（电路与系统专业论文）实用cmos视频解码芯片模拟前端箝位电路的研究与设计.pdf

摘要 本文酪在探索为实现视频解硝芯片的模拟前灞而作的箝位电鼹设计。燕点论 述了在c m o s 工艺下视频耪位电路的功能蜜现及设计方案。 厂 i 因为8 - - b i t 箍位电路最主要由一个8 位的d a ( d i g i t a la n a l o gc o n v e r t e r 可燕写为d a ) 和一个与之穗琵的攀蠛变全差分傣号夔运散寒实臻。因毖，这也 是本文着熏论述之处。 ， 对予8b i td a ，著纛对予速度器蕊黧并没骞骨么特殊懿要袋。毽霆， 本次 设计所采用的是u m c0 1 8 9 mc m o s 数字工艺，并且模拟时考虑模型变化，温度及 电源变证多达4 5 耱组台酌情况下 看来经选密9 稽最坏情况俸模拟) ，豫证9 5 以上的成品率，这就对设计提出了很商的要求。 通过辩电压型、电流溅、电容戳和混合型d a 的介绍，让我们对d a 的类型、 特征及发展有了一个比鞍瀵晰的认识。然飚分别对其进行舆体电路鲍描述，并给 出仿真结暴。再对这些d a 进行功能对比，以明确其优劣。通过对比，可以得出 缝论，混会型d a 必然会在褰赣爱、裹逮d a 设诗中占其蓬要楚钕，著在1 0 短 以上的精度的d a 设计中得到广溅的应用。义 文中还分绍了遂教懿设计方法。本文x 重本设诗中掰采鼹瓣擎端遮放帮攀灞交 双端的全熬分运放，作了比较详细的介绍和说明。特别是单端变双端的全麓分运 敖沌路设计，是零文提出酌，嚣前在国内外的稻关文献中米觅发袭。 电路及系统的设计最后用c a d e n c e 的a f f i r m aa n a l o gc i r c u i td e s i g n e n v i r o n m e n t 迸行模拟，仿粪结果表明各项指标都达到和超融了设计要求。3 关键词：辅位电路、数，模转换器，运放ic m o s 工艺、祭成电路 a 八) a b s t r a c t t h i sp a p e ri st od i s c o v e rt h ec l a m pc i r c u i t sf o rr e a l i z i n gv i d e od e c o d e ri c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) ，a n df o c u s i n g o n r e a l i z i n gt h ef u n c t i o n o f v i d e o c l a m p c i r c u i ta n d p r o j e c td e s i g nw i t hc m o sp r o c e s s f o rt h e8 - b i tc l a m pc i r c u i t sm a i n l yi n c l u d i n ga n8 - b i td a ( d i g i t a la n a l o g c o n v e r t e r , w h i c hc a nb es h o w n a sd a ) ，w h i c hf u n c t i o nw i t ham a t c h i n ga no p a m p t h a tt u r n st h es i n g l ee n d e d s i g n a lt oa f u l ld i f f e r e n t i a l ，s oi ti st h ep o i n te m p h a s i z e di n t h i sp a p e r i nt h i sd e s i g n ，t h e8 - b i td ah a sn os p e c i a lo r d e ri ns p e e da n d o u t p u tr a n g e b u t w eu s eu m co 18 9 mc m o s d i g i t a lp r o c e s sw h i c h l e a d st oac o n s i d e r a t i o na b o u t c h a n g e so f m o d e l s ，t h e r m o m e t e ra n dp o w e r s o u r c ew h i c hc a nr e a c h4 5c o m b i n a t i o n s a t l a s t ，w es e l e c t9c o m b i n a t i o n si nw o r s tc o n d i t i o n st od os i m u l a t i o n ，i no r d e r t o r e a c ha h i g h e r r a t eo ff i n i s h e dp r o d u c t st h a n9 5 p e r c e n t o f i t ，w h i c hm e a n s t h a tt h e d e s i g nm u s t r e a c ha v e r yh i g hd e g r e e b yc o m p a r i n g t h ed i f f e r e n c ea m o n gc u r r e n t d a ，v o l t a g ed a ，c a p a c i t a n c e d a a n d h y b r i dd a ，w el e a r nt h et y p e so f d a ，c h a r a c t e r i s t i ca n dd e v e l o p m e n tm o r e c l e a r l y w ec a nf o r e c a s tt h a tt h eh y b r i dd aw i l lh a v ea ni m p o r t a mp o s i t i o ni nh i g h s p e e da n dh i g ha c c u r a c yf i e l d s ，e s p e c i a l l yi nt h ec o n d i t i o nw h e r et h ea c c u r a c ys h o u l d b er e a c h e da t1 e a s t1 0 一b i t t h e p a p e r i n t r o d u c e sv a r i o u s d e s i g n m e t h o d so fo pa m p i t p a r t i c u l a r l y i n t r o d u c e sa n de x p l a i n st h e s i n g l e e n d e do pa m pa n df u l l d i f f e r e n t i a l o pa m p t u r n i n gs i n g l ee n d e ds i g n a lt ot h ed u a le n d e d ，e s p e c i a l l yt h ef u l l d i f f e r e n t i a lo p a m p ， w h i c hi so r i g i n a lc r e a t i o ni nt h i sp a p e r , a n dh a sn o tb e e np u b l i s h e di nl i t e r a t u r e so f d o m e s t i ca n da b r o a d t h ec i r c u i t sa n dt h es y s t e mh a db e e nt e s t e du n d e rc a d e n c e sa f f i r m a a n a l o g c i r c u i td e s i g ne n v i r o n m e n t t h er e s u l ts h o w s r e a c h i n g a n d e x c e e d i n g t h et a r g e t k e yw o r d s ：c l a m pc i r c u i t ，d ac o n v e r t e r , o pa m p s ，c m o s p r o c e s s ，i n t e g r a t e d c i r c u i t i i 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 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一周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。 签名蛾 日期舶j 年j 月皿目 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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应遵守此规定) 日期：勺叻2 7 年r 月坳日 电子科技大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 设计背景 自从1 9 5 9 年世界上第一块集成电路在美国得州仪器公司和西屋电器公司诞 生以来，集成电路一直以惊人的速度发展。第一块集成电路只有4 只晶体管，而 现在可以在一片芯片上集成几千万只晶体管，甚至上亿只。其发展也经历了小规 模i c ( s s i ) ，中规模i c ( m s i ) ，大规模i c ( l s 0 ，超大规模i c ( v l s i ) $ 口特大规模 i c ( u l s i ) 五个不同的阶段。工艺也发展到深亚微米阶段。目前，系统级芯片 ( s y s t e mo nac h i ps o c ) ，即将模拟i c 和数字i c 集成到一片芯片上，正在成为 主流技术。用其来完成系统功能。 虽然芯片的功能在不断的增强，但随着工艺的不断成熟，芯片的价格却不断 下降，如果按集成电路降价的速度计算，现在的汽车只能卖2 7 美元。而最具代 表性的，也是目前最常用的就是c m o s ( c o m p l e m e n t a r y m e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r ) 工艺。并且，随着工艺不断向亚微米，深亚微米发展，其产品在 速度上也赶上并超过了t t l 工艺。因此，目前的设计思想是用最廉价的c m o s 工艺来实现系统级的功能。 我们所从事的这个项目正是在这样的背景下产生的。 当今的世界是一个数字化的时代，而在其中扮演着很重要角色的是数字电 视，因为数字电视有图像质量高，功能强大，用途广泛，使用维修方便，生产性 好，成本低等模拟电视无法比拟的优势，其最终取代模拟电视只是一个时间问题。 美国已经制定了在2 0 0 7 年全面实现数字电视的有关法令。我国也相应制定在 2 0 1 0 年全面普及数字电视，2 0 1 5 年将停播模拟信号。届时所有出厂的电视都必 须是真正意义上的数字电视，因为那个时候电视台的图像采集，整理，广播都是 数字。而数字电视的核心是视频解码芯片。据估计，在未来1 0 年内，国内的数 字电视销售额将达到1 0 0 亿美元。目前国家对数字电视实行政策倾斜，在“十五” 计划中，安排了数字电视5 个方面1 0 个项目，总投资1 5 亿元。 本论文即是在与西南集成电路设计公司合作( 也是该公司与美国英图公司合 作) 中完成的，电路设计部分历时一年。该项目要求设计信号频率不低于1 5 m h z 的视频解码芯片的模拟前端系统i p 核，其中a d c 的采样频率为8 0 m h z 。信号 频率不低于1 5 m h z 是因为要扩大该芯片的使用范围，不但完全满足目前的主流 电子科技文学硕士学位论文 数字迄疆糠准( n t s c t e l e v i s i o n f o r m a t f o r n o r t h a m e r i c a a n dj a p a n ，信号带宽 6 m t t z ；p a l t e l e v i s i o nf o r m a tf o rm o s to fe u r o p ea n ds o u t ha m e r i c a ，信母带宽 8 m h z ：h d t v s d t v - - 珏i g hd e f i n i t i o n s t a n d a r d d e f i n i t i o n d i g i t a l t e l e v i s i o n f o r m a t ，信号带宽最大8 m h z ) ，还可满足c o m p u t e r v i d e of o r m a t ( v g a v i d e o g r a p h i c s a r r a y ，售号带宽1 5 3 m b t z ) 。2 1 2 芝粟蔫u m ce 1 8 u m1 p 6 m c m o s ，魄源为 3 3 v 单电压，要求m o s f e t 的长度不小于0 3 4 u r n 。在系统设计上，参考了t i 公镯熬t h s 8 0 8 3 和p h i l i p 公司静s a a 7 1 1 4 h ，摄据资糕【5 】、问，疆$ 8 0 8 3 帮 s a a 7 1 1 4 h 信号带宽只有6 m h z ，t h s 8 0 8 3 只有8 一b i t 输出，s a a 7 1 1 4 h 只有9 - - b i t ，嚣鏊藏我髓逶行豹顼嚣绩号蒂宽这至l1 5 m h z ，输潞为l o - b i t 。可戳说在往 能上此项目念面超越遮两款芯片，达到了目前国内先进水平。 1 2 方案设计 视频模拟 啼 输入 网翻豳1 型 图1 1 视频解诵芯片的模拟前端系统 在本设计中，初步定的设计时间是一年。为保证设计的正确性，采用 c a d e n c e 的a f f i r m a a n a l o g c i r c u i td e s i g ne n v i r o n m e n t 来进行模拟，并采用u m c o 1 8 u mc m o s 工艺。农模拟时考虑工艺及电源变化，从4 5 神变化组合中挑选出 9 种最坏情况进行模拟，以求选到9 5 以上的成晶率。把设计和制造成本降到最 低。设计指标达到1 5 m h z 的信号带宽，采样频搴达至n8 0 m h z ，充分满足当兹及 未来几年的视频解码需求。在设计时，锈一模块郝有独立的测试引脚，以方便测 试。 进入片内的信号怒一个幅度在o 2 5 2 6 v 之间的视频信号。经过一个八选 的多路选择器后进入钳位电路( c l a m p ) 部分。c l a m p 部分的功能是提供一个系统 所需的电平，并且完成将单端的输入信母在c l a m p 后变为一个全涟分信号；经 c l a m p 后全熬分信号遴入v g a ( v a r i a b l eg a i na m p l i f i e r ) 。v g a 跫一个增益在 0 - 2 0 d b 之间变化，并鼠这个变化范围由一个8b i td a 来调节，其目的是使经过 2 电子科技大学硕士学位论文 传输后幅度不太标准的信号变得标准( 即1v p - p ) 。这样一个相对标准的信号进入 l p f ( l o w p a s s f i l t e r ) ，以去除传输中引入的高频杂波。而l p f 设计三个不同带 宽就是为了适用于不同的电视及p c 标准；再往后进入a d c ( a n a l o g t o d i g i t a l c o n v e r t e r ) ，以完成由模拟到1 0b i t 数字的转换；由a d c 出来再进入数字信号处 理部分。 电子科技大学硕士学位论文 第二章 c l a m p 部分概述 2 1 为何要箝位 要想知道为什么要c l a m p ，需先对电视信号作一初步了解。 众所周知，电视图象是由周期性的扫描行所组成的，下面示出一行标准彩条 电视信号的波形，如图2 - 1 所示。 行消 行同 图2 - 1 一行标准彩条信号的波形 由图可见，电视信号是由图象信号、同步信号和消隐信号所组成的。其中图 象信号包括亮度信号( 即黑自信号) 和色度信号，前者代表电视图象内容的亮度， 后者代表电视图象内容的颜色。色度信号是将色信号调制到4 4 3m h z 的副载波 信号上，形成正交平衡调幅波，再叠加到亮度信号上，一起形成彩色图象信号。 同步信号包括行同步信号( 或称水平同步信号) 和场同步信号( 或称垂直同步信 号) ，因为电视图形是由水平和垂直两个方向的扫描所形成的。此外还有色同步 信号，用于锁定接收端的4 4 3m h z 副载频信号以实现同步检波，准确重显彩色。 消隐信号包括行消隐信号( 或称水平消隐信号) 和场消隐信号( 或称垂直消隐信 号) ，用作消隐行、场的回扫电子束，并给出基准黑电平。 电视信号的标称幅度为1 矿峰一峰值，记作1 ，其中行、场同步信号占0 _ 3 n 图象信号占0 7n 削隐信号对应于黑电平。波形上端为白电平，黑白电平之差 为o 7v 。另外，色同步信号是包括1 0 个周期左右的4 4 3m h z 正弦信号，叠加 在消隐电平之上，行同步脉冲之后，其幅度亦为o 3 儿 另外还可以看到，电视信号具有单向性、不对称的特点，其平均值是依图象 4 电子科技大学硕士学位论文 内容而变化的，例如对于亮图象其平均值就高，对于暗图象其平均值就低，电视 信号平均值所反映的是电视图象的背景亮度，考虑到电视图象的连续性，背景亮 度一般变化趋缓，所以平均值变化的频率甚低，在传输中应采取措施，去掉后加 以恢复。因此，需在电路中采用箝位电路，靠箝定信号中的黑电平( 即消隐电平) 来恢复它。当失掉平均值后，会引起电视图象背景亮度或底色的失真，且信号的 动态范围加大，在传输线路中应注意到这一点。 2 2 c l a m p 方案的选择 根据资料 7 】，其方案如图2 - 2 。 v i d e o i n p u t v i d e o o u t p u t 如图2 - 2c l a m p 方案之一 在图中，a l ，a 2 代表分别代表两个运放的开环增益：v r 是所需的箝位恢 复电平；h o l d 是箝位控制信号，决定系统是处在筘位状态还是保持状态；低通 滤波器的作用是滤除信号传输中引入的高频杂波。根据推导，可以得到关于v 。 的表达式v 。t = a 1 ( v i 。一v b p ) w r 。式中v b p 代表筘位时间内的信号平均电平 值。从这个表达式可以看出，当a 1 = 1 时，v 。就等于将输入信号与筘位时间内 的信号平均电平值的差值加上一个所需的箝位电平。这样就很好地恢复了d c 电 平。 另外的方案据资料 1 1 】，如图2 3 。 图2 - 3 所示是一种模拟c l a m p 方式。因为c l a m pc o n t r o l 是8b i t 数字信号， 而a d c 输出也是8 位。这种方式如果在电源电压不大，a d c 输出位数增加， 电子科技大学硕士学位论文 如1 0 b i t ，1 2 b i t 时，对c l a m p 精度的要求大大增加，如1v 的c l a m p r a n g e ，如 果是1 0b i tc l a m p ，则每一步精度要求不到l m v 。这对用c m o s 数字工艺来实现 是有不小的困难的。因此，一种更好的全数字式筘位电路如图2 - 4 。 p g ag a i nc o n t o l 图2 - 3 模拟通道构架 ji 二：l r q y l 一墨 箝位基准值 ( 数字) 图2 - - 4 全数字式箝位电路 假设在爿一d 变换的输出数字信号中，在箝位期间相对于箝位基准电压五存 在有土a 的变动，则b 土a 与设定的箝位基准电压b 通过相减比较，得到土a 。 经锁存的4 - a 在运算器( a l u ) 中与b 士a 作减法运算，则： 电子科技大学硕士学位论文 ( b4 - a ) 一( 4 - ) = b 从而消除了消隐期间的筘位基准的变动。为了限制数字信号的动态范围，可在 a d 变换之前预制仅有极小箝位噪声的模拟软箝位电路( 峰值箝位) ，以使直流 电平有一个大体的固定。 这样对于8b i t1 v 的c l a m pr a n g e ，在现有工艺下实现起来就相对容易多了。 因此，据以上分析，对于一个a d c 输出达到1 0b i t 和以上位数的视频处理 系统，要现进行8b i t 粗箝位，再在以后的d s p 部分进行精确补偿。设计图如下： v r 图2 5c l a m p 部分的实际设计图 图中c l p 代表箝位使能信号；v r 是箝位恢复电平，其值由8 位d a 来提 供；v 1 等同与图2 - - 2 中的v o u t ；s d ( s i n g l ee n d e d t o d i f f e r e n t i a l ) 是一个将输入的 单端信号转变位全差分信号的特殊的运放：d cr e s t o r e 是直流恢复模块，设计方 案参考资料 5 。根据设计原理，v 1 等于箝位电压v r 加上输入信号与输入信号 平均值的差。这样，c l a m p 电路就达到了去除原有的信号直流电压，又根据需 要另外恢复了一个直流电压的目的。 2 3 指标的确定 c l a m p 部分共有如下6 个指标： 1 c l a m p h o l dtime12ns 2 c l a m p l e v e ld r o o p p e rl i n ep e r i o d 6 m y 3 c l a m p l e v e l 0 1 0 2 3l s b 4 c l a m p l e v e lerror4l s b 7 电子科技大学硕士学位论文 5 c l a m p r e s o l u t i o n8b i t s ( 4 l s b s t e p ) 6 ，c l a m p o f f s e tl e v e l5 1 2l s b ( s y n c l o c k 2 0 ) 这六个指标是最初进行系统总体设计时所订，但后来发现有的指标已没有什 么意义。其中，指标1 最近的研究表明意义不大，已经不予考虑，只要不大于 2 u s 就可以。原因是取决于8 b i t d a 的建立时间，就目前设计看来，即使是电容 型的d a 建立时间也只有6 0 n s 。 指标2 存在一个最长的p e rl i n ep e r i o d 到底是多少的问题，因为要查阅有关 标准，目前我查阅相关的行业标准，最大的也不到7 0 u s ，约为6 4u s 因此和甲方 商议定为7 0 u s 指标3 ，5 用处不大，只是说明4 l s b s t e p 用。指标4 的具体值 要根据指标3 所对应的c l a m pr a n g e 2 5 6 得出。指标6 说明开机时需要的c l a m p l e v e l ，目的是让信号能在一开机时就被后面的数字信号处理部分检测出来。 还有一些具体的指标是在系统设计之初所没有考虑到的，在后来的设计过程 中逐步的发现并确定的下来的。 如：单变双运放的线性度要求。 这部分的设计是这样来定的，本来视频信号的信噪比达到一6 0 d b 就可以了， ( 需要说明一下，尽管信噪比s n r 和线性度不是一个概念，但是，当热噪声很 小时，线性度就变得非常重要。) 但是，作为处于几乎最前端的单变双运放，为 了给后面的v g a ，l p f ，及a d c 留出信噪比下降的空间，因此，将单变双运放 的非线性失真定为7 0 d b 。 最后的设计要求是： 1 箝位保持时间： 2 u s 2 箝位电平误差： 7 0 d b 电子科技大学硕士学位论文 第三章8 b i td a 的实现原理分析 3 1 为什么是8b i t 这个问题在2 2 节已经谈到，最基本的考虑是从c l a m p 电路本身实现的难易。 如果从系统角度，即使你将c l a m p 的精度做到1 0b i t ，从c l a m p 出来的信号又要 经过v g a 和l p f 两个环节，也就是说，v g al p f 的精度也必须做到1 0b i t ；而 且，v g a 和l p f 难免不发生输出电压的微小偏移。因此，不光c l a m p ，甚至v g a ， 使用与a d c 一样地1 0b i tc l a m p 是用纯模拟方式在技术上很难实现的。所以8b i t 只是位后面的数字精确箝位提供一个大致的范围。 3 2 现有d a 的实现方式及比较 几乎所有的d a 的方框图都如图3 1 。 v n f v o u l 图3 - 1d a 框图 输入是一个参考电压v 。f 和一个nb i t 地数字码。在理想状况下，d at t a0 9 压输出能被表示成 v 0 u i = ( b 1 2 。1 + b 2 2 。2 + + b n 2 “) v r e f 对于一个n b i t 的d a 转换器，分辨率( r e s o l u t i o n ) 是2 ”，而模拟输出所能提供 的电平数目也是2 ”个。指标l s b l e a s ts i g n i f i c a n tb i t 是一个相对指标。 1 l s b = v o u l 。g 。2 ” 在有的情况下，还有s t e p ( 步长) 指标；一般说 1 s t e p = k l s b1 步变化k 个l s b 在评价一个d a 好坏时，经常使用的指标有偏置误差，如图3 2 ( a ) 。 增益误差，如图3 2 ( b ) 。 差分非线性、积分非线性和单调性，如图3 2 ( c ) 。 电子科技大学硕士学位论文 ，、i 。 j ，。一 f d 5 口l 、 ， o n o l o g n o l o u q 7 新7 8 ，日一 ? 8 6 ，8 5 ，8 一 斗罔一 m 一 拥一 0 堡 图3 2 ( a ) 偏置误差 图3 - 2 ( b ) 增益误差 皇王塑垫查堂篓圭兰堕堡塞一一 叁一 ；鸺卧唑孵 ：，瀚麓净挚斑 囤3 2 ( e ) 差分菲线性( d n l ) 、积分非线性( 聪己) 和莘诫性 虽然一个独立的d a 设计需要满足上述的舔项指标，但如果是作为个系 统的组成部分，则要根据此d a 其体的粥途来最终确定到底采用哪些指标。在 本设计中，因为裔了上一章对c l a m p 指标的规定，这里d a 的指标楣应定为： 1 分辨率8 b i t 2 d n l i l s b 3 s e t t i n gt i m e c v 时= 2 ”c v o 。t _ v o u t = c 。v m f 2 n c 将c 砘1 2n 。1 c + b 2 2 n 。2 e + + b n 2 c 代入上式， 电子科技大学硕士学位论文 有v 。产( b 1 2 1 + b 2 2 。2 + + b n 2 “) v m f = v m f e b i 2 1 这就是电容型d a 的典型设计。 需要注意几点问题，f l 导通时，运放的“一”端要取得电荷数量为q 。但 因运放“一”端接的是差分时的g a t e ( 栅) 极，也就是说，按图4 3 所示，获 得q 电荷的唯一途径是从v “经f l 开关流入。即v 。端有电流出入，并且，随 总电容的增加，如b l b 。全为1 时电容最大达到c 1 0 t 。l = ( 2 n + 1 1 ) c ，是个不小的数 字，流过v 。t 的电流要求相当大才能满足高速的要求。并且如果b n b 。按其最 快速率( 最小周期变化) ，即如下图上的每一台阶周期t ，则f l 周期要根据r c 电路规则计算，并且r = r d 。， v 而c = c e q = q v o i f = 2 ”c + ( 1 + v 。f 厂v 。曲c ， 同时要满足t = r c ! t ，这就是这种电路 的不足之处，即速度不可能很快。并且电 容比随着n 的增大变得不可接受。所以出现了在上述两方面改进的改型。如下 图。 4 2 2 改良设计 此电路为8b i t d a ，分成两极输出是为了减少最小电容与最大电容的比例。 在两极系统中，电容比仅为2 4 = 1 6 。而用原来的方案达到了2 8 ：1 = 2 5 6 ：1 ；在 面积占用上，现方案使用电容总面积c f 0 i 。l = 6 3 c ，而原方案为c 。l = 5 1 1 c ，差异 非常大。 电子科技大学硬士学位论文 蓬一5 缴连设计黪电枣囊d a 在速度上，两级系统等效于两个4 位的系统并行响成，实际的响应时间应该 楚魄1 个4 位系统的镌液对闻稍徽长一点。雨原方案的璃应时闻至少数捂于瑷方 燕，因为t = r c ，c 捐蓑约8 德， 也废该相差约8 倍。 4 2 。3 薅冀绩票 莲4 瓣试蕾 这种测试是让对钟从蠼低位开始到最离为按二进割延长对铀周期，目的是让 输出得到究整的阶梯波。以方便测试。 1 7 畦予摹季按大举稍士学缱谧文 在这纛，浚壤慧爨定荛1 2 2 - 2 ，2 2 v , 4 l s b s t e p = 3 9 m v ，受鼗麓印f 一在表 4 - - 1 中，t t , f f , s s 代袭王芑模型，t 必t y p e ( 典型) 模型，f 为f a s t ( 。嫩) 模型，s 先 s l o w ( 授) 模型。 模型濑度( 摄氏度)融源( v )d n l ( m v ) 蘸2 73 。2 霹毒7 2 霞，4 03 4 64 3 8 7 f r1 2 53 ，4 65 + 1 4 5 l 8 s2 。8 44 ，3 4 i 。 s s1 2 52 8 44 5 4 5 l f n s p 一4 03 ，4 64 3 4 2 j 。r a s p t 2 52 ，8 4。8 7 6 j s r l f p 4 03 4 64 9 9 1 s n f p 1 2 52 8 44 、3 7 t 弼瑷羲密，最大静镰麓为稻1 4 5 3 9 ) 3 9 * 1 0 0 = 3 t 9 2 躲0 3 1 9 2 l s b 鞠为建立时葡豹精确溺量燕一颈粮费时的攀，简对我们本次设诗来说，对建 立辩瓣豹要求怒缀爨攒熬，毽戴只鬻要测鼙典型状态下黪僚一定蠼分橱肆辩。 t t 狡态下的s e t t i n g t i m e = 5 4 6 8 1 2 n s s l o wr a t e = lv s e t t i n gt i m e = l8 2 8 7 8 m v n s 电子科技大学硕士学位论文 第五章r 2 r 型d a 5 1 特点介绍 此种d a 非常著名，原因是其使用的电阻不但比例单一( 2 r 可用两个r 串 联) ；而且使用的数量非常少( 8b i t 设计仅1 7 个电阻) 。 这带来很多好处，比如，因为c m o s 工艺电阻的绝对值是很难造得准确的， 以我们所用的u m c o 1 8g m 工艺为例，其有的电阻型号如下： m i n t y p m a x u n i t n + s h e e tr e s i s t a n c ef w = 0 2 4 9 m )2815 o h m s q 可见，其阻值绝对值偏差相当大，最多差4 倍，但是其比值可做得相当精确。 为了说明的方便，先将实际的d a 电路图给出，再作具体分析。 图5 - 1r 2 r 型d a 实际电路图 b 电子科技大学硕士学位论文 图中，v r e f 是参考电压，b 0 b 7 是输入的8 一b i t 控制码，v c m 是某一设定电 压，v g 是恒为高电平的，其引入的开关作用是与b 0 所在的支路电阻对称。 5 2 原理分析 以下绘出一个完整的8b i tr - 2 r 型d a 的分析及设计过程。 接时，该点的参量，最后将这同一点的计算结果相加就得所有电压源同时作用时 的该点参量表达式。 独立v c m ，其余电压源接地： 网络的等效电路图如下。 2 0 电子科技大学硕士学位论文 忱m 图5 - 3 v c m 等效电路图 从g 往h 方向看的等效电阻是2 r 2 r + r = 2 r 。同理推得从b c 也是2 r a b 也是2 r 。 所以v a = v c m ，因为理想运放“+ ”虚短。 v b = r 2 r + v c m = v c m 2( 5 - 1 ) 独立b 7 ，其余电压源短接地： 等效电路图 不难看出，既然a 点电压为0 ，v b v h 全为0 ，所 日 以b ，对系统无贡献。 c 独立b 6 ，其余电压源对地短接 等效电路图 图5 - 4b 7 等效电路图 从b 往右看等效成2 r 到地 2 rb 图5 - 6b 6 简化电路图 图5 - 5b 6 等效电路图 简化电路图如下： r 2 r v b 2 b 6 + 2 r + ( r 2 r ) 2 i v 3 2 b 6 4 2 r + 2 r 3 = b 6 4( 5 - 2 ) 电子科技大学硕士学位论文 独立b 5 ，其余电压源对地短接 r a 图5 7b 5 等效电路图 从c 往右看等效成2 r 接地的电阻，简化电路图如下 黼 r 薛 2 r r 毒叼良 j 目喀5 进一步求得b 点电压 v b = c 图5 - 8b 5 简化电路图 + v c = 2 5 + 5 1 6 + b 5 = i 8b 5 ( 5 3 ) 2 嘭r + r 按相同的方法可求得 独立b 4 ，其余源接地时，有v b = 1 1 6b 4( 5 - 4 ) 独立b 3 ，其余源接地时，有v b = 1 3 2b 3( 5 - 5 ) 独立b 2 ，其余源接地时，有v b = 1 6 4b 2( 5 6 ) 独立b l ，其余源接地时，有v b = 1 1 2 8b l( 5 - 7 ) 独立b o ，其余源接地时，有v b = 1 2 5 6b o( 5 - 8 ) 根据独立作用原理，当所有源同时作用于系统时，等于所求点电压地所有独 立源作用求得电压之和。即 v c r ab 6b 5 b o 。一+一+“+一(5-9)242 5 68 1，菩一itl：1 = 像 h，悫、|f，!+l 。哟礤 。掣唼)、，去 。姒鬟 ，m蕊嚣+专 。蝴鹱 ：制垦善1土v 。蝴臻 o匹、亨，占 r w赣。 ct銎；、硌。善蜒嘻 bl+量)、上 一 ，专 电子科技大学硕士学位论文 设b a 电流为j 2 ，方向从b a ； 设b 7 a 电流为i l ，方向从b 7 卜a ； 设a 卜v 。t 电流为i ，方向从a v o u f ； 有i 2 = ( v b v b ) r = r 。1 ( b 6 + 2 2 + b s 4 2 。3 + + b o 丰2 一一v c m 2 ) ( 5 1 0 ) i l = ( b 7 - - v c m ) 2 r = r 一1 ( b 7 + 2 一v c m 2 ) i = i 1 + i 2 = r 1 ( b 7 + 2 1 + b 6 + 2 2 + b 5 + 2 3 + + b o + 2 一一v c m ) ( 5 11 ) v o u t = v c m - - i r = 2 v c m - - ( b 7 + 2 。1 + b 6 + 2 2 + + b 0 4 2 。8 ) ( 5 - 1 2 ) 这就是输出的表达式。从表达式可看出，由图5 1 中b o b l8 位控制码可 实现8b i t d a 输出。如果取全1 ，图5 - - 2 中的b i = v r e f 输出范围为： 2 v c m - v r e f ( 2 1 + 2 4 - + 2 8 ) ，2 v c m 】 从这个输出范围可以看出，输出范围的界定仅与v c m 和参考电压v r e f 有关。 5 3 r 误差分析 从v 。t 的表达式，可以认为在r ：2 r 保持准确的1 ：2 的条件下，可以认为v 。 与r 的具体值大小无关。 而c m o s 工艺的特点是：r 的具体值很难做得准确，即使土1 0 这样的水平 都很难达到，最大可相差4 倍。但是，比值可以做得相当准确，精度可达o 1 。 而根据推导，如果d a 的d n l ( d i f f e r e n t i a lc a l c u l u sn o n l i n e a r i t y ) 要达到小 于1l s b 的要求，必须要比值失配_ _ 8 0 d b ) 是 件很困难的事。只有采取一些措施来提高线性度，如采用c m o s 开关，并且将p 管和n 管的宽长比之比调整到一个恰当的值，以使馈通降到最小。调整w ，l 的值大小以使。减小。如果这样线性度都还不够，考虑采用倍压电路以提高开 关管的线性区域。 因为线性区的大信号模型公式为 i d m n c o x ( w i ) ( v o s v t 。) v d s( 5 - 1 3 ) 即r = v d s f l d = m 。c 。( w n ) v 。厅 。( v 。i f = v g s v t 。)( 5 - 1 4 ) 而对于待充电的电容值已定，充电时间有要求的系统就要由z = r c 6 0 0 ： 3 、增益足够大， 5 0 0 0 或 7 4 d b ； 4 、输出带容性负载能力强，一般要求容性负载为2 p f 。 那么，首先要考虑用几级的运放。用单级运放又面临许多选择： c o m m o n s o u r c e ( 共源) ，c o m m o n g a t e ( 共栅) ，c o m m o n d r a i n ( 共漏) ，c a s c o d e ( 共源共栅) ；而共源共栅中又分为t e l e s c o p i c c a s c o d e ( 望远镜式共源共栅) 和 f o l d e d 。c a s c o d e ( 折叠式共源共栅) 。 而如果使用两级运放，则是这些单级运放的排列组合，共计有c 2 5 = ( 5 4 ) 2 = 1 0 种。如何从中选出恰当的结构来完成设计，是一个很重要的事情。因 为每种单级运放都有其自己的特点，根据其负载的不同，对其特性有强烈的影响。 现在将目前使用最多的两种单级运放( t e l e s c o p i c ；f o l d e d c a s c o d e ) 与两极运放列 表作一对比。 g a i n o u t p u ts w i n gs p e e d p o w e r d i s s i p a t i o n n o i s e ( 增益)( 输出摆幅)( 速度)( 功耗)( 噪声) t e l e s c o p i c - - 中等中等高低低 c a s c o d e f o l d e d c a s c o d e中等中等高中等中等 t w o s t a g e 世r 很高低中等低月 由此可见，要满足高增益的