（电路与系统专业论文）40msps流水线模数转换器.pdf

中国科学技术大学硕士学位论文摘要 摘要 高速度、高精度、低功耗模数转换器的设计一直是模数混合信号设计中的热点 和难点，本文通过对流水线a d c 的原理和电路结构进行了深入的研究，设计并且 实现了基于每级1 5 b i t 结构的，1 0 b i t4 0 m s p s 的流水线a d c 。本文的研究意义在于实 现了a d c 中低温度系数的电压基准，并且对整个系统在m a t l a b 平台下的系统级仿 真。本文主要特色工作是： 1 、提出了- - t o o 新颖的1 5 b i t s t a g e 流水线结构模数转换器的模型，我们对熬个 体系结构进行了行为级描述和方针，评估了各个误差来源对整个系统性能的影响。 并且给出了整个系统的传递曲线和静态参数( i n l 和d n l ) 的仿真结果。 2 、提出了电流模式的带隙基准源结构，实现了一个低温度系数的参考源，产 生比较器的闽值电压，各模块的偏置电压，运放共模电压等等，并且为以后应用于 更低的电源电压提供了灵活的扩展。 3 、采用了一种新颖的基于提升电路采样保持电路，以n m o s 作为采样开关， 很大程度上消除了n m o s 导通电阻和输入信号的相关性。并且在采样保持电路中使 用采用了增益提高结构的运算放大器，提高的运算放大器采用两级c a s c o d e 结构 实现，通过提高运算放大器的输出电阻来得到高的直流电压增益，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优于传统的运算放大器。 4 、完成了流水线a d c 的测试。给出了静态参数的测试方案，采用伺服环路 ( s e r v o l o o p ) 技术进行测量，并且给出了测量结果。在动态测量方面给出了芯片 输出结果的f f t 分析。最后是对带隙基准源的温度系数的测量和计算，并且给出了 4 个样片子的温度曲线。 本文的主要工作在2 0 m 、1 0 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。 关键词：流水线，模数转换器，带隙基准，m a t l a b 模型，提升电路 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 d e s i g no f h i g hs p e e d ，h i g hr e s o l u t i o n ，t o wp o w e rc o n s u m p t i o ni sa l w a y st h eh o t s p o t i nt h em i x e d s i g n a l i c d e s i g n t h i st h e s i s i n t r o d u c e st h e p r i n c i p l e o fp i p e l i n e a n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e r s ( a d c ) a n dp r o v i d e sad e s i g no f10 b i t4 0 m s p sa d c b a s eo n t h e 1 5 b i t s t a g ep i p e l i n e a r c h i t e c t u r e a n d s u c c e s s f u l l yp r o v i d e s al o wt e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n tb a n dg a pr e f e r e n c ea n dd o e st h eb e h a v i o r a ll e v e ls i m u l a t i o no nt h em a t l a b p l a t f o r m t h ew o r k t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so ni s ： 1 、w e p r o v i d ea1 5 b i t s t a g ep i p e l i n ea r c h i t e c t u r ew i t hd i g i t a lc o r r e c t i o nm o d e li nt h e m a t l a bp l a t f o r ma n dg i v et h ew h o l es y s t e mb e h a v i o r a ll e v e ls i m u l a t i o n ，s ow ec a l l e v a l u a t eh e wm u c ht h en o n i d e a l sc o n t r i b u t et ot h ew h o l es y s t e mp e r f o r m a n c e a n da l s o p r o v i d e t h es y s t e m i ct r a n s f e rc u r v ea n dt h ei n l d n lr e s u l t sb yt h es y s t e m i cs i m u l a t i o n 2 、w ea l s op r o v i d eal o wt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n tb a n dg a pr e f e r e n c eb a s e do n c u r r e n tm o d e ，i tc a np r o v i d et h r e s h o l df o rt h ec o m p a r a t o r sa n db i a sf o ra l lb l o c k s ，t h i s b a n d g a p r e f e r e n c eh a st h e p o t e n t i a lo f t h el o wp o w e rs u p p l ya n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n a p p l i c a t i o n 。 3 、i nt h es a m p l e h o l dc i r c u i t ， w eu s et h eb o o s ts t r a pc i r c u i t ，t h i sc a r lg r e a t l yr e d u c e t h er e l a t i v i t yb e t w e e nt h en m o so n - r e s i s t o ra n dt h ei n p u ts i g n a la n dt h em a i no p a m pi s r e a l i z e db yt w os t a g e sc a s e a d ea r c h i t e c t u r e 、村t l lg a i nb o o s to p a m pa n dt h i sk i n do f o p a m p h a sa d v a n t a g eo v e rt h et r a d i t i o n a lo p a m pi ns i z e ，p o w e rc o n s u m 【p t i o na n d s e t t l i n g t i m e 4 、t h e t e s t i n go f t h e a d c w e f i r s ti n t r o d u c et h ec o n c e p t so f t h es t a t i ca n d d y n a m i c p a r a m e t e r s ，t h es c h e m eo f s t a t i cp a r a m e t e r st e s t i n gi st h es e r v e l o o p ，a n dg i v et h es t a t i c t e s tr e s u l t s w ea l s og i v et h ef f t a n a l y s i so f t h em s 疽t o f t h ed y n a m i ct e s t i n g f i n a l l yw e g i v et h et e m p e r a t u r et e s to f t h eb a n dg a pr e f e r e n c ea n ds h o wt h et e m p e r a t u r ec b r v eo f f o u rc h i p s k e y w o r d s ：p i p e l i n e ，a d c ，b a n dg a pr e f e r e n c e ，m a t l a bm o d e l ，b o o s ts t r a pc i r c u i t l i 中国科学技术大学硕士学位论文第一章引言 第一章引言 随着数字信号处理技术的迅猛发展，消费类电子产品数字化的发展趋势呈现出 不可阻挡的趋势，数字技术促进了广播电视、通信与计算机技术的融合，传统的模 拟产品将逐步被新的数字化产品所取代。d v d 、数字电视、数码音响、数码照相机、 信息家电等产品正在逐渐成为市场的热点。随之而来的是，数字消费类集成电路迅 速成为新一轮的市场竞争热点。但我们生活的自然界却是模拟的，我们自然界 中的人类，感知外界的方式也是模拟的。因此，这些电子系统需要把外部的模拟信 号采集进来，并把它转换成数字信号，然后通过d s p 或c p u 等数字信号处理器， 对其进行处理。在真是世界的模拟信号和计算机中的数字信号处理模块之间的接口 就是通过模数转换器( a n a l o g t od i g i t a lc o n v e r t e r ) 来实现的。 目前，可内嵌的高速、高精度、低功耗数据转换器成为模拟集成电路领域中的 研究热点。其原因是：l 、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。另外，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目趋成熟，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，加之模拟设计软件也 不够成熟，使模拟尤其是数模接口电路的发展落后予数字电路的发展，因此，在一 些包括数模接口的电子系统，在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；2 、由于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 长的待机时间；3 、随着单片系统集成的快速发展，要求接口电路和数字系统集成在 一块葛片上，这对降低成本、提高性能具有很重要的意义。 在a d 转换器方面，用于前端视频信号处理的1 0 位高速a n 3 转换器是当前的 研究热点。这种转换器要求转换速率达到1 0 m s s 到5 0 m s s ，为了能够内嵌于单片 中国科学技术大学硕士学位论文第一章引言 数字系统，并适合便携设备使用，除了需要满足精度和速度的要求外，也希望a d 转换器消耗尽可能低的功耗和芯片面积。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，目前大多数视频芯片中的a d 转换器都采用这 种结构。表1 2 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。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 m i a ，b e r k e l e y 大学的a n d r e wm a b o 设计。目前国外一 些大公司如t i ( 德州仪器) ，a d i ( 美国模拟器件公司) ，l i n e a r ( 凌特公司) 等流水线a d c 设计已经达到了相当高的水平，通常都可以在1 0 0 m w 到9 0 0 m w 的功耗下实现 1 0 1 4 b i t ，2 0 2 0 0 m s p s 的转换速率，各自针对不同的要有，有所折衷。以l i n e a r 的 l t c 2 2 4 8 ( 1 4 一b i t ，6 5 4 0 2 5 m s p sl o w p o w e r3 v a d c ) 为例，可以工作在三种采样频率 6 5 4 0 2 5 m s p s ，分别消耗的功率为2 5 0 1 2 0 7 5 m w ，电源电压3 v ，并且在7 0 m s p s 的采样频率下实现7 4 d b 的信噪比 1 。可以看出这些设计都具有相当高的水平和技 术含量。目前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，由 于各种原因，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面的发展。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。 由于现在的芯片设计越来越趋向于单片系统集成，并且对成本的要求也越来越 苛刻，所以该论文的实际意义是，能够设计出一个基于流水线结构的a d 转换i p 模块，还可以和其他需要模拟接口的c m o s 数字系统集成，从而完成完整的低成本 混合信号系统的设计。 本论文以高速、高精度数据转换器的设计为研究方向，深入探讨了高速数据转 换电路的设计理论和设计方法，并提出了一些创新思想，其中的大部分创新已经通 过实验得到验证。作者希望，论文期间所做的这些探索性研究能对高速、高精度a d 转换器的设计和想法起到一定的借鉴作用。本文重要设计一个4 0 m s p s 的l o b i t 流水 线a d c ，功耗1 0 0 m v 电源电压为3 v 。 论文共分为五大部分对整个芯片的设计过程进行介绍。第二章流水线a d c 结构 的基本原理和算法分析证明，给出本文芯片的总体结构，它采用了每级1 5 b i t 分辨 率的流水线结构来提升转换速度，降低芯片面积和功耗。第三章给出本文采用 中国科学技术大学硕士学位论文第一章引言 1 5 b i t s t a g e 流水线结构的m a t l a b 模型，给出了理想情况下的系统行为级仿真，并且 在考虑各种非理想情况下评估了这些因素对整个系统性能的影响。第四章介绍了芯 片各主要功能模块的设计和仿真结果，重点介绍了电流模式的带隙基准源和体现功 耗优化的采样保持放大器其中也包含了很多折衷的思想，并对影响系统性能的各种 因素做了分析。第五章描述了芯片的后端版图设计和测试。 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章系统架构与工作原理 第二章系统架构与工作原理 a d 转换器发展到现在已经有7 0 多年的历史了，其结构、性能根据应用的不同 也分为好多种。根据应用的要求，本文在多种因素间进行了权衡，最终选取了每级 1 5 b i t 的流水线结构来进行设计。 2 1a i ) c 体系结构的回顾 a d 转换器的雏形最早是伴随着p c m ( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ) 技术在电话中的使 用出现在上个世纪3 0 年代。然而，直到上个世纪5 0 年代，随着数字计算机和各种 航空器及导弹数据处理系统的出现，a d 转换器才获得了进一步的发展。近2 0 年， 由于深亚微米集成技术的日趋成熟，促使a d 转换器发生了从分立实现到单片集成 的革命。早期用分立元件实现的a d 转换器，不仅成本高、而且体积和功耗也大的 惊人。单片集成a d 转换器的各方面性能都远远超过了它的前辈。转换速率和分辨 率与分立a d 转换器相同的单片集成a i d ，但它的价格和功耗只有前者的0 2 ， 体积也非常小，稳定性却远远超过了前者。此外，数字视频技术、数字音频技术和 数字通信技术的飞速发展，也促使a d 转换器在体系结构的发展上获得了巨大的进 步。 目前为止，已经出现了很多种a d c 的结构，每种结构都有自己的优点和缺点， 这样他们只能根据自己特定的指标( 速度，功耗，精度等等) 而应用于某些场合。 这里我们主要讨论高速的a d c 体系结构。在高速a d d 转换器的发展过程中，出现 了几种典型的体系结构，主要包括快闪型、两步快闪型、和流水线型。最早出现的 是1 9 5 9 获得专利的快闪a d 转换器，这种转换器的结构十分简单，而且速度非常 快，因此直到今天，在高速、中等分辨率领域，这种结构仍然被广泛应用。 流水线结构模数转换器具有高吞吐率，低功耗，占用面积小的优点，这使得流 水线结构的模数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 中国科学技术大学硕士学位论文第二章系统架构与工作原理 结构模数转换器相对于快闪结构的模数转换器而言，在相同的精度下具有小得多的 面积。流水线结构的模数转换器的所占用的芯片面积与该模数转换器的分辨率成线 性关系，而快闪结构的模数转换器的面积与分辨率成几何级数。这使得在1 0 比特或 者更高的精度要求下，快闪结构由于消耗过大的芯片面积而完全不适用。由于流水 线结构本身的特点使得流水线结构的模数转换器的吞吐率取决于流水线单级的转换 速度，级数的多少只会影响输入到输出的延迟时间，而不会降低吞吐率。由于流水 线的级数与模数转换器的分辨率成线性关系，使得流水线结构的模数转换器的功耗 相当低。总而言之，流水线结构一般适用于1 0 1 4 比特分辨率、2 0 m h z 到5 0 m h z 转换速度的应用，而快闪结构则一般适用于8 比特或者8 比特以下，对于转换速度 具有非常高要求，而对功耗要求相对宽松的应用。 基于对于精度和速度的要求，决定采用流水线结构来实现这一模数转换器芯片。 2 2 流水线( p i p e l i n e ) a d c 的体系结构 下图是流水线结构的a d c 框图 bb i f s 图2 1 流水线a d c 的框图 中国科学技术大学硕士学位论文第二章系统架构与工作原理 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。流水线每一级的结构完全相 同，功能完全一致，如图。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 ( 予a d 转换器) 的输入，得出bb 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d a c ( 子数模转换器) 的输入，使得d a c 的输出产生对 应于这bb 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 8 ，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。 在a d 转换器的设计中，速度、精度、功耗和芯片面积是几个最重要的约束条 件，它们之间并非相互独立的，而是存在相互联系、相互制约的辨证关系。有一条 基本的准则是，任何一种体系结构的a d 转换器都无法使上述四个约束条件同时达 到最优，而只能在它们之间折衷。每一级所包含的比特数对本级的速度、功耗和精 度要求有很大的影响。因此我们必须根据整个a d c 系统的设计指标来做选择。如 果每一级包含的比特数少，那么该级的比较器的设计指标要求就可以适当放松，并 且每一级的速度可以提升上去，并且级间的放大器由于增益降低而可以将度度提升， 这样整个a d c 系统的速度就会提升，但是我们就需要增加更多的级数来满足整个 系统的精度要求，并且整个系统的延时也会增加，同时由于级间增益的降低，噪声 和增益误差会影响到整个系统的性能。因此高速精度相对较低的应用可以选择每级 比特数少一些，相反低速高精的应用可以选择每级比特数高一点。为了获得一个较 高的转换速度，我们采用每级1 5 比特的流水线结构。 2 3 1 5 b i t s t a g e 的流水线a d c 体系结构 流水线结构模数转换器刚出现时大多采用每级2 比特的结构，后来出现了一种 中国科学技术大学硕士学位论文第二章系统架构与工作原理 更新的每级1 5 比特的流水线结构如下图。每级1 5 比特的流水线的总体结构和每级 2 比特的流水线总体结构相同，区别在于级内的结构。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。 图2 , 2 1 5 b i v s t a g ea d c 的框图 每级1 5b i t 的流水线的总体结构和每级2b i t 的流水线总体结构相同，区别在于 级内的结构，如在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i 4 v r e f 的失调误差，并且级间增益为2 ，输入范围是一v r e f 和v r e f ，d a c 的输出电平是v r e f 、0 、v g e f 。传输函数和传递蓝线如图， | 2 k k 。，i fk k 。，4d = 2 【1 0 ) 2 k = 2 i f w 。，4 m 十w e ，4 d = l ( 0 1 ) 2 i2 k + k 。，i fk 一k 。d = 0 ( 0 0 ) 2 中国科学技术大学硕士学位论文第二章系统架构弓工作原理 t v j r。 。 _ “f “ 一v r f 图2 31 5 b i 6 s t a g e 流水线结构的传递函数和传输曲线 从中可以看出d 是每一级数字输出比特，级间增益用2 而不是4 ，所以需要更多级 数( 9 级而不是5 级) ，这是因为本文使用了数字纠正技术：所谓数字校正电路就是 根据流水线直接输出的带有冗余数据位，纠正其中的子a d 转换器引入的非线性误 差，从而得出最终的无冗余的数据位。 下面给出这种数字修正方法的数学证明：s t e p h e nh l e w i s 在1 9 9 2 年提出的数 字校正算法 2 】 3 】。这种算法的最大的优点是可以在很大程度上消除比较器的失调， 因此，采用这种算法的a d 转换器具有达到更高分辨率的潜力。下面是对每级1 5 位流水线a d 转换器算法的原理及其优点的分析。 f 2 3 1 ) 式是k 位a i d 转换器的标准量化编码关系。其中a d 转换器的量程 是v r e f + v r e f , 一心粤珈。 一；心+ ；心j d 才1 + 胛c 一= 小，o ，z “川亿， 一可w r e f d = 尘一l 式子的左边表示模拟量区间，右边表示该区间对应的数字量化值。其中数字量化值 以十进制表示，它与实际运算中的二进制值一_ = 怼应。 图2 4 是流水线a d 转换器的余量关系图，其中，v 。表示第i 级输出的余 中国科学技术大学硕士学位论文第= 章系统架构与工作原理 d ljd 1o d 2 ，1d 2 。 d 3 id u d k 2 1d k2o +dr一、ld o 图2 4 余量关系图圈25 数字校正算法示意图 量，v 。l 表示第j + 1 级输出的余量，从图中可以看出，余量线在一1 4 ，和+ 序， 处不连续，这对应着量化器的两个闽值电压，因此，除了最后一级( 最后一级有三 个量化器) 每一级子模块只有两个量化器。图2 5 是数字误差校正算法的示意图， 从图中可看出，这种算法的原理很简单，只需把每一级输出的粗量化值错位相加即 可得到最终的量化值。在进一步分析这种算法的优越性之前，首先对它进行严格的 证明。 假设流水线a d 转换器是k 位，k 1 级结构。( 2 3 2 ) 式表示第一级粗量化的结 果。 d ，= o o c 进制) o ( 十进制) d l = 0 1 ( 二进制) 。1 ( 十进制) d l = 1 0 f 二进制) 2 ( 十进制) 根据第一级的量化结果，可以得到第一级的余量为 一1 = 2 ( 一导) ( m 12 凼一1 = 一1 ，o ，1 ) ( 2 3 4 ) 式表示第i 级粗量化的结果，其中i = 2 “2 。 一s 咋，c 一； 一；s 一。c + i lv 可 + ；s l 。c ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) d = o o ( - ：进n ) 曹o ( 十进制) 4 = 0 1 ( 二进翩( 十进制) ( 2 3 _ 4 ) d i = 1 0 f = 进制) 营2 ( 十进制) 9 j j 啊秒， m 。巧瞄 一 一 ， ， 拓知 中国科学技术大学硕士学位论文第二章系统架构与工作原理 根据( 2 3 4 ) 式，依次可得第2 级到第缸2 级的余量 h 叫_ r 孚) ( m z 2 d z 一1 一l ，啦i ) 。 k ：叫：一等0 。咄圹卜， 第肛级的粗量化结果由第肛2 级的余量决定 0 ，1 ) ( 2 3 5 ) 一! 一”： 一；一f 。 巩一= o o ( 一：进制) o h 一进制) 一；f ；，：c 一_ 。，j d 。一：。1 ( 二进带o ) i ( p 进$ o ) 2 - 3 6 一j iv 一h + j ； 以一= l o ( 二y i n ) 臼2 ( 十进制) + ；_ p ： 一f d “= 1 1 ( 二进制) 3 ( 十进制) ( 2 3 ，7 ) 式表示根据每一级的粗量化结果得到的最终量化结果 d = 2 。一2 d l + 2 。吐+ + 矾一l( 2 3 7 ) 其中巩是第一级的粗量化值，出靠，是第二级到第缸级的粗量化值。 根据( 2 3 4 ) 式，第缸级的量化关系可进一步表示为 嘞 - v ：十字 j 屯= 。 等一筝 。 等+ 等( = 籼一2 ) ，乩2 ，3 ) ( 2 3 8 ) v r e l - 筝 k 。 j 4 一= 3 当一詈c _ 卜：c ；时，把( 2 3 f 3 ) 式和( 2 3 5 ) 式带入( 2 3 8 ) 式，可推得 ! 型掣! 翅一等c c 竺型牟型翅+ 等( 2 - 3 9 ) 把画= m f + jn 在j 2 之间) ，和靠j = 2 + m k 1 代入( 2 3 7 ) 式，可推得 d = 2 一1 + 2 一2 所1 + 2 一3 所2 + + 肌女一1( 2 3 1 0 ) 设珂= 2 “，+ 2 “2 + + 埘“，贝0 有 哪 击一等c 击+ 等2 “1 + ”( 一2 “饥一0 ，2 “1 一1 ) ( 2 3 1 1 ) 由式( 2 3 8 1 及图2 4 可见，当 c 一：c 一砉 ( 2 - 3 1 2 ) 中国科学技术大学硕士学位论文第二章系统架构与_ f = 作原理 有矗j = 口，且有m k - 2 = 一，故 _ 卜2 = 2 ( _ 卜3 一竺譬) = 2 ( 卜3 一；) ( 2 3 1 3 ) 把式( 2 3 1 3 ) 带入式( 2 3 1 2 ) 可得 31 一c _ p 3 一三砉! ( 2 3 1 4 ) 依次类推可得 一，。= 2 ( _ r i 一粤) _ 2 ( g ，】一；) ( d ，= + 1 = o ，f = 1 k - 2 ) ( 2 3 1 5 ) 一 一扣， + 砉 ( f _ 1 “2 - ，k 一1 )( 2 3 1 6 ) 一c c 一+ ( 2 31 7 ) 由式( 2 3 1 2 ) 、( 2 31 4 ) 、( 2 3 1 6 ) 、( 2 ，3 1 7 ) 日7 得d l = 出= 西= = d k 4 = 0 ，因此式( 2 3 1 7 ) 对应的数码d = d ；同理可推得，当可一击c _ n ：c 时，对应的模拟输入值为 y 吲一去y 吲( v l n y 呵，橱盔的数码d = 2 k j 。 由以上的推导可以看出，这种算法获得的结果和( 23 2 ) 式的量化编码完全吻合。 2 4量化器失调误差校正 这种算法最重要的特点是它对量化器失调误差的数字校正功能，在不考虑其 它误差因素的影响时，可把量化器误差占( 0 7 1 4 v r e f ) 消除掉。由( 2 3 2 ) ，( 2 3 3 ) ， ( 2 3 4 ) 式可见，一j i v ，盯和+ ；是两个量化参考电压，若它们分别存在误差西，国，则 量化参考电压变为i 1v 阿+ 4 和+ + 而，由图2 4 可见，当，处在一一+ 曲之 间或去+ j + 如之间，第i 级量化结果的误差是1 或“一1 ”， 而对应余量的误差是“一，或“+ p 。在一；_ 可一；蝎或；r + + 之外的区 域，量化结果和余量结果与理想值相同，没有误差。 中国科学技术大学硕士学位论文第二章系统架构与工作原理 。 艄 o o0 1 伊 。? j vr - v r e l 啦 “5 v f v r e f 0 ll 。 图2 6 失调的数字校正示意图 以0 6 2 1 4 p 膏为例，设第i 级余量所在的区间为 + i 1v 州 _ ， + ；十况( o 如i lv 叫) ( 2 4 1 ) 则第i + 1 级量化参考电压为理想值时，得到的量化值和余量为 = 2 ，哆= 2 ( _ 厂生乒) = 2 ( 咋厂妻)( 2 4 2 ) 而当第i 十1 级量化器存在失调误差毋时，得到的量化值和余薰为 d = 矗l 一1 = 1 ，咋”】= 哆+ y 可= 2 ，( 2 4 ，3 ) 把( 2 4 2 ) 式带入( 2 4 1 ) 式，可得没有失调误差时第i + 1 级的余量 一吉t y 一+ 2 d 2( o c d 2 j ) ( 2 、4 4 ) 把( 2 4 3 ) 式带入( 2 4 2 ) 式，可得存在失调误差而时第i + 1 级的余量 + j iv 一 川 + 弓iv + 2 6 2( o j 2 j ) ( 2 4 5 ) 由( 2 4 5 ) 式可看出，川的量化值西”只可能是2 。而在理想情况下，( 2 4 4 ) 式中第 i + l 级的余量v + j 在第i + 2 级( 假设也是理想的) 的量化值d + 棚有两种可能的取值， 当0 占2 丢时，d + m = d ：这时有 _ ，2 ：2 ( 一，一生害) _ 2 ( v r 川一一犁) ：哆。 ( 2 4 r 6 ) 2 矾+ l + d ，+ 2 = 2 ( d r + l 1 ) + d 二2 + 2 = 2 4 + j + d 二2 = 4 ( 2 4 7 ) 可见，第i 级量化参考电压失调引入的数字输出误差和余量的误差被完全消除。而 当； j 2 1 4 v 可时，。；这时通过类似的分析可得 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章系统架构与工作原理 j 十2 = 哆m + ， ( 2 4 8 ) 此时 2 d 二1 + d 1 2 = 2 d h 】+ d 。+ 2 + 1 = 5( 2 4 9 ) 对比( 2 4 6 ) 、( 2 4 7 ) 、( 2 4 8 ) 、( 2 4 9 ) 式，可以发现，第i + 1 级量化器的失调有两种 可能的情况，第一种是在i + 2 级被完全消除：另一种情况是第i + l 级的误差在第i + 2 级没有被完全抵消，而是继续往下一级传递。即在第i + 2 级产生“1 ”或“1 ”的数字 输出误差，及“一，或“+ ，的余量误差。依次类推，当输入信号传递到最后一级时， 由于最后一级有3 个量化器，所以前面传递下来的量化器失调误差全部被抵消。如 果最后一级量化器也存在失调，则只会在数据的最低位产生误差。 2 5d a c 的失调误差分析 每级1 5 位流水线w d 转换器的另一个重要特点是，d a c 的失调不会引入非线 性误差，因此它具有固有的高线性度。其它结构的流水线a ，d 转换器( 如每级3 位、 4 位等) 并不具备这种特性。式( 2 5 1 ) 是d a c 的余量关系式 ，= 2 ( 一p 白c ) = 2 ( ，一寻p ) ( m ，= d ，一l = 一1 ，0 ，1 )( 2 5 1 ) 在理想情况下a y d 转换器的量程是一+ p d c 的三个取值分别是，一j 脂、 d 、尼，量化器的参考电压是- ，庳厂、删p 。如果l e j ) , 4 c 存在失调夙则它的三 个取值变为，j 力r 一占、0 、j 庀一df 在全差分结构中，量化器参考电压和d a c 参考电压关于原点对称) 。此时，若设旷。尸，2 击并设新量程为矿。r + 矿。产 则在新量程下，正确的量化参考电平应是序，一1 2 6 、庳厂卜1 2 6 0 可见，d a c 的失调转变成了新量程下量化参考电平的失调。根据上一节的分析，在新量程下， 只要满足关系式 f df 每 ( 4 1 石) 该温度系数是一个正温度系数。在室温附近将两个温度系数按一定比例相加使正负 温度系数抵消得到该温度下的一个零温度系数的电压输出。 巧。= * + x ( 4 1 7 ) 室温附近，矿目s 的温度系数大约一1 , 5 m v k ，a 的温度系数大概是+ 0 0 8 7 m v k 。因 此调节p 幺和的系数，使他们在室温下附近的正负温度系数相等。传统的b g r 电 路由晶体管、电阻和c m o s 运算放大器组成。如图1 所示，其中0 2 是由n 个并列的晶 体管单元组成。运放正常工作时n n 和i n p 两点的电压相等。可见r 3 两端的电压等 于q l 和q 2 的之差 圪。，= 。：+ ，n ”( - + 薏 c ，s ， 所以调节r ：和r ，的值以及q 2 的晶体管数目可以使输出的电压具有最低的温度系 数，但是这种结构的缺点是电源电压必须要大于1 2 5 v 。 图4 1 传统的带隙基准电路 本文所提出的电流模式的b r g 电路其核心思想就是产生两路与p 幺和p k 成比 中国科学技术大学硕士学位论文第四章前端设计 例的电流，并且将两个电流相加在电阻上取得b g r 电压输出 1 1 1 1 1 2 。如图2 所示， 组成电流镜的三个p m o s 的尺寸相同，因此三路电流j ，= j ：= j ，相等。运放的总反馈 保持为负反馈，两个输入端i n n 并d i n p 电压相等，电阻民和r 。相等，因此，。= ，：。， ，。= ，2 6 。流过电阻r 2 电流 屯= 警= 旦半，正比于，流过电阻玛的电气= l = 警，正比于所以 2 坞忆。峨小r 恃+ 等) h _ 1 9 ) 可以看出如果适当的调整置，r ：和r ，的大小，就可以得到任意一个和温度无关的 电压值。该电路原理通常应用于低电压低功耗的芯片中。 图42 基于电流模式的带隙基准电路 由于该b g r 模块应用在流水线a d c 中，为其提供一个低温度系数参考电压用 于确定a d c 的模拟电压输入范围，因此我们的b g r 输出电压为2 v 。实际芯片在 s m i co 1 8 u m 工艺下实现了这种b g r 电路，输出电压为2 0 9 v 左右( 输出的电压 值还可以根据需要在通过四个控制段口进行精确的修正) 。实际仿真电路如图3 ：图 中没有画出输出端的负载电容，运放1 和r 用来产生和圪。成比例的电流由于运放1 的输入电压比较低( 0 ，7 v 左右) 因此该运放采用p m o s 差分电路作为输入级。运放 r ： “ 2 和马用来产生和。成比例的电流，运放2 的输出端电压大概是两个。左右， 采用n m o s 差分对作为输入级。这里采用两个。的电压作为输入可以减轻运放的 输入失调电压对b g r 输出电压的影响。电流通过电流镜叠加到输出端，在输出端 中国科学技术大学硕士学位论文 第四章前端设计 的电阻上取电压，通过a ，b ，c 和d 四个输入端可以控制电阻的值，从而可以精 确修正b g r 的输出电压。 v o u 圈4 3b a n dg a p 的实际仿真电路 设计拟定的b g r 输出电压为2 v 左右，该b g r 电路在温度范围。5 0 。c 一1 5 0 。c 内进行仿 真的结果如图4 所示：可以看该b g r 电路的零温度系数点大概4 2 。c 附近，在该温度 两侧曲线比较平滑电压随温度变化不明显，距离该温度越远，电压随温度变化则越 明显。3 3 = 5 1 - 从仿真结果中也可以看到，该b g r 路的温度系数大概是9 7 3 5 p p m ，该 电路的功耗4 9 7 9 w 左右。 m 一：、 h l “ h ? e 】m l 越 j m| 图44 带隙基准的输出随温度变化的曲线 电源电压从0 v - s v 扫描，b g r 的输出电压随电源电压变化曲线如图示可以看出 在电源电压为2 4 v 时，b g r 的输出电压稳定在2 0 9 v 左右，此后基本上不随电压变 化电源电压变化。 中国科学技术大学硕士学位论文 第四章前端设计 5 j i ； ， l 一 i 髟 ；7 一 闺45 带隙基准的输出随电源电j j l ! ：变化曲线 由于采用的n ，w e l l 工艺，该b g r 电路电路的双极型晶体管的基极射极p 赢电压都 是采用p n p 管来实现的，这在标准c m o s 工艺中很容易实现【1 2 ，具体结构如图： 4 2时钟产生电路 fil 心： 图4 6n w e l l 中实现的p n p 管 该模块产生整个芯片工作的各项时钟。整个芯片的各级流水线( s h ， s t a g e l s t a g e 9 ) 均工作在两相不交叠时钟( p 1 、中2 下，其中妒l 与整个芯片的输入 时钟信号c l k i n 同相位，称为同相时钟( n o n i n v e r t e dp h a s e ) ；甲2 则与c l k i n 反相位，称为反相时钟( i n v e r t e dp h a s e ) 。所有的奇数级流水线( 1 、3 、5 、7 、 9 级) 在( p 2 进行采样，并在币1 将一个有效的余量( r e s i d u e ) 送入到流水线的下一 级。所有的偶数级流水线和采样保持级( s h ) 正好工作于相反的相位，这样整个芯 片的各级就可以同时工作了。模块的输出端口共有十个，分别是s w i - s w l 0 a 这1 0 个输出信号按照相位可以分为两组： s w 2 、s w 3 、s w 6 、s w 7 、s w 8 为一组，与c l k i n 同相，归为( p l 组； s w l 、s w 4 、s w 5 、s w 9 、s w l 0 为另一组，与c l k i n 反相，归为( p 2 组。 中国科学技术大学硕士学位论文第四章前端设计 l级数或模块用到的时钟信号 s i - i 采样保持级s w l ，s w 2 ，s w 3 ，s w 4 ，s w 7 s t a g e l ，s t a g e 3 ，s t a g e 5 ，s t a g e 7s w l ，s w 2 ，s w 3 ，s w 4 ，s w 6 ，s w 8 ，s w 9 s q a g e 2 ，s t a g e 4 ，s t a g e 6 ，s t a g e 8s w l ，s w 2 , s w 3 , s w 4 ，s w 5 ，s w 7 ，s w l 0 s t a g e 9 s w l ，s w 2 ，s w 3 ，s w 4 ，s w 5 ，s w 6 ，s w 8 , s w 9 ic l k b o o s ts w l ，s w 2 ，s w 3 ，s w 4 i d i g i t a l _ c o r r e c t i o ns w l ，s w 2 ，s w 3 ，s w 4 表41 各级流水线模块使用到的时钟信号 每一组内各信号的相位有微小的差别，主要目的是控制开关的导通顺序，以减 小误差或完成特殊的功能。两组之间的某些信号还存在着不交叠时间，也是为了满 足流水线的时序需要。 ”b 睁 p 写= ：= 羔 口 曼 。p # # 享二= 嚣 矗7 五。 厂 b # # 末= ，9 # ，4 v b ：二= ： 一位萨卜啼一。 叫 上d 叶一” l a t c hr sf l i p f l o p o u t p u i 图47 时钟产生模块的电路圈 信号说明： s w l 和s w 2 严格反相，s w 3 和s w 4 严格反相，s w 5 和s w 7 严格反相，s w 6 和 s w 9 严格反相，s w 8 和s w l 0 反相但存在不交叠时闯。s w l 和s w 2 分别用于控制 同一传输门的p 管和n 管，s w 3 和s w 4 分别用于控制同一传输门的p 管和n 管。 s w 5 ，s w 6 分别用于控制偶数级和奇数级流水线比较器的工作，高电平比较器 工作，低电平比较器复位。s w l 和s w 2 ，分别用于控制同一传输门的p 管和n 管， 同样s w 3 和s w 4 分别用于控制同一传输门的p 管和n 管。s w 7 ，s w 9 分