（检测技术与自动化装置专业论文）流水线adc的系统建模与架构设计.pdf

流水线a d c 的系统建模与架构设计 摘要 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 ) 作为外部模拟世界与电子系统的接1 2 1 ， 其集成度与复杂度正随着系统对精度和速度要求的不断提高而提高。面临工艺 尺寸不断缩小以及电源电压不断降低的形式，如何在保证a d c 性能的同时降 低其功耗，减小各种非理想因素对数据转换所造成的不良影响就成为a d c 设 计的主要课题之一。流水线型a d c 是当前高速、高位a d c 的主流结构，在其 系统级设计阶段就将功耗规划以及非理想效应的规避等问题纳入考虑范畴是整 个系统设计的关键一环。基于此，本文重点考察高速、高位流水线a d c 中的 各种非理想因素，分析、量化其对a d c 性能造成的影响，并给出相应的改进 方法；以功耗和系统信噪比作为重要考察参数，通过分析比较选定1 4 位高性能 流水线a d c 的系统架构。 文中首先分析了s h a ( s a m p l ea n dh o l da m p l i f i e r ) 和m d a c ( m u l t i p l i e r d a c ) 中对后续电路设计有重要影响的系统层面的因素，完成对整个a d c 的 设计指标分解。根据s h a 采样阶段的开关电容电路特性、保持阶段的运算放大 器的建立特性等得出s h a 的主要参考设计指标；考察m d a c 的建立特性，包 括稳态建立误差和动态建立时间两个方面，得出m d a c 中运放的指标要求。其 次，以功耗和噪声容限为主要着眼点寻求流水线a d c 架构的优化。给出确定 流水线a d c 的流水级数、单级精度以及首级精度的原则，并据此在多种组合 中选定优化的a d c 架构：在满足一定的噪声容限的条件下，设定每个流水级 中采样电容的值，使得满足m d a c 中运放的负载电容和功耗要求。最后，给出 了1 4 b i t 、1 0 0 m s a m p l e s 流水线a d c 的架构优化实例。 本文的工作主要基于数学模型描述以及m a t l a b 工具实现。在非理想效 应的分析中用到了s i m u l i n k 工具，用以验证模型，分析各种效应对输出信号频 谱的影响并判断其对性能衰减的幅度；在架构的优化选择中，对各种待选组合 所对应的公式描述使用m a t l a b 语言进行建模。对上述模型进行仿真验证， 得到的些主要结论如下：流水级数越多，功耗相对减小；首级精度较高时， 后级所需要的采样电容越小，后级的功耗越小；缩减因子为o 5 左右时，系统 功耗比较优化；在满足噪声容限的条件下，后级功耗的减小量要大于首级功耗 的增加量才能达到减小系统功耗的目的。 关键词：流水线型a d c ，非理想效应，建立特性，功耗，噪声容限 4 s y s t e m a t i cm o d e l i n g a n da r c h i t e c t u r ed e s i g nf o r p i p e l i n ea d c a b s t r a c t 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 ) ，a st h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h e o u t s i d ea n d t h ei n s i d eo ft h ee l e c t r o n i cs y s t e m ，n e e d sc o n t i n u o u si m p r o v e m e n t so ni n t e g r a t i o n a n dc o m p l e x i t yw i t ht h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n to ni t sr e s o l u t i o na n ds p e e d i nt h e c a s eo fc o n t i n u i n gr e d u c t i o no fd e v i c ed i m e n s i o na n dl o w e r i n go fp o w e rs u p p l yv o l t a g e ， h o wt ol o w e ra d c sp o w e rd i s s i p a t i o nw i t h o u td e c r e a s i n ga d c sp e r f o r m a n c ea n d h o wt o d i m i n i s ht h en e g a t i v ei n f l u e n c eo nt h ed a t ac o n v e r s i o nb ye v e r yn o n i d e a lf a c t o r , b e c o m ea m a i nt o p i ct h r o u g h o u tt h ea d cd e s i g n a sap r e v a i l i n gs t r u c t u r ei nt h ef i e l do fh i g h - s p e e d h i g h - r e s o l u t i o na d c ，p i p e l i n ea d c h a sad e s i r eo nt h ep r o b l e ms u c ha sp o w e rl o w e r i n g a n dn o n - i d e a lf a c t o re l i m i n a t i n gi nt h es y s t e m a t i cd e s i g np h a s e ，w h i c hc o u l db eak e yp a r t t h r o u g ht h ed e s i g no ft h es y s t e m b a s e do nt h ea b o v et h e o r y , t h i sp a p e rw o r k so nt h e f o l l o w i n gt o p i c s ：r e v i e w i n ge v e r y n o n - i d e a le f f e c tf o rah i 咖- s p e e dh i g h r e s o l u t i o np i p e l i n e a d c ，a n a l y z i n ga n dq u a n t i z i n gt h ei n f l u e n c eo na d c p e r f o r m a n c eb yt h en o n i d e a le f f e c t s a n dg i v i n gs o m ec o r r e s p o n d i n gi m p r o v e m e n tm e t h o d s ；u t i l i z i n gp o w e rd i s s i p a t i o na n d s y s t e ms i g n a l - t o n o i s er a t i o 嬲t h ei m p o r t a n tc o n s i d e r a t i o np a r a m e t e r , a n df i x i n g t h e s y s t e m a t i ca r c h i t e c t u r ef o ra1 4 b i th i g h p e r f o r m a n c ep i p e l i n ea d cb yc a r e f u la n a l y s i sa n d c o m p a r i s o n t h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y z e st h ef a c t o r so fs h a ( s a m p l ea n dh ol da m p l i f i e r ) a n dm d a c ( m u l t i p l i e rd a c ) f r o ms y s t e ml e v e lw h i c hh a v eas i g n i f i c a n ti n f l u e n c e f o rt h ef o l l o w i n gc i r c u i td e s i g n ，c o m p l e t i n gt h et a r g e ts e p a r a t i o nf o rt h ew h o l e a d c a c c o r d i n gt ot h es w i t c h e d - c a p a c i t o rc i r c u i tc h a r a c t e ri nt h es a m p l i n gp h a s e a n dt h eo p e r a t i o n a la m p l i f i e rs e t t l i n gp e r f o r m a n c ei nt h eh o l d i n gp h a s e ，t h em a i n r e f e r r e dd e s i g ni n d e x e so fs h ac o u l db eo b t a i n e d ；t h ep a r a m e t e rr e q u i r e m e n tf o r t h eo p e r a t i o n a la m p l i f i e ri nm d a cc o u l db ed e d u c e df r o ms t u d y i n gm d a c s s e t t l i n gc u r v e ，i n c l u d i n gs t a b l es e t t l i n ge r r o ra n dd y n a m i ct r a n s f o r m i n gt i m e s e c o n d l y , a sp o w e rd i s s i p a t i o na n dn o i s er e s t r i c t i o n a st h ec l u ep o i n t ，t h e o p t i m i z a t i o no fa d c a r c h i t e c t u r ec o u l db er e a l i z e d g i v i n gt h ep r i n c i p l e so ns t a g e s ， t h er e s o l u t i o no fas t a g ea n dt h ef i r s ts t a g er e s o l u t i o nw h i c hi su s e dt od e c i d et h e a r c h i t e c t u r eo ft h ep i p e l i n ea d c ，t h em o s to p t i m u ma d ca r c h i t e c t u r ec o u l db e s e l e c t e df r o mn u m e r o u sc o m b i n a t i o n s i nt h ep r e c o n d i t i o no fa c h i e v i n gt h e r e q u i r e m e n to fn o i s e ，t h ev a l u eo fs a m p l i n gc a p a c i t o ri ne v e r ys t a g eo f t h ea d cc o u l db e s e t t l e di no r d e rt os a t i s f y i n gt h ea s s u m p t i o nf o rt h el o a dc a p a c i t a n c ea n dp o w e rd i s s i p a t i o n 5 i nt h ee n d ，ad e s i g ne x a m p l ea b o u t c o n f i g u r a t i o no p t i m i z a t i o n ，i si m p l e m e n t e d0 1 1a14 b i t 10 0 m s a m p l e sp i p e l i n ea d c t h i sp a p e ri sr e a l i z e dm a i n l yw i t ht h ea s s i s t a n to ft h em a t hm o d e ld e s c r i p t i o na n d m a t l a bt o o l s i i lt h ea n a l y s i so ft h en o n - i d e a le f f e c t s ，t h es i m u l i n kt 0 0 1i se m p l o y e d t of m i s ht h em o d e l i n g ，a n dt h r o u g ht h ec o u r s e ，t h ei n f l u e n c eo nt h es p e c t r u mo fo m p u t s i g n a lb ya l lk i n d so fe f f e c t sc o u l db eu t i l i z e dt oe s t i m a t et h e i re x t e n s i o no nt h ea l t e n u a t i o n o fa d c p e r f o r m a n c e i nt h ea s p e c to fc o n f i g u r a t i o ns e l e c t i o n ，t h ee q u a t i o n sd e d u c e df r o m e v e r yc o n f i g u r a t i o nc o m b i n a t i o nc o u l db em o d e l e db ym a t l a bp r o g r a m m i n gl a n g u a g e 。 a c c o r d i n gt os i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o nf o rt h ea b o v em o d e l ，t h em a i nc o n c l u s i o n sc o u l d b eo b t a i n e da sf o l l o w s ：m o r es t a g e s ，r e l a t i v e l yl e s sp o w e rl o s t ；w h e nt h er e s o l u t i o no ff i r s t s t a g ei sh i g h e r , t h er e q u i r e ds a m p l i n gc a p a c i t o ri ss m a l l e ra n dt h ep o w e rl o s tc o u l db e r e d u c e d ；o b t a i n i n gar e l a t i v eo p t i m i z a t i o no np o w e rd i s s i p a t i o nw i t ha s c a l i n g d o w nf a c t o r o f1 2 ；t h er e d u c t i o no fp o w e rd i s s i p a t i o ni sb a s e do nt h et h e o r yt h a ti nt h ep r e s u p p o s i t i o n o fn o i s er e s t r i c t i o n ，t h er e d u c i n gm a g n i t u d eo ff o l l o w i n gs t a g e si sl a r g e rt h a nt h e i n c r e a s i n g m a g n i t u d eo ft h ef i r s ts t a g ep o w e rd i s s i p a t i o n k e y w o r d s ：p i p e l i n ea d c ；n o n - i d e a lf a c t o r ；s e t t l i n gp e r f o r m a n c e ；p o w e rd i s s i p a t i o n ； n o i s er e s t r i c t i o n 6 插图清单 圈2 - 1a d 转换过程5 图2 - 2 信号采样后的混叠示意图5 图2 - 3 流水线a d c 基本架构图6 图2 4d n l 和i n l 7 图2 - 5 失调和增益误差曲线8 图2 - 6 理想有限精度a d c 量化噪声曲线8 图3 - 1 无源器件搭建的采保电路1 0 图3 - 2 运算放大器搭建的负反馈s h 电路1 1 图3 - 3 采样阶段1 2 图3 - 4 采样点瞬间的输入信号不确定性示意图1 2 图3 5 采样开关的采样瞬间不确定性模型1 3 图3 - 6 采样开关的采样瞬间不确定性仿真曲线1 4 图3 - 7s h a 时钟抖动示意图l5 图3 - 8s h a 时钟抖动模型1 6 图3 - 9 随机时钟抖动信号和输出信号1 7 图3 - 1 0 含有时钟抖动的输出信号频谱图1 7 图3 1 1s h a 采样开关的热噪声模型。1 8 图3 - 1 2 含有热噪声的输出信号的频谱图1 9 图3 - 1 3s h a 保持阶段等效模型及输出信号的建立过程1 9 图3 - 1 4s h a 保持模式大信号和小信号建立等效模型2 l 图3 - 1 5 流水线a d c 误差传输示意图2 3 图3 - 1 62 b i t 级的比较器结构和1 5 b i t 级的流水单级结构2 4 图3 - 171 。5 b i t 级余量传输曲线一2 4 图3 一1 8 考虑了比较器失调的s u b a d c 。2 5 图3 19g a i n e r r o r 的影响2 7 图3 2 0d a c 的偏差对a d c 余量曲线的影响2 8 图3 2 l 数字校正示意图及l 。5 b i t 级非理想余量传输曲线一3 l 图4 - 1 功耗随级数变化仿真曲线3 5 图4 2 运放输入对管的等效输出噪声示意图3 6 图4 3 系统等效输入噪声随缩减因子变化仿真曲线一3 9 图4 - 4 首级精度不同时系统等效输入噪声随c s l 和c s 2 变化的仿真曲线4 4 图4 5 当首级精度不同时流水级的功耗随c s l 和c s 2 变化仿真曲线4 8 图4 - 6 缩减因子对功耗和等效输入噪声的作用曲线5 2 图4 7k = 9 5 5 时功耗和第一级电容值随第二级电容变化趋势图5 4 9 表格清单 表4 - i1 4 b i t 精度a d c 优化可能性大的结构列表4 9 表4 2 首级精度不同对电容匹配性的要求5 4 表4 - 3 采样电容一览表5 5 1 0 独创性声明 本人声明所早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志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金璺王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，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，允许论文被查阅或借阅。本人授权金目墨! ：些厶 堂一可以将学位论文的全部或部分论文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适片j 本授权书) 糊姗签名砺内妨翩虢 签字日期：b f o 年e 肖；d 日 签字日期：年月 日 学位论文作者毕业后去向： j l ：作单位： 通讯地址： 3 电话： 邮编： 致谢 首先感谢我的导师高明伦教授在研究生期间对我科研和生活方面的指导 和关心，高老师学识渊博、治学严谨，他对待科学一丝不苟的精神和对学生的 诲人不倦的态度是我以后科研工作中的榜样，他淡泊名利、爱国爱校的情怀永 远是我今后工作生活中的提示和警戒。 感谢我的指导教师尹勇生副教授在项目和论文写作方面的指导和帮助，尹 老师对项目进度的安排以及大论文的框架结构方面都给予了建设性的指点，在 论文的进度和章节组织方面都给予了巨大的帮助。 感谢邓红辉老师在两年多时间里在项目、学习和生活中的指导和关心，邓 老师在引领我进入项目和资料的检索方面都给予了巨大的帮助，她的细致和认 真也是我今后需要学习和提高的地方。 感谢微电子所林薇老师、贾靖华老师、杜高明老师、张多利老师、宋宇鲲 老师、倪伟老师在工作和生活方面的关心和帮助。 感谢两位博士研究生梁上泉师姐、张睿师兄在项目、学习和生活中的指点 和帮助。 感谢矫妹师姐、罗芳杰师兄、谢亚伟师兄在引领我走入模拟集成电路设计 付出的帮助和汗水。 感谢混合信号项目组2 0 0 7 级苏琴、关皓伟、颜哲、邓亮、崔磊在项目进 度中的互相帮助和之间有益的探讨。 感谢0 8 级和0 9 级混合信号项目组的同学在项目和论文写作方面给予的信 任和帮助。 感谢我的父母和家人在我上学期间给予的支持和关心。 感谢工大七年，感谢这七年来帮扶我一路走来的许许多多的老师、朋友和 同学们，这里留下了我们许多的欢声笑语，这里挥洒了太多的青春和汗水。工 大，祝福你，一路走好1 7 作者：张郭敏 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论 1 1a d c 概述 近年来，无线通讯设备的迅速普及推动了a d c 乃至模拟集成电路设计的 迅速发展。在通讯设备不断更新的过程中，工艺的革新以及设备性能的提升都 要求电路的集成度和性能要不断提高，同时功耗也成为制约手持设备电源寿命 的决定性因素。 通用移动通信设备、无线局域网、无线本地环路以及区域多点传输服务等 无线通信标准的不断升级要求数据传输速度要不断提升，高的数据传输速度意 味着需要更宽的带宽，同时调制体系和收发器的发展也推动模拟和数字信号处 理的范围向射频级拓展。这种发展趋势要求模数转换器要具备比较高的采样速 率。此外，精密仪器的普及要求需要有与之相匹配的高精度a d c 来完成对外 界模拟信号的量化，将外界微小的变化量反应在数字输出上。因此，高速、高 精度a d c 的设计具有重要意义。 图1 1 即为一个典型的无线通讯系统，射频端接收到的信号经过一个低噪 声放大器( l n a ) 后进入a d c 转换成数字信号供后级处理。因此，高达g h z 的射频信号对模数转换器的速度是一个很高的挑战【t 儿列。 i o 1 。o q 图卜l 典型无线通讯系统示意图 a d c 的研究在二战之前就已经具备了理论基础，后经4 0 余年的发展得到 不断的完善，根据其基本原理以及结构特点可以分为以下几种类型：积分型、 快闪型( f l a s ha d c ) 、逐次比较型、两步式结构、流水线型结构( p i p e l i n ea d c l 以及s i g m a d e l t a 型，近年来又发展了多通道型a d c 3 1 。 上述的几种a d c 各有其优缺点：积分型根据电量的累积完成转换，其转 换一次所需要的时间依赖积分时间常数，具有精度比较高高、转换速度比较慢 的特点；快闪型a d c 由于使用比较器阵列，其转换速度很高，但是比较器个 数与转换位数成指数关系，同时考虑到带负载能力，制约了其转换精度的提升， 一般的快闪型结构最多做到8 位精度；逐次比较型a d c 是将待比较电平依次 与一系列阈值比较来不断改变逻辑输出，其适用范围是中速和中等精度的要求 的场合；两步式是对快闪型a d c 的改进，能够扩大转换精度的范围而没有大 幅度增加所使用的比较器的数值，但是这是以降低转换速度为代价的；而流水 线型a d c 是对两步式a d c 的进一步的改进，它将转换精度分配到多级结构中， 而且在每一级都设置了采样保持电路，所有的流水级均能同时工作，能较大幅 度提升转换速度，但是其缺点是每一级都要完成采样保持、减法和余量增益功 能，定程度上会增加系统功耗；上述类型的a d c 结构都是依据n y q u i s t 采样 定律实现的，而s i g m a d e l t a 型是一种过采样类型的结构，它采样比n y q u i s t 采 样频率高许多的频率下进行抽样，因为它使用了s i g m a d e l t a 调制技术和数字 滤波技术而能够达到较高的精度，这其实是以牺牲速度方面的优势来换取精度 方面的提升。 近年来，流水线型a d c 逐渐获得了更多的青睐，这是因为它能够在速度 和精度方面均能达到中高的水平，在二者方面能得到较好的折衷【4 1 。它将所要 达到的总精度细分到每一级中，每一级都会得到一个数字量，然后再将这些数 字量延迟对准以及校正后得到正确的输出结果：流水线型a d c 的另一个优点 是能够通过数字校正算法来纠正子流水级中转换的数字输出错误【5 1 。然而，流 水线型a d c 的最终输出需要等到最后一级数字量输出后才能完成，所以存在 一定的延迟，所以其只能应用在一些对延迟时间要求不高的场合。 1 2 流水线型a d c 国内外研究现状 国外对流水线型a d c 的研究起步较早，一些研究机构诸如u cb e r k e l e y 、 g e o r g i at c c h 大学、s t a n f o r d 大学的实验室都在流水线a d c 某些方面做出了开 创性的研究，而业界的大公司诸如a d i 、t i 以及m a x i m 都推出了功能强大的 流水线型a d c 。 1 9 9 3 年u cb e r k e l e y 的c l i n e 的博士论文从噪声、速度和功耗方面对流水 线a d c 做出了系统的研究，对使用的运放的建立特性、采样电容的选取和失 配分析以及功耗优化方面做了深入的论证【6 1 ：2 0 0 5 年g e o r g i at e c h n o l o g y 的 c h a n g h y u kc h o 对在s u b m i c r o n 工艺中的a d c 的功耗进行了分析，对a d c 各个环节的结构进行了改进【7 1 ；2 0 0 4 年s t a n d f o r du n i v e r s i t y 的b o r i sm u r m a n n 对数字校正的流水线a d c 做出了系统性的研究，对数字校正技术以及工艺对 参数估计的影响做出了深入的分析【3 1 。a d i 公司的流水线型a d c 已经做到了 1 6 位、3 5 0 m s s 的水平，基本上能够达到中高频通讯所要求的性能1 9 】；t i 也把 此类型的a d c 做到了1 6 位、2 5 0 m s s 的水平，但是在低功耗市场方面更加有 竞争力。基本上，这几家公司的模数转换器代表了世界上最先进的水平，广泛 地应用在嵌入式系统或者作为i p 核集成。可以预见的是，这种结构由于本身的 局限性，其位数被限制在1 6 位左右很难有所突破，但是其速度却具有较大的提 升空间，可以通过各种结构的使用，能够在采样时钟和主要结构的更迭方面做 出较大的改进。 2 由于我国开展集成电路方面的研究较晚，工业界未能形成定的规模，在 模数转换器设计方面积累的经验较少，但也随着国内外交流的增多也取得了些 许进步。清华大学微电子所的李福乐博士在m d a c 中运放的不完全建立和建立 起点方面提出了自己的设计方法，提高了m d a c 的速度，同时对电容失配的校 准提出了自己的设计思路，相比于国外现行方法具有极大的改善，另外在 b e r k e l e yua tc a l i f o r n i a 的y u nc h i u 基础上提出了一种改进的电容误差平均技 术【lo 】：复旦大学在模拟微电子方面起步较早，其设计的流水线型a d c 的性能 指标已经达到了l0 位、1 0 0 m s s 的水平，并流片成功通过了成测，其博士生李 建2 0 0 8 年发表在j s s c 上的有关流水线型a d c 的论文为国内在a d c 领域首篇 在国际顶端杂志的论文【l l 】；其他的高校和研究机构如电子科技大学、西安电子 科技大学、东南大学、中电集团2 4 所都在流水线型a d c 方面进行了相关的研 究。相比较而言，国内业界在流水线a d c 乃至a d c 设计方面远滞后于国外知 名i c 设计企业。因此，国内流水线a d c 的研究需要高校和企业界紧密合作， 大力汲取国外先进技术和经验，在理论基础和系统设计方面不断完善。 1 3本论文内容及意义 国内的有关a d c 的研究大多着重于具体电路设计细节，而在系统级设计 和建模等顶层级设计方面关注太少。当今a d c 的发展趋势是作为一个i p 核集 成到一个片上系统( s o c ) 中去，这会带来新的噪声以及工艺相容性问题，所以 流水线a d c 的功耗、噪声和工艺兼容性问题日益变得突出。这些问题都需要 从系统级设计和建模中来验证后续的电路设计的价值和可行性【1 2 l 。本文正是从 系统级角度分析流水线a d c 架构设计的依据，并完成各个关节环节的非理想 因素建模。 工艺的改进和集成度的不断提高也使得功耗成为电路设计中重要考虑的因 素。流水线a d c 由许多细分的子流水级构成，而子流水级的功耗由本级的有 效位数和其在流水级中的位置以及转换速率决定的；另一方面，而流水级的噪 声对a d c 输入端的贡献也是由其位置决定，后级的噪声被前级的增益衰减后 被传输到系统输入端。因此，如何规划流水级的级数以及每级的有效位数成 为制约a d c 功耗和有效精度的决定因素【”l 。 基于上述分析，本文将在不同的级数和级精度的组合下，对功耗和噪声进 行了抽象分析，希望能够得出统一的表达式，并通过数学分析工具的仿真，得 出在所能考虑到因素的范畴内的最优化的架构设计。另一方面，在低压、低功 耗的趋势下，高速、高精度a d c 中存在许多影响其性能的非理想因素。本文 将通过厘清介绍流水线a d c 中各个关键环节的原理，分析其非理想因素，并 就其对a d c 性能的影响做出相对精确的数学描述，在此基础上，通过s i m u l i n k 工具进行模型的构建，然后提出相应改进的电路结构或者技术。 1 4本论文的组织结构 第一章：主要简述流水线a d c 的优势，了解流水线a d c 国内外的研究现 状，阐明本文的主要着眼点和研究内容。 第二章：给出流水线a d c 的基本原理和经典架构，并对在a d c 中主要参 数做简略描述，分析它们之间的相关性。 第三章：分析a d c 中关键模块中的非理想因素，并对其进行数学建模， 主要对采样保持模块( s h a ) 和余量减法增益电路( m d a c ) 中的子单元结构进行 分析和建模，并介绍一种简单的数字校正算法，最后对含有各种非理想因素的 流水线a d c 模型进行了仿真。 第四章：对系统架构选择进行了分析，主要从功耗和噪声贡献方面对级数、 级精度以及首级精度反复论证，抽象出数学表达式，对级数和级精度以及采样 电容值三个变量进行了建模分析，得出相关的流水级架构选择的依据；针对本 文课题的流水线a d c 进行了实例分析，在忽略一些非关键因素的前提下得出 本课题所设计的a d c 的最优架构。 第五章：对本论文的研究内容做出了总结，并对后续工作做了展望。 4 第二章流水线a d c 基本原理 2 1 流水线a d c 的基本结构 模数转换是把一个连续的模拟信号转换成一系列离散的数字序列。由于每 一次转换的模拟信号是连续变化的，所以需要使用采样和保持功能将不断变化 的模拟量在某一瞬间捕捉为一直流值作为转换量。因此，每一次转换都需要经 过四个步骤：采样、保持、量化、编码，如图2 1 所示。 图2 1m d 转换过程 经转换后的数字编码如果能够最大可能地还原成原模拟信号，必须在采样 时满足n y q u i s t 采样定律：为了使采样得到的信号不发生混叠( 图2 2 所示) ， 采样频率必须大于信号最大频率的2 倍【14 1 ，即 k 2 厶，懈 ( 2 1 ) 输入信号频谱 。i 一 l 八人。一 采样后的频谱( f s a m p l i n g 2 f i n ) ，。，。，；，。，。，。 ，7、y ，、 ， 、v 7、 ，、y 7、 ，、y 7 、 、，、，、 图2 - 2 信号采样后的混叠示意图 流水线a d c 相比于其他类型的转换器来说，能够在速度和精度上达到良 好的折中，这是由其结构特征决定的。流水线a d c 是由两步式模数转换器演 变而来的，不同点在于流水线式a d c 每一级都具有采样保持功能，这个特点 支持流水转换操作，能够保证转换速度；另外，从理论上讲，流水线式a d c 能够支持无限精度转换，只需要不断地增加级数即可。通用的流水线a d c 的 架构如图2 - 3 所示。 5 舅一 图2 - 3 流水线a d c 基本架构图 进入流水线a d c 中处理的模拟信号，首先进入一个采样保持单元捕获将 要转换的模拟量，采样后的电平依次经过若干流水结构得到一系列数字量，经 过延迟对准电路和数字校正电路处理后输出。每一级流水结构又包括采样保持 功能模块、子a d c 模块、子d a c 模块、减法电路以及残差放大模块。 流水线a d c 中的每一级都具有采样的功能，但是一个置于最前端的采样 保持模块对于高性能的模数转换器来说是必不可少的。虽然最近发表的论文中 u ”【l6 j 【l7 】中都省略了前端的采样保持模块，但是其速度却受到限制，其转换速 率都在5 0 - m s a m p l e s s 以下。主要有下面两个方面原因限制了速度：( 1 ) 如果 把采样保持功能复合到第一级，因为第一级还要完成比较和放大的功能，而且 其反馈系数一般比较小造成其稳定的时问常数比较大，因此会很大程度上限制 采样速率的提高。( 2 ) 如果没有采样保持模块，孔径时间造成的不确定误差被 后级电路逐渐放大，而且由于首级电路中m d a c 和s u b a d c 的开关电容网络 造成的r c 延迟不匹配，在高速转换时二者非同一瞬间采样造成的误差更为严 重。而前端的采样保持模块能够降低对时钟信号以及器件的匹配的要求。 流水线a d c 的每级结构基本上相同，每一级的输入信号经过采样后同时 分别送到m d a c 和s u b - a d c 中，s u b a d c 的输出的数字序列经过d a c 转换成 与之对应的模拟量，采样信号经过残差放大器减去此模拟量得到残差信号，经 放大后作为下一级的输入。除了最后一级外，每一级具有相同的结构，区别在 于可能每一级处理的位数不同，而最后级因为不需要输出一个残差信号，只 需要输出数字编码即可，所以最后一级是由一个f l a s h a d c 构成。 2 2流水线a d c 的主要性能 本小节主要介绍流水线a d c 各种参考指标，这些指标都是由a d c 的两个 基本参数即速度和有效位数得来的，而且在时域和频域各有体现，这也是以后 的系统分析和性能优化的基础。 ( 1 ) 分辨率 6 分辨率是指流水线a d c 所能够分辨的模拟信号最小变化的能力，它和a d c 的位数即转换精度相关【1 8 】，一个n 位的a d c 具有2 1 个量化值，若输入范围为 ，则分辨率为2 ，它也称为1 l s b ，即模拟输入每增a n - 个l s b 的量， 输出数字编码二进制的最低位增加l 。 ( 2 ) 微分非线性( d n l ) d 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 ) 是实际的余量转换曲线中每一个量化步 长和理想的有限精度的量化步长的差值，即实际的量化步长和该精度的l s b 的 差值d g 。理想输入输出转换曲线中，输入每增加一个l s b ，输出的数字量加1 ， 所以理想状态下d n l 为0 。我们所说a d c 的d n l 般是指所有量化区间的 d n l 中的最大值，如图2 4 所示。可以用l s b 来表征d n l ，如式( 2 - 2 ) ： d n l ：懈 监当一1 ( 2 埘 【l l 馏j ( 3 ) 积分非线性( i n l ) i n l ( i n t e g r a t e dn o n l i n e a r i t y ) 是实际的转换曲线中每一瞬间时刻采样值 与理想的无限精度的转换曲线对应点的差值，它是d n l 的不断的积累，在图 2 4 中表征为每一点的实际曲线与理想曲线的偏差【1 9 】。一个a d c 系统的i n l 为在全输入范围上的i n l 的最大值。如果转换曲线是单调递增或者递减关系， 则d n l o ，则i n l 是单调的。i n l 也可以用l s b 来归一化 表示如式( 2 - 3 ) ： 肌 毪笋) = 一 封毪一t l l 衄 ii 智i 1 l 昭 | | = 一佳毗。 ( 1 f 2 ) ( 2 3 图2 4d n l 和i n l ( 4 ) 失调( o f f s e t ) 失调是由于流水线a d c 中的运算放大器( o p e r a t i o n a la m p l i f i e r ) 、比较器 ( c o m p a r a t o r ) 、参考e g e , ( r e f e r e n c ev o l t a g e ) 存在失调引起的，他们主要由于 7 1 0 1 o 1 0 1 o 竹竹 们们 1 0 1 0 1 0 1 0 ” 竹仰 们们 工艺偏差、器件的不匹配以及电路结构在版图上的不对称造成的。如图2 5 所 示，当输入信号为0 时，输出电压或者电流并不在原点，差值为失调电压。 ( 5 ) 增益误差( g a i ne r r o r ) 增益误差主要由于a d c 的子流水级中的由于工艺引起电容( c a p a c i t a n c e ) 失配以及m o s 管和运放输入输出端的寄生电容引起的u 趴，当增益大于理想值 时，输入还未达到满量程，数字输出已经达到满幅值，全为l ；当增益小于理 想值，输入达到满量程时，数字输出不满幅，如图2 - 5 所示。 ( 6 ) 量化噪声( q u a n t i z a t i o ne r r o r ) 任何一个流水线a d c 的精度即转换位数不可能无限大，在量化取整的过 程中会造成原理性的误差，这种误差是模数转换原理决定的，不能够利用其它 方式进行消除，它由理想有限精度转换曲线与理想无限精度转换曲线的差值曲 线所反应。如图2 6 所示，量化噪声是由于a d c 的量化非一一对应关系，而 是模拟量的一个区间上无数的模拟量对应一个数字量而引起的。当a d c 的比 较电平位于中间态时，对应的量化噪声( 方差值) 最小。 图2 - 5 失调和增益误差曲线图2 - 6 理想有限精度a d c 量化噪声曲线 ( 7 ) 信噪比( s n r ) 信噪比( s i g n a l - t o n o i s er a t i o ) 是指满幅输出信号的有效值与噪声的有效 值以对数的形式的比值。对于个理想a d c 来说，s n r 的值只考虑量化噪声 而不计入其他诸如热噪声和谐波失真的影响，它和量化精度即位数紧密相关 【i 引，一般用分贝表示： 舢划l gi 坐垫婴i ：1 0 l gs i g n a l _ e n e r g y 1( 2 - 4 ) 9 ir m s ( n o i s e ) i 。n o i s e e