（电路与系统专业论文）10位80msps四路并行流水线adc的设计.pdf

摘要 摘要 随着数字信号处理技术的迅猛发展，高速高分辨率的模数转换器 ( h i g h s p e e dh i g h p r e c i s i o na d c ) 在信号处理中处于非常重要的地位，当前， 国内在高速高分辨率模数转换技术方面的研究尚处于比较低的水平。本文对高 速高精度模数转换技术进行了研究与设计。 本文完成了一个l o 比特8 0 m h z 采样率秒四路并行流水线模数转换器的设 计，并取得了其主要性能的仿真结果，同时对其中的单路流水线模数转换器进 行了流片。 该模数转换器采用1 5 位流水线转换结构和优化的时间重叠技术，对传统 的流水线模数转换器进行结构的优化，大大降低了功耗和实现高采样速率的难 度。本设计采用全差分的电路结构，主要的子模块电路包括：基于栅压自举的 高性能c m o s 开关：基于增益提高技术的高增益高单位增益带宽的共源共栅运算 放大器；基本消除开关回踢噪声的动态比较器；高性能的采样保持电路；子区 模数转换器；通道时钟控制产生模块；数字算法实现模块等。这些模块电路的 设计是整个并行流水线模数转换器的关键技术，本文对这些电路的设计进行了 详细的分析，同时给出了这些模块和芯片的总体仿真结果。 本设计是在h j t c0 1 8 啪3 3 v 的c m o s 工艺下设计，版图是h j t c1 p 6 m 混 合信号工艺，单路流水线模数转换器的芯片面积( 不含p a d ) 为0 9 8 2 姗2 。 关键词：模数转换器并行流水线结构c m o s 芯片设计高速度高分辨率 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o i o g y ，h i g h - s p e e d h i g h - p r e c i s i o na n a l o g - t o - d i g i t a l c o n v e r t | e rp l a y sa ni m p o n a mr 0 1 ei nt h es i g n a l p r o c e s s i n g a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho ft h ea r e ai ss t i l la tar e l a t i v e l yl o wl e v e li no u r c o u n t r y h i g h - s p e e dh i g h p r e c i s i o na n a l o g t o - d i g i t a lc o n v e r s i o nt e c h n o l o g yw i l lb e r e s e a r c h e da n dd e s i g n e di nt h i sp a p e r i nt h i sp a p e r ，w ec o m p l e t e dt h ed e s i g no fa10 - b i t8 0m h zs a m p l i n gr a t ep e r s e c o n dp a r a l l e lp i p e l i n ea d cw i t hf o u r c h a 肌e l s ，a i l dw eh a sg o tt h es i m u l a t i o n r e s u l t so ft h em a i np e r f o r m a n c e t h ec h i po fo n ec h a m e lp i p e l i n ea d ch a sb e e ns e n t t oc a se d ac e n t e rt ob em a n u f a c t u r e d t h ea d ci sd e s i g nw i t ht h es t m c t u r eo f1 5b i t 站唱em o d eb a s e do no p t i m i z e d t i m e i m e r l e a v e dt e c h n i q u e t h ep r o p o s e dd e s i g na c h i e v e sm eg o a lo ft h er e d u c i n go f t h ep o w e rc o n s 眦p t i o na n dt h ed i 丘i c u l t yo fa c h i e v i n gl l i g h - s p e e dc o n v e r s i o nb y o p t i m i z i n g t h et r a d i t i o n a lt i m e i n t e r l e a 、，e d t e c h n i q u e t h ed e s i g n u s e sa 如1 l y d i 疵r e n t i a ls t r u c t u r eo ft h ec i r c u i t s t h ea d ci n c l u d e st h ef o l l o w i n gm a i n c i r c u i t - m o d u l e s ：t h eh i g h - p e 墒锄a i l c ec m o ss w i t c hb 2 l s e do nt h eg a t e v o l t a g e b o o t s t r a p ；ah i g h g a i nh i g h - s p e e df h u yd i f j i e r e n t i a l f o l d e dc a s c a d eo p e r a t i o n a l a m p li f i e rw i t hg a i n b o o s t e dt e c h n o l o g y ；t h ed y n a m i cc o m p a r a t o r sw h i c ha r el a c ko f k i c k b a c kn o i s e ；h i g h p e r f o n 】1 a n c es 锄p l ea n dh o l dc i r c u i t ；d i s t r i c ta d c ；t h ec l o c k m o d u l ea n dt h ed i g i t a la l g o r i t m o d u l e t l l ed e s i g no ft h e s em o d u l e si st h ek e y t e c h n o l o g yo ft h ep a r a l l e lp i p e l i n ea d c t h ep a p e rc a 玎i e so u tad e t a i l e da n a l y s i so f d e s i g no ft h e s ec i r c u i t sa n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h ep r o t o t y p ea d ci sf a b r i c a t e di nh j t co 18 u m1 8 v ，s i n g l e - p o l ys i x m e t a l ， m i x e d - s i g n a lc m o sp r o c e s s t h ec h i po ft h eo n ec h a n n e lp i p e l i n ea d co c c u p i e s o 9 8 2 m m 2 ( e x c l u d ep a d s ) k e yw o r d s ：a n a l o g t o - d 硒t a lc o n v e r t e r ，p a r a l l e lp i p e l i n ec o n s t m c t i o n ，c m o s ， i n t e g r a t ec i r c u i td e s i g n ，h i 曲s p e e d ，h i g hp r e c i s i o n i i 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文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也遵守此规定。 作者签名：至丛盟：越。 加d8 年箩月，么日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 模数转换器的分类和应用 随着数字信号处理技术的迅猛发展，电子通讯产品的数字化的发展趋势不 可阻挡。所谓数字化技术，就是把信息转换成二迸制数字编码，再进行组织、 处理、存储、加工的现代信息处理技术。数字技术相对于传统的模拟技术有以 下特点：l 、数字信号电平少而且稳定，易于识别，因此数字系统抗干扰能力强， 稳定性好；2 、数字信号处理电路以逻辑电路为基础，电路结构简单，设计方便， 集成度高；3 ，当前，s o c ( s y s t e m o n c h i p ) 、s i p ( s y s t e m i n p a c k a g e ) 技 术发展，数字系统接口标准易于规范，开发相对容易，大大降低系统成本，提 高系统的灵活性和可移植性。 然而，自然界存在的绝大多数物理量都是幅值连续变化的模拟量，这些模 拟物理量虽然可以通过模拟电路直接进行处理，但是，由于模拟信号的采集、 传送、存储和信号处理都不容易实现，因此，我们需要先把这些模拟信号转换 成数字信号，然后通过d s p 或c p u 等数字处理系统对其进行处理。 a n a l o gw o r l d d i q i t a lw o r l d 图卜l模数转换器是数字系统观祭模拟世界的h 艮镜 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 ，简称a d c ) 就是一种将模拟 信号转换为数字信号的器件，它的工作就是将输入的模拟量依一定的编码规则 转换成相应的数字编码。任何类型的模数转换器都包含三个基本的功能：采样 保持、量化、编码。采样保持将模拟信号在时间上离散化；量化将采样的模拟 信号幅度离散化使之成为数字信号：编码则是将数字信号按一定的编码规则最 终表达成数字系统所能接受的形式。 1 第l 章绪论 模数转换器( a d c ) 类型多样，出现了许多采用新工艺、新结构的高性能模 数转换器，它们具有不同的结构和性能( 朱臻，2 0 0 2 ) 。在不同的场合，根据对 转换速率、分辨率、功耗等方面的要求，选用不同的模数转换器，现将目前主 要存在的模数转换器类型总结如下： 1 f 1 a s ha d c ：采用全并行的转换处理方式，其量化过程是一次完成的， 转换速度快，可达几百m h z 到上g h zs p s ( 采样率秒) 。缺点是分辨率不高， 一般都在8 位以下；且随着分辨率的增加，内部器件呈几何级数增加，即面积 和功耗呈几何级数增加。所以，f l a s ha d c 具有高速低精度的特点，主要应用于 一些高速信号处理但对精度要求不高的场合，例如射频领域。 2 积分型a d c ：应用比较广泛的是双积分型转换器。它的基本原理是通过 两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔，与此同时， 在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，实现模数转换。双积分型模 数转换器的特点主要是：高精度，它的分辨率一般为l o 一1 4 位，而且，抗干扰 能力强，由于积分电容的作用，能够大幅抑制高频噪声；但是，它的转换速度 很慢，一般仅为1 0 0 3 0 0 次秒，且转换精度随速率的增加而降低。所以，这种 模数转换器一般用于低速高精度的转换领域。 3 逐次逼近型( s a r ) a d c ：这种模数转换器应用广泛，它采用试探误差技 术对输入的模拟信号进行数字编码逼近，即将模拟输入与数模转换器的反馈信 号不断进行比较从而产生数字输出。一个n 位的数字信号逐次逼近的过程需要n 个时间周期。缺点是当高于1 2 位分辨率时，精度难于达到要求，且随着位数的 增加，完成一个逼近过程所需要的时钟数越多，变换速度越低；输入的模拟信 号在进入模数转换前需要进行处理，包括增益级和滤波，这些也会增加模数转 换器的成本。所以其适用于中、低速而分辨率相对较高的系统。 4 过采样一模数转换器：这是一种采用调制器方式实现高分辨率的模数 转换器，其特点是采用过采样技术来提高a d 转换的精度，它的采样频率远远 超过n y q u i s t 采样速率，也即， z ，其中f 为信号的带宽， ，为采样的频 率。过采样一模数转换器主要有一调制器和数字滤波器构成，及为这两个 模块提供适当定时的时钟模块。一型模数转换器通过积分使量化噪声位于高 频带并通过一个数字滤波器滤除，从而实现高分辨率。一型模数转换器模拟 电路部分相对简单，数字滤波部分较为复杂，主要采用的有1 阶和2 阶一调 制器。一a d c 一般转换精度为1 2 2 4 位，适合于几百k h z 频率以下的信号转 2 第l 章绪论 换，具有低价格高性能( 高分辨率) 、集成化的数字滤波以及与d s p 技术兼容， 便于实现系统集成等优点，广泛应用于声音、图像及其他需要高动态范围的低 频信号处理中。 5 流水线( p i p e l i n e ) 型a d c ：也称为子区式模数转换器，是近几年发展 起来的一种新型a d c ，可以认为是逐次逼近型a d c 的一种变形结构，它的结构集 中了闪烁式a d c 和算法型a d c 的优点，由于其子区转换、流水操作的特点，能 够同时实现较高的精度和速度，并且在芯片面积和转换时间上也实现了较好的 折衷，是一种可以实现高速高分辨率模数转换的结构，精度一般在1 0 1 6 比特， 转换速度从l o m s p s 到2 0 0 m s p s 。流水线a d c 采用多个低精度的闪烁型模数转换 器对信号进行分级量化，然后将各级的量化结果按照一定的算法组合起来，构 成一个高精度的量化输出。每一级由采样保持电路( s a m p l ea n dh o l d ，s h ) 、 低分辨率子模数转换器( s u b a d c ) 、子数模转换器( s u b d a c ) 以及乘法增益 电路、数字校准电路构成。流水线a d c 每级在完成当前的模拟值量化后就可进 行下一个模拟采样值的量化，而量化后的模拟值经过求和及乘法运算进入下一 级的量化，这就类似于一个流水线作业车间组装机器，各级协同作业，每完成 一个动作就相当于组装好了一部机器，因而这种流水线的结构可以获得很高的 转换速率；而分级量化的量化值通过算法校准则可以得到较高的精度。这种模 数转换器适用于同时需要高转换速率和高分辨率的场合，在数字传输，视频图 像处理等领域具有广泛的应用前景。 1 2 模数转换器的研究现状和进展 自从集成电路出现以来，在市场需求和成本的驱使下，半导体技术突飞猛 进，集成电路的规模和速度按照摩尔定律指数地增长。数字系统无论是在处理 能力还是处理速度上都取得了飞速的发展，相对而言，模拟和数模接口电路的 设计却相对落后于数字电路的发展，因此，在一些包括数模接口的电子系统， 如数字视频系统和数字通信系统中，接口电路的性能( 如速度、精度) 成为限制 整个系统性能的瓶颈。另外，靠电池供电的便携式设备日益普及，也要求在达 到高速、高精度的前提下，消耗尽可能小的功耗，以维持较长的待机时i 白j 。这 些都给数模接口电路，特别是给模数转换电路的设计带来了极大的挑战。 3 第1 章绪论 精度1 0 比特及以上的高速模数转换器广泛应用于数字视频和通讯系统 中，考虑到流水线结构可以在速度、精度、功耗和芯片面积之间达到最好的折 衷，目前大多数l o 比特以上的高速采样模数转换器基本都采用这种结构。 为适应计算机、通讯和多媒体技术的飞速发展以及高新技术领域的数字化 进程不断加快，模数转换器在工艺、结构、性能上都有了很大的进步，j 下朝着 低功耗、高速和高分辨率的方向发展。其中流水线a d c 由于具有较高的精度和 高采样速率，在数字传输，视频图像处理等领域，备受青睐。采用并行结构的 流水线a d c ，可大大提高流水线a d c 的采样速率，然而，多路并行意味着功耗的 升高，设法降低功耗是个重要的问题。 在国际上，流水线a d c 的研发比较早也比较先进，目前，用1 8 0 n m 或者9 0 n m 工艺，国际上已经能达到1 0 b i t 1 5 0 i h z ( s a n g m i n y o o ，e ta 1 2 0 0 3 ) 、 l o b i t 2 0 0 m h z ( l a u r is u m a n e n ，e ta 1 2 0 0 1 ) 的性能，近两年在精度上也有1 4 b i t 精度的流水线a d c 出现( y u nc h i u ，2 0 0 5 ) 。但在国内，关于流水线a d c 的研 发尚不够成熟，在“十五”技术规划中，确立的目标仍然仅是4 0 洲z 1 0 b i t 。 1 3 本论文组织结构 本论文共分为6 章，具体安排如下：第一章( 本章) ，绪论，讲述模数转 换器的作用及主要分类，以及流水线模数转换器的研究现状和进展；第二章， 流水线a d c 的原理与性能评判，简要分析了流水线的原理结构，并举例说明了 其算法优越性；第三章，并行流水线a d c 的系统结构，从传统的并行结构入手， 提出本文采用的优化时间重叠技术结构，并根据设计目标确定主要电路模块的 性能指标：第四章，主要电路设计，较详细分析了实现并行流水线a d c 的关键 电路设计，并给出相应的仿真性能和评价；第五章，芯片版图及整体仿真结果， 讲述了版图设计的总体思路和流程，给出了已流片的单路流水线a d c 模块及整 体芯片版图，并给出并行流水线a d c 的整体仿真及性能评价；第六章，总结与 展望，是本文的最后一章，首先对本论文进行了概况的总结，提出下一步的工 作，并对高速模数转换器面临的挑战和机遇进行了简单的展望。 4 第2 章流水线a d c 的原理 第2 章流水线a d c 的原理与性能评判 2 。1 流水线模数转换器的发展 流水线a d c 是近几年发展起来的一种新型模数转换器，其雏形最早出现在 2 0 世纪3 0 年代( b mg o r d o n ，e ta 1 1 9 7 8 ) ，不过当时是分立元件的模拟技术阶 段，要实现模数转换不仅成本高而且体积、功耗巨大，实际应用价值不大，因 而极少采用这种技术。直到上世纪8 0 年代，深亚微米集成电路设计的成熟和发 展，促使了模数转换器的进一步发展。因为流水线a d c 本身就集中了闪烁式a d c 和算法型a d c 的优点，可以认为是一种分级实现的算法型闪烁式a d c ，因此，在 谈到流水线a d c 的结构和发展的时候必定要先了解闪烁式a d c 和分级a d c 的结 构。 2 1 1 闪烁式a d c 的结构 闪烁式a d c 是一种全并行的高速模数转换器，它最早出现在1 9 5 9 年( r s t a f f i n ，e ta 1 1 9 5 9 ) ，这种模数转换器结构简单，速度非常快，直到现在， 在一些速度要求特别高而分辨率要求不高的领域，仍被广泛应用，例如射频模 块的高速a d c 。 闪烁式a d c 的内部结构主要包括参考电压产生电路( 一般由电阻阵列组成) 、 比较器阵列和二进制译码电路，如图2 一l 所示( 施宇峰，2 0 0 5 ) 。因为闪烁式a d c 是采样后直接比较，因此，对于一个n 位的a d c ，就需要( 2 一1 ) 个比较器， 如果要设计一个1 0 位的全并行模数转换器，就要产生1 0 2 3 个参考电压和需要 1 0 2 3 个比较器，其面积和功耗将非常之大，这对要求低功耗和集成度高的集成 系统来说是无法接受的，这是闪烁式a d c 实现高分辨率的致命缺点。在实际中， 超过6 位的模数转换器就很少采用这种结构了。 5 第2 章流水线a d c 的原理 v r e p v 陀r - 图2 一l 闪烁式a d 转换器简图 2 1 2 分级a d c 结构 闪烁式a d c 全并行的处理方式虽然速度快，但是比较器数量巨大，难以实 现较高精度。为解决这个问题，便出现了分步处理的模数转换器，其结构图如 图2 2 所示。 图2 一2n 位两步式a d 转换器的结构图 6 第2 章流水线a d c 的原理 如图2 2 所示的n 位两步式a d 转换器结构( 朱臻，2 0 0 2 ；e r i cr m i n a m i ， 1 9 9 5 ) ，它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n 2 为的m s ba d 转换器求出其高n 2 位值，然后将这n 2 高位值通过d a 转换器 还原，将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n 2 位l s b a d 转换器即可得到低n 2 位值。 显然，我们可以知道，只要使用n 2 位的a d 转换器就能达到n 位的转换 精度，而且整个转换器所需要的比较器数目由原来的闪烁式a d c 的( 2 一1 ) 个 减少为2 ( 2 川2 1 ) 个，当n 较大时，比较器减少的数目相当可观，例如，n = 8 时， 闪烁式的a d c 需要2 5 5 个比较器，而两步式需要的比较器数目仅为3 0 个，仅为 原来的1 8 不到，芯片节省的面积和功耗都将非常可观。但是，这种分级模数 转换器结构，对d a 转换器和减法器的精度要求较高( 陈国平，2 0 0 5 ) 。 2 2 流水线模数转换器的结构和原理 流水线模数转换器( p i p e l i n ea d c ) 是分级式模数转换器的延伸和发展， 也是目前大多数高速高精度模数转换器采用的结构。两步式将数字输入分成2 部分：m s b 与l s b ，我们也可以将这种原理推广而分成很多级，比如把一个十六 位的模数转换器分成8 级，每级2 位，每一个模拟输入信号必须等到最后一级 动作完成，才能得到最终的1 6 位数字输出，这便是流水线的工作方式。 2 2 1 流水线模数转换器的结构 流水线结构的基本思想就是把总体的精度转换要求平均分配到每一级，每 一级的转换结果通过相应的算法校正可以得到最终的转换结果，因此，这种校 正需要一定的校正位，如图2 3 所示( y u nc h i u ，2 0 0 5 ) 。 7 第2 章流水线a d c 的原理 图2 3 流水线模数转换器的结构图 如图2 3 所示的流水线a d c ，它包含了若干个子区式模数转换器，每个子区 具有独立的采样保持电路，形成流水线的工作方式，因此，流水线a d c 也被称 为子区式模数转换器。流水线a d c 的每一级( 每个子区模数转换器) 主要包括 采样保持电路，低分辨的子模数转换器、子数模转换器、余量和增益电路。 在每一级中，模拟输入信号被一个子模数转换器( s u b a d c ) 量化成b 位的 数据输出，然后由子数模转换器( s u b d a c ) 将数字结果转化成模拟信号，再与 保持的输入信号相减。为了使各级输入信号的范围一致，余量需放大2 肛倍后送 下一级。该过程一直重复到转换器的最后一级。将各级的数字输出经过时间对 齐和数字校正电路后就可以得到整个模数转换器的量化输出。因此，从整个转 换过程来说，是流水线的，其转换速率是由单级的最高速率所决定的，与流水 线的级数无关，这就好像一个组装机器的流水线车间作业。 总之，流水线转换器所完成的功能就是一个不断地求商取余数，并把余数 放大相应的倍数，然后重复相同的操作，直到达到最终所需要的结果。流水线 模数转换器的一个很大优点就是模块化程度高，由于有了级间增益，使各级的 模块结构一致，降低了设计复杂度。另外，由于采用了数字校f 技术，每一级 子模数转换器的精度要求降低，其比较器的设计难度也大大降低( 唐鹏，2 0 0 3 ) 。 2 2 21 5 位流水线模数转换器的原理 一般来说，流水线模数转换器的结构有lb i t s t a g e 、m u t i _ b i t s t a g e ( 多 位级) 和1 5 b i t s t a g e 等几种，其区别是子模数转换器转换结果的位数，在 8 第2 章流水线a d c 的原理 图2 3 中，子模数转换器转换出的数字结果的位数，如果i 是l 位数字的，就 是l b i t s t a g e ，如果是多位的，则称m u t i _ b i t s t a g e 。 根据文献( l e w i ssh ，e ta 1 1 9 9 2 ) 的分析，每级的数据位数对每级流水 线的速度、功耗和精度影响很大，需要根据整体模数转换器的要求确定。每级 的数据位数越少，对子模数转换器精度的要求就越低，而且运放在相同的单位 增益带宽条件下各级流水线所能达到的速度也越快。不过，另一方面，如果每 级位数越少，那么整个模数转换器所需要的流水线级数就越多，增加了硬件消 耗，并且由于级间增益较小，后级流水线的误差和噪声对总体电路的影响也较 大。所以，在偏重速度要求的场合常采用每级位数少的结构，在精度要求高的 场合则采用每级位数较多的结构。 其中，1 位模式的流水线a d c 没有校正位，当存在失调或者增益不是理想值 的时候，下一级就不能正确地转换或者纠正误差；n 位模式的流水线a d c 则要求 子模数转换器有2 “一1 个比较器，且对比较器的精度要求较高，这个一般在精度 超过1 2 位的流水线a d c 中用到；目前用得最多的就是1 5 位模式的流水线a d c ， 这种模式的流水线a d c 既提供了校正位，又降低了子区转换器的设计难度。下 面，我们这种分析一下1 5 位流水线模数转换器的工作原理。 如图2 4 ，是一个9 级结构的1 0 位流水线模数转换器，在每一级中，模拟 输入信号被一个子模数转换器( s u b a d c ) 量化成2 位的数据输出，然后由子数 模转换器( s u b d a c ) 将数字结果转化成模拟信号，再与保持的输入信号相减， 余量需放大2 倍后送下一级。9 级共产生1 8 位的数字输出，这些数字输出经时 间对齐后由数字校正电路消除比较器失调误差，最终产生l o 位量化输出。 图2 41 5 b i t 级流水线模数转换器结构图 9 第2 章流水线a d c 的原理 v r v 一2 o v r ? 2 v r h n ( a ) 2 b i t s t a g e 流水线模块传输曲线( b ) 1 5 b i t s t a g e 流水线模块传输曲线 图2 5 每级流水线传输曲线 1 5 b i t s t a g e 的结构和相应的算法是l e w i ss h 在1 9 9 2 年提出的 ( 1 9 9 2 ) ，他是在2 b i t s t a g e 的基础上改进而来的，将原来2 b i t s t a g e 结构中 s u b a d c 的三个比较电平减少为2 个。图2 5 是两种结构的每级流水线传输函数 的比较，横坐标为每级输入信号，即图2 4 中的v i ，纵坐标为每级转换后余量， 即图2 4 中的v o ，0 0 、o l 、1 0 、l l 为每级的数字转换结果。校j 下算法如图2 6 所示，其中d l ( n ) 、d l ( n ) 分别为第n 级数据输出的高位和低位。如果整个a d c 的满量程为【_ 砟，】，那么这种结构的最大优点在于它可以完全消除s u b a d c 中 比较器不大于矿4 的失调误差。文献( b a k e r ，r j ，2 0 0 5 ) 中详细分析和证明了 这种算法，基本思想是将输入表达成d h ( n ) d l ( n ) 的函数和理想输出d ( n ) 的函数，然后对比同类项得到如下的算法。 d h 1 ) d l l d h 2 d l ( 2 ) + 1 ) h ( 9 1o l 9 1 d l o ) d ( 9 d ( 2 ) d 1 1 ) 图2 6 数字校止算法 典型的1 5 b i t s t a g e 结构原理如图2 7 所示( 陈国平，2 0 0 5 ) ： 1 0 ：； 啪 。 妣 坼 第2 章流水线a d c 的原理 s “b a d cs u 肌d a c 图2 71 5 b i t s t a g e 的流水线模数转换器单级结构原理图 这一系统中有两个比较电平以4 和一以4 和三个选择电位k 、o 、一k ，那 么第n 级流水线的传输函数可以用如下面的分段函数来表示，其中矿( ，2 ) 、k ( ，z ) 、 d ( 门) 分别表示第n 级的输入、余量输出、子区转换结果。可得，其传输函数为 式( 2 一1 ) ，这也就是图2 5 ( b ) 的传递函数。 i2 ( 聆) + 杉，k ( 玎) 一k 4 ，d k ( ，2 ) = o o ； 圪( 圪) = 2 ( ，2 ) ，一杉4 上式表示在t c m 的采样时间里面，一共采样了n 个时钟周期，经历了m 个 输入信号周期。可以证明，如果把采样到的n 个点的相位通过对2 兀取模从而映 射到一个正弦波形内，那么映射后的n 个点相互之间具有相等的相位i 白j 隔。采 样点数越多，测量越精确，但同时会造成测量周期过长。 1 8 第2 章流水线a d c 的原理 a d c 中，无杂散动态范围( s f d r ) 指载波频率( 最大信号成分) 的r m s 幅度与次 最大噪声成分或谐波失真成分的r m s 值之比，s f d r 通常以d b c ( 相对于载波频 率幅度) 或d b f s ( 相对于a d c 的满量程范围) 表示。d a c 中，无杂散动态范围( s f d r ) 指载波频率( 最大信号成分) 的r m s 幅度与次最大失真成分的r m s 值之比，s f d r 通常以d b c ( 相对于载波频率幅度) 或d b f s ( 相对于d a c 的满