（电路与系统专业论文）高性能流水线模数转换器的关键电路研究.pdf

高性能流水线模数转换器的关键电路研究 浙江大学硕士学位论文 摘要 随着电子科技技术在社会中的不断进步 模数转换器 a d c 作为模拟世界 和数字世界之间的桥梁 被广泛的应用在各个领域 包括射频无线局域网络 图 像成型技术以及各类传感器 当今最流行的3 g 手机技术的核心部分之一也是模 拟信号和数字信号之间的转换 流水线模数转换器是众多a d c 结构中对速度和 精度权衡的较好的一种结构 对于一款高性能的流水线a d c 其核心电路的性 能很大程度上决定了整个系统的优劣 作为流水线a d c 的控制信号 时钟信号 的占空比 驱动能力以及抖动情况对系统的精度有着决定性的作用 与此同时 a d c 每级的量化过程是由比较器组成的f l a s h a d c 完成 它们的速度和精度也 影响了整个系统的性能 本文提出了应用于高性能流水线a d c 的高速时钟稳定电路和低功耗高速比 较器 两款芯片基于t s m c0 1 8 9 m1 p 6 mc m o s 工艺 分别经流片测试 达到 了设计要求 高速时钟稳定电路可以将输入频率为1 0 1 0 0 m h z 占空比为 1 0 9 0 的方波信号转换为同频率下5 0 占空比的系统输入时钟信号 且测试 结果显示精度达到了士0 5 低功耗高速比较器可以在1 0 0 m h z 时钟信号下工作 响应时间小于2 n s 失调电压小于3 0 m v 且动态功耗仅为0 2 6 4 m w 文章首先简要回顾了近几年时钟电路和比较器电路的发展情况 分析了流水 线a d c 和其中关键电路的工作原理以及应用范围 解释核心模块对整个系统的 影响 第三第四章详细讨论了本次提出的高速时钟稳定电路和低功耗高速比较 器 第五章对两款芯片的版图进行阐述 分析测试结果 关键词流水线a d c 时钟电路占空比比较器 n 高性能流水线模数转换器的关键电路研究浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g i e sm o v ef o r w a r di n t h e s o c i e t y t h ec o n v e r s i o n b e t w e e na n a l o gs i g n a l sa n dd i g i t a ls i g n a l sp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ew h o l e s i g n a lp r o c e s s i n g a c t i n ga st h eb r i d g eb e t w e e na n a l o ga n dd i g i t a lw o r l d a n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e r sa r ew i d e l yu s e di nm a n ya r e a s i n c l u d i n gt h ew i r e l e s s r fl o c a ln e t w o r k i m a g et e c h n o l o g ya sw e l la sa l lk i n d so f s e n s o r s a m o n ga l lk i n d s o fa d c s p i p e l i n es t r u c t u r ec o u l dm a k eab e t t e rt r a d e o f fb e t w e e ns p e e da n d r e s o l u t i o n f o rah i g hp e r f o r m a n c ep i p e l i n ea d c i t sk e yc i r c u i t s f e a t u r e sa r eo fg r e a t i m p o r t a n c et ot h ea l ls y s t e m c l o c ks i 孕1 a l sd u t yc y c l e 埘v i n ga b i l i t ya n dj i t t e ra r e t h ek e yf a c t st h a ti n f l u e n c et h er e s o l u t i o n m e a n w h i l e a st h eb a s i cu n i t so f q u a n t i z a t i o ni ne v e r ys u b a d c s t h es p e e da n da c c u r a c yo fc o m p a r a t o rl i m i tt h e c o r r e s p o n d i n gc h a r a c t e r i s t i c so fw h o l ea d c t h i st h e s i sp r o p o s e sh i 曲s p e e dc l o c ks t a b i l i z e ra n dl o wp o w e rh i 曲s p e e d c o m p a r a t o ru s e di nh i g hp e r f o r m a n c ep i p e l i n ea d cb a s e do nt s m c0 1 距m1p 6 m c m o sp r o c e s s b o t hc h i p sh a v eb e e nt a p e do u t a n dt h et e s tr e s u l t sa r eq u a l i f i e d h i 曲s p e e dc l o c ks t a b i l i z e rc a l ls t a b i l i z ea ni n p u tc l o c kw i t h10t oio o m h zf r e q u e n c y a n d10 0 0 9 0 d u t yc y c l et o5 0 d u t yc y c l ew i t ho n l y 士o 5 e l r o r l o wp o w e rh i g h s p e e dc o m p a r a t o rc a no p e r a t eu n d e r10 0 m h zf r e q u e n c y 丽ml e s st h a n2 n sr e s p o n d i n g t i m ea n d3 0 m vo f f s e tv o l t a g e i t sd y n a m i cp o w e rc o n s u m p t i o ni so n l y0 2 6 4 m w f i r s t l y t h et h e s i sw o u l dr e c a l lt h ed e v e l o p m e n to fc l o c kc i r c u i t sa n dc o m p a r a t o r s i nr e c e n ty e a r sa n da n a l y z et h ep r i n c i p l eo fp i p e l i n ea d c a l o n gw i t hi t sk e yc i r c u i t s g i v i n gt h ei n f l u e n c et h a tc o r eu n i t sc o u l dm a k e i nc h a p t e r3a n dg t h ep r o p o s e dh i g h s p e e dc l o c kc i r c u i t sa n dl o wp o w e rh i g hs p e e dc o m p a r a t o rw o u l db ed i s c u s s e di n d e t a i l c h a p t e r5i n t r o d u c e st h el a y o u ta n dt e s to fb o t hc h i p s k e yw o r d sp i p e l i n ea d c c l o c kc i r c u i t s d u t yc y c l e c o m p a r a t o r i i i 高性能流水线模数转换器的关键电路研究浙江大学硕士学位论文 致谢 光阴似箭 一眨眼两年半的研究生生涯即将结束 而今年也是我在实验室的 第四年了 回顾在超大所的四年 感慨良多 有一起欢笑的时光 有一起熬夜奋 斗的情景 也有坐在会议室里讨论问题的热闹 总而言之 是对我人生起到了很 大影响的四年 如今 能够顺利完成毕业设计 与许许多多人的关心和帮助是分 不开的 对此 我衷心表示感谢 首先 我要谢谢我的导师 何乐年教授 从我大三进入实验室开始 他就一 直对我们谆谆教诲 从最初的任课老师 到后来的硕士生导师 无不关心入微 在课题上遇到难题 何老师总是热心帮助解惑 并为我们提供一流的实验环境 对我的研究起到了巨大的帮助 而他严谨的作风以及和蔼的态度 将是我长期学 习的榜样 不管是学生还是步入社会 其次 我要感谢实验室的师兄弟们 有问题需要讨论或者帮助时 他们总是 第一时间给予解答 研究生阶段的国家重大专项 项目时间紧 难度大 但是大 伙一起加油 互相鼓励 最终还是完成了 谢谢张鲁 陆燕锋 侣鸿伟 薛晓博 宁志华 邱建平 陈帅 王煊 付大伟 刘国家 施琪锋 王刚和孙可旭 正是 有你们 才能让我有今天的成绩 最后 我要感谢我的父母 家人 你们一直在背后默默支持我 理解我的选 择 尊重我的决定 永远是我最坚实的后盾和最温暖的港湾 徐碧野 2 0 1 2 年2 月于浙江大学 高性能流水线模数转换器的关键电路研究浙江大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章引言 随着科技的不断发展 超大规模集成电路甚至于极大规模集成电路在各个领 域都起到了核心及基石的作用 作为信息时代的物理实现基础 人们对高性能集 成电路的需求越来越高 作为电子技术传播的载体 大自然的信号可以分为模拟 量及数字量两种 所谓模拟量就是指电压 电流 温度 湿度等等绝大多数的连 续物理量 而数字量则是高低电平的离散信号 也就是俗称的o l 信号 数字量 作为离散信号可以在计算机内被当作指令运行 高速便捷 而模拟量反映了自然 界的特征 实时准确 因此 如何将纷繁复杂的模拟量转换为可以被简易操作的 数字信号 成为了当下信息技术的一个核心问题 为此 人们设计了各种模拟信号 数字信号转换器 简称模数转换器 a d c 和数字信号 模拟信号转换器 简称数模转换器 d a c 来完成两种信号之间的 转变 无论是模数还是数模转换器 需要考虑的主要性能指标都包括了 转换速 度 转换精度 信号带宽 功耗等几方面 由于标准c m o s 工艺具有低成本 低功耗以及便于实现的特点 所以基于标准c m o s 工艺的高性能模数转换器是 这几年的研究热点 现在比较常用的模数转换器主要有以下几种 闪存模数转换器 f l a s h a d c l f l a s ha d c 的工作原理是设置不同的比较点 通过比较器比较模拟输入量和 各阈值点输出温度计编码的信号 并通过数字编码器得到最终结果 如图1 1 所 示 将基准分成4 个部分 通过比较不同基准 确定输入值在哪个区间 最终得 到数字输出值 f l a s h a d c 的特点是高速 但是由于比较器的个数会随精度的提 高而指数增长 且精度高后 最小单位电压值会趋近并超过比较器本身的失调电 压 所以f l a s h a d c 的精度一般不高 高性能流水线模数转换器的关键电路研究浙江大学硕士学位论文 v r e f v i n r r r r v r e f o c o m p a r a t o r 图1 1 两位f l a s ha d c 框图 模数转换器 2 s i g m a d e l t aa d c 是普遍使用的一种高精度a d c 的结构 通常在精度达到 1 6b i t 以上时是首选的a d c 结构 它的工作原理就是把待测信号 和正负参考 电压 之间的差值进行不断累积并通过反馈令这个差值趋于零 如图1 2 所示 它的结构主要包括了积分器 比较器和一位数模转换器 s i g m a d e l t a a d c 与其 他a d c 不同之处在于它将过采样 抽取滤波和量化噪声整形三项技术结合在一 起使用 所以它具有高精度的特点 但速度受限 am o d u l a t o r 图1 2s i g m a d e l t a 模数转换器框图 过采样模数转换器 o v e r s a m p l i n ga d c 基于 调节器 过采样a d c 也是被广泛采用的一种运用少量比较器获得较 2 高性能流水线模数转换器的关键电路研究浙江大学硕士学位论文 高分辨率的模数转换器 通过重复采样输入信号 对输入信号和上一次的估计值 的差值进行一位的量化 经过了多次采样量化过程之后 每次量化引入的量化误 差和噪声被平均 获得了一个准确的误差值 因此获得了较高的精度 所以这类 a d c 被广泛的应用在对采样频率不高 但是对动态范围要求较高的领域 目前 可以看到的最高分辨率的模数转换器大都是利用过采样结构 图1 3 为过采样 a d c 的系统框图 s h 图1 3 过采样a d c 系统框图 从系统框图中我们可以看到 电路里只用到了一个比较器 由于系统的噪声 总量只和量化级的幅度有关 而量化噪声的功率谱随着采样频率的增高而越来越 低 所以过采样a d c 的核心原理是利用扩宽采样频率 从而使得有限的噪声总 量在更宽的带宽频率下取平均后 单位带宽内的噪声量更小 也就是使得在有用 的带宽内获得较高的信噪比 除此之外 通过调整量化噪声的频谱密度分布 尽 量把在有用带宽内的噪声移至外围 进一步提高信噪比 目前过采样a d c 可以 达到2 4 位以上的分辨率 流水线模数转换器 p i p e l i n e da d c 3 1 流水线a d c 是当今比较流行的一种模数转换器 他具备了高速高精度的特 点 其原理是将几个低精度的转换级级联起来 每级输出低精度的结果并通过一 定的放大 将余量电压送至下级进行相同操作 最后通过同步单元将结果并行输 出得到最终的数字量 图1 4 是一个典型的流水线a d c 框图 高性能流水线模数转换器的关键电路研究 浙江大学硕士学位论文 输出结果 图1 4 流水线模数转换器框图 通过比较四种比较流行的模数转换器结构 我们可以发现 由于流水线a d c 具有分级转换 流水线操作的特点 可以在速度 精度 功耗和成本方面达到很 好的折中 但是它的性能也会受到电路和工艺等非理想因素的影响 例如比较器 的失调电压 运放的有限增益 电容的失配等等 因此有许多解决的办法随即被 提了出来 数字校正 模拟校正 提高关键电路性能等 作为流水线a d c 的控制信号 时钟信号的性能直接影响到了整个a d c 的性 能 由于流水线a d c 相邻两级工作在相反的状态 也就是说当奇数级工作在采 样状态时 偶数级工作在比较输出状态 而在时钟翻转之后 奇数级工作在了比 较输出状态 偶数级工作在采样状态 因此时钟信号的占空比也就是高低电平时 间的一致性对模数转换器的精度影响很大 此外 由于a d c 的最前端是采样保 持电路 而如今 数字电路的速度已经远远超过了模拟电路 如何将外部输入的 信号进行快速量化 对整个a d c 的精度和速度都起到了至关重要的作用 如果时钟信号不够稳定 也就是说 在每个周期内 它采样的精确时间不一 致 具有随机性 那就会产生时钟抖动的问题 随之带来的就是使模数转换器精 度下降 信噪比降低 由于时钟抖动而产生的a d c 抖动噪声电压可以由式 1 1 刚表示 2 确 胁 z 1 1 在公式 1 1 中 婀是由于时钟抖动造成的噪声 厶是输入信号频率 a r m s 是输入信号幅度的均方根值 t i m e r 是时钟抖动 可以看到 当采样信号的频率较 4 高性能流水线模数转换器的关键电路研究 浙江大学硕士学位论文 高时 时钟抖动对a d c 产生的噪声越大 而在相同的采样信号频率下 时钟抖 动越大 a d c 噪声越大 此外 时钟抖动对a d c 采样频率的上限也有很大的影响 式 1 2 5 1 显示 了a d c 对模拟信号采样频率上限和时钟抖动之间的关系 其中缸是采样频率 最大值 是a d c 的有效位数 可见 在相同的有效位数情况下 时钟抖动越 小 采样频率越高 反过来 在相同采样频率下 时钟抖动越小 有效位数越高 1 m 觚 2 n t j 幽 2 n 1 2 a d c 的时钟信号通常由外界信号源接入 可能是方波信号也可能是正弦波 等周期波形 它的占空比 抖动情况一般比较糟糕 因此 为保证外部非理想因 素对a d c 性能的影响 在流水线a d c 中设计一个时钟稳定电路非常重要 流水线a d c 的原理是通过利用低分辨率的子a d c 逐级量化结果 而这个量 化的过程其实就是一个个f l a s h a d c 作为关键模块 比较器电路的性能很大程 度上决定了模数转换器的速度以及精度 首先 在每级的保持阶段 比较器比较 输入与各参考电压的值并得到输出结果 比较器必须在下一个采样控制信号到来 之前完成这个步骤 因此比较器的速度必须达到一定的要求 其次 比较器的失 调电压会导致输出结果不准确 影响每级输出数字码的精度 如何使比较器的跳 交点保持精确也是近年来研究的热点 最后 比较器电路作为关键单元电路被重 复用在流水线a d c 中 它的数量巨大 降低功耗 减小面积自然成为了另一个 考虑的重点 所以 设计一款高速高精度且同时低功耗的比较器会使整个流水线 a d c 的性能有质的提升 1 2 国内外发展趋势及研究状况 1 2 1 模数转换器的发展趋势 在流水线技术还未出现之前 a d c 的结构主要有f l a s h a d c 和积分型等结 构 再次之后又发展出许多新技术 例如 折叠差值技术 f o l d i n ga n di n t e r p o l a t i n g a d c 嘲和并行时间交织技术 p a r a l l e lt i m ei n t e r l e a v e d a d c 7 1 在高速低分辨率 a d c 中得到了广泛应用 到9 0 年代后 以流水线结构和过采样结构为代表的 高性能流水线模数转换器的关键电路研究浙江大学硕士学位论文 a d c 凭着其打破了传统全并行结构在精度和功耗上的局限 从而实现更高的转 换速率和更高的分辨率的优势 逐渐成为近1 0 几年来最为主流的模数转换器 在阅读各类a d c 论文和国外大型集成电路设计公司的d a t a s h e e t 以后 我们 可以总结出数据转换电路的主要发展趋势是向高精度 高速度 低功耗 单电源 低电压 混合信号处理芯片方向发展 1 向高速高精度发展 通过采用新型电路结构方案 在同样的工艺条件 下 利用s i g m a d e l t a 技术 a d c 的分辨率已经超过了2 4 位 f l a s h a d c 向着更 高的转换速率发展 已经有提出4 b i t 的闪存模数转换器的采样频率超过3 0 g h z 8 而流水线模数转换器既有较高的分辨率 又有很高的转换速率 之后 由于采用 数字校正技术 a d c 的分辨率和精度又提高了一个层次 总而言之 不同的结 构会有不同特性模数转换器 o 0 z 口 s a m p l er a t e m s s 1 图1 5 模数转换器性能概况 2 向低电压 低功耗方向发展 如今最为普遍的a d c 工艺是c m o s 和 b i c m o s 可以做到低工作电压 目前主流的是1 8 v 并且向更低发展 而采用 电源休眠工作方式 s l e e pm o d e 动态比较器1 9 等措施和技术 既可使转换器电 路获得高分辨率 高精度和高转换速率 又可达到低功耗 3 向混合信号处理芯片方向发展 由于超大规模集成电路技术的成熟以 及过采样调制技术的应用 数字信号处理器 d s p 及微控制器 m c u 可以 实现与高分辨率a d c d a c 可集成于同一芯片上 构成混合信号处理器 m s p 6 高性能流水线模数转换器的关键电路研究浙江大学硕士学位论文 片上系统 s o c 是当下集成电路发展的另一大热门 而作为混合信号和数字信 号接口的模数转换器的集成度 提升了整个系统的性能和操作的简单性 不需要 再增加不必要的外围电路 1 2 2 时钟电路国内外研究状况 近年来 国际上对于时钟占空比稳定电路的研究越来越多 因为随着速度和 精度要求的不断提升 时钟电路的性能对电路整体的影响越来越明显 目前的时 钟稳定电路 最高工作频率为6 g h z 占空比调节范围高达1 0 旷9 9 1 1 0 1 而主流 的工艺已经进入0 1 3 9 m 线宽及以下 2 0 0 0 年 f e n g h a om u 等人设计了一款闭环结构的占空比调整电路 1 l 用来 输出5 0 占空比的时钟信号 输入信号为非5 0 占空比的时钟信号 电路主要 采用了闭环的脉宽控制环路 通过环形振荡器输出控制电荷泵的充放电时间 来 获得想要的输出时钟占空比 该电路一般用于单一占空比调整 此电路采用了 c m o so 8 9 m 工艺 但是可调整的范围并不大 2 0 0 2 年 p o h u iy a n g 等人设计了一款低电压的脉宽控制电路 1 2 1 用于片上 系统的使用 这款电路基于传统的脉宽调整电路 但是采用了新的输入占空比检 测电路和新的脉冲产生电路 使得输入时钟频率达到了4 0 0 m h z 输出时钟具有 固定的上升沿 其脉冲宽度为0 6 n s 时钟抖动为9 2 p s 电路采用0 3 5 9 mc m o s 工艺 工作电压为1 8 v 但是电路里还是引入了锁相环的结构 2 0 0 5 年 s u n g r u n gh a n 等人设计了一款内建d 触发器的新型脉宽控制电路 1 3 输入时钟信号频率为1 g h z 1 2 7 g h z 输出的脉宽范围为3 5 o 7 0 每隔 5 一个阶梯 输出信号的脉宽不受输入信号影响 提出的电路不仅可以保证输 出时钟信号的占空比为5 0 且输出时钟的相位和输入时钟可以达到同步 于此 同时 电路并不需要一个参考的5 0 占空比时钟 而是自行产生5 0 输出占空 比 当工作频率在1 2 5 g h z 时 时钟抖动小于2 3 p s 功耗为1 5 0 m w 芯片的面 积为0 4 7 0 3 m m 2 采用了c m o s0 3 5 9 m 工艺 2 0 0 6 年 j a n g y c 等人设计了一款脉宽稳定电路 1 4 1 它基于数字脉宽控制 环路 并且使用了固定延迟的上升沿及数字稳定性控制方式 电路具有两种模式 在占空比跟踪模式下 输入信号的线性占空比为2 8 7 0 输出信号可以跟踪 高性能流水线模数转换器的关键电路研究 浙江大学硕士学位论文 输入的占空比 并且将占空比误差稳定在5 以内 在占空比调整模式下 对于 占空比为2 5 o 7 5 的输入信号 输出信号脉宽保持在5 0 而误差为士0 4 芯片采用了c m o s0 2 5 mz 艺 电源电压为2 5 v 面积为0 2 5 0 21 1 1 1 1 1 2 在时 钟频率为1 g h z 时 功耗为1 8 r o w 2 0 0 8 年 t a j i z a d e g a n r 等人提出了一款低功耗占空比调整电路 1 5 提出的 电路也是基于脉冲宽度控制环路的结构 通过增加s r 锁存器来产生5 0 占空 比 输出时钟具有一个固定延时的上升沿 该电路采用了c m o s0 1 8 z m 工艺 电源电压为1 8 v 在1 g h z 工作频率下 对于输入占空比范围为3 0 6 0 的时 钟信号 输出信号占空比可以控制在5 0 j 0 7 与传统占空比调整电路相比 功 耗约为八分之一 与此同时 版图面积还降低了7 5 2 0 0 9 年 s h a r a t hp a t i l 等人采用c m o s0 1 3 m 工艺 设计了一种反馈控制的 低压脉宽调整电路 1 6 1 它的工作原理是通过信号的平均电压与其占空比成正比 这一特性 只要能够保证输入信号和它的反相信号的平均电压相等时 就可以得 到这个频率下5 0 占空比的输出 所以在电路里设计了一个反馈电路来比较两个 平均电压的大小 芯片的工作电压为1 2 v 工作频率5 0 0 m h z 时 输入占空比 范围为2 5 7 5 输出占空比约为5 0 但精度不是很高 2 0 1 1 年 t s u n g h s i e n l i i l 等人提出了一款同步的5 0 占空比时钟发生器 1 7 1 电路由一个时钟发生器 相位差积分器组成 如图1 6 所示 输入信号的边沿触 发时钟发生器产生输出波形的起始边沿 而输出波形的脉宽是由被相位差积分器 控制的内建延迟线控制的 积分器检测输入和输出信号的相位差 当它为零时 5 0 占空比即被锁定 电路采用了0 3 5 mc m o s 工艺 可以在7 0 5 0 0 m h z 频率 下工作 输入占空比范围为5 9 5 而输出信号占空比误差小于1 5 电路 在5 0 0 m h z 频率工作时消耗7 m a 供电电压为3 3 v 高性能流水线模数转换器的关键电路研究浙江大学硕士学位论文 c l k i n 几几几几几几 c i k o u t 厂 厂 厂 厂 厂 r 图1 6 时钟占空比发生器框图及波形示意图 国外的时钟电路研究日趋成熟 而国内对于时钟稳定电路的研究主要集中在 时钟产生与数据恢复这两方面 近两年来也已经跟上了国际的步伐 工艺方面也 采用了当下主流的c m o s0 1 8 0 3 5 9 m 工艺 比较典型的有以下几种设计 2 0 0 8 年 重庆邮电大学的张奉江 周述涛等人提出了一种新型的地抖动快速 锁定时钟稳定电路 1 8 1 该电路通过检测输入时钟信号的上升沿 产生一个尖峰 脉冲并且通过内部环路控制延时 最后产生一个延时半个周期时长的尖峰脉冲控 制输出波形跳变 共同组成一个5 0 占空比输出的低抖动时钟 电路采用了 0 3 5 m 标准c m o s 工艺 在1 0 0 m h z 输入时钟频率下 输出时钟抖动为5 6 f s 电路功耗仅有3 5 m w 2 0 1 0 年 中电2 4 所朱璨 徐鸣远等人设计了一种用于超高速a d c 的脉宽 调整电路 1 9 1 该电路以输出电压为参照 利用差动放大器输出控制输出时钟占 空比 最高可工作在1 7 g h z 时钟频率下 在4 0 0 n s 内可完成锁定 锁定精度为 5 0 士1 占空比调节范围为2 0 8 0 而且能很好地抑制时钟抖动 电路采 用了0 1 8 a mc m o s1 艺 芯片面积为0 3 0 1 i i 珊2 供电电压为1 9 v 功耗小于 4 0 m w 其工作框图如图1 7 所示 9 高性能流水线模数转换器的关键电路研究 浙江大学硕士学位论文 图1 7 超高速a d c 的脉宽调整电路框图 表1 1 时钟电路性能发展总结 序号发表年份工艺输入范围输出范围面积功耗 m 占空比 频率n z 或抖动 m m 2 m w 一 国外 秀 e k 钒j j w i f 溉 o j f k i h oi 菇t 勘蚀泐敏 i f 舢岳 慵 女 减 缸 o f j o z m o 柑 瓤i i 钧 1 1 2 0 0 00 8n an a n a 1 2 2 0 0 20 3 5n a 4 0 0 m 9 2 p s n f 久 1 3 2 0 0 5o 3 5n a 1 1 2 7 g 时 f o v 一h 当v p 时 彳 咋一v v o 当咋一 吃时 z v p h 当 咋一h 1 1 0 3 3 2 2 1 1 y i f re 1 5 1 81 8 2 51 8 51 8 7 51 9l9 2 51 9 51 9 7 5 t i m e u 5 图3 1 2 时钟输入频率1 0 m h z 输入占空比3 0 时钟输入频率1 0 m h z 输入占空比7 0 输出占空比为5 0 3 5 t r a n s i e n tr e s p o n s e w r f n e r 1 81 8 5 t i m e u s 1 9 1 9 5 图3 1 3 时钟输入频率1 0 m h z 输入占空比7 0 时钟输入频率1 0 m i i z 输入占空比9 0 输出占空比为5 0 4 1 高性能流水线模数转换器的关键电路研究浙江大学硕士学位论文 3 2 2 1 1 0 3 2 2 1 1 t r t l n s i e mr e s p o n s e v 1 e l k v t l n e tj 1 81 8 5l 9 t i m e u 对 1 9 s 图3 1 4 时钟输入频率1 0 m i i z 输入占空比9 0 2 o 时钟输入频率1 0 0 m h z 输入占空比1 0 输出占空比为5 0 3 2 2 1 0 3 j 2 2 l 1 y i f i1 豇 厂厂 f 4 6 2 54 6 5 04 6 7 54 7 0 04 7 2 54 7 50 4 7 75 4 8 0 0 t i m e n s 图3 1 5 时钟输入频率1 0 0 m h z 输入占空比1 0 时钟输入频率1 0 0 m h z 输入占空比3 0 输出占空比为5 0 1 7 5 l 高性能流水线模数转换器的关键电路研究浙江大学硕士学位论文 3 3 2 0 3 3 2 2 l 1 t r a n s i e mr e s p o n s e v ic n e 铬 r 4 3 04 3 54 4 04 4 s l i m e n s 4 5 0 图3 1 6 时钟输入频率1 0 0 m h z 输入占空比3 0 时钟输入频率1 0 0 m h z 输入占空比7 0 输出占空比为5 0 0 7 v lf r e t 5 o r i f 4 7 2 54 7 5 04 7 7 s4 8 0 04 8 2 54 8 5 04 8 7 54 9 0 0 t i m e n 站 图3 1 7 时钟输入频率1 0 0 m h z 输入占空比7 0 时钟输入频率1 0 0 m h z 输入占空比9 0 输出占空比为5 0 3 1 5 2 妒h 高性能流水线模数转换器的关键电路研究 浙江大学硕士学位论文 3 3 2 2 1 1 0 3 2 2 1 1 t r a n s i e n tr e s p o n s e vr r j re t 1 r 4 0 54 1 0 t i m e n s 4 l s4 2 0 图3 1 8 时钟输入频率1 0 0 m h z 输入占空比9 0 5 3 高性能流水线模数转换器的关键电路研究浙江大学硕士学位论文 4 1 概述 第四章低功耗高速比较器 低功耗高速比较器广泛应用于流水线a d c 中 在模数转换过程中 首先必 须对输入进行采样 接着 经过采样的信号通过比较器以决定模拟信号的数字值 在最简单的情况下 比较器可以作为一个1 位的模数转换器 传统的比较器是一 个基于非补偿运算放大器的开环比较器 然而随着速度的不断提升 传统的结构 已经不适用于现在的模数转换器 本文提出了一种新型动态锁存比较器的结构 它利用l a t c h 信号控制两支路开断 通过正反馈电路最终决定比较结果 这种动 态比较器的速度快 功耗较低 抗噪性和温度特性较好 达到了高性能流水线模 数转换器的要求 4 2 电路分析 4 2 1 核心电路 2 屹二 v 妄 图4 1 差分对比较器 图4 1 是本文提出的基于差分对的动态比较器 m 9 鸠 眠和m 这四个 高性能流水线模数转换器的关键电路研究 浙江大学硕士学位论文 m o s 管的栅端接到锁存控制信号 分别用来控制将输出拉到高电平和截断 工作通路 整个电路分为两个工作状态 由 控制 当锁存控制信号 处于 低电平时 比较器不工作 也就是说电流源晶体管m 和m 被关断 所以电源 对地没有通路 与此同时 p m o s 开关晶体管m 和m 就好像被短路一样 将 输出电压拉到了 由于输出为高电平 n m o s 晶体管m 和m 处于开启状态 因此将下面的输入晶体管m 一鸩的漏端拉到了 但是晶体管m 和眠的漏 端电压是取决于输入电压的值 当 变为高电平时 鸠和m 关断 于是输 出与电源电压之间断开了 开关电流源m 和眠打开 此时m 一心比较 聪一 和哮一 因为锁存器设备m 一坂处于工作状态 电路再生地放大 输入对漏端的电压差值 比较器的阈值电压是由差分对的电流分配和耦合对分支 来决定的 4 2 2 阈值点计算 卜v 毒 图4 2 差分对比较器的简单模型 比较器的阈值电压可以用大信号电流方程得到 首先我们将上面的电路分成 左右两部分来看 由于左右的结构相同 都是一对差分输入管以及一个电流源 而差分输入对上面即是两个反相器 于是我们可以利用差动对的输出电流与输入 5 5 高性能流水线模数转换器的关键电路研究 浙江大学硕士学位论文 电压的大信号模型进行计算 现在 我们来定量分析下m o s 差动对的特性 为了方便起见 我们建立了 一个差动输出电流 电压 与输入差动电压的函数关系 先对其进行大信号的分 析 对于图4 3 所示的差动对 我们有v o 一 l 一r d 2 d 即 如果有r d 如2 如 则有 圪耐l 一圪耐2 r d 2 如2 一尺d l 伪 r d d 2 d 1 4 1 因此 假设电路时对称的 m 和鸩均工作在饱和区 且五 0 于是我们 可以应用吃 和圪 简单的计算出厶 和易 由于p 点的电压既等于 一 也 等于吃 一 所以我们有 圪l 一圪2 一 2 4 2 对于平方律器件 根据电流在饱和区的公式 我们可以得到 卜盎1 w 4 3 高性能流水线模数转换器的关键电路研究 浙江大学硕士学位论文 s 由式子 4 2 和 4 4 可以得到 圪 一 2 4 4 4 5 我们的目的是计算差动输出电流易 一厶 将式子 4 5 两边同时平方 考虑到 d l d 2 嚣 我们可得 肾 2 霹2 一2 瓜 4 引 即 扣c o x 警 v 一m 2 吨 2 厄i 4 7 将式 4 7 两边再同时平方 留意到4 1 0 d 2 d 2 2 一 d 一i n 2 2 总 i n l i d 2 因此我们可以得 到 i d im 厶 2 一三 巳i w 2 圪 一圪 4 k 风c 甜警 圪 一圪 2 4 8 因此我们有 i d i 厶 三1 心 i w 圪 一y 坍2 4 9 通过上面的推导 我们可以分别得到左右两个差分输入对的输出电流和输入 电压的关系 首先我们做下面的假设 尼 三k 等 三从乙警 迁移率 和栅氧化层电容巳是由工艺决定的常 量 屹 聪一 表示两个输入级的差值 2 哮一 表示两个参考电压的差值 高性能流水线模数转换器的关键电路研究 浙江大学硕士学位论文 形 呢 两边的输入端的宽长比相同 利用图中的记号并且利用不同的源耦合对的宽长比 晶体管m 一心的大电 流方程如下 左边部分 右边部分 图4 4 左边部分 圪舡 卜v 毒 图4 5 右边部分 l d 一i d 3 呵 4 1 1 我们可以看到 两个输入对上方接的是两个反相器n m o s 管的漏端 也就 是说这两个电流的大小决定了流过反相器电流的大小 当两个反相器的电流大小 高性能流水线模数转换器的关键电路研究浙江大学硕士学位论文 相等时则是这个比较器的临界状态 其中流过左边反相器的电流是鸩和 漏 极电流之和 流过右边反相器的电流是m 和m 漏极电流之和 于是我们将式 4 1 0 和式 4 1 1 得到 如一厶z 一 如 届圪1 百2 i d s 一瑶一屈 1 百2 i d 6 一 4 1 2 由于易j l 3 一 易2 1 0 4 0 于是我们有 局吒 2 局i d 5 一圪2 岛圪 1 i 2 属i d 6 一 2 4 1 3 两边开平方可得 2 f l v 2 i d 5 p 2 吆 2 屈 d 6 一厨嘿 4 1 4 我们假设源耦合对的偏置电流之间的关系为l d i d 并且 p 幸 因此就得到了如下的关系 2 出2 k 譬一k e 4 嚆e 2 2 警一k 警y 4 朋 其寺k p n c 这样 参数么e 就可以根据想要的跳变点来决定 由于在这个式子中两边的 宽长比都有正负的符号 这样就可以从一定程度上消除晶体管不匹配的影响 也 就是说这种差分对比较器结构对器件不匹配有很好的鲁棒特性 4 2 3 输出缓存级电路 由于比较器在整个流水线模数转换器中的作用有两个 一方面是通过在阈值 电压的比较输出这一级的比较结果 另外是将结果输出至m d a c 用来完成对 m d a c 中开关信号的控制 所以我们必须要考虑开关作为负载所具有的一些影 响 其中最重要的就是开关电容 这个电容比比较级电路中的寄生电容c 要大 的多 如果不加入输出缓存级将电流放大则输出的上升或者下降时问会变得很 长 下面我们来看一下如何设计才能用最少的反相器做到最小的延迟 m e a d 和c o n w a y 论证了逐级放大反相器构成的驱动电路能够实现大电容负 5 9 高性能流水线模数转换器的关键电路研究浙江大学硕士学位论文 载的驱动 图4 6 是一个c m o s 反相器逐级放大的电路 图中 三 分别表示第i 级 p 管和n 管的沟道长度 和 分别表示第i 级p 管和n 管的沟道宽度 设 第一级为标准反相器 其后各级逐级按放大比值f 设计沟道宽度w 的尺寸 其 后一级管子彬 是前一级管子彬的f 倍时 沟道长度不变 则其输出电流增大 了厂倍 也就是说它与标准门相连的容性负载增大到f 倍 在这样的负载电容逐 级增大到厂倍的前提下 第一级们的延迟时间是标准门延迟f 耐的厂倍 而第二级 作为驱动级去驱动第三级门时 其驱动能力增大到第一级的f 倍 但其负载电容 也递增到第二级的厂倍 故第二级驱动第三级的延迟时间也相当于r 耐的 倍 依 此类推 逐级放大反相器链中各相邻门的延时均为 耐 由第一级到第1 1 级们以 后的总延时时间为 t 妒耐 4 1 6 式中 n 为反相器的级数 f 为几何尺寸 w 放大系数 f 耐为标准反相器的门 延迟时间 l p n l n i 阿 f 卜1 图4 6c m o s 逐级放大驱动电路 以上方案中级数的选择方法如下 1 按照设计要求的f 0 和c 工计算最后一级反相器互补管尺寸 2 按照设计优化的原则 速度 功能 面积 计算驱动负载电容所需 要的反相器链级数以及各级互补管的尺寸 6 0 高性能流水线模数转换器的关键电路研究 浙江大学硕士学位论文 由图4 6 易于得知 第i 级后的负载电容司为 c g 即第n 级后允许负载电 容为f c 窖 它应该是要驱动的大电容负载 因此 q f c g 4 1 7 其中 c g 为标准反相器的栅电容 n 为放大练级数 于是有 肛h l 毒灿厂 4 若厂取较大值 则级数减小 但每级时延上升 若厂取较小值 则级间时延 减小 但级数增加 利用总时延的关系式 妒彤 i n q g j m q 州 4 1 9 上式中只有岳是厂的函数 我们对右边的式子求导可以得到 m 争岩 o 2 从上式中我们可以求出极值是当f e 这时总的延时最小 2 袭 2 1 删口当毒矿彰 1 0 9 7 若用反相器直接带大电容负载时 时延是 1 0 9 7 t 采用尺寸放大系数为p 的7 级放大链驱动 时延减小为7 e t 州 1 9 t 设计驱动电路时 最小时延不是唯一的设计准则 实际厂值可以在e l o 之间 选择 从以上讨论看到 对于小的负载 速度的提高不大 而采用级联法使用面积 增大变得不可取 对于大电容负载 才使速度的提高变得显著 另外 如果级联取奇数 则输出信号反相 若不允许反相 可以在电路中增 加一个标准反相器 这使得最小延迟增加 速度提高 但是芯片面积按照几何关 系增大 这些对于设计者来说都是值得权衡的 高性能流水线模数转换器的关键电路研究浙江大学硕士学位论文 具体电路设计如图4 7 所示 图4 7 输出缓冲牧 从电路我们可以看到 正负两个输出端各使用了六个反相器 而每个反相器 中的宽长比是以e 为倍数增长的 以电阻分压动态比较器为例 我测得输出的标 准反相器寄生电容c 嚣 2 5 8 8 5 f f 若设计m d a c 中的寄生电容输入寄生电容 为l p f 则我们可以根据公式求得需要的反相器级数为 肛h e 川赫 2 2 此外 各级反相器的宽长比呈固定倍数增长 假设最前级的孚 2 1 5 8 叻 u 鲁 丽6 0 0 1 1 删第二级的等 丽4 8 9 等 1 2 5 6 3 u 依此类揿 4 3 仿真结果 为了能够将结果保存传输给下级电路 我们在比较器的输出端加入一个d 触 发器电路 触发信号是l a t c h 信号的0 5 n s 延时方波 此外还在输出端加入了 b u f f e r 电路 增大驱动 使速度更快 实际仿真电路如图4 8 堕性璧鎏查垡堡墼堑垫墨竺茎壁皇堕婴壅 塑垩奎堂堡主堂垡笙奎 l l l l 一一一 噬 图4 8 比较器仿真t e s t b e n c h 图4 9 比较器模块电路 y r j 争 i i 鲁r 一 r j 西j j j 方蕾 i 一一 p守 量引 妈刊警 0味7 恤 咄 材 j 引ta丫玎 曹 拶 再是丫卜 高性能流水线模数转换器的关键电路研究浙江大学硕士学位论文 定义 1 比较器的响应时间定义为l a t c h 信号上升沿的5 0 到输出信号5 0 之间的时 间间隔 2 比较器的直流电压输入范围定义为两个输入端能够输入最大和最小的正常比 较的大信号电压 3 比较器输入共模电压的范围定义为比较器的阈值电压在0 2 v 至0 3 v 时 输 入共模电压允许的范围 4 比较器的速度定义为比较器可以在多少频率下的l a t c h 控制信号下正常工作 5 比较器的阈值电压即跳变点 是当输入电压到达一定值时 结果发生变化时 的值 阈值电压的实际值和设计值之间的差值即为比较器的失调电压 响应时问仿真 表4 1 比较器相应时间仿真参数 名称参数 单位 输入信号0 5 v 幅度 周期为6 0 n s 的全差分锯齿波信号 设计阈值电压 0 2 5v 设计宽长比 3 2 5 u l u 负载电容 l p f 仿真时间 1 5 0n s 仿真温度 2 7 电源电压 3 3v 其中涉及宽长比为式 4 1 5 方程中为了达到特定跳变点而采用的宽长比 w 3 l 比 图4 1 0 是