（电路与系统专业论文）片上10位20兆赫兹流水线ad转换器的设计.pdf

断汪大学硕士学位论丈摘要 摘要 在混合信号系统中，a i d 转换器( a d c ) 是一个十分关键的部分。与 其它结构相比，流水线结构( p i p e l i n e da r c h it e c t u r e ) a d c 的特点 是既能实现高速又能实现相当的分辨率。一般认为，对于分辨率 i o - h i t ，转换率 l m s a m p l e s 的高速高精度a d c 来说，基于标准c m o s 工艺、采用流水线结构是一种合理的设计方案。 在a d c 电路中，采样保持电路( s hc ir c u i t ) 、运算放大器( o p a m p ) 和比较器( c o m p a r a t o r ) 是最基本的单元电路。本文主要针对 采样保持电路进行研究，并设计了一种高性能低功耗的c m o s 运算放 大器，使之能用于高速高精度a d 转换器中。它需要满足转换精度 为1o 位、转换速率为20 m h z 的a d 转换器的要求，并尽量降低功耗 和面积。所设计的a d c 达到的主要性能指标为：在t y p i c a l 、s 1 0 w 、 f a s t 三种不同工艺条件下，采样频率为2 0 m h z 时，转换精度均能达 到10 b i t ，满足了设计要求。输入信号为4 1 25 m h z 的正弦波、采样 频率为2 0 m h z 时，该a d c 的s n d r 达到了5 8 d b 。a d c 的芯片面积为4 m m 2 ， 在5 v 电源电压下的功耗仅为4 9 m w ，能应用于数码相机、数码摄像机、 无线局域网、机顶盒及工业控制，适用于s o c 的系统设计。 关键词：流水线a d o ：采样保持电路；运算放大器；比较器 硕士学位论文 浙江走学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nam i x e ds i g n a ls y s t e m ，t h ea d c ( a n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e r ) i sa l w a y sa n i n d i s p e n s a b l ec o m p o n e n t c o m p a r e d t oo t h e r a r c h i t e c t u r e s ，t h ep i p e l i n e d a r c h i t e c t u r ea d ci sc r e d i t a b l ef o ri t sh i g hs p e e da n dh i g hr e s o l u t i o n g e n e r a l l y s p e a k i n g ，i t sr e a s o n a b l e t oa d o p tt h e p i p e l i n e da r c h i t e c t u r e f o rt h ea d c s w h o s er e s o l u t i o ni s1 0 一b i to rm o r ea n d s a m p l i n gr a t ei sa b o v e1 m s s t h i st h e s i sf o c u s e so nt h er e s e a r c ho fa h i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wp o w e r p i p e l i n e da i d c o n v e r t e rw h i c hi sf a b r i c a t e di na 0 6 m md o u b l e - p o l y d o u b l e m e t a lc m o s p r o c e s s t h ed i g i t a lc o r r e c t i o nt e c h n i q u ei su s e dt or e l a x t h eo f f s e tr e q u i r e m e n to ft h ec o m p a r a t o r s t or e d u c es i g n a l d e p e n d e n tc h a r g e i n j e c t i o na n ds u b s t r a t en o i s ei n j e c t i o n ，t h eb o t t o m p l a t es a m p l i n gt e c h n o l o g y i s a p p l i e d as a m p l e a n d h o l da m p l i f i e r ( s hc i r c u i t ) i sa l s ou s e dt oi m p r o v et h e s i g n a l t o n o i s ea n dd i s t o r t i o nr a t i o ( s n d r ) p e r f o r m a n c ea n dt h ei i n e a r i t yo f a d c t h ec i r c u i ti ss i m u l a t e db yt h eh s p i c es o f t w a r ew h i c hi sb a s e do nc s m c s l i b r a r yo fo 6 p mm i x e d s i g n a lc m o sm o d e l t h es i m u l a t i o nr e s u l t sr e v e a lt h a t t h ea d c d e s i g n e dw i t ht h i sm e t h o da c h i e v e st h es n d r o f5 8 d ba tf u l ls p e e do f 2 0 m h zw h e ni n p u tf r e q u e n c yi s4 1 2 5 m h z f u r t h e r m o r e ，t h ea d cc o n s u m e s 4 9 m w p o w e r a t5 v s u p p l yv o l t a g e w i t hal o w p o w e ro p e r a t i o n a l t r a n s c o n d u c t a n c ea m p l i f i e r ( o t a ) a n dt h ed y n a m i cc o m p a r a t o r s k e y w o r d s ：p i p e l i n e da d c ；s hc i r c u i t ；o p a m p ；c o m p a r a t o r t a n g y j v l s i 自ue d uc n i i 硕士学位论文 断江走学硕士学住论走第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 集成电路发展概况 信息产业是2 1 世纪世界经济的主导产业和支柱产业。微电子产业是信息产业的 基础，它影响面广，后续产业链长，具有极为重要的战略地位。更有学者把半 导体工业总产值与国民生产总值之比达0 5 作为人类进入信息化社会的标志。 由此可见微电子产业的发展水平已成为衡量一个国家综合国力的重要标志之 一，而集成电路产业则是微电子产业的基础、粮食、龙头与核心。人类已进入 了以信息网络为核心的“新经济”时代。而以计算机和通讯为依托的“网络”， 其生存和每一步发展都离不开集成电路芯片技术的支持与更新。用美国经济学 家罗伯特丹玛斯的话来说：“互联网事实上是一种全球范围的半导体网。”集 成电路产业已经成为了当今世界发展最为迅速和竞争最为激烈的产业。 自从1 9 5 9 年牡界上第一块集成电路( i n t e g r a t e d c i r c u i t ，i c ) 在美国的德州仪 器公司( t e x a si n s t r u m e n t s ，t i ) 和西屋电气公司( w e s t i n g h o u s ee l e c t r i c ) 诞生以来，集成电路技术以j 凉人的速度发展。集成电路经历了小规模i c ( s s i ) 、 中规模i c ( m s i ) 、大规模i c ( l s i ) 、超大规模i c ( v l s i ) 和特大规模i c ( u l s i ) 的不同阶段，集成电路的性能( 高集成度、高速度和低功耗等) 迅速提高。i c 发展各阶段的主要特征如表1 1 所示【7 j 。 早在1 9 6 5 年，i n t e l 公司的创始人之一葛顿摩尔( g o r d o ne m o o r e ) 预言说 半导体芯片中晶体管数目每两年大约翻一番，其性能也将翻倍。这句话被人们 称为摩尔定律。由集成电路发展的历史来看，其制作工艺中的特征线宽，则相 对应的每过一代缩小3 0 。过去的几十年以来，集成电路的发展几乎完全按照 摩尔定理。根据乐观的估计，这样的发展势头还要维持1 0 到2 0 年 1 1 。以最为 常见的个人计算机的微处理器为例，i n t e l 公司生产的3 2 位微处理器p e n t i u m 4 ， 其芯片内集成的晶体管数目已经超过了4 2 0 0 万( i n t e lp e n t i u m 43 0 6 g 晶体管 数目已经达到了5 5 0 0 万) 。目前商业化半导体芯片制造技术的主流是0 1 8 m m t a n g y 】 v l s iz j ue d uc n i 硕士学位论文 浙江太学硕士学位论文 第l 章堵论 o 1 3l l m 的线宽，预计今后将很快发展到0 。0 6 1 , l m 甚至更小。从表1 1 、表1 2 和表1 。3 中我们可以清楚看到随着制造工艺不断提高，线宽迅速减小，芯片上 集成的晶体管的数目不断增加，芯片面积不断增大。而i c 在性能迅速提高的同 时，价格却迅速降低。对此，有人通过计算得到这样的结论：假如用真空电子 管而不是集成电路，现在的便携式计算机的内存容量所占体积相当于纽约世贸 中心：假如按集成电路降价的速率降价，现在的一辆汽车仅需2 7 美元。 随着微电子技术的不断进步，集成电路仍在高速发展。当前集成电路发展有两 个主要方向，一是依靠加工特征线宽的不断缩小使集成密度和速度不断提高， 功耗不断降低，以制作出功能更强、性能更好、用途更广的i c 芯片；二是向系 统芯片( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 的方向发展【2 j ，即单一芯片的功能日趋强大。 随着c m o s 工艺的进步，由于c m o s 电路的低成本、低功耗以及速度的不断提 高，出于c m o s 模拟电路设计的不断进步，c m o s 技术已被证明是实现s o c 的 最好选择。模拟电路是s o c 中不可缺少的部分。由于器件尺寸不断缩小和低电 源电压、低功耗等要求，模拟c m o s 集成电路设计在不断地发展，在s o c 中变 得越来越重要。 表1 1 集成电路各发展阶段的特征 、发展阶段1 9 6 6 篮1 9 7 1 焦1 9 8 0 矩1 9 9 0 年以后 主要特征、h s il s l v l s iu l s i 元件数，芯片 i 萨1 穆i 学1 母1 0 s i 8 i 学i c 特征线宽( p m ) i o 一5 s 33 i i n i t i a l i z e ，出现下面窗 口 c l i c ko k 后初始化仿真环境。 选择s i m u l a t o rn a m e 为h s p i c e ，并选择你要作仿真的电路图。 然后就可以用h s p i c en e t l i s t e r 生成网表。在原理图界面 t “g y j 弘l s i z j ue d uc n 9 硕士学位论文 浙汪走学硕士学位论交 第l 车绪论 s i m u l a t i o n 一 n e t l i s t s i m u l a t e ，你可以看到下面的窗口。 关掉r u na c t i o n s 里面的s i m u l a t e 。c l i c ko k 后，你可以看到提示网表是否 生成的提示信息。 生成网表成功后，你还需要下面的操作。 1 删除上述网表文件中的m o d e l 2 加入f o u n d r y 提供的m o d e l 文件、激励向量以及控制开关等。如果要生成 a w a v e s 能读入的波形格式，必须在网表中加入： o p t i o np o s t 编辑网表后，对电路作相应的仿真，测试电路的性能是否满足性能 要求，直到得到满足s p e c 的电路图。 5 ) 根据原理图进行版图设计，采用v i r t u o s o 进行版图全定制，采用p a r a m e t e r c e l l 的办法可以大大加速版图设计的速度。 6 ) 版图验证，需要作d r c ，l v s 等相关的操作。其中d r c 涉及的工具：d i v a ， d r a c a u l a 。一般单元电路可以用d i v a 验证比较方便( 交互界面比较友好) ，但是 硕士学位论文 浙江是学硕士孝位论文第1 章绪论 较大规模或者顶层全芯片的d r c 则必须采用d r a c u l a 。l v s 同样采用上述办法。 7 ) 参数提取。参数提取工具可以采用d r a c u l al p e 或者m e n t t o r 公司的 x c a l i b r e 。首先要导出电路的网表c d l 文件和g d s i i 文件，然后在f o u n d r y 提 供的参数提取的c o m m a n df i l e 中进行相应的参数更改和一些提取选项的选择。 必须更改的是网表和g d s i i 的名字和路径。比如： l a y o u tp r i m a r y 。“r e f 2 5 7 “ l a y o u tp a t h ”n e t s a il s p a e e u s b l 1 x i o n g j n n b g g d s ” 1 a y o k j ts y s t e mg d s ii s o u r c ep r i m a r y ”r e f 2 5 7 ” s o u r c ep a t h ”n e t s a i l s p a c e u s b l 1 x i o n g j u n n e t l s i t ” s o u r c es y s t e i v ls p i c e 运行x c a l i b r e o p t i o n c o u 皿a n d f i l en a m e 就可以输出主网 表”n e t l i s t d i s t r i b u t e d ”和寄生参数网表”n e t l i s t d i s t r i b u t e d p e x ”。 8 ) 反标到主网表作后仿真，以确定寄生参数对电路时序以及逻辑功能不影响。 在主网表第一行中包括寄生网表，如下： i n c l u d e n e t l i s t d i s t r i b u t e d p e x 之后加上激励信号、仿真模型、控制开关等，就可以进行后仿真。得出的结果 和前仿真结果进行对比。 9 ) 流片。在确认后仿真结果不影响电路时序和逻辑的前提下，最后交给提供 m o d e l 和相关库文件的f o u n d r y 流片。 l o ) 封装测试。流片回来的芯片在已经设计好的方案下进行性能和参数测试。 1 5 本文完成的主要工作 本文主要说明了流水线( p i p e l i n e d ) a d c 的结构和工作原理，并设计一个能应 用于视频处理( 数码相机、数码摄像机、摄像头) 和无线通讯的a d c 。它的转 换精度为1 0 位、转换速率为2 0 m h z ，并具有很低的功耗( 4 9 r o w ) ，经仿真表 明，它的s n d r 在输入信号为4 1 2 5 m h z 、采样频率为2 0 m h z 时达5 8 d b 。目前 t a n g y j v l s i z j uc d u c n 硕士学位论文 浙江大学硕士学位论丈第1 章绪论 已经完成了芯片的电路设计、前仿真、l a y o u t 、后仿真以及流片的工作。工艺 采用上华o 6 u md p d m 标准c m o s 工艺。 t a n g y j v s i 目ue d uc n硕士学位论文 淅江走学硕士学位论丈纂2 章流水线a d ci 作愿理a 特点 第2 章流水线a d o 工作原理及特点 2 1 模数转换器的应用及种类 在混合信号系统中，a d 转换器( a d c ，a n a l o g - t o d i g i t a lc o n v e r t e r ) 是一个十 分关键的部分。随着数字v l s i 技术的飞速发展，数字信号处理技术在高分辨率 图像，视频处理及无线通信等领域广泛应用，对高速，高精度，基于标准c o m s 工艺的可嵌入式a d c 的需求日益迫切。表2 1 列举了一些应用领域对a d c 的 性能要求n 1 。此外，对于正在兴起的基于i p 设计和片上系统集成研究来说，更 要求有基于低功耗，小面积，低电压以及可嵌入设计的a d c 核心模块。从技术 的角度来讲，如果说c p u 是数字集成电路设计的颠峰，那么可以毫不夸张的说， a d c 就是模拟甚至数模混合电路设计的桂冠。 未来的电子系统需要将更多的电路一数字的和模拟的，集成到一个硅片上，以 降成本，降低功耗，缩减体积和减少印刷电路版数据总线的辐射噪声。显然， 对于这种数模混合集成的l c 来说，标准的数字c m o s 工艺在成本，功耗和实现 的便利性上都是最优的选择。 表2 1 应用领域要求精度要求速度 无线局域网6 1 0 b i tl 一5 0 m 海量存储器6 8 b i t5 0 2 0 0 m a d s l1 2 1 6 b i t3 1 0 m 数字t v8 一1 0 b i t 2 0 m 数码相机、摄像机 8 1 2 b n2 0 m c a t v 解码调制器 8 1 0 b i t1 0 2 0 m h d t v1 0 b i t5 0 7 5 m d i g i t a l - - i f 数字中频 8 1 2 b i t1 0 0 2 0 0 m 音频放大器 1 6 b i t 以上 测量仪表1 6 b i t 以上 自7 0 年代以来，在单片a d c 的实现方面，相继提出了过采样a 一，全并行 t a n g y j v l s iz j ue d uc n 硕士学位论文 浙江走学碗士学位论丈第2 章流水线a d ci 作原理疑特点 ( f l a s h ) ，子区式( s u b r a n g i n g ) ，折叠一插值( f o l d i n ga n di n t e r p o l a t i n g ) ， 流水线( p i p e t i n e d ) 和并行时间交织( p a r a l l e lt i m e - i n t e r l e a v e d ) 等结构。其 中，过采样一结构通过过采样和噪声整形可以得到很高的分辨率，但是其转 换速度一般在m h z 以下：全并行机构由于其全并行信号处理的特点，在现有 的结构中速度最高，输入到输出延迟最小，但是全并行处理也带来了功耗和面 积随分辨率指数增长的缺点，不适合应用于高分辨率的a d c ；折叠插值结构应 用折叠和插值技术纠正了全并行结构中电路规模指数增长的缺点，但是折叠处 理限制了输入信号带宽，而且对晶体管跨导和匹配的高要求使得它不利于 c m o s 实现；子区式结构通过将转换范围分区和信号分布转换来换取电路规模 和功耗的减少，但是其以多级串行转换来得到一次输出的工作方式大大降低了 转换速度；流水线结构在子区式结构的各级之间引入采样保持放大器( s h ) 电 路，使得子区转换可以并行工作，大大提高了子区式结构的速度：并行时间交 织结构将多路结构一致的a d c 组合在一起，使得它们对同一个输入信号进行时 间交织采样，以此来实现单个a d c 所不能达到的速度，但是通道间失调和增益 的不匹配，非均匀采样等问题使其难以达到较高的精度。图2 1 对比了常用的 几种a d c 结构的性能 1 3 - 1 9 。本设计所要求的性能参数为精度1 0 b i t 、转换速 率2 0 m h z ，从图2 1 中可见，流水线p i p e l i n e 结构是最理想的选择。一般认为， 对于分辨率1 0 一b i t ，转换率 i m s s ，适用于系统集成的高速高精度a d c 来说， 基于标准c m o s 工艺、采用流水线结构是一种合理的设计方案。 2 5 2 0 1 5 1 0 5 0 o i ! ! ! ! ! ! 二! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ：! ! ! ! ! n g , p i p e l i ! ! 兰p ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! t a f l g y j v l s i 目uc d uc y i 图21 1 4 1 0 0 硕士学位论文 浙江走学硕士学位论之第2 章流水线a d ci 作原理及特点 流水线结构a d c 由于其子区转换、流水操作的结构特点，在实现较高精度的模 数转换时仍能保持较高的速度和较低的功耗。而且，流水线结构本身所具有的 设计自由度和灵活度，也为实现速度、功耗、电压和面积优化等课题提供了广 阔的研究空间。另外，在实际电路实现时，c m o s 流水线a d c 的精度要受到许 多电路和工艺非理想因素的影响，其中最：重要的有电容失配、比较器失调、跨 导运算放大器( o r a ) 有限增益等。基于以上几点，c m o s 流水线a d c 电路设 计技术的研究在以下三个方面都很活跃3 1 ： 1 )速度优化 除了提升单元电路本身的带宽和响应速度外，研究工作主要在于优化级电 路的建立特性( 运放压摆率增强设计、反馈放大器极零点的合理分布、压 摆区和线性建立区的合理分割) ，在流水线结构中增加局部的流水或并行 操作等。 2 ) 低功耗、低电压、小面积设计技术 在功耗和面积方面，主要有结构的研究，如级分辨率分配和级间缩减 ( s c a l i n gd o w n ) 系数的优化；单元电路( 主要是运放和比较器) 的共享 复用技术；以及单元电路的低功耗设计，如动态偏置、电流自举运放和动 态比较器。在低电压方面，主要有运放的r a i l t o r a i l 设计，g b 反型工作和 背栅驱动，模拟开关的电压自举，开关运放等技术，以及电流模，开关电 流a d c 的研究。 3 ) 校准技术 在实现1 0 - b i t 以上的a d c 时，一般要采取一定的校准措施。校准技术根 据所处理的信号域不同，可分为数字校准和模拟校准。数字校准重点发展 对温度、电源等环境变量不敏感的后台化处理技术；模拟校准除了常规的 元件匹配校准方法外，电容交换、电容误差平均等技术的研究也很活跃。 除此之外，随着更先进的c m o s 工艺不断的应用于数字电路，近年来在高性能 a d c 领域出现了一个明显的发展趋势，即用“极限”工艺实现“极限”指标， t a l l g y j v l s iz j ue d uc n硕士学位论文 淅江k 学硕士学位论文 第2 章漉水线a d ci 锋原理及特点 其采用的工艺域主流数字工艺的距离比以往大大缩小。 c m o sa d c 的性能主要取决于所采用的电路结构，主要单元电路( 运放和比较 器) 的性能，合理的版图设计以及工艺等因素。流水线结构( p i p e l i n e d a r c h i t e c t u r e ) 是一种既能实现高速又能实现相当分辨率的结构；宽带高速运放 和高速比较器将提升a d c 的转换速率；而合理的自校准技术和混合信号电路版 图设计将有益于a d c 的分辨率。 如图2 2 ，流水线a d c 由时钟发生电路，流水线转换结构，延时对准寄存器阵 列和数字校正电路构成，其中流水线转换结构是采样保持电路s h 、n 级流水 线子级转换电路、f l a s ha d c 的级联。流水线a d c 的工作原理将在2 3 节中进 行详细的说明。 图2 2 流水线a d c 的性能在很大程度上取决于电路的主要单元电路一运算放大器和比 较器的性能。运算放大器是很多模拟系统的关键组成部分，它的性能对于整体 电路的性能有着非常大的影响。在开关电容流水线a d c 中，开关电容反馈放大 器的建立过程决定了放大相的时间因而也决定了a d c 的转换速度。因此我们有 t a r l g y j v l s l 巧ue d u c “ 硕士学位论立 舒江走拳硕士学位论文第2 章流水线a d ci 作琢理及特点 必要对运放的结构和性能进行系统地分析和优化。 2 。2 国际国内研究状况和进展 随着数字v l s i 技术的飞速发展，数字信号处理技术在高分辨率图像，视频处理 及无线通信等领域广泛应用，系统设计对a d c 的速度和分辨率提出了更高的要 求。2 2 表为现在市场上流行的主流产品的资料。 表格2 2 因同样精度及速度的a d c 产品有其他不同的性能，所以此价格仅做 参考。 产品型号( 公司)精度速度价格 a d 9 0 5 7 ( a d i ) 8 b i t4 0 m$ 2 7 a d 9 2 8 3 ( a d i ) 8 b i f8 0 m$ 3 0 5 a d 9 2 8 3 ( a d i ) 8 b i t1 0 0 m$ 6 4 7 a d 9 2 0 3 ( a d i ) 1 0 b i t4 0 m$ 5 6 4 a d 9 2 1 4 ( a d i ) 1 0 b i t8 0 m$ 9 2 8 a d 9 0 7 0 ( a d o 1 0 b i tl o o m$ 5 3 a d 9 4 1 0 ( a d i ) 1 0 b i t2 0 0 m$ 5 9 a d 7 7 2 4 ( a d o 1 6 b i t1 0 0 k$ 1 1 7 6 a d 7 6 2 3 ( a d o 1 6 b i t1 - 2 m$ 2 7 0 6 a d 7 7 5 5 ( a d i ) 1 6 b i t9 0 0 k a d 7 6 7 7 ( a d i ) 2 4 b i t1 k$ 1 4 。4 5 国内a d c 的发展起步较晚，研究水平较为落后，自主开发的产品进入市场的不 多，而且主要集中在全并行、积分型、逐次逼近型等低精度高速或低速高精度 的结构上。近年来随着设计环境和工艺条件的快速改善，国内单位，如复旦大 学专用集成电路与系统国家重点实验室，在高速高精度c m o sa d c 领域也开展 了一些研究，但是，大多数研究仍处于模仿国外设计的阶段，不能提出自己的 创新设计方案，而且，研究结果多以计算机方针结果的形式，而不是以实际芯 片铡试结果的形式来验证。表2 3 ，2 4 为国内外研究机构的近期进展。 表2 3国外：更注重于低功耗及低电压的研究 g r o u p 性能结构工艺 n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r1 0 b i t8 0 m6 9 m w ( 2 0 0 3单条0 1 8 u r n 年) p i p e l i n e c m o s s a m s u n g 1 0 b i t1 5 0 m1 2 3 m w ( 2 0 0 3单条o 1 8 u m t a n g y j v l s iz j ue d uc n 硕士学位论文 浙注支学硕士学位论走第2 章流水线a d ci 锋原理硬特点 年) p i p e l i n e c m o s a n a l o gd e v i c e 公司 1 2 b i t1 0 5 m ( 2 0 0 1 年)单条b i c m o s 1 4 b i t4 0 m ( 2 0 0 3 年)p i p e l i n e h e l s i n k i 大学1 0 b i t2 0 0 m( 2 0 0 2 年)并行0 5 u mc m o s n o k i a 实验室 p i p e l i n e 表2 4 国内 g r o u i )性能结构进展 东南大学 1 0 b i t4 0 m单 条p i p e l i n e未完成 c m o s 清华大学 1 0 b i t2 0 m 4 0 m单 条p i p e l i n e未完成 c m o s 清华大学 1 6 b i t5 k 5 0 k 带 s i g m a - d e l t a未完成 宽c m o s 复旦大学 8 b i t1 2 5 m7 1 m w单 条p i p e l i n e2 0 0 3 年a s i c o n 会议论 c m o s 文 2 3 流水线a d c 的工作原理和特点 流水线结构的a d c 的主体转换电路由多级具有相同结构的子电路串联而成，各 级子电路通过流水线的工作方式来获得很高的转换速度，其高分辨率性能可通 过增加子电路的级数及运用数字校正技术获得。 2 3 1 流水线a ，d 转换器的体系结构 在高速高精度a d c 设计中，一般采用子区结构代替全并行结构来减少电路中所 需的元件数，因为全并行结构所有元件数跟分辨率成指数关系，而流水线仅仅 与分辨率成线性关系，特别是在高分辨率( 大于1 0 b i t ) 的情况下，这种 优势更加明显，而且元件数的减少从根本上减小了电路的面积和功耗。但由于 一次完整的转换由几级串行工作的子区转换来完成，一次降低了总的转换速度。 受数字系统中新发展的流水工作方式启发，在子区结构的基础上，又发展了一 种增强的子区a d c 结构一流水线结构。流水线结构在子区结构的各级之间b l 入 采样保持放大器( s h a ) ，以将各级转换后剩余的模拟量进行保持，这样各级电 路可并行地对各s h a 所保持地模拟量进行转换。从整个转换过程来看，流水线 工作方式可以看作是串行的，但就每一步转换来看，是并行工作的。因而总的 硕士学位论文 澌汪走学硕士学位论交第2 章流水线a d c 2 2 砟原理及特点 最大转换速度仅仅取决与子级电路的最大：亡作速度，而跟流水线的级数无关。 图2 3 给出了典型的流水线a d c 的原理框图1 4 - 6 1 。 如图2 3 所示，流水线a d 转换器由主体转换电路、数字校正电路、延时同 步电路及时钟发生电路组成，其中主体转换电路是由采样保持电路( s h ) 、n 级 流水线子级电路及f l a s ha d c 级联而成。 时钟，“生电路 识霸瓴+ + k 。) 。b i 壤 kt 殛l l 于同步电路 一二罐 r 肇一1 1j 专g 9 1 丫侈 l 4 巧 l 1 0s ) ， 非常高的输入阻抗以及非常低的输出阻抗。但是却以牺牲其他性能为代价，例 如速度、输出摆幅和功耗。与此相反，今：氏的运放设计，从开始就认识到各参 数问的折中关系，这种折中最终要求在整体设计中进行多方面的综合考虑，因 而我们必须知道满足每一个参数的适当的数值。例如，如果对速度的要求高， 而对增益误差要求不高，则电路结构的选择应有利于前者，可能会牺牲后者。 下面首先简单的阐述运放的一些性能参数。 t a n g y j v l s iz j ue d u c “ 硕士学位论文 淅江大学硕士学位论文第3 章采样保持电路的设计 增益 运放的开环增益确定了使用运放的反馈系统的精度。如果综合考虑速度与输出 电压摆幅这一类的参数，则必须知道所需的最小增益。 小信号带宽 运放的高频特性在许多应用中起重要作用，例如，当工作频率增加时，开环增 益开始下降，在反馈系统中产生更大的误差。小信号带宽通常被定义为单位增 益频率工，在今天的c m o s 运放中，它可以超过1 g h z 。为更容易预测闭环频 率特性，也可以规定3 d b 频率 。 大信号带宽 在当今的许多应用中，运放必须在瞬态大信号下工作，在这种情况下，非线性 现象使得对速度的表征非常困难，很难只通过小信号特性来表示速度。大信号 特性通常是相当复杂的，因此要求仔细模拟。 输出摆幅 使用运放的多数系统要求大的电压摆幅以适应大范围的信号值。例如，能响应 管弦乐队音乐的高质量话筒可以产生的瞬时电压范围大于四个数量级，要求其 后的放大器和滤波器处理大的摆幅( 并且或者达到低噪音) 。 对大输出摆幅的需求使全差动运放使用相当普遍。这种运放产生互补输出，大 约输出有效幅度的两倍。尽管如此，这最大的电压摆幅与器件尺寸、偏置电流、 因而与速度之间，其性能指标是相互制约、可以易换的。达到大的输出摆幅在 当今的运放设计中是主要的课题。 线性 运放的输入噪声和失调确定了能被合理处理的最小信号电平。在常用的运放电 路中，许多期间由于必须用大的尺寸或大的偏置电流都会引起噪声和失调。我 们还必须认识到噪声和输出摆幅之间的折中问题。对于给定的偏置电流，由于 t a n g y j v l s id ue d uc i硕士学位论文 浙江走学硕士学位论丈第3 章采样保持电路的设计 管子的过驱动电压被减低，以提供较大的输出摆幅，则它们的跨导便会增加 它们的漏噪声电流也会增加。 电源抑制 运放常常在混合信号系统中使用，并且有时连接到有噪声的数字电源线上。因 此，在有电源噪声时，尤其是在噪声频率增加时，运放的性能是相当重要的。 所以全差动结构更受欢迎。 3 2 各种运放结构比较 运算放大器可分为单级运放和多级运放两大类。多级运放通常不适用于高速高 精度开关电容电路，因为在多级运放中需要用到补偿电路来改善它的相位裕度。 由于补偿电路的误差很可能给整个电路弓1 八小于闭环一3 d b 带宽的极点。而比较 小的极点对于提高电路的精度和建立时间：是非常有害的。因此我们将重点研究 单级运放电路结构。同时，当我们遇到比较小的电源电压的时候，我们也有必 要采用多级运放，因为此时电压的裕度很小。所以在后面的章节里我们也将会 看到两级运放的结构。 我们首先研究单级运放比较常见的结构：折叠一级联式和套筒式结构。在这几种结 构的比较中，我们考虑的重要因素是速度，噪声和功耗。由于直流增益可以通 过增益提高技术大大得到改善，所以我们暂时不考虑直流增益的问题。 3 2 1 折叠一级联运放 图3 1 为一个折叠一级联运放“1 。 硕士学位论文 浙江走学硕士学位论吏 万3 乒采样纭舻鬯露为芨升 图3 1 折叠一级联运放 其单位增益带宽为 铲等 其中g 。o 为输入级器件m o ( m 1 ) 的跨导，q 为电容负载。 第一个次级点是由折叠一级联的管子所引入的 脚。墨咝 ” c 舻2 + c 一4 + c o + c 6 2 上式中g 。2 为m 2 ( m 3 ) 的跨导，c 。2 为m 2 ( m 3 ) 的栅源寄生电容，c g d 4 为m 4 ( m 5 ) 栅漏寄生电容，c 鲫为m o ( m i ) 的栅漏寄生电容，c 6 2 为在m 2 ( m 3 ) 的 源级的总的衬底电容。 我们可以知道一个折叠一级联运放的次极点大约是一个基于电流镜式运放次极 点的两倍( 电流镜的n 值假定为1 ) ，这是由于在折叠一级联运放中只有一个主 要的栅源电容。因此，在高速度的应用中，折叠一级联型的运放通常更加适用。 为了避免系统失调，m 4 ( m 5 ) 的静态电流通常被设置为o 5 ，。+ ，。，上式 中，一s 为m 8 的偏置电流，f b i a s 6 为m 6 ( m 7 ) 的偏置电流。当输入为大信号，所 t a n g y j v l s i 自ue d uc 玎2 8 硕士学位论文 浙江大学硕士学位论之 第3 章采样保持电路的设计 有的尾电流，。，。将只从一个m o s 管通过，例如m o ，没有电流从m l 通过。因此 v o u t + 端最大的充电电流为m 5 和m 7 的静态电流之差，例如0 5 ，。v o u t 端的最大充电电流为m i n ( 0 5 l b s a s 8 , ，。) ，因为m 2 的源漏没有电流通过。为 了避免在大信号下m 2 ，m 3 的转换速率不列称，我们通常要求，。0 5 ，。 所以，转换速率可表示为： 船：k c l 这里，。为m 8 的静态偏置电流。为了避免转换，我们有： 篆 这个条件在某些数据转换器，例如过采样模数转换器，和低增益的流水线模数 转换器中很难实现。因此，我们必须要保证信号建立精度，以避免上述必然存 在的转换过程引起的输出失真。在高速的应用中，我们既需要较高的单位增益 带宽，也需要较高的转换速率。这意味着我们需要给输入和输出器件都设置比 较高的偏置电流，也就是说这种结构的运放不可能像基于电流镜的运放那样节 省功耗。 因为级联管子的源级阻抗很小，所以由级i 陕管子引入的噪声可以忽略不计。折 叠一级联型运放的输入参考噪声电压的功率谱密度为： s ：萼七丁上 1 + 盟 j g m 0 lg m oj 上式中g 。o 为输入器件m o ( m r ) 的跨导，g 卅4 为m 4 ( m 5 ) 的跨导，g 。6 为m 6 ( m 7 ) 的跨导。为了减小噪声，我们必须尽量减小e l i 输出级器件m 4 ( m 6 ) 所引入的噪 声。 t a n g j v l s i 日u e d u c “ 硕士学位论文 浙江走学硕士学位论定第3 章采样保持电路的设计 3 2 2 套筒式运放 为了避免在信号传输的路径上出现p m o s 管，我们可以应用图3 2 所示的套筒式 运放。它的单位增益带宽为： 驴芒 这里g 。为输入器件m o ( m 1 ) 的跨导，c 。为电容负载。 图3 2 套筒式运放 第一个次极点是由级联的晶体管m 2 ( m 3 ) 引入的 2 瓦i g 丽i n 2 上式中g 。：为m 2 ( m 3 ) 的跨导，c ，：为m 2 ( m 3 ) 的栅源寄生电容，c x a o 为m o ( m 1 ) 的栅漏寄生电容，c 6 ：为在m 2 ( m 3 ) 源级的总的衬底寄生电容。 由于在信号传输路径上我们应用的全部为n m o s 管，同时对于级联晶体管它 们的源级寄生电容也更小，所以次极点频率比基于电流镜的运放和折叠级 t a n g y j v l s i4 u e d uc “ 硕士学位论立 浙江走孝硕士学位论文 笫3 尹采秽傈劳咆露的超圩 联的运放都要高 它的转换速率为： t 础：! 坚 c 1 这里厶。为m 8 的静态偏置电流为了避免( 2 ) 式表示的转换发生，我们有 上殳口 v m ，j 这个条件在某些数据转换器中是很难实现的比如说，圪。( 差分输入) 可能会高 达4 v ，反馈系数为0 5 ，那么有效栅压的波动会达到2 v 在实际应用中，绝大多 数运放的有效栅压在整个工作过程中被设计为在2 0 0 5 0 0 m v 波动，2 v 的波动对 于它们来说显然是太大了。因此，“转换”在某些应用中是必然会经历的。我们 必须保证建立精度来确保不会在输出产生失真。通过提高偏置电流，我l f j 可以 同时提高转换速率和单位增益带宽。 输入参考噪声电压的功率谱密度为： s = 萼o k o t o 0g j m 【。oj 这里g 。为输入器件m o ( m 1 ) 的跨导，g 。6 为m 6 ( m 7 ) 的跨导。 套筒式运放的优点除了有更高的次极点频率以外，还有更低的功耗。这是因为 在电路中除了用于提高转换速率和单位增益带宽的尾电流源以外，没有应用其 他多余的偏置电流。而较大的偏置电流不仅提高了转换速率和单位增益带宽， 同时也降低了热噪声。 在这里关于三个串连n m o s 的缺陷存在着误解。三个n m o s 串连的确会使输出信 号的范围减小。但是通常情况下，我们只关心电路的信噪比。随着输出信号范 围减小，我们可以增大电容负载从而保持信嗓比。 t a n g y j v l s iz j u ，c d uc “硕士学位论文 浙江走学硕士学位论丈霈3 乒采稃缇舻咆j 咎的理才 假设对于每个m o s 管的最大源漏电压平均为4 0 0 m y ，同时假设电源电压为5 v 。 对于基于电流镜的运放( 通常在输出级为级联晶体管) 和普通的级联运放，全 差分输出范围为2 ( 5 - - 4 0 4 ) = 6 8 v p p 。对于套筒式运放，电路中多了 一个级联的晶体管，所以输出信号范围为2 ( 5 5 0 4 ) = 6 v p p 这说明在 使用了套筒结构之后，输出电平的范围下降了6 8 6 。为了在存在k t c 噪声的 环境中保持信噪比，我们需要把电容增大到( 6 8 6 ) 2 ，也就是说提高2 8 。 为了保证速度，我们需要把输入器件的跨导和转换速率都提高2 8 ，所以我们 要把偏置电流提高2 8 至6 4 ( 之所以在这么大的范围内变化是因为我们可以 同时增大偏置电流和管子宽长比或者只增大偏置电流) 。如果从单纯的功耗角度 来看，套筒式结构比级联折叠结构的功耗要低1 8 至3 6 ( 在实际应用中， 通常级联结构运放的输入输出偏置电流在数量级上是一致的) 。除了在功耗方面 的优势以外，套筒结构通常还拥有