（电工理论与新技术专业论文）模数转换器可编程功能的设计实现.pdf

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t o - d i g i t a lc o n v e r t e r a c c o r d i n gt ot h e s e r i o u sa n a l y s i so ft h ea d c se x p e c t e df u n c t i o n s ，t h i sp a p e r w o r k e do u tt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dc o n t r o l l e d c i r c u i ti na d c ， a t t a i n e dt h ea i mo fi n p u t t i n gt h ec o n t r o l l i n gs i g n a l so u t s i d et h ec h i p ，c o n t r o l l i n g t h ec o r r e s p o n d i n gf u n c t i o n so ft h ea n a l o gc i r c u i t si n s i d et h ec h i pt oo p t i m i z et h e p e r f o r m a n c eo ft h ec h i p t h r o u g ht h es t u d y o ft h i ss u b j e c t ，ih a v eg o tad e e p u n d e r s t a n d i n go ft h es e r i a l c o m m u n i c a t i o nm o d e l ，d i g i t a ll o g i cc i r c u i ta n dt h e s t i m u l a n t c o n t r o l l i n g m o d e l s w o r k i n gp r i n c i p l e ，d e s i g n ，s i m u l a t i o n a n d v e r i f i c a t i o n t h ep r o g r a m m a b l ec o n t r o lp l a y sak e yr o l ei ne n h a n c i n gt h eo v e r a l l p e r f o r m a n c eo ft h ec h i p ，a tp r e s e n t ，t h ef o r e i g nh i g h - s p e e dd i g i t a l a n a l o g a n a l o g d i g i t a l c o n v e r s i o nc h i p s a r ea l l i n t e g r a t e d w i t he x c e l l e n tp e r f o r m a n c e p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ，w h i c hi m p r o v e dt h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h ec h i p ， t h e r e f o r e ，i ti st h ef u t u r ed e v e l o p m e n tt r e n do fa d c t h em a i nw o r k sa n da c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ：( 1 ) d e s i g n e da d c ss p i i n t e r f a c ea n dd i g i t a ll o g i cc i r c u i t m a d eas y n t h e s i sa n ds i m u l a t i o n f o rt h es p i i n t e r f a c ea n dd i g i t a ll o g i cc i r c u i t ：( 2 ) d e s i g n e dv o l t a g e r e f e r e n c ec i r c u i t ， r e f e r e n c ev o l t a g eb u f f e rc i r c u i t ，c l o c kc i r c u i ta n dt h eb i a sn e t w o r kc i r c u i t s i i ( 3 ) a c h i e v e dt h ew h o l ep r o c e s st h a ti n p u t t i n g p u t t i n gd a t a i n t ot h e r e g is t e r g e n e r a t i n g t h e a n d r e a l i z i n g t h e e x p e c t f u n c t i o no ft h e k e y w o r d s ：s p i ；p r o g r a m m a b l ec o n t r o l ；a d c i i i 致谢 本文是在尹勇生副教授的悉心指导下完成的。尹老师认真严谨的工作作风和 敬业奉献的崇高品德深深的影响了我，是我永远学习的榜样。尹老师不仅在项目 实践、论文选题、审核修改等方面给予我精心指导和无私帮助，在思想、生活方 面也给予了我无微不至的关怀。衷心感谢尹老师的培养、教诲和支持! 感谢高明伦教授，您是我们精神的支柱，学习的楷模。您的高尚人格魅力深 深的吸引着我们，为我们指明了前进的方向。 感谢邓红辉老师在论文上的悉心指导及诚恳意见，在生活以及学习上的无私 帮助。感谢微电子所的张多利老师、宋宇鲲老师、杜高明老师、倪伟老师、王晓 蕾老师在课程中的细心指导。感谢林微老师、贾靖华老师、范阿姨、木子一、胡 健在实验室日常事务中的辛勤劳动与关怀。 感谢数模混合项目组梁上泉、张睿博士在学习上的细心指导、工作上的热情 帮助和生活上的无微照顾，认识你们是我的幸运。感谢0 7 级杨骏、崔磊、苏 琴、关浩伟、颜哲、邓亮、张郭敏等师兄师姐的支持和帮助。感谢0 8 级数模混 合项目组的胡俊、黄鹏、裴斐，有了你们，生活才如此精彩! 感谢0 8 级数字项 目组的陈春华、张静、刘灼、李劲松、王传杰、金鑫、赵友生的同窗情谊。感谢 0 9 级段冲、王晔、王亮、杨军师弟在项目进行期间所做的贡献。感谢1 0 级管仙 忠等师弟在论文写作期间给予的帮助。感谢微电子设计研究所所有同仁陪我度过 难忘的的两年半的美好时光。 感谢我的父母，没有你们的支持，我不可能继续深造，进入奇妙的i c 设计 行业，实现我的梦想。感谢你们在我不如意的时候给我安慰和鼓励，在我取得成 绩的时候与我分享快乐和喜悦。对你们的倾情付出和深切爱意我无以为报，仅将 此文献给你们，感谢你们为我所付出的一切! 感谢所有亲人、朋友的关爱与鼓励。 感谢在百忙之中抽出时间评审论文和出席答辩的各位专家学者，感谢你们为 审阅和评议本文所付出的辛勤劳动。 感谢文中所引用文章的作者。 i v 作者：杨淑明 2 0 11 年4 月 目录 第一章绪论1 1 1 课题来源及研究的目的和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 论文的主要工作和结构安排3 第二章模数转换器可编程控制架构4 2 1 模数转换器的基本原理和各类模数转换器的结构4 2 1 1 模数转换器的基本原理4 2 1 2 各种类型模数转换器的结构4 2 2 可编程控制的流水线型a d c 的整体架构9 2 2 1 流水线型a d c 各组成模块9 2 2 2 流水线型a d c 的控制功能l l 2 2 3 可编程控制功能的实现1 2 2 2 4 流水线型a d c 的结构框图1 3 2 3 本章小结1 4 第三章s p i 接口的设计1 5 3 1 数据通信接口15 3 1 1 串行通信1 5 3 1 2s p i 接口简介1 6 3 2s p i 接口的设计与综合1 7 3 2 1 设计方法、目标及流程1 7 3 2 2s p i 接口外特性1 9 3 2 3s p i 接口的r t l 级设计2 1 3 2 4s p i 接口的逻辑综合2 5 3 3s p i 接口的仿真与验证3 0 3 3 1s p i 接口的r t l 级仿真及结果3 0 3 4 本章小结3 3 第四章模数转换器各电路模块可编程控制功能的实现3 4 4 1 基准电压源电路3 4 4 1 1 主体结构及功能3 4 4 1 2 主要控制信号及逻辑产生电路3 6 4 1 3 功能的实现3 7 4 2 参考电压缓冲电路4 0 4 2 1 主体结构及功能4 0 4 2 2 主要控制信号及逻辑产生电路4 1 v 4 2 3 功能的实现4 l 4 3 时钟稳定电路4 3 4 3 1 主体结构及功能4 4 4 3 2 主要控制信号及逻辑产生电路4 4 4 3 3 功能的实现4 4 4 4 偏置网络电路4 8 4 4 1 主要控制信号及逻辑产生电路4 8 4 4 2 功能的实现4 9 4 5 本章小结5 0 第五章总结与展望5 l 5 1 论文成果总结5 l 5 2 进一步工作展望5 l 参考文献。5 2 攻读硕士学位期间发表的论文。5 5 v i 插图清单 图1 1 数模混合集成电路结构框图2 图2 1a d 转换过程：4 图2 2 信号采样后的混叠示意图4 图2 3 全并行结构模数转换器5 图2 4 两步式模数转换器6 图2 5 内插式模数转换器7 图2 6 折叠式模数转换器7 图2 7 折叠内插式模数转换器8 图2 8 流水线型模数转换器基本架构图8 图2 9 采样保持电路9 图2 1 0 两相非交叠时钟1 0 图2 1 1 数字校正电路1 0 图2 1 2 时钟发生器电路图1 1 图2 1 3 核心电压基准源电路图1 1 图2 1 4 参考电压缓冲电路图1 1 图2 1 5a d c 简要结构框图1 3 图3 1 异步串行数据发送格式1 6 图3 2 同步串行数据发送格式k 1 6 图3 3 典型s p i 模块1 6 图3 4 自顶向下的设计流程1 8 图3 5 主从s p i 之间连接架构1 8 图3 6 数据格式1 9 图3 7 指令周期2 0 图3 8s p i 接口系统示意图“2 l 图3 9s p i 接口的功能模块2 1 图3 1 0 逻辑综合步骤2 5 图3 1 1 整体电路图3 0 图3 1 2 波形仿真图( 一) 3 2 图3 1 3 波形仿真图( 二) 一3 2 图4 1 带隙基准源的原理3 4 图4 2 模式三连接方式3 5 图4 3 模式四连接方式3 5 图4 4 基准电压源主体结构3 6 图4 5 基准电压源控制逻辑产生电路3 6 图4 6b g r 核心电路3 7 v i i p 。 图4 8 主运放电路第一级与第四级3 8 图4 9c 7 3 0 产生电路3 8 图4 1 0c o m p 2 电路与反相器3 9 图4 1 1s e n s e 外接电阻r a 与r b 3 9 图4 1 2 参考电压缓冲电路4 0 图4 1 3 逻辑产生电路4 1 图4 1 4 参考电压缓冲电路的偏置电路4 2 图4 1 5 参考电压缓冲电路的运算放大器4 2 图4 1 6 参考电压缓冲电路的反馈回路电路4 3 图4 1 7 参考电压缓冲电路待机工作模式4 3 图4 1 8 时钟电路主体结构4 4 图4 1 9 时钟电路逻辑产生电路4 4 图4 2 0 时钟电路的偏置电路4 5 图4 2 1 时钟输入电路4 6 图4 2 2g 1 1 3 产生电路j 4 7 图4 2 3 控制电路4 7 图4 2 4 理想偏置4 8 图4 2 5 逻辑产生电路4 8 图4 2 6 偏置电路( 一) 4 9 图4 2 7 偏置电路( 二) 4 9 图4 2 8 偏置电路( 三) 5 0 表格清单 表2 1s p i 控制寄存器地址及功能简表1 3 表2 2 主要引脚名称及功能1 4 表3 1 典型s p i 接口引脚1 7 表3 2w 1 、w 0 的设置和操作一2 0 表3 。3 寄存器表o 2 2 表3 4 编程寄存器列表2 4 表3 5 综合环境属性脚本设置一2 6 表3 6 时钟约束条件设置脚本2 7 表3 7 设计规则约束脚本2 8 表3 8 综合后的面积分析报告一2 8 表3 - 9 综合后的时序分析报告2 9 表3 1 0 控制信号输出值3 2 表4 1s e n s e 的四种连接方式3 5 表4 2c 7 6 0 和c 7 6 2 的真值表3 7 表4 3v r e f 仿真结果4 0 表4 4 不同工作模式下的控制信号取值4 2 表4 5 四种状态的控制信号取值4 5 i x 第一章绪论 1 1 课题来源及研究的目的和意义 本论文的研究内容来源于合肥工业大学微电子设计研究所所承接的国家某部 委预研项目( 0 a 0 8 0 2 0 5 0 7 j w 2 5 0 1 ) 。 当前，集成电路的发展日新月异，数字信号处理算法的功能日趋强大，许多 类型的信号处理已经转移到数字领域，数字电路的作用日益重要的同时也受到越 来越多的关注。集成电路产能扩张和技术进步的主要动力是数字电路。在s o c 出 现的早期，甚至还有人认为数字电路可能会最终取代模拟电路；然而实践表明， 在很多复杂的高性能系统中，越来越多的数字应用反而需要更多的高性能模拟电 路或数模混合电路的支持。从应用的角度来看，任何电子产品的最终使用者都是 人，能作为人与设备的界面并让人与设备实现互动的都是模拟电路，因此，数字 电路的发展会带动模拟电路应用的增长。 现在，在无线通信、航空航天、汽车制造等各大生产领域，高性能模拟和数 模混合电路都有巨大的应用需求。根据市场研究机构d a t a b c a n s 的报告，2 0 1 0 年 第四季全球模拟半导体市场营收规模达到约1 0 3 亿美元，全年超过4 0 0 亿美元 【l 】。此外，据美国半导体工业协会( s e m i c o n d u c t o ri n d u s t r ya s s o c i a t i o n ，s i a ) 预 测，模拟和数模混合电路在未来5 到1 0 年间中将继续保持2 0 左右的年均复合 增长率【2 】。为什么市场对数模混合电路有如此巨大的市场需求呢? 由于技术的发 展和市场的需要，人们需要在集成电路在更小的面积上实现更多的功能。数模混 合电路满足了人们的这种需求。它在单一芯片上集成了一个系统，使模拟电路能 够应用数字技术，实现更为强大的功能：高速、高精度、低电源电压和低功耗。 自然界中产生的信号，几乎都是以模拟或者连续的形式存在的，例如：声 音、图像、温度等信号。因此，在数字电路进行信号处理之前，必须将模拟信号 转换为数字信号，即模数转换器( a n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e r ，a d c ) 。当输出 量需为模拟形式时，必须用数模转换器( d i g i t a l t o a n a l o gc o n v e r t e r ，d a c ) 将 数字信号转换为模拟信号输出。 高性能模数转换器一直是国内外该领域研究的热点，近些年来，由于通信技 术和手持式消费电子产品的快速发展，市场对于高性能低功耗的a d c 需求不断 增加，对a d c 的性能也提出了更高的要求。除了要求a d c 能够提供更大的带 宽、更高的处理精度、更快的处理速度之外，还要求a d c 具有可配置性和超低 功耗。 可配置a d c 芯片通过接口电路，可以对接收到的片外信号做出反应，使片 内电路产生动作，实现所需要的功能。可配置功能的实现，使得a d c 摆脱了单 一的功能，可以更好的根据应用的环境，调整片内电路，使其适用于更广阔的环 境。例如在可配置的a d c 中，模数转换后的输出可以增加码制转换的选择，片 内数字电路提供了多种码制转换。此项转换工作可由片外主机通过芯片的接口传 送控制指令到片内的逻辑控制器，产生相应的控制信号使对应的数字码制转换电 路工作。这样，模数转换之后先经过多种可选择的码制译码再由芯片输出，只要 实际码制转换需求在可选择的范围内，就无需在片外额外增加码制转换芯片，从 而节省p c b 板的空间，提高系统的可靠性。同样，可配置a d c 在低功耗方面也 有其独特的应用前景。a d c 芯片中各个部分都由控制信号控制其工作与否。在片 外信号的控制下，可以根据系统需要选择关断片内某些模块，以节约能耗。这种 a d c 在由电池供电的手持式设备中有着独特而巨大的应用前景。 图1 一l 展示了一个功能相对完整的模数混合集成电路，实现了数字电路、模 拟电路、射频电路和网络连接模块的单片集成，带来了尺寸、成本、可靠性和可 制造性等方面的优势。 图1 1 数模混合集成电路结构框图 本文的主要目的是设计能够应用于1 4 位流水线a d c 中的串行接口电路、片 内控制逻辑电路以及a d c 内部各受控电路。在认真分析a d c 芯片需要实现的各 种功能的基础上，设计a d c 中的串行通信接口模块以及控制逻辑模块，通过片 外输入控制信号，从而控制片内相应的电路模块的工作状态，扩展芯片的功能并 优化芯片的性能。 片内控制逻辑电路对整个芯片起到统领全局的作用，它控制着芯片内部各个 模块的工作状态，对整体芯片的性能起到至关重要的作用。目前国外高速 d a c 、a d c 芯片中大都集成了性能优良的控制器。 接口电路与片内控制逻辑电路结合，可以进行片外编程控制，提高芯片的应 用范围，增加其使用价值。可编程控制是目前数据转换芯片发展的一个方向，对 此进行深入研究具有很重要的作用和价值。 1 2 国内外研究现状 a d c 是目前混合系统设计中的热门领域，国外各大芯片设计公司以及科研院 所都投入大量资源对其开展研究。目前国外先进水平高速、高位的a d c 转换器 2 均达到了1 4 位以上【3 1 。在可配置性方面，各大 a d 7 7 0 5 、a d 7 7 1 4 、a d 7 7 3 0 t 4 1 ，t i 公司的 t l v l 5 0 4 、t l c 2 5 4 3 、t l v 2 5 4 3 t 5 】等，均加入了可编程控制器，使a d c 芯片的 可扩展性和多功能性得到了充分的发挥。相对国外高端a d c 芯片的项尖设计水 平，国内a d c 设计还比较落后。特别是在可配置性和可扩展性方面，国内大部 分的a d c 设计中不包含可编程控制器。即使有数字模块，一般也是用来进行数 字校准或调整单个模块的结果，限制了a d c 性能的进一步发挥【o 儿。 综合国内外实际情况，为了使芯片具有可配置性，实现更高的性能和更宽广 的应用范围，有必要对模数转换器中的可编程控制功能的实现进行深入研究。 1 3 论文的主要工作和结构安排 在完成所有工作的基础上，整理设计思路和归纳实践总结，完成本论文的撰 写工作。本论文的主要工作和本文的主要内容安排如下： 第一章：绪论。在关注国内外各大芯片设计公司在片内数字控制器研究进展 的基础上，着重指出了片内数字控制器在a d c 芯片内应用的优点，也即本论文 选题的目的和意义，并介绍了本论文的主要工作和内容安排。 第二章：模数转换器可编程控制架构。主要介绍了模数转换器的原理、分类 和本文所研究的1 4 位a d c 芯片的整体框架结构，以及可编程控制器在整个 a d c 芯片中所处的位置及作用。 第三章：s p i 接口的设计。在分析可编程控制器功能及作用的基础上。提出 了如何实现可编程控制功能，即通过串行外围设备接口( s p i ) 进行数据通信， 向芯片内寄存器写入数据，使相应的控制信号线输出合适的数值，以控制芯片内 部其他模块功能的改变。3 1 节简要介绍了串行通信的概念以及s p i 接1 2 1 。3 2 节 介绍了s p i 接口的设计与逻辑综合，采用了c h a r t e d0 1 8 u r n 单元库以及c a d e n c e 和s y n o p s y s 公司先进的e d a 工具。3 3 节介绍了s p i 接1 ：3 的仿真与验证工作， 主要包括r t l 级仿真、门级仿真、静态时序分析等。 第四章：模数转换器各电路模块可编程控制功能的实现。可编程控制器由外 部电路通过s p i 串口输入指令，经过逻辑电路产生逻辑信号送给a d c 片内其他 电路模块。本章主要对基准电压源电路、参考电压缓冲电路、时钟稳定电路、偏 置网络电路的控制电路设计进行了详细阐述。 第五章：总结与展望。对模数转换器中可编程控制功能的实现进行了总结， 指出了可编程控制功能对提高模数转换器的性能和应用范围所产生的重大意义， 同时对模数转换器中数字和模拟部分电路的设计进行了总结，展望了进一步的研 究工作。 3 第二章模数转换器可编程控制架构 在对模数转换器的基本结构以及功能有所了解的基础上，才能较好地实现对 模数转换器各模块的控制。本章内容介绍模数转换器的基本原理及结构。 2 1 模数转换器的基本原理和各类模数转换器的结构 2 1 1 模数转换器的基本原理 模数转换器的功能就是把一个连续的模拟信号转换成相对应的一系列离散的 数字序列。输入信号为模拟信号，一般经过采样保持电路，通过比较及数字编码 后得到n 位数字输出信号，如图2 1 所示。 图2 1a d 转换过程 采样时必须满足n y q u i s t 采样定律：采样频率必须大于信号最大频率的2 倍 【8 1 ，才能使采样得到的信号不发生混叠( 图2 2 所示) 。转换后的数字编码才能够 最大可能地还原成原始模拟信号。 图2 - 2 信号采样后的混叠示意图 当模拟输入信号被转化成数字输出信号时，即模拟信号被量化成有限位数 的离散二进制序列，其中的最小权重输出位为最低有效位( l s b ) 。 2 1 2 各种类型模数转换器的结构 在模数转换器的发展过程中，出现了许多体系结构。不同的结构面向的需求 不同，有的面向于高精度，有的面向于高速度，有的则侧重于低功耗，有的则以 较低的硬件消耗为目标。大体可分为奈奎斯特型和过采样模数型。奈奎斯特型的 一个主要特征是：每个被采样的模拟信号都被转换为与之相对应的一个数字信 4 样型是通过提高过采样比( 采样速率与转 换速率的比值) 来达到高动态范围。过采样型通常与一a 噪声整形技术一起应 用，即一模数转换器。它广泛应用于高精度量化。在目前所有的模数转换器 中，过采样型a d c 是精度最高的，但它的转换速率较低( 一般小于1 0 m s s ) ， 以换取较高的动态范围。这种转换器主要应用于音频、图像处理等低速、高动态 范围的领域。目前，大多数的模数转换器都属于奈奎斯特型。 在高速应用中，全并行【9 】【1 0 】【1 1 】( f l a s h ) ，两步式( t w os t e p ) ，内插式 ( i n t e r p o l a t i n g ) ，折叠式( f o l d i n g ) ，流水线式( p i p e l i n e ) 等模数转换器都是可 能的选择。这一类模数转换器的数据吞吐量高，一次直接输出整个数字码，通常 具有速度快的优点，但是精度不高( 除流水线式外般为6 位1 2 位) ，而且消耗 的功耗大( 从数十毫瓦到几百毫瓦不等) ，占用的芯片面积也很大。下面简要介 绍下它们的结构。 2 1 2 1 全并行结构模数转换器 全并行模数转换器是所有已知的模数转换器中速度最快的一种，采用双极型 ( b i p o l a r ) 工艺的6 位全并行模数转换器的采样频率可以达到2 g h z 以上【l 2 。全 并行模数转换器的工作原理简单，非常适合一些比较低分辨率的场合。如图2 3 所示，模拟输入电压直接与各参考电压作比较，再把比较器的输出经过前置编码 器判断输入电压是处于哪两个参考电压之间，最后输出经数字编码器编码后输 出，它可以编码为二进制码或g r a y 码输出。 图2 3 全并行结构模数转换器 全并行模数转换器的优点是只需单相时钟，结构设计简单，高频性能比较 5 好，而且数字输出与模拟输入之间的间隙时间很短，因此可以不需要采样保持电 路。它的缺点是所需的比较器数目与分辨率成指数关系，因此它消耗的功耗、占 有的芯片面积和输入电容也与分辨率成指数关系。另一个缺点是当要制作一个高 分辨率的转换器时，它所需要的比较器数目会很大，而且是以2 的指数增长 ( 2 ) 。当n 8 时，整个电路的比较器数目将大于2 5 6 个，面积与功耗消耗都 会非常大，因此全并行模数转换器的位数通常不会超过8 位。 2 1 2 2 两步式模数转换器 两步式结构的模数转换器如图2 4 所示，它包括一个采样保持放大器 ( s h a ) ，两个全并行模数转换器，一个d a c 和一个减法器。两步式模数转换器 是将所要转换的模拟信号分成两个步骤完成。模拟输入先经由一个4 位的m s b a d 转换器求出其高四位值，之后将这四个高位值用四位d a 转换器还原，再把 原来的模拟输入电压减去d a 转换器值，剩余电压值再通过4 位的l s ba d 转 换器即可得到低四位值。 图2 4 两步式模数转换器 由图2 4 可知，只需要使用两个4 位的a d 转换器就能达到8 位的转换要 求，所以整个转换器所需要的比较器数目由全并行转换器2 8 = 2 5 6 个降为 2 2 4 = 3 2 个，降低到原来的四分之一，芯片面积及功耗也因此下降，但是速度仅 为全并行模数转换器的一半。 2 1 2 3 折叠内插式模数转换器 内插式模数转换器是利用前置放大器在其临界电压附近的线性特性，通过电 阻、电流镜或者电容在两相邻前置放大器的输出间内插出更多成线性比例的参考 电压，可以减低所使用前置放大器的数目，进而减低输入电容，其结构如图2 5 所示。 内插技术可以有效降低转换器的输入电容，还可以降低差分非线性误差 ( d n l ) ，它是由前置放大器的漂移而引入的。 内插技术虽然降低了前置放大器的数目，但所需的比较器数目与全并行结构 6 厂 积与功耗。如要降低所需的比较器数目，可以 采用折叠技术，其原理如图2 6 所示。采用折叠结构的模数转换器与两步式模数 转换器相似，也是分成高位( m s b ) 和低位( l s b ) 两级处理。不同的是，两步 式模数转换器是将高位比较完之后才进行低位的比较，而折叠式则是高位和低位 的比较同时进行。在折叠结构中，模数转换器中没有了d a c 和减法器，而有一 个模拟信号预处理单元，即“折叠电路”。该电路的输入输出特性曲线是三角 波。它的输出可以由一个全并行转换器得到低位码( l s b ) ，同时由另一个全并行 a d c 由输入信号得到高位码( m s b ) 。折叠结构的优点包括：1 、速度较快，只 需一个时钟周期就可以完成数据转换；2 、不需要采保电路，所占用的芯片面积 和消耗的功耗较小。但折叠电路对输入频率有倍频效应，限制了输入信号频率的 进一步提高以及不能采用更大的折叠系数来降低比较器的数目。因此它的高频性 能较差。另一个缺点是输入电容较大。 l r 4 p ，玉一 坦函盛一 叫鼍一 匹函b 一 匹医卧一 伍酗 m 0 p 曲一 暑 l 喜 叫p ii l：l ： 0 ：；： 蓁 匹弘- _ _蜂f ；陟) i _ 丛曲卜_ 搬2 l 1 1 垡蛐卜 匹蠢一 图2 5 内插式模数转换器 图2 - 6 折叠式模数转换器 折叠内插模数转换器【1 3 1 1 1 4 】【1 5 1 结合采用折叠和内插技术，如图2 7 所示。折 叠式结构保持了了两步式a d c 的优点，而且在较大程度上克服了两步式a d c 的 缺点，减小了转换周期且提高了转换速度。内插技术降低了微分非线性误差，克 服了输入电容大的缺点。所以折叠内插结构是中等分辨率、高速模数转换器设计 的一个重要选择。 7 图2 ，7 折叠内插式模数转换器 2 1 2 4 流水线型模数转换器 流水线型模数转换器能够在精度和速度上达到良好的折中，这是由它的结构 特征决定的【1 6 】【17 1 。流水线型模数转换器是由两步式模数转换器演变而来的。它 们不同点在于流水线型模数转换器的每一级都具有采保功能。这个特点可以支持 流水转换操作，保证转换速度。另外，流水线型模数转换器从理论上讲只要不断 地增加级数就能够支持无限精度的转换。通用的流水线型模数转换器架构如图2 8 所示。 模拟信号进入流水线型模数转换器后，先进入采样保持电路，采样后依次经 过若干流水级后得到一系列数字量，再经过延迟对准电路和数字校正电路后输 出。每一级的流水结构包括采样保持电路、子a d c 、子d a c 、减法电路和残差 放大器。 流水线型模数转换器的每级结构基本相同。输入信号经过采样后同时分别送 到m d a c 1 8 1 1