（检测技术与自动化装置专业论文）高性能cmos流水线ad转换器设计.pdf

摘要 摘要 近半个世纪以来，集成电路经历了中小规模、大规模和超大规模发展阶段， 目前正步入片上系统集成( s y s t e mo n ac h i p ) 篚j 阶段。而且在这期间数字信号处理 和集成电路技术一直在迅猛发展，人们已经可以制造包含上百万晶体管、每秒钟 处理近1 0 亿次操作的处理器了。尽管许多类型的信号处理确实已经转移到了数 字领域，但是在现代许多复杂高性能系统中模拟电路从根本上证明是必须的。所 以现代集成电路广泛地采用了模拟电路做接口，并用数字电路进行处理，用以满 足使用分立电路不可能实现的复杂性、速度、和精度。这样，集成在同一块硅片 上的模数( d ) 、数模( d a ) 转换电路也就应运而生了。其中a d 转换器在 系统中至关重要。而流水线结构因其高分辨率、高精度以及在速度与功耗之间良 好的折衷而倍受青睐。其电路复杂度随分辨率的增加只是线性( 而不是指数) 增 加，具有高速、高精度、低功耗的特点，适用于各种场合，特别是数字通讯领域。 本课题是作者自2 0 0 4 年1 0 月至今参与项目设计的进一步研究，对高性能流 水线a d 转换器设计技术的深入探讨。经过多次流片、测试结果分析，在导师 和美国资深a d 转换器设计专家的指导下，实现低电压、低功耗1 0 位分辨率的 高速流水线a d 转换器设计。 本课题对1 5 付级流水线结构进行了优化改进，实现了4 0 m s s1 0 位流水线 a d 转换器。设计工作包括：系统级的m a t l a b 行为模型仿真提供电路优化方 案及实现；流水线a d 转换级电路设计与分析；实现关键电路功能模块的设计 优化。改进后系统的转换级都采用相同的电路单元，但是逐级按比例缩小尺寸来 优化系统功耗，这样使得设计在功耗和性能上取得良好的优化折衷。 采用了台积电( t s m c ) o 1 8 1 m ac m o s 工艺套件进行设计，并在c a d e n c e i c 5 0 环境下对其进行了模拟仿真，结果表明，可以很好的满足设计要求。晟后， 基于l a b v i e w 7 1 设计了一套实时测试流水线a d 转换器动态、静态参数的平 台。该平台既可以通过远程控制a g i l e n t 逻辑分析仪等实现实时的“一键测试 ， 也可以快速处理测试获得的原始数据，从而对设计进行有效的评估。 关键词低压；低功耗；c m o s ；流水线：a d 转换器：l a b v i e w 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t o v e rt h ep a s t 矗f i ) ，y e a r s ，i n t e g r a t e dc i r c u i tt e c h n o l o g yh a sg o n et h r o u g ht h r e e s t a g e s ：s m a l la n dm i d d l es c a l e , l a r g es c a l ea n dv e r yl a r g es e a l e s of a r , i ti ss t e p p i n g i n t ot h ep h a s eo fs y s t e mo nac h i p a l s od u r i n gt h e s ey e a r s ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g a n di t si n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yi sc o n t i n u o u s l ya n dr a p i d l yd e v e l o p i n g , p e o p l en o w h a v et h ec a p a b i l i t yt om a n u f a c t u r et h ep r o c e s s o rc o n t a i n i n gm i l l i o n so ft r a n s i s t o r s ， w h i c hc a np e r f o r ma b o u to n eb i l l i o nt i m e so fo p e r a t i o ni nas e c o n d a l t h o u g hm a n y k i n d so f s i g n a lp r o c e s s i n gh a v ei n d e e dt r a n s f e r r e di n t od i g i t a l 北：a l m i nm o d e r nt i m e s ， a n a l o gc i r c u i t sa r ep r o v e dt ob ef u n d a m e n t a l l yi n d i s p e n s a b l ei nt r e m e n d o u sc o m p l e x a n dh i 【g he n ds y s t e m s t h u s ，a n a l o gi n t e g r a t e dc i r c u i t sa r ew i d e s p r e a dt os a t i s f yt h e i n c r e d i b l ec o m p l e x i t y , s p e e da n dp r e c i s i o nt h a td i s c r e t ec o m p o n e n tc i r c u i t sf a i lt o r e a l i z e j u s tf o rt h i sr e a s o n , a d ，d ac o n v e r t e rc i r c u i t si n t e g r a t e do no n es i l i c o n w a f e re m e r g ea st h et i m e sr e q u i r e e s p e c i a l l y , a dc o n v e r t e ri sa l l e x t r e m e l y i m p o r t a n tp a r ti nm a n ys y s t e m s a n dp i p e l i n e da dc o n v e r t e ri sg r e a t l yf a v o r e df o ri t s t r a d i n go f f sb e t w e e nr e s o l u t i o n , p r e c i s i o n ，s p e e da n dp o w e rc o n s u m p t i o n i t sc i r c u i t c o m p l e x i t yi n c r e a s e sl i n e a r l yi n s t e a do fe x p o n e n t i a l l yi nt r a d i t i o n a lt o p o l o g y f o ra l l a b o v e ) i t i su s e d w i d e l y f o rv a r i o u s a p p l i c a t i o n s , p a r t i c u l a r l y i n d i g i t a l t e l e c o m m u n i c a t i o nd o m a i n t h i sd i s s e r t a t i o ni saf u r t h e rs t u d yf o rm y p r o j c c tr e s e a r c hs i n c eo c t o b e r , 2 0 0 4 i t d e v e l o p e dad e e pr e s e a r c hf o rh i g hp e r f o r m a n c ea dc o n v e r t e rd e s i g nt e c h n o l o g y t h r o u g ht i m e so ff a b r i c a t i o n , t e s t sa n da n a l y s i s ，d i r e c t e db ym ym e n t o r sa n das e n i o r e x p e r ti na dc o n v e r t e rd e s i g nf r o mu s a ，al o wv o l t a g e ，l o wp o w e r , 10 - b i tp i p e l i n e d 加c o n v e r t e ri sr e a l i z e d a 1 s b i t s t a g ep i p e l i n e dt o p o l o g yi si m p r o v e da n do p t i m i z e di nt h i sw o r kt o r e a l i z e d4 0 m s a m p l e s10 - b i ta dc o n v e r s i o n t h i sd e s i g nw o r ki n c l u d e sp i p e l i n e d a db e h a v i o rm o d e l i n ga n da n a l y s i sb ym a t l a bi ns y s t e ml e v e l ，c i r c u i t r yd e s i g n a n dd e b u g , o p t i m i z a t i o n so fk e yp a r t se t c c o n v e r s i o ns t a g e si m p r o v e di nt h es y s t e m e m p l o yt h es a m em o d u l ei nf u n c t i o n ，b u ts c a l i n gi nd i m e n s i o nt ot r a d eo f fp o w e r c o n s u m p t i o na n ds i l i c o na r e a t s m c0 18 u mc m o sp r o c e s sd e s i g nk i t ( p d k ) i su t i l i z e di nt h i sp r o j e c t 1 1 h e d e s i g ni ss i m u l a t e da n dv e r i f i e db yc a d e n c ei c 5 0e n v i r o n m e n t a f t e rs i l i c o n f a b r i c a t i o n , t h et e s tr e s u l t sp r o v et h a tt h i sw o r ks a t i s f yr e q u i r e m e n t s f i n a l l y , as e to f r e a l - t i m et e s tp l a t f o r m sf o rb o t hd y n a m i ca n ds t a t i cp a r a m e t e r sa r ed e v e l o p e db y l a b v i e w 7 1 i tc a l lc o n t r o la g i l e n tl o g i ca n a l y z e rr e m o t e l yf o r o n e - b u t t o nt e s t a n d p r o c e s sr a wd a t ar a p i d l ya n de v a l u a t et h ed e s i g ne f f e c t i v e l y k e yw o r d s l o wv o l t a g e ；l o wp o w e r ；c m o s ；p i p e l i n e ；a dc o n v e r t e r ；l a b v i e w l l 独创性声明 本人声明所呈交的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j 丝哀王些太堂或其它教育机构 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。 签名：墟日期：盈! 盖：点：4 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j e 塞王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：三垃导师签名：粗日期： 第l 章绪论 曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼鲁曼皇曼曼皇曼量曼鼍曼鼍曼量曼量量曼皇曼r a n m曼, r a n m n 皇曼量曼皇量曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼皇曼曼璺 第1 章绪论 1 1 研究的背景与目的 c m o s 电路设计技术的出现为实现低压、低功耗设计提供了机遇和挑战。与 此同时，a d 转换器接口电路也被广泛地集成到复杂度更高的混合信号芯片当 中，承担着模拟到数字信号转换的关键接口作用，决定了系统性能的优劣。所以， 高性能a d 转换器设计研究具有重要意义。 本课题的研究价值在于其前瞻性、创新性和实用性。 1 、随着电子产业的迅猛发展，混合信号系统的作用日益突出。为了使模拟 集成电路和数字集成电路较好的配合工作，前者的技术必然要跟随后者。自上 世纪7 0 年代开始工业化生产以来，随着制造工艺和电路设计技术的不断改进， a d 转换器的发展非常迅速，出现了多种新的结构，无论是在分辨率还是转换速 度方面都已达到了很高的水平。在国际上，各著名大学和实验室里都有大量的研 究人员从事于各种a d 转换器的结构与基础研发工作，其研究目标主要集中在 高性能a d 转换系统结构、单元电路和具体的技术难点的突破；而公司、生产 厂家则主要对已经证实为准确、可靠的a d 转换技术，从设计、工艺、生产成 本等方面进行改进和完善，以期让这些技术和产品尽快应用于军、民用领域。国 外的m a x m 、a d i 、t i 和美国国家半导体等主要设计生产模拟i c 的这些专业 化大公司的产品代表了当今国际模数转换技术的领先水平【l 2 】。 国内a d 转换器研究的发展起步较晚，水平也很有限，自主研发的产品进 入市场的不多，而且主要集中在全并行、积分型、逐次逼近型等低精度高速或低 速、高精度的结构上，而高速、高精度的a d 转换器研究尚不多见，所以本课 题据有很强的前瞻性。 2 、在当今，c m o s 数字电路技术已经发展到纳米级，m t e l 公司于2 0 0 8 年 初已经将其4 5 n m 多核处理器投放到市场。但是，由于c m o s 特征尺寸不断减小 给模拟电路设计带来的挑战和困难也越发显著；不断减小的电源电压导致设计的 电压余度越来越小；晶体管的漏电流和短沟道效应问题更是给高性能设计带来前 所未有的挑战；噪声性能的恶化也提出了很多问题。因此，本课题对于采用新技 术解决问题的探索是很有意义的，近几年深亚微米c m o s 技术已成为混合信号 设计的主流，本文所提出的a d 转换器设计和测试的方案具有创新性。 3 、本课题以实际应用为目标。在追求低电压、低功耗设计的今天，便携式 电子产品层出不穷，但是不变的是对于a d 转换器这种广泛应用而又关键电路 的更高要求。a d 转换器的市场呈稳步增长的发展趋势，在现代军用和民用电 子系统中均显示出其重要地位。2 0 0 7 年的市场销售额已经超过2 0 亿美元。从国 内市场来看，高性能a d 转换器市场一直被国外产品所占据，对于采用先进技 北京工业大学工学硕士学位论文 术的高性能转换器的研发也始终是众多公司和科研机构重点项目。因此，可以看 出此课题的研究具有实用性。 1 2a d 转换接口电路 随着便携式电子产品的迅猛发展，低电压、低功耗成为人们关注的焦点。除 此之外，高速、高分辨率的采样和量化在d s p 技术成为主流的今天显得尤为突 出，已经成为诸多应用成功与否的关键。例如，便携式摄像机、个人通讯设备、 磁盘存储器均已数字化，如图1 1 所示。而这些应用所必需的高速a d 转换器要 求采样率在5 m h z 以上并且达到8 1 4 位的分辨率。 ( a ) 视频成像系统 ( a ) v i d e oi m a g i n gs y s t e m s ( b ) 个人通讯系统 ( b ) p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ( c ) 磁盘驱动器读通道 c o ) d i s kd r i v e rr e a dc h a n n e l 图1 - 1a d 转换器应用示例 f i g 1 - 1e x a m p l e so f a da p p l i c a t i o n a d 转换器在规格和架构上有很多种类，其应用领域也有所不同。例如，按 采样率来做区分，可以分为奈奎斯特率a d 转换器( n y q u i s tr a t e a dc o n v e r t e r ) 和过采样a d 转换器( o v e r s a m p l i n g a dc o n v e r t e r ) 。 1 、奈奎斯特率a d 转换器 当采样频率为输入信号的两倍时，称之为奈奎斯特速率，使用这种方式采样 的a d 转换器就称之为奈奎斯特率a d 转换器。在实际电路上大多使用1 5 1 0 倍的奈奎斯特速率，即采样频率为3 2 0 倍的输入带宽。在奈奎斯特a d 转换器 当中，以速度与精度可以大略的将其分为三大类，如表1 1 所示。 2 第1 章绪论 表i 1 各种架构a d 转换器对比和应用 t a b 1 - 1c o m p a r i s o n sa n da p p l i c a t i o n so f d i f f e r e n t a da r g h i t e c t u r e s 速率高速中速低速 精度 低到中中 高 快闪式 两步式 子区式 逐步逼近式双斜率积分式 架构 交错式 折叠式 算法式多斜率积分式 流水线式 高速转换器：最常见也是最基本的类型，如快闪式( f l a s h ) 、两步式( t w o s t e p ) 、 子区式( s u b r a n g i n g ) 、折叠式( f o l d i n g ) 、流水线式( p i p e l i n e d ) 这类型的转换器， 都是直接进行比较然后并行输出，此类型转换器的速率快，但是分辨率也不易提 高，通常为8 1 0 位且功耗和面积也会比较大。 中速转换器：此类型的a d 转换器，如逐步逼近式( s u c c e s s i v e - a p p r o x i m a t i o n ) 、 算法式( a l g o r i t h m i c ) 等，都是利用搜索二分法层层找出相对应于模拟输入信号的 数字码，速度上大概在几十k h z 到几百k h z ，常用于计量方面。 低速转换器：此种类型的a d 转换器速度很慢但是分辨率高，适合处理变 化缓慢而要求高精度的信号。此架构有双斜率积分( d u a l - s l o p ei n t e g r a t i n g ) 和多斜 率积分( m u l t i - s l o p ei n t e g r a t i n g ) 等方法。 2 、过采样a d 转换器 过采样a d 转换器又称为d 转换器( s i g m a - d e l t aa dc o n v e r t e r ) ，过 采样的采样率比奈奎斯特采样率快，典型值为其8 5 1 2 倍。它是利用噪声整形 ( n o i s es h a p i n g ) 的概念和过采样频率的技巧来提高a d 转换器的信噪比，进而达 到增加分辨率，提高系统信噪比的效梨3 1 。 主要的a d 转换器类型的有效位( e n o b ) 随采样率分布图( 1 9 8 7 2 0 0 5 ) 如下图 1 2 所示。 1 0 t 4 1 2 霉 丑1 0 蓑。 忙 2 o - 1 ot 0 01 0 0 0 1 0 0 0 01 0 0 0 0 0 采样事，m l - l z 图1 - 21 9 8 7 - 2 0 0 5 年主要a d 转换器有效位和采样率对比分布图 f i g 1 2e n o bv 8 s a m p l i n gr a t eo fm a i na dc o n v e r t e r st h r o u g h19 8 7 - 2 0 0 5 北京工业大学工学硕士学位论文 在众多c m o sa d 转换器的架构中，流水线a d 转换器可以获得较好的输 入频率动态性能。同时，鉴于其每一级采样保持电路可以并行的处理数据，这种 结构的吞吐量可以和快闪式转换器相媲美。由于流水线a d 相对快闪式a d 来 说大大降低了比较器的数量，也就降低了对于单个比较器的性能要求，从而成为 很多应用的首选。 另外，如何确定流水线的每级转换精度是另一个关键问题，流水线结构的模 数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。因为它决定了为达到所要求的精度系统所需要的的级数和级间增益倍数。 这些又决定了系统如何在面积和转换速度间取舍。 对于n 位的转换精度，流水线每级内部都需要放大倍数为2 m 1 的放大器来 放大残差信号，该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一定的工艺下是基本恒定的，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 转换器所能达到 的速度也就越高。因此，1 5 位级的流水线结构具有更快的速度。 采用流水线结构或其他多级结构的转换器都要面l 临一个问题，即随着信号一 级一级地转换处理，来自级间和级内的误差也会一级一级地积累下来，最终使输 出产生误码。如果没有相应的措施来消除它的影响，系统很难达到高精度。为了 解决这个问题，可采用在电路中引入冗余码和数字校正技术来消除级间和转换级 内的误差，使流水线系统达到预计的精度。 1 3 本文的主要工作及内容安排 本文的目的是重点研究c m o s 流水线a d 转换器的电路设计和性能测试， 主要研究内容如下。 l 、讨论了流水线a d 转换器的性能参数及非理想因素的影响。 2 、从系统的角度分析了性能优化设计的关键措施。 3 、从关键电路模块设计讨论了a d 转换电路的实施和验证。 4 、针对a d 芯片测试提出高效的自动化测试方案。 本文的内容安排如下： 第一章介绍了本文的工作背景、a d 转换技术的研究现状、应用和分类。 第二章讨论了流水线a d 转换器的非理想因素以及关键参数。并对i e e e 已经公布的流水线a i d 转换器设计进行统计、研究分析，得出相 关结论以指导本文设计。 第三章分析了1 5 位级流水线a d 转换器系统级设计。通过m a t l a b 的 s i m u l i n k 对流水线a d 进行建模分析，探究了实现高速、高分 辨率设计的关键技术。 第四章讨论了自主研发的1 0 位4 0 m s so 1 8 p r oc m o s 流水线a d 转换器 4 第1 章绪论 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼量量曼皇-ln _ _ 曼u n n ni 皇曼曼皇曼量曼曼曼皇曼曼曼曼鼍曼曼置 e l a b 9 0 4 4 的电路设计思想和实施。 第五章提出了基于l a b v i e w 的a d 转换器参数的自动化测试方案。它是 本文作者独立研发的一套对a d 转换器的测试方案，可对芯片性 能进行快速、高效、准确的评估。 1 4 本章小结 本章主要介绍了课题的研究背景和目的，a d 转换技术的发展状况和在国 内、外的研究发展现况。在本章最后，对本文所要讨论的内容作了概括介绍。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章流水线a d 转换器设计的考虑因素 本章首先介绍用于评估奈奎斯特率a d 转换器的静态和动态性能参数。接 着分析了流水线a d 转换器中关键的非理想因素。从基本概念、对a d 系统性 能的影响到有效解决方案。在2 3 节中调查、分析了i e e e 已公布的主要流水线 a d 设计，并通过对它们的主要性能参数进行比对和评价，包括采样率、线性度， 噪声，功耗和硅片面积，最后得出相关分析结论。 2 1 奈奎斯特速率a d 转换器的性能参数 因为传统的奈奎斯特率a d 转换器的输出数字码和输入模拟量有着直接的 对应关系，所以转换器的精度可以通过对比这两个值来进行评估。通常来说，定 义转换器精度和性能的参数可以分为两大类：静态和动态参数。 图2 1 所示为一个3 位a d 转换器的理想转换特性。横轴表示输入模拟信号， 被7 个转换阈值电压点心分成8 个阶段，得到纵轴的输出的8 位数字码。对于 位分辨率的转换器，若其转换范围为v n lo ，i ，则理想的转换阈值为 、7n = 等n - - 2 h 岛，6 ； o ，1 ) ，n o ( 2 - 1 ) 二 i = i 其中，l 和吃分别表示输出数字码的十进制值和参考电压值。 输出数 量 图2 13 位a d 转换器的理想转换特性 f i g u r e2 一li d e a lc o n v e r s i o nc h a r a c t e r i s t i co fa3b i ta dc o a v 阳 其中，量化阶梯圪跖大小为相邻两个转换阈值电压之差，常用作衡量静态参 数的基本单位，即1 l s b = 。任何在此阶梯范围内的输入电压经过量化后会得 6 第2 章流水线a d 转换器设计中的考虑因素 到相同的输出数字码，因此会引起量化的误差。量化误差在a d 设计中通常被 视为一个噪声源一量化噪声。它通过量化误差的均方根值( r o o tm c a ns q u a r e , r m s ) 表示为( 胂) ，= 箍舢= 学 弘2 ， 可以看出，吃。) 正比于量化阶梯值，所以提高a d 转换的分辨率可以 减小量化阶梯，从而得到更高精度的转换结果。 理想和实际特性的比较结果直接影响到静态参数的优劣，包括失调、动态范 围、增益误差和线性误差。另一方面，输入理想正弦信号经a d 转换得到的数 字信号可以通过快速傅立叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，f f t ) 进行分析，观察 其频谱纯净度，a d 转换器的动态参数可以准确地得以评估，主要包括信噪失真 比、有效位、无杂散动态范围等。 2 1 1 静态参数 2 1 1 1 失调、动态范围和增益误差 输出数 模拟量 图2 2 ( a ) 失调误差，( b ) 动态范围误差，( c ) 增益误差 f i g u r e2 - 2 ( a ) o f f s e te r r o r , ( b ) f u l l - s c a l ee r r o r , ( c ) g a i nl e i - l - o r 图2 2 为一个3 位a d 转换器的失调、动态范围和增益误差。失调误差 定义为相对于量化阶梯，实际转换阈值电压y ，。对于理想值巧。的偏移量4 1 。 动态范围误差也是相对于量化阶梯的值，可以通过最后一个实际转换阈 值y ，和理想值巧，之差得到。最后，增益误差巳抽是指实际转换特性中心线斜 7 北京工业大学工学硕士学位论文 率和理想特性斜率的比值。由于增益是个无纲量，通常用百分数表示。理论 上，对于一个位的a d 转换器 = 掣 = 一 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) = ( 矧_ 1 1 叫， 协5 ， 2 1 1 2 积分非线性和微分非线性 积分非线性( i n t e g r a ln o n - l i n e a r i t y , i n l ) 定义为在校正了失调、增益误差后， 实际特性中心偏离理想特性中心线的最大程度嘲，常用相对于量化阶梯形。值表 示。所以，i n l 的大小直接取决实际特性于相对于中心线的位置，如图2 3 所示。 微分非线性( d i f f e r e n t i a ln o n 1 i n e a r i t y , d n l ) 定义为在校正了增益误差后，实际 转换的量化阶梯电压与理想量化阶梯形。之差。对于理想的a d 转换器，d n l = 0 l s b ，此时每个量化阶梯电压等于ll s b 。而要保证最大d n l 误差为+ - 0 5 l s b 时，转换阈值电压应该保持在0 5l s b 到1 5l s b 之间。当d n l 误差小于或等 于1l s b 时，说明实际的传输特性中出现了失码现象【5 】。所谓的失码是指数字码 疗没有出现在输出码当中的情况，由于转换阈值电压圪和后续的一个或多个阈 值电压重合造成的。这时，a d 转换器输出不再是单调的了。 矿一y t ( 2 t i r - i ) 一v r i y k = 群 ( y )( 2 6 ) i n l ( 刀) = 监掣朋 1 , 2 n - 1 ( 2 7 ) 7 册 d n l ( 垆争- 1 , n e1 1 , 2 n - 2 仁8 ， 第2 章流水线a d 转换器设计中的考虑因素 i 二 1 1 【一 ， “，二 i ， t 三，弱 n - ， ”。二 *k* 图2 - 33 位a d 转换器i n l 和d n l 误差示例 f i g u r e2 - 3e x a m p l e o f l n l a n d d n l i n3b i t a dc o v e n 口 2 1 2 动态参数 a d 转换器的动态性能参数取决于其分辨率、采样率及输入信号的频率。它 反映了动态线性度、失真、采样时间不确定性造成的误差、噪声杂散和建立时间 误差等1 4 一。动态参数最常用的分析方法是快速傅立叶变换，可以通过m a t l a b 或l a b v i e w 对数据进行处理。在a d 转换器输入一个高纯挣度的满程正弦信号， 经由a d 转换以后得到的数字码序列通过f f r 变换得到其频谱图。此频谱图包 含了丰富的a d 转换器动态行为信息。图2 _ 4 所示为i 0 1 m h z 正弦信号输入时， e l a b 9 0 4 4 1 0 位4 0 m s s 12 v p p a d 转换器芯片设计实测f f r 分析图( a d 转换电路前没有加抗混淆滤波器) 。频谱图中包括了正弦信号谱、量化误差、积 分非线性引起的谐波失真。 首先，输入正弦信号频率要和采样频率必须互质，以保证两个频率是不相干 的。这样，可以防止谐波分量和信号频谱混淆。而且此时的量化噪声才可以被视 为自噪声，因为此情况下的量化误差可以认为是随机的。其次，耍保证f f t 分 析精度，抑制频谱泄漏效应( s p e c t r a ll e a k a g ee f f e c t ) ，分析时应该采用适当的窗 函数( w i n d o wf u n c f i o n ) 处理t t 。 i i l ? 弼曩翟叩曩飘露z 址山讪扯“山l i | | 山4 山 图2 4 1 0 位4 0 m s s a d 转换嚣采样1 0 i i v l h z 正弦输 信号的f f t 测试频谱图 f i g u r e 2 4f f r s p m o f a l 0 - b i t 4 0 m s s a dc o 目s a m p l i n g i n p u t l 0 1 m h zs i n e w n v o 北京工业大学工学硕士学位论文 2 1 2 1 信噪比 信噪比( s i g n a l t o - n o i s er a t i o ，咖己) 是a d 转换器输出中信号功率和噪声 功率的比值。信噪比所指的噪声主要包括量化噪声和电路噪声。但是，信号的谐 波分量并不在其中。理论上，位a d 转换器可以获得的最大信噪比帆为 = 6 0 2 + 1 7 6 ( r i b ) ( 2 - 9 ) 图2 4 所示的f f t 频谱图所计算的s n r 为+ 5 5 6 d b ，其噪声功率是对除 了直流分量、信号及其谐波功率以外，奈奎斯特频率内所有频率分量上的功率之 和。 2 1 2 2 总谐波失真 总谐波失真( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ，t h d ) 与i n l 误差有直接关系【4 l 。总 谐波失真可以定义为 册= 4 矗) ( 2 - 1 0 ) 其中，m 、钆，和4 ，丘 分别表示忍d 计算当中考虑的谐波数量、信号幅 度和各次谐波分量的幅度。如图2 4 所示，可以明显地观察到2 次和3 次谐波比 信号的幅度小了大约6 0 d b 。若考虑。= 9 ，计算得到l o 位a d 转换器e l a b 9 0 4 4 因i n l 误差引起的7 - d 为5 8 3 d b 。 2 1 2 3 无杂散动态范围 无杂散动态范围( s p u r i o u sf r e ed y n a m i cr a n g e ，s f d r ) 在对于a d 转换器输 出频谱纯净度要求较高的应用中是一个很重要的性能指标。它定义为信号功率和 频谱中最大失真、杂散分量功率的比值。图2 _ 4 中的s f d r 值为+ 5 8 9 d b ，为 1 0 1 m h z 主信号和2 次谐波幅度之差。 2 1 2 4 信噪失真比 信噪失真比( s i g n a l t o - n o i s ep l u sd i s t o r t i o nr a t i o ，s i n a d ) 是转换器输出中信 号功率相对噪声和谐波功率的比值。s i n a d 通常是输入信号频率的函数，通过 图2 4 可得其值为+ 5 4 6 d b ，计算时噪声功率等于除了信号功率和直流分量以外 所有频率分量上的功率之和。 l o 第2 章流水线a d 转换器设计中的考虑因素 2 1 2 5 有效位数和分辨率带宽 有效位数( e f f e c t i v en u m b e ro f b i t s ，e n o b ) 是能够很好衡量a d 转换器整 体性能的综合参数，况且e n o b 还包含了有效分辨率带宽( e f f e c t i v er e s o l u t i o n b a n d w i d t h , e r b ) 的信息。实际上，e n o b 定义为输入信号频率的函数 e n o 曰( l ) = 些学胞j ( 2 1 1 ) e r b 定义为相对于直流分量，s i n a d 参数下降3 d b ，也就是e n o b 下降 0 5 位时所对应的输入信号频率【6 l ，如图2 5 所示 图2 - 5 奈奎斯特率a d 转换器的e n o b 参数随输入信号频率变化曲线 f i g u r e2 - 5e n o b v d t $ u sf r e q u e a e yo ft h ei n p u ts i g n a li nan y q u i s ta dc o n v e l t e l 2 1 2 6 动态积分、微分非线性 动态d n l 和i n l 误差采用统计学中的码密度法实现，通过计算所有输出 数字码的转换阈值电压得到。因为a d 转换器的静态特性可以用码密度分析法 进行全面描述，所以其静态参数可以通过这种方法进行评估。该算法通过统计输 出数字码的出现次数，利用直方图( h i s t o g r a m ) h i 】来获得其转换特性。但是， 码密度法的精度需要由庞大的样本总量m 来保证【引。本文采用一个幅值略超出 输入范围的正弦信号作为输入测试信号，a d 转换的输出数据通过逻辑分析仪进 行存储，使用l a b v i e w 远程控制仪器进行实时处理，或拷贝到计算机再用 m a t l a b 处理获得其静态参数。第5 章中阐述了对于a d 转换器实时、全自动 化的“一键测试方案。 为了避免递归算法造成的测量累积误差，本文在实际测试时采用转换阈值电 压力通过累积直方图c h i 】直接计算1 n l f 】和d n l i 】，其归一化的计算公式为 北京工业大学工学硕士学位论文 l r = - c o s 【竿) 关于码密度法测量d n l 、i n l 的详细原理可参见作者发表的文献【9 】。图2 6 所示为本文设计的e l a b 9 0 4 4 在4 0 m s s 采样率下转换3 3 3 k h z 的正弦信号获得 3 , 5 7 1 ，9 4 5 个数据点的d n l ，i n l 处理结果。 i n i m a h = 0 7 9 9 h 盯呻_ o 7 呷 i j i 唰挑鹾 图2 - 6e l a b 9 0 4 4 动态d n l 和i n l 测试结果：( a ) d n l ( b ) i n l f i g u r e2 - 6d y n a m i cd n la n di n lt 嚣t i n gr e s u l t so f e l a b 9 0 4 4 ：( a ) d n l ( b ) i n l 2 2 流水线a d 转换器中的主要非理想因素 流水线a d 转换器由采样保持放大器( s ha m p l i f i e r , s h a ) 和后续的个 转换级串联组成。转换级可以处理一定分辨率的数码位，如图2 7 所示。 第2 组 - 一_ ( 第n i 级 - i 第n 曩 耋茭y 受，整 i ， 数字延时 土! 巴垡：= 数字误差校正电路 t 字输出 n + i 位 图2 - 7n 级流水线a d 转换器结构框图 f i g u r e2 7b l o c kd i a g r a mo fa nn - s t a g ep i p e l i n e da i dc o n v e r t e ra r c h i t e c t u r e 为了保证数字校正操作中输出数字码的一致性，通常需要一个数字延时电路 来将各级输出数据延时同步。 典型的流水线结构中，转换级由f l a s h 量化器和m d a c 组成。m d a c 起 到采样保持、残差放大的作用，如图2 7 阴影部分所示。数字校正逻辑可以降低 f l a s h 量化器电路的性能要求，校正比较器的失调误差。数字误差校正技术将 在本文后续章节进行详细的介绍。每个转换级电路通过两相不交叠时钟处理信 3 2 1 0 ， 2 3 o n o o 由 电 由 s 1 、1 h 石 第2 章流水线a d 转换器设计中的考虑因素 号，并且从信号中抽取聊位输出。在第一个时钟相位中，输入电压被采样以后， 相应的值被存储在m d a c 中。与此同时，f l a s h 量化器正在进行m 位的量化 操作。在第二个时钟相位中，残差电压v r e s 大小为保持电压v i n j 与子d a 重建 信号之差。接着，残差电压v r e $ 通过增益为2 册的放大器进行放大。放大的残差 信号v r a j 会被保持并且传递到下一个转换级进行重复操作。输入端的s h 放大 器常常被视为“第0 级 ，只是省去了其中的量化器。而对于流水线结构的最后 一个转换级则被视为“第级”，其中不包含m d a c 。图2 8 所示为一个典型的 流水线操作时序图。其中，相邻转换级一直工作在相反的时钟相位上，因为无论 哪一个转换级进行残差放大，它的后一级都在执行被放大残差信号的采样、量化 操作。 时钟周期一一墨幽一+ 一墨! 旦塑 苎! 旦塑 卜 咖放大器亘泌亘三挺 射级 ) 吵垂弘趣炎匦国 嬲 殛吵垣弘亟沧 黝 三必豸瀚 完成采样佰号妇，的tl元属秉开饵亏删盯i 化等待盈字校正处曩化等待墨字技正处理 h 坠全堕塑基塑笪匡麈壁鲤 h 图2 - 8 典型3 转换级流水线操作时序：s 一采样；h 一保持；q 一量化：r a 一残差放大 f i g u r e2 - 8t i m i n go ft h et y p i c a lo p e r a t i o no fap i p e l i n e da d c w i t h3s t a g e s ：s - s a m p l i n g ； h - h o l d i n g ；q - q u a n t i z i n g ；r a - a m p l i f y i n gt h er e s i d u e 样本v i n i 是在流水线的最后一级处理之后被完全转换。同时，因为是流水 线操作，从给定样本进行转换开始，n 2 个新样本已经在这个链路中被采样、处 理成为相应的数字信息。输出数字码在n 2 个时钟周期操作完成后就可被获得。 因此，尽管从输入模拟信号开始到将其转换成输出数字码有一段反应延迟时间 ( 1 a t e n c yt i m e ) ，但是之后因流水线效应，获得单个数字码的采样周期仅仅占用一 个时钟周期。 流水线a d 的硬件成本、