（电路与系统专业论文）超高速adc芯片设计及测试方法研究.pdf

东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 一躲攀聊龆翠 摘要 摘要 随着数字信号处理技术和高速数据处理技术的发展，模数转换器作为连接模拟世界和数 字系统的接口，其作用越来越明显；同时通讯系统、高速数据读取设备等方面的迅速发展 也对模数转换器的速度提出越来越高的要求。研究超高速模数转换器对高速信号处理、高 速数据处理等相关领域具有重大意义。 本文首先从模数转换基本原理和各种结构的对比入手，系统介绍了模数转换器的功能和 相关技术指标特性，对比了国内外相关领域发展现状，提出基于c m o s 工艺，利用全并行 结构实现超高速a d c 电路及其关键技术指标。 本文对超高速a d c 中各个单元电路进行研究，在高速比较器电路方面，发现并提出高 速比较电路中的门限限速效应，并给出解决方法。门限限速效应的解决可以在提高比较器 速度的同时降低功耗，这为最终实现超高速a d c 并减小整体功耗提供基础。 为实现高速时钟驱动电路以及降低时钟驱动电路功耗，提出一种单相传输、双相输出的 可调双相时钟树电路。通过对输入端的电平调节，能够修正工艺偏差和单相传输带来的占 空比失真的影响，进而为相关电路提供有效的高速双相时钟驱动。 在编码电路方面，首先对各种主要的编码方式进行介绍，着重在误差、功耗和规模等方 面研究对比了格雷码和二进制两种编码方式；为实现高速编码电路，提出一种二迸制分段 编码与逻辑转换相结合的电路，利用分段编码与逻辑转换技术可以在保留二进制编码优势 的基础上减小寄生参数对高速编码的不利影响，进而实现超高速条件下的二进制编码。 在分压电阻网络、高速采样保持电路、火花码消除技术方面，本文也做了一定研究，利 用这些研究成果，在s m i c0 1 8 “mc m o s 工艺下，设计了采样率2 g s p s ，精度6 b i t s 的全并 行模数转换器。 本文对超高速模数转换器的测试方法进行了研究，利用不同的测试仪器和测试方法对超 高速模数转换器电路进行了实际测试。在仪器性能指标不满足芯片测试要求的条件下，提 出包括抽样测试、多通道多电平测试的多种解决方案，并在实际测试中验证了这些方法的 有效性。2 g s p s6 b i t s 超高速a d c 实际测试结果表明，该a d c 最高转换速度可达2 2 g s p s ， 最小量化精度1 0 i n v ，在最高转换速度下，有效位最高可达5 7 b i t s ，电路总功耗3 1 0 m w 。 为进一步实现更高速高精度的高性能a d c ，本文在眦0 3 5 “mb i c m o s 工艺下对超 东南大学博士学位论文 高速比较器进行了研究，利用偏置开关复用技术完成最高速度为2 0 g h z 的比较器设计；基 于已完成的a d c 设计和两步式结构，研究了数字纠错原理并分析了纠错范围，为今后实现 高性能a d c 打下一定基础。 本文对超高速a d c 电路原理，具体电路模块，整体框架，测试细节等方面展开研究， 进行具体设计并给出实际测试结果，形成关于超高速a d c 一套完整的研究一设计一测试流 程，为今后在相关领域的迸一步研究奠定基础。目前国内尚无超过该速度具有实测结果的 a d c 设计相关报道。 关键词：模数转换器、全并行、超高速、比较器、时钟树、分段编码、测试、多通道多 电平、偏置开关复用、数字纠错 a b s 廿a c t 一一。- 一 a b s t r ac t w i t l l 也ed e v e l o p m e n to f 廿l ed i 西t 甜s i 印a lp r o c e s s i i 唱p s p ) 孤dt h el l i g h - s p e e dd a t ap i d c e s s i n 函n l e a n a l o g - t 仙i g i t a lc 0 n v e n e r s ( a d c s ) b e c 吣em u c hm o r ei l i l p o r t 觚t 笛n l eh l t e r f 缸e so f 锄1 0 9a n dd i g i t a l m e 觚w l l i l en 怆c o m i i l u i l i c a t i o n 锄dt l l eh i 曲s p e e dd 如r e a d i n gd e v i c e sm a l ( et 1 1 em q u e s t st oa d c sf o r h i 曲e r 锄dl l i 曲e rs p e e d t h e 他矗玳，m a k i n g 陀s e a r c h e s0 nt h eu h 陆h i 曲- s p e e da 【) ch 嬲ag r e a ts i 印i f i c 锄c et o 也e 枨娜o fh i g h - s p e e dd s p 觚dda _ t ap r o c e s s i n g 1 1 1 e 劬c t i o 船觚dt h er e i a 毫e dt e c h n i c a ld e t a i l sa r ei n 仃o d u c e da f t e rm ec o l p a r i s o n sb e 锨r e e nd i f r c r e n t a r c l l i t i e c t u r e s 锄db a s i cp 血c i p l e so fa d c s f o u o w i n g l ec u r r e m ts i t 眦t i o mc o m p 撕n gb e t 、) l ，e e nh o m e sa i l d a b o a 吐m e p a p e r c o m e s u pw i n l 恤f l a s h a r c h i t e c t u r e a n d t l l e 他l 砷甜k e y d e t a i l s t kk e yc 沁u i t si n 血ea d ca r es t u d i e d 1 1 1h i 曲一s p e e dc 0 m p a r a t o r ，恤恤e m o l d l i m i t - s p e e de 癣c t ( s e ) h 嬲b e 锄d i s c o v e r e d w 也t h es o l u t i o no ft l s e ，t i l ec o m p a r es p e e di sr a i s e d 锄dt l l ep o w e r i sp u l l e d d o w n n l i ss e t s 吐l es t a g ef - 0 r 心u l 恤i 坷g l l - s p e e da d ca n dt l l el o wp o w e r t 0r e a j i z et l l e l l i g l ls p e e dc l o c kd r i v e r a i l dm a k ei tl o wp o w as i n g l e - p h a s e 劬n s m i s s i o n 锄d d l l a l p h 笛e o u t p u ta d j u s t e dd i 虢r e n t i a lc l o c k 仃e e sh a sb e e nd e s i 舯e d w m 也e 喇u s t 堍o f 也e 呻u tv o l t a g e ， n l eb a de 能c t sc a u s e db yt l l ep r l o c e s se n 0 ra n ds i n g l e p h 雒e 仃a i l s m i s s i o nc 锄b ec 0 玎e c t e d i i im i sc 砸e ，m e c 1 0 c k 仃c o u l d 双l p p l yt h ew e nc l o c ks i 印a l st 0t 1 1 er e l a t e dc i r c u i t s mt h ea s p e c t so f e n c o d e r s ，也ep a p e ri 1 1 仃0 d u c e st l l em 彘r e n te n c o d e r sf o r 也ea d c s 趾d 呻 锄p h a s i so n 吐1 ee r i o r s ，p o 、v e ra l l ds c a l e sb 嘶e ng i 可a i l db i n a r ) re n c o d e r s as e 舯e m e da n d l o g i c c l 瑚g ee n c o d e ri sd e s i 印e dt 0r e d u c e t h eb a de 疏c tc a u s e db yt h ep 嬲i t i cp 觚n e t e rw k l e i ts t i l lm a j n t 池t 1 1 ea d v a n 缸谵e so ft h eb i n a 叮e n c o d e r m p 印e rs t i l ls t u d i e s0 n 也er e s i s t o r sl a d d e r ，l l i 咖s p e e ds a i i l p l e 锄d - h o l dc i r c 面t 觚d 血e b u b b l e sr e n l o 诎c i r c 疵b a s e do n 廿l e s es m d i e s ，a2 g s p s6 i t sf l a s ha d c i i ls m i c0 1 8 岬c m o s p m c e s si sc o m p i e t e d n em e 嬲u r e m e n tt e c h n i q u e sf o ru l 胁m 咖s p e e da d c 哦a l s os t u d i e dw i mm ed i 彘r e n tt e s te q u i p m e n t s 鲫am e m o d s s e v e r a lm 劬o d sa r ed e s i 印e dt 0s a t i s f i yn l er e q u n m e n t sw m l e m ee q u i p m e n t s 撇n o tq 删i f i e d f o rt t l e t u a jt e s t i n gi n c i u d i n gm u h i - c h 锄n e lm u i t i - t h r e s h o l dt e s ta 1 1 dt h es 锄p l i n gt e s t a n dt l l em e m o d sh a 、，e b e e np r o v e de 航c t i v eb y 吐l ea c t u a lm e 舔u r e m e n tr e s u l t s t h e 删m e a s u 鹏眦n t so fm e2 g s p s6 b i t sn a s h a d cs h o w s 慨t l l es 锄p l i n g r a t e c o u l dr e a c h u p t o2 2 g s p s ，龇r e s o l u t i 伽i s1 0 m vn l e e n o br c a c h e s u p t 0 m 一一 查童奎兰堕主堂垡丝銮 _ - - _ _ - - - _ - l _ _ _ _ _ - _ - - - - - - i - _ - - l _ - - - 一一。 5 7 b i t sa t2 2 g s p sa n dt h ep o w e ri s3lo m w t 0a c h i e v el l i 曲e r p e 响册锄c ea d c s 、) i r i mf ；埘e rs p e e d 锄dh i 曲e rr e s o l u t i o l l ，m el l i g l l 。s p e e dc o m p 撇 i ss m d i e di nj a z zo 3 5 岬b i c m o sp r o c e s s a n dab i a s - s w i t c h 堋u l t i p l e ) 【i n gc o m p 锄c o r ，o f w h i c hm es p e e d c o u l dr e a c hu pt 02 0 g h z ，i sd e s i 印e d m e 锄w h i l e 仕圯d i g i t a je 肿rc o 盯e c t i l l gt e c i l i l i q u ei sd i s c u s s e db a s e d o n 廿1 ec o m p l e t e da d ca n d 铆0 _ s t 印缸c i l i t e c t w e t h es t i l d i e so fm ec n u i t 廿l e o r i e s ，c 眈u i tb l o c l ( s ，a i l dm ei n t e 脚s 臼_ u c t u r e 锄dm e 船u r e m e n t d e t a i l sm a l 【ea c o m p l 咖p 眦e s so f 咖d y ，d e s i 驴a n dt e s t 砸sl a y st l l eg r o u i l d w o r kf o rf h t m s t u d i e s 伽r e l a t e da r e 弱1 n l e 他 h a 、，en o tb e e n 锄yr e l a t e dr e p o r t si i ls u c h1 1 i g l ls p e e d a d c sa th o m eu pt 0n o w k e yw o r d s ：a d c ，f l a s 也u l 胁h i 咖s p e e d ，c o m p 批r ，c l o c kt r e e ，s e g r n e n t e de n c o d e r m e 雒u r e m 毗 m u l t i 。c h 锄e lm u i t i n 鹏s h o l d ，b i 雒s w 妣h m u l t i p l e x i n 吕d i g i t a le 肿r c o r r e c t 第l 章绪论1 1 1 概i 苤1 1 2 模数转换器基本原理。2 1 2 1 采样定理。2 1 2 2 量化过程3 1 3 模数转换器主要性能指标4 1 3 1 静态参数。4 1 3 2 动态参数。6 1 4 模数转换器结构：一7 1 。4 1 直接模数转换7 1 4 2 间接模数转换1 3 1 5 超高速a d c 设计中的关键技术1 4 1 6 国内外发展现状15 1 7 本文主要工作17 参考文献18 第2 章全并行a d c 中模拟电路部分研究2 1 2 1 概述2 l 2 2 分压电阻网络研究2 l 2 2 1 馈通效应影响2 2 2 2 2 电阻误差影响。：2 3 2 3 高速采样保持电路研究2 4 2 3 1 采保电路工作原理2 4 2 3 2 采保电路相关参数2 5 2 3 3 采保电路主要误差及解决方案2 6 2 3 5 采样保持电路设计3l 2 4 高速比较器电路研究3 4 2 4 1 比较器主要性能参数3 5 2 4 2 高速c m o s 比较器基本原理3 6 2 - 4 3 电压锁存高速比较器3 7 2 4 4 门限限速效应研究3 8 2 4 5 高速比较器电路设计4 4 2 5 爿、结4 8 参考文献：4 8 第3 章全并行a d c 中数字电路部分研究o 5 l 3 1 概主苤5l v t l i，【i 骚m一枷j 般砌 东南大学博士学位论文 3 2 高速时钟缓冲电路5 1 3 2 1 时钟树整体结构设计5 1 3 2 2 高速可调时钟电路。：5 2 3 3 高速编码电路研究5 3 3 3 1 常用编码方式和结构5 4 3 3 2 工艺精度对编码误差影响研究5 7 3 3 3 时钟抖动对编码误差影响研究6 1 3 3 4 电路规模、功耗和易读性对比6 3 3 5 编码电路设计6 4 3 5 1 高速分段编码6 4 3 5 2 编码转换时序6 6 3 6 输出缓冲电路设计6 7 3 7 ，j 、结6 7 参考文献：6 8 第4 章 6 位超高速全并行a d c 整体及版图设计6 9 4 1 电路整体设计：6 9 4 2 超高速a d c 版图设计6 9 4 2 1 版图金属走线方面考虑的因素6 9 4 2 2 天线效应7 1 4 2 3 深阱隔离技术7 1 4 2 4 电源与地线7 2 4 3a d c 版图设计7 3 4 3 1 整体规划7 3 4 3 2 单元电路版图设计7 4 4 3 3a c l c 模块设计7 6 4 3 4a d c 整体版图7 6 4 4 超高速a d c 后仿真结果7 7 4 5 高速采保电路版图及后仿真结果7 8 4 6d 、结8 0 参考文献8 0 第5 章超高速a d c 芯片测试研究8 l 5 1 概述8 1 5 2 越) c 测试方法81 5 2 1 静态参数测试81 5 2 2 动态参数测试8 3 5 3 测试系统组成8 4 5 4 超高速a d c 电路测试8 5 5 4 1 时钟驱动测试8 6 5 4 2 比较器测试8 8 5 4 3a d c 整体测试结果8 8 5 5 采样保持电路测试结果9 l 5 6 超仪器指标测试方法研究9 3 5 6 1 分接输出测试9 3 5 6 2 抽样测试9 4 v i 目录 5 6 3 双电平双通道测试9 5 5 7 ，j 、结9 9 参考文献9 9 第6 章高性能a d c 设计研究。1 0 l 6 1 概麦盎10 l 6 2 基于s i g e 工艺超高速比较器研究1 0 1 6 3 冗余纠错研究1q 4 6 4 高速a d c 的p 核构建j 1 0 8 6 5d 、结1 0 8 参考文献1 0 9 第7 章总结和展望l ll 致谢11 3 攻读博士学位期间发表论文与专利申请1 15 v 表格 插图 图1 1 模拟与数字系统间关系；1 图l - 2 采样频谱示意图3 图1 3 不同量化位数下传输曲线图4 图1 4 失调和增益误差5 图1 5d 卜，n 虮，示意图5 图1 _ 6 模数转换系统框图7 图1 7 全并行a d c 基本结构8 图1 8 插值电路结构及传输曲线9 图1 9 折叠电路结构及折叠示意图9 图1 1 0 两步式模数转换器结构框图j 1 0 图1 1 l 流水线结构模数转换器上1 l 图1 1 2 逐次比较型a d c 1 1 图1 1 3 时间交错结构框图。1 2 图1 1 4 吕a d c 结构示意图1 3 图1 1 5 双积分模数转换框图1 4 图1 1 6 电压频率模数转换框图。1 4 图1 1 7 不同结构a d c 速度与精度关系图1 5 图2 1 全并行a d c 整体结构框图2 1 图2 2 电压馈通效应示意图。2 2 图2 3 馈通电路小信号模型2 2 图2 - 4 采样保持电路结构及工作波形示意图。2 4 图2 5 采集时间示意图2 5 图2 石孔径时间示意图2 5 图2 - 7 电压跌落率示意图。2 6 图2 8 开环采保电路2 6 图2 - 9 基本采保热噪声等效电路。2 6 图2 1 0c m o s 开关导通电阻曲线2 7 图2 1 l 栅压自举开关原理图2 8 图2 1 2 哑开关抵消电荷注入误差2 8 图2 1 3c m o s 开关抵消注入电荷2 9 图2 1 4 差分采样保持电路基本结构图2 9 图2 1 5 采样时钟的抖动3 0 图2 1 6 基本的闭环采样保持电路3l 图2 1 7 差分采样保持电路3 2 图2 1 8 增益补偿和预放大电路3 2 图2 1 9 采保电路整体结构3 2 图2 2 0 采保电路整体瞬态仿真结果3 3 图2 2 1 建立时间仿真波形3 3 图2 2 2 孔径时间仿真波形3 4 图2 2 3 高速比较器实现框图3 4 i x 东南大学博士学位论文 图2 2 4 比较器传输曲线3 5 图2 2 5 包含失调电压的传输曲线3 5 图2 2 6 正反馈原理图及等效模型图3 6 图2 2 7 一种高速电压锁存式比较器3 7 图2 2 8 高速正反馈电压比较器3 8 图2 2 9 高速锁存比较器3 8 图2 3 0 晶体管m 5 结构示意图3 9 图2 31 改进的锁存比较器结构4 0 图2 3 2 结点x 、y 处大信号等效电路图4 1 图2 3 3 “不准确”门限示意图4 2 图2 3 4 “准确”门限示意图4 2 图2 3 5 复位电平与m 5 栅宽关系4 3 图2 3 6 二者的阶跃响应4 4 图2 - 3 7 输出及延时与级数关系图4 5 图2 - 3 8 前置放大器与增益示意图4 5 图2 3 9 平均技术示意图4 6 图2 - 4 0 比较器整体电路原理图4 7 图2 - 4 1 复位场效应管不同尺寸仿真波形4 7 图2 - 4 2 输入精度与采样频率关系4 7 图2 4 3 各级间波形和延时图4 8 图3 1 时钟树电路整体框图。5 l 图3 2 输入调节电路图。5 2 图3 3 缓冲电路原理图。5 2 图3 - 42 5 g h z 下时钟抖动5 3 图3 5 编码电路位置示意图5 4 图3 6 气泡码示意图5 4 图3 - 7n 6 d 1 模块原理图5 5 图3 8 二进制编码原理图5 5 图3 - 9 温度计码转换为格雷码5 6 图3 1 0w a l l a c e 树结构5 7 图3 1 1 气泡码引起格雷码和二进制码误差5 7 图3 1 2 工艺误差引起失调电压分布5 8 图3 1 3 温度计码生成原理图5 8 图3 1 4 工艺偏差引起总误差对比6 0 图3 15 加权误差与量化位数关系6 0 图3 1 6 时钟抖动引起输入偏差概率分布6 l 图3 1 7 时钟抖动引起总误差对比6 2 图3 1 8 加权误差与量化位数关系6 2 图3 1 9 两种编码方式功耗差与盯关系图6 4 图3 2 0 二进制编码电路框图6 4 图3 2 1 分段编码结构示意图6 5 图3 2 2 分段编码减小寄生电容影响对比6 5 图3 2 3 两段编码结构图6 6 图3 2 4 编码转换电路前后级时钟同相6 6 x 表格 图3 2 5 编码转换电路前后级时钟反相6 7 图4 1 全并行a d c 系统框图6 9 图4 - 2 天线效应7 1 图4 3 深n 阱隔离结构剖面图7 2 图4 4 电源线、地线的噪声干扰示意图7 2 图舢5a d c 整体版图规划7 3 图4 - 6 前置放大器电路及版图7 4 图4 7 电压比较器电路及版图。7 4 图4 8 锁存器电路及版图7 4 图4 9 三输入与门电路及版图。7 5 图4 1 0 采样保持整体电路结构图和版图j 7 5 图4 1 l 时钟输入调节电路及其版图7 5 图舢1 2a c l c 电路及版图7 6 图4 1 36 b i t s2 g s p s 全并行a d c 整体版图( a ) 及照片( b ) 7 7 图4 1 4a d c 后仿真输出结果7 7 图4 1 5a d c 后仿真d m 心i 结果7 8 图4 1 6 高速采样保持电路版图及其照片7 8 图4 - 1 7 采样保持电路框图7 9 周4 一1 8 采样保持电路有效位后仿真结果：( a ) e n o b 2 5g s p s ，( b ) e n o b n y q u i s ts 锄p l i i 培。7 9 图5 1i c 研究流程8 1 图5 2 传统动态测试方法8 3 图5 - 3a d c 测试框图8 4 一图5 - 4 超高速a d c 测试现场照片8 5 图5 5 超高速a d c 封装引脚示意图8 6 图5 - 6 预留时钟测试端口。8 6 图5 7 可调时钟输出波形对比8 7 图5 - 8 詹- 2 g h z 矗= l g h z 实测波形8 8 图5 9 测试p c b 板、芯片及探头照片8 9 图5 1 0 两块芯片静态实测结果对比8 9 图5 一l1 同步时钟测试现场照片8 9 图5 一1 21 0 m h z 2 2 g s p s 的恢复频谱9 0 图5 1 3 实测e n o b 与输入信号以及采样率关系图9 1 图5 1 41 1g h z 2 2 g s p s 量化波形9 1 图5 1 5 采样保持电路测试框图9 2 图5 1 6