（电路与系统专业论文）双积分模数转换器芯片中部分电路的设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 过去几十年里，数字信号处理技术在理论和实践上都取得了突飞猛进的发展。 由于它具有可靠性高、灵活性强、成本低廉等特点，从而逐渐在各个领域代替了 传统的模拟信号处理方式。但是模拟信号处理及模拟集成电路的设计不仅没有淡 出历史舞台，相反在某些地方更加凸显其不可替代的作用。 现实世界是模拟的，要充分利用先进的数字信号处理技术就必须进行模数转 换，在钡4 量领域尤其如此。模数转换有多种实现方法，根据不同的应用选择也就 不同。在视频及无线通信领域对高速的要求决定了流水线方式是最佳的选择，在 音频处理上对音质的要求决定了娶这种中低速、高精度转换方式是不错的选择， 而对予现实世界中的很多低速测量，考虑到成本和功耗的问题，双积分转换方式 又是曼优的选择。 针对低速测量领域中广泛应用的双积分模数转换器，本文分析和设计了其中的 部分电路。文章首先介绍了模数转换器的发展趋势和有关模数转换器和双积分原 理的基础知识；接着在简略介绍双积分模数转换器系统工作原理的基础上详细讨 论了系统重要子模块的指标和系统性能之闻的关系，放系统角度来优化电路设计； 然后文章详细介绍了主要模块电路的分析、设计与仿真；本设计已成功流片，文 章在此基础上介绍了电路的版图设计、实际芯片的应用及测试，并在应用上对重 要注意事项进行了分析说明；最后褥出了结论。 本论文是设计理论与实践相结合的一次有价值的尝试，对于应用在测试和测量 领域的高精度中低速模数转换器的研究具有一定的参考意义。 关键词：模数转换器，双积分，数字信号处理，测量 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h el a s ts e v e r 越d e c a d e so rs o ，t h et e c h n o l o g yo fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s 曩n g ( d s p ) h a v e o b t a i n e dv e r yf a s td e v e l o p i n gb o t ho nt h e o r ya n dp r a c t i c e i ns p i t eo ft h a td s ph a st h e c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sh i g hr e l i a b i l i t y , f l e x i b i l i t ya n dl o wc o s t , a n di th a ss u b s t i t u t e dt h e t r a d i t i o n a ls i g n a lp r o c e s sm a n n e r , n a m e l ya n a l o gs i g n a lf o c e s s m g ( a s p ) ，t h ea s pa n d a n a l o gi n t e g r a t e dc i r c u i t s ( 1 0d e s i g nw e r e l l to u to ff a s h i o n , m o r e o v e r , t h e ya l ep l a y i n g t h eu n r e p l a c e a b l er o l ei ns o m eg i v e ns i t u a t i o n t h en a t u r ew o r l di sa n a l o g , s ow en e e da n a l o g - m - d i g i t a lc o n v e r t e r s0 c ) i no r d e r t ou t i l i z et h ed s p , e s p e c i a l l yi nt h em e a s u r e m e n t f o rd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n , w ec a n u s e d i f f e r e n tm e t h o dt or e a l i z et h ea d c ，# p e l i n eb e s tf o rv i d e oa n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n sf o rh i g hs p e e d ，b ab e s tf o rv o i c ef o rb e s tt o n e , a n dd u a l s l o p ef o r m e a s u r e m e n tf o rl o wc o s ta n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ， t h ea u t h o ra n a l y z e sa n dd e s i g n sap a r to ft h ed u a l - s l o p ea d cc i r c u i ta p p l i e di nt h e l o ws p e e dm e a s u r e m e n t t h ea u t h o rf i r s t l yi n t r o d u c e st h ea d c sd e v e l o p m e n tt e n d e n c y a n db a s i ck n o w l e d g er e l a t e dt oa d ca n dd u a l s l o p et h e o r y s e c o n d l y , i n t r o d u c i n gt h e d u a l - s l o p ea d cs y s t e ms i m p l y , t h ea u t h o ra n a l y z e sh o wt h ep a r a m e t e r so ft h e s u b c i r c u i t sa f f e c tt h ea d cs y s t e m sp e r f o r m a n c ei nd e t a i l ，a n dd e s i g n st h ec i r c u i t s o p t i m i z e di ns y s t e mp o i n t t h i r d l y , t h e a u t h o rd i s c u s s e st h ea n a l y s i s ，d e s i g na n d s i m u l 越o no ft h e d o m i n a t i n gs u b c i r c u i t so ft h ea d cs y s t e m a f t e rt a p i n go u t s u c c e s s f u l l y , t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h el a y o u td e s i g na n dt h et y p i c a la p p l i c a t i o na n d f i n i s h e st h em e a s u r o m e n to ft h ea d c f i n a l l yt h ec o n c l u s i o nc o m e so u t a l t h r o u g ht h e r ea r eu n a v o i d a b l ed i s a d v a n t a g e so ft h i st h e s i s , i ti saw o r t h w h i l ea n d v a l u a b l ee x p e r i e n c e ，e s p e c i a l l yf o rt h es t u d yo f a d c a p p l i e di nt h em e a s u r e m e n t k e y w o r d s ：a n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t e r s ，d u a l - s l o p e ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ， m e a s u r e m e n t n 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。 与我一同工作的同志对本研究所傲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：主垒莹凼 日期： 。8 年月，口日 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 的撬定，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尊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) d 期：力。占年万月p 日 第一章弓l ”薪 第一章引言 1 1 模拟信号处理和数字信号处理 自然界中的物理量，至少在宏观上，是模拟的，如声音、温度、地震波等都是 表现在时间域上的连续信号。荤期对这些信号的处理都是采取直接对连续时间信 号进行分褥处理的方法，它是利用一定翡数学模型赁组戒的运算网络来实现魏。 从广义上来讲，它包括了调制、滤波、放大、微积分、乘方、开方、除法运算等。 模拟信号分析的目的是便于信母的传输和处理，例如：信号调制后的放大与远距 离传输；剩雳信号滤波实现剔除噪声与频率分叛；对信号的运算估值以获褥参数 靠宣 专擎4 - 但是模拟信号处理方法及模拟电路设计受到诸多方面的限制【i l ： 模拟信号处理过程要求速度和精度的同时，模拟电路对噪声、串扰茅臼其他 干扰缀敏感。 器件的二级效应对模拟电路的影响很大，特别是现今集成电路集成度越来 越高，在深皿微米下的模拟集成电路设计会遇到照多的挑战。 o 尽管模拟电路设计已经有了重大发展，毽模拟电路的许多效应熬建模和仿 真仍然存在缀大的困难，这追使设计者比较多的侬赣直觉帮经验。 o 模拟电路的设计需要在很多性能，如速度、功耗、增益、精度、电源电压 之间进行折衷，使设计者顾此失彼，如履薄冰。 设计凄来的电龉不灵活、不稳定，参数改变垂难，需要采用多种阻值、容 电予科技火学硕士学位论文 值的电阻、电容，并通过电子牙关来选通才能修改处理参数。 相比较而言，数字信号处理可以通过软件修改处理参数，因此具有很大的灵 活性；由子数字电路采用逻辑电平工作，只要环境温度、电路噪声的变化不造成 电路逻辑的翻转，数字电路都可以不受影响的完成工俸，嚣此具有很好的稳定性； 数字电路设计时不像模拟电路那样要在诸多性能之间进行权衡，基本上只需要在 速度和功耗之间折衷；数字电路设计过程中可以广泛地应用计算机辅助设计工作； 数字信号处理算法的功能日益增强，而集成电路技术的进步又使这些算法可以在 硅片上紧凑丽有效地实现，相对使用大量的模拟器件完成网一任务来讲，数字信 号处理器的成本低廉。因此现今越来越多的信号处理，只要有可能，尽量在数字 领域进行处理。 一个典型的采用数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 来处理模拟 信号的过程如图1 1 。 输l 一抗混叠n 采样n 模数n 数字信号m 数模h 重构n 输 入li 滤波器fl 保持li 转换f | 处理器ii 转换ii 滤波lj 出 图1 - 1 信号转换和处理过程 模拟信号被数字化之前必须经过抗混叠滤波器以防止频谱混叠，然后在经过模 数转换器转换成数字信号。经过d s p 处理后的数字信号再经过数模转换器转换成 模拟信号进入现实的模拟世赛。由此可见模数和数模转换是模拟世界与数字世界 的接口，不管数字信号处理技术多么发达，这两个模块不仅必不可少，而且它们 还限制了整个系统的性能，如果采样进来的信号已经失真，d s p 技术无论有多发 达都无济于事。 1 2 模数转换器的发展状况 最早的模数转换器出现在1 9 7 0 年代圜，由于巍时m o s 工艺的精度还不够高， 所以模拟部分一般采用双极工艺，而数字部分则采用m o s 工艺，惩且模拟部分和 数字部分还不能做在同一个芯片上。1 9 7 5 年，一个采用n m o si 艺的1 0 位逐次 逼近型模数转换器成为最早出现的单片模数转换器。1 9 7 6 年，出现了分辨率为11 位的单片c m o s 积分型模数转换器。此时的单片集成模数转换器中，数字部分占 主体，模拟部分只起次要作用；而且，此时的m o s 工艺相对于双极工艺还存在许 多不足。1 9 8 0 年代，出现了采用b i c m o s 工艺制作的单片集成模数转换器，但是 2 籀一章弓l 言 工艺复杂，成本高。随着c m o s 工艺的不断发展，采用c m o si 艺制作单片模数 转换器已成为主流。这种模数转换器的成本低、功耗小。1 9 9 0 年代，便携式电子 产品的普遍应用要求模数转换器的功耗尽可能地低。当时的模数转换器功耗为m w 级，丽现在已经可以降到g w 级。模数转换器的转换精度和速度也在不颐提高， 目前，模数转换器的转换速度已达到数百m s p s ，分辨率已经达到2 4 位。 当前，数字处理系统正在飞速发展，在视频领域，离清晰度数字电视系统 ( 珏黟) 的出现，将广播电视推向了一个更高的台阶，它的出现增加了对高性能 模数转换器的需求，由于h d t v 的分辨率与普通电视相比至少提高了一倍，所以 从内容建立( 高端成像应用) 到内容提供( 新型基站) ，小功率高速模数转换器 都是其基础设施中的关键元器件【鬟。在通信领域，过去无线通信系统的设计都是静 态的，只能在规定范围内的特定频段上使用专用调制器、编码器和信道协议。丽 软件无线电技术( s d r ) 能更加灵活、有效地利用频谱，并能方便地升级和跟踪新技 术，大大地推动了无线通信系统的发展，高速模数转换器在第三代( 3 g ) 和w c d m a 基站的接收( 融) 与发送( 弧 通路中都发挥着重要作用，整个鲎界存在一种趋 势，即采用具有高性能的小功率模数转换器【3 】。在高精度测量领域，高级仪表的分 辨率在不断提高，电流到达衅量级，电压到达m v 甚至更低；在音频领域，各种 高性能专业音频处理设备不断涌现，如d v d a u d i o 和超级音频c d ( s a c d ) ，它 们能处理更高质量的音频信号。为了满足数字系统的发展要求，模数转换器的性 能也必须不断提高，它将主要向以下几个方向发展： 高转换速度：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，模数转换器的位置是非常关键的，它 要求模数转换器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，向超高速模数转换器方向发展的趋势是清晰可见的。 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，模数转换器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，需要高精度的模数转换器。网前，最高精 度可达2 4 位的模数转换器也不能满足要求。现在，人们正致力于研制更高精度的 模数转换器。 低功耗：片上系统( s o c ) 已经成为集成电路发展的趋势，在同一块芯片上既 有模拟电路又有数字电路。为了完成复杂的系统功能，大系统中每个子模块的功 耗应尽可能地低，因此，低功耗模数转换器是必不可少的。在以往的设计中， 5 m s p s 8 - - 1 2 位分辨率模数转换器的典型功耗为1 0 0 - , 1 5 0 m w 。这远不能满足片上 3 电子科技人学颀：学位论义 系统蛉发展要求，所以，低功耗将燕模数转换器个必然的发展趋势。 总之，各种技术和工艺的相互渗透，扬长避短，开发出适合各种应用场舍，能 满足不同要求的模数转化器，将是模数转换技术的未来发展趋势；高速、嵩精度、 低功耗模数转换器将是今基数据转换器发展的重点。 1 3 本论文的工作及结构 芯片的设计流程是一个耀当复杂的过程，包括确定臣标饪务、选择和搭建系统 桨构、系统分析、电路实现( 设计和仿真) 、版图设计、后仿真、制造、封装和测 试。本论文设计和实现了用于双积分模数转换器芯片的部分电路，其中作者具体 参与了系统分拆、运算放大器的设计和仿真、毫压基准源的设计藉仿真，露比较 器和电流基准源憋设计鞠仿真由其德圊事完藏，在这里秀了文章的完整性作者氇 把这两部分写了进来。 第二章主要是模数转换器的分类和双积分的艨理等基础知识的介绍。 第三章轶系统层面对双积分模数转换器进行分析，首先简要介绍了电路整体架 构和主要时序，然后主要分析了几个重要子模块的性能参数对系统的影响，包括 运放的增益、带宽、噪声和比较器的增益、3 d b 带宽、噪声，最后还讨论了模拟地 ( c o m m o n ) 的噪声对系统的影响。 第豳章扶具体电路角度奔绍双积分模数转换嚣酶实现，主要介缨了摸擞部分是 到的几个子模块的设计与仿真，包括运放、比较器、电压基准源、电流基准源， 并给出了仿真结果。 本论文设计觞模数转换嚣已经在t s m c0 5 脚c m o s 工艺平台上成功流 片，在此基础上第五章介绍了电路的舨圈设计及实际芯片的应用和测试情 况，并在应用上对重骚的注意事项进行了分析说明。 l ，4 本章小续 本章首先分析了模拟信号处理和数字信号处理的特点，然后介绍了一般的信 号处理系统蕊梅架，从中可以看出数据转换电路的重要性。接着贫缨了模数转换 器的发展状况，包括历史、现状和趋势。最藤篱簧介绍了本论文的工作及续构。 4 第一二章模数转换器和双积分原理基础知识 第二章模数转换器和双积分原理基础知识 2 1 模数转换器的组成 搬据模数转换器要完成的功能，它由露个基本部分缓成：抗混叠滤波、采样 保持、量化和编码，如图2 1 所示 4 1 。 抗混叠滤波采样保持 量化编码 摸羧辕入 图2 - i 模数转换器的组成 抗混叠滤波作为藏置滤波用来避免高频信号在模数转换器的基带中引起混 叠。抗混叠滤波通常通过模数转换器本身的带宽有限特性来实现。 根据模数转换器的转换速度，在一个转换周期以内其输入将保持不变，这个 功能就由采样保持电路来完成。采样保持电路一般采用“开关+ 电容”的形式，如图 2 - 2 新示，在开关电容类模数转换器( 如s i g m a - d e l t a 型模数转换器) 中，可以没 有专门的采样保持电路而由量化电路的一部分来实现。 电了科技人学硕士学位论义 v i nc 签 j te 渊 j v o u t 隧2 - 2 采样保持电路 量化是模数转换器中最重要的部分，它决定了模数转换器的基本参数如速度 和精度。不同类型的转换器，其量化方式也不同( 见第2 3 节模数转换器的分类) ， 熟：双积分模数转换器是通过时钟触发计数器来实现量化，两并联模数转换器是 透过一串比较器来实瑗量纯。在s i g m a - d d t a 型模数转换器中，蠢于采用了避采样， 所以经过比较器后得到的直接数据包括了很多不需要的成分，在这个比较器后面 一般都需要一个低遗数字滤波器，这也是量化的一部分。 量化的结果裁已经是数字信号了，这些数字臻号需要抟输秘显示，还需要最 后一步编码。这根据不同的应用要求进行不同的处理，比如；用于l c 粉l e d 显示就需骚进行七段码编码和驱动处理，用于跟c p u 串行通信就需要1 2 c 处理或 其链协议处理等。 2 2 模数转换器的主要参数 模数转换器鹃参数臻苞括静态参数翥动态参数，静态参数包括积分非线牲 ( i n l ) 、微分非线性( d n l ) 、增益误差、失调误差，动态参数包括转换时间和采 样速度、有效位数( e n o b ) 、信噪比( s n r ) 等。 积分毒募线性( i n l ) 的定义有多种，一种比较好鲢定义为实际转换特性睦线霾 理想转换特性酋线之闯的最大差值。如图2 3 所示。 在理想的转换器中，每一个模拟步长都等予i l s b ，对模数转换器而畜，转换 僮精确地相隔i l s b 。微分菲线性( d i n l ) 定义实际模拟步长靼i l s b 的差( 除去 增益误差_ 靼失调误差) 。如蚕2 。3 所示，萁孛空心豳霾和实心圆圈努别表示理想转 换特性曲线和实际转换特性曲线。 6 第二章模数转换器和双积分原理基础知识 1 1 l o o l 0 0 01 41 23 4l 图2 - 3 模数转换器的i n l 秘馥也 对于理想的模数转换器，在零输入时其数字输出也应该为零。失调误差定义 为在零输入时实际数字输出和理想数字输出之间的偏差。 丽增益误差定义为满刻度输入时实际数字输出和理想数字输出之阐的偏差。 失调误差和增益误差参见图2 0 ，其中虚线表示理想转换特性曲线，空心圆圈和实 心圆圈分别表示增益误差和失调误差。 失调误 误差 图2 - 4 模数转换器的失调误差和增益误差 在理想的模数转换器中，转换时间是包括输入信号的获取时间在内，转换器 完成单次转换所花费的时间。另一方面，最大采样速率是采样能在此速率下连续 地转换的速率，它般是转换时间的倒数。然而，我们应当知道由于流水线操作 或多路技术，一些转换器在输入和输出之间有一个大的等待时阉，然焉它们仍然 保持高的采样速率。例如，一个流水线操作的1 2 位模数转换器可以有2 p s 的转换 时间( 即5 0 0 k h z 的采样速率) ，然而从输入到输出却有2 4 邮的等待时间。 幽模数转换器的原理可知，邸使是在理想的模数转换器中，量化误差也会出 现，如图2 5 所示。我们在处理的时候将这个误差等价为一个附加的噪声源，这就 是量化噪声。我们假设量化噪声v o 是一个均匀分布在+ v t s f f 2 之间的随机量。这 样的误差信号岛( x ) 的概率密度函数是一个常量值，如图2 - 6 所示。则量化误差的 平均值魄“玉和均方根魄鼬s ) 为： 7 电予科技人学硕上学位论嶷 l 2 重 2 图2 s 模数转换器的量化误差 是国 j l |k i ， 1 t r 一jp 璐8 三 二 图2 - 6 模数转换器酶量化误麓酶势毒 v q ( a v g ) = e 砌c 触= 去c 乞圳= 。 c 2 m 喙嬲= 【茗2 局善瓣f 忿= 【志艇乞善2 苏牙缝= 等 ( 2 之) 同样，我们假设v i n 是一个在。和v r e f ( = 2 吃始) 之间的正弦波信号， 于是，正弦波戆直流功率是，2 压，这样就可以褥窭模数转换器蕊动态参数孛 的两个关键参数枯噪比( s n r ) 和有效位数( e n o b ) 之间的关系，如下： 黜瑙t 曙c 穗m 。魄t 糕m g c 枷 沼3 ) 2 3 模数转换器的分类 燃一6 0 2 + 1 7 6 d b ( 2 4 ) 通常，模数转换器具有三拿基本功熊：采样、量纯帮编码抗混叠滤波通常逶 第一二章模数转换器和双积分原理基础知识 过模数转换器本身的带宽有限特性来实现) 。如何实现这三个功麓，决定了模数 转换器的电路结构和工作性能。a d 转换器的类型很多，下面介绍几种髓前常用 的模数转换器【5 】。 2 3 1 积分墅模数转换器 积分型模数转换器在低速、高精度测量领域有着广泛的应用，特别是在数字 仪表测量领域。积分行模数转换器有单积分和双积分两种转换方式，单积分模数 转换器的工作原理是将被转换的电信号先变成一段时间间隔，然后再对时间间隔 记数，从而间接的把模拟量转换成数字量的一种转换方法，它的主要缺陷是转换 精度不高，主要受到斜坡电压发生器、比较器精度以及时钟脉冲稳定性的影响。 为了提高积分型模数转换器在弱祥条件下的转换精度，可采用双积分型模数 转换器，双积分模数转换器通过对模拟输入信号的两次积分，部分抵消了由于斜 坡发生器所产生的误差，提高了转换精度。双积分型模数转换器的特点表现在： 精度较高，可以达到2 2 位；抗干扰能力强，意于积分电容的作用，能够大幅抑止 高频嗓声。但是，它的转换速度较慢，转换精度随转换速率的增加丽降低，所以 这种转换器主要应用在低速的转换领域，如测量领域。双积分模数转换器的简化 框图如图2 8 所示1 6 】f n 。 v i n v r e f 时钟 计 数 器 仪船 lf 图2 - 8 双积分模数转换器的结构图 2 3 2 逐次逼近型模数转换器 逐次逼近型模数转换器在巍今的模数转换领域有着广泛的应用，它是按照二 分搜索法的原理，类似于天平称物的一种模数转换器。也就是将需要进行转换的 模拟信号与已知的不同的参考电压进行多次比较，使转换后的数字量在数值上逐 次逼近模拟量的对应值。逐次逼近型模数转换器的特点是：转换速度较高；在低 于1 2 位分辨率的掌裔况下，电路实现上较其他转换器成本低；转换时闻确定。僮这 9 电子科技人学硕士学位论文 种转换器需要数模转换电路，由于高精度的数模拟转换电路需要较高精度的电阻 或电容匹配网络泌1 1 9 1 ，故精度不会很高。逐次逼近型模数转换器的简化框图如图2 - 9 所示【6 】。 v i nr 2 3 3 并联转换器 图2 - 9 逐次遁近型模数转换器酶结构圈 v r e f 并联转换器( f l a s hc o n v e r t e r ) 在所有的模数转换器中转换速度最快，是实现超 高速转换器的标准方法，也是一种越接的模数转换方法。如图2 1 0 所示，输入信 号经过电阻串分压，进入并联的2 n 个比较器中，比较器的输出进入优先编码器经 过编码得到对应的数字输出。它大大减少了转换过程的中间步骤，每一个数字代 码几乎在同一时刻褥到，因此它的主要特点是转换速度快，特别适合高速转换领 域。同时缺点是分辨率和功耗不能兼得，分辨率一般在1 0 位以下【i o 】，当精度较高 时其功耗也较大，这主要是受到了电路实现的影响。因为一个n 位的并联转换器 需要( 2 n 1 ) 个比较器和分压电阻，精度越高，比较器酶数譬就越多，制造越困难。 在追求低功耗的今天，这种转换器也不是一种最好的转换方法。 图2 1 0 并联模数转换器的结构图 1 0 n 位 数字 输出 第- 二章模数转换器和双积分原理基础知识 2 3 4p i p e l i n e 模数转换器 上面提到的并联模数转换器需要在功耗和精度之间进行折衷，在需求低功耗 的今天，这是一个缀难解决的润题。一种新的结构l p i p e l m e 模数转换器一能 够更好的解决这个问题，一个简化的p i p e l 妇模数转换器的结构框图如豳2 1 l 所 示。每一个数字近似者( d a p r x ) 完成在算法的基本步骤中所需的基本运算。具 体的说，对于一个有符号的转换，输入电压与0 比较，如果v i n 0 ，那么 v o u t = 2 v m - v r e f 2 ，并且b o u t = l ；否则v o u t - - 2 v i n + v r e f 2 ，并且b o u t - - 0 。同时，每 一个d a p r x 包含一个s i - i 来存储输入信号。只要前面的d a p r x 的数字输出也被 存储起来，那么这个s h 允许前蕊的d a p r x 在随后的d a p r x 结束前立即用于处 理它接下来的输入信号。虽然处理每一个输入信号需要n 个周期( 即等待时闻是 n ) ，但是每一个时钟都有一个新的采样输入进来。这样，处理速率是一个采样周 期，但是复杂度仅仅与n 成比例，这要小于同样处理一个采样周期的其他结构。 同样，其功耗和面积也就要更小，如要得到同样位数的数据，并联模数转换器需 要个比较器，瓶p i p e l i n e 模数转换器只需要n 个比较器( 用在d a p r x 中) 。 p i p e l i n e 模数转换器的速度可以达到很高，在1 9 9 3 年c o m o y 等人【l l 】就已经做到了 8 5 m s s 。 v i n 图2 1 1p i p e l i n e 模数转换器的结构图 b n 1 电予科技火学顾j ：学位论* 义 2 3 。5 折叠插值模数转换器 折叠插值模数转换器逶过预处理电路，同时得到离位和低位数据，焉元件的 数目却比较少。折叠插值模数转换器的信号预处理的方法是折叠。折叠就是把输 入放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闻，该区闽也以数字量 表示，这个数据为整个数字量的高位数据。高位数据和低位数据经过处理，得到 最后的数字信号。图2 ，1 2 是一个8 位的折叠型转换器的信号处理示意图，它将输 入信号折叠成8 个区间，用3 位数字表示这8 个区间，然后再将折叠后的信号转 换成5 位数据量。 图2 - 1 2 辑爨型转换器的信号处理示意图 实际的折叠电路是由多个差分对构成的，并不能形成如图2 。1 2 所示的三角形 折叠波，一般在最大值及最小值处较圆滑，造成较大的非线性误差，这可通过采 用多个折叠电路的办法进行改进。如果数字量低位部分有5 位，采用3 2 个折叠电 路，通过调节各个折叠电路的基准电压，使每个折叠区间产生3 2 个过零点，然后 把这3 2 路折叠后的信号送入比较器，再经过编码，产生低位数据。但是3 2 路折 叠电路的电路规模较大，体现不出它的优势，所以通过插值的方法来产生相同的 效果。仍以低位为5 位量化为铡，只采用个折叠电路，那么每个折叠区间会有4 个折叠波。再利用8 个电阻分压产生的基准电压，调节逐个4 个折叠电路，就可 以得到另外的7 组折叠波，同样可以产生3 2 路折叠波。图2 1 3 就是折叠插值模数 转换器的结构图。 1 2 第二牵横数转换器和双积分原理基础知识 图2 13 折叠型转换器的结构图 2 3 。6s i g m a - d e l t a 模数转换器 s i 酆a a - d e l t a 模数转换器是近几十年发展起来的一种过采样模数转换器，目前 在音频及测量领域得到广泛的应用。过采样有如下优点：首先，过采样模数转换 器的数字电路更为复杂，因而降低了对模拟电路的相关要求。这两者之闻此消彼 长的平衡关系对于使用3 3 v 电源的现代亚微米技术来说，显得更为重要，因为在 小范围内实现复杂的高速数字电路相对简单一些，而用低电源电压和输出阻抗较 大的晶体管( 由短沟道效应引起) 来实现高分辨率的模拟电路会复杂得多。利用 过采样模数转换器，模拟部件降低了配组公差和放大器增益的要求。其次，降低 了对模数转换器中消除混叠滤波器的要求。而且，过采样模数转换器的输入端通 常不需要进行采样保持。 s i g m a - d e l t a 模数转换器由s i g m a - d e l t a 调制器和数字滤波器两部分组成，调 制器是核心部分，其结构如图2 1 4 所示。调制器利用积分和反馈电路，具有独特 的噪声成型功能，把大部分量化噪声移出基带，因而s i g m a - d e l t a 模数转换器有着 极高的精度，可达2 4 位以上。模拟信号经过调制后，得到的是一位的高速 s i g m a - d e l t a 数字流，包含着大量的高频噪声，因此还需要进行数字滤波，除去高 频噪声和降频，转换后的数字信号以奈奎斯特频率( 信号最高频率的2 倍) 输出。 图2 - 1 4s i g m a - d e l t a 调铡器的结构图 电予科技人学颂j ：学位论文 s i g m a - d e l t a 模数转换器的主要特点是：转换的精度很高，可达2 4 位以上； 由于采用了过采样调制、噪声成型和数字滤波等关键技巧，充分发扬了数字和模 拟集成技术的长处，使用很少的模拟元件和高度复杂的数字信号处理电路达到高 糙度( 1 6 位以上) 的爨的；模拟电路仅占5 ，大部分是数字电路，并且模拟电路 对元件的匹配性要求不高，易于用c m o s 技术实现。但s i g m a - d e l t a 模数转换器的 采样频率过高，不适合处理高频( 如视频) 信号，这虽可通过高阶的s i g m a - d e l t a 调制器来解决，但考虑到稳定性，一般只在3 阶以下。文献瓣2 】是b o s e r 等人傲的 一个二阶s i g m a - d d t a 模数转换器。 2 4 双积分原理分析 由前面的知识可知，积分型模数转换器是在非常缓慢变化的信号上实现高精 度数据转换的一种常用的方法，主要用在测量领域。这种类型的模数转换器除了 高线性之井还有很低的失调误差和增益误差。积分型模数转换器的另外一个更突 出的优点是在它们的实现中需要较小数量的电路。 积分型模数转换器分为单积分模数转换器和双积分模数转换器，它们都是基 于积分原理来实现的。单积分模数转换器的原理参见图2 1 5 【l 翻。 v 遗 时钟 图2 1 5( a ) 单积分模数转换器的结构图 v m t 。 图2 1 5 ( b ) 单积分模数转换器的实现原瑾图 1 4 第二章模数转换器和双积分原理基础知识 输入信号v i n 经过积分器积努樽v 时，使得v 雕t 为： v m r ( 垆去p 拈v , i n r t c i n t - ( 2 - 5 ) 当v 骚滞v r e f 时，比较器输出一令控裁僖号使计数器蒋正计数，此时计数器静读 数就是转换的结果。此结果正魄予m c ，所以受积分电阻和积分电容的绝对值 的影响较大。同样，参考电压v r e f 也必须非常准确。这些要求是这种转换方式很 致命的缺点。 为了提高积分型模数转换器在瓣样条件下的转换耩度，可采用双积分模数转换 器，双积分模数转换器通过对模拟输入信号的两次积分，部分抵消了嘲于斜坡发 生器所产生的误差，提高了转换精度。双积分模数转换器的原理如图2 1 6 所示， 囊积分是摇模数转换器要完成一次转换需要进行两次积分，分为阶段( 王) 窝阶 段( h ) 。 v i n v r e f 对钝 计 数 器 ”4 |l v n , r r 图2 1 6 ( a ) 双积分模数转换器的结构图 t 2 ( 对应三个输入) 闰2 - 1 6 ( b ) 双彀分模数转换器鲍实瑰原理麓 1 5 电子科技人学硕士学位论义 髟 段( 1 ) 阶段( i ) 开关s i 与一v i n 相连，透过运行计数器2 n 个时钟周期决定的长度为 t l 的固定时间间隔，因此我们有： 墨= 2 气i k ( 2 6 ) 其中1 r c l k 是一个时钟周期。由于开关s l 与x r m 相连以至于v n c r 向上倾斜与v m 的 幅度成比例。假设v 烈t 开始等于零( 由于s 2 上的一个脉冲) ，对于v n c r ，我们有 下面的关系： v 。r r ( 忙一c 蚍r cf = 急t ( 2 - 7 ) 因此，在阶段( 1 ) 结束处，v n c r 的值等于v i n t l r c 。 阶段( i i ) 阶段( i i ) 中时间t 2 是一个变化量，如图2 1 6 ( b ) 中所示的三个不同的输 入电压。在这个阶段的开始，计数器被重置，开关s l 与v r e f 相连，导致在v n c r 处的下降电压为一个直坡。为了得到数字输毒值，计数器只是简单的计数直到v t 瓢r r 小于零( 这个判断通过比较器来实现) ，在此点出现的计数值等于输入信号v i n 的 数字化值。因而，假设数字计数被归一化以至于最大的计数是一个单位，计数器 输出b o u t 能被定义为： = b 1 2 - 1 + b 2 2 以+ + 6 q 2 一( _ 1 ) + 6 2 一 ( 2 8 ) 同时我们有： 恐= 2 n s o 埘= ( b 1 2 1 + b 2 2 - 2 + + h 一1 2 _ ( - 1 ) + b 2 - s ) 2 强疆 ( 2 9 ) 为了理解为什么这个计数给出了正确的值，我们在阶段( i i ) 中对于v n c r 的方程 由下式给毫： 酬归一丘簪v i n t ( t 1 ) = 等”驴警 ( 2 1 0 ) 因为当t = t 1 + t 2 时v m 等于零，所以我们能写成： 一_ v r g _ r ：+ 盟端o ( 2 - 1 1 ) 袁er c 1 6 第二章模数转换器和双积分掀理基础知识 因此，您相对于t l 有下面的关系： 恐= 五( ) ( 2 - 1 2 ) y 坷 用公式( 2 。6 ) 和公式( 2 9 ) 合并公式( 2 1 2 ) ，我们得到所预期的下式： 掰：魂2 1 + 如2 2 斗+ 一1 2 - ( n - - 1 ) + b n 2 一n 。喜奠 ( 2 1 3 ) 蜒 从公式( 2 1 3 ) ，我们发现通过一个双积分转换( 即两个阶段) ，数字输出不依赖时 间常量r c 。实际上，在一个单独的转换中，这个时间常量的值对于某些运算仅需 要是稳定的。但是，应该合理的选择电阻r 和电容c ，使褥可以没有龚l 波的德到 v n c r 的一个合理的犬峰值以减小噪声影响。 还有一点需要指出，工频干扰在很多电予设备中都存在，而在双积分模数转 换器中，适当选择譬l 可以抑制工频干扰，提高系统性能。例如，如果输入信号v m 是一个壹流电平，在它上面添加有6 0 h z 的电源工频子扰信号，则选择t l 等于 1 6 6 7 m s 的整数倍就能滤出电源工频干扰。即： 端捌) + 勉 ( 2 _ 1 4 ) 其中，v m ( i d e a l ) 是理想的直流电平，v m ( 6 0 h z ) 是电源工频干扰信号。将这个v i n 代入公式( 2 7 ) ，我们有： 嘞( 驴一g 警一( - v i i n ( i d e a l ) ) r cd 卜磬( - v n ( 6 0 h z ) ) d f ( 2 - 鳓 当t l 是1 ( 6 0 h z ) ( 即1 6 6 7 m s ) 的整数倍时，公式( 2 1 5 ) 的最后一项可被视为 等予零。用这种方法，峰值v n c r ( t 1 ) 保持正确以使转换在没有误差的情况下被 执行。注意：对于同样的t l 值，6 0 h z 的谐波同样被抑制( 即：1 2 0 h z 、1 8 0h z 、 2 4 0h z 等) 。实际上，其他的频率也被衰减，但不像6 0 h z 的谐波完全被抑制。这 种滤波效果还可以从频域的焦度去理解。如图2 1 6 ( a ) 所示，开关s 1 只在整个 转换周期的时间t l 内连接输入信号，相当于是用长度为t l 的一个方形脉冲对输入 信号进行了采样，幽于方形脉冲的傅立叶变化是一个“s i n ( x ) x ”类型的响应，所以 我们有如图2 1 7 所示的输入滤波器。这里我们假设t l = 1 ( 6 0 h z ) ，则滤波器的传 输函数为： 1 7 电子科技人学硕士学位论文 l h 列 l 岫 m | = | 箐l 2 5 本章小结 图2 1 7 双积分模数转换器的滤波原理图 f 湖嗍畔习 t x o o 铽斌罅 ( 2 1 6 ) 本章主要是有关模数转换器基础知识和双积分原理的介绍。首先介绍了模数 转换器的组成：混叠滤波、采样保持、量诧和编码；接着介绍了模数转换器的主 要参数，静态参数包括积分非线性( i n l ) 、微分非线性( d n l ) 、增益误差、失调 误差，动态参数包括转换时间和采样速度、有效位数( e n o b ) 、信噪比( s n r ) 等，这些都是设计和测试的主要指标；模数转换器的分类也是一个方面，包括积 分型、逐次逼近型、并联型等：最焉是双积分模数转换器原理的详细介绍，包括 转换的原理和该类模数转换器对电源工频干扰屏蔽的原理的介绍。 1 8 本章要点： 第三章双积分模数转换器的系统分析 第三章双积分模数转换器的系统分析 电路蹩体架构和主要时序分析 运算放大器的性能对系统的影响 比较器的性能对系统的影响 模拟地( c o m m o n ) 的噪声对系统的影响 本章小结 3 1 电路整体架构和主要时序分析 0 融闻鹾溅 n dl o 图3 - 1 电路整体絮构图 电路的整体架构如图3 1 所示( 虚线框内为片上部分) ，这里参考了文献f 1 4 】【1 5 1 ， 在这两个文献中对电路的整体架构有较详细的描述，这里不再仔细分析。整个电 路由模拟部分和数字部分组成，模拟部分受数字部分的时序控制，完成输入信号 1 9 电子科技大学硕士学位论文 的积分、反积分、过零比较。数字部分采样模拟部分比较器的输出，进行计数、 编码和控制逻辑的产生。b i a s 为模拟部分的运放、比较器、b g 、v c o m 提供偏 置电流。b g 产生1 2 v 的基准电压经过v c o m 升压到2 5 v 作为模拟部分的地电 平( 整个芯片的供电压为5 v ) 。a z 、i n t 、d e + 、d e 、z i 是由数字部分产生的 控翻时序，控制模拟郝分的开关( 离电平控制开关导透) 以进行我们需要的消失 调、信号积分、反积分、零积分等操作，顺利完成一次转换，在同一时刻它们中 间只能有一个为高电平，其余全为低电平。 在毫路上电以后，数字逻辑控制先将z 至置离，让图3 1 中标识夏的开关导通， 并开始计数。这样傲可以诖b u f f e r 、积分器和比较器接成一个闭环，用比较器 输出的商电平或低电平对积分电容c m t 进行反积分，从而消除积分电容上可能存 在的电荷，为后面的转换扫清道路。 经过一定时闻的计数以后，在变低z l 的同时数字电路将a 。z 置高，让模拟部 分进入a - z 状态，计数器继续计数。a z 状态模拟部分要完成两个工作，一是用 r e fh i 和r e fl o 之间的压差给参考电容c v e r 充电，将c r j w 充电至一个指定的电 平( 1 v 或1 0 0 m y ) ，羽来作反积分的输入( 参见图2 1 6 ( a