（电路与系统专业论文）基于018μmcmos工艺pipelined+adc的研究与设计.pdf

y 2 12 2 3 9 1 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a d cw h i c hc o n v e r t st h ea n a l o gs i g n a l st od i g i t a ls i g n a l si sa ni n t e r f a c eb e t w e e n a n a l o ga n dd i g i t a lw o r l d s n e a r l ya l lt h es i g n a l si nt h en a t u r ea r ec o n t i n u o u s ，w h i l et h e s i g n a l sw h i c ha r ee a s yt op r o c e s s ，a n a l y s e sa n dt r a n s m i ta r ed i s c r e t e t h u sa d c sa r e n e e d e dt oc o n v e r tt h e s es i g n a l st od i g i t a lo n e s t h e r e f o r e ，a d cd e s i g na r et h em o r ea n d m o r ei m p o r t a n ti nt o d a y se l e c t r o n i ct e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tp r o c e s s t h i sp a p e rp r o p o s e da10 - b i t s4 0 m s p sp i p e l i n e da d cb a s e do n0 18 p mc m o s t e c h n o l o g yi nc a d e n c es p e c t r eu n d e r1 8 vp o w e rs u p p l y , a n dt h ec i r c u i ts t r u c t u r ei s i m p l e m e n t e db yu s i n g9l e v e l s ，o fw h i c ht h els t - 8 t hi s1 5b i t s l e v e lw h i l et h e9 t hi s2 b i t s l e v e l s a m p l e h o l dc i r c u i t ，s u b - a d c ，s u b - d a c ，b a n d g a pr e f e r e n c e ，c l o c kg e n e r a t o r a n dd i g i t a lc a l i b r a t i o nc i r c u i t sa r e t h em a i nc o m p o n e n t so ft h ep r o p o s e da d c t o m a i n t a i nt h ea c c u r a c yo ft h ei n p u ts i g n a l ，t h es a m p l e - h o l dc i r c u i tw h i c hc o n t a i n sf o l d e d c a s c a d e da n dc o m m o ns o u r c e 2 - s t a g eo p e r a t i o n a la m p l i f i e r i s n e e d e d ，m i l l e r c o m p e n s a t i o ni sb e t w e e nt h e2s t a g e s 8 0 d bg a i ni sa c h i e v e d 1 1 1 es u b a d ci so ft h e d y n a m i cc o m p a r a t o rs t r u c t u r et om e e tt h en e e do ft h em a i na d c b a n d g a pr e f e r e n c ei s e m p l o y e dt op r o v i d e a1 2 vv o l t a g e ，w i t h i nt h er a n g eo f 一5 0 。c - 1 0 0 。c ，t e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n ti s10 6 p p m 。c ，t h ev a r i a t i o ni s2 m vo n l y w i t ht h ea i do fd i g i t a lc a l i b r a t i o n c i r c u i t ，e r r o ra n dr e d u n d a n tb i t sa r er e m o v e d a f t e rs i m u l a t i o n ，e a c hm o d u l ec i r c u i t a c c o r dw i mt h i sp a p e rr e q u e s t k e y w o r d s ：p i p e l i n e d ；s a m p l e - h o l d ；d y n a m i cc o m p a r a t o r ；a d c ；s u b - a d c 目录 目录 中文摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 研究背景与意义l 1 2 国内外的研究状况及其发展2 1 3 论文的主要工作内容及结构安排4 第2 章模数转换器的概述6 2 1 模数转换器的工作原理6 2 2 模数转换器的分类7 2 2 1 快闪型a d c 7 2 2 2 两步式a d c 9 2 2 3 逐次逼近式a d c 9 2 2 4 一( 过采样) 型a d c 1 0 2 2 - 5 流水线型a d c 1 1 2 3 模数转换器的性能参数1 2 2 3 1 静态特性13 2 3 2 动态特性1 4 第3 章流水线型a d c 的工作原理与体系1 6 3 1 流水线模数转换器的基本原理1 6 3 2 流水线模数转换器的体系结构1 7 3 2 1 流水线型模数转换器级数的确定1 7 3 2 2 数字校正技术l8 第4 章流水线型模数转换器的模块电路设计与仿真2 2 4 1 采样保持电路。2 2 4 1 1 采样保持电路的结构2 3 黑龙江大学硕士学位论文 4 1 2 运算放大器2 6 4 1 3 采样开关31 4 1 4 采样保持电路的仿真3 4 4 2 子a d c 的设计3 5 4 2 1 比较器的设计3 5 4 2 2 动态比较器的仿真3 7 4 3 余量增益电路的设计与仿真3 9 4 4 带隙基准源电路及偏置电路4 1 4 4 1 带隙基准源电路0 qtqoo 4 l 4 4 2 偏置电路4 4 4 5 时钟产生电路的设计与仿真4 4 4 6 数字电路部分4 6 4 6 1 延迟电路4 6 4 6 2 数字校正电路4 7 4 7 流水线a d c 的整体仿真4 8 第5 章版图设计4 9 5 1 版图设计规则4 9 5 2 电路版图设计技术5 0 5 3 本设计中部分电路的版图5 1 结论5 3 参考文献5 4 致谢。6 0 攻读硕士期间发表的论文q ooqiqi qoioiolloio 6 l 独创性声明6 2 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景与意义 现实世界中的自然事物所表现出来的物理量都是以一种连续变化的模拟信号 呈现给人们的，例如，电压，电流，温度等，这些连续变化的模拟信号在测量和 传输方面较为不便。对于模拟信号的测量总是存在着不准确的因素，在测量过程 中都会存在着误差；对于模拟信号的传输，必将会出现失真，并且在传输过程中， 模拟信号的保密性较差，抗干扰能力弱。因此，在信息的处理和传输技术上，就 应使用测量较精确、抗干扰能力强、保密性高便于传输的数字信号。这样，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【l j ，但数字处理 系统从输入到输出都是以数字信号进行工作的，这里就要将上述的模拟信号转化 成为数字信号。也就是说，现今数字信号的应用更加广泛，所以今后的发展将是 模拟信号数字化【2 】【3 】。将模拟量转化成为数字量的电路系统我就不得不用到模数转 换器( a d c ) 。模数转换器是跨接在现实与数字之间的一座桥梁1 4 j 。 在当今社会，模数转换器做为一种重要的数据分析出现在这个有形的世界里， 其能快速便捷的使用在大型系统的数字处理过程中掺j 。模数转换器是将形形色色的 传感器产生的模拟量转化成为计算机、数字信号处理器( d s p ) 等可以识别的数字 量。随着数字技术的发展，数字电路的整体发展也随之越来越快，系统的处理速 度也越快，对于精度要求也随之变高【6 j 。因而在磁盘处理系统、h d t v ( 艮p 高清晰度 电视) 、无线网络数据信道、多标准广播电视接收器的数字中频等方面模数转换器 均占有较高的地位。在1 9 3 9 年之前，对于模数转换器研究的理论基础已经成型， 而在那之后经过4 0 多年的发展使其更加完善，为之后模数转换器的发展奠定了基 础。 目前，由于模数转换器的种类多种多样，根据基本的工作原理及其构架的不 同将其分成以下几种类型：快闪型、两步式、逐次逼近式、流水线和- ( 过采样) 等【刀，在这几种结构中当今使用最多的当属流水线和一。其中，模数转换器结构 黑龙江大学硕士学位论文 中速度最快的当属快闪型模数转换器( f l a s ha d c ) ，又叫全并行模数转换器【8 】，其优 点为结构简单、速度快等。而其需要比较器的个数是与其精度相应的关系，即m 仳 较器个数1 _ 2 n 。如若制作一个分辨率较高的模数转换器，将需要较多数量的比较器，会 使模数转换器的功耗和面积非常大，因此一般8 位为其较高的精度。两步式模数 转换器是基于快闪型结构的来完成模数转换的，也可以说是快闪型结构的升级。 在分辨率相同的情况下，两步式结构相对快闪型结构使用的比较器个数减少了四 分之三，虽然功耗和面积有所降低，但速度却只有快闪型模数转换器的二分之一。 逐次逼近型模数转换器( s a ra d c ) 又称作二进制模数转换器，它由于仅运用了一个 比较器，使其功耗低，面积小，延迟大，但速度较低【9 j 。型模数转换器又叫过 采样型模数转换器，在各种模数转换器中可达到的精度是最高的，也因此限制了 速度，但其功耗相对较低。从速度、精度等方面看，流水线型模数转换器显示出 来了自身优势，在以上方面有较好的折衷，但其结构较为复杂化【1 0 】【1 1 。流水线a d c 的精度用分级的方式来完成，虽然有损功耗，但其功耗仍然是较低的。因此，流 水线型a d c 成为最优解决低功耗问题的应用【1 2 】 1 3 】。 1 2 国内外的研究状况及其发展 随着电子科技及其半导体技术的发展，早在二战时期模数转换器的基础研究 就己成型。而模数转换器历经几十年的进步，当今技术已经相当成熟。在模数转 换器技术发展方面，国内起步晚发展缓，应用领域相对比较低端；而国外起步较 早，发展迅速，涉及多方高端应用领域【l4 | 。 现今，国外的模数转换器技术，精度最高可达3 1 位，转换速度最快可达 4 0 g s p s 。而在国外，模数转换器设计的主流是以a d i ( 亚德诺半导体) 、t i ( 德州 仪器公司) 、m a x i m ( 美信公司) 等公司为代表的。这三家公司所设计的模数转 换器在精度、转换速度、功耗等性能指标在同行业所设计模数转换器中较为突出。 例如，德州仪器公司公司的a d s l 2 8 2 ，其精度达到3 1 位，转换速度为4 k s p s ( 每 秒百万次采样) ，s n r ( s i g n a l t o - n o i s er a t i o ，信噪比) 为1 2 4 d b ，功耗为3 0 m w 。 t i 公司的此产品由于其精度高被用于地震监测和能源开发等方面。美信公司的 第1 章绪论 m a x l l 0 4 0 k 为型，其精度为2 4 位，采样速率6 4 k s p s ，s n r 为1 0 6 d b ，s t t d r ( s p u r i o u s f r e ed y n a m i cr a n g e ，无杂散动态范围) 为1 0 0 d b 。而亚德诺半导体公 司的a d 7 7 6 0 也是型，其精度为2 4 位，采样速率2 5 m s p s ，s n r 为11 2 d b ， s f d r 为1 2 6 d b 。亚德诺半导体公司的a d 6 6 5 0 为流水线型a d c ，其精度已经达 到了2 4 位，采样速率为1 m s p s ，功耗为2 1 m w 。同样，美信公司设计的流水线 型模数转换器m a x l 9 5 8 6 ，其精度1 6 位，8 0 m s p s 的采样速率，s n r 为7 9 2 d b ， s f d r 为8 4 3 d b 。德州仪器公司设计的流水线型模数转换器a d s 5 5 6 2 ，其精度1 6 位，8 0 m s p s 的采样速率，s n r 为8 4 d b ，s f d r 为8 5 d bo 国外的这三家公司所设 计的其他高性能模数转换器如表1 1 所示。根据理论分析及其实际电路设计得出， 模数转换器的分辨率( 精度) 与速度是一组互相矛盾的性能指标，如表1 1 中所示 的m a x i m 公司的产品m a x l 0 4 和m a x l l 2 0 6 ，f l a s h 即快闪型结构的1 0 4 ， 采样速率达到1 0 0 0 m s p s ，而精度只有8 b i t ，其采样速率达到很高的情况下，精度 就很难提高；型的m a x l12 0 6 ，其采样速率只有0 4 8 k s p s ，而其精度可达到 2 0 b i t 。相对来说，流水线型结构就是对于精度和采样率较为折衷的选择。 表1 - 1 国外主流公司的模数转换器产品 t a b l el 一1o u t s i d et h em a i n s t r e a mc o m p a n yo ft h ea d c p r o d u c t s 国际上，m a x i m ，t i 和a d i 等公司及其高校的实验室和研究所等对于模数 转换器的研究已经相当成熟。而国内各公司、高校及其研究所离国外的高水平还 3 黑龙江大学硕士学位论文 iiiiiiiiii 1 1i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 有很大差距的。面对当今电子技术的发展速度，国内也已经开始深入研究并设计 各类模数转换器。2 0 1 1 年清华大学李福乐老师参与设计的精度为1 4 b i t ，采样速率 为4 0 m s p s 的低功耗流水线a d d l 5 】；2 0 0 9 年李福乐老师参与设计的1 3 b i t 精度， 采样速率为8 m s p s 的流水线a d c 1 6 】；而李福乐老师的博士论文中设计了一个13 b i t 采样速率为5 m s p s 的流水线型a d c ，引入电荷相加、电容交换和电荷反转移技术， 构造了一种失配校准方法，这种技术优化了面积和功耗 1 7 】。复旦大学张章的博士 论文设计的8 位1 0 0 m s p s 的流水线型a d c ，在设计的过程中采用不含传统s h a 的电路来降低功耗1 8 】，经过改进在级间使用了运放共享技术。国内除了清华大学 和复旦大学对于模数转换器的研究比较深入外，还有中科院微电子所、西安电子 科技大学等也在对模数转换器进行研究，并也取得了不错的成绩。如西安电子科 技大学研究的，在0 3 5 u r n 下用b i c m o s 工艺设计的8 位2 5 0 m s p s 的流水线型模 数转换器，其工作电压为3 3 v 时，功耗为1 1 8 m w 。相对于国外而言，国内模数转 换器的研究还有很长一段路要走的。随着数字电子科技及s o c ( s y s t e mo nc h i p ， 片上系统) 等技术突飞猛进的发展，因此对于模数转换器的要求将会很高，由于 我国研究的落后，而现今国内不能一直依靠进口高性能模数转换器等方式来供给 国内需求，我国的当务之急是研究设计出高性能的前沿a d c ，这也是其今后的发 展趋势【1 9 2 1 1 。 1 3 论文的主要工作内容及结构安排 本论文的主要工作是在0 1 8 p t m c m o s 工艺下设计p i p e l i n e da d c ( 流水线型模 数转换器) 的整体集成电路。在c a d e n c e 软件的s p e c t r e 下对流水线型模数转换器的 各个子电路进行设计与仿真，所有电路的工作电压为1 8 v 。其中主要包括： 1 对p i p e l i n e da d c 的工作原理及其p i p e l i n e da d c 的整个电路系统的工作过 程进行研究o 2 根据理论研究，先选取p i p e l i n e da d c 中主要模块电路结构，如采样保持 电路、s u b a d c 、s u b d a c 、m d a c 、数字校正电路、时钟产生电路等；然后选 取p i p e l i n e d a d c 主要模块中的单元电路，如采样保持电路中的运算放大器和采样 第1 章绪论 开关、带隙基准源和s u b a d c 中的动态比较器等。 3 根据c a d e n c e 仿真软件的仿真对每个模块电路中的m o s 晶体管进行参数 调整，使得各个模块完成相应的功能及其达到p i p e l i n e d a d c 的性能要求。 4 使用c a d e n c e 软件中的v i r t u o s o 对流水线型a d c 中动态比较器的电路进 行版图设计，并通过l d v 和d r c 的验证。 本论文的结构安排： 第1 章为绪论，简述了本论文的研究背景及意义，同时介绍了国内外的研究 状态及其发展。 第2 章对模数转换器的原理及性能参数进行介绍。 第3 章对p i p e l i n e da d c 的基本原理、结构体系及工作过程进行讨论，并讨论 p i p e l i n e d a d c 相关性能因素等。 第4 章对p i p e l i n e da d c 各个模块进行设计，经过理论分析选取各个模块的结 构，并对每个模块电路进行仿真，给出仿真结果，使满足p i p e l i n e d a d c 所需要求 第5 章对于版图设计的介绍及其部分电路版图的设计。 结论，是对本课题中所做的工作进行总结。 黑龙江大学硕士学位论文 第2 章模数转换器的概述 2 1 模数转换器的工作原理 模数转换器的作用是将输入端连续的电压值或电流值转换成数字信号来代替 原有的输入信号口2 1 。其输入的电压值或电流值等的连续，是在时间和幅度上，输 出的信号就在这两方面上离散1 2 3 1 ，模数转换器就是将这连续的信号转换成离散的 信号。模数转换器的整个过程是由采样、保持、量化和编码这四个过程组成的， 如图2 1 所示。 数字处理器 r h 前置滤波器采样保持量化器编码器 图 2 1a d c 的结构框图 f i g 2 - 1a d c s t r u c t u r eb l o c kd i a g r a m 前置滤波器实际上是一个抗混叠滤波器，其用来过滤高频信号，以防在模数 转换器中引起混叠【2 4 1 。模数转换器有限的带宽就完成了抗混叠滤波器的作用，也 就省去抗混叠滤波器单独的电路结构。 继滤波器之后的是一个采样保持电路，采样保持电路的工作状态顾名思义分 为采样和保持两个状态。采样即取样，以固定的时间间隔采取连续变化的模拟信 号，并进行离散化处理；保持就是将采取并离散化后的样值在整个采样保持周期 内保持稳定不变，为后续电路应用。采样电路和保持电路通常情况下均用同一个 电路实现，此电路被称做采样保持电路( s a m p l e a n d h o l dc i r c u i t ) 。输入信号经过采 样保持电路后得到输出信号，其完整性也可说此输出信号经过数模转换等处理能 否转换成原输入信号，这是在采样保持电路中比较重要的问题。通常情况下满足 定的条件下，这样的转换是可以完成的。在整个采样保持电路中，满足奈奎斯 特采样定理，就可将输出信号转换成原始的输入信号。奈奎斯特采样定理，限定 输入信号有一定的带限，并模数转换器的采样频率必须大于等于原始输入信号中 第2 章模数转换器的概述 最高频率的两倍，如下式： f 2 t ( 2 - 1 ) 式中f 为采样频率，f m 觚为最高频率。由于模数转换器的失真和噪声等影响，为避 免上述因素的影响，越高的采样频率会使影响越低，但也要在一定的限定范围内。 所以，通常情况下会让采样频率厂2 5 l 。 量化是将经过采样保持电路处理后的信号换算成相应的数字值，即用2 n 段的 数字量来表示连续的模拟输入量，其n 为模数转换器的整体精度值，将此输出经 过数字处理成为最终的数字输出码。 数字处理即是编码的过程。编码就是将量化得到的数字值转换成为最终输出 的数字码，完成模拟数字转换的过程。 2 2 模数转换器的分类 现今社会，随着电子技术的不断发展，模数转换器在不同的领域也就有了较 多的应用，而在这些领域中，对于模数转换器性能的要求就各不相同。因此，为 了适应这些领域对于其性能的要求，就有了很多结构来满足不同的要求。 模数转换器的分类有很多种不同的方法，以采样频率为标准，分为奈奎斯特 采样和过采样两种a d c 原理【2 5 】；以精度为标准，模数转换器可分为高、中和低三 个层次；以速度为标准，模数转换器也可分为高、中和低三个层次；以结构为标 准，模数转换器可分为串行结构j 并行结构和串并行混合结构。 2 2 1 快闪型a d c 快闪型a d c 又名全并行a d c ，是结构最为简单且目前已知的最为快速的 a d d 2 6 1 。由于快闪型a d c 结构简单、速度最快，其在中分辨率、高速模数转换器 领域中的应用至今较为广泛。快闪型a d c 电路的典型结构如图2 2 所示。 如图2 2 所示，n 位的此结构a d c 是采用2 n _ 1 个比较器与2 t m _ 1 个参考电压 值来实现n 位精度的。此处的参考电压值是由2 n 个电阻串联分压得到，并作为阂 值电压提供给比较器。比较器将经过采样后的输入信号与参考电压值进行比较输 黑龙江大学硕士学位论文 出为温度计码，来表示输入信号与参考电压值之间的大小关系。此温度计码通过 译码器换算为二进制码或格雷码，并通过输出级作为输出。 v r e f + 模 图2 - 2 快闪型a d c 的结构 f i g 2 2s t r u c t u r eo ff l a s ha d c 输出 快闪型a d c 的特点： ( 1 ) 速度快。在整个快闪型a d c 的运行过程中，只需要一次比较模数转换的过 程就可以，所以，快闪型a d c 是所有已知工作过程最快的一种。 ( 2 ) 较大的面积和较高的功耗。由于一个n 位的快闪型a d c 共需要2 n _ 1 个比 较器及2 n 个电阻，这将会使用较多的硬件，因此将会占用较大面积，同时也增加 了成本和功耗。 ( 3 ) 精度受限。n 位快闪型a d c 中需要的比较器数目m = 2 n _ 1 和电阻个数k = 2 n 。 当n 8 时，此快闪型模数转换器将需要比较器和电阻个数均超过2 5 6 个。电阻的 匹配特性限制了参考电压，随着比较器的增加也促使非线性输入电容增大。一般 情况下，快闪型a d c 适用于对精度要求较低的领域里 2 7 l ，通常其精度在8 b i t 以下。 ( 4 ) 结构简单。整体结构中没有采样保持电路，相对较为简单。 在实际设计快闪型a d c 电路的情况下，为了弥补不足会采用技术来降低比较 器失调带来的影响，为了减小非线性输入电容和参考电压误差，可采用平均2 8 】【2 9 1 第2 章模数转换器的概述 ( a v e r a g e ) 技术和插值【3 0 】( i n t e 印o l a t i o n ) 技术来完成。 2 2 2 两步式a d c 两步式a d c 又名两步f l a s ha d c 3 ，顾名思义模数转换这个过程在此结构中 分两步完成。如图2 3 所示。首先，对模拟输入量进行采样保持，选用一个粗分的 快闪型a d c 对采样保持得到的量值进行转换，得到一个高m 位的输出，然后将 此高m 位的输出进行数模转换，将得到的模拟量与原始的模拟输入量相减，再将 所得到的差值放大，最后采用一个细分的快闪型a d c 对其进行模数转换，得到一 个低n 位的输出，为最终输出结果。 输出 图2 - 3 两步式a d c 的结构 f i g 2 3s t r u c t u r eo ft w o - s t e pa d c 两步式a d c 需要使用2 m + 2 n 一2 个比较器，与快闪型a d c 相比较，大幅度减 小了比较器的使用量，相对降低了功耗及其面积，比较器的失调影响也相对减小 了许多，由此其精度也可达到1 0 位以上。由于在两步式a d c 中使用了采样保持 电路和放大器，影响了其转换速率。 、 2 2 3 逐次逼近式a d c 逐次逼近a d c 3 2 f l 1 z 进制搜索a d c 。如图2 4 所知一个逐次逼近a d c 包括 一个s h 电路，一个d a c ，一个数字处理器和一个a d c 【3 3 】【3 4 】。其工作原理：首 先，电路开始初始化，它将d a c 的输出初始化；采样保持电路对输入信号进行采 样处理；然后，用输入信号减去d a c 初始化得到的值，将这个差值送入比较器中 黑龙江大学硕士学位论文 进行量化处理，控制逻辑电路改变d a c 的输出，输入的采样信号减去此输出，其 差值继续送回比较器，此过程如此循环，直到最终输出满足其要求的精度值方结 束循环。 输 图2 4 逐次逼近式a d c 的结构 f i g 2 4s t r u c t u r eo fs u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o na d c 如图2 4 所示为逐次逼近a d c 的结构图，由结构图可知，逐次逼近a d c 在 一个周期内只能完成一次模数转换，若n 位分辨率的至少需要n 个周期后才可实 现，因此逐次逼近a d c 的转换速度相对较慢。但其需要较少的器件，虽使用到采 样保持电路，却不需要放大器，只需一个比较器，通过控制d a c 可得到较高的分 辨率。 由逐次逼近a d c 的结构和其工作过程来看，逐次逼近a d c 可具有较高的精 度，要想得到较高的精度，循环的次数就需要很多，因此转换速率就一定较低。 对于逐次逼近a d c 来说，分辨率和转换速率是矛盾的两个量，此a d c 可达到高 分辨率的，其转换速率较低；而其自身的串行工作模式从根本上限制了转换速率 的提高，只能具有较低的转换速率，因此与其相关的功耗也会比较低【35 j 。 2 2 4 ( 过采样) 型a d c 型a d c ( s i g m a d e l t aa d c ) 即过采样型a d c 3 6 1 ，是一种使用较少的硬 件，并可获得较高精度的a d d 3 7 捌。它是由采样保持电路，比较器，积分器和d a c 等组成 4 0 1 1 4 1 1 。其结构如图2 5 所示。过采样型a d c 顾名思义是一种采用过采样 技术的模数转换器，它是以牺牲转换速率来提高精度的，是现今据有最高精度的 一种模数转换器，已知的最高可达3 2 位。 第2 章模数转换器的概述 i i i i 宣i i i i i i i i i i i 萱i 置i i i ii i i i i i 输 图2 - 5 - 型a d c 的结构 f i g 2 5s t r u c t u r eo f 一aa d c 一型模数转换器的工作原理根据其结构可知，输入的原始信号减去经d a c 处理的信号，将次差值送入积分器中积分，再送入比较器中量化得到数字输出码， 这个值又做为数模的输入。此为型a d c 的一个周期结束，也是下一个周期的 开始。 白噪声是_ 般的a d c 中的量化噪声，而型a d c 采用过采样技术，减小 了噪声的功率密度，使用了一技术对噪声进行处理，以此来减小白噪声，获得 较高的精度。 2 2 5 流水线型a d c 如图2 - 6 所示，流水线a d c 是根据两步式a d c 衍变得来的，它可以达到较 高的精度也可获得较好的精度，因此它对速度和精度这两方面因素有一个良好的 取舍，能更好的对于速度、精度和功耗这三方面有一个更好的折衷4 2 】【4 3 】。由于流 水线型a d c 与两步式a d c 在结构上是相似的，所以一个流水线型a d c 是由几个 子级构成，每个子级均完成所对应的位数，再把每级的输出进行数字校正来达到 最终的位数4 6 】。根据图2 - 6 流水线型a d c 结构图所知，每一个子级中含有采样 保持电路，子a d c ，求和电路，子d a c 及增益放大器。其工作原理如下：采样 保持电路对模拟输入信号进行采样保持；将采样保持电路得到的信号送入子a d c 中量化处理获得数字信号；将其输出的数字信号在子d a c 中进行转换，得到相应 的模拟信号；在求和电路中，用采样保持电路得到的信号减去此模拟信号将会得 黑龙江大学硕士学位论文 到一个差值，并将此差值在增益放大器中放大做为输出值，同时做为下一级的模 拟输入。如此传递，到最后一级。此间，每级子a d c 输出的数字信号，经过数字 校正技术处理后，才能作为整个流水线型a d c 的最终输出结果。 图2 - 6 流水线型a d c 的结构 f i g 2 6s t r u c t u r eo fp i p e l i n e da d c 2 3 模数转换器的性能参数 模数转换器的性能参数整体可分为：静态和动态两大类特性参数。其中，静 态特性参数包括：微分非线性( i n l ：d i f f e r e n t i a ln o n l i n e a r i t y ) 、积分非线性( d n l - i n t e g r a ln o n l i n e a r i t y ) 、失调( o f f s e te r r o r ) 、增益误差( g a i ne r r o r ) 和量化误差 ( q u a n t i z a t i o ne r r o r ) ；动态特性参数包括：信噪比( s n r ：s i g n a lt on o i s er a t i o ) 、信 躁失真l 匕( s n d r ：s i g n a lt on o i s ed i s t o r t i o nr a t i o ) 、动态范围( d r ：d y n a m i cr a n g e ) 、 无杂散动态范n j ( s f d r ：s p u r i o u sf r e ed y n a m i cr a n g e ) 矛d 有效位数( e n o b ：e f f e c t i v e n u m b e ro fb i t s ) 。 第2 章模数转换器的概述 2 3 1 静态特性 1 ) 微分非线性 在每一个阶上垂直测量的相邻编码之间差值的最大值被定义为微分非线性， 其单位一般用l s b 或百分比的形式表述。 d n l = ( 玩- ) l s b ( 2 - 2 ) d 。是。l s b 为单位的实际尺寸。就拿一个理想的a d c ，d n l = 0 ，根据式( 2 - 2 ) d 。的 尺寸应为1 。 2 ) 积分非线性 积分非线性被定义为实际的与理想的有限精度特性曲线在垂直方向的最大差 值，一般单位表示成百分比或l s b 。其关系式如下： i n l =垡堕蝼二鳖峨三船) l l 如 ( 2 - 3 ) 对于理想的a d c ，i n l 也应为零。i n l 实际的意义是表达精度特性曲线实际与理 想偏离的程度。i n l 也就是d n l 的积分。 3 失调误差 失调误差是在输入为零时，任意一个垂直方向上的有限精度特性实际和理想 之间的固定差值，如图2 7 所示。 蛔 丑 舞 羁 辎 ：星 警 1 坦 h k j - 实际3 位特性纱7 1 毒碉 i 蹉t l | 1 ，譬 l0 、无限精鹰特性 l 歹气 】生，墨j 1 业；睁性 ， 图2 7 失调误差的定义图 f i g 2 7d e f i n i t i o ns k e t c ho f o f f s e te r r o r 1 3 黑龙江大学硕士学位论文 4 ) 增益误差 增益误差是在满标度输出数字码的情况下，实际与理想模拟输入的差值。对 于流水线型a d c ，增益误差的产生是由于每一级级间增益不理想的原因，级问增 益和运算放大器的开环增益是相关的，其运放的增益越大，级间增益将更加理想。 此外，它还和电容失配相互影响，电容更加匹配，级间增益也会更理想。因此， 在一定限定内，电容选取较大为好。 5 ) 量化误差 模数转换器转换输出的数字码无法与原始的模拟输入量精确对应，这就是量 化误差。也就是说，模数转换器将原始输入信号转换后输出的数字码，经数模转 换而无法转换成同原来等值的原始输入信号。在模数转换器中，量化误差是_ 种 自身固有的误差，这个误差只能采用技术减小，而不能彻底消除。 2 3 2 动态特性 1 ) 信噪比 在流水线a d c 中，信噪比可被定义为满刻度输入信号的功率和白噪声功率的 比 3 9 】，它的单位一般用d b ( 群1 分贝) 来表示。其表达式如式( 2 4 ) 所示： 册划，g 寒 。p 4 ， 其中，( ，和圪( 。) 是对应量的均方根值。对于模数转换器，如若输入信号为正 弦，信噪比可写成： s n r = 6 0 2 + 1 7 6 d b ( 2 5 ) 此情况下，由式( 2 5 ) 可知，信噪l k ( s n r ) 与分辨率n 相关，随着n 的增大或减小， 其值也随之增大或减小。 2 ) 信噪失真比 信噪失真比由其名字可知，它所表示的是由于噪声和失真等因素促使的性能 降低。信噪失真比可由公式( 2 6 ) 表示 4 7 】： 册r = 1 0 l o g ( 等) ( 2 - 6 ) 第2 章模数转换器的概述 i i m 此式是相对于正弦而言。式中号是指基带信号的功率，磁声和谐波为所有噪声与谐 波的功率之和。 3 ) 动态范围 动态范围定义为在满刻度范围下的输入值与模数转换器中可分辨的最小值之 比。其表达式( 2 7 ) 所示： 础、：堡：堡再：2 ( 2 7 ) l s b ( f s r 2 川、 、 式中f s r 为满刻度范围下的输入值，l s b 为可分辨的最小值。如若用分贝表示， 式( 2 7 ) 可写成： d r = 6 0 2 n d b ( 2 8 ) 4 ) 无杂散动态范围 无杂散动态范围是指基带内输入信号的功率与最大谐波功率之比。其表达式 如式( 2 9 ) 所示： 、 s f d r = 1 0 1 9 生 ( 2 - 9 ) 式中略号表示的是输入信号功率，珞犬谐波代表的是最大谐波功率。s f d r 是模数 转换器中较为重要的性能指标之一，它表示的是一个模数转换器的有效动态范围。 5 ) 有效位数 有效位数实际上表达的是实际的模数转换器在没有误码等情况下真实的输出 位数。它可以用来判别实际模数转换器和理想情况下模数转换器之间的差别。其 表达式可由信噪比的公式( 2 5 ) 转换得来： e n o b ：些坠! ! ：! ：z 鱼 ( 2 - 9 ) 6 0 2 、7 溉嘶。表示的是实际情况下的信噪比。 黑龙江大学硕士学位论文 第3 章流水线型a d c 的工作原理与体系 3 1 流水线模数转换器的基本原理 由于在流水线型a d c 中，流水线型a d c 是由n 多个子级构成的，是将整个 模数转换过程所要达到的精度分配到各个子级来分别完成 4 7 - 5 0 】。而每一个子级的 运行都是独立完成的，只需将上一级的输出做为本级的输入即可，与其他各子级 无关，因此从各个子级来看，流水线型a d c 的运行是并行的工作模式。但从整体 的流水线型a d c 的模数转换过程来看，它的运行方式为串行。从此可得出，流水 线型a d c 是兼串行与并行共有的一种模数转换器，其每一次转换过程只需要一个 时钟周期，因而整个模数转换器的最大转换速率就取决于这个模数转换器中每一 个子级的最大转换速率，而与它是由多少个子级构成无关。 图3 1 流水线型a d c 的结构图 f i g 3 1s t r u c t u r eo f p i p e l i n e da d c 如图3 1 所示，一个流水线型a d c 是由s h 电路，m 个子级及延时电路和数 第3 章流水线型模数转换器的结构与工作原理 置i i i 宣i i i i i i 鼍i i i i i 葺i 宣宣i i i ii i i i i i i i i i i i i i 字校正电路构成，除此之外还包括带隙基准源电路，时钟产生电路等其他额外电 路。其中，带隙基准源电路将提供参考电压v r e f ，并为运算放大器提供各种偏置电 压或电流( 下章会详细介绍带隙基准源电路) 。由于流水线a d c 中的采样保持电 路需要两相的非交叠时钟信号来控制采样保持电路处于采样模式或保持模式，所 以时钟产生电路产生的时钟信号要是两相非交叠的( 下章中将会时钟产生电路进 行详细分析) 。 如图3 1 所示，流水线a d c 中的s h 电路，使用时钟控制其处于采样模式时 对输入的模拟信号进行采样处理，当其处于保持模式时，将处理后的信号进行保 持并送入下个电路，即流水线a d c 中的第一级，把此信号做为第一级子电路的输 入信号v i ，输入信号v i 经过子电路转换处理，并将其最终转换后的输出信号做为 下一级的输入信号，以此类推，到最后一级。 从图3 1 流水线型a d c 的结构图中可以看出，流水线a d c 的各个子级是由 s h 电路，s u b a d c 电路，s u b d a c 电路，求和电路( 减法) 和增益为2 n 的增益 电路f 5 l 】。模拟输入信号经过子级外的s h 电路处理，分别进入子级内的s h 电路 和s u b a d c 电路。s u b a d c 电路将输入信号进行模数转换输出数字量，此数字量 即做为本级的数字输出量输出，同时此数字量也做为s u b d a c 电路的输入信号。 数字量