（电路与系统专业论文）10位20兆流水线结构模数转换器.pdf

摘要 摘要 本文描述了一个高性能、低功耗、流水线结构的a d 转换器芯片的设计。 该j 占片工作于3 3 v 电压下，最高采样速率是2 0 m h z ，设计分辨率为1 0 b i t 。 为了降低芯片功耗，设计中根据流水线结构对精度和速度的要求逐级变宽的 特点，对流水线的每一级都单独设计，使得功耗和版图尺寸逐级缩小。 芯片还采用了自举电路对时钟信号进行提升，使得n m o s 采样开关的栅电 压跟随输入信号变化。从而保证了采样开关对于不同的输入信号，都具有恒定的 导通电阻，还减小了电荷注入效应的影响。 为了提高电路的精度和速度，采样保持电路的输入端加入了一个共模负反馈 运放，使采样保持运放可以迅速建立稳定的工作点，减小了输入共模电压偏移对 芯片性能的影响。流水线中的运放采用带增益自举的两级c a s c o d e 结构实现， 通过提高运放的输出电阻来得到高的直流电压增益。仿真表明，这种结构的全差 分运算放大器在面积、功耗以及建立时间上都优于传统的运算放大器。 为了验证各种参数对电路性能的影响，芯片的基准电压、偏置电流都可以通 过外部专用引脚采用二迸制加权的方式进行修正。在版图的设计中也加入了很多 可选项，如各级流水线的运放偏置管旁边都放了很多冗余管，需要的时候可以通 过改变一层掩膜来增加或减少偏置管的数目，从而达到调整电路性能的目的。 芯片在中芯国际( s m i c ) 的0 1 8 9 mi p 6 m 混合信号c m o s 工艺上实现， 面积为2 1 0 0 x 2 1 0 0g m 2 。目前该芯片还在流片中，但通过软件仿真得到的芯片性 能基本上达到我们的设计要求。 关键词：采样保持电路，增益自举，带隙基准源，流水线，自举，压摆率， 二进制加权修正 生翌坠! ! a b s t r a c t t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ed e s i g no fah i g hp e r f o r m a n c e ，l o wp o w e rp i p e l i n e da i ) c o n v e r t e eo u rd e s i g nh a s1 0 一b i tr e s o l u t i o na t2 0 m h zs a m p l i n gr a t ew i t ha3 3 v p o w e rs u p p l y i no r d e rt or e d u c et h ep o w e rc o n s m n p f i o ua n dc h i ps i z e ，w eu s et h es c a l e d o w n t e c h n i c e v e r ys i n g l es t a g ei nt h ep i p e l i n eh a sb e e nc a r e f u l l yd e s i g n e da c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i co fp i p e l i n e da i d ， w ea l s ou s et h eb o o t s t r a pc i r c u i tt ob o o s tt h ec l o c ko fn m o ss a m p l i n gs w i t c h t h u s t h ev gc a nt r a c kt h ei n p u ts i g n a lt og u a r a n t e et h es w i t c h so n r e s i s t e n c eac o n s t a n t t h i sc i r c u i tc a na l s om i n i m i z et h ee f f e c t i o no f c h a r g ei n j e c t i o n ac o m m o n m o d ef e e d b a c kc i r c u i ti sa d d e dt ot h ei n p u tt e r m i n a l so fs ho pt o s h o r t e nt h es e t u pt i m eo fs ha n da r e n u m et h ev a r i a t i o no fi n p u tc o m m o n m o d e v o l t a g e t h em a i no pi np i p e l i n ei sr e a l i z e db yat w o s t a g ec a s c o d ea r c h i t e c t u r ew i t h g a i n - b o o s to p t h el a r g eo u t p u ti m p e d a n c ee n s u r e st h i sa r c h i t e c t u r eav e r yh i 出d c g a i n ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a to u rf u l l yd i f f e r e n t i a lo pi sm o r ee x c e l l e n c et h a nt h e t r a d i t i o n a lo n ei ns i z e ，p o w e rc o n s u m p t i o na n ds e t t l i n gt i m e t h er e f e r e n c ev o l t a g ea n db i a sc u r r e n tc a nb et r i m m e du s e ab i n a r y w e i g h tm e t h o d t h r o u g hd e d i c a t e dp i n w ec a nu s et h i st e c h n i ct o t e s t t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n t p a r a m e t e r so no u rd e s i g n i no r d e r t ot u n et h ep e r f o r m a n c e ，m a n yo p t i o nm o s t r a n s i s t o r sa r ep l a c e dn e a rt h eb i a so fo pt h a tc a nb ea d d e dt ot h ec i r c u i tb ym o d i f y i n g o n em a s kl a y e ri nl a y o u t t h ep r o t o t y p ei sf a b r i c a t e du s i n gs m i c 8o 18 1 x m1 p 6 mm i x s i g n a lc m o sp r o c e s s t h eo v e r a l ld i e s i z ei s2 1 0 0 x 2 1 0 0 蛆2 a l t h o u g ht h ec h i pi ss t i ru n d e rm a n u f a c t u r i n g n o w , t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a to u rd e s i g nh a sm e tt h er e q u i r e m e n to fs p e c k e yw o r d s ： s a m p l i n g h o l d i n gc i r c u i t ( s h ) ；g a i n b o o s t ；b a n d g a p r e f e r e n c e ；p i p e l i n e d ；b o o t s t r a p ；s l e w r a t e ；b i n a r y - w e i g h tt r i m m i n g 第一章引言 第一章引言 近年来，消费类电子产品数字化的发展趋势呈现出不可阻挡的趋势，数字技 术促进了广播电视、通信与计算机技术的融合，传统的模拟视音频产品将逐步被 新的数字化产品所取代。d v d 、数字电视、数字音响、数字照相机、信息家电 等正成为市场的热点。随之而来的是，数字消费类i c 迅速成为新一轮的市场竞 争热点。 但是来自真实世界的信号如声音、图像等都是模拟的，必须经过调理、转换 后才能变成被计算机处理的数字信号。所以模拟i c 不但不会淡出市场，其地位 反而会随着数字化的趋势变得越来越重要。模拟i c 包含了纯模拟信号电路和混 合信号处理电路，其技术范围涉及数据转换器( 如a d d 、d a 转换器等) 、线性 和非线性放大器( 如运算放大器、射频放大器、对数放大器、电压比较器、模拟 乘法器等) 、电子开关和多路转换器、稳压电源调节器( 如线性电压调节器、开 关电源控制器等) 及其它模拟i c ( 如驱动器、延迟线、传感器等) 。纯模拟i c 主要被用来对模拟信号完成采集、放大、比较、变换等功能，它和数字电路及 a i d 、d i a 转换电路三者之间的关系，早在1 9 8 6 年就被美固加州大学的 p a u l r g r a y 教授提出的所谓“鸡蛋模型”作了形象描述。该模型把它们三者憋体上 视为一个鸡蛋，而把数字电路视为蛋黄，模拟电路视为蛋壳，a d 、d af 乜蹄视 为蛋清，三者既不相同，又是统一的有机整体。现实世界中的各科t 模拟信息经模 拟i c 采集、放大、变换等处理后，即可得到计算机或数字电路处理所需的信号， 从而实现人们需要的信息产品。显然，模拟i c 是模拟世界和数字化电子信息系 统之间的桥梁。而在这个桥梁当中，a d d 、d a 的作用尤其显得重要。本文就将 重点讨论a i d 转换器的设计。 a d d 转换器是模拟和数字混合信号处理电路，它的模拟电路部分占芯片面积 的5 0 以上。目前，8 1 4 位i 8 0 m h z 高速a d 技术已很成熟，产品充足， 也可见到1 6 位3 0 m h z 以上采样率的a d d 转换器产品。同时，在a d d 转换器中 不仅出现集成了多种功能的模拟i c ，如多路转换器、仪器放大器、采保放大器 等a d d 转换器子系统，还将有把其它模拟i c 和各种数字电路如d s p 、存储器、 c p u 、i o 等集成在一起的趋势。 a d d 转换器应用广泛，如美国国家半导体公司推出的高性能低功耗a d d 转换 器( 如a d d 转换器1 0 3 2 1 ，具有1 0 位分辨率、2 0 m h z 采样速度、单电源工作) ， 可广泛应用于数码复印机、数码相机、摄录一体化机、机顶盒、电缆调制解调器 及c c d 输入系统。本文讨论的a d 转换器芯片作为扩龉方苛鲁力线群溅锺i 珂泵 豸声的采样子模块，负责高速高精度数字采样，将经过部分调理( a g c 放大和带 第一章引言 通滤波) 的电力线载波信号转换成数字信号，提供给下级d s p 芯片进行处理， 实现模拟端与数字端的接口。 通过本论文，我们可以研究如何在c m o s 工艺下实现以模拟电路为主的a d 转换器，并且验证多种结构和工艺误差对a d 转换器性能的影响，以及如何在 各种决定a d 转换器性能的因素之间进行平衡。 由于现在的芯片设计越来越趋向于单片系统集成，并且对成本的要求也越来 越苛刻，所以该论文的实际意义是，能够设计出一个嵌入式的a d 转换模块， 除了用于电力线载波通讯中以外，还可以和其他需要模拟接口的c m o s 数字系 统集成，从而完成完整的低成本混合信号嵌入式系统的设计。 论文共分为六大部分对整个芯片的设计过程进行介绍。第二章回顾并比较了 各种流水线a d 的特点，并给出了本文芯片的总体结构，它采用了每级1 5 b i t 分辨率的流水线结构来降低整体功耗、减小芯片面积并获得大的数据吞吐率。第 三章介绍了芯片各主要功能模块的设计和仿真结果，重点介绍了体现功耗优化的 采样保持放大器，并对影响系统性能的各种因素做了分析。第四章描述了芯片 的后端版图设计，提出了绘制版图中一些必须考虑的问题。第五章给出了芯片的 总体仿真和后仿真结果。第六章详细介绍了样片的测试指标、算法和方案，给出 了芯片的典型应用系统方案。 第二章系统架构与工作原理 第二章系统架构与工作原理 a d 转换器发展到现在已经有7 0 多年的历史了，其结构、性能根据应用的 不同也分为好多种。根据应用的要求，本文在多种因素间进行了权衡，最终选取 了每级1 5 b i t 的流水线结构来实现本设计。 2 1a d 转换器历史回顾 a d 转换器的雏形最早是伴随着p c m ( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ) 技术在电话中 的使用出现在上个世纪3 0 年代的。然而，直到上个世纪5 0 年代，随着数字计算 机和各种航空器及导弹数据处理系统的出现，a d 转换器才获得了进一步的发 展。近2 0 年，由于深亚微米集成技术的日趋成熟，促使a d 转换器发生了从分 立实现到单片集成的革命。 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，有的则 侧重于低硬件消耗。在当今各种a d 转换器中，按基本的转换原理划分，可分 为n y q u i s ta 1 3 转换器和过采样a d 转换器。 n y q u i s t a d 转换器的主要特征是：每一个被采样的模拟信号都被转换为与之 唯一相对应的数字信号，即采样速率和转换速率相同。 丽过采样型是一类通过提高过采样比( 采样速率与转换速率的比值) 来达到 高分辨率的a d 转换器。在目前所有的a d 转换器中，过采样型是精度最高的， 但由这类转换器从本质上是通过牺牲速度来换取高精度的，所以它的转换速率较 低( 一般小于5 m s p s ) 。这种转换器广泛用于音频处理、图像处理等低速、高动 态范围领域。 目前，大多数的a d 转换器都属于n y q u i s t 型，其中包括快闪型、两步快闪 型、主从型、逐次逼近型、折叠插值型、积分型和流水线型等。 可内嵌的高速、高精度、低功耗数据转换器成为当今模拟集成电路领域中的 研究热点。其原因是： 1 、与模拟信号相比，数字信号具有便于存储、转移、保真度和可靠性高等 优点。因此，在过去的2 0 年，各国的研究机构对数字技术的发展非常重 视，另外，随着c m o s 工艺水平的长足进步和数字系统设计软件的日趋 成熟，使数字系统无论是在处理能力还是处理速度上都取得了飞速的发 展。相对而言，模拟和数模接口电路的设计在过去的几十年没有得到足够 的重视，加之模拟设计软件也不够成熟，使模拟尤其是数模接口电路的发 第二章系统架构与工作原理 展落后于数字电路的发展，因此，在一些包括数模接口的电子系统，接口 电路的性能( 如速度、精度) 成为限制整个系统性能的瓶颈； 2 、由于靠电池供电的便携式设备日益普及，也要求在达到高速、高精度的 前提下，消耗尽可能小的功耗，以维持较长的待机时间： 3 、随着单片系统集成的快速发展，要求接口电路和数字系统集成在一块芯 片上，这对降低成本、提高性能具有很重要的意义。 在高速数据转换电路中，速度、精度、功耗、和芯片面积是四个关键的性能 指标。它们之间并非相互独立的，而是相互联系、相互制约的。任何设计都要根 据具体的要求在这4 个方面进行折衷。 过采样a d 转换器可以达到相当高的精度，但这是以牺牲速度为代价的；快 闪结构可以达到很高的速度，但却要消耗很大的功耗和芯片面积；逐次逼近结构 和积分结构消耗的功耗和芯片面积都很小，但速度却很慢；流水线a d 转换器 可同时使速度和精度达到最优，但却无法避免地要消耗较大的芯片面积和功耗。 尽管如此，我们还是可以通过对电路结构和体系结构的改进使总体性能得到不断 提升。 考虑到流水线结构可以在速度、精度、功耗和芯片面积之间达到最好的折衷， 本设计中采用了流水线结构。 一 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。目前已经有1 6 位，1 m s p s 到1 0 位，1 0 5 m s p s 的各种流水线结构的芯片产品 商用化。 2 2a d 转换器的应用 本文设计的a d 转换器芯片是作为扩缬! 方苛害力线群泼翅桶孬纺的采样子 模块提出的。它在该系统中主要负责高速、高精度数字采样，把经过部分调理 ( a g c 放大和带通滤波) 的电力线载波信号转换成数字信号，提供给下一级d s p 芯片进行处理，实现模拟端与数字端的接口。 过去的通讯系统，往往是根据某种特定的用途而设计的，功能单一。有些通 讯系统的基本结构相似，但信号特征差异很大。比如，工作的频段不同，调制方 式不同，波形结构不同，通信协议不同，数字信息的编码方式、加密方式不同等 等。电台之间的这些差异极大地限制了不同电台之间的互通互连。 第二章系统架构与工作原理 图2 1 传统的通讯系统 在图2 1 所示接收装置中所有的功能模块：从滤波、放大、下变频，直到调 制，都是使用模拟技术( 除了频率合成的部分) 实现的。信号解调出来以后， 使用一个可编程的数字信号处理( d s p ) 器件进行处理。 近年来，a d 和d a 转换器也被越来越多地应用于数字通信系统，通信系 统由模拟体制不断向数字化体制过渡，即所谓的软件无线电。软件无线电决定性 的步骤，是将a d ( 和d a ) 变换器尽量向射频端靠拢。 与传统模拟收发器所不同的是，在数字收发器的接收通道，如图2 2 ，射频 信号直接被a d 转换器转换成数字射频信号，然后通过数字方式解调到基带信 号：同样，在发射通道，基带到射频的调制也是以数字方式实现的，经过调制的 数字射频信号再通过d a 转换器变成模拟射频信号。 话音 圈妻 囊蟹 图2 2 数字收发系统 与模拟收发器比较，数字收发器具有更低的功耗，这对于靠电池供电的便携 式电子设备是至关重要的；此外，由于数字电路具有更高的可靠性，使数字中频 解调具有更低的误码率。应用a d 转换器之后，整个的处理都能用可编程数字 器件特别是软件来实现。 这样的体系结构具有非常大的通用性，对解决前面提到的问题有很大的帮 助，可用来实现多频段、多调制方式和多址方式，构成多体制的通用通信系统。 对于我们设计的电力线载波通讯系统，由于电力线信道的不确定性，往往需要根 据实际情况灵活调整载波的频率、数据的波特率、纠错码的编码方式等数据，采 用软件无线电无疑是最佳的选择。 因此，软件无线电，其关键思想是构造一个具有开放性、标准化、模块化的 通用硬件平台。各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、 通信协议等，用软件来完成，并使宽带a d 和d a 转换器尽可能靠近信道，以 研制出具有高度灵活性、开放性的新一代通信系统。可以说这是一种可用软件控 第二窜系统架构与工作原理 制和再定义的通讯系统，选用不同软件模块就可以实现不同的功能，而且软件可 以升级更新。其硬件也可以像计算机一样不断地更新模块和升级换代。 由于软件无线电的各种功能是用软件实现的，如果要实现新的业务或调制方 式只要增加一个新的软件模块即可。同时，由于它能形成各种调制波形和通信协 议，故还可以与旧体制的各种系统通信，大大延长了通讯系统的使用周期，也节 约了成本丌支。而实现上述软件无线电的关键一环就是高速高精度的a d 转换 器的设计。 2 3 流水线型a d 功能概述 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。流水线结构a i d 转换器具有高吞吐率，低功耗，占用面积小的优点，这使 得流水线结构的a d 转换器在高速高精度的模数转换中的得到非常广泛的应用。 流水线结构a d 转换器相对于快闪结构的a d 转换器而言，在相同的精度下具 有小得多的面积。流水线结构的a d 转换器的所占用的芯片面积与该a d 转换 器的分辨率成线性关系，而快闪结构的a d 转换器的面积与分辨率成几何级数。 这使得在1 0b i t 或者更高的精度要求下，快闪结构由于消耗过大的芯片面积而完 全不适用。由于流水线结构本身的特点使得流水线结构的a d 转换器的吞吐率 取决于流水线单级的收敛速度，级数的多少只会影响输入到输出的延迟时间，而 不会降低吞吐率。由于流水线的级数与a d 转换器的分辨率成线性关系，使得 流水线结构的a d 转换器的功耗相当低。总而言之，流水线结构一般适用于1 0 1 4b i t 分辨率、2 0 m h z 到5 0 m h z 转换速度的应用。 2 3 1 流水线结构a d 转换器的工作原理 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就可以得到最终的转换结果。流水线每一级的结构完 全相同，功能完全一致，如图2 3 。每一级的功能都是接受前一级的输出作为本 级s u b a d c ( 子a d 转换器) 的输入，得出tb i t 的数字信号。这些数字信号一方 面作为本级的输出，另一方面作为s u b d a c ( 子数模转换器) 的输入，使得 s u b d a c 的输出产生对应于这tb i t 数字信号的模拟信号。然后从本级的输入信 号中减去s u b d a c 的输出信号，再乘以2 ，作为本级的输出，也就是下一级的 输入。总而言之，流水线所完成的功能就是一个不断地求商取余数，并把余数放 大相应的倍数，然后重复相同的操作，直到达到最终所需要的精度。流水线结构 第二章系统架构与工作原理 的a d 转换器一个很大的优点在于高度模块化，只要设计完一级的电路，就能 应用于流水线的每一级。这就使得设计者的负担大大减轻。流水线a d 转换器 的输入采样保持电路、各级子模块和最后的数字校正电路都在同步时钟的控制 下连续运作，因此它的转换速率与采样频率相同。 图2 3流水线结构a d 转换器的系统框图 2 3 2 每级2b i t 的流水线结构a d 转换器 流水线结构的a d 转换器每一级所完成的转换精度依赖于具体应用中所要 求的转换速度和转换精度。一般来说，一些低速高精度的a d 转换器往往每级 的转换精度较高，比如说每级4 b i t ；而一些对速度要求较高的a d 转换器往往每 级的转换精度较低，晟低的就是2 b i t 。流水线每一级内部都需要一个放大倍数2 的放大器来放大余数。这一放大器的带宽决定了整个a d 转换器信号通道的带 宽。由于运算放大器的增益带宽乘积在一定的功耗和工艺基本恒定，所以放大器 的闭环放大倍数越低，放大器的带宽也就越大，整个a d 转换器能达到的速度 也就越高。每级2b i t 的流水线结构非常简单，通道带宽最大，而且在设计过程 中可以共用或者节省很多部件，因此一度获得广泛的应用。 图2 4 每级2 b i t 的流水线结构a d 转换器 第一二市系统架构与工作原理 图2 4 是一个典型的m 位流水线a d 转换器体系结构示意图，它由m 1 级 低分辨率的子模块( 每级分辨率为2 位) 级联而成。第一级到第m 2 级完全相 同，第m 1 级是由三个比较器构成的两位全并行a d 转换器。图2 4 中，子模 块中的采样保持、余量增益功能仅由一块单独的电路实现，这个电路由一个运放 和一些外围的开关和电容组成。模拟信号首先经采样保持电路进入第一级 s u b a d c ，其输出的粗量化值进入数字校正电路，同时被s u b d a c 转化成模拟 值，该值与输入a d 转换器的模拟值相减，得到的余量值经过余量增益电路放 大两倍后传送到下一级。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，同时产生两位低分辨率的数字值到数字校正电路，通过对这些值进行适 当的逻辑运算，可得到最终高分辨率的数字输出。 每级2b i t 的a d 转换器每一级内部包含2b “的s u b a d c 和s u b d a c ，但 级间的增益是2 ，即相当于精度为t ，级间增益为2 1 。这一做法是考虑到在实际 应用中存在的非线性误差，使得本级的余数乘上2 以后，可能会超出下一级的转 换范围。乘上2 。1 以后，就会使得每一级得出的数字信号都存在冗余，而这些冗 余信息可以通过数字校正电路来修正转换过程中的非线性误差。 2 3 3 每级1 5b i t 的流水线结构a d 转换器 流水线结构a d 转换器刚出现时大多采用每级2b i t 的结构，后来出现了一 种更新的每级1 5b i t 的流水线结构。该结构比较成功，这主要归功于它固有的高 线性度、高速度以及简洁的校正方式和电路实现。 2 3 3 1体系结构 2b i t s 图2 5 每级1 5 b i t 的流水线每一级的内部结构 每级1 5b i t 的流水线的总体结构和每级2b i t 的流水线总体结构相同，区别 在于级内的结构，如图2 5 。在s u b a d c 的输入端和s u b d a c 的输出端分别人 为地引入了一i 4 v r e f 和i 4 v r e f 的失调误差。 第二章系统架构与工作原理 r e s i d u e j ff?h e l d r ar l g e f l n p u t 1 r e s i d u e j ? h e l d r a n g e 7 i i p u t - _ _ 图2 62 b i t a d 转换器的传输曲线图2 7 引入失调后的传输曲线 可以从图2 6 、图2 7 中看出引入失调前后的输入信号对输出的余量的传输 曲线的差异。在人为引入失调以后，仍然使用三个判决电平把整个输入范围分成 四个区间，引入失调的结果使得三个判决电平都往右平移了i 4 v r e f a 实际上， 从图2 7 中可以看出，如果把最高的一个判决电平去掉，仍然可以保证余数的绝 对值不超过1 2 v r e f 。 r e s i d u e - 0 00 11 0 |f j h e l d r a n g e ? ? i n p u t 、 图2 8 每级1 5b i t a d 转换器的传输曲线 去掉最高一个判决电平后的传输曲线如图2 8 。每一级s u b a d c 的转换范围 都是2 v r e f ( 一v r e f v r e r ) 。对于图2 6 、2 7 和图2 8 中的三种情况，只要任何一 个判决电平往边上移动的距离不超过1 4 v ne f ，都能够保证最终的余数绝对值不 超过1 2 v r e f 。这一余数乘2 以后仍然被限制在一v r e f v r e f 以内，也就是没有超 出下一级的转换范围，不会因为使下一级过载而引入非线性误差。这就意味着划 于这三种情况，只要s u b a d c 的非线性误差小于i 4 v re f ，该非线性误差都可以 被后续的数字校正电路修正。 2 3 3 2算法分析 在流水线a d 转换器的发展过程中，出现过许多种算法。其中最成功的算 法是s t e p h e n h l e w i s 在1 9 9 2 年提出的数字校正算法【1 ，2 】。所谓数字校正电路 就是根据流水线直接输出的带有冗余数据位，纠正其中的子a d 转换器引入的 非线性误差，从而得出最终的无冗余的数据位。每级2 b i t 的流水线结构和每级 第二章系统柴构l i 工作原理 1 5 b i t 的流水线结构都需要数字校正电路，但原理都是一样的，都是用级联的组 合电路来实现的。 这种算法的最大的优点是可以在很大程度上消除比较器的失调，因此，采用 这种算法的a d 转换器具有达到更高分辨率的潜力。下面将以每级l ，5 位流水线 a d 转换器为例分析这种算法的原理及其优点。 ( 2 1 ) 式是m 位a d 转换器的标准量化编码关系。其中a d 转换器的量程 是v r e f + v r e f ，式子的左边表示模拟量区间，右边表示该区间对应的数字量化值。 其中数字量化值以十进制表示，它与实际运算中的二进制值一一对应。 一l r e 一- 等，删 岛一专p 圹( 方+ 方 ，一= z “c ”= 之w 一，。 l i f e - - 笋m ；“= z m 一- d 1 id 1 o d ：ld 2 o d id 3 1 d k 2 fd k = 。 +dkld hl ” 图2 9 余量关系图图2 1 0 数字校正算法示意图 图2 9 是每级1 5 b i t 流水线a i d 转换器的余量关系图，其中，v 。表示第i 级输出的余量，v 。+ ，表示第i + l 级输出的余量，从图中可以看出，余量线在一1 4 v r e f 1 + 1 4 v r e f 处不连续，这对应着量化器的两个阈值电压，因此，除了最后一级( 最 后一级有三个量化器) 每一级子模块只有两个量化器。图2 1 0 是数字误差校正 算法的示意图，从图中可看出，这种算法的原理很简单，只需把每一级输出的粗 量化值错位相加即可得到最终的量化值。在进一步分析这种算法的优越性之前， 首先对它进行严格的证明 3 】。 假设流水线a d 转换器是m 位，m l 级结构。( 2 2 ) 式表示第一级粗量化的 结果。 第二章系统架构与工作原理 一s ( 一 j d = o o ( 二进制) o ( 十进制) 一；吒，sk 。：，：， “。一c 二进m a ，。，c r 进* u ， 2 2 + ：1v 叫s 吃 j d = 1 0 ( 二进制) 曹2 ( 十进制) 根据第一级的量化结果，可以得到第一级的余量为 _ ，i = 2 ( g 粤) ( m 】= d 1 1 = 一l ，o ，i ) ( 2 3 ( 2 4 ) 式表示第i 级粗量化的结果，其中i = 2 m - 2 。 一吒r 咋。 式，第a 乒，级的量化关系可进一步表示为 石 却 m _ 一r 严 = “ t t f t r 1 t ， 啊 啊 扛。o。 m m 一 一 s ( 一 ， 旷 ， 一ww，w， 苎三主墨竺丝塑! 三堡堕型 一t ：c 畅+ 等 ，乱= 。 等一每c 巧。c 等+ 粤r 勘- 2 ) ( “= 1 ，2 ，3 ) ( 2 8 ) 肾等c 昨”t c ，“= 3 当一j _ 叫c 咋肛zc 3 4 v 州时，把( 2 3 ) 式和( 2 5 ) 式带入( 2 8 ) 式，可推得 丝型瓮拙铲等c ”丝业警曲”等 ( 2 9 ) 把吐= 十“在胁2 之间) ，和d m ，= 2 + 肌m ，代入( 2 7 ) 式，可推得 d = 2 埘一。+ 2 m 一2 卅l + 2 m - 3 卅2 + + m 村一l ( 2 1 0 ) 设 = 2 m 2 m ，+ 2 m - 3 埘2 + + 川m ，则有 方一等c c 方+ 等。z “( n = - 2 m - l + 1 , - 0 , - , 2 m - i - i ) 由式( 2 8 ) 及图2 9 可见，当 州 m 一2 有砒_ d ，且有m m - 2 = ，故 v r 肌2 = 2 ( v r 舻3 一 ) = 2 ( 一舻 一s 2 tv , o s ) 把式( 2 1 3 ) 带入式( 2 1 2 ) 可得 3 1 一_ 肛，一三 依次类推可得 v r ，= 2 ( 咋r 1 一了m i ) = 2 ( _ r l 一了- i ) ( 矾= + l = o ，2 _ l m 一2 ) vr “( y r m i 一c c 一+ - 击 “= 1 , 2 ，m 一1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 21 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 由式( 2 1 2 ) 、( 2 1 4 ) 、( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 可得d ，= d 2 = d 3 = = m 广0 ，因此式( 2 ，1 7 ) 对应的数码d = d ；同理可推得，当一古c _ 一：c 时，对应的模拟输入 值为一而1 c c ，相应的数码d = 2 幔，。 由以上的推导可以看出，这种算法获得的结果和( 2 2 ) 式的量化编码完全 吻合。 2 第二章系统架构与工作原理 2 3 3 3 量化器失调误差校正 这种算法最重要的特点是它对量化器失调误差的数字校f 功能，在不考虑其 它误差因素的影响时，可把量化器误差占( 1 s l s 1 4 v r e r ) 消除掉。由( 2 2 ) ，( 2 3 ) ， ( 2 4 ) 式可见，一v , o r 年r l + 是两个量化参考电压，若它们分别存在误差毋，国， 则量化参考电压变为一j 1v 町岫和+ + 而，由图2 9 可见，当蛉，处在 一；一+ 函之间或j + + 屯之间，第i 级量化结果的误差是“1 ”或 “一1 ”，而对应余量的误差是“，”或“+ 昨r r ”。在一一+ 函i v r e ! 、+ j iv 州+ 屯 之外的区域，量化结果和余量结果与理想值相同，没有误差。 m il 。o l i 栌 - f - 。 v r e , j 1 v r ， - v l - cr 也、l 7 0 5 v l “ r v r e i o l l 。 幽2 1l 失调的数字校正不意幽 以0 5 2 1 4 为例，设第i 级余量所在的区间为 + c _ ，c + i 1 , e 珂+ 屯( 0 c 岛c ) 则第i + l 级量化参考电压为理想值时，得到的量化值和余量为 矗3 = 2 ， 哆= 2 ( ；，一生鼍i ) ：2 ( 一，一1 。v 吲) 而当第i + l 级量化器存在失调误差而时，得到的量化值和余量为 d = d 二1 1 = 1 ， _ 川= 哆+ = 2 ， 把( 2 1 9 ) 式带入( 2 1 8 ) 式，可得没有失调误差时第i + l 级的余量 一c 哆w 1 2v 可+ 2 6 ：( oc d ：c j ) 把( 2 2 0 ) 式带入( 2 1 8 ) 式，可得存在失调误差国时第i + 1 级的余量 ( 21 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 第一二章系统架构与工作原理 + ；c _ 川c + ；埘：( o c j ：c j ) ( 2 2 2 ) 由( 2 2 2 ) 式可看出，h f + 的量化值西+ 2 只可能是2 。而在理想情况下，( 2 2 1 ) 式中第i + l 级的余量v + 。，在第i + 2 级( 假设也是理想的) 的量化值d 有两种 可能的耿值，当0 占2 8 1 _ v 一时，d + m 2 d ；这时有 _ ，：2 ( _ 。l 一生p ) ：2 ( _ ，。一一五p ) ：一。 ( 2 2 3 ) 2 d ，+ 1 + d ，+ 2 = 2 ( d 二i 1 ) + d 二2 + 2 = 2 d t + l + d 1 2 = 4 ( 2 2 4 ) 可见，第i 级量化参考电压失调引入的数字输出误差和余量的误差被完全消除。 而当 占z 去时，2 ：这时通过类似的分析可得 ，+ 2 = 嵋+ 2 + ( 2 2 5 ) 此时 2 d o l + d 二2 = 2 d ，+ 1 + d 。2 + 1 = 5 ( 2 2 6 ) 对比( 2 ，2 3 ) 、( 2 2 4 ) 、( 2 2 5 ) 、( 2 2 6 ) 式，可以发现，第卜l 级量化器的失 调有两种可能的情况，第一种是在i + 2 级被完全消除；另一种情况是第i + 1 级的 误差在第i + 2 级没有被完全抵消，而是继续往下一级传递。即在第i 十2 级产生“1 ” 或“1 ”的数字输出误差，及“一嘣或“+ 嘣的余量误差。依次类推，当输 入信号传递到最后一级时，r ：l a 于最后一级有3 个量化器，所以前面传递下来的量 化器失调误差全部被抵消。如果最后一级量化器也存在失调，则只会在数据的最 低位产生误差。 2 3 3 4s u b d a c 的失调误差分析 每级1 5 位流水线a f d 转换器的另一个重要特点是，s u b d a c 的失调不会引 入非线性误差，因此它具有固有的高线性度。其它结构的流水线a d 转换器( 如 每级3 位、4 位等) 并不具备这种特性。式( 2 2 7 ) 是s u b d a c 的余量关系式 一，= 2 ( g h l 一c ) = 2 ( v r p l 一半) ( ，= d ，一1 1 ，0 ，1 ) ( 2 2 7 ) 在理想情况下a d 转换器的量程是- v r e f - - + v r e f ，v d a c 的三个取值分别是， 1 2 v r e f , 0 、1 2 v r e f ，量化器的参考电压是。l 4 v r e f 、1 4 v r e f 。如果v d a c 存在失 调蠡则它的三个取值变为，一1 2 v r e f 6 、0 、1 2 v r e f + 5f 在全差分结构中，量化 器参考电压和d a c 参考电压关于原点对称) 。此时，若设v + r e f 兰v r e f + 2 击并设 新量程为v * r e f + v * r e f 。则在新量程下，正确的量化参考电平应是一1 4 v r e f 第二章系统桨构与工作原理 一1 2 5 、l 4 v r e f + l 2 5 。可见，d a c 的失调转变成了新量程下量化参考电平的失调。 根掘上一节的分析，在新量程下，只要满足关系式 c ；= ( 埘) ( 2 2 8 ) 就可保证最后的量化值达到要求的精度。 2 3 3 5采样保持电路和s u b g a i n 电路失调的分析 在流水线结构中，采样保持电路和余量增益电路都有一定的固有失调，在 图2 1 2 ( a ) 中v 。l 、v o s 2 分别是s h 和g a i n l 的固有失调，如果输入信号为， 则经过s h 输出的信号圪= + 小设它的的量化值是d l ，一阶余量v ，i 的量 化值是d 2 ，则 ：2 c v , , + ，一皇 ) + ：2 ( + ，+ ；：一皇 ) ( 2 2 9 ) 咋2 ：2 ( v r l 一掣) ( 2 3 0 ) 图2 1 2 流水线a d 转换器系统失调示意图( a ) 等效前( b ) 等效_ ； 在图2 1 2 ( b ) 中，设s h 的失调为v 。l 十0 5 v 。2 ，g a i nl 的k 失调为0 。则图 2 1 2 ( b ) 中采样保持的输出几= + v o , ，+ o 5 v 。2 ，如果它的量化结果d ，等于图 2 1 2 ( a ) 中以的量化结果西，则从式( 2 2 9 ) 可看出它们的一阶余量相等，因此， 两种情况是等价的：若d * l 卉，以，= d t + l 为例，则有 嵋= 2 ( + 1 + 去2 一皂；) 一= 一r ( 2 3 1 ) 前面的分析已经指出，如果某一级的量化误差是“+ l ”或“一1 ”，而相应的 余量误差是“v ，。f ”，“v r c f ”，则这种误差可通过数字误差校正消除，所以在这种 情况下图2 1 2 ( a ) 和图2 1 2 ( b ) 也是等价的。以上的分析说明，在流水线a d 转换 器中，每一级的固有失调可通过除以相应的因子( 2 “) ，全部等效到采样保持电 第二章系统架构j t 作原理 路的输出端，由于这个失调与输入信号无关，因此并不引入非线性误差 3 。 2 4 系统功能框图 图2 1 3 是最终确定的芯片系统框图。中间是流水线结构的主体，采用上文 所述每级1 5 b i t 的结构。此外，为了构成一个完整的系统，芯片还包括基准源和 偏置( r e f e r e n c e & b i a s ) 、时钟生成( c l k ) 、数字校正( d i g i t a l c o r r e c t i o n ) 。另外还有一些辅助的模块，如时钟提升( c l kb o o s t ) 、低功 耗控制( l o wp o w e rc t r l ) 等。 2 5 设计资源需求 图21 3 芯片的系统框图 结合本设计的具体情况，完成设计所需要的软件资源如表2 1 所示 使用软件用途 版本 h s p i c e线路仿真 1 9 9 9 4 s t a rs i m x t 总体仿真 2 0 0 1 4 x p 波形分析 2 0 0 0 4 c a d e n c e c o m p o s e r 线路图输入 9 9 a p 0 1 l o i i数字电路版图 2 0 0 02 34 0 9 v j r t u o s o总拚4 4 51 0 0 8 8 p r o t e i9 9s e 验证硬件设计 66 7 m a t l a b 数据分析 6 o v c + + 验证软件设计 6 0 表2 1 软件设计资源 为了完成样