（电路与系统专业论文）14bit+80mss流水线adc中采样保持器和增益数模单元的设计.pdf

t h e d e s i g no f s ha n dm d a c o f14 b i t80 m s sp i p e l i n e da d c at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y 砌a n 场a n s u p e r v i s e db y p r o f z h a n gm e n g s c h o o lo fe l e c t r o n i cs c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y m a r c h2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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了谢意。 研究生签名： 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 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：扭导师签名：研究生签名：盏垫塑 导师签名： 摘要 摘要 随着数字信号处理在高分辨率图像、视频处理以及无线通信等领域的广泛应用，对高速、高精度、低 功耗的可嵌入式模数转换器( a d c ) 的需求日益迫切。流水线( p i p e l i n e d ) a d c 能同时达到较高的精度和速度， 因而在各种场合中越来越多地被采用。采样保持器( s h ) 和增益数模单元( m d a c ) 是流水线a d c 中最重要 的两个模块。 论文首先讨论了流水线a d c 的基本原理，以及s h 和m d a c 在流水线型a d c 中的功能和作用，对 s h 和m d a c 中的各种非理想效应分别进行了详细的分析，给出了常用的两种采样保持电路并进行优缺点 比较。通过对采样保持电路的噪声和运算放大器分别建模，得到了最低功耗下的采样电容值以及建立时间 优化的折叠式增益增强型共源共栅放大器( g b c a ) 设计参数。论文设计了一种提升运放转换速率的电路结 构，有效地缩短了s h 的建立时间。论文通过对1 4 比特流水线a d c 进行系统级的分析，确定了各级m d a c 的精度。论文采用共源共栅补偿更好地控制运放的零极点位置，通过扫描运放输入寄生参数，得到了最小 电流情况下两级运放的设计参数，给出了对失配不敏感的动态比较器设计方案，做出了s h 和m d a c 各 项性能的仿真图形，并分别与理论对照分析。 在此基础上，基于s m i co 1 8 i _ t m 单层多晶六层金属c m o s 工艺设计了s h 和第一级m d a c 的版图， 将s h 和m d a c 联合后仿真结果表明，在8 0 m h z 采样频率下，当输入信号接近奈奎斯特频率4 0 m h z 时， 测得输出信号的s n d r 为8 4 0 2 d b ，s f d r 为9 6 8 7 d b ，在1 8 v 电源电压下功耗约为1 8 0 r o w 。 关键词：流水线a d c ，采样保持器，增益数模单元，运算放大器，转换速率，级间缩减，动态比较器 a b s t r a c t a b s tr a c t w i t ht h ea b r o a da p p l i c a t i o no fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gi nh i g hd e f i n i t i o ni m a g ea n dv i d e op r o c e s s i n ga n d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t h ed e m a n df o rh i g hs p e e d ，h i g hr e s o l u t i o na n dl o wp o w e re m b e d d e da n a l o g t o d i g i t a l c o n v e r t e r ( a d c ) i sm o r ea n dm o r ee x i g e n t p i p e l i n e da d cc a na c h i e v eq u i t eh i 曲r e s o l u t i o na n ds p e e da tt h e s a m et i m e ，s oi tp l a y sam o r ea n dm o r es i g n i f i c a n tr o l ei nv a r i o u sa r e a s s a m p l e a n d - h o l d ( s h ) a n dm u l t i p l y i n g d i g i t a l t o - a n a l o gc o n v e r t e r ( m d a c ) a r et w ov e r yi m p o r t a n tc o m p o n e n t si np i p e l i n e da d c t h ef u n d a m e n t a lo fp i p e l i n e da d c ，a n dt h ef u n c t i o no fs ha n dm d a ci sd i s c u s s e da tf i r s t v a r i o u s n o n i d e a l i t i e si ns ha n dm d a ca r ea n a l y z e di nd e t a l ac o m p a r i s o no ft w oo f t e nu s e ds hs t r u c t u r ei sg i v e n b y m o d e l i n gt h en o i s eo fs ha n do p e r a t i o n a la m p l i f i e r , t h es a m p l i n gc a p a c i t a n c ef o rl o w e s tp o w e rc o n s u m p t i o na n d s e t t l i n gt i m eo p t i m i z e df o l d e dg a i n b o o s tc a s c o d e da m p l i f i e rd e s i g ng u i d e l i n ei sg o t ac i r c u i ts t r u c t u r et oe n h a n c e t h es l e wr a t eo fo p e r a t i o n a la m p l i f i e ri sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r , w h i c hc a ne f f e c t i v e l ys h o r t e nt h es e t t l i n gt i m eo f s h b a s e do nt h ea n a l y s i s ，t h es y s t e m a t i ca r c h i t e c t u r eo f14 - b i ta d ci sd e s i g n e di nt h i sp a p e r , a n dt h er e s o l u t i o n o fe v e r ym d a ci sc o n f i r m e d t h ec a s c o d ec o m p e n s a t i o nw a su s e dt ob e t t e rc o n t r o lt h ep o s i t i o no fp o l e sa n d z e r o s b ys c a n i n gt h ei n p u tp a r a m e t e ro fo p e r a t i o n a la m p l i f i e r , t h ed e s i g ns c h e m eo ft w o s t a g eo p e r a t i o n a l a m p l i f i e ru n d e rl e a s tc u r r e n ti sg o t a l s ot h em i s m a t c h - i n s e n s i t i v ed y n a m i cc o m p a r a t o ri sp r e s e n t e d t h e na l lt h e s i m u l a t i o np i c t u r e so fs ha n dm d a ca r ep r e s e n t e da n dd i s c u s s e dw i t ht h et h e o r y , r e s p e c t i v e l y b a s e do na b o v ed i s c u s s i o n t h el a y o u to fs ha n df i r s ts t a g em d a ci sd e s i g n e di ns m i c0 18 l a m1p 6 m c m o sp r o c e s s t h ep o s t - s i m u l a t i o no ft h ec o m b i n a t i o no fs ha n df i r s ts t a g em d a cs h o w st h a tw h e ns a m p l i n g n e a r l y4 0 m h zs i n u s o i di n p u ts i g n a la t8 0 m h zs a m p l i n gc l o c k ，t h eo u t p u tc a ng e t8 4 0 2 d bs n d ra n d9 6 8 7 d b s f d r t h ep o w e rc o n s u m p t i o ni sa b o u t18 0 m wu n d e r1 。8 vs u p p l y k e y w o r d s ：p i p e l i n e da d c ，s a m p l e a n d - h o l d ，m d a c ，o p e r a t i o n a la m p l i f i e r , s l e wr a t e ，s t a g es c a l i n g ，d y n a m i c c o m p a r a t o r 目录 目录 摘詈要i a b s t r a c t 1 i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 国内外发展现状1 1 3 论文研究工作及内容安排2 第二章流水线a d c 的基本原理4 2 1 流水线a d c 的工作原理。4 2 2 冗余码算法( r s d ) 一5 2 3 前端采样保持器( s i n ) 7 2 4 增益数模单元( m d a c ) 1 3 2 5m d a c 的非理想因素和误差源分析。1 4 2 6 本章小结18 第三章采样保持电路的设计1 9 3 1 采样保持器的总体电路1 9 3 2 采样电容的选取1 9 3 3 运算跨导放大器( o t a ) 的设计2 l 3 4 采样开关的设计3 1 3 5 采样保持器的整体仿真结果3 3 3 6 本章小结3 4 第四章增益数模单元电路的设计3 5 4 1m d a c 的结构分析3 5 4 2m d a c 的电路结构4 0 4 3m d a c 中o t a 的设计4 1 4 4 动态比较器的设计4 6 4 5m d a c 整体仿真结果4 9 4 6 本章小结。4 9 第五章版图的设计与后仿真5 0 5 1 数模混合电路的版图设计。5 0 5 2s h 和m d a c 版图设计和后仿真一5 l 5 3 本章小结5 3 总结与展望5 4 至j 【谢5 5 参考文献5 6 作者简介5 8 i i i 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 近年来，随着c m o s 工艺进入深亚微米工艺时代，数字技术得到了更加快速的发展，各技术领域的 数字化程度不断加深，数字技术相对于传统的模拟技术而言，信号电平数少，只有两个，因而抗干扰能力 和稳定性强，加上其逻辑简明容易实现，尤其在计算机技术高度发展的今天，可以通过软件来代替硬件进 行数字信号处理。然而，现实世界的信号大多是模拟的，如声音、图象、温度和压力等信号，因此模拟和 数字世界之间必须有一个相互转换的接口，这就是所谓的模数转换器( a d c ) 。 在混合信号系统中，a d c 是一个十分关键的模块。随着数字信号处理在高分辨图像，视频处理以及 无线通信等领域得广泛应用，对高速、高精度、低功耗的可嵌入式a d c 的需求日益迫切。此外，对于目 前非常热门的基于i p 核设计和片上系统集成研究来说，更要求有基于低功耗、低电压、高带宽以及可嵌入 式设计的a d c 核心模块。 如今很多通信系统采用数字信号处理器( d s p ) 来处理传输的数据。a d c 作为模拟信号和d s p 之间的接 口，按照系统的要求以一定的采样速率将接收到的信号数字化。作为通信系统的一个重要组成部分，a d c 必须满足低功耗的要求限制。 集成电路越来越高的系统集成度使得a d c 必须与d s p 或者其他数字电路集成到一块硅片上，使用相 同的电源电压就不需要额外的d c d c 直流电压转换器来产生多个不同的电源电压。而在数字电路的电源 电压不断降低带来很多好处的同时，对于模拟电路带来的挑战也是显而易见的。因此，a d c 需要工作在更 低的数字电路电源电压下。 随着信息社会的高速发展，大量的数据在各种存储器中被频繁地存取。为了在短时间内传输大量的数 据，就要求存储器有较高的传输速率，比如个人计算机的硬盘驱动器就需要将各种信息高速地传输到磁盘 中去。在市场上有很多采样速率超过1 0 0 m s s 同时精度要求6 - 8 比特( b i t ) 的通信设备。因此，为了适应多 媒体应用的要求，a d c 的速度需要不断提高。 第三代无线通信技术在历经多年的曲折之后，已经开始在全球各主要市场全线启动，高端无线终端设 备和基础网络设施需要大范围更新，移动通讯、数字多媒体和信息安全应用的迅猛发展要求高的转换速率 和高的转换精度，这些场合通常要求精度在l o 1 4 比特，采样速率在几十到几百兆采样率每秒( m s s ) ，能 够同时达到速度和精度的要求一般采用流水线( p i p e l i n e ) 结构，因此p i p e l i n c da d c 在未来应用中会越来越 广。 流水线a d c 中采样保持器( s h ) 和增益数模单元( m d a c ) 是其中最重要的两个模块，如何设计出满足 高速高精度a d c 系统要求，同时又能降低系统功耗的s h 和m d a c 已经成为了当前一致关注的热点。 1 2 国内外发展现状 在过去的2 0 年里，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，模拟和数字接口的电路设计在很长一段时 间内没有得到足够的重视，加之模拟设计软件不够成熟，模数接口电路的发展落后于数字电路的发展，因 此，在一些包括模数接口的电子系统，如数字电视视频系统和数字通信系统中，接口电路的性能( 如速度、 精度) 成为了限制整个系统性能的瓶颈。另外，随着便携式设备的日益普及，也要求各种数字产品在达到 高速、高精度的前提下，消耗尽可能低的功耗，以维持较长的待机时间。这些都给模数接口电路的设计提 出了极大的挑战。 为了消除模数接口电路对系统性能造成的限制，在国际上，各著名大学和实验室都有大量的研究人员 从事于各种模数转换器的结构与基础研发工作，其研究目标主要集中在新型a d c 系统结构、单元电路和 具体的技术难点的突破；而公司和生产厂家则主要对一些比较经典、可靠的模数转换技术从设计、工艺、 生产成本等各方面进行改进和优化，以便让这些技术和产品尽快应用于军民用领域。除此以外，随着更先 进的c m o s 工艺不断应用于数字电路，近年来高性能a d c 采用的工艺越来越贴近于主流的数字工艺，已 东南大学硕士学位论文 经有很多论文中采用0 1 3 1 j m 以下的工艺来设计a d c 。 对于流水线a d c ，国外在这方面进行了比较多的研究，不管是业界还是学术界都取得了很多成果。 自从1 9 8 7 年最早提出低精度横向级联这一流水线a d c 的基本概念以来【，各国学者研究出了很多用来提 高速度和精度的新技术。比如【2 】中提出了一种每级含1 个冗余码的数字纠错算法，现已广泛用于各种流水 线a d c 中，该算法能显著降低对内部比较器精度的要求。文 3 】中提出了时间交织的并行流水线a d c 的概 念，就是将输入信号以满采样频率进行采样，而内部并行的n 条流水线支路的采样频率则降为f s n ，该 方法可以很大程度上提高流水线a d c 的转换速率。a d c 的转换精度可以通过引入非相干扰动来将恒定的 误差( 如：增益误差，运放，比较器失调等) 平均化，或者采用激光修正以及数字校准元件失配误差l 4 。 一般的流水线a d c 都是采用开关电容技术，精度范围一般为6 至1 6 比特，对于l o 比特精度，在c m o s 工艺下最高采样速率可达2 0 0 m s s 1 5 j 。而在最先进工艺的支持下，学术界发表的最高性能流水线a d c 为 1 6 比特，1 2 5 m s s 采样率【6 j 。电流模技术也被应用于流水线a d c 中，文【7 】设计了一个1 0 比特，3 2 m s s 采样率的电流模流水线a d c 。对于8 比特的精度，最高转换速率可达4 g s sh j 。 在如何在经典结构上减小功耗这个问题上，也有大量文献对其进行了研究。低功耗技术主要有两个方 向，一是省去最前端的采样保持- 器r ( s h ) t 引，二是增益数模单元( m d a c ) 复用技术t l o ，三是采用新的单元电 路结构。 在流水线a d c 的精度越来越高的同时，对元件失配也越来越敏感，因此需要用到各种校准技术，校 准技术根据所处理的信号域的不同，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。 进入2 1 世纪以来，随着视频媒体和通信业市场需求的不断壮大，流水线结构a d c 发展更为迅猛，全 球很多著名芯片设计公司，比如a d i ，t i ，n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ，m a x i m 等，都将其作为重点研究对象 之一，并围绕着高速，高精度，低功耗的方向不断改进，相继研发出了精度最高可达1 6 比特，采样速率 最高为2 0 0 m s s 的p i p e l i n e d a d c j 。下表给出了两款代表业界较高水平的高速高精度流水线a d c 的各项 指标： 表1 1 两款高速高精度流水线a d c 主要性能指标比较 a d 9 2 6 5a d s 4 1 4 9 电源电压 1 8 v 电源电压 1 8 v 分辨率1 6 比特分辨率 1 4 比特 最高采样速率 1 2 5 m s s 最高采样速率 1 6 0 m s s 最大输入信号范围 2 v p p 最大输入信号范围 2 v p p s f d r 9 3 d b s f d r8 4 d b s n d r7 9 d bs n d r7 0 6 d b d n l士0 6 l s bd n l士o 5 l s b i n l 土1 5 l s b i n l士2 l s b 功耗 3 7 3 m w 功耗 3 5 0 m w 国内有很多高校也对高速高精度模数转换器进行研究和设计，包括复旦大学，清华大学，浙江大学， 东南大学等。国内从事模数转换器设计的公司也很多，包括炬力集成电路有限公司，芯源微电子有限公司， 展讯通讯有限公司等。但是国内关于a d c 的研究起步比较晚，大多还停留在精度在1 0 比特以下，采样速 率几十m s s 的设计水平，且多是仿真结果。在高速高精度a d c 方面，无论是在商用产品还是在研究方面， 与国外都有较大差距。不过国家对这个领域也非常关注和支持，在去年的国家重大专项中，就把拥有自主 知识产权的模数转换器研究开发作为一个单项，其确立的设计目标是1 4 比特，l0 0 m s s 采样速率。相信随 着国家对集成电路产业的重视和投入，再加上各大i c 研究单位及公司的共同努力，在不久的将来，我国 i c 设计水平一定能赶上发达国家。 1 3 论文研究工作及内容安排 本论文将设计用于1 4 比特8 0 m s s 采样速率流水线a d c 中的s h 和m d a c 模块，在分析流水线a d c 的基本工作原理的基础上，对流水线a d c 的速度和功耗优化，误差的分析以及运放设计等方面进行研究， 主要工作如下： 1 ) 定量研究流水线a d c 中采样保持器和m d a c 的各个误差源对其的影响，并分别给出其解决办法， 2 第一章绪论 分析了两种常用采样保持器的结构和优缺点。 2 ) 详细阐述采样保持器的设计过程，包括采样电容的选取，运算放大器的模型建立分析和指标的确定， 采样开关的设计过程，最后得到了满足系统要求的采样保持器仿真图。 3 ) 从功耗最优角度对每级m d a c 的精度进行建模，得到最优的系统结构，并采用一种新的运放设计 方法，得到最小功耗下的运放设计参数，分析了动态比较器的各种结构，并给出动态比较器的设计过程。 具体内容安排如下： 第一章绪论，介绍提出的研究课题背景、意义，国内外发展现状和论文的主要工作。 第二章将介绍流水线a d c 的基本原理，采样保持器中各个误差源，并分别给出其解决办法，分析两 种采样保持器的结构和优缺点，分析运放，电容失配对m d a c 的影响。 第三章将介绍采样保持器的具体设计过程，包括如何确定系统结构和指标，选取合理的采样电容，以 及运放的分析，设计及优化的过程，采样开关的设计方法等。 第四章将介绍m d a c 的设计过程，包括m d a c 的结构分析，级间缩减的模型，以及m d a c 中运放 的设计方法，最后给出m d a c 的仿真结果。 第五章将分析a d c 版图设计中需要注意的事项，介绍采样保持器和m d a c 的具体版图实现过程，并 分析后仿真的结果。 第六章将总结整篇论文的内容和所做工作，并就设计中存在的一些问题，提出未来进一步工作方向。 3 东南大学硕士学位论文 第二章流水线a d o 的基本原理 在高速高精度流水线a d c 中，量化过程是在沿流水线的各级中完成的，通过引入流水线结构，整个 a d c 系统能达到非常高的吞吐量，但是由于每次数模转换需要等流水线中各级均转换完成后才能得到最后 的输出数字量，所以会引入一个与流水线级数有关的系统延迟。本章主要介绍流水线a d c 的基本工作原 理，并将在此基础上重点分析其中两个最重要的模块：采样保持电路和增益数模单元( m d a c ) 电路，给出 系统级的设计思路。 2 1 流水线a d c 的工作原理 流水线a d c 的经典结构包括了一个前端采样保持器，k 级低精度粗量化级，信号延迟单元以及数字纠 错逻辑单元。前端采样保持器将输入信号以一定的时钟频率采样并保持为离散的模拟信号，以保证在转换 过程中量化器的输入信号不会发生大的变化。每级的输出精度为b r 卜n 比特，其中b ，代表了该级输出的有 效精度，而n 则为用于失调纠错算法的冗余度，如图2 1 所示。前肛1 级的有效精度b i 晚1 可以相同也 可以不相同，而它们的冗余度一般都相同，即r = l ，如果没有引入纠错算法，则r - - 0 。最后一级仅含有一 【一 个子量化器并且没有引入冗余码。所以整个a d c 的输出精度为n = ：b i ，其中每级精度一般为l 4 比 i = l 特。 图2 - 1 流水线a d c 的结构框图 厂一一一一一一一i 图2 2 流水线的单级结构图 流水线的每级中包括了一个低精度的子级a d c 和一个增益数模单元( m d a c ) ，来完成采样保持，粗数 模转换操作，减法和放大功能，如图2 2 。每级中量化的b ，比特有效位和，比特冗余位将通过内部的d a c 重新转换为模拟量，并且与采样保持的模拟输入量相减，由此得到的余量再乘以增益g ： q = 2 e “”( 2 1 ) 并将其传至下一级。放大的目的是使下级输入信号幅度和本级输入信号幅度相同，这样可以在各级之 间共用参考点压，同时也降低了后级对比较器的要求。在经过一个流水线延迟之后，所有级将同时进行操 作，也就是说，在任何时候，后一级都在处理前一级的余量，并且相邻的两级工作在两相非交叠时钟下。 4 第二章流水线a d c 的基本原理 每级的数字输出b l 竹b f 卜r 经过相应的延迟最后相加，以保证他们的数字码是对应同一个输入量化得到 的。 2 2 冗余码算法( r s d ) 流水线a d c 在m d a c 中采用了r s d 数字纠错算法，通过在流水线的每级m d a c 中引入1 个冗余码， 可以有效的减小对子级a d c 的量化精度的要求。增加1 个冗余码也就是增加1 比特量化精度，同时减少 每级的一个量化电平。比如对于原来每级1 比特的量化精度，增加l 比特精度同时减少一个量化电平，最 后剩下3 个量化电平，这样，每级的实际精度为l 0 9 2 3 即1 5 比特，因此，冗余的总量一般认为是0 5 比特。 图2 3 中描绘了不含冗余位的2 比特和3 比特的m d a c 传输曲线以及含1 个冗余码的2 5 比特级的m d a c 传输曲线。通过引入冗余位，量化电平从3 个增加到了6 个，而增益仍然保持为4 ，进一步对比3 比特级， 2 5 比特级的量化电平数则少1 个，同时量化电平移动了1 8 v ，增益是4 而不是8 。 罟 导 o 5删 o 5 至 o 芎 o - 0 5 - o 5 v i nv i nv i n ( a )( b )( c ) 图2 3 ( a ) 2 比特m d a c 传输曲线( b ) 2 5 比特m d a c 传输曲线( c ) 3 比特m d a c 传输曲线 r s d 算法的效果可以从图2 3 中看出来，图2 _ 4 描绘了当量化电平存在误差时2 比特和2 5 比特的 m d a c 传输曲线。低精度的子级a d c 是由若干个比较器和一些编码电路构成的快闪型( f l a s h ) a d c ，比较 器的阈值电压即为a d c 的量化电平。因此，如果比较器的阈值电压存在失调，那a d c 的量化电平也将随 之发生平移，也就是图中的v o s 。可以看到，对于虚线所表示的2 比特的传输曲线，比较器失调将导致本 级输出电压超过下级的输入范围【- 1 v ，i v ，这就会导致量化错误。然而对于实线表示的2 5 比特的传输曲 线，如果存在相同的失调电压v o s ，本级的输出仅会超过1 2 v 且仍然小于l v 。所以不会出现丢码现象， 下一级的量化数字输出可以被重构为原模拟信号。在2 5 比特的r s d 算法中，比较器可以容忍的失调总量 可以达到1 8 v ，以保证每级的输出在 1 v ，i v 范围之内。 一般来说，当r - - 0 时，对于有效精度为b ，的第i 级有2 只一1 个量化台阶，当r = l 时，量化台阶增加为 2 一l ，更一般的，对于冗余度，- ，量化台阶数q ，为 q = 2 耳”- r 一1 ( 2 2 ) 而量化台阶的相对于整个参考电平范围为 r 。，= ( 着+ 赤) ( 2 3 ) 二二 其中 【0 ，m a x 】，m a x ：2 b , + 7 一一r 一1 对于电流模类型的a d c 与之类似，仅需要将f 改成对应的咖每级输出的码数为 b ；= p ，+ 1 = 2 $ 1 ”一r( 2 4 ) 例如2 比特级的输出码有4 个，分别为o o ，0 l ，1 0 和1 1 ，而2 5 比特级的输出码有7 个，分别为0 0 0 ， 0 0 1 ，0 1 0 ，0 1 1 ，1 0 0 ，1 0 1 和1 l o 。 比较器可以容忍的失调总量为，c = i 专，可以看到子级a d c 的量化精度仅与子级a d c 的 位数有关而与总的a d c 精度无关，这样就使得流水线结构a d c 可以在使用低精度a d c 级联的情况下达 到较高的总体精度。 东南大学硕士学位论文 + ； 2 - b i t ； 一2 5 b “ zi j 一 t ； z t 一 一_ - | | _ “ 1 蔼 j 茹 ； 矿 v i n 图2 - 4 失调电压对传输曲线的影响 b 1 m s b b 1 b b b 2 m b b 2 k b b k - i 。m s b b k 1 山b b k m b b k b b d n d n id n - 2 。 d ld o 图2 5r s d 算法数据组合方式 r s d 算法的数据组合方式为将每级输出的码经过适当延迟之后按照各自权重错1 位进行相加，如图 2 5 所示。最后一级反的最低位( l s b ) 不需要校正，因为它不需要产生余量传入下一级，因此最后一级一 般都采用快闪型( f l a s h ) a d c 且不需要引入冗余码。 引入r s d 算法带来的额外硬件开销是很少的，在子级a d c 中需要增加少于一倍的比较器，而在m d a c 中，仅仅需要增加一些开关，而总的电容不变且对运放要求也不变。然而它使得系统比较器要求的降低， 这样在比较器上可以采用低功耗小面积的结构。因此，r s d 纠错算法对流水线a d c 有很大改善。 上面这种纠错算法是不带溢出位的，实际在模数转换过程，若输入模拟量超出了a d c 的量化范围， 就要用到带溢出位的纠错算法l 比j 。 jl v r e i i 魂 i 1 j - - v 一t 2 一 ： ? ! i i 。v t 。1 v i z 一下 一 e l 2 i 0 j ： i _ - - v 睫 一吖一一一 i z j 竺一一 j i 一 v r e f i i l 川：l l iiil 000 o i i l o l o 记 ? ? i 沙7 i 1 0 i mfi3v】 e n q - v r q 一 v r lf 4 3 v 1 e 蝴v r e f 7 f ：0 l i x- 一 l i 卜一 ef忿 i 10 0 i i vref ( a )( b ) 图2 - 6 ( a ) 不带溢出位的( b ) 带溢出位的1 5 比特m d a c 传输曲线 不带溢出位和带溢出位的m d a c 传输曲线如图2 - 6 ( a ) 和2 - 6 ( b ) 所示，带溢出位的曲线将输入小于 - 3 v , j 4 和大于3 p r , , t 4 的原曲线部分分别向上和向下平移了护，并用一l 和3 的补码对应该段曲线的编码， 同时在所有码前加一个符号位，且均用补码表示，由于新曲线仅仅是原曲线的平移，并且余量放大后仍然 在量化范围之内，因此不会改变量化结果。 6 第二章流水线a d c 的基本原理 当输入的模拟量x 时，第一级的量化值为0 ll ，第二级量化值为1 0 或者l l ，最终的量化值为1 0 0 0 或者1 0 0 1 ，符号位为1 ，表示存在溢出，同时由于第二级量化值最高位为1 ，所以式向上溢出。 综合以上讨论情况，当最终的量化值符号位为0 时，表示输入信号在量化范围之内，当符号位为1 时， 表示超出量化范围，并且可以进一步判断溢出的方向。和原来的差分1 5 比特算法相比，它还有另一个特 点，就是放大后的余量曲线在犯胆范围内，而不是原来的广这意味着输出信号的摆幅减小， 也就是大信号的建立时间减少。 2 3 前端采样保持器( s i n ) 采样保持电路时a d c 中极其重要的一个模块，它的作用是对输入模拟信号准确采样，并将采样结果 保持，即对连续信号离散化。由于采样保持电路通常是第一个模块，它的精度和速度就决定了整个a d c 的最高精度和速度。 2 3 1 基本采样保持电路 在开关电容电路中，最简单的采样保持电路如图2 7 所示，在采样状态，m o s 开关处于导通状态， c h 上的电压跟踪输入信号的电压值。在保持状态，开关断开，此刻的输入信号电压值被冻结在电容c h 上， 这样就实现了基本的采样保持功能。 这种结构的采样保持电路在采样模式下会引入误差，误差源主要包括有限采样带宽，开关热噪声，孔 径误差，电荷注入效应，开关电阻的非线性等。 上 v j ，l 1 - ov 。m m i 上 工 图2 7 基本采样保持电路 2 3 1 1 有限的采样带宽 当采样开关闭合时，采样开关相当于一个阻值为尺。的电阻， 决定其采样开关的带宽： l f = 一 r o ，c h 而采样信号建立满足下式： v o 珊= 圪( 1 一e7 ) 因而对于一个b 比特的a d c 来说，必须满足 盟 2 占a er 0 5 所以，在1 4 比特精度下，采集时间为1 0 4 t 1 引， 应的尺。 和采样电容一起构成一个低通滤波器， ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 这样在知道采样速率和采样电容c _ 后就可以求出相 2 3 1 2 开关热噪声 m o s 管导通时，相当于一个电阻，这就会产生热噪声，且电阻上产生的噪声功率谱密度为4 k b t ，r v 2 h z ， 其中如为波尔兹曼常数，l 为绝对温度。开关电阻与采样电容组成一个低通滤波器，电阻上噪声电压经过 滤波器后，输出的总噪声功率为1 4 j ： 7 东南大学硕士学位论文 叫k z r 而毋2 等 q 8 ) 由上式可以看出，热噪声大小与电阻值无关，只和采样电容的大小有关，为了减小开关热噪声，必须 相应地增加采样电容。根据热噪声必须小于最小量化噪声的一半的原则，对于本文所设计的1 4 比特的a d c 来说，采样电容必须大于1 3 p f ，这在本文所用到的0 1 8 p m 工艺中是一个非常大的面积，所以一般采样电 容会按较少一点的精度来确定，比如1 3 比特，那就只需要6 p f 左右的电容，还是可以接受的。 2 3 1 3 孔径误差 在采样电路中，由于采样时钟边沿的不确定性会导致采样值与实际值之间有一定的偏差，这相当于又 引入了一种噪声，而且d e d d t 越大噪声越大，可以由图2 8 看出。图中圪f d k 。出，所以输入信号 变化越快，由孔径误差引入的噪声就越大，现在假设输入信号为正弦信号，f 为完全随机且平均值为0 的 变量，且其标准差为西，则可以得到下式1 1 5 j ： v i 。 图2 8 孔径误差的影响 e 吆 e ( 埠d t ) 2 f 2 ) = e ( 华c l t ) 2 e e ( - - - d , x c o s 2 万厶f 】) 矿 d t 。 ( 2 万a 厶) 2 砰 ( 2 9 ) 所以在考虑性噪比的时候，必须在原有热噪声基础上加上这部分噪声分量。 2 3 1 4 电荷注入效应 电荷注入效应会在时钟由采样相进入保持相的瞬间产生，主要原因是m o s 管沟道中的电荷会在开关 关断后流入源漏区从而使得采样电容上引入误差，这里沟道中的电荷主要有两部分，一部分是来自于栅源 ( 漏) 交叠电容c 0 矿，一部分是来自于沟道电容，而电荷注入效应引入的误差也与时钟的下降沿速度有关， 下面将讨论一下两种下降沿情况下电荷注入效应引入的误差分析【l6 j 。 朱h 。 ：二。 i r ： i ! ：n itl t 。 d - 图2 - 9 慢时钟沿情况下的电荷注入 首先，在较慢的时钟下降沿情况下，当时钟信号下降至一时采样开关断开，如图2 - 9 所示，由于 假设信号源的负载能力无穷大，所以沟道电荷会全部被信号源吸收，而造成误差的仅仅为源漏交叠电容 8 第二章流水线a d c 的基本原理 c o n 因此由电荷守恒可得： ( + 巧一纯) c o 矿= a v ( c o y + c ) a v = 了导( + 巧一吼) c o y + c h 一”l ” = - a v = 一瓦芑( + 巧一仇) = ( 1 + 占) + 占：一鱼匕 c o y + c h ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 吃= 万( 巧一纯) ( 2 1 3 ) 乙0 矿十l 从式2 1 1 可以看到，是一种失调，可以被全差分结构所抑制，而s 为失真，这是无法消除的。 在较快的时钟沿情况下，由于沟道中的电荷来不及被信号源吸收就已经流入源漏区，因此到源漏的电 荷将根据源和漏的视入电容所决定，而由于沟道电荷的存在，在快速时钟沿情况下的s 和都比慢速时 钟沿情况下大，这里不再具体推算。 2 3 1 5 采样开关电阻的非线性 先讨论单个m o s 管开关的非线性1 2 , 1 8 ，由萨氏方程可以列出式( 2 1 4 ) 一( 2 1 6 ) ： 1 r ：= = b ( 2 1 4 ) k ( 一) 。 i o = k ( 一) 一 喘 ( 2 1 5 ) c d v ，。o = k ( 缈一v o 一巧) ( 一v o ) 一等( 一v o ) ( 2 1 6 ) 解这个微分方程可以得出三次谐波功率为： h d s 兰百1 瓦。丽2 n f - c 兰百1 瓦铸锄矗只c ( 2 1 7 ) 4 ( 一) 2k ( 一) 4 ( 一巧) 2 “ 。