（电路与系统专业论文）40mhz、10bit流水线模数转换器的研究.pdf

中国科学技术大学硕士学位论文摘要 摘要 随着电子计算机的广泛应用，以及信息论、数字信号处理等新兴科学的发展 成熟，人们越来越多的需要将模拟信号向数字信号进行转化，因而模数转换器 ( a d c ) 也就成为现代信号处理系统中非常重要的模块，它是现实世界中模拟信 号向数字信号转换的桥梁，是电子技术发展的关键和瓶颈所在。目前有多种结构 的a d c 实现方案，综合这些不同结构的转换器的特点和性能，可以发现流水线 结构( p i p e l i n e ) 的a d c 具备高吞吐率、高分辨率、低功耗、占用面积小等优点， 广泛应用于各个领域。因此对流水线结构a d c 的研究有着非常重要的意义。 本文对一个高性能、低功耗、流水线结构的a d 转换器的主要模块电路进行 了深入的研究和分析。该模数转换器工作在3 3 v 电压下，晟高采样速率是 4 0 m h z ，设计分辨率为1 0 b i t 。在研究流水线的架构和理论算法的基础上，针对 其特点和要求，设计和分析了适合流水线结构高速、高分辨率、低功耗要求的电 压比较器、运算放大器等主要模块以及其他些辅助模块，如码字变换模块 ( c o d e ) 、余量增益模块( m d a c ) 等。 在分析和研究本文流水线结构a d c 电路的过程中，涉及电路仿真以及电路 中器件参数的计算和修改，而金属氧化物半导体( m o s ) 器件是模拟集成电路中 最常用的器件，其性能的好坏很大程度决定了集成电路的性能指标，目前得到广 泛应用的b s i m 3 晶体管模型采用了较多经验参数和复杂的表达式，这虽然可以 提高计算机仿真结果的精度，但是不利于设计者的快速计算和修改器件参数。因 此，本文通过对已经有的国内外各种晶体管模型的分析和研究，提出了一种简化 的适合快速计算晶体管主要设计参数的m o s 管模型。 本文的主要工作和特色如下： f i ) 本文针对全差分运算放大器在面积、功耗以及建立时间上的优势，设计 了一种采用增益提高结构( g a i nb o o s t ) 的两级c a s c o d e 结构实现的运算 放大器它通过提高运放的输出电阻来得到高的童流电压增益，仿真结果表明， 这种结构的全差分运算放大器的总体性能都要优于传统的运算放大器。 ( 2 1 本文设计的高速电压比较器，它采用了带有前置预放犬级和动态闩锁输 出级的两级运放结构，前置预放大级的使用虽然提高了电路功耗，但是大大的减 中国科学技术大学硕士学位论文摘要 小了失调；而动态的结构在保证转换速度的前提下，能有效的控制比较器的功耗。 ( 3 ) 本文提出的m o s 晶体管管模型的表达式具备简洁的形式和良好的精度， 它以晶体管反型系数i f 为基础，在进行电路设计时，只须根据相应工艺的一些基 本参数和设计要求，就能很方便的得到设计电路所需要的晶体管宽长比、偏置电 流和截止频率等重要参数。 本文提出的电路结构通过h s p i c e 仿真都获得了比较满意的结果，并且在低 功耗、便携式调频接收机芯片和2 0 m 、】o b i t 流水线a d c 芯片设计项目的实际芯 片中都得到了应用。 关键字：流水线模数转换器，动态闩锁，增益提高，金属氧化物场效应晶体 管，跨导，反型系数 中国科学技术大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h e r ea r em o r ea n dm o r er e q u i r e m e n t so ft r a n s f o r m a t i o nf r o ma n a l o gs i g n a l st o d i g i t a ls i g n a l sw i t ht h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no f t h ec o m p u t e ra n dt h ed e v e l o p m e n to f n e w l ys c i e n c ea n dt e c h n o l o g ys u c ha si n f o r m a t i c s ，p r o c e s s i n go fd i g i t a ls i g n a l s ，e t c t h ea n a l o gd i g i t a lc o n v e r t e r ( a d c ) ，w h i c hi st h eb r i d g eo f t r a n s f o r m i n gf r o ma n a l o g s i g n a l t o d i g i t a ls i g n a la n dt h e 基e yo fd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n i q u e ，h a s t h e r e f o r eb e e nv e r yi m p o r t a n tm o d u l ei nt h ea d v a n c e ds i g n a l p r o c e s s i n gs y s t e m s t h e r ea r er e c e n t l ym a n ys t r u c t t n e st oi m p l e m e n ta na d c o v e r v i e wt h ef e a t u r e sa n d t h ep e r f o r m a n c e so ft h e s ed i f f e r e n ts t r u c t u r e so fc o n v e r t e r s ，t h es t r u c t u r eo f p i p e l i n e o fa d cc a nb ef o u n dt oh a v et h ea d v a n t a g e so fh i g hs p e e d ，h i g hr e s o l u t i o n ，l o w p o w e rc o n s u m p t i o na n ds m a l la r e a ，a n de x t e n s i v e l ya p p l i e dt oe v e r yf i e l d s oi t i s v e r yi m p o r t a n t t os t u d yt h es t r u c t u r eo f p i p e l i n eo f a d c t h i s p a p e ri n t r o d u c e st h ed e e p l y r e s e a r c ha n d a n a l y s i s o fp r i n c i p a lm o d u l e c i r c u i t so fah i 曲p e r f o r m a n c e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o np i p e l i n es t r u c t u r ea i d c o n v e n e r , w h i c hw o r k sw i t hv o l t a g eo f3 3 、m o s th i g hs a m p l i n gr a t eo f4 0 m h za n d r e s o l u t i o no f1 0b i t s b a s e do nt h er e s e a r c ho fp i p e l i n es t r u c t u r ea n dt h e o r e t i c a l g o r i t h mw i t hi t s f e a t u r e sa n dr e q u i r e m e n t s ，t h em a i nm o d u l e ss u c ha st h ev o l t a g e c o m p a r a t o r , t h eo p e r a t i o n a la m p l i f i e r , e t c a n do t h e ra c c e s s o r ym o d u l e ss u c ha sc o d e c o n v e r s i o nm o d u l e ( c o d e ) ，m d a cm o d u l e ，e t c ，h a v eb e e nd e s i g n e da n da n a l y z e d t h e y m e e tt h er e q u i r e m e n t so f p i p e l i n es t r u c t u r e ，h i g hs p e e d ，h i 曲r e s o l u t i o na n dt o w p o w e rc o n s u m p t i o n t h i sp a p e rd e a l sw i t ht h ec i r c u i ts i m u l a t i o na n dt h ec a l c u l a t i o na n dc o r r e c t i o no f p a r a m e t e r so f e l e m e n t si nc i r c u i td u r i n gt h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fp i p e l i n es t r u c t u r e o fa d cc i r c u i t t h em e t a l - o x i d e s e m i c o n d u c t o r ( m o s ) e l e m e n t sa r em o s tc o m m o n l y u s e di n a n a l o gi n t e g r a l c i r c u i t s ，t h ep e r f o r m a n c e s o fw h i c hd e t e r m i n et h e s p e c i f i c a t i o n so fi n t e g r a l c i r c u i tt o ah i g hd e g r e e t h et r a n s i s t o rm o d e lo fb s i m 3 ， w h i c hi s r e c e n t l ye x t e n s i v e l ya p p l i e d ，a d o p t sm o r et h u m bp a r a m e t e r sa n dc o m p l e x r e p r e s e n t a t i o n ss ot h a td e s i g n e r sc a n n o tc a l c u l a t ea n dc o r r e c tt h ee l e m e n t p a r a m e t e r s s p e e d i l y t h ep a p e rs u g g e s t s a s i m p l i f i e d m o d e lo fm o st r a n s i s t o r a d a p t i v e t o c a l c u l a t et h em a i nd e s i g n e dp a r a m e t e r so ft r a n s i s t o rs p e e d i l yt h r o u g ht h es t u d yo f v a r i o u st r a n s i s t o rm o d e l sk n o w ni nt h ew o r l d t h em a i nf e a t u r e so f r e s e a r c hi nt h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eo p e r a t i o n a la m p l i f i e ra d o p t st w oc a s c o d e s t r u c t u r eo f g a i nb o o s t ， 中国科学技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t w h i c hc a l lb eo b t a i n e dh i g hd cg a i nt h r o u g hr a i s i n gt h e o u t p u t r e s i s t a n c eo f o p e r a t i o n a la m p l i f i e r t h er e s u l t so f s i m u l a t i o ni n d i c a t et h a tt h eo p e r a t i o n a la m p l i f i e r o f c o m p l e t ed i f f e r e n t i a lw i t ht h i s s t r u c t u r eh a v ea na d v a n t a g eo v e rt h ec o n v e n t i o n a l o p e r a t i o n a la m p l i f i e r si na r e a ，p o w e rc o n s u m p t i o na n ds e t u pt i m e ( 2 ) t h eh i 啦一s p e e dv o l t a g ec o m p a r a t o ra d o p t s t h es t r u c t u r eo f t w o s t a g e o p e r a t i o n a la m p l i f i e r w i t h p r e a m p l i f i e r a n d d y n a m i c l a t c h o u t p u t t h e u s eo f p r e a m p l , i 。f i e rc a ng r e a t l yd e c r e a s et h eo f r s e ta l t h o u g ht h ec i r c u i tp o w e rc o n s u m p t i o n m a yb ei n c r e a s e d ，w h e r e a s t h e p o w e rc o n s u m p t i o n o ft h e c o m p a r a t o r c a nb e e f f e c t i v e l yc o n t r o l l e du n d e rt h ec o - n d i t i o no f n oc h a n g e so ft r a n s f e rs p e e do f d y n a m i c s t r u c t u r e ( 3 ) t h er e p r e s e n t a t i o n o fm o st r a n s i s t o rf r o mt h e s u g g e s t i o n o ft h e p a p e r p o s s e s s e sb r i e ff o r ma n d w e l la c c u r a c y ，w h i c hi sb a s e do ni n v e r s i o nc o e f f i c i e n ti f o f t r a n s i s t o r i ti sv e r yc o n v e n i e n tt og e tt h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r ss u c ha st h er a t i oo f w i d t ha n dl e n g t h ，b i a sc u r r e n ta n dc u t o f ff r e q u e n c y ，w h i c ha r en e c e s s a r yt od e s i g na c i r c u i t ，a c c o r d i n gt ot h eb a s i cp a r a m e t e r so f t e c h n i c sa n dd e s i g nr e q u i r e m e n t sw h e n d e s i g n i n g t h ec i r c u i t s t h ec i r c u i ts t r u c t u r e s s u g g e s t e db yt h i sp a p e r a l lo b t a i n s a t i s f a c t o r y r e s u l t s t h r o u g ht h es i m u l a t i o no fh s p i c e ，a n d t h e r ea r es i m i l a ra p p l i c a t i o n si nt h ec h i po f m a x l4 4 4a d c k e y w o r d s ：p i p e l i n ea n a l o gd i g i t a lc o n v e r t e r , d y n a m i cl a t c h ，g a i n b o o s t ，m o s f e t t r a n s c o n d u c t a n c e ，i n v e r s i o nc o e f f i c i e n t 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 我们的现实生活离不开各种信息，信号是信息的具体表现形式，是信息的载 体。为了对信号进行处理、存储、传输，通常采用电信号。早期都采用模拟信号， 模拟信号的处理存着速度快。系统简单、成本低等优点，在信号处理中有着重要 作用。 从上个世纪六十年代起，随着电子计算机的广泛应用，以及信息论、数字信 号处理等新兴科学的发展成熟，人们越来越多的需要将模拟信号和数字信号进行 相互转化。在自然界中，人们所遇到的各种物理景通常都是连续可变的模拟量， 如温度的高低、速度的快慢、光线的强弱，无论在时间上还是空间上都是连续变 化的，而目前计算机所能接受的信息必须是数字量，本质上只能进行两位的数字 运算，如果要用计算机处理实际信号，必需将模拟量转换成计算机可以识别的数 字量。同时，将信号用数学量进行处理、传输、存储，还具有高精度、高灵活性、 高可靠性、容易大规模集成等模拟信号系统所无法代替的优点。因此，在现代电 子系统中，数字信号系统占有很大比重。而将模拟信号转换成数字信号的模数转 换器和将数字信号转换成模拟信号的数模转换器也就成为现代信号处理系统中 非常重要的功能模块。可以说，在实际的信号处理系统中，模数转换器和数模转 换器是不可缺少的，它是现实世界中模拟信号向数字信号转换的桥梁，是电予技 术发展的关键和瓶颈所在。 1 1模数转换器的典型应用 图1 1 表示a d 和d a 转换器在数字信号处理系统中的典型应用。 图1 1a d 和d a 转换器在数字信号处理中的应用 图中的数字信号处理系统既可以代表一个简单的数字滤波器，也可能是个 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 复杂的视频信号处理系统，两端的a d 和d a 转换器作为数字系统和外界之间 的接口【“。 近年来，a d 和d a 转换器也被越来越多地应用于无线数字通信系统 2 3 】。 其中，在数字中频t r a n s c e i v e r 中的应用最为典型，与传统模拟中频 t r a n s c e i v e r 所不同的是，在数字中频t r a n s c e i v e r 的接收通道，由射频 信号降频得到的中频信号直接被a d 转换器转换成数字中频信号，然后通过数 字方式解调到基带信号，同样，在发射通道，基带到中频的调制也是以数字方式 实现的，经过调制的数字中频信号再通过d a 转换器变成模拟中频信号。图l - 2 是一个数字中频无线t r a n s c e i v e r 的原理图。与模拟中频比较，数字中频具 有更低的功耗，这对于靠电池供电的便携式电子设备是至关重要的；此外，由于 数字电路具有更高的可靠性，使数字中频解调具有更低的误码率。 鼋 喘 鲎 邯 吕 交 图l2a d 和d a 转换器在无线通信中的应州 1 2 模数转换器的结构和特点 随着数字技术的不断进步，模数转换的应用领域越来越宽广，对模数转换器 的要求也越来越高，也促使新型的模数转换器结构不断涌现。模数转换器属于大 规模数模混合电路，对电路性能有严格的要求，因此在设计上有一定难度，从转 换器出现开始，人们就一直在不断研究新的转换器结构以适应不同的应用领 域，满足不同的性能要求。目前，较为广泛应用的模数转换器结构有：并行比较 型( 闪烁型) a d c 、逐次逼近型a d o 、- 型a d c 等等，还有就是本文讨论 的流水线a d c ( p i p e l i n ea d c ) 。它们都有各自的优点和缺点，可阻应用于不同 2 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 场合，满足不同的性能需求。 并行比较型( 闪烁型) a d c 工作原理简单，是各类a d c 中转换速率最高的， 但芯片尺寸和功耗限制这类a d c 的分辨率，不适合高分辨率要求的场合。逐次 逼近型a d c 转换速率不高，但转换器包含的元件数量较少，能以较低的制造成 本获得较高的分辨率，因此在中、低速应用场合得到广泛使用。型a d c 是 实现高分辨率a d 转换的很有效的技术，过采样技术突破了传统模数转换 技术对分辨率的限制，采用过采样和低位量化结合的方法，可实现直到2 4 位高 分辨率的模数转换。但是转换速度的缺陷使这一高精度高分辨率的模数转换器只 能用于低频信号的检测f 4 】。 流水线a d c ( p i p e l i n e a d c ) 是2 0 世纪8 0 年代兴起的一种高速率的模数转 换器。它能够提供颇具吸引力的速度、分辨率、低功耗和很小的芯片尺寸等优点， 因此，有着广泛的应用前景。流水线模数转换器的主要应用领域包括：对于总谐 波失真( t h d ) 、无杂散动态范围( s f d r ) 和其他频域特性要求较高的通讯系统； 对于噪声、带宽和瞬态相应速度等时域特性比较感兴趣的c c d 成象系统；以及 对时域和频域都要求较高的数据采集系统。随着人们不断改进流水线模数转换器 的结构，它将会满足更多不同应用领域的不同性能要求。这种结构的模数转换器 采用多个低精度的模数转换器进行采样信号，进行分级量化。然后再将各级的量 化结果组合起来，构成高精度的量化输出。与其他结构的转换器比较，p i p e l i n e a d c 有许多独特的优点：高吞吐率，高分辨率，低功耗，占用面积小等，一般 适用于1 0 1 4b i t 分辨率、2 0 m h z 到5 0 m h z 转换速度的应用。 j - 1 3研究背景和研究意义 与模拟信号相比，数字信号具有便于存储、转移、保真度和可靠性高等优点， 因此在过去的2 0 年，各国的研究机构对数字技术的发展非常重视，并且，随着 c m o s 工艺水平的长足进步和数字系统设计软件的日趋成熟，使数字系统无论是 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 路的设计在过去的几十年没有得到足够的重视，加之模拟设计软件和方法也不够 成熟，使模拟尤其是数模接臼电路的发展落后于数字电路的发展，因此，一些电 子系统，比如数字视频系统、数字通信系统，模数转换电路的性能( 如速度、精 中国科学技术大学硕= 匕学位论文 第一章绪论 度) 成为限制整个系统性能的瓶颈。另外，由于靠电池供电的便携式设备曰益普 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 待机时间，所以，高速、高精度、低功耗模数转换器成为模拟集成电路领域中的 研究热点。 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， 因此，流水线模数转换器是目前数模混合设计的热点之一，随着它应用范围的扩 展，它将在信号处理中起若更加广泛而且重要的作用。发达国家对高速数据转换 电路的研究开发已经达到了很高的水平，表1 1 列出了代表目前国外先进水平的 两个高速、低功耗a d 转换器的主要性能指标【5 4 】。第一个a d 转换器由美国 a n a l o gd e v i c e 公司的i u r im e h r 设计，第二个a d 转换器由美国c a l i f o r n i a ， b e r k e l e y 大学的a n d r e wm a b o 设计。 表1 1两个高速、低功耗a d 转换器的主要性能指标 l u r im e h r 的结构a n d r e wm a b o 的结构 分辨率 1 0分辨率l o r n l o7 5 l s bi n l o 7 l s l 3 i ) n l 0 3 l s bd n l o 5 l s b 最大采样速率 4 0 m s s最大采样速率1 43 m s s s n o a ( f , ；i k = 4 0 m s s ，f i = 2 0 m h z ) 5 9 d b s n d r ( f d k = 4 0 m s s ，n = 1 0 0 k h z ) 5 8 5 d b 最大功耗 7 0 m w 最大功耗3 6 m w 相比较而言，我国在这方面的研发水平与国外相比还十分落后，这严重限制 了我国在集成电路设计尤其是系统集成方厩的发展。为了缩短与国外先进水平之 间的差距，我们急需加强在这个领域的研究。因此，研究流水线结构模数转换器 有着非常重要的意义。 1 4主要工作内容和特点 本论文以高速、高精度流水线模数转换器的设计和分析为研究方向，深入研 究了流水线的结构和特点，着重分析了1 5 b i t 流水线结构的算法和特点，对相应 结构模数转换器部分电路模块( 电压比较器、运算放大器、码字变换模块、余量 4 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 增益模块等) 进行了分析设计，并进行了仿真。在研究电路的过程中，提出了 种适合快速计算模拟电路器件参数的m o s 晶体管模型，并通过简单的电路设计 对模型的使用和结果进行了说明和验证。 本文的主要工作特色包括以下几方面： ( i ) 运算放大器采用了增益提高结构( g a l nb o o s t ) 的两级c a s c o d e 结 构实现，通过提高运放的输出电阻来得到高的真流电压增益，仿真结果表明，这 种结构的全差分运算放大器在面积、功耗以及建立时间上都要优于传统的运算放 大器。 ( 2 ) 高速电压比较器采用了带有前置预放大级和动念闩锁输出级的两级运放 结构，前置预放大级的使用虽然提高了电路功耗，但是大大的减小了失调；而动 态的结构在保证转换速度的前提下，能有效的控制比较器的功耗。 ( 3 ) 本文提出的m o s 晶体管管模型的表达式具备简洁的形式和良好的精度， 它以晶体管反型系数i f 为基础，在进行电路设计时，只须根据相应工艺的一些基 本参数和设计要求，就能很方便的得到设计电路所需要的晶体管宽长比、偏置电 流和截止频率等重要参数。 文中提出的电路结构通过h s p i c e 仿真都获得了比较满意的结果，并且在 m a x l 4 4 4a d c 芯片中都有类似的应用。 1 5论文的组织结构 本篇论文一共分为五章。除了本章绪论外，第二章回顾并比较了各种a d 转 换器的特点和用途，其中着重讲述流水线a d 转换器的架构原理及其涉及到的 技术的分析；第三章介绍了流水线a d 转换器的各主要功能模块的电路设计和 仿真结果，重点分析其中的高速电压比较器电路；第四章详细介绍在分析电路过 程中建立起来的适合快速计算电路器件参数的m o s 晶体管模型，并结合计算结 果和仿真结果分析说明它的具体应用；最后第五章是对本篇论文的总结和展望， 提出迸一步工作的想法。 中国科学技术大学硕士学位论文第二章a d 转换器的1 二作原理 第二章a i d 转换器的工作原理 数字技术的高速发展，模数转换的应用领域越来越宽广，对模数转换器的要 求也越来越高，这就促使新型的模数转换器结构不断涌现。模数转换器属于大规 模数模混合电路，对电路性能有严格的要求，因此在设计上有一定难度，从转换 器一出现开始，人们就一直在不断研究新的转换器结构以适应不同的应用领域， 它们都有各自的优点和缺点，满足于不同的性能要求和应用场合。 2 1 各类常见的比较器 目前，较为广泛应用的模数转换器结构有：并行比较型( 闪烁型) a d c 、逐 次逼近型a d c 、a 型a d c ，流水线型a d c ( p i p e l i n e a d c ) 等。下面依次介 绍各种结构a d c 的原理和特点。 2 1 1 并行比较型a d c 并行比较型a d c 是各类a d c 中转换速率最高的种，对于高速、高带宽的 应用场合，它是一种非常理想的结构，但是，由于这种结构a d c 所含比较器的 数量( 直接关系到芯片的尺寸) 与分辨率呈指数关系，而又由于要实现高速转换， 每个比较器都必须在相当高的功耗下工作，因此芯片尺寸和功耗大大限制了这类 a d c 的分辨率，一般能达到最高8 位的分辨率，所以它不适合高分辨率要求的 应用场合。 并行比较型a d c 一般用于高速数据采集、人造卫星通信、雷达信号处理、 采样示波器和高密度磁盘驱动等对速度要求很高的场合。 这种模数转换器的工作原理十分简单，如图2 1 所示，是并行比较型a d c 的结构框图【7j ，一个n 位的并行比较型a d c 通常是由2 - 1 个电压比较器构成， 基准间隔为最低有效位电压( 即l s b ) ，由一组电阻分割总参考源实现，由低到 高分别加到各比较器的负输入端作为基准比较电位。如果加到比较器正输入端的 输入信号大于基准电位，则此比较器输出高电平“1 ”；相反，如果输入信号小于 基准电位，则输出为低电平“0 ”。各个层叠起来的比较器依次输出各自的结果， 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章a d 转换器的工作原理 通过译码电路，就能得到最终的转换结果4 1 。 图2 i并行比较型a d c 结构 虽然并行比较型a d c 有着高速高带宽的特点，但是长期以来，体积、输入 电容和大量比较器所需要的功耗一直是其受限制的主要因素。 2 1 。2 逐次逼近型a d c 逐次逼近型a a ) c ( s a r a d c ) 是采样速率低于5 m s p s 的中等至高分辨率应 用的常见结构。它的分辨率一般为8 位至1 6 位，具有低功耗、小尺寸等特点。 这些特点使其具有很宽的应用范围，例如便携电池供电仪表、笔输入量化器、 工业控制和数据信号采集器等眠 顾名思义，s a ra d c 实质上是实现一种二进制搜索算法。所以，当内部电 路运行在数兆赫兹时，由于逐次逼近算法的缘故，a d c 采样速率仅是该数值的 几分之一。 尽管实现s a ra d c 的方式千差万别，但其基本结构非常简单，如图2 2 所 示。模拟输入电压由采样保持电路保持。为实现二进制搜索算法，n 位寄存器 首先设置在中间刻度( 即：1 0 0 0 0 ，m s b 为1 ) 。然后，比较判断模拟输入 电压和数模转换器( d a c ) 的输出，如果输入大于d a c 的输出，则比较器输出 商电平，同时寄存器的m s b 为“l ”；楣反，如果输入小手d a c 的输出，则比 中国科学技术大学硕卜学位论文 第二章a i d 转换器的工作原理 较器输出低电平，寄存器m s b 清“0 ”，随后s a r 控制逻辑移动至下一位，并将 该位设为“1 ”，进行下一次比较。这个过程一直持续到最低有效位( l s b ) 。 图2 2逐次逼近型a d c 结构 逐次逼近型a d c 包含的元件数量较少，能以较低的制造成本获得较高的分 辨率，但是由于其结构和算法的特点，最多可能要经历n 次比较，决定了它的 转换速率不会很高，因此在中、低速应用场合得到广泛使用。 2 1 3 a 型a d c 一型a d c 是实现高分辨率a d 转换的很有效的技术，型转换方式 把振幅方向的分辨率简化为1 位，用提高时间方向分辨率( 即过采样) 的方法代 替振幅方向的分辨率来达到增加精度的目的。但是，这种转换中的一型调制 器却存在着取样效率不高、对取样平均不充分和所需时间较长的问题；同时，过 采样a d c 对反馈噪声的处理受限于反馈路径上a d c 的精确性【9 】。 与一般的a d c 不同，型a d c 不是直接根据抽样数据的每个样值的 大小迸行量化编码，而是根据前一量值与后一量值的差值即所谓的增量的大小柬 进行量化编码，在某种意义上它是根据信号波形的包络线来进行量化编码m 1 。 型a d c 由两部分组成：第一部分模拟调制器，第二部分为数字抽取滤 波器，如图2 3 所示，整个反馈回路构成模拟调制器，l p f 是数字滤波器。 一调制器以极高的抽样频率对输入模拟信号进行抽样，并对两个抽样之 间的差值进行低位量化，得到用低位数码表示的一码流，然后将这种一码 流送给第二部分的数字抽取滤波器进行抽取滤波，从而得到高分辨率的线性脉冲 中国科学技术大学硕1 ：学位论文第二章a d 转换器的t 作原理 编码调制的数字信号。 c l y 图2 3一型a d c 结构 过采样e 技术突破了传统模数转换技术对分辨率的限制，采用过采样和低 位量化相结合的方法，可实现直到2 4 位高分辨率的模数转换。但是由于这一技 术的原理限制，使得真正达到2 4 位分辨率时的转换速度只有几赫兹几十赫兹， 转换速度的缺陷使这一高精度高分辨率的模数转换器只能用于低频信号的检测， 如热电偶测量传感器的数据采集。 2 1 4 流水线型a d c 流水线型a d c ( p i p e l i n e a d c ) 是2 0 世纪8 0 年代兴起的一种高速率的模数 转换器。它能够提供颇具吸引力的速度、分辨率、低功耗和很小的芯片尺寸等优 点，因此，有着广泛的应用前景。这种结构的模数转换器采用多个低精度的模数 转换器进行采样信号，进行分级量化。然后再将各级的量化结果组合起来，构成 高精度的量化输出。下一节将详细介绍流水线结构a d c 的工作原理。 2 。2 流水线结构a d c ( p i p e l i n ea d c ) 的结构和原理 1 9 8 7 年，第一个单片集成的c m o s 流水线结构的a d 转换器被设计成功。 此后的十几年里，这种结构获得了不断的改进和优化，成为高速、高精度a d 转换器的主流产品。流水线结构a d 转换器具有高吞吐率，低功耗，占用面积 小的优点，这使得流水线结构的a d 转换器在高速高精度的模数转换中的得到 非常广泛的应用。流水线结构一般适用于l o 1 4b i t 分辨率、2 0 m h z 到5 0 m h z 转换速度的应用f 4 1 。 中国科学技术大学硕士学位论文第二章a d 转换器的工作原理 2 2 。1 流水线结构a i d 转换器的工作原理 流水线结构的基本思想就是把总体上要求的转换精度平均分配到每一级，每 一级的转换结果合并在一起就可以得到最终的转换结果。流水线每级的结构完 全相同，功能完全一致，如图2 4 。每一级的功能都是接受前一级的输出作为本 级s u b a d c ( 子a d 转换器) 的输入，得出tb i t 的数字信号。这些数字信号一方 面作为本级的输出，另一方面作为s u b d a c ( 子数模转换器) 的输入，使得 s u b d a c 的输出产生对应于这tb i t 数字信号的模拟信号。然后从本级的输入信 号中减去s u b d a c 的输出信号，再乘以2 ，作为本级的输出，也就是下一级的 输入。总而言之，流水线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精度。流水线结构 的a d 转换器一个很大的优点在于高度模块化，只要设计完一级的电路，就能 应用于流水线的每一级。这就使得设计者的负担大大减轻。流水线a i d 转换器 的输入采样保持电路、各级子模块和最后的数字校正电路都在同步时钟的控制 下连续运作，因此它的转换速率与采样频率相同t 1 2 j 。 图2 4流水线结构a d 转换器的系统框图 2 2 2 每级2b i t 的流水线结构a ，d 转换器 流水线结构的a d 转换器每一级所完成的转换精度依赖于具体应用中所要 求的转换速度和转换精度。一般来说，一些低速高精度的a d 转换器往往每级 的转换精度较高，比如说每级4 b i b 而一些对速度要求较高的a d 转换器往往每 o 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章a d 转换器的工作原理 级的转换精度较低，最低的就是2 b i t 。流水线每一级内部都需要一个放大倍数2 1 的放大器来放大余数。这一放大器的带宽决定了整个a d 转换器信号通道的带 宽。由于运算放大器的增益带宽乘积在一定的功耗和工艺基本恒定，所以放大器 的闭环放大倍数越低，放大器的带宽也就越大，整个a d 转换器能达到的速度 也就越高。每级2b i t 的流水线结构非常简单，通道带宽最大，而且在设计过程 中可以共用或者节省很多部件，因此一度获得广泛的应用0 图2 5 是一个典型的m 位流水线a p e ) 转换器体系结构示意图，它由m 1 级低分 辨率的子模块( 每级分辨率为2 位) 级联而成。第一级到第m 2 级完全相同， 第m 一1 级是由三个比较器构成的两位全并行a d 转换器。图2 5 中，子模块中 的采样保持、余量增益功能仅由一块单独的电路实现，这个电路由一个运放和一 些外围的开关和电容组成。模拟信号首先经采样保持电路进入第一级s u b a d c ， 其输出的粗量化值进入数字校正电路，同时被s u b d a c 转化成模拟值，该值与 输入a d 转换器的模拟值相减，得到的余量值经过余量增益电路放大两倍后传 送到下一级。依此类推，每级予模块都输出一个余量值作为下一级的输入，同 时产生两位低分辨率的数字值到数字校正电路，通过对这些值进行适当的逻辑运 算，可得到最终高分辨率的数字输出。 。怨孙瞄闻。习一j 吾 b i sr 2b 8 。：- d i g i t a lo u t p u t i ) i g i t a l r r l | c 1i o n j 琳 图2 5每级2 b i t 的流水线结构a d 转换器 每级2b i t 的a d 转换器每一级内部包含2b i t 的s u b a d c 和s u b d a c ，但 级间的增益是2 ，即相当于精度为t ，级阃增益为2 。1 。这一做法是考虑到在实际 应用中存在的非线性误差，使得本级的余数乘上2 以后，可能会超出下一级的转 换范围。乘上2 。以后，就会使得每一级得出的数字信号都存在冗余，而这些冗 中国科学技术大学硕士学位论文第二章a d 转换器的工作原理 余信息可以通过数字校正电路来修正转换过程中的非线性误差。 2 2 3 每级1 5b i t 的流水线结构a ，d 转换器 流水线结构a d 转换器刚出现时大多采用每级2b i t 的结构，后来出现了一 种更新的每级1 5b i t 的流水线结构。该结构比较成功，这主要归功于它固有的高 线性度、高速度以及简洁的校正方式和电路实现。 每级1 5b “的流水线的总体结构和每级2b “的流水线总体结构相同，区别在 于级内的结构，如图2 6 。在s u b a d c 的输入端和s u b d a c 的输出端分别人为 地引入了一1 4 v r e f 和1 4 v r e f 的失调误差。 可以从图2 7 和图2 8 中看出引入失调前后的输入信号对输出的余量的传输 曲线的差异。在人为引入失调以后，仍然使用三个判决电平把桨个输入范围分成 四个区间，引入失调的结果使得三个判决电平都往右平移了1 4 v r e f 。实际上， 从图27 中可以看出，如果把最高的一个判决电平去掉，仍然可以保证余数的绝 对值不超过1 2 v r e f 。 2 b i t s r 蚤盎i b 嚼 图2 6 每级15 b i t 的流水线每一级的内部结构 |l c o i v ， 。il仝h 0 0 r a n 舯, fj n 雠 jl i ；f。i扣嗣d 蹦粕螬 。ii 蝣目请 图2 72 b i t a d 转换器的传输曲线圈2 8引入失调后的传输曲线 1 2 中国科学技术大学碳士学位论义第二章a d 转换器的工作原理 r e s l 谢a 。 o o0 1 0 i n v 蝻甜 旧九口e i i 删 图2 + 9每级1 5b i t a d 转换器的传输曲线 去掉最高一个判决电平后的传输曲线如图2 9 。每一级s u b a d c 的转换范围 都是2 v r e f ( - v r e f v r e f ) 。对于图2 7 、2 8 和图2 , 9 中的三种情况，只要任何一 个判决电平往边上移动的距离不超过1 4 v r e v ，都能够保证最终的余数绝对值不 超过l 2 v a e r 。这一余数乘2 以后仍然被限制在一v r e f v r e f 以内，也就是没有超 出下一级的转换范围，不会因为使下一级过