（电路与系统专业论文）集成低频振荡器和12+b+10msps+pipeline+adc的设计.pdf

摘要 摘要 随着数字化技术的高速发展，各种应用领域对集成电路的需求总趋势是高性 能、低功耗、面积小。这就促使对芯片电路高性能、低功耗、面积小的研究成为 当务之急。本论文改进了一种低频振荡器，对比传统的低频振荡器，实现了低功 耗、面积小、频率稳定。用触发器代替需要消耗大电流的运放，同时也解决了触 发器的温飘问题，即可以稳定频率有减小了版图面积。此低频振荡器运用于a d c 和传感器中，流片测试结果显示该振荡器能够满足系统要求。 同时，本文研究了3 3 v1 2 - b i t1 0 m s p sp i p e l i n ea d c ( 流水线性型a d c ) 系 统结构，流水线结构以兼顾高速和低功耗要求，整个a d c 转换器由1 2 级组成，每 级1 5 比特。1 5 比特的选择是因为可以在每个子级中的运放只需要增益为2 ，这样 可以最大化带宽；此外，降低对比较器失调误差的要求，使得比较器的设计简单， 功耗小。本文详细讨论并设计仿真了p i p e l i n ea d c 中模拟电路部分包括采样电路、 比较器、2 电路第一章分析了国# i - a d c 的信息，包括a d c 的主要结构、运用领域。 并介绍了本项目研究意义。 第二章对比目前工业界中常用的低频振荡器的结构，设计改进了一种传统的 低频振荡器，从仿真中对比了功耗、版图面积等设计指标。芯片测试结果显示， 振荡器满足芯片系统要求。 第三章主要介绍t p i p e l i n ea d c 的原理，分析了p i p e l i n ea d c 的主要模块：采 样保持电路、c m o s 开关、m d a c 电路( 乘法数模转化器) 。分析了沟道电荷注入 和时钟馈通的原因，并给出具体解决办法。分析了如何选择c m o s 开关的大小以 及c m o s 开关对电路的影响。 第四章分析和仿真t p i p e l i n ea d c 的具体电路。首先对运算放大器做了具体介 绍，指出运算放大器的具体指标，从功耗、输出范围、增益、带宽等各方面比较 了密勒补偿运放、套筒式运放、折叠式共源共栅运放。分析了全差分运放，给出 共模反馈的具体电路。在实现高增益、高带宽的运放时，介绍了可以在不减少带 宽的情况下，增加增益的办法增益提高技术。比较了在没有增益提高技术和 采用增益提高技术时，运放增益的变化。其次，介绍了动态比较器的原理，证明 了影响动态比较器的因素，给出动态比较器的仿真结果。最后介绍了子数模转化 器的电路和非交叠时钟。 摘要 第五章介绍了版图设计工具、设计原则和设计步骤。本次版图是在j a z z b i c o m s i 艺下进行。给出了部分电路的版图，从实例中分析了版图设计应该注 意的问题，包括如何去匹配，减小噪声干扰，减小工艺误差。 关键字：低频振荡器，流水线型a d c ，m d a c ，比较器 i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h eh i g h l yd e v e l o p m e n to ft h ed i g i t a lt e c h n o l o g y , t h e r ei sag r o w i n gt r e n df o r a d ci ne v e r yf i e l dw h i c hc a nb es u m m a r i z e da sh i g hp e r f o r m a n c e ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o n ，s m a l la r e a a l lo ft h e s eu r g et h er e s e a r c ho fl o wp o w e rc o n s u m p t i o na n d s m a l la r e ao f i n t e g r a t ec i r c u i tb e c o m e a l le m e r g e n c y t h i st h e s i si m p r o v eak i n do fl o w f r e q u e n c yo s c i l l a t o r , c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ll o wf r e q u e n c yo s c i l l a t o r , w h i c hr e a l i z e l o wp o w e rc o n s u m p t i o n , s m a l la r e aa n ds t a b l ef r e q u e n c y 。i n s t e a do fo p e r a t i o n a l a m p l i f i e rw h i c hw i l lc o n s u m eal a r g ec u r r e n t ，t h i sp r o j e c ta d o p tt r i g g e r , h o w e v e r , a tt h e s a m et i m e ，t h i sp r o j e c ta l s os o l v et e m p e r a t u r es w i f tp r o b l e m i no t h e rw o r d ，i tc a l l s t a b i l i z et h ef r e q u e n c ya n da l s od e c r e a s et h el a y o u ta r e a t h i sl o w f r e q u e n c yo s c i l l a t o r h a sa p p l i e dt oa d ca n ds e n s o r t h et e s tr e s u l t so f t a p e - o u ts h o wt h i sk i n do fo s c i l l a t o r c a ns a t i s f yt h es y s t e mr e q u i r e m e n t a tt h es a m et i m e , t h i st h e s i sr e s e a r c hs y s t e ms t r u c t u r eo f3 v12 - b i t10 m s p s p i p e l i n ec m o sa d c ，t h ep i p e l i n es t r u c t u r es a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fh i g hs p e e da n d l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，t h ew h o l ea d ci sc o m p o s e db y12s t a g e s ，1 5b i ti ne a c hs t a g e t h er e a s o nf o r1 5b i ti st h a ti tc a nm a x i m i z et h ef r e q u e n c yb a n ds i n c ee a c hs t a g e o n l y r e q u i r eg a i no f2 ；i na d d i t i o n ，i td e c r e a s et h eo f f s e tr e q u i r e m e n to fc o m p a r a t o r , w h i c h s i m p l i f yt h ed e s i g no fc o m p a r a t o ra n dc a nd e c r e a s et h ep o w e rc o n s u m p t i o n id i s c u s s a n ds i m u l a t es a m p l ea n dh o l dc i r c u i t ，c o m p a r a t o rc i r c u i ta n dx 2c i r c u i ti nd e t a i l i nt h ef i r s ts e c t i o n ，ia n a l y z et h ei n f o r m a t i o no na d co fa b o a r d ，w h i c hi n c l u d et h e s t r u c t u r eo f a d c ，t h ea p p l i c a t i o nd o m a i n ，a n di l l u s t r a t et h em e a n i n go ft h i sr e s e a r c h i nt h es e c o n ds e c t i o n , ia n a l y z et h es t r u c t u r eo fl o wf r e q u e n c yo fo s c i l l a t o r , a n d i m p r o v eat r a d i t i o n a l l o wf r e q u e n c yo s c i l l a t o r , a n dc o m p a r ei n d e x e so fp o w e r c o n s u m p t i o n ，t h el a y o u ta r e ae t c t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h eo s c i l l a t o rc a ns a t i s f yt h e w h o l ec h i ps y s t e mr e q u i r e m e n t i nt h et h i r ds e c t i o n ，ip r i m a r i l yi n t r o d u c ec o r em o d u l e so fp i p e l i n ea d c ：s a m p l i n g a n dh o l dm o d u l e ，c m o ss w i t c h ，m d a c ( m u l t i p l ed i g i t a la n a l o gc o n v e r t e r ) ia n a l y z e t h eo r i g i no fc h a r g e - i n j e c t i o na n dc l o c kf e e d b a c k ，a l s op r o v i d ew i t l lt h ee x a c tm e t h o d s t os o l v et h e m ia n a l y z eh o wt oc h o o s et h es i z eo fc m o ss w i t c ha n dt h ei n f l u e n c eo f i i i a b s t r a c t c m o ss w i t c ht oc i r c u i t ip r e s e n th o wt h em d a cm o d u l et or e a l i z et h ei n p u ta n d o u t p u tt r a n s f e rf u n c t i o n i nt h ef o u r t hs e c t i o n ，ia n a l y z ea n ds i m u l a t et h ec o n c r e t ec i r c u i t f i r s t l yii n t r o d u c e o pa m pi nd e t a i l ，p r e s e n tt h ec o n c r e t ei n d e xo fo pa m p ，c o m p a r em i l l e r - c o m p e n s a t i o n o pa m p ，t e l e s c o p i co pa m pa n df o l d e dc a s c a d eo pa m pf r o mt h ep e r s p e c t i v eo fp o w e r c o n s u m p t i o n , o u t p u tr a n g e ，g a i na n db a n d w i d t h ia n a l y z ef u l l yd i f f e r e n t i a lo pa m p ，p r e s e n t i n gt h ee x a c tc i r c u i to fc o m m o nm o d e f e e d b a c kc i r c u i t w h e nd e s i g nh i 曲g a i n , h i g hb a n d w i d t ho fo pa m p id i s c u s si n c r e a s e g a i no fo pa m po nt h ec o n d i t i o no fw i t h o u tl o s i n gb a n d w i d t h ，w h i c hi sg a i n b o o s t t e c h n o l o g y ic o m p a r eo pa m pi nt w os i t u a t i o n s ：w i t ha n dw i t h o u tg a i n - b o o s tt e c h n o l o g y i na d d i t i o n , ip r e s e n tt h et h e o r yo fd y n a m i cc o m p a r a t o r , a l s os u b s t a n t i a t et h ef a c t o r s i n f l u e n c e dd y n a m i c c o m p a r a t o r , p r o v i d i n g w i t hs i m u l a t i o nr e s u l t so fd y n a m i c c o m p a r a t o r f i n a l l y , ii n t r o d u c es u bd i g i t a la n a l o gc o n v e r t e rc i r c u i ta n df u l f i l lo f n o n o v e r l a p p i n gc i r c u i t i nt h ef i f t hs e c t i o n ，ip r e s e n tt o o lo f l a y o u t ，p r i n c i p l eo fl a y o u ta n ds t e p so fl a y o u t t h i sl a y o u td e s i g ni sb a s e do nt h ej a z z0 35 u mp r o c e s s ip r o v i d ew i t hs o m ep o r t i o no f l a y o u t ，a n dia n a l y z ew h a ts h o u l db et a k e na t t e n t i o nf r o ms a m p l eo fl a y o u t ，w h i c h i n c l u d e sh o wt om a t c h ，h o wt om i n i m i z et h ei n t e r r u p t i o no fn o i s ea n dh o wt od e c r e a s e t h ee r r o r sc a u s e db yp r o c e s s k e y w o r d ：l o wf r e q u e n c yo s c i l l a t o r , p i p e l i n ea d c ，m d a c ，c o m p a r a t o r i v 独创性声明 本人声明所呈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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名： 主丝。 日期： 2 0 0 8 年小月l 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分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应遵守此规定) 签名：崮吐导师签名：兹显篷 日期：2 0 0 8 年f 月 第一章引言 第一章引言 a d c 是模拟信号和数字信号的接口，随着数字信号处理速度不断加快，这对 a d c 的要求也越来越高，包括高速高精度低功耗。由于模拟电路的限制，往往很 难同时满足这种要求，这就要求a d c 自身不断的进步，这包括系统结构、数字电 路辅助、工艺进步等。同时，由于系统集成的要求，使得对芯片模块电路的集成 度越来越高，振荡器作为a d c 中的一个必不可少的部分，如何在低功耗、占用版 图面积小、频率稳定的情况下实现也是本论文要讨论的范畴。 1 1 国内外研究动态和应用领域 由于通信和多媒体的需求的推动 】，使“系统级芯片 成为当前c m o s 技术的 一个发展潮流。系统级芯片的一个明显特征是越来越多的依赖于d s p 。因而模拟 与混合信号电路也无所不在。数字信号处理技术的迅速发展和新理论、新算法的 不断涌现，使实际系统对a d c 转换器的要求越来越高。受数字化浪潮的驱使，a d c 与d a c 转换器是目前集成电路发展最快的领域之一，促使寻求高性能a d c 与d a c 转换器成为数字化产品设计人员的目标。近年来为了满足市场的需求，a d c 与d a c 转换器的性能不断提高，一般要求a d c 与d a c 转换器必须同时具备很高的采样率 和精度、很大的动态范围、极宽的频率响应范围和灵活的数字接口，以支持更高 的数据传输速度和更复杂的处理和调制功能。随着设计技术的发展和生产工艺的 进步，高性能的a d c 转换器的转换速度可达到数g h z 采样频率，在转换精度上可 以达到2 4 位以上。目前国际流行的主流模数转换器有时间交织a d c 转换器、流水 线a d c 转换器、两步式a d c 转换器、s i g m a d e l t aa d c 转换器等。s i g m a d e l t aa d c 转换器又被称为过采样转换器，由于其结构相对简单，同时又具有高性能、集成 化的数字滤波功能，与d s p 兼容等优点，因此得到了广泛应用。现在市场出售的 s i g m a d e l t aa d c 转换器可达到2 4 位的精度。但是由于其可以处理的信号频率低， 因此只适用于音频信号的处理。从速度上考虑，全并行( f l a s h ) a d c 转换器具有最 快的速度，其采样速度可高达5 0 0 m s a m p l e s 以上。但是随着转换位数的增加，其 所用的比较器的数目也会急剧增加。因此只有在需要高速但对精度要求不高的情 况下，或仅将其作为多级a d c 转换器中的子a d c 时，才使用全并行( f l a s h ) a d c 转 电子科技大学硕士学位论文 换器。流水线a d c 转换器【2 】【3 】【4 】是一种可以实现高速高精度i 约a d c 转换器，最近这 种结构的a d c 转换器迅速发展，这是因为这种a d c 转换器兼顾了芯片面积和转换 速度。 图像应用需要14 位的高分辨率，主要用于c c d 相机、传感器和医疗图像的要 求等方面。这些应用特别适合对延迟没有严格的要求，所以特别适合采用流水结 构的a d c 。m a x i m 公司的一个产品3 3 v2 2 m s sa d c 和一个16 位1m s sa d c ，采 用片上数字修正，可提供精细的灰度层次。a d i 公司的方向是c c d 相机，采用差分 流水结构，用数字纠正保证全温度范围内无漏码。实际上，a d i 已经把c m o s l 4 位流水a d c 速度提高到了1 0 m s s ，用3 3 v 电源，功耗2 8 5 m w 。 声频方面，作为中速高分辨率的s i g m a d e l t aa d c 得到广泛使用。它的分辨 率可以达：至u 2 4 位，速度一般在1m s s 以下。它的一个突出优点是，依靠s i g m a d e l t a 调制器对量化噪声的整形，可以把几乎全部的量化噪声驱赶到通带以外。从制造 工艺来说，对调试器中的模拟电路不要求严格匹配，所以很容易与数字系统集成 在一起。 数据采集在数据采集方面的应用包括传感器、振动分析、地震数据采集、医 疗图像和计量等，对精度要求较高，一般优于2 0 位，所以也和适合采用s i g m a d e l t a 结构。 硬盘读出通道这类应用要求公司低分辨率( 6 位和8 位) a d c ，这类a d c 总是 用常规的数字c m o s 工艺制造的。日本东芝公司和韩国汉城国立大学分别研制了6 位c m o sa d c ，达到5 0 0 m s s 的速度。 国外生产模数转换器的最著名的厂家主要有以下三家：t i ( 德州仪器) 、a d i 、 ( a n a l o gd e v i c ei n c ：模拟器件公司) 、n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ( 1 蛩家半导体) ，其中， t i 在2 0 0 0 年成功收购了b b ( b u r r - b r o w nc o r p o r a t i o n ：巴尔一布劳恩公司) ，成为全球 高性能数据转换器的主要供应商。除此之外，还有m a x i m ( 美信) 、m o t o r o l a ( 摩 托罗拉) 、f a i r c h i l d ( 仙童) 、n e c ( 日本电气) 、s t ( 意法) 等公司。表1 1 ，1 - 2 分 别是上述公司的一些相关产品介绍。 2 第一章引言 表1 1t i 产品： 型号 分辨率( b ) 结构采样率电源( v )功耗( m w )价格( 美元) a d s 8 3 08 p i p e l i n e 6 0 m52 1 5 2 s 8 a d s 5 1 0 21 0 p i p e l i n e 6 5 m1 81 6 06 7 4 a d $ 2 8 0 61 2 p i p e l i n e 3 2 m3 34 3 01 3 4 5 d d c l l 22 0 s i g m a d e l t a 3 k58 01 1 5 2 表1 2 a d i 产品： 型号 分辨率( 位数) 采样频率 电源电压( v )功耗( m w ) a d 9 7 8 082 5 0 m3 3 4 2 5 a d 9 4 1 01 02 1 0 m3 孓一52 4 0 0 a d 9 4 3 3 12 51 21 2 5 m51 5 0 0 a d 7 6 7 41 80 8 m56 8 在国内，2 4 所曾经采用c d = ium 的c m o s 工艺，研制出了转换速度2 0 m s s 的 2 位d 转换器。2 0 0 2 年，采用双极性和c m o s 工艺的8 位d 转换器转换速度分别 可达n 12 0 m s s 和10 0 m s s 。2 0 0 3 年，浙江大学采用无锡华晶公司的0 6 m d p d m 的5 v 标准c m o s 工艺实现了1 0 位，2 0 m s p s 的a ，d 转换器，获得d n l 为0 7 l s b ， i n l 为1 5 l s b 。2 0 0 4 年，中国科学院半导体研究所在0 6l lmd p d m 的标准c m o s 工艺条件下，实现1 0 位5 0 m s s 折叠流水结构a d 转换器，功耗1 2 0 m w 。2 0 0 5 年， 复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室与上海微科集成电路有限公司合作 研制了工作在3 v 的1 0 位，4 0 m s p s 的流水线a d 转换器，由0 2 5umc m o s 工艺实现，获得8 1 位有效精度，d n l 、i n l 分别小于0 8 5 l s b ，? 1 2 2 l s b ，功耗 5 9 m w 。国内外研发和生产动态表明，我国在模数转换技术领域与国外存在明显的 差距。 1 2 研究背景和意义 集成电路的一个发展方向就是不断提高集成度，电路设计工程师在满足性能 要求的前提下，不断挑战传统的电路，最小化集成电路的功耗和面积。本文就 s i g m a d e l t aa d c 和传感器中的低频振荡器进行研究。本低频振荡器在满足系统条 电子科技大学硕士学位论文 件稳定度的前提下，要求最小化面积和功耗。 随着数字信号处理技术在高分辨率图像、视频处理及无线通信等领域的广泛 应用，对高速高精度、基于标准c m o s 工艺的a d c 的需求日益迫切。而据国内外 研发、生产动态表明，我国a d c 、d a c 转换技术与国外存在明显的差距，究其原 因，除工艺水平限制以外，其基础研究和设计能力是两大主要的制约环节。在很 多方面，国外集成电路市场在很大部分上占据了中国的市场，为此，加强a d c 转 换器的基础技术研究势在必行。 1 3 本文内容 第二章，对低频振荡器进行了研究设计，分析了传统振荡器的缺点，功耗大、 面积大，并对传统振荡器进行改进，在满足芯片系统性能的要求下，实现了低频 振荡器功耗小、面积小的特点。 第三章介绍了流水线性a d c 的工作原理以及子模块：采样保持电路、c m o s 开关、m d a c 电路。 第四章主要分析了具体电路如运算放大器、2 电路、比较器、时钟电路，并 给出仿真结果。 第五章介绍版图设计步骤和设计原则。 第六章为总结。 4 第二章低功耗振荡器的实现 第二章低功耗振荡器的实现 本章主要改进了一种低频振荡器。在对比了一些工业界常用的比较器，从功 耗、面积上实现了改进，通过仿真实验、版图布局进行了对比。此种振荡器分别 在1 2 8 k 、1 m 、2 m 的频率下流片验证，证明此振荡器频率稳定，结果显示满足整 个芯片系统的要求。 2 1 低频振荡器的运用 在集成电路设计中，也常常采用外接振荡器来为片内电路提供时钟信号，经 常采用晶体振荡器。晶体振荡器具有非常高的频率稳定度，但是由于它没有集成 在芯片内部，所以为芯片的客户增加了麻烦。客户在使用芯片时，必须外接一个 晶体振荡器。本项目就是本着最大程度的集成的目的，设计一个低频的片内振荡 器来为传感器、数模转换器来提供时钟信号。 在a d c 电路中，信号都是离散化处理的。整个a d c 电路包括采样保持电路、 比较器、选择电路、运算放大器都是工作在在时钟控制状态下，如图2 1 。 1 采样保持电路的采样和保持需要振荡器提供时钟信号。 2 比较器的比较周期和锁存周期需要振荡器提供时钟信号。 3 选择电路进行选择电平选择时，需要在正确的时钟周期内选择电平送到 2 电路，这也需要振荡器提供时钟信号。 4 运算放大器工作在开环和闭环时需要振荡器提供时钟信号。 所以在a d c 中，一个精准的时钟对整个芯片的正常工作非常重要。 电子科技大学硕士学位论文 图2 1 振荡器为a d c 中各电路提供开关信号 在集成电路中，低功耗、面积小一直是集成电路的一个设计目标。低功耗尤 其在便携式运用起到关键作用；在集成电路竞争领域中，对于相同的性能，用更 小的面积使其现实，一方面，可以更有效的集成化，另一方面，可以减少成本， 因为芯片的制造成本是和面积成正比的，尤其在厂商量产时，单个芯片的面积越 小，意味着一块晶圆上能生成的裸片越多，自然成本就越低。 2 2 常用的业界的低频振荡器 图2 - 2 低频振荡器原理框图 图2 2 是低频振荡器的原理框图，图2 - 3 是电路结构图嘲，。，是一个恒定的电 流，对电容充电，电荷不断积累在电容上，就使得电容正极板上的电压杉不断增 大。当形电压大于比较器器的正端输入电压 6 第二章低功耗振荡器的实现 p = 赫吼， ( 2 - ” 时，比较器输出电压就会翻转。以前电压圪= 0 v ，当比较器输出翻转后，圪= 5 v ， 开启放电的m o s 管，此时，电容上级板上就存在放电通路，电容放电，电压减 小。同时，在比较器输出电压翻转后，比较器的正端输入电压变为 电容不断放电，当 2 丽r 1 宰杉。，妒 冠+ 足+ 冠 ”7 ( 2 2 ) 矿 t r a n s i e n tr e s p o n s e 朋o 7 b 3 7 u 矗9 9 2 咖v ? l 一 1 01 s2 0 t i m e ( u s ) 图2 1 61 2 8 k h z 信号 t r a n s i e n tr e s p o n s e 2 s j o ( s s7 2 n s , 2 9 2 m v ) s os s t i m e ( u s 图2 1 71 m k h z 信号 1 6 & s 第二二章低功耗振荡器的实现 f j 啸o ( 4 7 67 n 岛一4 & 9 ji m v ) 图2 1 8 2 m k h z 信号 表2 。1 是各种类型的低频振荡器比较，可见经过改进的振荡器面积小、功耗小、 频率稳定，达到了预期目标。 表2 1 各种类型的低频振荡器比较 功耗 对于1 m h z 频率比较面积( u m 2 )频率稳定度 ( u w ) 工艺界经典电路 4 1 0 x 4 0 0 = 1 6 4 0 0 5 0 05 改进工艺界经典电路4 1 0 3 7 0 = 1 5 1 7 0 04 07 原始触发器电路 2 0 0 3 8 0 = 7 6 0 0 0 10 03 0 最终电路 3 0 0 3 5 0 = 10 5 0 0 0 2 5 05 测试结果，表2 2 ： 表2 212 8 k 频率测试结果 f a l1 t i m e+ 3 0 o n s r is e t i m e+ 3 0 o n s p e r i o d+ 7 6 7 0 u s f r e q + 1 3 0 3 8 k h z d u t y c y c l e 5 2 0 0 图2 2 1 是测试芯片。图2 2 2 是测试的波形，频率13 0 k h z 。图2 2 3 是示波器得 到的数据转化为e x c e l 图形。 1 7 刳2 2 1 测试芯 c u r s o r sm e n u 訇2 2 2n , j + 钟信号1 2 8 k ；：! j ! t j 试结身 第二章低功耗振荡器的实现 abcdf 1 x a z l sc h l 2薛# # # # # 样群 4 9 8 e + 0 0 3# # # # # # # #4 9 8 e + 0 0 4# # # # # # 槲4 9 8 e + 0 0 5# # # # # # 料4 8 5 e + 0 0 6# # # 群# # # #4 9 1 9 + 0 0 7# # # # # # # #4 8 5 e + 0 0 8# # # # # # # #47 9 e + 0 0 9# # # # # # # #4 ，7 9 e + 0 0 1 0# # 薛# # # 件#4 7 9 e + 0 0 。p 7 ， | 1 1捧# # # 撑# # #4 8 5 e + 0 0 1 2# # # # 抖群棼#4 7 9 e + 0 0一 1 3柏￥# # 群# # 伴4 8 5 e + 0 0 1 4# # # # # # # #4 9 1 e + 0 0 、， i 一：! 。奢i “m 1 5# # # # # # # 拌4 9 8 e + 0 0j _ 1 6# # # # # # # #5 0 4 e + 0 0 o 。尊 1 了社# # # # # # #5 0 4 e + 0 0 嚣鬻囊誊 弧。 4 1 8# # # # # # # #5 0 4 e + 0 0 ，。 1 9# # # # # # # 拌5 0 4 e + 0 0 蓄澄 2 0# # # # # # # #5 i o e + 0 0 澄r 鬻棼骥i 2 1# # # # # # # #5 0 4 e + 0 0 _ 6 磁辫i鼹颡 2 2# 料# # # # #5 1 0 e + 0 0 2 3# # # # # # # #5 0 4 e + 0 0 o 酝舞。毋 2 4# # # # # # # #5 0 4 e + 0 0t i i 蛰 2 5# 样# # # # #4 9 8 e + 0 0 2 6# 拌# # # # # 掉 4 9 8 e + 0 0 2 7# # # # # # # #4 8 5 e + 0 0 f五1 万i 。二了i j i 图2 2 3e x c e l 数据统计绌果 1 9 电子科技大学硕士学位论文 第三章p ip elir ea d c 模块的分析 3 1p i p e l i n ea d c 工作原理 流水线结构模数转换器的基本结构如图3 1 所示，整个模数转换器由n 级串联 的单元组成。每一级单元中包含采样保持电路，低精度的子模数转换器、子数模 转换器以及残余产生和放大电路。输入端的采样保持放大器同时作为第一级的采 样保持电路，当模数转换器开始工作，流水线的各级受时钟信号控制。首先采样 保持放大器对输入模拟信号进行采样，然后采样结束进入保持状态。采样保持电 路的输出分为两路，如图3 2 ，其中一路送给第一级的s u b a d c 生成数字输出的最 高b 位数据，b 位数据同时送至i j s u b d a c 产生与b 位数据相对应的模拟电平，这个模 拟电平与采样保持电路输出的另一路相减就得到了所谓残余量，实际上就是 s u b a d c 的量化误差；这个残余量经过增益2 b 的放大器进行放大之后送入下一级 进行同样的过程。经过n 级处理之后，每一单元产生b 位数据，这样最终就形成了 b n 位( 根据数字修正过程，这里应该是b x n + i 位) 的分辨率。根据采样保持 电路工作状态，流水线上的每个单元也相应工作在两种状态。当第一级对输入信 号采样时，第二级就对上个周期第一级产生的残余进行量化，以此类推。由于流 水线这种采样保持的特点，每个单元同时工作并交替工作在两个状态，从而能够 获得很大的吞吐( t h r o u g h p u t ) ，也就是转换速度。流水线结构有许多优点，当需要 更高的分辨率时，在性能参数允许的情况下只需在流水线的末尾简单的添加更多 单元即可，显然这样面积和功耗仅随分辨率的提高而线性增加，而不是如同f l a s h 结构呈现的指数增长；流水线结构使用低精度的模数( a d c ) 和数模( d a c ) 转换器， 使单元的设计要求大大降低，许多低功耗技术如动态比较器等可以得到使用。但 同时流水线结构也存在一些限制，由于流水线在时间上分时处理，从第一级采样 到最后输出完整的数据，中间就存在延时( l a t e n c y ) ，这对延时要求非常高的应用 会受到限制。 第三章p i p e l i n ea d c 模块的分析 图3 1p i p e l i n e 结构图 图3 2p i p e l i n ea d c 中的每一级结构 3 2 采样保持电路的分析 采样保持电路是把外界的模拟信号进行采样，从而转化成离散的信号，以供 下级进行进一步的转换。其中主要用到了运算放大器和开关。 3 - 2 1 两种不同结构采样保持电路 图3 - 3 属于电荷传递型结构( c h a r g et r a n s f e r r i n g ) 。在采样阶段，t 2 闭合，t 1 2 l 电子科技大学硕士学位论文 断开，输入信号被g 收集，g 的上级板接到输入共模电平。在保持阶段，t 1 闭合， t 2 断开，运放在闭环下工作，由于电荷等量，可以得出 v o 埘= ( c ，c , ) 木圪 ( 3 1 ) 当采样电容和反馈电容相等时，闭环增益为一， v o = 吃 ( 3 - 2 ) 输出得到的离散化的电压供给下一级电路进行数字化处理。 v 2 5 v 2 5 v g n d d 。一 g n d d 。_ 。_ 。 图3 - 3 电荷传递型采样保持电路 图3 4 是翻转结构采样保持电路，同一对电容既作为采样电容又作为反馈电 容。在采样相时，采样电容下极板连接到输入端，运放输入端短接到输出端提供 电压偏置，这样的方式有一个好处是能自校准运放的输入失调( o f f s e t ) ；在保持相时， 采样电容的下极板转接到运放的输出端，起到反馈电容的作用v o 眦= 吃。 c s v i n、 刁 v i p) c s 图3 4 翻转结构采样保持电路 第三章p i p e l i n ea d c 模块的分析 3 2 2 沟道电荷注入 一个m o s f e t 处于导通状态时【7 】，二氧化硅与硅的界面必然存在沟道。假如 v i n = v o u t ，反层型中的总电荷可以表示为： 级= 形宰l 宰乞( 屹一一) ( 3 3 ) 式中l 为有效沟道长度。当开关断开后，q c 会通过漏端和源端流出，这种现 象叫“沟道电荷注入 。 l i 艘 、慑nv m c s 鬈僖1 l 1 o u t 如 图3 5 沟道电荷主注入 在图3 5 中，注入到左边的电荷会被信号源吸收，不会产生误差。但是注入到 右边的电荷被沉淀到采样电容e 上，就对储存在采样电容上的电压造成误差。由 于源端和漏端对这个电荷的分配非常的复杂，比如受端对地的阻抗，时钟的跳变 时间等方面的影响，下面的考虑以最坏情况估计，也就是假设全部的沟道电荷都 注入到采 样电容上： v o w ：圪一y ：圪一譬 ( 3 4 ) l j 通过将该式整理可得： 匕堋1 + 警) _ 等( 屹吲 ( 3 - 5 ) m o s 管的门限电压： = o + y ( 4 2 痧b + 圪一2 唬) ( 3 - 6 ) 可以得到： 电子科技人学硕士学位论文 圪广圪( 1 + _ w l c - o x ) + 7 竿丽一_ w l c _ o x ( 一虼。+ 厂瓜) ( 3 7 ) 乙s乙jl j 由于在采样保持电路中，理想的结果是v o 叶= 吃 比较( 3 2 ) 和( 3 7 ) 两个式子，就可以看出由于沟道电荷注入带来的误差。 c m o $ 采样开关中的电荷注入产生了三种误差：第一项为增益误差，与输入v i n 成 线性关系；第二项非线性误差，不可修正；最后一项不是输入v n 的函数，只是直 流失调。我们会采取相应的结构，使得采样开关沟道电荷注入的影响仅仅为失调， 再通过全差分结构完全消除。 3 2 3 时钟馈通 m o s 开关还会通过其栅漏或栅源交叠的电容时钟跳变耦合到采样电容上，这 种效益给输出带来误差。时钟馈通给采样输出电压带来的误差为： a v = 枣w c o x ( w c o , + o ) ( 3 - 8 ) c d ，为单位宽度的交叠电容，可见它也是与输入圪无关的值，在输入输出特性 中表现为固定的失调，并最终作用到运放上，采用全差分结构的运算放大器能够 有效消除这个非理想因素带来的影响能通过结构的改进来减小。 在实际的开关电容中，要尽量减小由于电荷注入和时钟馈通造成的误差。方 法有： 3 2 3 1d u m m y 管 当m 1 断开的时候，由于沟道电荷注入，会对c l o a d 电容注入电荷q 1 ，如果 加入d u m m m y 管m 2 ，使得彬= 2 暖，就可以抵消电荷注入。在理想情况，源极和 漏极等分电荷，因为 g 。= ( 1 2 彬。厶c ：) 木( 一圪一) ( 3 - 9 ) g ：= ( 。厶c ：) 木( 屹一吃一) ( 3 1 0 ) q l = 9 2 ( 3 - 1 1 ) 有： 形= 2 哆 ( 3 - 12 ) 第三章p i p e l i n ea d c 模块的分析 图3 - - 6d u m m y 管 3 2 3 2 合适的开关时序【8 l 在图3 7 所示的开关电容中，当t 2 闭合，t 1 、t l a 断开时，采样；当t 2 断开， t 1 、t l a 闭合时，保持。果然让t l a 的断开时间比t 气稍早一点，则电荷注入问题只 由t l a 产生，t 1 和t 2 的影响可以忽略。当t 1 a 断开后，在采样电容的上级板产生了 误差电压k 。，此后，当t 1 断开后，因为电容的上级板已经开路，所以t 1 断开后产 生的电荷注入就可以不计。在t 2 闭合后，采样电容下级板的电位将由v i n 信号确定， 与t 1 无关。当t 2 断开后，同样的原因，电容的一个极板开路，电荷注入影响不计。 t 1a v i n 少习 n i 3 2 3 3 全差分结构 图3 - 7 适合的开关时序 电子科技大学硕士学位论文 图3 8 全差分结构采样 在全差分结构中