c h n o l o g y , a l l s i mu l a t i o n s a r e c a r r i e d o u t b y h s p i c e . u n d e r t h e c o n d it i o n o f t t c o me r 2 5 0 c, a m p l i f i e r s d i r e ct c u r r e n t g a i n i s a s h i g h a s 7 8 d b , a n d i t s b a n d w i d t h i s 4 7 0 m h z . a l s o t h e s / h b l o c k a n d md a c b l o c k m e e t t h e r e q u i r e m e n t o f p r e c i s i o n ， e x c e p t o f g o o d l i n e a r i t y , a n d t h e a n a l o g - t o - d i g i t a l c o n v e rt wo r k s we l l . k e y w o r d s : p i p e l i n e ; a d c ; s h ; f o l d e d ; d i g i t a l c o r r e c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。 据我所知，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 过 的 研 究 成 果， 也 不 包 含 为 获 得*k 一 或 其 他 教 育 机 构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名:签字日期:年月日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者完 全 了 解立兰人生 有 关 保留 、 使 用 学 位 论 文的 规 定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和 借阅 。 本 人授 权 一 鱼 t 大 一 可以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分内 容 编入 有 关 数 据 库 进行检索， 可以 采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、 汇编学 位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名:导师签名: 签字日期:年月日签字日期:年月日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 格科微 ( 上海 ) 电子有限公司 电话: 0 2 1 一5 8 9 6 8 5 2 0 通讯地址:上海市浦东新区 龙东 大道3 0 0 0 号 1 号 楼 7 0 5 室 邮编:2 0 1 2 0 3 浙江大学硕士学位论文 第1 章 引言 概述 由于大规模、 超大规模集成电路的迅速发展及数字信号传送和处理越来越明 显 优越于 模拟信号 1 1 ， 数字 信息处 理设备得到了更广泛的应用。 采用 数字 信号处 理能够方便地实现各种先进的自适应算法， 完成模拟电路无法实现的功能， 因此， 越来越多的模拟信号处理正在被数字技术所取代。 数字电子计算机所处理和传送的都是不连续的数字信号， 而实际中遇到的大 都是连续变化的模拟量，经传感器转换成为电信号的模拟量后，需经模/ 数转换 变成数字信号刁可输入到数字系统中进行处理和控制， 因而作为把模拟电量转换 成数字量输出的接口电路-a / d 转换器是现实世界中模拟信号通向数字信号的 桥梁， 是各种数字系统中不可缺少的重要组成部分， 其性能会直接影响整个系统 的性能，是电子技术发展的关键和瓶颈所在。 另外，在通信和多媒体需求的推动下，使系统级芯片成为当前c m o s 技术的 一个发展潮流。且系统级芯片越来越多的依赖 d s p ， 其中利用数字系统处理模拟 信号的情况已是很普遍，因而a d c( 模数转换器)的发展也是系统级芯片发展的 瓶颈f2 1 2 模数转换器的应用及发展趋势 科学技术的进步 及半导 体工艺 技术的 发展， 使电 子产品 ( 整机)及 元器 件的 性能不断更新。 它们之间总是 相互促进、 相辅相成. 新型 产品的开 发对元器 件提 出 新要求， 促使新型元器 件的开 发; 同 样， 新型元器件的发展与改进给产品开 发提 供了极好的条件。 a d c 的发 展与 广泛应用是与数字技术发展 分不开的， 另外，与 微处理器、 数 字信号处理器 ( d s p ) 及p c 的发展、 普及及应用有极大的关系。 过去， a d c 主要 应用于数据采集系统、 工业过程控制、 测量及分析等领域。近年来，数字技术进 入音频及视频领域， 特别是 d v d 及家庭影院进入百姓家， 各种便携式播放机( m p 3 , 浙江大学硕士学位论文 肋) 更为年轻人青睐: 无线数字 通信 ( 如手机) 发展神速， 数码相机 取代传统 相 机成为社会的主流， 车载数 字音响也不断 增加. 总 之， 数字技术的快速发展和 应 用领域越来越宽， 使 a dc 及 d ac 器件获得了较快的发展与进步。 这体现在性能不 断提高、满足便携式的需要及价位不断降低。 随着设计技术的发展和生产工艺的进步， 现在市场 上 不断出现高性能的 a /d 转换器， 其在速度和分辨率方面与以往的模数转换器相比有了极大的提高。 现在 的 a / d 转换器在转换速度 上 可达到数百兆每秒，在转换精度 上 可以达到 24 位以 上。c m os 工艺水平的长 足进步 和数字系 统设计软件的日 趋成熟，使得数字系统 无论在处理能力还是处理速度上都取得更加飞速的发展。 相对而言， 模拟接口电 路由于在很长一段时间内没有得到足够的重视，加之模拟设计软件业不够成熟， 模数接口电路的发展落后于数字电路的发展， 因此， 一些包括数模接口的电子系 统，如数字电视视频系统和数字通信系统中，接 口电路的性能 ( 如速度、精度) 还是限制了整个系统性能的提高。 为了突破数模接口电路对系统性能造成的限制， 在国际上， 各著名大学和实 验室都有大量的研究人员从事于各种模数转换器的结构与基础研发工作， 其研究 目 标主要集中 在新型 a d c系统结 构、单元电路和具体的技术 难点的突破; 而公 司、生产厂家则主要对已经证实为准确、可靠的周d转换技术，从设计、工艺、 生产成本等方面进行改进和完善，以期让这些技术和产品尽快应用于军民用领 域.国 外m a x l m ， a d i ， tl和美国国 家半 导体伽ationalsem i con duct o r) 等主 要设 计生产模拟 ic 的这些专业化大公司的产品代表了当今国际模数转换技术的领先 水平。 从过去多年的发展中 可以 总结出高 速a d c 设计的 几个发 展趋势: ( 1 ) 低压、 低功耗设计，这也是整个电路的发展趋势。( 2)高速前提下实现高分辨率。( 3) 结构不断简化。 ( 4)缩小 制造工艺 线宽， 改变集成单元的分隔原则( d einteg atio n)， 越来越注重传感器设计， 以相同封装尺寸和功耗增加通道数目等。另外，随着更 先进的c mo s 工艺不断应 用于 数字电路， 近年来在高 性能a d c 领域出现了 一个 明显的发展趋势，即用 “ 极限”工艺实现 “ 极限”指标，其采用的工艺与主流数 字工艺的距离比以 往大大缩小 131 。 模数转换器为了能够内嵌于单片数字系统，并适合便携设备使用，除了满足 精度和速度的要求外，也希望 周d 转换器消耗尽可能低的功耗和芯片面积。流 浙江大学硕士学位论文 水线结构的 a / d转换器能同时兼顾考虑芯片的面积和转换速度。相比于全并行 闪烁型 a / d转换器，在相同的精度下，流水线 a / d转换器具有较小的面积和较 低的功耗。在采用自校准等技术后，流水线 a / d转换器的精度得到了进一步提 高，已达到 1 4 -1 5比特。由于流水线 a / d转换器结构本身的特点使得流水线结 构 a / d转换器的吞吐率仅取决于流水线单级的收敛速度，级数的多少只会影响 输出的延迟时间，而不会降低吞吐率。此外，流水线的级数与 a / d 转换器的分 辨率a线性关系。基于 上 述优点，流水线 a / d转换器可广泛应用于视频信号处 理和便携式通信领域。 如手机带照相功能已是很普及， 由n o k i a 和s t 公司共同提出的规范s m i a 1 . 0 中就对这种照相模块架构作了详细的规定，其核心就是图像传感器。而 c m o s图 像传感器 ( c m o s i m a g i n g s e n s o r : c i s ) ， 相 对c c d 器件而言， 集成度高 、功耗 小、成本低，可以设计成 s o c 产品，随着 c m o s 7 : 艺的改进，噪声和暗电流特性 等性能越来越好， c i s 器件将代替 c c d器件现有的应用。而在c i s 中， a d 转换器 起着桥梁的 作用， 连接着模拟信号和数字信号， 决定了 系统能否正常工作。 由 于 手机照相模块的分辨率越来越高，像素阵列也愈来愈大，采用流水线结构的 a d c 能够提供足够的精度，而且功耗也比较低。 3 所做的工作及论文结构 本文设计了一种符合项 目需要的流水线 a / d ， 其是应用在手机照相模块中。 其主要性能指 标为 分辨率 1 0 位，转 换速度 2 5 m s a m p l e / s ， 系统工作时钟 2 5 m li z , 采用 9 级流水线，每级 1 . 5 位， 电源电压为 2 . 8 伏。 全面介绍了模数转换器的原理，阐述了各种模数转换器的特点及优势， 重点 介绍了 流水线 模数 转换器的特性， 研究 现状， 较系 统的研究了流水线模数 转换器 的结构和性能，基于速度、精度、功耗之间最好的优化和折中考虑，本模数转换 器采用 1 . 5 位的9 级流水线结构实现， 并 在低功耗、 高精度方面做了 细致的 研究 工作。 全文分为六章， 第一章为引言。 第二部分全面而详细地阐述模数转换器的原 理和特性、分类、研究现状，及其在手机照相模块中的应用;介绍和分析了几种 应用比较广泛的高精度模数转换器结构; 着重阐述了本文设计中采用的 1 . 5 b i t / 浙江大学硕士学位论文 级流 水线模数转换器的结构及其所采 用的数 字校正算法: 并 用做t lab 实现了10 位 1 . s bit 流水线模数转换器的行为仿真。第三章为模数转换器的各部分电路的 具体实现，其核心模块是余量增益模块 mdac 集数模转换、减法、余差放大和采 样保持功能 于 一身，简化电路结构，提高模数转换器的性能。第四章主要是用 h s p ice对各模块电路以及整体进行了功能仿真，并作了性能分析。第五章是电 路噪声和误差分析， 并指出了在版图设计中应该注意的问题， 以减少误差和噪声， 使电路性能更完善，第六章t作总结以及展望。 浙江大学硕士学位论文 第2 章 流水线a / d转换器及行为仿真 2 . 1 a / d 转换器原理 模数转换器是将在幅度和时间上连续变化的模拟信 号 转换为在幅度及时间 上均为离散变 化的 数字 信号。 图2 . 1 给出 了一个基 本a d c 的框图 4 ) ， 该图所示就 是这个过程的1 一 作原理。 一 个被称为抗混叠滤波器的前胃滤波器用来避免高频信 号在 a d c的基带中引起混叠。抗混叠滤波器经常通过 a d c本身的带宽有限特 性来实现， 它使后续的采样不致将带外的噪声或信号成分混叠在有用的信号基带 中。信号经过抗混叠滤波器后，输入采样/ 保持电路，采样电路在采样时钟控制 下将输入信号 转换为时间上离散的采样信号。 保持电路是使采样值在变换过程中 保持不变。 转换通过量化完成， 量化就是把各个时刻的采样值用二进制数来表示。 x(t)口 曰 口 回 y(kt) 前 置 滤波 器采样 / 保 持量 化 器编码 器 图2 . 1 a d c 的 基本框图 量化所用的比特的数量即量化精度，一般用 n 表示，所以量化的过程就是将采 样信号分成2 n 个子域，然后由数字处理器对相应的数字位进行编码。因此，在 转换时间内，一个被采样的模拟输入信号被转换成一个等价的数字输出码。 2 . 2 a / d 转换器的特性 a / d 转换 器的 性能参 数， 分为静态特性和动态特性15 1 。 静态特性是基于输入 一 输出 特性的。 静态特性 是指实际量 化和理想量 化之间的误差， 理想a d c 特性 所 具有的量化噪声在， 0 . 5 l s b之间。转换器静态性能的主要特性是失调误差、增 益误差、 积分非线性 ( d n l ) 和微分非线性( i n l ) 。动态特性与寄生电容和运算放 大器有关，其最基本的动态特性是转换速度。除此外，信噪比 ( s n r和 s n d r ) , 浙江大学硕士学位论文 动态范围 ( s f d r) 和 a dc 的有效位数 ( eno b) 也是衡量其性能的常用性能参数， 这些量与数字输出编码有关。 分辨率是指a /d 转换器所能分辨的模拟输入最小增量，等于 i l sb 所代表的 模拟量。对、 位二 进制码，该 值为f s/2 万 ， 一 般用位数n来表示分辨 率。 增益误差是实际特性曲线和无限精度特性曲线之间的差值， 它与输入电压的 幅度成比例。 它是最高的数字编码上， 即在满刻度时， 两条曲线之间的水平差值。 积分 j i 线性是实际有限枯度特性曲线 。 理想有限特性曲线在垂改方向 1 几 的 最大差值。 微分非线性是每个垂直台阶上测量的相邻编码之间的距离。a d c 的微分非 线性可以写为: d n l 二 ( 氏 一1 ) 璐 b( 2 1 ) 其中 ， 几 是 以l sb为 单 位 的 实 际 垂 直 台 阶的 尺 寸 。 s f d r 就是 s p u r i o u sf r e ed y n ami cr a n g e ， 即无 噪声和谐波的 动态范围. 在 定义 这 概念时， 把谐波和噪声都 成为 伪信号 ( s p uri ous)。 在计算s f dr时， 只 要对信号做频谱分析，然后测出信号的幅度和噪声与谐波中最高尖峰之间的距 离。 2 . 3 各种模数转换器的介绍 在 a /d 转换器的发展过程中，出现了许多种体系结构。不同的结构侧重于 不同的需求，主要是根据不同的应用场合，在精度、速度、功耗等方面的权衡， 然后选 择不同 类型的a /d转换器。 现有的a /d转换器中， 按基本的转换原 理划分， 可分为 奈奎斯特 ( n y q u i s t ) a / d 转换器和过采样 ( o v e r s a m p l i n g ) a / d 转换器。 这两种类型的转换器依据转换速率不同又有不同的分类， 如表2 . 1 所示。 奈奎斯 特a /d转换器， 是基于 对信号幅度直接量 化的 原理， 每一个被采样的模拟 信号转 换后都 对应于唯一的数字信号， 其转 换速率等于奈奎斯特 ( 奈氏) 速率。 过采样 型a / d 转换器是基于幅度的精度与时间的精度之间的折衷关系， 它是通过提高过 采样率 ( 采样速率与转换速率的比值， 记为m ) 来达到高动态范围的a /d 转换器。 传统上，一般将奈奎斯特采样定理为基础的模拟/ 数字转换器用在低分辨率至中 浙江大学硕士学位论文 表2 . i a dc 结 构的 分类 转换速率奈奎斯特 过采样a dc 慢速集成 ( 串行) 高分辨率( ) 14位) 中速连续逼近，1 位流水线运算中等分辨率( 1 0 位) 快速闪存多位流水线， 折叠和内插低分辨率( 6 位) 分讲率的数据采集系统中而在高分辨牢数据采集应用中， 则使用过采样转换器 更为普遍。 其主要是因为在 日前的数字驱动处理技术中，由于元件匹配和电路的 非理想性，奈奎斯特 a/d 转换器的分辨率被限制在 10一12 位之间。而过采样型 转换器是通过牺牲速度来换取高动态范围的，其利用目前的 v l si 技术，目的是 提高高速/ 高密度数字电路而不是精确的模拟电路，因为大部分转换处理是在数 字域进行的。与奈奎斯特转换器不同，这类转换器的模拟部分相对简单，占用芯 片的面积小，是采用开关电容技术来实现的，这种转换器广泛应用于音频处理、 图像处理等低速、高动态范围领域。由于过采样型转换器转换速度很慢，当前高 速 a /d 转换器主要是奈奎斯特型的，主要有快闪型、 两步快闪型、 折叠插值型和 流水线型等。 表2 . 2 是这几种典型的a /d转换器的特点的概 括， 主要是在速 度、 功耗和精 表2 . 2各种结构的a oc的 特点 1，1 结构速度精度功耗 典型应用 全并行 内插式 快 快 低 低 高 较高 通信、雷达、 高速数据读取 两步式 折叠式 流水线 较快中等中等数据通信、视 频等 逐次比 较型 算法型 积分型 中等较高较低音频、自 动控 制、仪表等 过采样型较慢高中等 音频、通信、 精密测试等 浙江大学硕士学位论文 度三方面作的比较， 由表中内容可知， 速度、 功耗和精度三者之间是相互约束的， 任何一个体系结构的模数转换器都无法使上述三个约束条件同时达到最优， 一些 高速结构在速度和面积之间进行折衷，同时还需考虑功耗，精度等。 2 . 3 . 1 f l a s h a d c 的结构 快闪 烁型 ( f l a s h ) a d c 又叫做全并行a d c ， 它是将采样信号一步 转换成二进 制数。闪 烁型a d c 是速度最快的 一 种，采 用b 巾 o l a r l 艺的6 位f l a s h a d c的 采样频率可以达到 2 g h z以上。且其原理和结构简单，但由于其分辨率不高，通 常用 于 低分辨率 ( 8 - 1 0 位) ，速率为2 0 -5 0 m s p s 应用场合，主要是视频和通信 领域。 闪烁型a / d转换器的工作原理如图2 . 2 所示，它主要由分压电阻串、比较 器阵列、 编码器和输出寄存器组成。 组成一个具有 n 位分辨率的 a / d转换器， 要 求 2 n - 1 个比较器。外接基准电压 v r 经电阻网络分压，分成每份都等于 1 l s b电 压值的2 n - 1 等份。 模拟信号v i n . 同时输入到 2 n - 1 个带锁存的比较器中， 每一个 比较器的参考电压都比下一个的参考电压高出一个 l s b 所代表的电压值。 输入信 号进来后，转换同时进行的。输入为0时，全部比较器关闭;输入为 1 l s b 的电 压值时， 最低位的比较器翻转; 输入电 压继续增 加会有越来越多 的比 较器改 变状 态。当输入的模拟信号出现在各比较器端口时， 输入信号高于门限电压时，比较 器输出为逻辑 1 ，反之，比较器输出为逻辑 “ 0 。在 a d c时钟信号同步下一 系列数字锁存器( 每个比 较器后接一个锁存器 ) 对比较器输出 状态进行判断 并锁 存， 锁存器输出数字信号，然后经编码器编写成输出所需的数字码。这种模数转 换器在一 个时 钟周期内 完成所有的转 换， 速 度很快。 随 之存在的问 题是比 较器的 数量与转换器实 现位数呈指数增长为2 ， 对于实现8 位以 上的转换f l a s h 结构 的 a d c 功耗和版图尺寸将是一个不容回避的问题。同时随着实现位数的增加， 比 较器的精度同样需要增加， 而高精度的比较器很难设计或者说要花很大代价来实 现，再加上不匹配、失调等因素实现较高的转换位数愈加困难.另外，f l a s h结 构信号输入端都 要加采样保持电路以 驱动大量的比 较器， 这也 要求采样保持电路 具有强大的驱动能力，会消耗大量的功耗。 浙江大学硕士学位论文 转换控制 时钟控制逻辑电路 价ef. /|/ 老1漪丫老并 n位数据输出 上护 输出寄存器 日川曰 译码逻辑 采样锁存 2 万一3 丫 一2 丫 一1 外峨 图2. 2 f l a s ha d c结构图 2 . 3 . 2两步式( t 份 os tep)模数转换器 由 于全并行结构a d c 的功耗、 面积以 及输入电容都 与分辨率呈指数函 数增 长，因此这种结构不适合 8 位以上精度的转换。 在较高的分辨率要求下， 就不能 用 f l a s h a d c， 而考虑采用其他结构的模数转换器。 快闪式a d c的主 要瓶颈 是应用的比 较器太多， 硬件开销很大， 还有就是分辨率越高，比较器的失调对整 个转换器性能的影响越大。为此，对快闪式 a d c的主要改进就是要减少比较器 的个数，两步式 a d c就是应此提出的。两步式a d c由两个a d c组成， 它的主 浙江大学硕士学位论文 要思想是量化过程分两步串行来完成， 即将数据分为高位和低位两部分， 其结构 如图 2 3所示，包括采样保持电路、第一级 a d c 、d a c 、减法器和第二级 周d 转换器。 高位和低位数据的量化都是在采样保持电路工作在保持期间， 第一步是第 一 个模数 转换器对信号 进行量化，产 l 高位的数据 ( m s b ) ， 然后d/a转换器 将此 数据转换为模 拟信号， 再将此 模拟量与 输入的模拟量相减得出 的余量， 再 输入到 第二个户 以 d转换器中，得到低位数字输出数据，最后结果是两个 户 以 d转换器结 果相加。由于 低位数据要经过两次 周d 转换，所以两步式利用的时钟周期长， 转换速度比快闪型a d c慢。这种转换器主要是以速度的代价换取了功耗、面积 及输入电容的降低。 ，匡万 余 差 叮万 刁 ，巴 型 竺 口 口 口 h ， s b 图 2 . 3两步式a dc 的结构图 2 . 3 . 3折叠式模数转换器 高速模拟数字转换器有多种结构可供选择， 其中快闪式、 流水线式或折叠/ 内插式等三 种最受欢迎。 采用 快闪式 及折叠 / 内 插式的 结构可让数字c m os工艺发 挥更大的灵 活性。 折叠式 模拟数字转换器的优点是 速度快， 而且 所需的比 较器比 快闪式模拟数字转换器少。内插式模拟数字转换器则只需极少量输入放大器， 而 且所需的输入电容也较低。图 2 . 4 给出了折叠式 a oc 的结构。 浙江大学硕士学位论文 数字 输 出 图2 . 4折叠式a d c的结构 折叠式 a dc 的主要思想是将输入信号分成两步执行，一条的分辨率为 ni 位，另 一条路径的分辨率是nz 位。 第一条路径是一个粗量化器， 将输入信号量化为2 们 个值。第二条路径对获取的输入通过个折叠电路进行预处理，将2 附个子区间 全部映射到一个子区间上， 然后将此模拟信号送到一个有2 们个子空间的细量化 器中。 这样比较器的数量就可以减少至2 似 十 和一 1 个比较器。 与两步结构所不同的 是，在两步结构 a d c中，第 级ajd 转换、级间 d / a 转换及减法器的求差过 程必须在产生余差之前完成。 而在折叠结构a d c 中， 产生余差的过程是独立的， 是与高位 周d 转换器同步进行的，可用简单的宽带电路实现，只需要很小的延 时就可将余差送至后部电路。 另外， 在折叠结构中，高位和低位的比较是同时进 行的， 只需要一步就能够同时输出粗量化和细量化的值， 其基本原理是将输入经 过 折叠电 路的 处理， 再把折叠过的 信号由 低位比 较器来比 较， 且折叠电 路结构简 单、 速度快， 因此， 在减少了 功耗和面积的同时，其 转换 速度几乎和快闪 型a dc 一样。 其缺点是因为没有采样保持，折叠输出的带宽是模拟输入带宽的f 倍， 其 中 f 是折叠过程中， 折叠将整个尺度范围划分的空间个数。 其二是由于需要折叠 电路故 其输入电容并不会比f lash少。 当 然， 如果所折叠出的 信号在转态点附 近 的线性度允许的话， 折叠式 a oc 通常会再加内插的方法以提高转换器的功能，并 减少输入电容。 2 . 3 ， 4流水线模数转换器 折叠式 a d c的优势是兼顾功耗和面积的因素下， 能在一个时钟周期内完成 浙江大学硕士学位论文 转换。 但是， 若愿 意用多个时钟周期 进行转换， 那么每级使用多 位的流水式a d c 的方法就很有用， 其主要式将模数变换分成了几个子变换部分来实现。 可以理解 位一种可并行执行的级联结构。该结构的 a d c是将多级 a d c串行连接起来， 各级可以并行工作， 如偶数级和奇数级采用不同的时钟控制。 与快闪型结构相比， 流水线转换器的硬件消耗大大降低， 而且易于 采用数字校准。山于其具有分级转 换、 流水线操作的 特点， 在实现高精度 的同时， 仍可以 保持较高 的速度和较低的 功耗， 可以 在速度、精度、 功耗和芯片 而积之间达到 最好的 折衷 01 。 基本的流水线结构如图2 . 5 所刁 、 。 其中每一级内部结构如图 2 . 6 所示。 流水 线结构模式周期由m级流水线来构成， 每一级都包含采样保持电路、 低分辨率的 子 模数 转换器、 子数模转换器电路、 余量 和增益电 路。 流水线a dc 是两 级a oc结 构的延伸， 也是目前大多数高速 a dc 产品所采用的结构。与两步结构a dc 的区别 是在减法器 j 第二级a d c 转换器之间增加了 一个采样保持电 路， 其作 用是 保持余 差。因此，前端采样保持放大器、第一级 adc 、级间 d ac 以及减法器可以在第二 级 a dc 转换器进行操作时开始处理下一个采样值，即可以并行处理，从而提高 转换速 度。 clk c乙 k clk vi一 回一 回一 回 2尤 困 食 m s bls b 图 2 . 5基本的流水线a dc 结构 如果 在这种两级结构的 基础上加入更多的 级间放大器， 这样就形成了 流水线 结构 ( p i p e l in ea dc) 。从 整个转 换过 程来看， 流 水线工作方式可以 看 成是串 行 的， 但从级间来 看， 又是并行工作的。 这 样， 流水线结构模数转换器的最大 转换 速率取决于单级电路的最大速度， 因此， 总的转换速率与流水线结构的级数没有 关系。 其硬件代价只随着精度增长而成 线性增长的， 但是转换延迟的时间是 和级 间正 比。 浙江大学硕士学位论文 与两步式转换器相比， 此类转换器的优势在于: ( 1 ) 流水线每级均有采样保 持电路，所以各级可以同步处理，数据输出的效率高。( 2 )在流水线结构中， 是 将每级一个低精度的级级联起来，得到一个全局高精度的模数转换器， 所以比较 器只需满足每 一 级的要求，降低了对比较器精度的要求，电路的性能更高，各子 电路也更容易实现，拥有了较大的设计空间。 叮二 习十匡 下 门 余 差 阿 万习万门 )里 犷 到丫 竺 丫 竺 竺 崔引 口 口 m s日 图2 . 6每一级内部结构 表2 . 3是各种高速 a d c在输入电容，比较器等之间比较。由表 2可以看出 不论在比较器、参考电压的数量还是输入电容，流水线 a d c的设计方法都是最 少的，所以流水线 a d c也是高速a d c发展的最主要方向。 但是流水线 a d c对 其内部的运算放大器的指标要求很高，如其增益和带宽。 表2 .3各种高 速a d c结 构的比 较 f 1 高速 a d c 结构 比较器数目参考电源 数目 输入电容s / h电路误差校正 flash adc 较差较差较多不需要不需要 两级 adc普通 较多普通需要 需要 内插式 adc 普通普通普通不需要不需要 折叠式 adc 普通较多较多不需要不需要 流水线 adc 较优较优较优需要需要 浙江大学硕士学位论文 2 . 4 1 . 5 b i t流水线结构模数转换器 流水线结构的基本思想就是把总体 上 要求的转换精度平均分配到每一级， 每 一 级的转换结果合并在一起可以得到最终的转换结果。 流水线结果的转换率几 乎与级数无关。 流水线每一级的结构完全相同，完成的功能完全一致， 每一级的功能都是接 受前一级的输出作为本级子模数转换器 ( s u b a d c )的输入， 经过转换得到i “ 位每 一 级的位数) 位比特的数字量， 这此数字量一方面作为本级的输出，另 一 方 面作为子数模数转换器的输入， 使得子数模转换器的输出产生对应于这 1 比特数 字的模拟信号， 然后从本级的输入信号中乘以增益的倍数再减去子模数转换器的 输出信号， 作为本级的输出，下级的输入。总之，流水线所完成的功能就是不断 求商取余数， 并把余数放大相应的倍数， 然后重复操作， 直到达到最终所需要的 精度。 流水线结 构模数转换器的最大优点在于高 度模块化， 只要设计 好一级的电 路，就能应用于流水线的后面几级，这就使得设计者的负担大大减轻。 从上可知， 流水线结构的是设计关键是每一级的电路结构， 而这关系到每级 分辨率的选择问 题。 2 . 4 . 1分辨率的 选择 图2 .7是每级分辨率为 1 和 2两种情况下， 功耗与采样频率的关系图。由图 可知，对于 1 0 b i t 的分辨率，在低采样频率下，可以很好的满足噪声和速度的要 求。 随着 采样频率的增加， 从图中 可以 看出 ， 每级分辨率越低， 其功耗越少. 这 是因为在高 采样频率下，建立时间成为功耗的决定因素。 而每级的分辨率 越低， 运放的级间反 馈系数比 较大， 建立时间缩短， 因 而其功耗越少。 对于流水线结构 的模数转换器，其整体的功耗，是与每级的功耗和级数成正比的。 从线性度的角度出发，单级分辨率越大越好，而当每级分辨率为 2 时，模数 转换器的d n l 和inl 达到了 最好的平衡0 。 另外一方面，当级间 增益增大，带 宽 会 随 之 同 比 例 减 小。 本 文 设 计 的 模 数 转 换 器 的 采样 频率 为2 5 m s a m p le / s ,综 合 考 虑功耗，线性度，增益，带宽等，在线性度和转换速率折衷，采用了每级 1 . 5 位 浙江大学硕士学位论文 图 2 . 11 子a dc 和 子d a c 出错时引起的传输函数 范 围 为 心时 ， 这 两 个 判 决 电 平 取 为 一心/4和+ k 扩 / 4 。 比 较 器 的 输出 有 三 种 情 况00 、 01、 11 ， 可 允 许 的 输 入 范 围 为 一 心 嵘+ 心 前 八 级 的 传 输 函 数 为 蠕 = 2 呱一只 只一 1 心 + 只几一 1 心 其输入输出曲线如图 2 . 12 所示。由图可知，只要任何一个判决电平的偏移 量 不 超 过 心 /4 ， 都 能 够保 证 输出 是 在 下 一 级 的 输 入范 围以 内 ， 不 会 引 起 下 一 级 输出误码。 凡 一一 心 图2 . 12 1 . s b i t / 级流水线 传输函 数 最后一级没有下一级的电路为其校正， 所以没有冗余位的产生。 需要用三个 比 较 器， 同 时 需 要 三 个 标 准的 判 决电 平 为一 喻/2 ， 0 ， + 心/2， 有四 个 逻 辑 输出 : 0 0 ，0 1 ，1 0 ，1 1 。 数字校正就是根据流水线每一级的数字输出，由冗余位和该级的输出，用 简单逻辑关系来对该级的输出进行校正。如该级的输出为 00，而余数大于 0 ， 则 浙江大学硕士学位论文 校正后为0 1 ， 反之，保持0 0 不变。4 级数字校正算法如图2 . 1 3所示。 此类冗余 位校正只能解决由于比较器失调带来的误差。 s 幼 争 o u ,p u t b it , s t 相e t s i 姆e 2 口 目 e 3 s u日 . 4 bton , 、 ; ar boo.:b :b , t = banb c o m b in e d o u t p u t a , : d , : d 2 : d ，d , 叭 , ;b , o :b o , -b , q 0 +0 :b 2 , :b 2 , :b: b d , 。 ， :内:d , : d , 图2 . 1 3数字校正算法 2 . 5 用m a t l a b 实现1 0 b i t 流水线结构行为级仿真 模数转换器，作为模拟和数字的连接桥梁，为了适应要求愈来愈高的数字 电路的精度， 也向着高速和高精度的方向发展， 对模数转换器进行晶体管级的仿 真所需时间越来越长。完全地按传统的方法， 对设计出来的电路进行仿真，发现 结构问题再从头设计，耗费的时间太长，所以一样得寻求新的验证方法。 众所周知， 在数字设计领域里，有行为级仿真， 逻辑仿真和晶体管级仿真之 分， 模拟电路设计领域也可以采取自上而下的验证方法，即行为级仿真，电路和 版图三个阶段分别验证。而且为了减少迭代次数， 提高设计效率， 行为级仿真变 得越来越重要. 一方面在考虑非理想特性和电路噪声的情况下， 通过行为级仿真可以对整个 系统的结构或是算法进行分析验证， 并对它的静态指标和动态指标进行评估。 另 一方面允许设计者判断基本模块在转换过程中的效果和限制， 帮助初步确定各模 块的性能指标， 对后续的电路 设计起指导 性的 作用11 0 1 ma t l a b中的 s i m u l i n k模型简单直观，容易掌握，而且可以利用 m a t l a b的 强大处理数据的功能， 对仿真数据进行处理和统计， 让设计者有直观明了的认识， 更方便对系统进行评估. 2 . 5 . 1流水线结构的 建模 本文中对 1 0 位 1 . 5 b i t / 级流水线 a d c进行了仿真，考虑了噪声和时钟抖动 的影响， 并对整 体电 路的静 态指标d n l 和 inl , 用直方图法 进行了 测量， 对动态 浙江大学硕士学位论文 指标信噪比，通过额谱分析测量。 其中， 子模块 it t er对时 钟抖动带来的误差 进行了 建模， 其模型如图2 . 14所 zer o 一 o r d er nurt l b e hol d 图2 . 1 4 s a m p l i n gj i t t e r模型 示。时钟抖动是由于时钟不理想， 它的时钟沿与理想的时钟有一定的偏差。 这个 偏差是随即产生的，并且它的大小再一定范围内也是随即的.采样/ 保持电路的 时钟抖动对数据转换的信噪比有比较大的影响。当输入一个振幅为 a ，频率为 f 的正弦信号在采样时刻有 一 个随机的采样时间误差 占，这将会产生时钟抖动误 差。 x ( t+ 8 ) 一 x (t ) ” 2 兀 fac o s( 2 皿 ft )= 除考虑抖动对系统的影响外， 还考虑了噪声的影响. 本文中用一个随机信号 来产生噪声，将噪声加在闭环电路的输入端。其建模如图2 . 15所示。 r 日ndo m n u斤i bef ze l o 一 o r d e r h di d 图2 . 巧 噪声 模型 加法器的建模如图 2 . 16 所示。一位全加器，是放在第一级和第九级处，所 以不必考虑进位， 其输入为工 nl和i nz， 和为outl 由 或逻辑得到， 进位为o outz 由与逻辑实现，如下 out l二i n l i n z 浙江大学硕士学位论文 o u t 2 = i n l 而采用 p mo s作为输入级，运放具有较低的噪声和较高 的次极点频率， 稳定性好， 可输入跨导减小其单位增益带宽降低。在直流增益和 带宽的折衷，本设计选择了如图3. 2所示的结构。 由于本电路的设计，电源供电只有 2 .8伏，采取了全差分结构，因为双端输 出的电压摆幅比单端输出的结构大一倍， 而且由此得到的运放动态范围也是单端 输出的两倍。 另外， 全差分 结构可以 抑制共模噪声的影响， 这种噪声主 要包括电 源噪声和 数模混合电 路中 有数字电 路产生的经由衬底祸合到模 拟电 路的 噪声。 这些噪声 在 对称的运放结构中只改变输出的共模信号，对差模信号没有影响。 此外， 在设计电路时，为了让电路工作更稳定，管子都工作在饱和状态，设 浙江大学硕士学位论文 p 响. ，一一 门卜 一一 一 一一一一一 图3 . 2折叠式结 构运算放大器 计了偏置电 路提供参考电 压， 如图中b pu， b pd， b nu 的电 压由 偏置电路 提供. b pu 点电压的大小会限制电压输出摆幅的大小， 设计时通过控制各参考电压， 设定运 放的晶体管p3， p4， n3， n4 的 漏端电压为0 . 2 5 勺. 3v . 并将晶体管n3， n 4 作为 反馈 回路，稳定 运放的 共模输出 ，即b n di 的电 压由 共模反馈电 路 (cm f b) 控制。 其 次还得兼顾增益和带宽的折衷. 另外， 考虑到实际 生产时， 实际工艺 和理论还是存在一定的 偏差， 为了 让电 路更稳定， 晶 体管p3， p4 ， n3， n4沟道长度给的比 较长， 这主要是为了 减少沟 道长 度调制效应对电路性能的影响。 浙江大学硕士学位论文 3 . 1 . 4偏置电路 偏胃电路如图3 . 3 所示。该电路对运算放大器提供电压偏置。该偏置电路 洲 叫 挚沙 plypu pp bpi,p121 p19 ne n 6m r1p2 p21nbb 一11 pwmn23 十n31 n31 鳃辉n n9 no 嵘 叫 胆阴 图 3 . 3偏置电路 的参考电流是由基准电压源提供，电流大小为4 0 u 。通过电流镜镜像获得所需的 电流，而所得电流的大小由管子的宽长比决定。 该电路为后续电路可以提供四种 参考电流， 这是由寄 存器 信号b i a s r o 和b i a s _ r 1 控 制的， 即可以 为后续提供四 种不同的偏置电压。通过对 b i a s _ r 0 和 b i a s r 1 进行设置，改变n b b处的电压， 从而改变后续端点b p u , b n d , b n u , b p d 的电压， 继而控制运放的工作。此外，此电 路设计时在电源和接地端， 分别接有 p m o s 和 n o m s 电容， 减少了电源对电路的影 响， 增加了 电路的抗干 扰能力。 该电 路还有电 源关断p d b 信号对其进行关断和开 启控制， p d b 信号高电 平电 路工作。其中寄 存器信号 p d b , b i a s r o , b i a s r 1 是 由数字电路控制的. 3 . 1 . 5共模反馈电路 当运放的共模增益为零时，运放的共模输出电压与运放的共模输入电压无 关。 但实际的运放其共模增益不为