（电路与系统专业论文）10位40mhz流水线模数转换器的设计.pdf

摘要 流水线结构模数转换器是一种研究和应用非常广泛的模数转换器结构，它的 优越性是在保证高速工作的同时，可实现8 位以上高分辨率，并且大大减少了比 较器个数，从而减少了面积，降低了功耗。 流水线a d 转换器的内部电路包括采样保持电路、余量增益电路( m d a c ) 、 动态比较器、运算放大器、基准源等模拟电路模块，以及寄存器组、选择器、时 钟产生电路等数字电路模块，属于数模混合电路。由于本设计对数字电路部分的 性能要求较宽松，而且电路结构相对简单，所以采用和模拟电路一致的设计方法。 本文在电路设计方面主要介绍了单元电路的设计方法。对于采样保持电路采 用了电容底极板采样技术，不仅有效地避免了电荷注入效应引起的采样信号失真， 而且消除了时钟馈通效应的不良影响；在每级子模块中采用了没有直流功耗的差 分对动态比较器，即提高了速度又降低了功耗；运算放大器采用了可以提高运放 增益同时不影响运放单位增益带宽的带增益提高的折叠级联式结构。本文中的电 路均是基于3 3 v 单电源供电的c m o s 工艺，并利用h s p i c e 软件、采用0 1 8 u m 工艺条件的s m i cv i p 5 参数模型进行了仿真。 电路仿真结果显示，在典型模型参数和典型仿真条件( t t ) 下，各相指标都 能达到设计要求；但是在最坏模型参数和最坏仿真条件( s s ) 下，电路的噪声会 显著增加从而使a i d 转换器的性能指标达不到设计规格，因此接下来的工作需要 在s s 条件下对电路的噪声做进一步的分析和改进。目前，芯片已流片完成并准 备测试。 关键词：流水线模数转换采样保持电路动态比较器 a b s t r a c t t h ep 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 a e k a d c ) i sap o p u l a rs t r u c t u r ei nb o t h a p p l i c a t i o na n dr e s e a r c h f o ri t sh i g h s p e e da n dh i g h r e s o l u t i o nd a t ac o n v e r s i o n f u r t h e r m o r e ，t h ep i p e l i n e da d cn e e d sl e s sn u m b e ro fc o m p a r a t o r , s ot h ea r e aa n dt h e p o w e rd i s s i p a t i o nc a r lb ed e c r e a s e d t h ep i p e l i n e da d ci n c l u d e sn o to n l ya n a l o gp a r t ss u c ha st h es a m p l ea n dh o l d c i r c u i t ，t h em u i t i p l y i n gd a c ，t h ed y n a m i cl a t c hc o m p a r a t o r , t h eo p e r a t i o na m p l i f i e r a n dt h eb a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c e ，b u ta l s od i g i t a lp a r t ss u c ha st h er e g i s t e r , t h e m u l t i p l e x e ra n dt h ec l o c kg e n e r a t o r s ot h ed e s i g no ft h i st y p eo fc o n v e r t e ri sm i x e d s i g n a ld e s i g n s i n c et h i st y p eo fc o n v e r t e rh a sl i t t l er e q u i r e m e n tf o rt h ed i g i t a lp a r t s a n di t sd i g i t a ls t r u c t u r ei sr e l a t i v es i m p l e ，t h ed e s i g na p p r o a c ho ft h ed i g i t a lc i r c u i ti s t h es a m ea st h ea n a l o gc i r c u i td o e s f o rc i r c u i td e s i g n ，t h et h e s i sm a i n l yi n t r o d u c e st h eu n i tc i r c u i to ft h ep i p e l i n e d a d c t h es a m p l ea n dh o l dc i r c u i ti se m p l o y e db yt h eb o t t o mp l a t es a m p l i n gt e c h n i q u e ， w h i c hc o u l dn o to n l yc a n c e lt h ec h a r g ei n j e c t i o ne r r o rb u ta l s oe l i m i n a t et h ee f f e c to f c l o c kf e e d - t h r o u g h at y p eo fd y n a m i cv o l t a g ec o m p a r a t o rw h i c hi sn od cp o w e r d i s s i p a t i o ni s u s e di ne v e r ys t a g et o i m p r o v es p e e da n dd e c r e a s ep o w e r t h e g a i n b o o s t e df o l d e dc a s c a d ea r c h i t e c t u r ei su s e dt oe n s u r et h eo p a m ph a sav e r yh i g h d eg a i nt o g e t h e ra l o n gw i t hah i g hu n i t y g a i nb a n d w i d t ha n dl o wp o w e r d i s s i p a t i o n t h ek e yc e l l so fa d cw h i c ha r e3 3 vp o w e rs u p p l yh a v eb e e ns i m u l a t e di no 1 s u m c m o st e c h n o l o g yw i t ht h ep a r a m e t e r m o d e lo f s m l cv i p 5b yh s p i c e b yt h es i m u l a t i o nr e s u l t a l lt h ep a r a m e t e r sc a l lb es a t i s f i e dw i t l lt h ed e s i g n s p e c i f i c a t i o ni nt h ec o m e ro ft t , b u tt h en o i s eo fc i r c u i ti si n c r e a s i n gs om u c hi nt h e c o m e ro f s st h a td e g r a d e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ep i p e l i n e da d c s oh o wt od e c r e a s e t h ec i r c u i tn o i s ei ns si so u i f u r t h e rw o r k n o wt h ec h i ph a v eb e e nt a p e - o u ta n di s p r e p a r e dt ob et e s t k e y w o r d ：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 rd y n a m i cc o m p a r a t o r s a m p l ea n dh o l dc i r c u i t 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特另, j d r l 以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或 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 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：翌鱼日期：丛：! 呸= 奠：蔓影 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校叮以公布论文的全 部或部分内容，i u 以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名 导师签名 昔、功，专 日期：立塑石：蔓! c 罗 e t 期： 妇6 t 2 莎 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的目的和意义 在信号的传输和处理领域，数字信号处理器( d s p ) 以其越来越强的数字处 理能力得到了广泛的应用，而且和传统的模拟技术相比它的优越性非常明显：第 一，对噪声和电源变化等干扰不敏感，能够达到比模拟处理方式更高的精度；第 二，数字信号能够方便的保存在媒介上而同时不会产生失真和丧失完整性；第三， 数字信号处理方式使得更复杂的处理算法能够比较方便的实现，也利于产品的升 级和更新换代：第四，计算机辅助设计技术的发展使数字技术能够非常方便和有 效的实现设计自动化；更重要的是大规模集成电路工艺的发展使数字处理的速度 越来越高，集成的功能越来越多，实现成本越来越低。尽管数字处理方式有这么 多的优点，但是由于来自自然界的信号，如语音信号、传感器信号、雷达回波信 号等大多数都是模拟信号，并且系统在对数字信号处理完之后，往往还需要将这 些数字信号还原成连续的模拟信号以实现对外界的控制。因此，在这种混合信号 系统中，作为模拟信号和数字信号桥梁的模数转换器( a d c ) 和数模转换器( d a c ) 无疑是十分关键的部分【l l 。 随着数字信号处理技术在高分辨率图像、视频处理等领域的应用，对高速度、 高精度、基于标准c m o s 工艺的a d c 的需求日益迫切。如数字通讯以及医疗图 像处理中，采样速度最高需要达到1 0 0 m h z j s ；传统的n t s ct v 系统需要8 位的 精度和2 0 m h z 的采样率；1 0 位的精度和数十兆赫兹的采样率对c c d 摄像系统已 经足够；而对于数字高清晰电视，则可能需要1 2 位到1 4 位的精度和高达7 0 m h z 的采样率。 c m o s 模数转换器的性能主要取决于所采用的电路结构、主要单元电路的性 能、合理的版图设计以及工艺等因素。不同的电路结构其性能特点不同【2 1 ，积分 型( s i n g l eo rd u a ls l o p e ) 和逐次逼近型( s u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o n ) 属于中低速模数 转换器，但是精度可以达到1 0 位到1 4 位以上；f l a s h 结构速度最快，但随着分辨 率的提高，其功耗和芯片面积会急剧增加，因此f l a s h 结构的模数转换器很少做 到8 位以上；过采样型( o v e rs a m p l i n g ) 不同于上述结构类型，其精度可以达到1 8 位以上，但主要应用于低速的音频领域。流水线型并非属于基本的模数转换器结 构，但在精度、速度和功耗上相对其它类型有很大的改进，是高速高精度领域的 主要应用类型，也是本文主要论述的内容。 l o 位4 0 m h z 流水线模数转换器的设计 1 2 国内外的研究状况 a d c 作为模拟信号和数字信号的接口电路，其发展必然受半导体模拟集成技 术和数字集成技术发展的影响，九十年代空前发展的半导体技术带动了a d c 的 高速发展。在a d c 的研究、设计和制造领域，国外起步早，发展速度快，发展 全面，而国内起步晚，发展速度较慢，主要集中在低端产品领域i 。 在国际上，各著名大学和实验室里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a 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 i m 、a d i 、n 和美国国家半导体 ( n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ) 等主要设计生产模拟i c 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，他们的产品几乎占领了整个高端市场。如 a d 公司推出的1 2 位a d 中频采样转换器- - a d 9 4 3 3 ，它的采样速率达到1 2 5 m s p s ( 每秒百万次采样) ，其s n r ( 信噪比) 为6 8 d b ，s f d r ( 无杂散动态范围) 达 到9 0 d b ，t h d ( 总谐波失真) 为9 0d b ，功耗为9 5 0 m w ( 在1 2 5 m s p s 下) 。 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。国内a d c 的结构也主要集中在全并行、积分 型、逐次比较型等低精度高速或低速高精度的结构上。近年来随着设计环境和工 艺条件的快速改善，国内单位在高速c m o sa d c 领域也开展了一些研究，并取 得了一定的成果，如复旦大学设计的l o 位、3 3 m h z 的流水线a d c ，功耗小于 9 0 m w 。 由于流水线结构适应于高速商精度第三代移动通信的要求，目前流水线结构 成为人们研究的热点。在实际电路实现时，c m o s 流水线a d c 的精度要受到诸 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 等。因此，现在对c m o s 流水线a d c 电路的速度优化、精度优化和低压低功耗 设计这三个方面的研究尤为活跃。 虽然当前a d c 品种繁多，技术也不尽相同，但仍能从中找出它的发展趋势： 第一，向商性能方向发展。这主要是通过采用新型电路结构方案，结合不断发展 的集成工艺技术，使a d c 性能不断地向高速度、高精度方向发展。单片集成并 行( f l a s h ) 转换器的采样速度已达上百兆：第二，向单电源、低压、低功耗方向 发展。这类a d c 工作于低电压( 3 v s v ) ，既具有高性能，又可达到低功耗( m w 数量级) ；第三，向单片方向发展，随着半导体工艺水平的不断提高与v l s i 工艺 的逐渐成熟，一些过去采用模块、混合电路设计的高性能转换器正逐渐被单片集 第一章绪论 成转换器所代替，从而降低了芯片的成本，减小了体积，提高了可靠性。 从上面对国内外a d c 研发、生产的分析表明，我国在模数转换技术领域与 国外存在明显的差距，特别是在高端集成芯片领域。目前我国应用的高性能a d c 主要依靠进口，因此由我们自己设计生产出高性能模数转换器已成为当务之急。 1 3 论文的组织结构 本文目的是设计一个适用于视频处理的流水线模数转换器，它的主要性能指 标为转换精度1 0 位分辨率，采样频率4 0 m h z ，采用9 级流水线结构，每级1 5 位。使用s m i c0 1 8 u r n 工艺设计。 第二章首先介绍了不同结构模数转换器的优缺点，接着介绍了模数转换器的 转换原理和主要的性能指标，以便于深入了解a d c 的设计。 第三章介绍了流水线a d c 的结构设计，并对它的算法做了详细的讨论。 第四章详细论述了流水线a d c 关键单元的电路实现过程和工作原理，分析 了关键模块电路设计时的主要考虑因素和实现方式，同时讨论了流水线a d c 电 路中主要误差源的影响，并给出了单元电路的仿真结果。 第五章给出了整个系统的性能仿真结果。 第六章是对论文的结论和展望。 第二章模数转换电路的设计基础 第二章模数转换电路的设计基础 从集成电路的发展历史来看，工艺技术的进步和革新对集成电路的发展起着 首要的推动作用。按照著名的摩尔定律，随着器件特征尺寸的缩小，c m o s 集成 电路的集成度每1 8 个月会提高一倍，同时器件的某些性能指标也会得到改善。这 也意味着，每一次工艺进步都会为集成电路的设计者们提供更广阔、更自由的设 计空间，促使功能更强、速度更快的芯片有可能被设计出来。另一方面，由于电 源电压降低、电路规模增大和短沟道效应等因素使集成电路的设计难度越来越大， 这对设计者的能力提出了更高的要求。 近年来，用于数字电路设计的e d a 软件日趋成熟，使数字系统的设计取得 了飞速发展，但由于模拟设计软件和其它一些因素的限制，使模拟集成电路尤其 是作为接口的高速数据转换电路的发展相对落后。这对模拟电路的设计者而言， 既提供了机遇，也提出了严峻的挑战l l ”。 本章首先介绍了模数转换器的工作原理，接着对不同结构的a d c 进行了对 比分析，最后论述了模数转换器的一些主要的性能参数。 2 1 模数转换原理 模数转换器的输入信号是在时间和幅度上都是连续变化的模拟信号，输出信 号则在时间和幅度上都是离散的，从连续信号到离散信号的转换过程可以被看成 采样和量化的过程1 1 9 1 。 图2 1 模数转换原理 采样过程可用图2 1 来描述，矿( ，) 是一个模拟信号，采样脉冲信号在一系列 离散的时刻( 一般取等间隔点) 打开采样开关，对矿( ，) 迸行采样，于是得到采样 信号v a t ) 。v a t ) 是一系列脉冲信号，在采样期间圪( f ) = v ( t ) ，在其他时间 v a t ) = o 。采样信号v a t ) 必须能真实反映v ( t ) 的变化情况，也就是说屹( r ) 经过一 个适当的低通滤波器l p e 能被复原出矿( f ) 的原始形状，图2 1 中的a v ( t ) 就是一 个被复原的信号，它与原信号y ( ，) 只差一个常数口。为了达到这个目的，必须保 证有足够高的采样频率正( = l t ) ，根据采样定理，六应大于模拟信号v ( t ) 所包 6 l o 位4 0 m h z 流水线模数转换器的设计 含的最高频率分量的两倍。 由于v ( t ) 在幅度上是连续的，所以采样得到的以( ，) 在采样周期内的幅值( 即 采样值) 可能是连续幅值上的任一点。量化过程则是把这些采样值取整为最小单 位的整数倍，这个最小单位被称为量化单位，用数字1 来表示。例如把o 4 v 的模拟电压转换成三位二进制数表示的数字信号，那么量化单位a = 4 v 2 3 = o 5 v 。当模拟电压在o o 5 v 之间，取二进制数0 0 0 ；在0 5 1 v 之间取0 0 1 ；在 l 1 5 v 之间取0 1 0 ；。可以看出在量化过程中，取整的结果将引入误差，这 个误差被称为量化误差，在这个例子中量化误差为一个量化单位，即o 5 v 。 根据上述采样和量化过程，不难写出如下的模数转换关系式： d = i n t ( v 。) ( 2 一1 ) 式中为转换器模拟输入量，o n 为转换器数字输出量，为量化单位，i n t 为取整函数，它表明了模数转换的量化过程。在上述例子中，= 4 v 2 3 ，量化单 位的一般表示式则可写成： = y 自f 2 n ( 2 - - 2 ) 式中v r e f 为参考电压，撑为转换器的位数或称为分辨率。此式代入式( 2 1 ) 得： r 一、 d = i n t l 圪l ( 2 - - 3 ) l 7r e f 这是模数转换的一般关系式，模拟输入电压的范围为0 h v r e p ，数字输出 d n 的范围为0 2 “一1 。 模数转换关系也可以用曲线表示，上述例子中的三位模数转换关系可用图 2 2 ( a ) 的曲线表示。图中的横坐标表示模拟输入电压对于参考电压珞e f 的相对 值，坐标单位为1 8 ( ，i 位a d c 为1 2 ”) 。纵坐标表示数字输出值p ，肌只能取 离散的二进制值0 0 0 ，0 0 1 ，l l l 。转换曲线呈阶梯状，d l 的每一个值对应 于的一个范围，这个范围被称为代码宽度，以位a d c 的理想代码宽度为 。2 “，即一个量化单位，习惯上常用i l s b ( 最低有效位) 表示。这种量化方 式也被称为舍入法。对于我们这个l o 位的流水线a f d 转换器，相应的模拟转换 范围是一l v 到1 v ，数字输出从“0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ”到“1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ”，因此整个量程 被平均量化成1 0 2 4 个等级，每级对应的电压为1 9 5 m v 。 从图2 2 ( a ) 中可以看出阶梯曲线上只有某些特殊的点与理想模拟直线重合， 除此之外都存在一定的偏离，这就是转换中的量化误差，不难看出最大的量化误 差是i l s b ( 误差符号为负，但一般情况下不加符号说明) 。这个量化误差用式( 2 - - 3 ) 解释，它是取整运算所引起的。 量化误差还可以减小，根据四舍五入的原理把式( 2 3 ) 改写为 第二章模数转换电路的设计基础 7 d - i n t 匕+ 护( 2 - - 4 ) 或写成 巩= n 匕( 圪书) ( 2 - - 5 ) 此时对应的转换曲线如图2 2 ( b ) 所示，它的代码宽度中点正好落在理想模拟 直线上，量化误差可减小至( 1 2 ) l s b ，这种量化方式被称为舍去法。这是量化 误第最小的情况因此汶粲转换曲线袖称为殚根樽麴转换关系曲线 钼 黎 8 棚 1 82 8 3 8 4 8 5 ，8 6 8 7 8 a 舍入法 羽 解 基 酬 l ，82 8 3 8 4 8 5 8 6 8 7 8 b 舍去法 图2 ：2 模数转换器的量化方式 2 2 模数转换器的结构介绍 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，有的侧重于高精度，有的侧重于高速度，有的侧重于低功耗，有的侧 重于低硬件消耗。下面将简要介绍几种典型的a d c 结构【2 1 。 ( 1 ) 并行a d 转换器 并行a d c 也称为f l a s ha d c ，是速度最快的一种结构唧1 9 1 。这种转换器的结 构十分简单，因此直到今天，在高速、中等分辨率领域，这种结构仍然被广泛应 用。该结构在概念上很容易理解，一个胛位的并行a d c 包含2 ”一1 个比较器和 扩一1 个参考电压值。每一个比较器把经采样的输入信号与参考电压相比较，然 后产生一位数字码表明输入信号比参考电压大还是小。2 ”一1 个比较器输出通常 称为温度计代码。该名称的来源是，如果比较器的输出根据参考电压值的大小顺 序排成一列，所有的1 都在下面，所有的o 都在上面，0 和l 的分界线表示信号 值所在的范围。由于和水银温度计表示温度的方法相类似，因此称为温度计代码。 图2 3 是一个3 位快闪a d 转换器的结构原理图。整个电路由一个采样保持 电路、7 个比较器、一串用来获得参考电压的电阻和一个温度计码到二进制码的 1 0 位4 0 m h z 流水线模数转换器的设计 译码器构成。当输入一个模拟信号时，采样保持电路首先对这个信号进行采样， 并在一段时间内使采样到的电压值保持恒定。在这期间，被保持的信号与由电阻 串分压得到的参考电平通过比较器进行比较，比较出来的温度计码通过一个二进 制译码器可得到最终的二进制数字输出。很显然，整个转换过程都是并行进行的， 因此它的速度非常快。但是，比较器的个数( 2 ”一1 ) 将随着转换器位数( h ) 的增加 而指数增加，对于一个l o 位的快闪a d 转换器，需要1 0 2 3 个比较器，这将消耗 相当可观的功耗和芯片面积，对于要求低功耗和低硬件消耗的单片集成系统，这 是难以接受的；另外，如此多的比较器都要靠一个采样保持电路驱动，相当于采 样保持电路带了一个非常大的负载电容，这将使其建立时间显著增加，从而使a d 转换器的速度变慢；而且每一个比较器的失调误差和电阻之间的误匹配都将在 a d 转换器中引入非线性误差，而要把这种误差控制在l o 位精度以内是相当困难 的。此外，月位分辨率的并行a d c 要求比较器的偏移小于以”。在较高的分辨 率下，这要求比较器的偏移非常小。由于小偏移的比较器设计难度大、价格高， 因此超过8 位的a d c 很少用全并行结构l i ”。 图2 3 快闪结构的原理图 ( 2 ) 两步f l a s h a d c 两步f l a s ha d c 8 1 包含两级，每级包含一个并行a d c 。两步f l a s ha d c 结构 如图2 4 所示： 第二章模数转换电路的设计基础 9 高有效位 位 图2 4 两步f l a s h a d c 在这种类型a d c 结构中，模数转换分两步进行。在第一级，由一个较低分 辨率的并行a d c 对输入的模拟量进行量化，输出n 1 位高有效位，然后用一个 d a c 将该数字信号转回成模拟信号并从初始的模拟输入中减去，剩余的部分被送 到第二级的并行a d c 。第二级的并行a d c 产生次重要的数字输出。两步f l a s h a d c 的转换时间比全并行a d c 要长，但它的速度也是相当快的。另外，两步f l a s h a d c 仅需要( 2 2 ) 个比较器，这远远小于同样位数的并行a d c ，因此大大 地节省了功耗和芯片面积( 例如，同样是l o 位分辨率，并行a d c 需要1 0 2 3 个 比较器，而两步快闪仅需要6 2 个) 。两步快闪结构经常被用于8 位以上分辨率的 高速应用中。 ( 3 ) 逐次逼近a d c 逐次逼近a d c t l 9 】也称为二进制搜索a d c 。它用一个d a c 产生模拟信号来近 似输入信号。通过调节d a c ，当d a c 的输出与输入采样信号相匹配时，转换完 成。逐次逼近a d c 包含一个采样保持器、一个a d c 、一个d a c 和一个控制d a c 的数字处理器。当电路开始工作时，控制逻辑首先初始化，它初始化了d a c 输 出：采样保持电路对输入信号实施采样；从输入信号中减去初始化d a c 的输出； 差被比较器量化，该比较器指示控制逻辑增加或减小d a c 的输出；输入采样减 去新的d a c 输出，该过程一直重复，直到满足所要求的精度为止。 该转换器的一个好处就是使用硬件较少，不需要放大器，只需要一个比较器。 通过校准或微调d a c ，可以获得非常高的分辨率。该技术的缺点是对采样结果转 换所需要的时钟周期数与分辨率成正比。因此，该结构转换器比并行a d c 要慢。 ( 4 ) 过采样a d c 过采样a d c 结构是一种运用少量硬件获得较高分辨率的结构。该a d ct 作 的基础是调节器，它重复采样输入信号，并对信号与其估计值之间的差作一 位的量化。通过多次采样，粗糙量化引入的误差和噪声被平均，这样可获得较高 的精度。该a d c 广泛用于低频、高动态范围的领域如声音处理等。目前，该结 构的a d c 可以获得最高的分辨率。 1 0 l o 位4 0 m h z 流水线模数转换器的设计 ( 5 ) 串行a d c 串行a d c 是最慢的结构，但它非常简单，而且分辨率也很高。该结构的工 作原理是：将输入信号和一个线性斜坡信号进行比较。当线性斜坡为0 时开始计 数，大于输入信号时停止计数。计数器的最后输出即为数字编码。 ( 6 ) 流水线a d c 流水线a d c 1 8 l 是另一种子区间a d c 结构。所谓予区间a d c ，就是2 步或多 步的f l a s ha d c ，这种结构的a d 转换器通过把转换改成多步，可以减少比较器 的数量，但需要更长的时间。因此流水线a d c 具有高分辨率且使用硬件较少， 但在转换速度方面要比并行a d 转换器慢。流水线a d c 与子区间a d c 结构相似， 但在每一级加入了采样保持电路和放大电路。第一级的采样保持电路用来采样初 始输入信号，后级的采样保持电路采样前一级的余数。该结构允许流水线在下一 级采样前级的余数时，上一级开始处理新的采样，因此增大了a d 转换器的吞吐 能力。在每一级加入运算放大器是用来放大余数信号，然后传输到下一级，这样 对下一级比较器的分辨率要求降低了。但是增加该放大器的缺点是它可能成为 a d c 主要的功耗源。流水线a d c 中比较器存在的偏移可以很容易用自校准技术 解决。由于流水线各级可并行工作而且允许比较器有较大的偏移，所以流水线 a d c 非常适合于高速高分辨率的应用。作为本论文的课题，在下面的章节中将对 流水线a d 转换器做详细的讨论。 2 3 模数转换器的性能参数 理想a d 转换器的量化特性仅由量化方式、输出数字的位数和码制决定。实 际a d c 的性能参数主要分为动态特性和静态特性【_ ”。其中静态特性与时间无关， 反映的是实际量化特性与理想量化特性之间的偏差。如失调误差、增益误差和非 线性误差等。动态特性主要有转换速率、信噪比( s n r ) 等。就流水线结构模数转 换器而言，最常用的性能指标主要有o f f s e t ( 失调误差) 、g a i ne r r o r ( 增益误差) 、 d n l ( 差分非线性误差) 、i n l ( 积分非线性误差) 、s n r ( 信噪比) 和s f d r ( 无杂散动 态范围) 。 ( 1 ) 分辨率( r e s o l u t i o n ) a d d 转换器的分辨率是指转换器所能够分辨最小量化信号的能力。它有数字 分辨率和模拟分辨率之分。数字分辨率是指转换器输出码值的位数，输出的位数 越多，转换器的分辨率也就越高。模拟分辨率是指a d 转换器所能分辨的模拟输 入量的最小增量，是指1 l s b 所代表的模拟量。对于一个疗位的a d c ，1 l s b 的 量程为1 2 ”。分辨率通常随着噪声和非线件的增加而下降，因此描述a d c 真正 的分辨率还应包括噪声和非线性。 第二章模数转换电路的设计基础 ( 2 ) 误差( e r r o r ) a d 转换器除了自身固有的量化误差以外，还有因为实际器件的非理想特性 而产生的误差，表现为相同条件下的实际转换曲线与理想转换曲线的偏差。这些 误差可分为失调误差、增益误差、积分非线性误差和差分非线性误差。 失调误差又称漂移误差，就是指实际模数转换器最低的一个判决电平和理想 模数转换器最低的一个判决电平之间差值。一般用m v 或者满量程的百分比来表 示。 增益误差是指去除失调误差，也就是把实际的模数转换器和理想的模数转换 器的最低判决电平对齐之后，两者的最高判决电平之间的差值。也用m v 或者满 量程的百分比来表示。 差分非线性误差( d i f f e r e m i a ln o n 1 i n e a r i t y ) ，对于理想的a d 转换器而言，相 邻的两个判决电平之间的差值正好是一个l s b 。对于实际的a d 转换器而言，这 些差值就不会正好等于一个l s b 。这些差值与一个l s b 的差值就是差分非线性误 差，它反映了a d c 局部的误差。d n l 可以用下式来得到： d n l ( n ) = d e c i s i o nl e v e l ( n + 1 1 一d e c i s i o nl e v e l ( n ) ( 2 6 ) 由此可见，d n l 的具体数值依赖于具体的输出码值，如果不指定具体的输出 码值而衡量整个模数转换器的差分非线性误差指标，则指所有码值的d n l 中最 大的一个。 积分非线性误差( i n t e g r a ln o n l i n e a r i t y ) ，对于理想的a d 转换器而言，所有 的判决电平都位于一条直线上。对于实际的a f d 转换器而言，这些判决电平不会 完全在一条直线上，或多或少的会存在一些偏移。通常采用端点一端点原则或最 小方差原则来从实际芯片中测量出的判决电平拟和出一条最佳直线来计算i n l 。 积分非线性误差也可以理解为去除失调误差和增益误差后实际a d 转换器的传输 曲线和理想的a d 转换器的传输曲线之间的差值。 分析可知，只有当失调误差、增益误差和非线性误差三者之和小于1 2 l s b 时，再加上转换器自身固有的1 2 l s b 的量化误差，系统的总误差范围才有可能 在1 l s b 范围内。对于总误差范围在1 l s b 内的n 位a d c ，可以称其精度为n 位。 ( 3 ) 信噪 e ( s n r ) 信噪比即s i g n a l t o n o i s e r a t i o ，是a d c 输出端信号功耗与噪声功耗的比值， 通常用d b 表示。其中信号指基波分量的有效值，噪声指奈奎斯特频率下全部非 基波分量，但不包括直流分量的总有效值。对理想a d c 来说，噪声主要来自量 化噪声，对于正弦输入信号，信噪比的理论值为： s n r = ( 6 0 2 n + 1 7 6 ) d b ( 2 7 ) 1 0 位4 0 m h z 流水线模数转换器的设计 其中为a d c 的位数。 ( 4 ) 信噪失真比( s n d r ) a d c 的信噪失真比定义为基本的信号功耗与所有谐波失真、混淆谐波和所有 噪声功耗之和的比。信噪失真比通常用来测量a d c 的性能。它测量的是噪声、 量化误差和谐波失真的组合效果。 ( 5 ) 无杂散动态范围( s f d r ) s f d r 就是s p u r i o u sf r e ed y n a m i cr a n g e ，是指信号的均方根幅值与频谱分量 峰值的均方根幅值的比值。这个频域峰值可能是噪声，也可能是谐波。计算s f d r 时，只要对信号做频谱分析，测出信号的幅度和噪声与谐波中最高的一个尖蜂之 间的差值。 第三章流水线a d c 的结构设计及算法分析 第三章流水线a d c 的结构设计及算法分析 1 9 8 7 年，第一个单片集成的c m o s 流水线a d 转换器被设计成功。此后的 十几年，这种结构获得了不断的改进，成为高速、高精度a d 转换器的主流产品。 在各种结构的流水线a d 转换器中，每级1 5 位带数字误差校正的结构是比较成 功的一种，这主要归功于它固有的高线性度和高速度。作为本文的课题：l o 位、 4 0 m 流水线刖d 转换器的设计，下面将对这种a d 转换器的结构设计、算法等 做进一步的分析。此后文章中所出现的“流水线a d 转换器”，如果不做特别说 明，都指每级l 。5 位结构。 3 1 流水线a d 转换器的体系结构 一个典型的一位流水线a d 转换器由n 1 级低分辨率的子模块( 每级分辨率 为1 5 位) 级联而成。它第一级和第n - 2 级完全相同，第n 1 级是由三个比较器构 成的两位a d 转换器。每一个相同的子模块都包括有采样保持电路、子a d c 、 子d a c 、减法电路和增益电路l l 引。流水线结构的主要优点在于 7 1 ：第一，流水线 结构中各模数转换级可处于并行工作状态，提高了转换速率；第二，理论上要提 高m d 的分辨率只要在流水线结构中级联更多级转换电路，与全并行的相比节约 了芯片面积并降低了功耗。流水线结构在子区结构的各级之间加入采样保持放大 器( s h a ) ，因此可以对各级转换后剩余的模拟量进行保持，各级子电路可并行的 对各级内s h a 所保持的模拟量进行转换。从整个转换过程看，流水线工作的方式 是串行的，但是就每一级的子电路来看，它是并行的。因此，总的最大转换速度 取决于单级电路的最大转换速度而不取决于它的分辨率；而且总的转换速度与流 水线结构子电路的级数无关。这样就提高了转换器的工作效率，加快了它的转换 速度。 l o 位流水线a d 转换器传统的体系结构见图3 1 ，它一共由九级子模块级联 而成，每级子模块的分辨率为1 5 位。从图3 ，1 中我们可以看到，输入信号首先经 采样保持电路后进入第一级子模块；在第一级子模块中，经采样的信号被子a d c 粗量化为两位的数字输出，在这个设计中为“o o ”、“0 1 ”或“l o ”，所得到的两位 转换结果不仅作为本级转换结果输出到数字校正电路，而且也作为子a d c 的数 字输入来实现对输入信号的估计，同级的子d a c 根据子a d c 的输出在一 0 和，之间选择，同时模拟减法电路实现输入信号与子a d c 的输出值相减，所得 的余量信号经过放大器放大2 倍后作为本级的模拟输出圪。，同时也是第二级子 模块的模拟输入，依此类推，每一级子模块都输出一个余量值作为下一级的输入， 1 4 1 0 位4 0 m h z 流水线模数转换器的设计 直到信号经过最后一级电路。对于1 0 b i t 的流水线结构，它的第一级和第八级子 模块完全相同，最后一级由三个比较器构成，每一级的数字输出通过不同的延时 最后同时送到数字校正电路，得到最终的1 0 位数字码。 图3 11 0 位流水线a d 转换器的体系结构 由上面的分析可知，流水线a d 转换器的每一个子模块相当于一个低分辨率 的a d 转换器。在实际电路设计时，子模块中的采样保持、余量增益和减法功能 仅由一块单独的电路实现，这个电路由一个运算放大器和一些外围的开关和电容 组成，而它里面的子a d c 仅仅只由两个比较器构成，因此和其他结构的a d 转 换器如快闪型( f l a s h ) 结构相比，流水线结构的优点就很明显了，它里面所用到 的比较器的个数要远远少于快闪结构的a d 转换器，这样就大大减小了芯片的功 耗和面积；同时，在流水线a d 转换器中数字校正电路的采用补偿了比较器的失 调，对于这些的具体内容在随后的章节中会有比较详细的描述。 3 2 体系结构的改进 在a d 转换器的许多应用中，不仅要求它有较高的速度和精度，而且希望消 耗尽可能小的功耗和芯片面积。以前面讨论的传统流水线a d 转换器的体系结构 为基础，我们提出了一种用运算放大器共享技术实现的1 0 位流水线c m o sa d 转换器，与传统结构相比，新的体系结构不仅使速度和精度有所改善，而且使功 耗和芯片面积大大减小。 在图3 1 的传统体系结构中，第一级到第八级结构完全相同，第九级仅由三 个量化器构成。根据a d 转换器的设计准则，所有电路的设计都必须在速度、精 度、功耗和芯片面积这4 个因素之间折衷，流水线a d 转换器也不例外。既然 它在速度和精度上实现了很好的优化，那么它必然在其它的性能方面有所牺牲。 第三章流水线a d c 的结构设计及算法分析 1 5 情况的确如此，在图3 1 的结构中，八个子模块加上采样保持电路共需要9 个运 算放大器。为了达到较高的速度，运放必须有足够大的输出电流来驱动负载电容， 这使每一个运放消耗的功耗和芯片面积都相当可观。因此我们需要改进传统的体 系结构来对芯片的功耗和面积做进一步的优化。 我们首先来分析传统结构流水线a d c 中运放的工作情况。在图3 1 中，每一 级子模块的采样、保持、减法和增益功能都由余量增益电路独立完成，它和采样 保持电路一样都是以一个运算放大器为核心构成的开关电容电路。对于每一级子 模块，在采样阶段，采样电容靠前一级的运放充电，在这一时段内，本级的运放 对电路功能不起任何作用，但却要消耗直流功耗，在采样结束后，本级的运放才 进入工作状态，并同时完成保持、减法和两倍增益功能。可见，在整个过程中运 放的功耗有一半是被浪费的。由于这种结构的a d 转换器采用了数字校正技术， 容许比较器有较大的失调，因此所有的比较器都采用没有直流功耗的动态结构。 所以，整个a d 转换器的大部分功耗( 7 0 ) 都是运放消耗的。显然，降低运 放的功耗和芯片面积对于a d 转换器整体性能的优化具有十分重要的意义。 图3 2 体系结构的改进 图3 2 是一种经过改进的流水线a d 转换器体系结构，它采用与图3 1 相同 的数字校正算法。其不同之处在于，图3 1 中的结构，每级需要一个运算放大器， 而图3 2 的结构两级子模块共享一个运放，因此改进后的a d 转换器仅需要5 个 运放，而传统结构需要9 个，因此改进后的a d 转换器无论是功耗还是芯片面积 都比传统结构有大幅度下降。下面介绍改进结构的工作机理。 图3 2 下方的方框内是第l 、2 级合并在一起的子模块( 3 、4 级，5 、6 级，7 、 1 6 1 0 位4 0 m h z 流水线模数转换器的设计 8 级合并后的结构与第l 、2 级完全相同) ，它所完成的功能与传统结构中两个子 模块所完成的功能完全一样，但内部只