（电路与系统专业论文）一种bicmos高速采样保持电路的设计.pdf

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，也不包含为获得重迭蜜g 电塞堂或其他教 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 蚣乞 签字同期：丸。年多月多r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞邮电太堂有关保留、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。本人授权重迭虫g 鱼太堂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： 妊屯 导师签名： ， 签字日期： k 疗年多月多日签字日期：础年彭月明 重庆邮电人学硕 ：论文中文摘要 摘要 随着半导体技术的快速发展，集成电路已经迈入了s o c 的新时代。具有高 速，低功耗性能的a d c 被广泛运用到模拟i p 中，特别是在通信和视频处理领域。 采样保持电路是高速、高精度a d c 中必不可少的重要电路单元，其作用是对给 定的模拟信号进行采样，并将该采样信号保持一段时间，以便后续电路对其进行 处理。采样保持电路的性能参数决定了整个a d c 的性能参数，它的设计是整个 a d c 电路设计工作中的极其重要的一个环节。高性能a d c 和亚采样a d c 一般 都需要高采样率和高线性度的跟踪保持放大器( t h a ) 。在本文中，一种基于 b i c m o s 工艺可以用于8 位高速a d c 的t h a 被提出。 首先本文对高速a d c ( a d c ) 的结构、现状及发展作了简单的介绍，然后 提出采样保持电路设计的概念、研究对象以及采样保持电路的发展状况，并着 重对用于高速a d c 的采样保持电路进行研究，接着对我们要研究的8 0 0 m h z 的 高速a d c 采样保持电路的发展现状进行讨论，然后通过对几种开环t h a 的优缺 点的比较，提出本设计的t h a 。本设计提出一种新型高速全差分开环采样保持 电路结构，实现的高速采样。该采样保持电路采用s e f 采样开关来实现高频响 应，以克服传统的c m o s 开关的高频响应的不足，并重点分析s e f 开关的性能 、原理和误差。 在这一论文中的t h a 达到比较好的性能，本文所提出的t h a 采用o 3 5 “m 4 6 g h zs i g eb i c m o s 工艺设计。基于b i c m o s 开关射极跟随器( s e f ) 的t h a ， 旨在比二极管桥t h a 消耗更少的电流和面积。在t h a 核心，它功耗是4 4 m w 。 在全采样模式下，在高达8 0 0m h z 的时钟速度下，其s f d r 优于5 2 8 d b ，。 关键字：a d c ( a d c ) ，高速，采样保持电路，b i c m o s 重庆邮电大学硕士论文英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y i n t e g r a t e dc i r c u i th a s s t e p p e di m oan e we r ao fs o c h i 曲- s p e e d ，l o w - p o 、v e ra dc o n v e r t e r sa r ew i d e l y u s e da sa n a i o gi p ，e s p e c i a i l yi ns o cf o rc o m m u n i c a t i o na n dv i d e op r o c e s s i n g s a m p l ea n dh o l dc i r c u i ti sa 1 1i n d i s p e n s a b l yi m p o n a n tc i r c u i tb o c k ，w h i c hp a l y st h e r o l eo fs 锄p l i n gag i v e na n a l o gs i g n a la n dt h e nh o l d i n gm es 锄p l e ds i g n a lf o ra c e r r t a i nt i m et ob ep r o c e s s e db yt h ef o l l o w i n gc i r c u i t s t h ep e r f o 肌a n c eo fs 锄p l ea n d h o l dc i r c u i td e t e m i n e st h ep e r f o m a n c eo ft h ew h o l ea dc o n v e r t e r w h o s ed e s i g ni s av e r yi m p o r t a n tp h a s ei nt h ed e s i g no ft h ew h o l ea dc o n t e r t e r h i g hp e r f o h n a n c e d a t ac o n v e n e r sa n ds u b - s a m p l i n g 丘e q u e n c yd o w nc o n v e i r t e r st y p i c a l l yr e q u i r et r a c k a n dh o i d 锄p l i f i e r s ( t h a ) w i t hh i g hs 锄p l i n gr a t e sa n dh i g hl i n e a r i t y f o l l o w i n g t h e s eb r o a d b a n dc i r c u i t s ，t h ed a t ac o n v e r t e rm u s ta l s ob ea b l et oo p e r a t ea th i g h 仔e q u e n c i e s i nt h i sp a p e r ，a1 1 i 曲s p e e dt h af o ra8b i ta d ci sd e s i g n e du s i n g b i c m o sp r o c e s s i t i sf i r s ts i m p l yi n t r o d u c e di nm i sp a p e rt h ec o n f i g u r a t i o n ，a c t u a l i t ya n d d e v e l o p m e n to fh i g hs p e e d v dc o n v e r t e r ，t h e n ，t h ec o n c e p t i o no fs a m p l e h o l dc i r c u i t d e s i g n i n gi sb r o u g h tf b n v a r d r e s e a r c ho b i e c ta n dt h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fi ca r e a l s oa d v a n c e di nt h i sp a p e r a n dt h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fs 锄p l e h o l dc i r c u i to fh ig h s p e e da j )c o n v e r t e ri sd i s c u s s e di ns u c c e s s i o n t h e n ，b vc o m p a r i s o no ft h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs e v e r a lt h a ，t h ep r o p o s e dt h ai s 西v e n t h en e w t y p eo fh i g h - s p e e df u l l d i f r e r e n t i a lo p e n l o o ps 锄p l e h o l dc i r c u i ts t r u c t u r ei sd e s i g n e d t oa c h i e v et h eh i g h s p e e ds a m p l i n gr a t e t h es a m p l e h o l dc i r c u i tu s i n gs e fs 锄p l i n g s w i t c h e st oa c h i e v eh i g h 疔e q u e n c yr e s p o n s e ，t oo v e r c o m et h es h o n a g eo ft h e t m d i t i o n a lc m o ss w i t c h e sh i g hr e s p o n s e a n dp u tf o c u so nt h ep e r f b n l l a j l c ep r i n c i p l e a n de r r o ro fs e fs w i t c h 。 i nt h i sd i s s e r t a t i o nt h ep r o p o s e dt h aa c h i e v e ds t a t e o f t h e a r tp e r f o n n a n c e i m p l e m e n t e di na0 3 5um4 6 g h zb i c m o ss i g ep r o c e s s t h et h aw a sb i c m o s s w i t c h e d e m i t t e rf o h o w e rb a s e dd e s i 2 n e dt oc o n s u m el e s sc u r r e n ta n da r e at h a nt h e d i o d e - b r i d g et h a i tc o n s u m e s4 4 m wi nt h et h ac o r e i nm l ls 锄p l i n gm o d e ，t h e s f d rw a sg r e a t e rt h a n 5 2 8 d bf o ru pt o8 0 0 m h zc l o c ks p e e d k e y w o r d s ：a dc o n v e r t e r ( a d c ) ，h i g hs p e e d ，s 锄p l e h o l dc i r c u i t ( s h ) ，b i c m o s h i 重庆邮电大学硕上论文 目录 目录 摘要i i a b s t r a c t iii 目录lv 第一章绪论1 1 1a d c 研究现状及发展趋势l 1 2 高速a d c 发展现状2 1 3 高速a d 转换技术类型4 1 3 1 全并行转换( f l a s h ) 结构4 1 3 2 两步转换5 1 3 3 流水线转换6 1 3 4 折叠一插值转换7 1 4 高速a d c 小节8 1 5 论文背景及意义8 1 6 论文的主要结构9 第二章采样保持电路原理分析1o 2 1a d c 原理及其主要性能指标1 0 2 1 1a d c 原理1 0 2 1 2 静态性能参数1 2 2 1 3 动态性能参数1 3 2 2 采样保持电路工作原理分析1 5 2 2 1 采样保持电路原理1 5 2 2 2 采样方法1 6 2 2 3 采样定理1 7 2 3 采样保持电路拓扑结构分类1 7 2 4 开环结构采样保持电路的基本工作原理1 9 第三章采样保持电路的电路设计2 2 3 1 采样保持电路的整体结构设计2 2 3 2 几种开环结构采样保持电路的比较与分析2 2 3 2 1v o r e n k a m p 结构2 2 3 2 2k a r a n i c 0 1 a s 结构2 4 i v 重庆邮电大学硕：论文目录 、 3 2 3f i o c c h i 结构2 5 3 3 采样开关：2 6 3 3 1 采样开关的比较与选择2 6 3 3 2s e f ( s w i t c h e d e m i t t e r f 0 1 1 0 w e r ) 作原理2 8 3 3 3s e f ( s w i t c h e d e m i t t e r f 0 1l o w e r ) 分析2 9 3 4 采样电容设计3 0 3 5 输入输出缓冲器设计3 l 3 6 采样保持电路的失真分析3 2 3 6 1 保持模式下的电荷馈通( h o l d m o d ef e e d t h r o u g h ) 3 2 3 6 2 架构误差3 4 3 6 3 孔径不确定性3 5 第四章电路仿真结果3 6 4 1 输入输出缓冲放大器3 6 4 2 采样保持电路总体拓扑3 7 4 3 采样保持电路总体仿真结果3 7 第五章s ig ebic m o s 工艺及版图设计4 2 5 1s i g eb i c m o s 工艺介绍及其特点4 2 5 2 设计工具和设计方法4 3 5 3 版图设计4 4 第六章结论4 7 致谢。4 8 参考文献4 9 附录5 2 v 重庆邮电大学硕士论文第章绪论 第一章绪论 2 1 世纪，人类社会全面进入信息时代，信息产业成为了现代社会最重要的支 柱和最主要的产业。上世纪以来，信息技术是依靠电子学和微电子学技术发展的， 它促进了计算机技术、通信技术及其它电子信息技术的更新换代，如通信是从长 波到微波，存储是从磁芯到半导体集成，运算使用的器件从电子管发展到以大规 模集成电路为基础的电子计算机等等。目前，以集成电路为核心的电子信息产业 超过了以汽车、石油、钢铁为代表的传统工业成为第一大产业，成为改造和拉动 传统产业迈向数字时代的强大引擎和雄厚基石。1 9 9 9 年全球集成电路的销售额为 1 2 5 0 亿美元，而以集成电路为核心的电子信息产业的世界贸易总额约占世界g n p 的3 ，现代经济发展的数据表明，每1 2 元的集成电路产值，带动了1 0 元左右电子 工业产值的形成，进而带动了1 0 0 元g d p 的增长。目前，发达国家国民经济总产值增 长部分的6 5 与集成电路相关；美国国防预算中的电子含量已占据了半壁江山 ( 2 0 0 1 年为4 3 6 ) 。预计未来1 0 年内，世界集成电路销售额将以年平均1 5 的速度 增长，2 0 1 0 年将达到6 0 0 0 8 0 0 0 亿美元。作为当今世界经济竞争的焦点，拥有自主 版权的集成电路已同益成为经济发展的命脉、社会进步的基础、国际竞争的筹码 和国家安全的保障。 早期的电子式a d 转换器也是采用电子管组装的。进入五十年代中期以后， 才逐渐转向晶体管型a d 转换器。进入七十年代后，a d c 技术一直以惊人的速度持 续增长：一方面，许多传统的半导体工艺技术和器件纷纷被引用到a d c 的制作中， 另方面为研制集成a d c 而新发展起来的工艺方法和设计技巧又被应用到其他半 导体器件或集成电路的制作中。伴随半导体技术、数字信号处理技术及通信技术 的飞速发展，a d 、d a 转换器近年也呈现高速发展的趋势。由于集成a d 转换器 的内部既包含模拟电路，又包含数字电路，因此在发展数字模拟两者相结合的集 成电路产品时，它很自然地成为领头产品【l 】。 1 1a d c 研究现状及发展趋势 随着半导体技术、数字信号处理技术及通信技术的飞速发展，a d 、d a 转 换器近年也呈现高速发展的趋势。人类数字化的浪潮推动了a d 、d a 转换器不断 变革。随着计算机技术、通信技术和微电子等技术的高速发展，信息技术已渗透 到军事、民用领域的各个角落。在系统先进的电子设备或电子系统中，高速高分 辩a d 和d a 转换器己成为决定诸如雷达、声纳、高分辨视频和图像显示、军事 重庆邮电人学硕士论文 第一章绪论 和医疗成像、高性能控制器与传动器，以及包括无线电话和基站接收机在内的数 字通信系统等现代电子设备或系统之性能水平的重要环节。 现在，在通信产品、消费类产品、工业医疗仪器乃至军工产品中无一不显现 a d c 的身影，可以说，a d c 已经成为人类实现数字化的先锋。自1 9 7 3 年第一只集 成a d c 问世至今，a d c 在加工工艺、精度、采样速率上都有长足发展，现在的a d c 的精度可达2 6 位，采样速率可达1 g s p s ，今后的a d c 将向超高速、超高精度、 集成化、单片化发展，高速的a d c 将是重点开发的半导体器件。a d c 是任何数据 采集系统的核心，它能将连续模拟变量形式的数据转换变成一种适合数字处的数 据。 现在，由于s o c 技术的快速发展，将a d 转换器作为i p 集成在芯片中成为 新的发展趋势。设计满足不同功能和性能要求并可复用的a d ci p 成为a d c 设 计的新领域。 经过几十年的研究，模数转换技术得到了极大的发展。近几年来，模数转换 技术发展更迅速，最高精度达到2 4 b it ，最快的转换速度达到4 0 g s p s 。高性能 的模数转换器产品己非常成熟，各种性能的a d c 广泛应用于工业界的各个领域。 随着模拟和数字技术的发展，模数转换器也出现了新的发展方向。总的发展 趋势主要有以下几个方面。第一新的结构会大量的出现在新产品中，新技术不断 应用到各种a d c 中，如流水线a d c 采用的数字校准技术来提高精度。第二，高转 换速率，现代数字系统的数据处理速度越束越快，要求获取数据的速度也要不断 提高。比如，在软件无线电系统中，a d c 的位置是非常关键的，它要求a d c 的最 大输入信号频率在1 g h z 和5 g h z 之间，以目前的技术水平，还很难实现。因此， 向超高速a d c 方向发展的趋势是清晰可见的。第三，高精度：现代数字系统的分 辨率在不断提高，比如，高级仪表的最小可测值在不断地减小，因此，a d c 的分 辨率也必须随之提高：在专业音频处理系统中，为了能获得更加逼真的声音效果， 需要高精度的a d c 。目前，最高精度可达2 4 位的a d c 也不能满足要求。现在， 人们正致力于研制更高精度的a d c 。第四，制造工艺技术的提高，芯片制造进入 亚深微米级，电源电压的进一步降低，导致a d c 的电源电压降低，低压低功耗的 数据转换器会越来越多。第五，模拟数字化，随着数字技术的发展，越来越多的 模拟功能由数字部分完成。模拟电路的各种误差可以通过数字技术纠正和减小。 1 2 高速a d c 发展现状 为了满足数字系统的发展要求，a d c 的性能也必须不断提高，它将主要向高 转换速度和高精度方向发展。现代数字系统的数据处理速度越来越快，要求获取 数据的速度也要不断提高。比如，在软件无线电系统中，a d c 的位置是非常关 2 重庆邮电大学硕i ：论文 第一章绪论 键的，它要求a d c 的最大输入信号频率在l g h z 和5 g h z 之间，以目前的技术 水平，还很难实现。因此，向超高速a d c 方向发展的趋势是清晰可见的。高速 数据转换器一般指转换速度在1m s p s 以上。它们在通讯，消费电器，工业与医 疗仪器，以及军工产品中都有广泛的应用。当前移动通讯基站( b t s ) 的设计趋势 是把模数，数模转换器移到中频( i f ) ，并且同时采样( 或合成) 多个载频 ( m u l t i - c a 而e r ) 。其目的是减少分立器件的个数，而且提高系统的灵活性。这种系 统要求数据转换器有很高的转换速度，对模数转换器的要求一般是几十到上百 m s p s ，对数模转换器的要求更高一些，可以高达4 5 百m s p s 。这种系统对数 据转换器的另一个要求是对高频信号有很小的噪音和失真，以避免小信号被频 率相近的大信号所掩盖。 高速模数转换器有不同的结构，以适合不同的分辨率和转换速度。快闪 ( n a s h ) 转换器可以达到很高的速度( 1 千兆秒) ，但是因为它的大小和功耗与分辨 率成指数关系，最多只能做到8 位左右。表1 1 为国外一些高速a d c 参数指标。 更高的分辩率需要用两步式( 似o s t e p ) ，折叠插值式( f o l d i n g i n t e r p o l a t i o n ) ，或者 流水线式( p i p e l i n e ) 结构。两步式和折叠插值式转换器的精度取决于匹配不是很 好的电阻和三极管，一般只能做到1 0 位精度，依靠的是电容的匹配，它可以达 到1 4 位的精度。在将来几年罩，无线通讯会继续推动高速，高性能数据转换器的 研究，结果将是更高的转换速度和高频性能。在过去1 0 年里，因为半导体工艺的 发展，高速模数转换器的速度提高了2 0 倍，功耗降低了近百倍( 高速数模转换 器的提高相对少一些) 。在未来几年里，因为受到不断降低的电源电压的限制， 这些提高，尤其是对高精度转换器，将会明显减慢。 表1 1 国外高速a d c 参数指标 ( 厶毗2 0 0 慨，6 订8 ) 厂 数据位输入带宽 公司器件型号 js n m p i e 通道数 ( g h z )( b i t )( g h z ) a t m e la t 8 4 s 0 0 82 21 1 03 _ 3 a t m e lt s 8 3 1 0 2 g 0 8211 03 m a x i mm a x l 0 81 5l82 2 n a t i o n a la d c 0 8 1 0 0 01l81 7 n a t i o n a l a d c 0 8 d 1 0 0 0 l2 81 7 a t m e la t 8 4 d 0 0 l bl281 5 m a x i mm a x l 0 6o 6 l 82 2 重庆邮1 1 1 人学硕一l ：论文 第一章 绪论 a t m e l a t 8 4 d 0 0 4 b0 528 l a t m e lt s 3 0 8 5 0 00 5l 81 3 t e l a s i c t s l 4 l o0 2 411 4 o 5 a n a l o gd e v a d 9 4 3 00 2 1 51 1 20 7 a n a l o gd e v a d 9 4 1 0o 2 ll1 0 o 5 a n a l o gd e v a d 9 0 5 4o 2 180 - 3 5 1 3 高速a d 转换技术类型 绪论中提到过，近几十年来在a d c 的片上实现方案上提出了多种不同的结 构，因其各自不同的特性而分别适用于某些领域。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，必须首先了解一些基本a d c 结构 的原理。同时，也将分析它们各自性能上的制约因素。过采样s i g m a d e l t a 转换 器一般适用于高分辨率、中等带宽的应用。在无线通信和视频信号处理要求带宽 大于l o m h z 的场合，过采样的原理会使得s i g m a d e l t a 的采样率过高而不实际。 本节主要讨论高速a d c 结构的特点和局限， 通常，a d c 具有三个基本功能：采样、量化和编码。如何实现这三个功能， 决定了a d c 的电路结构和工作性能。a d c 的类型很多，下面介绍几种目f j i 常用的 高速a d 转换技术【2 1 。 1 3 1 全并行转换( fia s h ) 结构 并行转换方式在所有的模数转换中，转换速度最快，并行转换是一种直接的 模数转换方式。它大大减少了转换过程的中间步骤，每一位数字代码几乎在同一 时刻得到，因此，并行转换又称为闪烁型转换方式。这种转换器的结构如图1 1 所示。并行转换的主要特点是它的转换速度特别快，特别适合高速转换领域。缺 点是分辨率不高，一般都在1 0 位以下：精度较高时，功耗较大。这主要是受到 了电路实现的影响，因为一个n 位的并行转换器，需要2 一1 个比较器和分压电 阻，当n = 1 0 时，比较器的数目就会超过l 0 0 0 个，精度越高，比较器的数目越 多，制造越困难。 4 重庆邮电人学硕士论文 第一章绪论 1 3 2 两步转换 图1 1 全并行a ，d 的结构 两步结构a d c 是全并行( f l a s h ) 结构a d c 的一种优化，可以减少比较器的数 量。该结构中一个“粗略”( c o a r s e ) a d c 产生数字输出的前c 位。余数电压，即 输入信号与d a c 的差值通过一个“精确”( f i n e ) a d c 产生数字输出的后f 位， 其结构见图1 2 。 模 图1 2 两步结构a d c 原理图 n f b i l 眦 r r r r r r r m 重庆邮电大学硕i 二论文 第一章绪论 两步a d c 的速度只有全并行a d c 的转换速度的一半，但所需比较器数只 有2 胛+ 2 肼一2 个，大大节省了面积和功耗。前面说过，f l a s ha d c 是最基本的 a d 转换模块。而半并行的思想就是通过增加级数，以时间上的一个周期延迟 ( f l a s ha d c 是实时的) 的代价，换取电路复杂度上的降低( 使用比较器数量的减 少) 。 1 3 3 流水线转换 多级流水线( p i p e l i n e d ) a d c 是目f j 最流行的高速a d c 结构之一。它在基本 原理上类似于半并行( s e m i n a s h ) a d c ，由多个级联的子级构成。其中每个子级 都包含一个较低分辨率的a d c 、一个采样保持放大器和一个d a c ，其结构如图 1 3 所示。流水线a d c 的具体特性将在下一节详细分析。流水线a d c 体现了半 并行a d c 中以增加级数换取单级a d c 复杂度降低的思想。它与半并行a d c 的 主要不同是，流水线a d c 的各级之间有一个采样保持( s h ) 电路，增加了最大采 样速率。其流水线的结构使得输出数字编码延迟了若干个时钟周期，但对于高速 应用场合这不是一个明显的限制。流水线a d c 的子级a d c 同样由基本的全并 行( n a s h ) 结构实现，其非理想特性如前面所分析的那样主要由比较器的失调造成。 然而对于流水线a d c 来说，子级a d c 的精度并不需要非常高，因为可以通过 数字纠错技术校正。多个子级中，惟一需要达到全a d c 分辨率精度的是输入采 样保持( s h ) 电路和首级中的d a c 。流水线a d c 静态性能的主要限制来自于d a c 中的匹配误差，对于分辨率超过1 0 位到1 2 位的系统，一般需要采用校j 下技术。 s 姆hs 姆：卜一一s 魄e i ij i 延迟环节 i i 数字矫正 l 图1 3流水线a d c 结构 6 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 3 4 折叠插值转换 由流水线型转换方式可知，通过对输入信号的预处理，使转换器精度提高的 同时，可大幅降低元件的数目。流水线型处理的方式是分步转换，其高位和低位 数据分步得到，使转换速度受到影响。折叠插值型转换方式克服了流水线型分 步转换所带来的速度下降，它通过预处理电路，同时得到高位和低位数据，但元 件的数目却大大减少。折叠插值型转换方式信号预处理的方法是折叠。折叠就是 把输入较大的信号映射到某一个较小的区域内，并将其转换成数字信号，这个数 据为整个数字量的低位数据。然后再找出输入信号被映射的区间，该区间也以数 字量表示，这个数据为整个数字量的高位数据。高位和低位数据经过处理，得到 最后的数字信号。 7 模 n c b i t n f - b i t 图1 4 ( a ) 折叠一插值a d c 结构( b ) n c = 2 时的折叠电路传递函数 折叠一插值的原理和半采样一样是将a d 转换分两步进行，不同的是两个 子级a d c 是并行工作的，其结构如图1 4 ( a ) 所示。折叠电路的功能类似于半并 行a d c 中的减法器。由于精确a d c 中不需要粗略a d c 的输出值，因此基本上 是同时进行量化的，不会有一个周期的延迟。所需的比较器数目和半并行一样是 2 川+ 2 川一2 个，折叠电路的传递函数如图1 4 ( b ) 所示。实际电路中要生成精确 的锯齿波是比较困难的，一般可以用三角波代替，但仍然比较难获得很精确的转 角。因此，折叠一插值a d c 的大信号线性度是比较差的。实际应用中，性能较 好的折叠一插值a d c 一般都是以b i p o l a r 或者b i c m o s 工艺因为双极型晶体管 可以使折叠电路的带宽达到比m o s 大得多的值。折叠插值方式存在的问题是信 号频率过高时，有所谓“气泡”现象产生，需要额外的处理电路；且当位数超过8 位时，如要保持较少的比较器数目，折叠插值变得十分麻烦，所以一般只用于8 7 重庆邮电大学硕十论文 第一章绪论 位以下的转换器当中。 1 4 高速a d c 小节 高速a d c ( 采样率大于l m s p s ) 最典型的结构是全并行结构，f l a s ha d c 。这 种结构的主要优点是直接全并行转换，速度最快，因为在一个周期内完成数模转 换。这种结构的缺点是需要2 “一1 个比较器，导致管芯面积增大和功耗增高，限制集 成度的提高。因此仅当分辨率n 8 位，才采用闪速型a d c 。对于n 8 位的较高 分辨率的高速a d c ，对模拟信号采用分步处理的方法，例如折叠或内插型a d c 和 流水线型a d c ，以便克服比较器数目随分辨率呈指数增加的问题。在含有相同的 比较器数目的情况下，流水线型a d c 能达则的分辨率要比全并行型a d c 高。表 1 2 不同结构高速d 的比较。 表1 2 不同结构高速a d 的比较 比较器参考电压 a d 结构类型输入电容s h 电路校准电路限制冈素 数鼍数母 全并行很多很多很大不需要不需要失调 两步一般很多一般 需要 需要欠调 折叠一插值一般很多很大需要不需要火调 流水线较少较少较小需要需要噪卢 1 5 论文背景及意义 本课题是基础研究项目，目标是设计出一种3 3 v 电源电压、6 0 0 m s p s 采样 频率、8 b i t 采样精度的高性能采保电路，该采保电路应用在对应参数的高速a d c 上。 采保电路是指对不断变化的模拟信号瞬时值进行采样并保持一定时间的电 路。采保电路通常放在a d c 之前，由它在较短时间里完成采样一个输入电压值 的任务，并把该电压值保持足够长的时间，再由a d c 在这段时间里完成量化和 编码操作，以获得更高的技术指标，如速度、分辨率、精度掣1 0 】。论文对采样 保持电路的组成部分进行了详细分析，采样保持电路由采样开关和输入输出缓 冲器组成。针对本采样保持电路的8 b i t 分辨率和6 0 0 m s p s 采样速度的要求， 确定开关采用b i c m o s 的s e f 开关；采保电路的结构采用开环结构。对采样开 关主要考虑开关的时钟馈通对采样保持电路性能的影响。为了抑制偶次谐波失 真、增加输入信号范围、提高信噪比，输入采用全差分的工作方式。为了获得高 的采样速度，该采保电路采用b i c m o s 工艺制作而成。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 基于上述分析，我们围绕如何实现8 位采样精度和6 0 0 m s p s 的采样速度进 行了系统和单元设计，为了保证采保电路的性能指标，在设计过程中对功耗问题 相对考虑得不是太多。最终在o 3 5 p m 的b i c m o s 工艺条件下，采用电荷转换结 构设计了一种工作在3 3 v 电源电压下，采样精度达8 b i t ，采样速度达6 0 0 m s p s 的采保电路。 1 6 论文的主要结构 论文的主要工作是完成a d c 中的关键单元采保电路的设计。 第一章介绍了高速a d c 与采保电路的研究动态及发展趋势和课题的相关背 显 累o 、 第二章简要介绍了a d c 工作原理和采保电路的工作原理，主要有是采样过 程、采样定理、采样方法及采保的分类。 第三章详细论述了采保电路实现过程和结构选定，分析了对关键模块电路设 计时的主要考虑因素和实现方式。 第四章用标准的0 3 5umb i c m o s 工艺提供的p d k ，在c a d e n c e 环境下对 采样保持电路进行了s p e c t r e 仿真，并给出了采保电路输入缓冲放大器，采 样开关，输出缓冲器模拟仿真的结果，并作了简要的分析。 第五章简要地介绍了b i c m o s 工艺的版图设计规则和设计芯片版图时所要 考虑的问题。 第六章为结论。 9 重庆邮电人学硕十论文 第- 二章 采样保持电路原理分析 第二章采样保持电路原理分析 以微型计算机，存储器所代表的大规模集成电路技术的发展为支柱，数 字信号处理技术的应用范围j 下在迅速扩大。例如，在数字音响领域，利用a d c 能把音乐模拟信号变换为数字信号。通过数字信号处理手段，不仅扩大了动态， 还能使旋转系统产生的变音和放音失真之类的失真降低到检测量限以下，另外还 具有补偿由于磁带伤痕造成的漏失信息的功能。如上所述，利用数字处理技 术，不仅能提高信号处理精度，还增加了模拟信号处理技术不可能实现的功能。 然而，自然现象中的物理量都是模拟量，要想进行数字处理就不能缺少a d ，转换 器这一过渡的桥梁。 2 1a d c 原理及其主要性能指标 当d 转换的功能以片上集成的方式实现时，由于从器件到电路结构的种种 非理想特性的存在，使得实际可以达到的系统性能与理想性能有一定偏差。在本 节中，我们首先介绍理想a d c 的一些基本特性，并讨论量化的概念；之后分析a d c 中的主要误差来源，介绍一些工业界较普遍使用的性能参数及其意义。 2 1 1a d c 原理 a d 转换器的功能是将输入的模拟信号转换为对应的二进制数字代码。 因模拟信号在时间和幅值上均是连续的，而数字代码是离散的，所以进行转换时 必须在一系列选定的瞬间对输入模拟信号采样，然后再把采样值变成幅值上离散 的数字量。通常，a d 转换过程包括采样、保持、量化和编码。理论上理想的 a d c 传递函数应该是一条斜率为l 的直线( 假如可以无限量化的话) ，而实际中可 实现的理想a d c 传递函数呈单调上升的阶梯状，如图2 1 所示。理想的a d c 仅 以有限位数的数字编码输出表现一定范围内所有的模拟输入。 图2 1 体现每个数字输出都代表了整个模拟输入范围的一段。由于模拟范 围内信号是连续的，而数字编码是离散的，因此a d c 需要一个量化过程，也由 此引入了误差，称为固有量化误差( i n h e r e n tq u a n t i z a t i o ne 1 1 r o r ) a d c 的数字输出 位数上升时( 既分辨率上升) ，其传递函数将趋近于理想“直线”。通常我们通过 选取数字输出发生跳变时的闭值位置，使每一个“阶梯”的中点落在理想传递“直 线”上，这样比使阈值本身落在理想值上能获得更低的量化噪声。 1 0 重庆邮电大学硕上论文 第二章 采样保持电路原理分析 量化误差 + l s 8 2 一l s b 2 想传输特 性曲线 l23456模拟输入 i 同相：建化误左 一卜pi jp 6 一1 7 犊 图2 1 理想a d 传输特性 拟输入 每一个“阶梯”的宽度定义为1 个l s b ( 1 e a s ts i g i l i f i c a n tb i t ) ，这个单位定 义在其他的性能参数描述中会反复用到。a d c 的分辨率通常以数字输出的位数 表示，例如，n 位的分辨率有2 ”个可能的数字输出。然而，由于传递特性中第一 个和最后一个“阶梯”都只有一半位宽，因此幅值范围( m 1 1 s c a l er a n g ef s r ) 可分 为2 ”一1 个“阶梯”宽度，表达式如式( 2 1 ) 所示： 1 三船= 只哝( 2 门一1 )， 当a d c 的分辨率足够高时，通常可以合理地假设量化误差为白噪声，既量 化噪声在三船2 的范围内有均匀的分布概率。噪声信号的能量均方值 ( m e a l l s q u a r ev a l u e ) 可以由2 2 式表示： 以( 于) = 吃s ( 于) = e p 2 p ( p ，f ) 沈 ( 2 2 ) 其中吃，( f ) 为量化噪声信号，p ( e ，t ) 为其概率密度函数，以量化误差值e 为积分变量。设l s b 的值为，由于量化噪声在士l s b 2 的范围内有均匀的概 率密度，p ( ，t ) 可表示为2 3 式。 重庆邮电人学硕上论文 第二章 采样保持i 乜路原理分析 比亏慵纂 亿3 ， lo 其余e 值 ”一 胪 = 箐 亿4 ， 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，可以由四个参数完全表示。它们是失调误差( o 凰e te r r o r ) 、增益误差 ( g a i ne r r o r ) 、积分非线性( i n t e g r a ln o n l i n e 撕够) 和微分非线性( d i 腩r e n t i a l n o n l i n e a r i t ) r ) 。通常都以l s b 或f s r 的百分比为单位表示。 数 失调 l2345 6 模拟输入 图2 2a d 静态误差参数 其中最重要的度量参数就是积分非线性( l ) 和微分非线性( d n l ) ，它们 1 2 系庆邮l 乜大学硕士论文第二章采样保持电路原理分析 体现了转换器中包括量化误差、非线性、短时漂移、失调和噪声在内的精度性能。 失调误差的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。微分非线性的定义为a d c 实际位宽与理想的1 l s b 之间的差值， 位宽为l l s b 时d n l 为o 。若a d c 的d n l 超过1 l s b ，则可能出现非单调 ( n o n m o n o t o n i c ) ，意味着局部输出可能在输入增加时反而变小。d n l 同样可能导 致失码，某一个或多个输出范围内的数字编码永远不会得到。积分非线性的定义 是实际传递函数对理想情况的偏离。其名称的涵义是，某一位上的积分非线性的 数值由从传递函数底部到该位之间的微分非线性值累加而得到。以上几项参数均 体现在图2 2 中。此外，增益误差的定义为扣除失调误差影响后，传递函数增益 点处的理想值和实际值的差，所谓增益点指的是数字满幅值输出时的输入中间 值。该误差同样是可以补偿的。 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，通常我们选择在输入信号满幅值的情况下进行测量。 a ) 信噪比( s i g i l a l t o n o i s er a t i o ，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